In vitro evaluation of the bioactive potential of new powdered food ingredients – products of waste-free processing of Allium sativum L.

• Evgeny D. Rozhnov
• Marina N. Shkolnikova
• Chugunova O.L.
• Elena E. Banshchikova
• Irina A. Lupanova

Abstract

Garlic husk and pomace remain understudied, limiting their rational use and the development of new food ingredients. Producing powdered ingredients from fermented pomace and husk could address waste disposal issues and create new products with targeted functional properties.

The objective of the research was a comparative in vitro evaluation of the antimicrobial and anti-inflammatory potential of powdered food ingredients from fermented garlic bulbs, pomace, and husk (Allium sativum L.).

Material and methods. The study used powders from «Dobrynya» garlic and its processing by-products. Three types of samples were obtained: cloves, meal (pomace), and husks. Part of the samples underwent thermal fermentation (70 °C, 30 days). All materials were dried and ground to a particle size of <0.25 mm. Total phenolic content was determined using the Folin–Ciocalteu method; S-allylcysteine and melanoidins were analyzed spectrophotometrically. Antioxidant activity was assessed by the ability to scavenge the 2.2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical and the 2.2′-azino-bis[3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid] (ABTS⁺) radical cation. Antimicrobial and anti-inflammatory activity was evaluated using specific enzyme test systems based on glutathione reductase, catalase, and NO-synthase. All experiments were performed in triplicate. Data were processed using methods of variation statistics with the application of Tukey’s test (p<0.05).

Results. It was established that non-microbial fermentation (70 °C, 30 days) significantly enhances the antioxidant potential of garlic processing products. The content of phenolic compounds, S-allylcysteine, and melanoidins in fermented bulbs and meal increased by 3–25 times, which correlated with a rise in ABTS and DPPH activity. Fermented bulbs and meal exhibited pronounced anti-inflammatory activity (iNOS inhibition by 32–35%) and moderate antimicrobial action (catalase inhibition up to 34.5%). The strongest inhibition of catalase was shown by fresh garlic powder (56.6%). The high biological activity of fermented garlic meal was confirmed – its indicators (antioxidant, anti-inflammatory activity) were comparable to those of fermented bulbs. The obtained data confirm the feasibility of reclassifying garlic processing waste (meal) into the category of functional food ingredients with antioxidant, anti-inflammatory, and preservative properties.

Conclusion. In vitro experiments demonstrated antimicrobial and anti-inflammatory activity of black garlic and fermented pomace powders, supporting their potential as functional ingredients.

Keywords: Allium sativum L.; meal (pomace); non-microbial fermentation; biological activity; food ingredients; antimicrobial activity; anti-inflammatory activity

Чеснок посевной (Allium sativum L.) является одной из ключевых овощных культур в глобальном масштабе, играя значительную роль не только в кулинарии, но и в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности благодаря своему уникальному комплексу биологически активных веществ (БАВ) [1, 2]. Его потребление носит повседневный характер в большинстве домохозяйств. Однако в Российской Федерации сложилась парадоксальная ситуация: несмотря на наличие подходящих агроклиматических условий для возделывания культуры во многих регионах, до 80% объемов потребляемого чеснока импортируется. Основным поставщиком выступает Китай, который является безусловным мировым лидером по производству чеснока посевного, обеспечивая около 40% мирового урожая и занимая 60-70% в структуре российского импорта наряду с такими странами, как Египет, Иран и Узбекистан [1, 2]. При этом отмечается, что биохимические показатели импортируемой продукции, включая чеснок, часто уступают отечественным аналогам [3].

Дисбаланс между внутренним спросом и предложением усугубляет проблему сырьевой безопасности. Общая потребность российского рынка в чесноке оценивается приблизительно в 300 тыс. тонн в год, в то время как фактическое внутреннее производство, по данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, за 2020 г. составляло лишь около 190 тыс. тонн [1, 2]. В связи с этим стратегически важным направлением становится не только наращивание объемов производства, но и минимизация сырьевых потерь на всех этапах цепочки добавленной стоимости.

Сырьевые потери чеснока можно условно разделить на 2 крупные категории. Во-первых, это послеуборочные потери, связанные с дыханием, транспирацией, поражением фитопатогенами и несоблюдением условий хранения, которые могут достигать 30-50% от валового сбора. Во-вторых, это технологические отходы, образующиеся в процессе промышленной переработки луковиц. К ним относятся шрот (до 15-20%) и шелуха (до 5-10%), совокупно составляющие до 25% от массы исходного сырья [4]. Долгое время эти побочные продукты рассматривались как малоценные или вовсе бесполезные, отправляясь на корм скоту или утилизацию. Однако современные исследования доказывают, что жмых и шелуха чеснока представляют собой ценные вторичные сырьевые ресурсы с высоким содержанием БАВ [5].

