Характеристика биохимического состава и антиоксидантной активности Spinacia oleracea L. и Spinacia turkestanica Iljin.: сравнительное исследование

Шпинат - экономически значимая овощная культура, широко возделываемая и потребляемая во всем мире. Этот скороспелый листовой овощ богат биологически активными компонентами, клетчаткой, микро- и макроэлементами, витаминами, обладает высокой антиоксидантной активностью. Многочисленные результаты изучения влияния шпината на здоровье человека подтверждают его благотворное действие. В производстве культивируют вид S. oleracea L. Прародителем культурного вида шпината является вид S. turkestanica Iljin., обладающий потенциалом для селекции по различным хозяйственно-ценным признакам. Его биохимический состав изучен крайне мало. В настоящей работе дана сравнительная оценка биохимического профиля и антиоксидантной активности культурного и дикого видов шпината. Материалом для исследования послужила репрезентативная выборка из 48 образцов коллекции шпината ВИР. Образцы выращивались в 2019 и 2020 году в условиях открытого грунта Пушкинских и Павловских лабораторий Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова. Антиоксидантную активность изучали методом DPPH на спектрофотометре путем поглощения свободных радикалов раствора, измеряемое при длине волны 515 нм. Выявлено значительное сходство двух видов по большинству биохимических показателей, что подтверждает их филогенетическое родство. Существенные различия обнаружены в содержании фенольных элементов, определяющих повышенные значения антиоксидантной и антирадикальной активности S. turkestanica Iljin. В статье приведены корреляционные матрицы видового биохимического состава, описаны общие тенденции, отрицательные взаимосвязи и сопряженные факторы. Выделившиеся перспективные образцы как культурного, так и дикого видов шпината рекомендованы для селекции на увеличение содержания фенольных соединений, аскорбиновой кислоты и антиоксидантной активности. Результат исследования помогает раскрыть потенциал культуры, как ценного источника биологически-активных компонентов и высокой антиоксидантной активности.

1. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), FAOSTAT, 2021. Available online: www.fao.org/faostat/en/#data/QCL (date of access 13 января 2023 года).

2. Mukhanova Yu.I., Trebukhina K.A. Expand assortment. Potato and vegetables. 1987;(1):23-25. (in Russian)

3. Pivovarov V.F. Vegetables of Russia. Moscow: Russian seeds. 1994. (in Russian)

4. Hu J., Wu F., Wu S., Cao Z., Lin X., Wong M. H. Bioaccessibility, dietary exposure and human risk assessment of heavy metals from market vegetables in Hong Kong revealed with an in vitro gastrointestinal model. Chemosphere. 2013;91(4):455–461. doi:10.1016/j.chemosphere.2012.11.066

5. Morelock T.E., Correll J.C. Spinach. In: Prohens J., Nuez F. (eds.) Vegetables I. Handbook of plant breeding. Vol 1. Springer, New York. 2008.

6. Tang L., Hamid Y., Sahito Z. A., Gurajala H. K., He Z., Feng Y., Yang X. Evaluation of variation in essential nutrients and hazardous materials in spinach (Spinacia oleracea L.) genotypes grown on contaminated soil for human consumption. Journal of Food Composition and Analysis. 2019;(79):95–106. doi:10.1016/j.jfca.2019.03.012

7. Manzoor M. F., Ahmed Z., Ahmad N., Aadil R. M., Rahaman A., Roobab U., … Siddeeg A. Novel processing techniques and spinach juice: Quality and safety improvements. Journal of Food Science. 2020;85(4):1018–1026. doi:10.1111/1750-3841.15107

8. Longnecker M.P., Newcomb P.A., Mittendorf R., Greenberg E.R., Willett W.C. Intake of carrots, spinach, and supplements containing vitamin A in relation to risk of breast cancer. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev.1997;6(11):887–892.

9. Lomnitski L., Bergman M., Nyska A., Ben-Shaul V., Grossman S. Composition, Efficacy, and Safety of Spinach Extracts. Nutrition and Cancer. 2003;46(2):222–231. doi:10.1207/s15327914nc4602_16

10. Edenharder R., Keller G., Platt K.L., Unger K.K. Isolation and Characterization of Structurally Novel Antimutagenic Flavonoids from Spinach (Spinacia oleracea). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2001;49(6):2767–2773. doi:10.1021/jf0013712

11. Kotake-Nara E., Kushiro M., Zhang H., Sugawara T., Miyashita K., Nagao A. Carotenoids Affect Proliferation of Human Prostate Cancer Cells. The Journal of Nutrition. 2001; 131(12):3303–3306. doi:10.1093/jn/131.12.3303

