Лігніни та їх похідні з благотворним впливом на здоров’я людини

Пов’язані дані

Анотація

Огляд фармакологічних застосувань лігнінів дає докази їх захисної ролі проти розвитку різних захворювань. У багатьох випадках вплив лігнінів можна пояснити їх антиоксидантною здатністю. Тут ми представляємо систематичний огляд літератури за період 2010–2016 рр., Який надає інформацію про нові застосування лігнінів, отриману в результаті останніх досліджень. Повідомляються про найперспективніші висновки, включаючи застосовувані методології та результати, отримані з лігнінами або їх похідними, які можуть покращити здоров’я людини. Ми виділяємо потенційні додатки для лікування ожиріння, діабету, тромбозів, вірусних інфекцій та раку. Більше того, ми повідомляємо як про те, що лігніни можуть бути використані для одержання наночастинок для доставки різних ліків, а також про їх використання у фотозахисті.

1. Вступ

Лігніни присутні у значних кількостях у рослинах, що становить 15–25% (мас./Мас.) Трав’янистої біомаси. Отже, вони представляють велику кількість відходів, що утворюються різними галузями промисловості, що використовують рослинні речовини.

В даний час більшість комерційних лігнінів отримують як побічний продукт при обробці лігноцелюлози, що проводиться під час обробки целюлози та паперу, у формі лігносульфонатів та крафт-лігнінів. Найчастіше ці лігніни використовують у виробництві енергії, лише незначна частина використовується для інших комерційних цілей. Це частково пов'язано з диспергуючими, зв'язуючими та емульгуючими властивостями лігнінів. Проте докладаються значні зусилля для пошуку нових застосувань лігнінів, щоб додати їм додаткової цінності, одночасно потенційно диверсифікуючи практики біопереробки [1]. Таким чином, були розроблені різні стратегії валоризації лігнінів, такі як ультрафільтрація як процес фракціонування для розділення лігнінових фракцій з різною молекулярною вагою [2].

Неоднорідність структури лігніну ускладнює виділення конкретного продукту, і в багатьох випадках результатом фракціонування є суміш продуктів. Крім того, через складність структури лігніну та наслідків попередньої обробки на ньому, виявлення та вилучення хімічних речовин з лігніну вимагає детальної характеристики, щоб зрозуміти його полімерні властивості та зв'язки, а також властивості функціональних груп, пов'язаних з ароматичним кільцем. Компоненти макромолекули лігніну разом із її характеристикою свідчать про переважання мономерів антиоксидантів [3]. Нещодавнє дослідження показало, що низькомолекулярні мономери, отримані з гідроксикилотних кислот та гваяцильних одиниць, відповідають за антиоксидантні властивості лігнінів [4].

Точна хімічна структура лігніну невідома як через його складну полімерну природу, так і через ступінь випадкового зчеплення, що бере участь у влаштуванні макромолекули. Проведена значна робота щодо детальної структурної характеристики цих складних природних полімерів, щоб отримати розуміння їх структури та функцій. Склад, молекулярна маса та кількість лігніну відрізняються від рослини до рослини, причому кількість лігніну, як правило, зменшується в порядку: хвойні породи деревини> листяні породи дерева> трави. До компонентів приєднуються β-O-4, 5−5, β-5, 4-O-5, β-1, дибензодіоксоцин та β − β зв’язки, серед яких зв’язок β-O-4 є домінантний, що становить більше половини зв’язкових структур лігніну [5], як показано на малюнку 1 .

Схематичне зображення лігнінової структури м’яких порід, що показує різні зв’язки. (Передруковано з дозволу [5]).

Лігнін є дуже хорошим кандидатом для розробки нових матеріалів завдяки наявності в його структурі фенольних та аліфатичних гідроксильних груп. Вони надають макромолекулі значний потенціал для хімічної модифікації [6].

Лужний лігнін в даний час є найбільшим класом лігніну, який було вироблено. Це побічний продукт біопалива та паперової промисловості, який відокремлюється від волокон хімічною целюлозою (переважно содою та сульфітом), але має меншу цінність, ніж первинна продукція [7].

