ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЦЕЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ВОДНЫХ ЭКСТРАКТОВ НЕКОТОРЫХ ДИКОРАСТУЩИХ РАСТЕНИЙ ЗАПАДНО-КАЗАХСТАНСКОЙ ОБЛАСТИ

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе оценены солнцезащитные свойства и фотостабильность водных экстрактов шести наиболее распространённых растений Западно-Казахстанской области. По результатам спектрофотометрических измерений с использованием уравнения Мансура рассчитаны соответствующие значения солнцезащитного фактора (sun protection factor, SPF). Показано, что наилучшими солнцезащитными свойствами (SPF = 22.06) и фотостабильностью (88,2%) обладает водный экстракт лапчатки серебристой (Potentilla argentea L.). Самые низкие показатели солнцезащитной активности и фотостабильности определены для острицы лежачей (Asperugo procumbens L.) 15.53 и 61,4% соответственно. Установлено, что проявляя свойства химических УФ-фильтров водные экстракты исследуемых растений способны эффективно защищать кожу человека от вредного излучения. Качественный фитохимический анализ показал присутствие в экстрактах первичных и вторичных метаболитов с преобладанием углеводов и фенольных соединений.

ABSTRACT

The present study aimed to estimate the photostability and sun protection characteristics of aqueous extracts obtained from the six most commonly found plants in the West Kazakhstan region. The corresponding values of the sun protection factor (SPF) were calculated using the Mansur equation based on the results of spectrophotometric measurements. It has been shown that the aqueous extract of silverweed (Potentilla argentea L.) has the best sun protection properties (SPF = 22.06) and photostability (88.2%). The lowest values of sun protection activity and photostability were established for pinworm (Asperugo procumbens L.) 15.53 and 61.4%, respectively. It has been also found that, exhibiting the properties of chemical UV filters, aqueous extracts of the studied plants are able to effectively protect human skin from harmful radiation. Qualitative phytochemical screening showed the presence of primary and secondary metabolites in the extracts with a predominance of carbohydrates and phenolic compounds.

Ключевые слова: солнцезащитный фактор (SPF), фотостабильность, растительные экстракты, Polygonum aviculare L., Lepidium ruderale L., Potentilla argentea L., Capsella bursa-pastoris L., Convolvulus arvensis L., Asperugo procumbens L.

Keywords: sun protection factor (SPF), photostability, plant extracts, Polygonum aviculare L., Lepidium ruderale L., Potentilla argentea L., Capsella bursa-pastori L., Convolvulus arvensis L., Asperugo procumbens L.

Введение

Чрезмерное воздействие УФ-излучения на кожу человека часто приводит к неблагоприятным последствиям. С целью защиты кожи от вредных солнечных лучей используются специальные солнцезащитные средства в виде кремов, гелей, спреев или лосьонов. Однако, в их состав входят преимущественно синтетические компоненты, которые, могут оказывать на кожу и негативное воздействие. Перспективной альтернативой синтетическим компонентам солнцезащитных средств являются растительные экстракты [1]. Они содержат в своем составе органические соединения различной природы: фенолы, флавоноиды, глицериды, витамины, углеводы, белки, пигменты и пр. которые в той или иной степени способны поглощать вредное ультрафиолетовое (УФ-) излучение [2].

УФ-излучение подразделяется на три диапазона:

• УФ-А (320- 400 нм) - «мягкое» УФ-излучение;
• УФ-В (280 - 320 нм) - «эритемное», биологически активное УФ-излучение (активизирует биологические процессы в живых клетках);
• УФ-С (200-280 нм) - «жёсткое» УФ-излучение [3].

Хроническое воздействие УФ-излучения вызывает преждевременное фотостарение кожи, снижение иммунитета, генетические изменения в клетках, что в конечном итоге приводит к возникновению злокачественных кожных образований [4]. В последние десятилетия из-за истощения озонового слоя, население Земли подвергается всё более интенсивному воздействию УФ-излучения диапазонов А и В. Последствия их пагубного влияния подчеркивают необходимость разработки и производства средств для защиты кожи от прямого солнечного света [5].

