Введение

foodmeta

FOOD METAENGINEERING

2949-6497

All-Russian Dairy Research Institute

10.37442/fme.2024.2.49

foodmeta-49

Research Article

Оригинальное эмпирическое исследование

Original Empirical Research

Влияние способа получения экстрактов цветков бархатцев распростертых (Tagetes patula L.) на содержание биологически активных веществ и антимикробную активность

The Effect of the Preparation Method on the Content of Biologically Active Substances and Antimicrobial Activity of Extracts of Marigold Flowers (Tagetes patula L.)

https://orcid.org/0000-0002-1489-0716

Кригер

Ольга Владимировна

Kriger

Olga Vladimirovna

профессор Высшей школы живых систем БФУ им. И. Канта

профессор факультета биотехнологий Университета ИТМО

OKriger@kantiana.ru

https://orcid.org/0009-0007-5873-8306

Шепель

Екатерина Игоревна

Shepel

Ekaterina Igorevna

магистрант Высшей школы живых систем, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта

EIShepel@stud.kantiana.ru

Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Университет ИТМОРоссияImmanuel Kant Baltic Federal University; ITMO UniversityRussian Federation

Балтийский федеральный университет им. И. КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation

2024

30062024

222234

2024

Кригер О.В., Шепель Е.И.

Kriger O.V., Shepel E.I.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.fme-journal.org/jour/article/view/49

Введение

Введение: Поиск новых источников биологически активных веществ с антимикробными свойствами представляет собой важное направление в современной биотехнологии и фармакологии. Перспективным источником таких веществ является Tagetes patula L. (бархатцы распростертые). Водные экстракты T. patula, обладая значительным потенциалом биологической активности, остаются недостаточно изученными по сравнению с экстрактами, полученными с использованием других экстрагентов и методов экстракции.

Цель

Цель: Исследование влияния методов экстракции на содержание биологически активных веществ и антимикробную активность водных экстрактов цветков Tagetes patula L. Определение зависимости между способом экстракции и содержанием биологически активных веществ, а также антибактериальными свойствами водных экстрактов для создания на их основе антимикробных препаратов. В рамках исследования выполнены задачи по определению суммарного содержания фенольных соединений и флавоноидов в водных экстрактах бархатцев распростертых, полученных различными методами экстракции, и тестированию экстрактов на антибактериальную активность по отношению к бактериям Staphylococcus aureus и Escherichia coli, выделенным из клинического материала.

Материалы и методы

Материалы и методы: Объектами исследования выступали водные экстракты цветков Tagetes patula L. с гидромодулем 1:10, полученные кипячением, настаиванием с перемешиванием, микроволновой и ультразвуковой экстракцией. Суммарное содержание фенольных соединений и флавоноидов определялось на планшетном ридере BMG Labtech. Антибактериальный эффект всех полученных экстрактов оценивался стандартным диско-диффузионным методом.

Результаты

Результаты: Метод экстракции значительно влияет на содержание биологически активных веществ и антибактериальную активность водных экстрактов бархатцев распростертых. Наибольшее содержание фенольных соединений наблюдалось в экстрактах, полученных микроволновой экстракцией (0,34 мг/см³), а максимальная концентрация флавоноидов была достигнута при кипячении в течение 300 секунд (0,98 мг/см³). Водные экстракты продемонстрировали антибактериальную активность против грамположительных и грамотрицательных бактерий S. aureus и E. coli, причем зона задержки роста культуры увеличивалась с продолжительностью экстракции.

Выводы

Выводы: Изучено влияние различных методов экстракции на содержание фенольных соединений и флавоноидов в водных экстрактах цветков бархатцев распростертых. Доказана антибактериальная активность экстрактов против грамположительных и грамотрицательных бактерий. Полученные данные подтверждают перспективность дальнейшего исследования водных экстрактов бархатцев распростертых, их состава и свойств для создания антимикробных препаратов, применяемых в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве.

Introduction

Introduction: The search for new sources of biologically active substances with antimicrobial properties represents a significant direction in modern biotechnology and pharmacology. A promising source of such substances is Tagetes patula L. (French marigold). Despite the high potential biological activity of aqueous extracts of T. patula, they remain insufficiently studied compared to extracts obtained using other solvents and extraction methods.

Purpose

Purpose: The aim of this study is to investigate the influence of extraction methods on the content of biologically active substances and the antimicrobial activity of aqueous extracts of Tagetes patula L. flowers. The study aims to determine the relationship between the extraction method and the content of biologically active substances, as well as the antibacterial properties of the aqueous extracts to create antimicrobial agents based on them. The research objectives included determining the total content of phenolic compounds and flavonoids in aqueous extracts of French marigolds obtained by various extraction methods, and testing the extracts for antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria isolated from clinical material.