Шрот чеснока, остающийся после отжима, сохраняет значительную часть водорастворимых и связанных с клеточными стенками компонентов. Его химический состав отличается многообразием:

- сероорганические соединения - в первую очередь предшественники аллицина (аллиин) и его стабильные производные. Эти соединения обусловливают антимикробные, антиоксидантные и гиполипидемические свойства чеснока [6-8];

- фруктаны, такие как инулин и фруктоолигосахариды, которые являются запасными полисахаридами чеснока и относятся к пребиотикам, стимулирующим рост полезной микрофлоры кишечника [9];

- пищевые волокна, включающие целлюлозу, гемицеллюлозы и пектины. Шрот является богатым источником клетчатки, играющей важную роль в пищеварении [4];

- минеральные вещества (калий, кальций, селен, цинк и др.), которые концентрируются в шроте в процессе переработки [10];

- белки и аминокислоты, включая фермент аллииназу, которая может сохранять активность в сухом материале [11];

- сапонины и фенольные соединения, вносящие существенный вклад в антиоксидантную и противовоспалительную активность продукта [12, 13].

Шелуха чеснока, еще недавно считавшаяся балластным материалом, в настоящее время признается перспективным источником БАВ. Химический анализ демонстрирует, что по некоторым показателям, особенно по содержанию антиоксидантов, шелуха может превосходить саму луковицу. Это обусловлено наличием уникального комплекса полифенолов, включающего флавоноиды (кверцетин, нарингин, кемпферол) и фенольные кислоты, которые обусловливают мощную антиоксидантную активность (АОА) [14-16]. Кроме того, шелуха богата пищевыми волокнами (клетчаткой и пектинами), выполняющими пребиотическую функцию [14, 17, 18], а также эссенциальными минеральными веществами: калием, кальцием, магнием, железом и цинком [17-19]. Такой состав открывает широкие возможности для промышленного применения данных отходов в качестве функциональных пищевых ингредиентов, кормовых добавок или источников БАВ для фармации.

В последние годы особое внимание исследователей привлекает технология ферментации чеснока, известная как производство черного чеснока. Данный процесс представляет собой немикробную ферментацию, инициируемую путем длительного выдерживания сырья в контролируемых условиях: при температуре 50-80 °C и относительной влажности 70-80% в течение 14-90 сут [20-22]. В ходе этой термической обработки происходят биохимические трансформации:

- трансформация сероорганических соединений: нестабильный аллиин необратимо разрушается, снижается способность к образованию едкого аллицина. Вместо этого образуются стабильные биодоступные и не имеющие резкого запаха серосодержащие компоненты, прежде всего S-аллилцистеин (SAC) и S-аллилмеркаптоцистеин (SAMC), обладающие высокой антиоксидантной, гепатопротекторной и противоопухолевой активностью [23, 24];

- реакция Майяра: взаимодействие между редуцирующими сахарами и аминокислотами приводит к образованию меланоидинов - темно-коричневых высокомолекулярных полимеров, которые вносят значительный вклад в АОА продукта и отвечают за характерный темный цвет [25, 26];

- усиление антиоксидантного потенциала: многочисленные исследования подтверждают, что в процессе ферментации в 3-5 раз увеличивается общее содержание фенольных соединений и флавоноидов, что напрямую коррелирует с ростом АОА по сравнению со свежим чесноком [21, 22, 27].

В результате этих процессов ферментированный чеснок приобретает совершенно новые органолептические и функциональные свойства: темный цвет, мягкую, эластичную, кремообразную консистенцию, сложный аромат с тонами карамели, уксуса и сухофруктов, а также сладкий вкус без характерной остроты и резкого запаха [25]. Химический состав, биологическая ценность и механизмы формирования свойств черного чеснока из целых луковиц к настоящему моменту достаточно хорошо изучены и подробно описаны в научной литературе [23, 28].

В то же время шелуха и шрот чеснока остаются крайне малоизученными объектами, особенно в контексте их целенаправленной ферментации по аналогии с черным чесноком. Трансформация химического состава этих отходов в процессе термофильной обработки и, как следствие, изменение их биологической активности (антимикробной, противовоспалительной, антиоксидантной) практически не исследованы. Получение из ферментированных шрота и шелухи порошкообразных ингредиентов позволило бы не только решить проблему утилизации отходов, но и создать новые продукты с заданными функциональными свойствами. Это полностью соответствует мегатрендам современной нутрициологии, направленным на развитие ресурсосберегающих технологий, создание функциональных продуктов и обогащение рациона БАВ [29]. Преимущества порошкообразных форм, такие как снижение транспортных расходов и объема хранения, устойчивость к микробной порче, длительный срок годности, легкость дозирования и универсальность применения в различных пищевых системах, делают их особенно привлекательными для пищевой индустрии.