Эффективную защиту от УФ-излучения могут обеспечить т.н. УФ-фильтры [6]. Механизм их действия может быть физическим или химическим. Эффективность химических фильтров обусловлена их способностью поглощать УФ-излучение, а физические фильтры, в свою очередь, способны эффективно его отражать [7]. Сегодня на рынке доступно множество различных солнцезащитных средств, содержащих такие вещества, как ZnO, TiO₂, оксибензон, авобензон, октокрилен (Рис.1) и т.д. [8].

Рисунок 1. Наиболее широко применяемые синтетические компоненты солнцезащитных средств

Большая часть этих компонентов имеет высокую себестоимость производства, а также отмечен ряд побочных эффектов, связанных с их использованием [9]. Кроме того, ни один из перечисленных компонентов не обладает дополнительно какими-либо антиоксидантными, антибактериальными или увлажняющими свойствами [10]. Современная же концепция фотозащиты предполагает использование косметических средств широкого спектра действия, что обуславливает поиск новых ингредиентов, обладающих полифункциональными свойствами [11]. В этой связи, значительный интерес вызывают растительные экстракты, которые благодаря многокомпонентности химического состава оказывают многовекторное биологическое действие, что обусловлено, в первую очередь, наличием активных центров биологически активных веществ (гидроксогрупп полифенольных соединений, кето-енольных групп аскорбиновой кислоты, систем сопряженных связей и т.д.) и способствует реализации естественных механизмов фотозащиты [12].

Биоразнообразие флоры Западно-Казахстанской области, насчитывающей более 1500 видов дикорастущих растений, представляющих более 115 семейств, имеет огромный потенциал для разработки новых путей их практического применения. Многие растения представляют интерес своими антиоксидантными свойствами [13-14]. Также в ряде работ отмечалась высокая антикоррозионная активность экстрактов некоторых широко распространённых растений региона [15-16]. 

Целью настоящей работы является изучение солнцезащитных свойств и фотостабильности водных экстрактов некоторых широко распространённых растений Западно-Казахстанской области. В качестве объектов исследований выбраны горец птичий (Polygonum aviculare L.), клоповник сорный (Lepidium ruderale L.), лапчатка серебристая (Potentilla argentea L.), пастушья сумка (Capsella bursa-pastoris L.), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis L.) и острица лежачая (Asperugo procumbens L.).

Экспериментальная часть

Сбор и подготовка растительного материала

Все растения собраны в их естественной среде произрастания в летний период 2023 года в фазе цветения в пригороде г. Уральска. Сбор проводился в сухую погоду в экологически чистой зоне, вдали от автомобильных дорог и промышленных объектов. Видовая принадлежность идентифицирована в гербарном фонде Естественно-Географического факультета Западно-Казахстанского университета им. М.Утемисова и базе данных Worldfloraonline [17]. Растения тщательно промывали от механических загрязнений проточной водой, затем 2-3 раза бидистиллированной водой и высушивали воздушно - теневым способом в течение 2 недель. Высушенные образцы измельчали ​​в мелкий порошок на электрической мельнице из нержавеющей стали, просевали через сито c диаметром отверстий 1,0 мм и хранили во флаконах из тёмного стекла при 4°С.

Получение экстрактов

10,0 г воздушно-сухого и измельченного растительного материала помещали в колбу Эрленмейера емкостью 250 мл и экстрагировали 3 х 100,0 мл бидистиллированной водой при 60 ± 0,1^оС на водяной бане в течение 6 ч. Температуру поддерживали с помощью водяного термостата TW-2.02. Полученные экстракты объединяли, фильтровали и упаривали. Твёрдый остаток сушили при 40^оС в течение 8 часов. Полученные экстракты хранили во флаконах из тёмного стекла при 4^оC и использовали для анализа.

