Organic source of vanadium. preparation and physicalchemical characteristic

Abstract

Antidiabetic properties of vanadium are known more than 100 years, however the researches of specific therapeutic usage of vanadium were conducted only in the last two decades. Along with, the organic vanadium compounds are more harmless in comparison with inorganic vanadium salts. Thus, the development of method of obtaining the organic source of vanadium with high bioavailability is prospective field.

Aim of the work was to obtain and provide the physical-chemical characterization of vanadium complex with enzymatic hydrolysate of soy protein isolate (SPI), obtained by one-stage enzymatic hydrolysis.

Material and methods. The complex was obtained at room temperature: 10% water solution of SPI was mixed with 25% solution of vanadium salt (VOSO4×хH2O) in ratio 10:1 (in dry matter). The reaction was kept during 1 h at constant mixing with pH kept at 7.0 - 7.1 with 1.0 M NaOH. The concentration of vanadium was determined in dry product by means of inductively coupled plasma mass-spectrometry. The chromatograms of SPI and V-SPI were obtained by means of size-exclusion high-pressure liquid chromatography, and then were integrated by weight method in the range of free till full column volume.

Results and discussion. The obtained complex of vanadium with SPI enzymatic hydrolysate (V-SPI) was water-soluble and contained 15.8 mg of vanadium per gram of product dry weight. Analysis of the molecular weight distribution of the peptide fractions of the original SPI enzymatic hydrolysate and the V-SPI complex showed that more than 87% of the vanadium complex was in peptide fractions with molecular weights more than 4.1 kD, including more than 75% of vanadium contained in fractions with molecular weights from 14.6 to 4.1 kD.

Conclusion. The experimental evaluation in vivo will be the next stage of this research. The complex bioavailability and its effects on carbohydrate and lipid metabolism of Wistar rats with obesity will be evaluated.

Keywords:vanadium, inorganic vanadium salts, organic vanadium source, enzymatic hydrolyzate, antidiabetic effects

For citation: Zorin S.N., Sidorova Yu.S., Lobanova Yu.N., Mazo V.K. Organic source of vanadium. preparation and physical-chemical characteristic. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2019; 88 (1): 85-90. doi: 10.24411/0042-8833-2019-10010. (in Russian)

Выяснение физиологической роли микроэлементов, эссенциальность которых для организма человека в настоящее время не установлена, является важной и актуальной задачей для развития нутрициологии. Это положение в полной мере относится к группе так называемых условно эссенциальных микроэлементов, включающей, в частности, ванадий - переходный металл пятой группы четвертого периода в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. В организм человека ванадий поступает с пищей и водой [1, 2]. Содержание ванадия в различных продуктах составляет 10-9-10-7%. Среднее суточное потребление ванадия оценивается в настоящее время в основном как 10-20 мкг.

Специфическая физиологическая функция ванадия не выявлена, однако получено много экспериментальных данных о способности этого элемента участвовать в модуляции активности ряда ферментов, способности тормозить синтез жирных кислот, подавлять синтез холестерина, снижать уровень коферментов А и Q, стимулировать утилизацию глюкозы, усиливать перекисное окисление липидов, влиять на процессы возбуждения в головном мозге. Особый интерес вызывает возможность использования ванадия в комплексной терапии сахарного диабета [3], поскольку соединения ванадия в настоящее время рассматриваются как возможные средства, позволяющие уменьшать инсулинорезистентность, не повышая дозу инсулина при сахарном диабете 1 типа, а также увеличивать чувствительность тканей к инсулину и усиливать его эффекты при сахарном диабете 2 типа. Подробно обсуждая инсулиномиметические свойства различных ванадийсодержащих соединений, авторы обзорной работы [4] констатируют, что ванадий является "потенциальным перспективным средством лечения сахарного диабета", отмечая при этом, что биологически активные добавки к пище, содержащие этот микроэлемент, в России не производятся. Неорганические соли ванадия характеризуются низкой биодоступностью вследствие слабой абсорбции в желудочно-кишечном тракте [5]. Для органических форм ванадия всасывание, по-видимому, может увеличиваться весьма значительно. При этом, как отмечается в работах [6-8], органические соединения ванадия более безопасны по сравнению с неорганическими солями этого микроэлемента.

