Polymers in Medicine

Polim. Med.
Scopus CiteScore: 3.5 (CiteScore Tracker 3.6)
Index Copernicus (ICV 2023) – 121.14
MEiN – 70
ISSN 0370-0747 (print)
ISSN 2451-2699 (online) 
Periodicity – biannual

Download PDF

Polymers in Medicine

2012, vol. 42, nr 1, January-March, p. 69–77

Publication type: original article

Language: Polish

Elektroforeza w octanie celulozy CAE oraz spektroskopia Ramana jako metody identyfikacji β-glukanów składników biologicznie i terapeutycznie aktywnych biomateriałów

Cellulose acetate membrane electrophoresis CAE and Raman spectroscopy as a method identification of β-glucans, used as biologically and therapeutically active biomaterials

Anna Pielesz1,, Włodzimierz Biniaś1,, Jadwiga Paluch1,

1 Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku, Instytut Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

Streszczenie

Wprowadzenie. Glikacja białek tj. nieenzymatyczna reakcja przyłączania cukru do grupy aminowej białka z udziałem polisacharydów (np. β-glukany), tzw. reakcja Maillarda zachodzi w zdrowym i chorym organizmie, a także w warunkach in vitro w produktach biomedycznych i spożywczych. W trakcie hydrolizy kwaśnej β-glukany ulegają konwersji do 5-hydroxymethylfurfuralu, jednego z produktów glikacji. Hydrolizaty oznaczano metodami spektroskopii Ramana oraz elektroforezy w octanie celulozy.
Cel pracy. Celem niniejszej pracy było poszukiwanie β-glukanów w powszechnie dostępnych produktach spożywczych, znajdujących także zastosowanie medyczne i farmaceutyczne jako tzw. opatrunki aktywne.
Materiał i metody. Obiektem badań były następujące produkty: ziarna owsa, płatki owsiane, drożdże spożywcze, grzyby (boczniak, pieczarka, suszone podgrzybki i maślaki). Jako wzorca β-glukanów użyto suplement diety β-(1→3)-(1→6)- glukan. Próbki o masie 0,2 g umieszczono w temp. ok. 0°C i poddano hydrolizie w 80% H2SO4 przez 30 minut. Hydrolizat rozcieńczono do 5 cm3 w wodzie destylowanej. Elektroforezę prowadzono, jak opisano w poprzedniej publikacji [1] w roztworze 0,2 M octanu wapnia (pH=7,5) przez 1,5 godziny w układzie elektrolitycznym CAE (CA-SYSMINI Cellulose Acetate Systems). Warunki pomiaru: 10 mA, max 240 V, 50 W. Następnie wybarwiono płytki w 0,5% roztworze błękitu toluidyny, opłukano w wodzie destylowanej i wysuszono na powietrzu. Widma Ramana roztworów hydrolizatów rejestrowano przy użyciu spektrometru MAGNA-IR 860 z przystawką FT-Raman. Próbki wzbudzano laserem o długości 1064 nm (model T10-8S Nd YAG laser). Warunki pomiaru: rozdzielczość – 4 cm–1, zakres pomiarowy 100–4000 cm–1. Wyniki i wnioski. Glikacja białek z udziałem polisacharydów, tzw. reakcja Maillarda jest wieloetapowym zjawiskiem zachodzącym w zdrowym i chorym organizmie (choroby degeneracyjne), a także w warunkach in vitro w produktach biomedycznych i spożywczych. W trakcie hydrolizy kwaśnej cukrów, heksozy ulegają konwersji i dochodzi do powstania 5-hydroxymethylfurfuralu, jednego z barwnych produktów reakcji Maillarda. β-glukany identyfikowano po przeprowadzeniu wcześniejszej hydrolizy kwaśnej w 80% kwasie siarkowym (VI). Na podstawie analizy produktów reakcji Maillarda stwierdzono obecność β-glukanów w następujących produktach: ziarna owsa, płatki owsiane, drożdże spożywcze i grzyby (np. boczniak, pieczarka, suszone podgrzybki). Hydrolizaty oznaczano metodami spektroskopii Ramana oraz elektroforezy w octanie celulozy, co stanowi przykład taksonomicznej klasyfikacji i detekcji dyskutowanych produktów.