Фитохимический анализ

Полученные экстракты были подвергнуты предварительному качественному фитохимическому анализу с применением стандартных методов [18-20] на присутствие первичных и вторичных метаболитов. Для фитохимического анализа исследуемые экстракты растворяли в воде или этаноле до концентрации 500 μг/мл.

Определение солнцезащитного фактора (sun protection factor, SPF)

Для определения SPF экстракты растворяли в 96%-ном этаноле до концентраций 100, 250, 500, 750 и 1000 μг/мл и измеряли поглощение в диапазоне длин волн 290-320 нм с интервалом 5 нм. Измерения проводились на спектрофотометре СФ-56 относительно чистого растворителя с использованием кварцевой кюветы с толщиной поглощающего слоя 10,0 мм. Значения SPF исследуемых экстрактов рассчитывали по формуле Мансура [21]:

где  EE (λ) – эритемное действие излучения с длиной волны λ,

I (λ) - спектр интенсивности солнечного излучения,

abs (λ) – поглощение образца при длине волны λ,

CF - поправочный коэффициент (=10).

Значения EE x I являются постоянными величинами [22] и представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Стандартные значения, используемые при расчете SPF

Фотостабильность экстрактов за время экспозиции (%) вычисляли по формуле:

где SPF₀ и SPF₂₁ – солнцезащитный фактор свежеприготовленного экстракта и в 21-й день соответственно.

Все результаты представлены в виде средних значений трёх параллельных определений (n = 3) с доверительной вероятностью α = 0,95.

Результаты исследования и обсуждение

Качественный фитохимический анализ

Результаты качественного фитохимического анализа водных экстрактов исследуемых растений приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Фитохимический анализ водных экстрактов исследуемых растений

(+++) – значительно присутствует, (++) – умеренно присутствует, (+) - незначительно присутствует, (-) – отсутствует.

Как следует из данных таблицы 2, в водных экстрактах исследуемых растений присутствуют первичные и вторичные метаболиты характерные для растительного мира. Наибольшее число фитокомпонентов обнаружено в C.barsa-postoris, P.argentae и P.aviculare. Абсолютно во всех растениях содержатся углеводы и фенольные соединения, однако восстанавливающих сахаров не обнаружено в C.barsa-postoris и A. procumbens. Практически во всех растениях присутствуют флавоноиды и флобатанины. Лейкоантоцианины стандартным тестом в исследуемых растениях не выявлены. В наиболее значительных количествах первичные и вторичные метаболиты содержатся в P.argentae, что объясняет сильно вяжущий вкус и приятный сладкий запах этого растения [23].

УФ-спектрофотометрический анализ

Исследуемые экстракты также были подвергнуты УФ-спектрофотометрическому анализу в диапазоне 250-750 нм. Для этого полученные водные экстракты растворяли в этаноле до концентрации 500 μг/мл. Спектры записывали на спектрофотометре СФ-56 с шагом 1,0 нм. УФ-спектры исследуемых экстрактов представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. УФ-вид-спектры водных экстрактов исследуемых растений:
А - P. aviculare, Б – P. argentea, В – L. ruderale, Г - A. procumbens, Д – C. bursa-pastoris, Е – C. arvensis

Как видно из рисунка 2, исследуемые экстракты обладают значительным поглощением в УФ-диапазоне. Максимумы поглощения при 294-298 нм и 310-330 нм соответствуют полифенольным структурам [24] в частности производным гидроксикоричной кислоты [25] и изофлавоноидам [26]. К присутствию производных коричной кислоты можно также отнеси наличие максимумов поглощения при 310 и 325 нм у экстракта L. ruderale [27]. Поглощение в диапазоне 340-360 нм типично для флавонолов [28]. Незначительное поглощение при 664 нм в экстракте L. ruderale соответствует хлорофиллу А [29].