Соответственно, перспективной представляется разработка метода получения органического источника ванадия, обладающего высокой биодоступностью, относительно простым способом получения, с высоким содержанием микроэлемента и удовлетворительными органолептическими и физико-химическими свойствами. Влияние потребления органической формы этого микроэлемента на углеводный и липидный обмен может быть протестировано в доклиническом исследовании in vivo.

В ряде наших предыдущих исследований [9-13] были разработаны методы получения и исследованы биодоступность, острая токсичность и иммуномодулирующие свойства комплексов некоторых эссенциальных микроэлементов (относящихся к элементам с незаполненной d-электронной оболочкой) с ферментативными гидролизатами пищевых белков (белки коровьего молока, куриного яйца, сои, мяса мидий).

Целью данной работы стало получение и физикохимическая характеристика комплекса ванадия (IV) с ферментативным гидролизатом изолята соевого белка (ФГИБС), полученного по одностадийной схеме в полупромышленных масштабах.

Материал и методы

Для получения органической формы ванадия использованы ФГИБС "Supro XT 220D IP" (Solae, США), полученный и охарактеризованный нами ранее в работе [14], и соль четырехвалентного ванадия VOSO4×хH2O (SIGMA-ALDRICH, США) с содержанием ванадия 22,8%.

Реакцию комплексообразования проводили по методике, описанной в наших предыдущих работах [12, 15]. К 10% водному раствору ФГИБС добавляли при перемешивании 25% раствор соли ванадия в соотношении по сухим веществам ФГИБС/VOSO4×хH2O, равном 10:1. Реакцию вели в течение 1 ч при комнатной температуре и перемешивании с поддержанием рН реакционной смеси 7,0-7,1 1,0 М NaOH.

По окончании реакции комплекс ванадия с ФГИБС (V-ФГИБС) осветляли центрифугированием и лиофильно высушивали (установка для лиофильной сушки ЛС-500, ГК "ПРОИНТЕХ", Россия).

Содержание ванадия определяли в сухом продукте методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Пробоподготовку проводили с использованием микроволнового разложения: 0,05 г образца помещали в тефлоновый контейнер и добавляли 1 мл концентрированной азотной кислоты. Разложение проводили в микроволновой печи Berghof speedwave four (Berghof, Австрия) в течение 20 мин при температуре 170-1800С. После разложения образец разводили деионизованной водой чистотой 18 мОм до конечного объема 15 см3. Анализ образца проводили, используя прибор NexION 300D (PerkinElmer Inc., США), оснащенный газонаполняемой ячейкой системы DRC для удаления интерференций и семипортовым дозирующим клапаном FAST, а также автодозатором ESI SC DX4 (Elemental Scientific Inc., США).

Хроматограммы ФГИБС и комплекса V-ФГИБС, представленные на рис. 1, получены методом эксклюзион-ной жидкостной хроматографии высокого давления (колонка "Супероза 12", 1,6x50 см) согласно [16].

В качестве элюента использовали 0,2 М NaCl с добавлением азида натрия при скорости элюирования 2,0 см3/мин. Оптическую плотность элюируемого раствора регистрировали при длине волны 280 нм, используя проточный ультрафиолетовый детектор UV-1 (Pharmacia, Швеция). Колонку предварительно калибровали по стандартным водорастворимым глобулярным белкам (SERVA, Германия). Стандартные графики зависимости времен удержания от молекулярных масс стандартов строили по методу кубической регрессии (подбор коэффициентов полинома третьей степени с помощью метода наименьших квадратов) с использованием пакета программ Microsoft Excel 2007. Содержание пептидных фракций (в различных диапазонах молекулярных масс) в составе комплекса оценивали интегрированием хроматограммы весовым методом в диапазоне от свободного до полного объема хроматографической колонки.