Однако рациональное использование ферментированных побочных продуктов переработки чеснока и создание на их основе новых пищевых ингредиентов ограничено недостаточной изученностью биологической активности шрота и шелухи, что и обусловило цель настоящей работы - провести сравнительную оценку in vitro антимикробного и противовоспалительного потенциала порошкообразных пищевых ингредиентов, полученных из ферментированных луковиц, шрота и шелухи чеснока (Allium sativum L.).

Материал и методы

Экспериментальные исследования выполнены на кафедрах технологии питания и биотехнологии и инжиниринга УрГЭУ. В Центре доклинических исследований ФГБНУ ВИЛАР в условиях опытов invitro изучена антимикробная и противовоспалительная активность образцов с применением специфических ферментных биотест-систем (СФБТС).

Объектом исследования были опытные образцы пищевых ингредиентов в виде порошка из продуктов и отходов переработки чеснока посевного озимого (Allium sativum L.) сорта "Добрыня" урожая 2023 г. (Алтайский край). Луковицы были откалиброваны по размеру (диаметром 45-55 мм) и не имели видимых механических повреждений и признаков заболеваний.

После очистки луковиц и разделения на зубчики на измельчителе Waring WCG75 (Waring, США) получали чесночную пульпу, которую высушивали до постоянной массы при температуре 40 °C в сушильном шкафу ШС-80-01 (ОАО "Смоленское СКТБ СПУ", РФ) и измельчали на лабораторной мельнице DM-6 (HT Machinery, Тайвань) до размера частиц менее 0,25 мм (образец Н-Л). Для получения шрота откалиброванные луковицы вместе с шелухой измельчали, экстрагировали водой при температуре 50±2 °С в течение 2 ч (гидромодуль 1:10). Далее массу прессовали при давлении 10 МПа в течение 15 мин на лабораторном гидравлическом прессе. Полученный шрот высушивали и измельчали аналогично образцу Н-Л, получая образец Н-Шр. Шелуху, оставшуюся после очистки луковиц чеснока, высушивали до постоянной массы, затем измельчали аналогично образцам Н-Л и Н-Шр, получая образец Н-Ш.

Немикробную ферментацию сырья проводили следующим образом: 3 типа образцов [целые очищенные зубчики чеснока (Л), шрот (Шр) и шелуху (Ш)] помещали в климатостат КС 200 СПУ (ОАО "Смоленское СКТБ СПУ", РФ) и выдерживали в течение 30 сут при температуре 70±2 °C и относительной влажности 75±5% [30]. После завершения ферментации образцы извлекали и высушивали при 40 °C до достижения влажности 5,0±0,5%. Высушенные ферментированные продукты измельчали в порошок на мельнице DM-6 и просеивали через сито с размером ячеек 0,25 мм. Таким образом, были получены 3 вида порошков: из ферментированных луковиц (Ф-Л), из ферментированного шрота (Ф-Шр) и из ферментированной шелухи (Ф-Ш).

Все полученные порошки хранили в герметичных фольгированных пакетах при +4 °C до проведения дальнейших анализов.

Водные экстракты порошков готовили путем растворения навески в дистиллированной воде (соотношение 1:10) при постоянном перемешивании на магнитной мешалке C-MAG HS 7 (IKA, ФРГ) в течение 60 мин при температуре 40 °C. После экстракции образцы центрифугировали при 4000 об/мин в течение 10 мин на центрифуге Liston C2201 (ООО "Листон", РФ). Супернатант отбирали и фильтровали через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм. Полученные экстракты использовали для последующих биохимических анализов in vitro.

АОА экстрактов оценивали двумя независимыми методами для обеспечения достоверности результатов:

- способность улавливать радикальный катион 2,2′-азино-бис-[3-этилбензтиазолин-6-сульфоновой кислоты] (ABTS⁺) определяли по методу [31]. Результаты выражали в миллиграммах эквивалента тролокса на 1 г сухой массы порошка (мг TE/г);

- способность улавливать радикал дифенилпикрилгидразила (DPPH⁺) оценивали по методу [32]. Результаты выражали в мг TE/г.

Суммарное содержание фенольных веществ определяли методом Фолина-Чокальтеу [23], выражая результаты в миллиграммах галловой кислоты (GAE) на 1 г сухой массы порошка (мг GAE/г). SAC [33] и меланоидины [34] определяли спектрофотометрически с использованием спектрофотометра Shimadzu UV 1800 (Shimadzu, Япония).

В процессе исследования были использованы методы выявления антимикробной и противовоспалительной активности веществ с применением вторичной СФБТС на основе глутатионредуктазы и каталазы [35-37], а также первичной СФБТС на основе индуцибельной NO-синтазы (iNOS) [38].