Определение солнцезащитного фактора

Солнцезащитный фактор определяли по результатам УФ-спектрофотометрии и рассчитывали по уравнению Мансура. Результаты определения солнцезащитного фактора (SPF) свежеприготовленных спиртовых растворов экстрактов цельных растений представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Солнцезащитный фактор (SPF) свежеприготовленных экстрактов исследуемых растений при различных концентрациях

Как видно, для водных экстрактов всех исследуемых растений величина солнцезащитного фактора имеет прямую зависимость от концентрации. При максимальной концентрации 1000 µг/мл почти все экстракты продемонстрировали близкую солнцезащитную активность. Максимальное значение SPF определено для P.argentea (22,06). Водный экстракт A.procumbens показал наименьший результат (15,53). Солнцезащитная активность водных экстрактов исследуемых растений снижается в ряду P. argentea (22,06) ˃ C. arvensis (21,55) ˃ C. bursa-pastoris (21,11) ˃ L. ruderale (20,10) ˃ P. aviculare (20,01) ˃ A. procumbens (15,53).

Для исследования фотостабильности, спиртовые растворы экстрактов были разделены на две серии: одну выдерживали на прямом солнечном свету (на подоконнике), а вторую - в темноте. Время экспозиции составило 21 день. Значение SPF повторно определяли описанным методом на 1-, 3-, 5-, 7-, 10-, 14- и 21 день.  Результаты представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение солнцезащитного фактора (SPF) водных экстрактов исследуемых растений при 21-дневной экспозиции на свету и в темноте: А - P. aviculare, Б – P. argentea, В – L. ruderale, Г - A. procumbens, Д – C. bursa-pastoris, Е – C. arvensis

На рисунке 4 видно, что для всех экстрактов наблюдается некоторое снижение способности к поглощению излучения УФ-В-диапазона с течением времени при всех концентрациях как на свету, так и в темноте. При выдержке на прямом солнечном свету значения солнцезащитного фактора исследуемых экстрактов несколько ниже, чем при хранении в темноте. В большинстве случаев различия в фотостабильности в зависимости от условий экспозиции, отчётливо заметны уже в первые дни. Снижение солнцезащитной активности экстрактов при выдерживании в темноте, по-видимому обусловлено окислением фитокомпонентов кислородом воздуха. При хранении же на свету, фитокомпоненты, входящие в состав экстрактов, дополнительно подвергаются фотодеструкции, что и объясняет их меньшую устойчивость. Стоит также отметить, что экстракты C.arvensis (рис.3Е) ведут себя идентично вне зависимости от условий хранения, что свидетельствует об их относительной фотоустойчивости. Для экстракта P. aviculare (рис.3А) в области средних концентраций за 21 день наблюдается снижение солнцезащитной активности до приблизительно равных значений, однако характер изменений отличается. При выдерживании в темноте солнцезащитная активность экстракта снижается до конечного значения постепенно, а на свету величина SPF достигает аналогичных значений в первые несколько дней. В данном случае, прямое солнечное излучение лишь ускоряет процесс деструкции фитокомпонентов экстракта. Однако, при максимальной концентрации 1000 µг/мл, устойчивость экстракта в темноте уже явно выше, чем на свету и снижение поглощающей способности при всех условиях равномерное.

На рисунке 5 представлена сравнительная оценка фотостабильности водных экстрактов исследуемых растений при выдержке на прямом солнечном свету и в темноте.

Рисунок 5. Фотостабильность водных экстрактов исследуемых растений при различных концентрациях при выдержке на прямом солнечном свету и в темноте: А - P. aviculare, Б – P. argentea, В – L. ruderale, Г - A. procumbens, Д – C. bursa-pastoris, Е – C. arvensis

Рисунок 5 показывает, что фотостабильность исследуемых экстрактов возрастает с повышением концентрации. Все экстракты исследуемых растений лучше сохраняют свою стабильность в темноте, чем на свету, причём разница в фотостабильности с увеличением концентрации экстрактов становится менее значительной. Наибольшую фотостабильность продемонстрировал экстракт P. argentea, а наименее стабильным оказался экстракт A. procumbens. В целом, фотостабильность исследуемых экстрактов снижается в ряду P. аrgentea (88.2%) ˃ L. ruderale (81.9%) ˃ P. аviculare (79.2%) ˃ C. bursa-pastoris (72.5%) ˃ C. arvensis (63.7%) ˃ A. procumbens (61.4%) при хранении на свету.