Materials and Methods

Materials and Methods: The objects of the study were aqueous extracts of Tagetes patula L. flowers with a hydromodule of 1:10, obtained by boiling, infusing with stirring, microwave, and ultrasonic extraction. The total content of phenolic compounds and flavonoids was determined using a BMG Labtech plate reader. The antibacterial effect of all obtained plant extracts was assessed using the standard disk diffusion method.

Results

Results: The extraction method significantly influences the content of biologically active substances and the antibacterial activity of aqueous extracts of French marigolds. The highest phenolic compound content was observed in extracts obtained by microwave extraction (0.34 mg/cm³), while the maximum flavonoid concentration was achieved by boiling for 300 seconds (0.98 mg/cm³). The aqueous extracts demonstrated antibacterial activity against both gram-positive and gram-negative bacteria S. aureus and E. coli, with an increasing trend in the inhibition zone diameter proportional to the extraction duration.

Conclusion

Conclusion: The study examined the impact of various extraction methods on the total content of phenolic compounds and flavonoids in aqueous extracts of French marigold flowers. The antibacterial activity of the extracts against gram-positive and gram-negative bacteria was confirmed. The obtained data indicate the potential for further research into the composition and properties of aqueous extracts of French marigolds for the development of antimicrobial agents for use in medicine, veterinary science, and agriculture.

бархатцы распростертыеводные экстрактыбиологическая активность

French marigoldaqueous extractsbiological activityantimicrobial agents

References1

Астафьева, О. В., Жаркова, З. В., & Якимец М. В. (2020). Исследование химического состава и противомикробной активности экстрактов из соцветий Tagetes patula L. Современные проблемы науки и образования, 6, 10. https://doi.org/10.17513/spno.30430

Astafyeva O. V., Zharkova Z. V., & Yakimets M. V. (2020). Investigation of the chemical composition and antimicrobial activity of extracts from inflorescences of Tagetes patula L. Modern problems of science and education, 6, 10.

Vasiliev A. S., & Gromova Yu. V. (2018). A brief analysis of modern extraction technologies and the main factors influencing the extraction process. Economics Today: Theory and Practice, 28-31.

Васильев, А. С., & Громова, Ю. В. (2018). Краткий анализ современных технологий экстракции и основных факторов, влияющих на процесс экстракции. Экономическая наука сегодня: теория и практика (c. 28–31). Чебоксары: Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс».

Maksimenko N. V. (2019). Allelopathic activity of plants of the genus Tagetes L. Agriculture-problems and prospects, 79-85.

Елапов, А. А., Кузнецов, Н. Н., & Марахова, А. И. (2021). Применение ультразвука в экстракции биологически активных соединений из растительного сырья, применяемого или перспективного для применения в медицине. Разработка и регистрация лекарственных средств, 10(4), 96–116. https://doi.org/10.33380/2305-2066-2021-10-4-96-116.

Salova T. Y., N. Y. Gromova. (2016). Theoretical aspects of obtaining biologically active substances from plant and animal raw materials. Successes of Modern Natural Science, 3, 39-43.

Кацев, А.М., Сафронюк, С.Л., Бурцева Е. В., & Османова С. Я. (2023). Могут ли биолюминесцентные бактерии быть использованы для поиска новых антибактериальных веществ растительного происхождения? Разработка и регистрация лекарственных средств, 12(4), 63-70. https://doi.org/10.33380/2305-2066-2023-12-4-1592

Alupului A., Calinescu I., & Lavric V. (2012). Microwave extraction of active principles from medicinal plants. UPB Science Bulletin, Series B, 74(2), 129–142.

Максименко, Н. В. (2019). Аллелопатическая активность растений рода Tagetes L. Сельское хозяйство-проблемы и перспективы (c. 79–85). Город: Издательство. Гродно: ГГАУ.

Bernhoft A. (2010). A brief review on bioactive compounds in plants. Bioactive compounds in plants-benefits and risks for man and animals, 50, 11–17.

Chemat F., Tomao V., & Virot M. (2008). Ultrasound-assisted extraction in food analysis. Handbook of food analysis instruments, 11, 85–103.