Abstract

Background. The formation of AGEs progressively increases with normal aging, even in the absence of disease (the pathogenesis of diabetes associated vascular disorders and neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease). However, they are formed at accelerated rates in age-related diseases. The polysaccharides might play a role in wound healing, both internally and externally, and also that they could play a role against inflammation and may lead to the production of better medicines to be used as supplements in cancer treatment.
Objectives. The acid hydrolysis was studied with H2SO4 at 80% concentration to determine the most effective procedure for total hydrolysis of β-glucan. The standard of β-glucans acid hydrolysate were compared for commercial oat and oatmeal, mushrooms: Pleurotus ostreatus, Fungus and yeast Saccharomyces cerevisiae.
Material and Methods. The following materials and reagents were used in the examination: reference β-(1→3)-(1→6)- glucan, oat and oatmeal, mushrooms: Pleurotus ostreatus, Fungus and yeast Saccharomyces cerevisiae. The Raman spectra of the sample solutions (β-glucan acid hydrolysates) were recorded on a MAGNA-IR 860 with FT-Raman accessory. Sample was irradiated with a 1064 nm line of the T10-8S Nd spectra-physics model: YAG laser and scattered radiation were collected at 180°, using 4 cm-1 resolution. The polysaccharide was hydrolyzed into component monosaccharides with 80% H2SO4 at 0°C for 30 minutes and monosaccharide derivatives were subjected to electrophoresis, as in a ealier authors study, on a strip of cellulose acetate membrane (CA-SYS-MINI Cellulose Acetate Systems) in 0.2 M Ca(OAc)2 (pH 7.5) at 10 mA, max. 240 V for 1.5 h. The strips were stained with 0.5% toluidine blue in 3% HOAc solution and then rinsed in distilled water and air-dried [1].
Results and conclusions. A part of the hexoses (for example glucose) are converted, to products such as 5-hydroxymethylfurfural. Various coloured substances, through the Maillard reaction have been reported for saccharides. The resulting monoand oligosaccharides were analysed by cellulose acetate membrane electrophoresis CAE and Raman spectroscopy. Individual bands or CAE spots were selected to monitor the sugar content in medical plant cell walls and to confirm the identity of the analysed sample: oat and oatmeal, mushrooms: Pleurotus ostreatus, Fungus and yeast Saccharomyces cerevisiae.. The possibility of a taxonomic classification of products rich in cell-wall materials based on cellulose acetate membrane electrophoresis CAE and Raman spectroscopy for authentication and detection of adulteration of products are discussed.

Słowa kluczowe

spektroskopia Ramana, elektroforeza w octanie celulozy, β-glukany, glikacja białek, reakcja Maillarda

Key words

Raman spectroscopy, cellulose acetate membrane electrophoresis, β-glucans, the Maillard reaction

References (31)