По результатам исследования наилучшим образом проявил себя экстракт P. argentea продемонстрировав наилучшее значение солнцезащитного фактора и наилучшую фотостабильность. Наименее фотоустойчивым и наименее стабильным оказался экстракт A. procumbens.

Заключение

Исследования последнего времени показывают, что флора Западно-Казахстанской области обладает широким потенциалом практического применения, в том числе в сфере здравоохранения для защиты кожи человека от вредного солнечного излучения.

В настоящей работе показано, что некоторые наиболее распространённые и доступные растения региона имеют отличные перспективы применения в качестве компонентов солнцезащитных средств. Исследованные растения продемонстрировали высокую солнцезащитную активность, но при этом фотостабильность экстрактов этих растений несколько отличается. Способность растительных экстрактов поглощать УФ-излучение со временем меняется так же не одинаково и зависит от вида растения, что очевидно обусловлено их фитохимическим составом. При этом, устойчивость растительных экстрактов при хранении в темноте, выше, чем на свету.

Проведённые исследования в очередной раз доказывают важность и практическую полезность растительных экстрактов в сфере сохранения здоровья человека. Они по-прежнему остаются дешёвой и безопасной альтернативой синтетическим компонентам солнцезащитных средств.

Список литературы:

1. Radice M. et al. Herbal extracts, lichens and biomolecules as natural photo-protection alternatives to synthetic UV filters. A systematic review //Fitoterapia. – 2016. – Т. 114. – С. 144-162.
2. В. Е. Тарасов., М. В. Слободяник Растительные экстракты в качестве УФ-фильтров в солнцезащитных косметических средствах // Научный и инновационный потенциал развития производства, переработки и применения эфиромасличных и лекарственных растений, 2019 с. 355-359
3. Колежук К. В., Комащенко в. Н., Шереметова Г. И. и др. Новое поколение фотоприемников ультрафиолетового излучения// Технология и конструирование в электронной аппаратуpe. 2003.- No 3. C. 51- 52.
4. А.А. Кубанов, М.Б. Жилова, А.А. Кубанова Фотостарение кожи: механизмы развития, особенности клинических проявлений // Вестник дерматологии и венерологии. – 2014. – №. 5. – С. 53-59.
5. А. Албухайдар, А. И. Потапович, В. А. Костюк Количественная оценка эффективности природных полифенольных соединений как химических фильтров уф-излучения // Журнал Белорус. гос. ун-та. Биология. 2017. No 1. С. 3–12.
6. А. А. Свиридова, А. А. Ищенко Солнцезащитные средства. I. классификация и механизм действия органических УФ фильтров // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2006. – Т. 49. – №. 11. – С. 3-14.
7. Акимов В. Г. Фотодерматиты лекарственного или химического происхождения // Дерматология. Приложение к журналу Consilium Medicum. – 2014. – №. 2. – С. 9-11.
8. С.Гонсалес, М.Фернандес-Лоренте, Ю.Гилаберте-Кальсада, Последние достижения в области фотозащиты кожи, Клиники дерматологии, 2008, стр.614-656
9. Beasley D. G., Meyer T. A. Characterization of the UVA protection provided by avobenzone, zinc oxide, and titanium dioxide in broad-spectrum sunscreen products //American journal of clinical dermatology. – 2010. – Т. 11. – С. 413-421.
