Glikoalkaloidy i saponiny – analityka, rola biologiczna, bezpieczeństwo żywności

TITLE: Glycoalkaloids and saponins – analysis, biological role, food safety

STRESZCZENIE: Glikoalkaloidy steroidowe to metabolity wtórne roślin psiankowatych, a zbliżone do nich strukturalnie saponiny to związki naturalne szeroko rozpowszechnione wśród roślin wyższych. Obie grupy związków mają interesujące właściwości biologiczne, ale też – chociaż ich toksyczność jest umiarkowana – w wyższych dawkach mogą wywoływać niekorzystne efekty zdrowotne. W artykule opisano wybrane substancje z obu grup, ich właściwości biologiczne oraz procedury analityczne stosowane w oznaczaniu tych istotnych składników żywności pochodzenia roślinnego.

SŁOWA KLUCZOWE: glikoalkaloidy steroidowe, saponiny, aglikon, bezpieczeństwo żywności, analiza chemiczna

SUMMARY: Steroidal glycoalkaloids are secondary metabolites produced by solanaceous plants, while structurally similar saponins are widely prevalent in higher plants. Both classes show many interesting biological activities. However, even if their toxicity is moderate, in high doses they may trigger some adverse effects. Selected glycoalkaloids and saponins, their biological properties and analytical procedures used for the determination of these important food components are briefly described in the article.

KEYWORDS: steroidal glycoalkaloids, saponins, aglycon, food safety, chemical analysis

Ze względu na swoje właściwości prozdrowotne, ale i potencjalną toksyczność, saponiny oraz – w znacznie większym stopniu – glikoalkaloidy roślin psiankowatych wymagają monitorowania ich zawartości w żywności.

Glikoalkaloidy steroidowe (GA) oraz saponiny są grupami substancji o zbliżonej strukturze oraz wielu właściwościach, różnią się jednak: szczegółami budowy, zasięgiem występowania oraz toksycznością. Wspólnym elementem strukturalnym jest dwuczłonowa budowa obejmująca aglikon oraz przyłączone do niego reszty sacharydowe. Pierwsza z wymienionych grup substancji jest notowana głównie w roślinach psiankowatych (Solanaceae), a aglikonem w GA jest układ steroidowy zawierający atom azotu [1]. Saponiny, choć spotykane przede wszystkim w roślinach bobowatych (Fabaceae), są rozpowszechnione znacznie szerzej: ich obecność notuje się w roślinach należących do blisko stu rodzin oraz wielu produktach stosowanych jako źródło żywności [2, 3]. Ich aglikony nie zawierają atomów azotu i mogą mieć charakter steroidowy lub triterpenowy. Pomimo tych różnic, ogólna zbieżność ich budowy oraz właściwości sprawiają, że pod wieloma względami można rozpatrywać obie grupy związków jako pokrewne. Dotyczy to, między innymi, kwestii ich obecności w żywności, a także zagadnień związanych z ekstrakcją i oznaczaniem omawianych substancji w próbkach biologicznych i próbkach żywności.

Aglikony GA roślin psiankowatych mogą różnić się strukturalnie, przy czym wyróżnia się kilka ich typów. Najbardziej rozpowszechnione są aglikony typu solanidanu oraz spirosolanu, które zostaną omówione szerzej. Pozostałe związki mają ogólną strukturę typu 22,26-epiminocholestanu, 3-aminospirostanu lub α-epiminocyklohemiketalu [1]. Sapogeniny (aglikony saponin), jak już wspomniano, mogą mieć strukturę steroidową lub triterpenową. Wśród sapogenin steroidowych dominują aglikony typu spirostanu lub furostanu, zaś najczęściej spotykany wśród sapogenin triterpenowych jest typ oleananu, często z obecną w strukturze sapogeniny grupą karboksylową [3]. Przykładowe struktury aglikonów zostały przedstawione na rys. 1.

Drugim elementem strukturalnym GA i saponin jest część cukrowa, przyłączona zazwyczaj do grupy hydroksylowej w pozycji trzeciej pierwszego pierścienia aglikonu, choć w przypadku niektórych saponin możliwa jest także obecność dwóch podstawników cukrowych, jeśli w strukturze aglikonu znajduje się dodatkowa grupa hydroksylowa. Podstawniki cukrowe GA to zazwyczaj liniowe lub rozgałęzione tri- lub tetrasacharydy, zbudowane z reszt: glukozy, galaktozy, ksylozy i ramnozy [1]. Część cukrowa saponin jest bardziej zróżnicowana zarówno pod względem budujących ją reszt, jak i ich liczby [3]. Taka struktura obu omawianych grup substancji nadaje im specyficzne właściwości fizykochemiczne oraz biologiczne, związane z jednoczesną obecnością fragmentu stosunkowo hydrofobowego (aglikon) oraz polarnego (część cukrowa).