Результаты и обсуждение

Полученный комплекс V-ФГИБС хорошо растворим в воде, содержание ванадия в его составе составило 15,8 мг/г комплекса.

Анализ молекулярно-массового распределения пептидных фракций исходного ФГИБС и комплекса V-ФГИБС, представленный данными таблицы на основе интегрирования соответствующих хроматограмм (см. рис. 1), свидетельствует о незначительном изменении пептидного профиля комплекса V-ФГИБС по сравнению с ФГИБС.

Количественное определение ванадия в составе комплекса показало, что более 93% от общего содержания микроэлемента связано с пептидными фракциями с молекулярными массами более 4,1 кДа (рис. 2), а наиболее высокое удельное содержание этого микроэлемента (приблизительно 22 мг/г белка) обнаружено в интервале фракций с молекулярными массами 14,6-4,1 кДа.

Комплекс V-ФГИБС представляет существенный научно-практический интерес в плане дальнейшего тестирования в качестве нового пищевого источника органической формы ванадия. Это связано с тем, что при использовании его неорганических соединений вследствие накопления ванадия в различных органах наблюдаются такие побочные явления, как желудочнокишечные расстройства, снижение массы тела, плотности костной ткани, а также существует вероятность токсического воздействия на печень и почки, канцерогенного действия, вызывающего рак легких у мышей [6, 7, 17, 18]. Как уже отмечалось выше, неорганические соли ванадия характеризуются низкой биодоступностью вследствие слабой абсорбции в желудочно-кишечном тракте [5]. Например, при пероральном введении ванадил тартрата аммония здоровым добровольцам в интервале доз 50-125 мг в день всасывание микроэлемента составило около 3% от вводимой дозы [4]. Для органических, в том числе хелатных форм ванадия, всасывание, по-видимому, может увеличиваться весьма значительно. При этом органические соединения ванадия более безопасны по сравнению с неорганическими солями этого микроэлемента.

Экспериментальная оценка in vivo биодоступности и влияния на углеводный и липидный обмен у лабораторных животных (крыс линии Вистар с моделируемым пищевым ожирением) полученного нами нового источника органической формы комплекса V-ФГИБС будет являться предметом нашего дальнейшего исследования.

Финансирование. Работа проведена за счет средств субсидии на выполнение Программы научных исследований президиума РАН "Разработка формулы оптимального питания: обоснование состава нутриома и микробиома человека" на 2018-2020 гг. (тема № 0529-2018-0111).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Литература

1. Sitprij A.V., Ong S.E. Vanadium and metabolic problems // Vanadium in the Environment. Part 2: Health Effects / ed. J.O. Nriagu. New York: John Wiley and Sons, 1998. P. 91.

2. Shechter Y., Goldwaser I., Mironchik M., Fridkin M., Gefel D. Historic perspective and recent developments on the insulin-like actions of vanadium; toward developing vanadium-based drugs for diabetes // Coord. Chem. Rev. 2003. Vol. 237. P. 3-11.

3. Rehder D. The potentiality of vanadium in medicinal applications // Future Med. Chem. 2012. Vol. 4, N 14. P. 1823-1837.

4. Федорова Е.В., Бурякина А.В., Воробьева Н.М., Баранова Н.И. Ванадийсодержащие соединения: химия, синтез, инсулиномиметические свойства // Биомед. химия. 2014. Т. 60, вып. 4. С. 416-429.

5. Thomspson K., Orvig K. Design of vanadium compounds as insulin enhancing agents // J. Chem. Soc. Dalton Trans. 2000. Vol. 17, N 17. P. 2885-2892.

6. Srivastava A.K. Anti-diabetic and toxic effects of vanadium compounds // Mol. Cell. Biochem. 2000. Vol. 206. P. 177-182.