10. Л. С. Круглова, Е. А. Шатохина Синий спектр света: воздействие на кожу и фотопротекция //Медицинский алфавит. Дерматология. – 2022. – Т. 1. – С. 12-8.
11. О.Д. Немятых, И.И. Тернинко, А.С. Сабитов, А.И. Ляшко, З.Б. Сакипова Оценка потенциала растительных UV- фильтров в свете современной концепции фотозащиты кожи // Фармация и фармакология. – 2022. – Т. 10. – №. 4. – С. 308-319.
12. А.Р. Нуньес Использование флавоноидов и циннаматов - основных фотопротекторов природного происхождения // Успехи фармакологии и фармацевтических наук. – 2018. – с. 2018.
13. А.К. Джаманбалиева, Р.А Джусупова, Н.В. Акатьев Исследование антиоксидантной активности подорожника большого (Plantago major L.), произрастающего в пригороде г. Уральска // Биологические науки Казахстана. -2023.- с. 23
14. Д.Д. Суюнгалиева, Т.Б., Сейлова, А.К. Джаманбалиева, Р.А Джусупова, Н.В. Акатьев. Исследование антиоксидантных свойств водных экстрактов Chenopodium album Linn // Вестник ЗКУ. – 2023. – Т. 89. – №. 1. – С. 23-23.
15. Н.В. Акатьев, Т.Б. Сейлова. Исследование Антикоррозионных Свойств Водных Экстрактов Горца Птичьего (Polygonum Aviculare L.) Произрастающего На Территории Западно-Казахстанской Области // Universum: Технические Науки : Электрон. Научн. Журн. 2023. 8(113): С. 38-48.
16. T.B. Seilova, N.V Akatyev. Narrow-Leaved Pepperwort (Lepidium ruderale L.) From Western Kazakhstan - A New “Green” Corrosion Inhibitor For Carbon Steel // Вестник ЗКУ. – 2023. – №2. – С. 172-182.
17. Интернет-ресурс «Всемирная флора онлайн» https://www.worldfloraonline.org
18. V. Balamurugan, S. Fatima M.A., S. Velurajan, Int. J. Adv. Res. Innov. Ideas Educ. 2019, 5, 236–245.
19. K. S. Banu, L. Cathrine, Int. J. Adv. Res. Chem. Sci. 2015, 2, 25–32.
20. V. Sivanandham, World J. Sci. Res. 2015, 1, 80–91.
21. J. Mansur, M. Breder, M. Mansur, R. Azulay, An Bras Dermatol 1986, 61, 121–124.
22. R. Sayre, P. Agin, G. LeVee, E. Marlowe, Photochem. Photobiol. 1979, 29, 559–566.
23. Князева Г. Е. Действующие вещества в некоторых видах рода Лапчатка (Potentilla L.) //Метод Z. – 2022. – №. 3 (5). – С. 9-11.
24. Щепочкина О. Ю. и др. Определение биологически активных веществ в сухом экстракте имбиря лекарственного //Разработка и регистрация лекарственных средств. – 2015. – №. 2. – С. 160-166.
25. Achour M. et al. Bioavailability and metabolism of rosemary infusion polyphenols using Caco‐2 and HepG2 cell model systems //Journal of the Science of Food and Agriculture. – 2018. – Т. 98. – №. 10. – С. 3741-3751.
26. Ye M. et al. Analysis of homoisoflavonoids in Ophiopogon japonicus by HPLC-DAD-ESI-MS //Journal of the American Society for Mass Spectrometry. – 2005. – Т. 16. – №. 2. – С. 234-243.
27. Alonso-Salces R. M. et al. On-line characterisation of apple polyphenols by liquid chromatography coupled with mass spectrometry and ultraviolet absorbance detection //Journal of Chromatography A. – 2004. – Т. 1046. – №. 1-2. – С. 89-100.
28. Meda N. R. et al. Characterization of antioxidants from Detarium microcarpum Guill. et Perr. leaves using HPLC-DAD coupled with pre-column DPPH assay //European Food Research and Technology. – 2017. – Т. 243. – С. 1659-1666.
29. Духно С. С., Васильцова И. В., Коваль Ю. И. Определение пигментов в почках сосны обыкновенной //Химия и жизнь. – 2021. – С. 386-390.