Изучение антимикробной активности проводили с применением вторичной глутатионредуктазной и каталазной биотест-системы. Ферменты глутатионредуктаза, каталаза - высокоочищенные препараты (Merck KGaA, ФРГ).

Скорость глутатионредуктазной реакции определяли спектрофотометрически [39] по убыли поглощения при 340 нм за счет окисления никотинамидадениндинуклеотидфосфата эквимолярным количеством восстановленного глутатиона. Скорость каталазной реакции определяли спектрофотометрически [40] по убыли в процессе реакции перекиси водорода, образующей с солями молибдена стойкий окрашенный комплекс. Измерения проводили на анализаторе для клинической химии Clima МС-15 при 24 °С (RAL Técnica раrа el Lаbоrаtоriо, S.A., Испания совместно с АО "ДИАКОН-ДС", РФ).

Противовоспалительную активность образцов определяли спектрофотометрически при 340 нм, используя программу кинетических исследований согласно [41].

Использованные в данной работе ферментные биотест-системы входят в состав "Биологической коллекции специфических ферментных биотест-систем in vitro (БК-СФБТС)" ФГБНУ ВИЛАР.

Все используемые химические реагенты (DPPH, ABTS, реактив Фолина-Чокальтеу, GAE, аскорбиновая кислота и др.) имели аналитическую чистоту.

Все эксперименты проводили в трех параллельных повторностях (n=3). Результаты представлены как среднее арифметическое ± стандартное отклонение (σ). Статистическую обработку данных проводили с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим применением критерия Тьюки для множественных сравнений в программе Statistica 13.0 (TIBCO Software Inc, США). Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты и обсуждение

Проведенное комплексное исследование образцов выявило существенное влияние процесса немикробной ферментации по технологии получения черного чеснока на биохимический профиль различных фракций Allium sativum L. Согласно данным, представленным в табл. 1, наблюдается значительное увеличение антиоксидантного профиля исследуемых образцов, что согласуется с результатами, полученными другими авторами [20-22, 27], и одновременно выявляет специфические особенности, характерные для побочных продуктов переработки. Наиболее выраженное увеличение АОА зарегистрировано у образцов Ф-Л и Ф-Шр. Статистически значимое (p<0,01) повышение способности к связыванию катион-радикалов ABTS⁺ и стабильных радикалов DPPH⁺ для указанных образцов составило 4,0-4,3 раза по сравнению с их нативными аналогами, что полностью коррелирует с данными, представленными в работах других исследователей.

Так, в исследованиях J. Botas и соавт. [21] и K. Najman и соавт. [25] также отмечалось 3-8-кратное увеличение АОА в результате немикробной ферментации целых луковиц чеснока. Согласно данным H.K. Sasmaz и соавт. [20] и K. Najman и соавт. [22], наблюдаемое явление обусловлено комплексом биохимических превращений, включающих деградацию предшественников аллицина с последующим образованием стабильных серосодержащих антиоксидантов, таких как SAC, известного своими выраженными антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, что также было показано нами в эксперименте (рис. 1).

Процесс ферментации инициировал статистически значимое (p<0,001) увеличение содержания SAC во всех исследуемых образцах. Максимальная концентрация данного метаболита зафиксирована в образцах Ф-Л, где отмечается 22,8-кратное увеличение по сравнению с уровнем в нативном аналоге. В образцах Ф-Шр содержание SAC возрастало в 23,6 раза, достигая значения 198,7 мг/100 г.

Параллельно существенный вклад в формирование антиоксидантного потенциала вносит интенсивное протекание реакции Майяра, сопровождающееся образованием меланоидинов (рис. 2) - высокомолекулярных гетерогенных полимеров, обладающих выраженной хелатирующей и радикал-связывающей способностью [25, 26]. В образцах Ф-Л и Ф-Шр зарегистрировано 12-15-кратное увеличение оптической плотности по сравнению с нативными аналогами. Указанная динамика полностью соответствует механизму реакции Майяра, которая протекает с высокой интенсивностью в температурном диапазоне 60-80 °C при наличии редуцирующих сахаров и аминокислот [20, 25].

Выявленная сильная положительная корреляция (r>0,96) между содержанием фенольных соединений (по методу Фолина-Чокальтеу) и значениями АОА позволяет предположить, что меланоидины и продукты карамелизации вносят значительный вклад в регистрируемые показатели, поскольку демонстрируют способность к восстановлению реактива Фолина-Чокальтеу.