Маркин, В.И., Чепрасова, М.Ю., & Базарнова, Н.Г. (2014) Основные направления использования микроволнового излучения при переработке растителного сырья (обзор). Химия растительного сырья, (4), 21–42. https://doi.org/10.14258/jcprm.201404597

Chookalaii H., Riahi H., Shariatmadari Z. et al. (2020). Enhancement of total flavonoid and phenolic contents in Plantago major L. with plant growth promoting cyanobacteria. Journal of Agricultural Science and Technology, 22(2), 505–518.

Машковский, М.Д. (2019). Лекарственные средства. М.: Новая волна.

Cowan M. M. (1999). Plant products as antimicrobial agents. Clinical microbiology reviews, 12(4), 564–582.

Салова, Т. Ю., & Громова, Н. Ю. (2016). Теоретические аспекты получения биологически активных веществ из растительного и животного сырья. Успехи современного естествознания, 3, 39–43.

Croteau R. et al. (2000). Natural products (secondary metabolites). Biochemistry and molecular biology of plants, 24, 1250–1319.

De Castro M. D. L., & Garcıa-Ayuso L.E. (1998). Soxhlet extraction of solid materials: an outdated technique with a promising innovative future. Analytica chimica acta, 369(1–2), 1–10.

Папаяни, О. И., Духанина, И.В., & Сергеева, Е. О. (2012) Изучение химического состава и антимикробной активности сухого экстракта из цветков бархатцев распростертых (Tagetes patula L.). Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 14(3), 742–744.

Dudareva N., & Pichersky E. (2000). Biochemical and molecular genetic aspects of floral scents. Plant physiology, 122(3), 627–634.

Поверин, Д.И., & Поверин, А.Д. (2006) Ультразвуковая экстракция в промышленном производстве инстантных форм растительных субстратов. Пиво и напитки, (1), 18–20.

Hernández Y., Lobo M. G., & González M. (2009). Factors affecting sample extraction in the liquid chromatographic determination of organic acids in papaya and pineapple. Food Chemistry, 114(2), 734–741.

Червонная, Н.М., & Андреева, О. А. (2015). Об антиоксидантной активности спиртоводных извлечений из цветков бархатцев распростертых. Современные проблемы науки и образования, 2(часть 3).

Herrera M. C., & De Castro M. D. L. (2005). Ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from strawberries prior to liquid chromatographic separation and photodiode array ultraviolet detection. Journal of chromatography A, 1100(1), 1–7.

Alupului, A., Calinescu, I. & Lavric, V. (2012). Microwave extraction of active principles from medicinal plants. UPB Science Bulletin, Series B, 74(2), 129–142.

Jain R., Katare N., Kumar V. et al. (2012). In vitro antibacterial potential of different extracts of Tagetes erecta and Tagetes patula. Journal of Natural Sciences Research, 2(5), 84–90.

Bernhoft, A. (2010). A brief review on bioactive compounds in plants. Bioactive Compounds in Plants-Benefits and Risks for Man and Animals, 50, 11–17.

Jain T. et al. (2009). Microwave assisted extraction for phytoconstituents–an overview. Asian Journal of Research in Chemistry, 2(1), 19–25.

Chemat, F., Tomao, V., & Virot, M. (2008). Ultrasound-assisted extraction in food analysis. Handbook of food analysis instruments, 11, 85–103. https://doi.org/10.1201/9781420045673.ch5

Mahfuz S., Shang Q., & Piao X. (2021). Phenolic compounds as natural feed additives in poultry and swine diets. Biotechnol, 12, 48.

Chookalaii, H., Riahi, H., Shariatmadari, Z., Mazarei, Z., & Seyed Hashtroudi, M. (2020). Enhancement of total flavonoid and phenolic contents in Plantago major L. with plant growth promoting cyanobacteria. Journal of Agricultural Science and Technology, 22(2), 505–518.

Majors R. E. (1991). An overview of sample preparation. LC GC, 9(1), 16–20.

Cowan, M. M. (1999). Plant products as antimicrobial agents. Clinical Microbiology Reviews, 12(4), 564–582. https://doi.org/10.1128/CMR.12.4.564

Martínez R., Diaz B., Vásquez L. et al. (2009). Chemical composition of essential oils and toxicological evaluation of Tagetes erecta and Tagetes patula from Venezuela. Journal of Essential Oil-Bearing Plants, 12(4), 476–481.

Croteau, R. Kutchan, T.M., & Lewis, N.G. (2000). Natural products (secondary metabolites). Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 24, 1250–1319.

Munhoz V. M., Baida F. C., Lopes G. C. et al. (2017). Extracts and semi-purified fractions of Tagetes patula flowers in the control of root-knot nematodes. Semina: Ciências Agrárias, 38(6), 3529–3538.