Najszerzej znane oraz poznane glikoalkaloidy steroidowe to związki produkowane przez uprawiane na dużą skalę warzywa psiankowate: ziemniaki, pomidory oraz bakłażany. Są to jednocześnie substancje o największym w tej grupie znaczeniu w kwestii bezpieczeństwa żywności, gdyż ich stężenia w niektórych produktach mogą być stosunkowo wysokie. Podstawowe GA ziemniaka (S. tuberosum L.) oraz spokrewnionych dzikich gatunków to α-solanina oraz α-chakonina [4], dzielące wspólny aglikon, solanidynę (rys. 1C). Do grupy hydroksylowej aglikonu przyłączona jest część cukrowa, zbudowana z trzech reszt cukrowych: w przypadku solaniny jest to solatrioza zawierająca resztę glukozy, galaktozy i ramnozy, zaś w strukturze chakoniny występuje chakotrioza składająca się z dwóch reszt ramnozy oraz reszty glukozy. W obu przypadkach możliwa jest enzymatyczna lub chemiczna sekwencyjna hydroliza wspomnianych związków, przez co roślina może zawierać także aglikon w formie wolnej oraz połączony z jedną lub dwiema resztami cukrowymi. Liście niektórych dzikich gatunków spokrewnionych zawierają także GA zbudowane na bazie pochodnych solanidyny, posiadających w swojej strukturze dodatkową grupę hydroksylową w formie wolnej lub acetylowanej, a także związki zawierające aglikon, demissydynę, będący nasyconą pochodną solanidyny [4, 5]. Zawartość glikoalkaloidów w roślinie zależy od czynników genetycznych, stąd może być różna dla różnych odmian ziemniaka, ale także od warunków uprawy [6]. Stres abiotyczny (np. niedobór wody czy wysoka temperatura) oraz biotyczny, a także warunki zbioru i przechowywania bulw ziemniaka, mogą powodować zwiększenie stężenia GA w częściach jadalnych rośliny. Głównym glikoalkaloidem pomidora jadalnego (S. lycopersicum L.) jest α-tomatyna, zbudowana z aglikonu tomatydyny (rys. 1A) i likotetraozy – rozgałęzionej części cukrowej, złożonej z reszty ksylozy, galaktozy oraz dwóch reszt glukozy [7]. Dodatkowo, w znacznie mniejszych ilościach, roślina ta produkuje także dehydrotomatynę zbudowaną na bazie nienasyconej pochodnej tomatydyny, zwanej tomatidenolem. Zawartość obu GA spada w organizmie wraz z wiekiem. Zielone owoce pomidora zawierają znaczne ich ilości, natomiast w owocach dojrzałych notowane są jedynie śladowe stężenia obu substancji [8, 9]. Pełna struktura dehydrotomatyny została udowodniona stosunkowo późno [10]. Biosynteza obu aglikonów, podobnie jak w innych roślinach psiankowatych, zachodzi m.in. poprzez cholesterol [11]. Z tego względu w tkankach roślin psiankowatych ten zwierzęcy sterol jest często notowany. Bakłażan lub oberżyna (S. melongena L.) produkuje z kolei dwa GA oparte na aglikonie typu spirosolanu – solasodynie połączonej ze znanymi już z ziemniaka chakotriozą (α-solamargina) oraz solatriozą (α-solasonina) [1, 12].

Saponiny są powszechnie wykrywane w produktach roślinnych różnego pochodzenia. Spośród roślin uprawnych, które syntezują saponiny, za najistotniejsze gospodarczo można uznać m.in.: soję, fasolę, owies, szpinak czy herbatę, a także szereg roślin paszowych oraz przyprawy i zioła [2]. W soi (Glycine max (L.) Merr.) zidentyfikowano szereg sapogenin triterpenowych, często posiadających w strukturze dodatkowe grupy funkcyjne, połączonych z di- i trisacharydami o różnej budowie. Podobne sapogeniny, ale połączone z bardziej złożonymi podstawnikami cukrowymi, zidentyfikowano także w fasoli zwyczajnej (Phaseolus vulgaris L.). Z kolei owies zwyczajny (Avena sativa L.) produkuje zarówno saponiny z aglikonami triterpenowymi, jak i steroidowymi o strukturze spirostanu, połączonymi z dwoma podstawnikami cukrowymi. Już te nieliczne przykłady pokazują, że zróżnicowanie strukturalne saponin jest znaczne, co w dużym stopniu utrudnia analizę tej grupy związków, w szczególności pełną identyfikację poszczególnych substancji. Zawartość saponin w żywności pochodzenia roślinnego jest zróżnicowana i może wynosić nawet kilkadziesiąt g/kg świeżej masy [13]. Ewentualne efekty zdrowotne przyjmowania saponin z żywnością będą zatem silnie zależne od diety poszczególnych osób [14].