  1. Pielesz A., Biniaś W., Paluch J.: Mild acid hydrolysis of fucoidan: characterization by electrophoresis and FT-Raman spectroscopy. Carbohydrate Research (2011) 346, 1937–1944.
  2. Johansson L., Virkki L., Maunu S., et al.: Structural characterization of water soluble β-glucan of oat bran. Carbohydrate Polymers (2000) 42, 143–148.
  3. Malinowska E., Krzyczkowski W., Herold F.: Pozyskiwanie, budowa i działanie biologiczne polisacharydów grzybowych na przykładzie soplówki jeżowatej (Hericium erinaceum). Biotechnologia (2008) 1, 80, 109–121.
  4. Ishurd O., Zgheel F., Elghazoun M., et al.: A novel (1→4)-α-D-glucan isolated from the fruits of Opuntia ficus indica (L.) Miller. Carbohydrate Polymers (2010) 82, 848–853.
  5. Gibiński M.: β-glukany owsa jako składnik żywności funkcjonalnej. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość (2008) 2, 57, 15–29.
  6. Augustin J., Jaworska G., Dandar A., Cejpek K.: Boczniak ostrygowaty jako źródło β-D-glukanów. ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość (2007) 6, 55, 170–176.
  7. Synytsya A., Mícková K., Synytsya A., et al.: Glucans from fruit bodies of cultivated mushrooms Pleurotus ostreatus and Pleurotus eryngii: Structure and potential prebiotic activity. Carbohydrate Polymers (2009) 76, 548–556.
  8. Saluk-Juszczak J., Królewska K.: β-Glukan drożdży Saccharomyces cerevisiae –naturalny stymulator układu immunologicznego. Kosmos. Problemy nauk biologicznych. (2010) 59, 1–2, 151–160.
  9. Wursch P., Pi-Sunyer F. X.: The role of viscous soluble fiber in the metabolic control of diabetes. A review with special emphasis on cereals rich in beta-glucan. Diabetes Care. (1997) 20, 1774–1780.
  10. Zhang M., Cui S.W., Cheung P.C.K., Wang Q.: Antitumor polysaccharides from mushrooms: a review on their isolation process, structural characteristics and antitumor activity. Trends in Food Science & Technology (2007) 18, 4–19.
  11. Bohn J.A., Bemiller J. N.: (1–3)-D-Glucans as biological response modifiers: a review of structure-functional activity relationships. Carbohydrate Polym. (1995) 28, 1, 3–14.
  12. Lange E.: Produkty owsiane jako żywność funkcjonalna. ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość. (2010) 3, 70, 7–24.
  13. Thomas M. C., et al.: The role of AGEs and AGE inhibitors in diabetic cardiovascular disease. Curr. Drug Targets (2005) 6, 453–474.
  14. Rinaudo M.: Advances in Characterization of Polysaccharides in Aqueous Solution and Gel State. in: S. Dumitriu Ed., Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility, Marcel Dekker, New York, (2005) 237–252.
  15. Basta G.: Receptor for advanced glycation endproducts and atherosclerosis: From basic mechanisms to clinical implications. Atheroscler. (2008) 196, 9–21.
  16. Yan S. F., Ramasamy R., Schmidt A. M.: Mechanisms of disease: advanced glycation end-products and their receptor in inflammation and diabetes complications. Nat. Clin. Pract. Endocrinol. Metab. (2008) 4, 285–293.
  17. Zuwała-Jagiełło J.: Terapia chorób z udziałem końcowych produktów zaawansowanej glikacji w ich patogenezie. Pol. Merk. Lek. (2009) 27, 158, 152.
  18. Lerche H., Pischetsrieder M., Severin T.: Maillard reaction of D-glucose: identification of a colored product with conjugated pyrrole and furanone rings. Journal of Agricultural and Food Chemistry (2002) 50, 2984–2986.
  19. Michalska A., Zieliński H.: Produkty Reakcji Maillarda w Żywności. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość. (2007) 2, 51, 5 – 16.
  20. Lima S., Antunes M.M., Fernandes A., et al.: Acid-Catalysed Conversion of Saccharides into Furanic Aldehydes in the Presence of Three-Dimensional Mesoporous Al-TUD-1. Molecules (2010) 15, 3863–3877.
  21. Silvan M. J., Van De Lagemaat J., Olano A., Del Castillo M. D.: Analysis and biological properties of amino acid derivates formed by Maillard reaction in food. J. Pharmaceut. Biomed. (2006) 41, 1543–1551.
  22. Reddy V. P., Beyaz A.: Inhibitors of the Maillard reaction and AGE breakers as therapeutics for multiple diseases. Drug Discov. Today (2006) 11, 646–654.
  23. Babu P.V.A., Sabitha K.E., Srinivasan P., et al.: Green tea attenuates diabetes induced Maillard-type fluorescence and collagen cross-linking in the heart of streptozotocin diabetic rats. Pharmacol. Res. (2007) 55, 433–440.
  24. Yamagishi S., Nakamura K., Inoue H.: Therapeutic potentials of unicellular green alga Chlorella in advanced glycation end product (AGE)-related disorders. Med. Hypotheses (2005) 65, 953–955.
  25. Edwards H. G. M., Russell N. C., Weinstein R., Wynn-Williams D. D.: Fourier transform Raman spectroscopic study of fungi. Journal of Raman Spectroscopy (1995) 26, 911–916.
  26. Matsuhiro B.: Vibrational spectroscopy of seaweed galactans. Hydrobiologia (1996) 326/327, 481–489.
  27. Bell A. F., Hecht H., Barron L. D.: Disaccharide solution stereochemistry from vibrational raman optical activity. Journal of American Chemical Society (1994) 116, 5155–5161.
  28. Focher B., Naggi A., Torri G., Cosani A., Terbojevich M.: Structural differences between chitin polymorphs and their precipitates from solutions-evidence from CP-MAS 13C NMR, FT-IR and FT-Raman spectroscopy. Carbohydrate Polymers (1992) 17, 97–102.
  29. Zhang X., Zhang L., Xu X.: Morphologies and conformation transition of Lentinan in aqueous NaOH solution. Biopolymers (2004) 75, 187–195.
  30. Kacurakova M., Wellner N., Ebringerova A.: Characterisation of xylan-type polysaccharides and associated cell wall components by FT-IR and FT-Raman spectroscopies. Food Hydrocolloids (1999) 13, 35–41.
  31. Evans P. A.: Differentiation «hard» from «soft» woods using Fourier transform infrared and Fourier transform Raman spectroscopy. Spectrochimica Acta (1991) 47A, 9/10, 1441–1447.
© Wroclaw Medical University