De Castro, M. D. L. & Garcıa-Ayuso L.E. (1998). Soxhlet extraction of solid materials: An outdated technique with a promising innovative future. Analytica Сhimica Acta, 369(1–2), 1–10. http://dx.doi.org/10.1016/S0003-2670(98)00233-5

Nahak G., & Sahu K. (2017). Bio-controlling Effect of Leaf Extract of Tagetes patula L. (Marigold) on Growth Parameters and Diseases of Tomato. Pakistan Journal of Biological Sciences: PJBS, 20(1), 12–19.

Dudareva, N., & Pichersky, E. (2000). Biochemical and molecular genetic aspects of floral scents. Plant Physiology, 122(3), 627–634. https://doi.org/10.1104/pp.122.3.627

Pan X., Niu G., & Liu H. (2003). Microwave-assisted extraction of tea polyphenols and tea caffeine from green tea leaves. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 42(2), 129–133.

Dzah, C. S., Duan, Y., Zhang, H., Wen, C., Zhang, J., Chen, G., & Ma, H. (2020). The effects of ultrasound assisted extraction on yield, antioxidant, anticancer and antimicrobial activity of polyphenol extracts: A review. Food Bioscience, 35, 100547. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2020.100547

Ondua M., Njoya E. M., & Abdalla M. A. (2019). Anti-inflammatory and antioxidant properties of leaf extracts of eleven South African medicinal plants used traditionally to treat inflammation. Journal of ethnopharmacology, 234, 27–35.

Gupta, P., Vasudeva, N., & Marigold, A. (2012). Potential ornamental plant drug. Hamdard Medicus, 55(1), 45–59.

Smith R. M. (2003). Before the injection—modern methods of sample preparation for separation techniques. Journal of chromatography, 1000(1–2), 3–27.

Hernández, Y., Lobo M. G., & González, M. (2009). Factors affecting sample extraction in the liquid chromatographic determination of organic acids in papaya and pineapple. Food Chemistry, 114(2), 734–741. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2008.10.021

Sukhikh S., Babich O., Larina V., Krol O., Popov A., Kriger O., Ivanova S., & Prosekov A. (2022). Antimicrobial screening and fungicidal properties of eucalyptus globulus ultrasonic extracts. Plants, 11,

Herrera, M.C., & De Castro, M.D.L. (2005). Ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from strawberries prior to liquid chromatographic separation and photodiode array ultraviolet detection. Journal of Chromatography A, 1100(1), 1–7. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2005.09.021

Taiz L., & Zeiger E. (2006) Secondary metabolites and plant defense. Plant physiology, 4, 315–344.

Jain, R., Katare, N., Kumar, V., Samanta, A.K., Goswami, S., & Shrotri S. (2012). In vitro antibacterial potential of different extracts of Tagetes erecta and Tagetes patula. Journal of Natural Sciences Research, 2(5), 84–90.

Vankar P. S. (2004). Essential oils and fragrances from natural sources. Resonance, 9, 30-41.

Jain, T., Jain, V., Pandey, R., Vyas A., & Shukla, S.S. (2009). Microwave assisted extraction for phytoconstituents–an overview. Asian Journal of Research in Chemistry, 2(1), 19–25.

Madhu, B., Srinivas, M. S., Srinivas, G., & Jain S. K. (2019). Ultrasonic technology and its applications in quality control, processing and preservation of food: A review. Current Journal of Applied Science and Technology, 32(5), 1–11. https://doi.org/ 10.9734/CJAST/2019/46909

Mahfuz, S., Shang, Q., & Piao X. (2021). Phenolic compounds as natural feed additives in poultry and swine diets. Biotechnol, 12, 48. https://doi.org/10.1186/s40104-021-00565-3

Martínez, R., Diaz, B., Vásquez, L., Compagnone, R., Tillett, S.S., Canelon, D., Torrico, F., & Suarez A. (2009). Chemical composition of essential oils and toxicological evaluation of Tagetes erecta and Tagetes patula from Venezuela. Journal of Essential Oil-Bearing Plants, 12(4), 476–481. https://doi.org/10.1080/0972060X.2009.10643747

Munhoz, V.M., Baida, F.C., Lopes, G.C., Santiago, D.C., de Souza, J.R.P., & de Mello, J.C.P. (2017). Extracts and semi-purified fractions of Tagetes patula flowers in the control of root-knot nematodes. Semina: Ciências Agrárias, 38(6), 3529–3538. https://doi.org/10.5433/1679–0359.2017v38n6p3529