Właściwości biologiczne

Glikoalkaloidy steroidowe roślin psiankowatych wykazują bardzo zróżnicowaną aktywność biologiczną. Z punktu widzenia funkcjonowania organizmu roślinnego są one związkami obronnymi o szerokim zakresie działania: opisano liczne przypadki działania odstraszającego oraz toksycznego GA wobec organizmów roślinożernych, w tym owadów oraz ślimaków [1, 4, 7]. Wyniki badań wskazują, że aktywność biologiczną wykazują GA, natomiast zwykle nie aglikony. Sugeruje to istotną rolę struktury podstawnika cukrowego, gdyż w zależności od jego budowy obserwowane efekty różniły się dość znacząco. Glikoalkaloidy są związkami produkowanymi jako element obrony konstytutywnej, tj. obecnymi w tkankach przez cały czas życia rośliny, ich stężenie może jednak gwałtownie rosnąć w przypadku infekcji lub uszkodzenia tkanek w wyniku żerowania owadów, stąd można je także rozpatrywać jako element tzw. obrony indukowanej [4, 11]. Spośród GA syntezowanych przez najistotniejsze uprawne rośliny psiankowate, α-tomatyna produkowana przez rośliny pomidora wykazuje często najwyższą aktywność przeciwko mikroorganizmom (szczególnie grzybom) [7] oraz owadom [1]. Szczegółowe eksperymenty prowadzone na mszycy ziemniaczanej (Macrosiphum euphorbiae) udowodniły jednak, że wyspecjalizowane gatunki roślinożerców mogą wykazywać daleko idącą tolerancję na toksyny swoich żywicieli, a ewentualne efekty toksyczne pojawiają się dopiero przy bardzo wysokich stężeniach GA, które nie są prawdopodobne w naturze [15]. Tomatyna została także opisana jako związek o charakterze allelopatycznym, wydzielanym do gleby przez korzenie roślin pomidora w celu zahamowania wzrostu innych roślin [16].

Drugim istotnym obszarem aktywności biologicznej GA jest ich wpływ toksyczny na ssaki, w tym człowieka. Związki te wykazują zdolność inhibicji enzymu acetylocholinoesterazy (AChE), odpowiedzialnej za usuwanie acetylocholiny z połączeń nerwowych [4]. Stąd objawy zatrucia GA są zbliżone do obserwowanych przy zatruciu nikotyną lub insektycydami fosforoorganicznymi i obejmują dolegliwości ze strony układu pokarmowego, bóle głowy, a przy większych dawkach problemy z funkcjonowaniem układu nerwowego i w skrajnych przypadkach – śmierć. Inne opisane aktywności obejmują m.in. embriotoksyczność, zależną w dużej mierze od obecności i struktury podstawnika cukrowego, a także np. zdolność do zaburzania struktury błon komórkowych i hemolizy czerwonych krwinek [1, 4, 7, 17]. Toksyczność ostra jest jednak stosunkowo niska, a raportowane dawki LD₅₀ dla zwierząt przy podaniu drogą pokarmową wahają się w granicach 500-1000 mg/kg masy ciała, co jest zazwyczaj tłumaczone niezbyt intensywnym wchłanianiem tych substancji poprzez układ pokarmowy. Nie zmienia to faktu, że znane są przypadki poważnych zatruć człowieka po spożyciu nadmiernej ilości GA ziemniaka, w tym zatruć zbiorowych oraz zakończonych śmiercią [4].

Poza możliwym wpływem toksycznym, dobrze opisane są także prozdrowotne właściwości GA przyjmowanych w niższych stężeniach. Obejmują one m.in.: działanie przeciwzapalne, zdolność do obniżania poziomu cholesterolu we krwi poprzez tworzenie kompleksów z tym sterolem, a także działanie przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze i hamujące rozwój pierwotniaków chorobotwórczych [1, 4, 7, 18-20]. Z punktu widzenia właściwości farmakologicznych, najważniejszym i najlepiej zbadanym zagadnieniem jest jednak istotna cytotoksyczność GA wobec komórek nowotworowych wielu typów [21-25], przy czym udowodniono w przypadku tomatyny, że produkty częściowej i całkowitej hydrolizy tego związku posiadały wyraźnie mniejszą aktywność biologiczną [22].

Czytaj także: Metody oznaczania zawartości białek glutenowych w żywności bezglutenowej