7. Domingo J.L. Vanadium and tungsten derivatives as antidiabetic agents: a review of their toxic effect // Biol. Trace Elem. Res. 2002. Vol. 88. P. 97-112.

8. Wasan K.M., Risovic V., Yuen V.G., McNeill J.H. Differences in plasma homocysteine levels between Zucker fatty and Zucker diabetic fatty rats following 3 weeks oral administration of organic vanadium compounds // J. Trace Elem. Med. Biol. 2006. Vol. 19. P. 251-258.

9. Зорин С.Н., Баяржаргал М., Гмошинский И.В., Мазо В.К. Комплексная оценка органических форм эссенциальных микроэлементов цинка, меди, марганца и хрома в опытах in vitro и in vivo // Вопр. питания. 2007. Т. 76, № 5. С. 74-79.

10. Баяржаргал М., Зилова И.С., Зорин С.Н., Гмошинский И.В., Бучанова А.В., Щевякова Л.В. и др. Сравнительная оценка биодоступности органической и неорганической форм цинка in vivo // Вопр. питания. 2008. Т. 77, № 1. С. 34-37.

11. Зорин С.Н. Ферментативные гидролизаты пищевых белков и органические комплексы эссенциальных микроэлементов на их основе // Вопр. питания. 2009. Т. 78, № 6. С. 60-66.

12. Мазо В.К., Гмошинский И.В., Ширина Л.И. Новые пищевые источники эссенциальных микроэлементов-антиоксидантов. М. : Миклош, 2009. 208 с.

13. Зорин С.Н., Бучанова А.В., Матяш А.И., Пенева В.В., Гмошинский И.В., Мазо В.К. Влияние комплекса органического цинка с ферментативным гидролизатом мяса мидий на всасываемость в желудочно-кишечном тракте потенциально аллергенных пищевых белков // Вопр. питания. 2010. Т. 79, № 2. С. 73-77.

14. Зорин С.Н., Воробьева И.С., Воробьева В.М., Нетунаева Е. А., Сидорова Ю.С., Кочеткова А.А. и др. Получение ферментативного гидролизата изолята соевого белка // Пищ. Пром-сть. 2017. № 8. С. 13-15.

15. Мазо В.К., Зорин С.Н., Гмошинский И.В., Зилова И.С., Шатров Г.Н. Новые пищевые источники эссенциальных микроэлементов. Сообщение 1. Комплекс цинка с ферментативным гидролизатом сывороточных белков коровьего молока // Вопр. дет. диетологии. 2003. Т. 1, № 6. С. 6-8.

16. Зорин С.Н., Баяржаргал М. Получение ферментативных гидролизатов пищевых белков с использованием некоторых коммерческих ферментных препаратов и различных схем проведения гидролиза // Биомед. химия. 2009. Т. 55, № 1. С. 73-80.

17. Zhao Y., Ye L., Liu H., Xia Q., Zhang Y., Yang X. Vanadium compounds induced mitochondria permeability transition pore [PTP] opening related to oxidative stress // J. Inorg. Biochem. 2010. Vol. 104. P. 371-378.

18. Assem F.L., Levy L.S. A review of current toxicological concerns on vanadium pentoxide and other vanadium compounds: gaps in knowledge and directions for future research // J. Toxicol. Environ. Health B Crit. Rev. 2009. Vol. 12. P. 289-306.

References

1. Sitprij A.V., Ong S.E. Vanadium and metabolic problems. In: Nriagu J.O. (ed.). Vanadium in the Environment. Part 2: Health Effects. New York: John Wiley and Sons, 1998: 91.

2. Shechter Y., Goldwaser I., Mironchik M., Fridkin M., Gefel D. Historic perspective and recent developments on the insulin-like actions of vanadium; toward developing vanadium-based drugs for diabetes. Coord Chem. Rev. 2003; 237: 3-11.