Nahak, G., & Sahu, K. (2017). Bio-controlling effect of leaf extract of Tagetes patula L. (Marigold) on growth parameters and diseases of tomato. Pakistan Journal of Biological Sciences, 20(1), 12–19. https://doi.org/10.3923/pjbs.2017.12.19

Pan, X., Niu G., & Liu, H. (2003). Microwave-assisted extraction of tea polyphenols and tea caffeine from green tea leaves. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 42(2), 129–133. https://doi.org/10.1016/s0255-2701(02)00037-5

Ondua, M., Njoya, E. M., & Abdalla M. A. (2019). Anti-inflammatory and antioxidant properties of leaf extracts of eleven South African medicinal plants used traditionally to treat inflammation. Journal of Ethnopharmacology, 234, 27–35. https://doi.org/10.1016/ j.jep.2018.12.030

Smith, R. M. (2003). Before the injection—modern methods of sample preparation for separation techniques. Journal of Chromatography, 1000(1–2), 3–27. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(03)00511-9

Sukhikh, S., Babich, O., Larina, V., Krol O., Popov, A., Kriger, O., Ivanova S., & Prosekov, A. (2022). Antimicrobial screening and fungicidal properties of eucalyptus globulus ultrasonic extracts. Plants, 11. https://doi.org/10.3390/plants11111441

Taiz, L. & Zeiger, E. (2006) Secondary metabolites and plant defense. Plant Physiology, 4, 315–344. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1933-0_5.

Vankar, P. S. (2004). Essential oils and fragrances from natural sources. Resonance, 9, 30-41. https://doi.org/10.1007/BF02834854

Wilkinson, J.L., Boxall, A.B.A., Kolpin, D.W., Leung, K.M.Y., Lai, R.W.S., Galbán-Malagón, C., Adell, A.D., Mondon, J., Metian, M., Marchant, R.A., Bouzas-Monroy, A., Cuni-Sanchez, A., Coors, A., Carriquiriborde, P., Rojo, M., Gordon, C., Cara, M., Moermond, M., Luarte, T., Petrosyan, V., Perikhanyan, Y., Mahon, C.S., McGurk, C.J., Hofmann, T., Kormoker, T., Iniguez, V., Guzman-Otazo, J., Tavares, J.L., Gildasio De Figueiredo, F., Razzolini, M.T.P., Dougnon, V., Gbaguidi, G., Traoré, O., Blais, J.M., Kimpe, L.E., Wong, M., Wong, D., Ntchantcho, R., Pizarro, J., Ying, G.G., Chen, C.E., Páez, M., Martínez-Lara, J., Otamonga, J.P., Poté, J., Ifo, S.A., Wilson, P., Echeverría-Sáenz, S., Udikovic-Kolic, N., Milakovic, M., Fatta-Kassinos, D., Ioannou-Ttofa, L., Belušová, V., Vymazal, J., Cárdenas-Bustamante, M., Kassa, B.A., Garric, J., Chaumot, A., Gibba, P., Kunchulia, I., Seidensticker, S., Lyberatos, G., Halldórsson, H.P., Melling, M., Shashidhar, T., Lamba, M., Nastiti, A., Supriatin, A., Pourang, N., Abedini, A., Abdullah, O., Gharbia, S.S., Pilla, F., Chefetz, B., Topaz, T., Yao, K.M., Aubakirova, B., Beisenova, R., Olaka, L., Mulu, J.K., Chatanga, P., Ntuli, V., Blama, N.T., Sherif, S., Aris, A.Z., Looi, L.J., Niang, M., Traore, S.T., Oldenkamp, R., Ogunbanwo, O., Ashfaq, M., Iqbal, M., Abdeen, Z., O'Dea, A., Morales-Saldaña, J.M., Custodio, M., de la Cruz, H., Navarrete, I., Carvalho, F., Gogra, A.B., Koroma, B.M., Cerkvenik-Flajs, V., Gombač, M., Thwala, M., Choi, K., Kang, H., Ladu, J.L.C., Rico, A., Amerasinghe, P., Sobek, A., Horlitz, G., Zenker, A.K., King, A.C., Jiang, J.J., Kariuki, R., Tumbo, M., Tezel, U., Onay, T.T., Lejju, J. B., Vystavna, Y., Vergeles, Y., Heinzen, H., Pérez-Parada, A., Sims, D.B., Figy, M., Good, D., Teta, C. (2022) Pharmaceutical pollution of the world's rivers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(8). https://doi.org/10.1073/pnas.2113947119

The authors declare that there are no conflicts of interest present.