Особый практический интерес представляет высокий антиоксидантный потенциал Ф-Шр, показатели которого достигают 70-75% значений, характерных для Ф-Л. Полученные данные свидетельствуют о перспективности рационального использования данного побочного продукта переработки. Шрот, традиционно рассматриваемый как отход производства, в результате контролируемой ферментации трансформируется в ценный источник БАВ. Результаты исследования согласуются с данными литературы, указывающими на сохранение в шроте водорастворимых компонентов [4], однако в нашем случае ферментация не просто сохраняет, но и потенцирует антиоксидантные свойства за счет активации описанных выше процессов. Это открывает новые возможности для разработки экономически эффективных функциональных ингредиентов на основе вторичного сырья, что соответствует принципам устойчивого развития и циркулярной экономики в промышленности.

Несмотря на статистически значимое увеличение всех анализируемых параметров у образцов Ф-Ш на 134-241% относительно нативного аналога (Н-Ш), их абсолютные значения остаются существенно ниже показателей Ф-Л и Ф-Шр. Обнаруженное несоответствие с отдельными источниками литературы, сообщающими о высоком содержании антиоксидантов, в частности флавоноидов (кверцетина, кемпферола), в чесночной шелухе [5], вероятно, обусловлено методологическими особенностями экстракции и, возможно, различиями в используемых для определения аналитических методах. В рамках настоящего исследования применяли стандартную водную экстракцию, в то время как для эффективного извлечения неполярных антиоксидантов из растительных матриц различные авторы рекомендуют использование органических растворителей, таких как этанол или ацетон [42]. Лигноцеллюлозная структура шелухи способна к прочному связыванию фенольных соединений, ограничивая их доступность для водных растворов. Вместе с тем тот факт, что Ф-Ш превосходит Н-Л по содержанию фенолов и АОА, указывает на определенный потенциал шелухи, который может быть реализован при оптимизации условий экстракции.

На основании комплексного анализа для углубленного изучения (оценки противовоспалительной и антимикробной активности) проведена селекция 4 ключевых образцов: Н-Л, Ф-Л, Ф-Шр и Ф-Ш. Нативная луковица (Н-Л) служила базовым контролем для оценки вклада ферментации; Ф-Л представляла собой референсный образец, демонстрирующий максимальный эффект от ферментации [21, 22, 25]; Ф-Шр является наиболее перспективным с практической точки зрения продуктом на основе отхода переработки, чьи свойства требуют детальной характеристики в биологических тест-системах; Ф-Ш была включена в исследование в качестве перспективного объекта, требующего дополнительного изучения для верификации гипотезы о наличии у него специфической активности, которая не всегда зависит от общего содержания полифенолов, определяемого методом Фолина-Чокальтеу. Актуальность исследования Ф-Ш обоснована устойчивой положительной динамикой даже в условиях водной экстракции.

Результаты определения прямого влияния образцов на скорость ферментативных реакций в условиях опытов in vitro для оценки антимикробной активности представлены в табл. 2. На подготовительном этапе был проведен подбор концентраций образцов исходя из допустимых значений оптических плотностей прибора - 3,3 мкг порошка на 1 мл инкубационной среды.

Согласно данным табл. 2, внесение порошков из ферментированных продуктов чеснока (Ф-Шр и Ф-Л) в инкубационную среду инициировало снижение скорости каталазной реакции соответственно на 11,2 и 34,5% относительно контроля (без препаратов). Параллельно наблюдалось снижение скорости глутатионредуктазной реакции на 9,4 и 18,7%, что коррелирует с наличием антимикробной активности у данных образцов [36]. Следует отметить, что ингибирующая активность препарата сравнения (порошок из луковиц свежего чеснока, Н-Л) проявлялась более выраженно: активность каталазы снижалась на 56,6%, а глутатионредуктазы - на 28,1% по отношению к контролю. Ф-Ш не оказывал статистически значимого влияния на активность исследуемых ферментов. Изучение непосредственного влияния БАВ образцов в рамках использованной СФБТС позволяет сделать вывод о наличии антимикробной активности при выявлении ингибирования каталазной и глутатионредуктазной реакций.

Антимикробная активность пищевых ингредиентов - это одно из ключевых функциональных свойств, имеющих высокую практическую значимость для промышленности. Оно обеспечивает безопасность и микробиологическую стабильность продуктов, соответствует трендам на натуральность и функциональность, а также отвечает потребительскому запросу на здоровое питание, что напрямую удовлетворяет ключевые требования рынка и производителей.

Полученные результаты согласуются с данными зарубежных исследований. Изучение влияния на активность каталазы и глутатионредуктазы демонстрирует селективное действие исследованных образцов. Наиболее выраженное ингибирование обоих ферментов зарегистрировано для Ф-Л, что свидетельствует о его значительном антимикробном потенциале. Приведенные результаты коррелируют с данными исследования J. Botas и соавт., выявившими высокую эффективность экстрактов луковиц черного чеснока в отношении штаммов микроорганизмов, выделенных из образцов биологического материала пациентов, полученных в ходе диагностики и лечения различных заболеваний, включая метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) [21]. Важно подчеркнуть, что в настоящем исследовании Ф-Шр также демонстрирует статистически значимое ингибирование каталазной активности, что подтверждает его ценность как вторичного сырья, обладающего биологической активностью.