12. Nyska A., Suttie A., Bakshi S., Lomnitski L., Grossman S., Bergman M., … Maronpot R.R. Slowing Tumorigenic Progression in TRAMP Mice and Prostatic Carcinoma Cell Lines Using Natural Anti-Oxidant from Spinach, NAO—A Comparative Study of Three Anti-Oxidants. Toxicologic Pathology. 2003;31(1):39–51. doi:10.1080/01926230390173833

13. Maeda N., Matsubara K., Yoshida H., Mizushina Y. Anti-cancer Effect of Spinach Glycoglycerolipids as Angiogenesis Inhibitors Based on the Selective Inhibition of DNA Polymerase Activity. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 2011;11(1):32–38. doi:10.2174/138955711793564042

14. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG II. Botanical Journal of the Linnean Society. 2003;141(4):399–436. doi:10.1046/j.1095-8339.2003.t01-1-00158.x

15. Steven C.C. Decas plantarum nondum descriptarum Iberiae et Rossiae meridionalis (Mmoires de la socit Impriale des naturalistes de Moscou, 1809, V. II, p. 173—183) (in Latine)

16. Ilyin M.M. Family III. Chenopodia - Chenopodiaceae Less. Flora URSS : in 30 volumes / editor-in-chief V. L. Komarov. - M.; L. Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR. 1936. V.6. (ed. B. K. Shishkin) (in Russian)

17. Uotila P. Spinacia. In: Reichinger K.H. (ed). Flora Iranica. Akademische Druck und Verlagsanstalt, Graz. 1997.

18. Andersen S.B., Torp A.M. Spinacia. Chapter 13. In: Kole C. (ed.) Wild crop relatives: genomic and breeding resources vegetables. Springer, Berlin, 2011.

19. Hallavant C., Ruas M.P. The first archaeobotanical evidence of Spinacia oleracea L. (spinach) in late 12th–mid 13th century A.D. France. Vegetation History and Archaeobotany. 2014;23:153–165. doi:10.1007/s00334-013-0400-8

20. Dekandol' A. Place of origin of cultivated plants: Translation from the 2nd fr. ed. with add. according to later sources. Dr. Chr. Gobi, prof. St. Petersburg. university (ed.). St. Petersburg: K. Ricker, 1885. (in Russian)

21. Xu C., Jiao C., Zheng Y., Sun H., Liu W., Cai X., … Wang Q. De novo and comparative transcriptome analysis of cultivated and wild spinach. Scientific Reports. 2015;(5):1-9. doi:10.1038/srep17706

22. Xu C., Jiao C., Sun H., Cai X., Wang X., Ge C., Zheng Y., Liu W., Sun X., Xu Y., Deng J., Zhang Z., Huang S., Dai S., Mou B., Wang Q., Fei Z., Wang Q. Draft genome of spinach and transcriptome diversity of 120 Spinacia accessions. Nature Communications. 2017;(8):15275. doi:10.1038/ncomms15275

23. Ermakov A.I. Biochemical research methods of plants. Leningrad, 1987. (In Russian)

24. Kjeldahl J. Neue Methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern. [New Method for the Determination of Nitrogen in Organic Substances.] Zeitschrift für analytische Chemie. 1883;(22):366-383. doi:10.1007/BF01338151

25. Ainsworth E.A., Gillespie K.M. Estimation of total phenolic content and other oxidation substrates in plant tissues using Folin-Ciocalteu reagent. Nature Protocols. 2007;2(4):875-877. doi: 10.1038/nprot.2007.102

26. Brand-Williams, W., Cuvelier, M. E., & Berset, C. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LWT - Food Science and Technology. 1995;28(1):25–30. doi:10.1016/s0023-6438(95)80008-5

27. Girenko M.M. Initial material for breeding of leafy green crops in the northwestern zone of the USSR (spinach, lettuce, dill) [dissertation]. Leningrad; 1964. (in Russian)

28. Sychova I.V. Peculiarities of ecological methods for assessing the source material for the creation of heterotic spinach hybrids [dissertation]. Moscow; 2000. (in Russian)

29. Koh E., Charoenprasert S., Mitchell A. E. Effect of Organic and Conventional Cropping Systems on Ascorbic Acid, Vitamin C, Flavonoids, Nitrate, and Oxalate in 27 Varieties of Spinach (Spinacia oleracea L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2012;60(12):3144–3150. doi:10.1021/jf300051f

30. Bergquist S.Å.M., Gertsson U.E., Nordmark L.Y.G., Olsson M.E. Ascorbic Acid, Carotenoids, and Visual Quality of Baby Spinach as Affected by Shade Netting and Postharvest Storage. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007;55(21):8444–8451. doi:10.1021/jf070396z

