Выделение углеводов из растительного сырья и их идентификация с применением капиллярного электрофореза

Актуальность. Углеводы являются неотъемлемыми компонентами клеток и тканей всех живых организмов растительного и животного мира, они являются важными составляющими клеточных стенок растений, а также внеклеточного матрикса тканей животных и человека. Тип моносахаридной композиции полисахаридов определяет их биологические функции для организма. Однако сложно установить взаимосвязь между структурой молекулы углевода и ее биологической функцией.

Методы. В данной статье приведен обзор способов идентификации моносахаридного состава растительных полимеров методом капиллярного электрофореза, с целью оптимизации процедуры пробоподготовки и условий проведения анализа. Приведена схема постадийного выделения полисахаридов из сырья: выделение растворимых моносахаридов и полисахаридов, извлечение пектиновой фракции, извлечение целлюлоз и гемицеллюлоз, с целью изучения состава каждой фракции. Описана процедура кислотного гидролиза полимеров до моносахаридов при помощи таких окислителей, как серная и трифторуксусная кислоты. В заключительной части статьи проведен анализ трех различных схем проведения идентификации моносахаридного состава, а именно разделение компонентов в сильнощелочных условиях, предварительная дериватизация 1-фенил-3-метил-5-пиразолоном, предварительное получение (S)-(−)-α -метилбензиламин (S-PEA) производных.

Результаты и выводы. Анализ литературы показывает, что состав полисахаридов широко исследуется различными методами. При этом остается ряд проблем, связанных с реализацией этих методов в части пробоподготовки и идентификации всех моносахаридов, характерных для исследуемого сырья. Метод капиллярного электрофореза позволяет решить часть этих проблем, однако до настоящего времени остается мало исследован. Исследование углеводов в растительных объектах начинается с процедуры извлечения углеводов (полисахариды и моносахариды) из растительной матрицы, гидролиза полисахаридов, и последующей идентификацией с применением метода КЭ. Оптимизация данной схемы метода КЭ для определения состава полисахаридов представляет собой актуальную научную задачу.

1. Eliasson, A.-C. Carbohydrates in Food. Third edition. Boca Raton: CRC Press. Taylor and Francis, 2017. P.XVII.

2. Shallenberger, R.S. and Birch, G.G. Sugar Chemistry. AVI Publishing, Westport, CT, 1975.

3. Phil. Durette, DR. Horton. Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry. 1971;(26):49-127.

4. Филипцова, Г.Г. Основы биохимии растений: курс лекций. Мн.: БГУ, 2004. 13 с.

5. Volpi N. Capillary electrophoresis of carbohydrates: from monosaccharides to complex polysaccharides. New York: Humana Press; 2011.

6. Xia L., Sun ZW., Li GL., Suo YR, You JM. A sensitive analytical method for the component monosaccharides of the polysaccharides from a Tibetan herb Potentilla anserine L. by capillary zone electrophoresis with UV detector. European Food Research and Technology, 2010;230(5):715–22.

7. Rovio, S., Yli-Kauhaluoma, J., & Sirйn, H. Determination of neutral carbohydrates by CZE with direct UV detection. ELECTROPHORESIS. 2007;28(17):3129–3135. doi:10.1002/elps.200600783

8. Chen Y, Yao F, Ming K, Wang D, Hu Y, Liu J. Polysaccharides from traditional Chinese medicines: extraction, purification, modification, and biological activity. Molecules. 2016;21(12):1705. doi:10.3390/molecules21121705

9. Sun YX, Liu JC, Kennedy JF. Application of response surface methodology for optimization of polysaccharides production parameters from the roots of Codonopsis pilosula by a central composite design. Carbohydrate Polymers. 2010;80:949–53.

10. Shi L. Bioactivities, isolation and purification methods of polysaccharides from natural products: a review. International Journal Biology Macromolecules. 2016;92:37–48.

11. Yan J., Shi S., Wang H., Liu R., Chen Y., Wang S. Neutral monosaccharide composition analysis of plantderived oligo-and polysaccharides by high performance liquid chromatography. Carbohydrate Polymers. 2016;136:1273–1280. doi: 10.1016/j.carbpol.2015.10.028

12. Трофимова Н.Н., Бабкин В.А. Изучение кислотного гидролиза полисахаридов древесины лиственницы для получения кристаллической глюкозы, Химия растительного сырья. 2009;(3):31–37.

13. Chen J, Yang F, Guo H, Wu F, Wang X. Optimized hydrolysis and analysis of Radix Asparagi polysaccharide monosaccharide composition by capillary zone electrophoresis. Journal of Separation Science. 2015;38(13):2327–31.

14. Xia, Y.-G., Sun, H.-M., Wang, T.-L., Liang, J., Yang, B.-Y., & Kuang, H.-X. A Modified GCMS Analytical Procedure for Separation and Detection of Multiple Classes of Carbohydrates. Molecules. 2018;23(6):1284. doi:10.3390/molecules23061284

15. Xia YG, Wang QH, Liang J, Yang BY, Li GY, Kuang HX. Development and application of a rapid and efficient CZE method coupled with correction factors for determination of monosaccharide composition of acidic hetero-polysaccharides from Ephedra sinica. Phytochemical Analysis. 2011;22(2):103–11.

16. Chen J, Yang F, Guo H, Wu F, Wang X. Optimized hydrolysis and analysis of Radix Asparagi polysaccharide monosaccharide composition by capillary zone electrophoresis. Journal of Separation Science. 2015;38(13):2327–31.

17. Soga, T., and Heiger, D. N. Simultaneous Determination of Monosaccharides in Glycoproteins by Capillary Electrophoresis. Analytical Biochemistry. 1998;261(1):73–78. doi:10.1006/abio.1998.2727

18. Wang SB, Qin XM. Detection of monosaccharide constituents in Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schichk polysaccharides by HPCE. Chin J Spectroscopy Lab. 2013;30(3):1451–3.

19. Sartori J, Potthast A, Ecker A, Sixta H, Rosenau T, Kosma P. Alkaline degradation kinetics and CE-separation of celloand xylooligomers, Part 1. Carbohydrate Research. 2003;338:1209–16.

20. Yang Z, Wang H, Zhang W, Wang Q, He P, Fang Y. Analysis of neutral sugars of Asparagus officinalis Linn. polysaccharide by CZE with amperometric detection. Chromatographia. 2012;75(5):297–304.

21. Noe, C. R., Lachmann, B., Mцllenbeck, S., and Richter, P. Determination of reducing sugars in selected beverages by capillary electrophoresis. Z Lebensm Unters Forsch A. 1999;208(2):148–152. doi:10.1007/s002170050392

22. Hiltunen S, Siren H. Analysis of monosaccharides and oligosaccharides in the pulp and paper industry by use of capillary zone electrophoresis: a review. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2013;405(17):5773–84.

23. Hu Y., Wang T., Yang X., Zhao Y. Analysis of compositional monosaccharides in fungus polysaccharides by capillary zone electrophoresis. Carbohydrate Polymers. 2014;102:481–8.