Механизм антимикробного действия, по-видимому, связан с нарушением функционирования ключевых ферментов антиоксидантной защиты микроорганизмов. Ингибирование каталазы и глутатионредуктазы приводит к дисбалансу прооксидантно-антиоксидантной системы бактериальной клетки, накоплению активных форм кислорода (ROS) и последующему окислительному стрессу [43]. Примечательно, что препарат сравнения (свежий чеснок) проявлял более сильное ингибирование каталазы; вероятно, это обусловлено присутствием аллицина, известного своим мощным, но нестабильным антимикробным действием, как отмечено в работе [20]. При этом ферментированные образцы чеснока, несмотря на деградацию аллицина, сохраняли антимикробный эффект, что указывает на вклад иных механизмов. Так, для черного чеснока описано бактериостатическое действие и подавление биопленко­образования [21], что может свидетельствовать о более стабильном и продолжительном характере его антимикробной активности.

Отсутствие влияния Ф-Ш на активность каталазы и глутатионредуктазы коррелирует с его относительно низкой АОА, установленной на предыдущих этапах исследования, и указывает на необходимость оптимизации методов экстракции для полной реализации его возможных функциональных свойств. В рамках проведенного исследования с использованием СФБТС на основе каталазы и глутатионредуктазы не представляется возможным сделать вывод о наличии АОА образцов, поскольку ни один из них не индуцировал увеличения скорости обеих ферментативных реакций in vitro [39].

Результаты определения прямого влияния исследуемых образцов на скорость реакции, катализируемой индуцибельной NO-синтазой (iNOS) in vitro, представлены в табл. 3.

Согласно данным табл. 3, внесение в инкубационную среду Ф-Л приводит к снижению скорости iNOS-реакции в 1,4 раза относительно контроля. Ф-Шр ингибирует скорость iNOS-реакции в 1,5 раза, в то время как препарат сравнения (порошок из луковиц свежего чеснока, Н-Л) демонстрирует ингибирование в 1,4 раза, что свидетельствует о выраженной противовоспалительной активности указанных образцов [40].

Особого внимания заслуживает тот факт, что противовоспалительная активность Ф-Шр является статистически неразличимой (по критерию Тьюки, p<0,05) с данными по биологической активности ферментированной луковицы (Ф-Л). Это служит веским аргументом в пользу его использования в качестве экономически эффективного источника противовоспалительных соединений. Ингибирование iNOS напрямую связывает выявленную активность с модуляцией одного из центральных провоспалительных каскадов, что имеет существенное значение для профилактики и коррекции хронических воспалительных состояний. Ф-Ш не оказывает существенного влияния на скорость ферментативной реакции.

Полученные результаты находят подтверждение в данных зарубежных источников. В обзоре A.E. Stepien и соавт. [28] рассматривается биологическая активность черного чеснока, включая его противовоспалительные свойства. Авторы описывают основные эффекты, среди которых подавление синтеза провоспалительных цитокинов (фактор некроза опухоли α, интерлейкины 1β, 6), подавление активации ключевых воспалительных путей (Akt, mTOR, NF-κB, JNK, p38-MAPK), а также ингибирование ферментов iNOS и циклооксигеназы-2 (COX-2).

Таким образом, результаты исследования подтверждают, что немикробная ферментация представляет собой мощный инструмент повышения биологической ценности как основной продукции - продуктов переработки свежих луковиц чеснока, так и образующихся технологических отходов. Выявленные закономерности формируют основу для последующего изучения противовоспалительных и антимикробных свойств наиболее перспективных образцов, что будет способствовать разработке новых пищевых ингредиентов, в том числе функциональных.

Данные, демонстрирующие согласованность полученных результатов с описанными в литературе, обобщены в табл. 4.

Проведенные исследования in vitro выявили значимые различия во влиянии разных порошкообразных препаратов из ферментированного чеснока на ключевые ферментные системы, позволяющие оценивать их антимикробный и противовоспалительный потенциал.