Деякі старі дослідження показують, що лігніни беруть участь у різних біологічних діях. Сюди входять зниження рівня холестерину в сироватці крові шляхом зв’язування з жовчними кислотами в кишечнику [8] та запобігання розвитку пухлини, як показано у щурів, які зазнали впливу кишкового канцерогену 3,2-диметил-4-амі-нобіфенілу та годували лігніновою дієтою [9].

Раніше ми розглядали фармакологічне застосування лігнінів та різних продуктів, отриманих з них; наші результати були опубліковані в 2012 році та містять докази того, що лігнани відіграють захисну роль проти розвитку різних захворювань [10]. У багатьох випадках вплив лігнінів можна пояснити їх антиоксидантною здатністю.

Тут ми зараз повідомляємо про систематичний огляд літератури за період 2010–2016 рр., Який надає інформацію про нові застосування лігнінів, отриману з останніх досліджень. Ми даємо деталі найбільш перспективних висновків, описуючи застосовувані методології та результати, отримані з лігнінами або їх похідними, які можуть поліпшити здоров’я людини.

2. Фармакологічна діяльність лігнінів та їх похідних

2.1. Лігніни та лігносульфонова кислота для лікування діабету

Лігніни можна отримувати різними способами. Однією із стратегій є отримання біомодифікованого лужного лігніну, витягнутого з листяної рослини Acacia nilotica. Потім вилучений лужний лігнін може бути підданий мікротрансформації мікроорганізмами лігнінолітичними грибами Aspergillus flavus та Emericella nidulans. Результати, отримані за допомогою цього методу, демонструють, що структура та функціональні модифікації лігніну суттєво впливають на його антиоксидантну біоефективність та зменшують його протидіабетичну активність [11]. Однак модифікований лужний лігнін продемонстрував значну інгібіторну активність α-амілази in vitro [12], вказуючи тим самим, що він потенційно має антигіперглікемічні властивості. Більше того, функціональні та структурні модифікації лужного лігніну змінили ефективність його зв'язування з молекулою глюкози. Це вплинуло на його рух через клітинну мембрану та покращило глікемічний контроль, обмежуючи всмоктування глюкози після їжі. На закінчення, антиоксидантні властивості, активність α-амілази та пригнічення руху глюкози in vitro лігніну A. nilotica можуть запропонувати потенційне терапевтичне джерело для лікування окисного стресу та діабету [11].

Вплив лігносульфонової кислоти на всмоктування глюкози в кишечнику також вивчався нещодавно [15]. Було показано, що лігносульфонова кислота є оборотним та неконкурентним інгібітором α-глюкозидази, вказуючи на те, що вона може зв'язуватися як з ферментом, так і з фермент-субстратним комплексом. Цей інгібуючий ефект на активність α-глюкозидази посилювався попередньою інкубацією лігносульфонової кислоти з ферментом, що передбачало повільне зв'язування. Введення глюкози та лігносульфонової кислоти спричиняло затримку засвоєння глюкози порівняно із введенням лише глюкози та зменшення концентрації глюкози в крові. Це свідчить про пригнічення транспорту глюкози через кишечник, базуючись також на результатах, що спостерігаються in vitro з використанням клітин Сако-2, де лігносульфонова кислота суттєво пригнічувала поглинання 2-дезоксиглюкози. Автори припустили, що лігніни та лігносульфонова кислота можуть застосовуватися для лікування діабету.

Інші потенційно сприятливі ефекти лігносульфонової кислоти вивчені для лікування діабету. Було продемонстровано, що лігносульфонова кислота інгібує мітотичне клональне розширення клітин преадипоцитів 3T3-L1 in vitro (рис. 2). Більше того, годування лігносульфоновою кислотою мишей з діабетом KK-Ay пригнічувало підвищення рівня глюкози в сироватці крові, яке спостерігалося у нелікованих контрольних тварин [16].