3. Rehder D. The potentiality of vanadium in medicinal applications. Future Med Chem. 2012; 4 (14): 1823-37.

4. Fedorova Е.V., Buryakina А.V., Vorobyova N.M., Baranova N.I. Vanadium-containing compounds: chemistry, synthesis, insulinomimetic properties. Biomeditsinskaya khimiya [Biomedical Chemistry]. 2014; 60 (4): 416-29. (in Russian)

5. Thomspson K., Orvig K. Design of vanadium compounds as insulin enhancing agents. J Chem Soc Dalton Trans., 2000; 17 (17): 2885-92.

6. Srivastava A.K. Anti-diabetic and toxic eff ects of vanadium compounds. Mol Cell Biochem. 2000; 206: 177-82.

7. Domingo J.L. Vanadium and tungsten derivatives as antidiabetic agents: a review of their toxic effects. Biol Trace Elem Res. 2002; 88: 97-112.

8. Wasan K.M., Risovic V., Yuen V.G., McNeill J.H. Diff erences in plasma homocysteine levels between Zucker fatty and Zucker diabetic fatty rats following 3 weeks oral administration of organic vanadium compounds. J Trace Elem Med Biol. 2006; 19: 251-8.

9. Zorin S.N., Bayarzhargal M., Gmoshinskiy I.V., Mazo V.K. Complex evaluation in vitro and in vivo of essential microelements - zinc, copper, manganese and chrome - organic forms. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2007; 76 (5): 74-9. (in Russian)

10. Bayarzhargal M., Zilova I.S., Zorin S.N., Gmoshinskiy I.V., Buchanova A.V., Tschevyakova L.V., et al. Comparative in vivo evaluation of bioavailability of organic and inorganic zinc forms. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2008; 77 (1): 34-7. (in Russian)

11. Zorin S.N. Enzymatic hydrolysates of food proteins and organic complexes of essential microelements based on them. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2009; 78 (6): 60-6. (in Russian)

12. Mazo V.K., Gmoshinskiy I.V., Shirina L.I. New food sources of essential antioxidant microelements. Moscow: Miklosh, 2009: 208 p. (in Russian)

13. Zorin S.N., Buchanova A.V., Matyash A.I., Peneva V.V., Gmoshinskiy I.V., Mazo V.K. Effect of the complex of organic zinc with enzymatic hydrolyzate of mussel meat on the absorption in the gastrointestinal tract of potentially allergenic food proteins. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2010; 79 (2): 73-7. (in Russian)

14. Zorin S.N., Vorobyova I.S., Vorobyova V.M., Netunaeva E.A., Sidorova Yu.S., Kochetkova A.A., et al. Preparation of enzymatic hydrolysate of soy protein isolate. Pishchevaya promyshlennost’ [Food Industry]. 2017; (8): 13-5. (in Russian)

15. Mazo V.K., Zorin S.N., Gmoshinskiy I.V., Zilova I.S., Shatrov G.N. New food sources of essential microelements. Message 1. Complex of zinc with enzymatic hydrolyzate of whey proteins of cow’s milk. Voprosy detskoy dietologii [Problems of Pediatric Nutrition]. 2003; 1 (6): 6-8. (in Russian)

16. Zorin S.N., Bayarzhargal M. Preparation of enzymatic hydrolysates of food proteins using some commercial enzyme preparations and various schemes of hydrolysis. Biomeditsinskaya khimiya [Biomedical Chemistry]. 2009; 55 (1): 73-80. (in Russian)

17. Zhao Y., Ye L., Liu H., Xia Q., Zhang Y., Yang X. Vanadium compounds induced mitochondria permeability transition pore [PTP] opening related to oxidative stress. J Inorg Biochem. 2010; 104: 371-8.

18. Assem F.L., Levy L.S. A review of current toxicological concerns on vanadium pentoxide and other vanadium compounds: gaps in knowledge and directions for future research. J Toxicol Environ. Health B Crit Rev. 2009; 12: 289-306.