Заключение

Сопоставление всех полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Экспериментально подтверждена гипотеза о высокой биологической активности ферментированного чеснока. Установлено, что в процессе ферментации происходит трансформация биоактивных соединений, результатом которой служит появление новых видов активности: умеренной антимикробной и выраженной противовоспалительной. Последняя, как было выявлено, реализуется через механизм ингибирования iNOS.
2. Ф-Шр подтвердил статус высокоперспективного объекта: противовоспалительная активность, сопоставимая с Ф-Л в тестах на ингибирование iNOS и умеренная в антимикробных тестах, обосновывает целесообразность использования ферментированного шрота в качестве функционального ингредиента. Проведенная сравнительная оценка позволяет утверждать, что Ф-Шр является высокоперспективным объектом для создания функциональных ингредиентов. Основанием для этого служит его выраженная способность к ингибированию iNOS (на уровне Ф-Л) и умеренная антимикробная активность, что в совокупности определяет практическую ценность данного побочного продукта.
3. Выявлена специфичность механизмов действия компонентов порошкообразных продуктов переработки чеснока. Отсутствие корреляции между АОА и способностью ингибировать iNOS и ферменты бактериальной защиты подчеркивает, что разные классы соединений (меланоидины, SAC, полифенолы) вносят вклад в различные виды биологической активности. Это объясняет, почему в данных ферментных тест-системах антиоксидантный эффект не проявился: использованная модель была направлена на выявление именно ингибирующего, а не стимулирующего действия на конкретные ферменты-мишени.
4. Определены приоритетные направления применения. Выраженная противовоспалительная активность Ф-Л и Ф-Шр указывает на их перспективность для создания функциональных продуктов, направленных на поддержание здоровья сердечно-сосудистой системы и профилактику ассоциированных с воспалением заболеваний. Умеренная антимикробная активность позволяет рассматривать их в качестве натуральных консервантов для пищевых продуктов.

Таким образом, комплексный анализ in vitro позволил не только подтвердить биоактивный потенциал ферментированного чеснока, но и научно обосновать целесообразность перевода отходов его переработки (шрота) в категорию ценных вторичных ресурсов для пищевой и фармацевтической промышленности. Для полного раскрытия потенциала шелухи требуются дальнейшие исследования с применением методов, направленных на высвобождение связанных форм ее БАВ.