31. Mozafar A. Plant Vitamins Agronomic, Physiological, and Nutritional Aspects. CRC Press: Boca Raton (1st edition). 1993. DOI:10.1201/9781351075800

32. Proietti S., Moscatello S., Colla G., Battistelli Y. The effect of growing spinach (Spinacia oleracea L.) at two light intensities on the amounts of oxalate, ascorbate and nitrate in their leaves. The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2004;79(4):606–609. doi:10.1080/14620316.2004.11511814

33. Walker R. Nitrates, nitrites and N-nitrosocompounds: A review of the occurrence in food and diet and the toxicological implications. Food Additives and Contaminants. 1990;7(6):717–768. doi:10.1080/02652039009373938

34. Zaprometov M.N. Phenolic compounds. Distribution, metabolism and functions in plants. Moscow. 1993. (in Russian)

35. Cao G., Sofic E., Prior R.L. Antioxidant and Prooxidant Behavior of Flavonoids: Structure-Activity Relationships. Free Radical Biology and Medicine. 1997;22(5):749–760. doi:10.1016/s0891-5849(96)00351-6

36. Deng G.-F., Lin X., Xu X.-R., Gao L.-L., Xie J.-F., Li H.-B. Antioxidant capacities and total phenolic contents of 56 vegetables. Journal of Functional Foods. 2013;5(1):260–266. doi:10.1016/j.jff.2012.10.015

37. Mikulic-Petkovsek M., Schmitzer V., Slatnar A., Stampar F., Veberic R. A comparison of fruit quality parameters of wild bilberry (Vaccinium myrtillus L.) growing at different locations. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2014;95(4):776–785. doi:10.1002/jsfa.6897

38. Åkerstrom A., Jaakola L., Bång U., Ja ̈ derlund A. Effects of Latitude-Related ̈ Factors and Geographical Origin on Anthocyanidin Concentrations in Fruits of Vaccinium myrtillus L. (Bilberries). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2010;58(22):11939–11945. doi:10.1021/jf102407n

39. Latti A K., Jaakola L., Riihinen K.R., Kainulainen P.S. Anthocyanin and ̈ Flavonol Variation in Bog Bilberries (Vaccinium uliginosum L.) in Finland. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2010;58(1):427–433. doi:10.1021/jf903033m

40. Lomnitski L., Carbonatto M., Ben-Shaul V., Peano S., Conz A., Corradin L., … Nyska A. The Prophylactic Effects of Natural Water-Soluble Antioxidant from Spinach and Apocynin in a Rabbit Model of Lipopolysaccharide-Induced Endotoxemia. Toxicologic Pathology. 2000;28(4):588–600. doi:10.1177/019262330002800413

41. Kanner J., Frankel E., Granit R., German B., Kinsella J. E. Natural antioxidants in grapes and wines. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1994;42(1):64–69. doi:10.1021/jf00037a010

42. Salah N., Miller N.J., Paganga G., Tijburg L., Bolwell G.P., Riceevans C. Polyphenolic Flavanols as Scavengers of Aqueous Phase Radicals and as Chain-Breaking Antioxidants. Archives of Biochemistry and Biophysics. 1995;322(2):339–346. doi:10.1006/abbi.1995.1473

43. Bergman M., Varshavsky L., Gottlieb H.E., Grossman S. The antioxidant activity of aqueous spinach extract: chemical identification of active fractions. Phytochemistry. 2001;58(1):143–152. doi:10.1016/s0031-9422(01)00137-6

44. Chu Y.-F., Sun J., Wu X., Liu, R.H. Antioxidant and Antiproliferative Activities of Common Vegetables. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2002;50(23):6910–6916. doi:10.1021/jf020665f

45. Wang H., Cao G., Prior R.L. Total Antioxidant Capacity of Fruits. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1996;44(3):701–705. doi:10.1021/jf950579y

46. Prior R.L., Cao G., Martin A., Sofic E., McEwen J., O’Brien C., … Mainland C.M. Antioxidant Capacity As Influenced by Total Phenolic and Anthocyanin Content, Maturity, and Variety of Vaccinium Species. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1998;46(7):2686–2693. doi:10.1021/jf980145d

47. Gil M.I., Ferreres F., Tomás-Barberán F.A. Effect of Postharvest Storage and Processing on the Antioxidant Constituents (Flavonoids and Vitamin C) of Fresh-Cut Spinach. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1999;47(6):2213–2217. doi:10.1021/jf981200l