References

1. Zharkova S.V. Promising forms of winter garlic for the conditions of Western Siberia. International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2024; 1–2 (88): 95–7. DOI: https://doi.org/10.24412/2500-1000-2024-1-2-95-97 EDN: KFFAXJ. (in Russian)
2. Zharkova S.V. Yield and its variability in winter garlic varieties in the conditions of the south of Western Siberia. International Journal of Humanities and Natural Sciences. 2025; 3-1 (102): 173–8. https://doi.org/10.24412/2500-1000-2025-3-1-173-178 EDN: HGCQWK. (in Russian)
3. Seredin T.M., Agafonov A.F., Gerasimova L.I. Soldatenko A.V., Krivenkov L.V. Selection of winter garlic for product quality: monograph. Edited by V.F. Pivovarov. 2nd ed. Omsk: KAN, 2020: 115 p. ISBN: 978-5-907156-41-8. EDN: SUSCBD. (in Russian)
4. Kallel F., Driss D., Chaari F., Belghith L., Bouaziz F., Ghorbel R. et al. Garlic (Allium sativum L.) husk waste as a potential source of phenolic compounds: Influence of extracting solvents on its antimicrobial and antioxidant properties. Ind Crop Prod. 2014; 62: 34–41. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.07.047
5. Sasi M., Kumar S., Kumar M., Thapa S., Prajapati U., Tak Y., et al. Garlic (Allium sativum L.) bioactives and its role in alleviating oral pathologies. Antioxidants. 2021; 10 (11): 1847. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox10111847
6. Arulselvan K., Gayas Z., Uday V. Antibacterial activity of garlic extract against Streptococcus mutans and Lactobacillus acidophilus: an in vitro study. J South Asian Assoc Pediatr Dent. 2022; 5 (1): 26–31. DOI: https://doi.org/10.5005/jp-journals-10077-3218
7. Shooriabi M. Effects of Allium sativum (Garlic) and its derivatives on oral diseases: a narrative review. J Res Dent Maxillofac Sci. 2021; 6 (1): 36–44.
8. Saharan R., Pal P., Sachdeva S., Kumar S., Singh R. Garlic the wonder adjuvant in medicinal field. Eur J Biomed Pharm Sci. 2023; 10 (4): 159– 63. DOI: https://doi.org/10.2478/sjecr-2021-0081
9. Shalini R., Krishna J., Sankaranarayanan M., Antony U. Enhancement of fructan extraction from garlic and fructooligosaccharide purification using an activated charcoal column. LWT Food Sci. Technol. 2021; 148 (5): 111703. DOI: https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.111703
10. Essa H.A., Shehata A.N., Abozaid A.M., Moawad R.K., Abdelmaguid N.M., Saleh O.S., et al. Chemical characteristics, mineral contents and color evaluation of fresh garlic cloves and dried garlic sheet. Egypt J Chem. 2023; 66 (3): 323–331. DOI: https://doi.org/10.21608/ejchem.2022.135679.5974
11. Akbarbaglu Z., Zadeh A.N., Tayefe M., Zolqadri R., Ramezani A., Mazloomi N., et al. Biological conversion of red garlic (Allium sativum L) protein to bioactive peptides: ACE-DPP-IV inhibitory, and techno-functional features. Appl Food Res. 2024; 4 (2): 100551. DOI: https://doi.org/10.1016/j.afres.2024.100551
12. Prakash P., Shekhar S., Prasad K. Characterisation of Allium sativum bulb and its component for high end applications. J Phys Conf Ser. 2023; 2663 (1): 012023. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2663/1/012023
13. Azmat F., Imran A., Islam F., Afzaal M., Zahoor T., Akram R., et al. Valorization of the phytochemical profile, nutritional composition, and therapeutic potentials of garlic peel: a concurrent review. Int J Food Prop. 2023; 26 (1): 254–69. DOI: https://doi.org/10.1080/10942912.2022.2163635
14. Singiri J.R., Swetha B., Ben-Natan A., Grafi G. What worth the garlic peel. Int J Mol Sci. 2022; 23 (23): 15226. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms232315226
15. Hernández-Montesinos I.Y., Carreón-Delgado D.F., Ocaranza-Sánchez E., Ochoa-Velasco C.E., Suárez-Jacobo Á., Ramírez-López C. Garlic (Allium sativum) peel extracts and their potential as antioxidant and antimicrobial agents for food applications: influence of pretreatment and extraction solvent. Int J Food Sci Technol. 2023; 58 (12): 6794–805. DOI: https://doi.org/10.1111/ijfs.16652
16. Zhivkova V. Determination of nutritional and mineral composition of wasted peels from garlic, onion and potato. Carpathian J Food Sci Technol. 2021; 13 (3): 134–46. DOI: https://doi.org/10.34302/crpjfst/2021.13.3.11
17. Velciov A.B., Danci M., Cozma A., Lalescu V.-D., Rădulescu L., Popescu G.-S., et al. Evaluation of some nutritional compounds of garlic (Allium sativum L.) peel waste. Sci Pap Ser B Hortic. 2024; LXVIII (2): 604–13. Print ISSN: 2285-5653, CD-ROM ISSN: 2285-5661, Online ISSN: 2286-1580, ISSN-L: 2285-5653.
18. Velciov A.B., Popescu G.S., Cozma A., et al. Preliminary research on garlic peel powder as a source of essential mineral elements. J Agroaliment Proc Technol. 2024; 30 (1): 85–90. DOI: https://doi.org/10.52846/japt.v30i1.1565
19. Ivanova G.V., Kolman O.Ja., Yamskikh T.N., Ivanova A.N., Nikulina E.O. The ways of industrial food fortification with vitamins. IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 2020; 421: 032038. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/3/032038
20. Sasmaz H.K., Uzlasir T., Selli S., Kelebek H. Black garlic: production process, bioactive compounds, and health effects. Food Chem Int. 2025; 1: 24–30. DOI: https://doi.org/10.1002/fci2.70002
21. Botas J., Fernandes Â., Barros L., Alves M.J., Carvalho A.M., Ferreira I.C.F.R. A comparative study of black and white Allium sativum L.: nutritional composition and bioactive properties. Molecules. 2019; 24 (11): 2194. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules24112194
22. Najman K., Sadowska A., Hallmann E. Influence of thermal processing on the bioactive, antioxidant, and physicochemical properties of conventional and organic agriculture black garlic (Allium sativum L.). Appl Sci. 2020; 10 (23): 8638. DOI: https://doi.org/10.3390/app10238638
23. Afzaal M., Saeed F., Rasheed R., Hussain M., Aamir M., Hussain S., et al. Nutritional, biological, and therapeutic properties of black garlic: a critical review. Int J Food Prop. 2021; 24 (1): 1387–402. DOI: https://doi.org/10.1080/10942912.2021.1967386
24. Zhang Y., Liu X., Ruan J., Zhuang Y., Zhang J. Phytochemicals of Garlic: promising candidates for cancer therapy. Biomed Pharmacother. 2020; 123: 109730. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biopha.2019.109730
25. Najman K., Król K., Sadowska A. The physicochemical properties, volatile compounds and taste profile of black garlic (Allium sativum L.) cloves, paste and powder. Appl Sci. 2022; 12 (9): 4215. DOI: https://doi.org/10.3390/app12094215
26. Maietti A., Marchetti N., Baraldo N., Fontana R., Tedeschi P. Black garlic powder as an ingredient to enhance the functional and sensorial properties of bread and its shelf life. Appl Sci. 2025; 15 (9): 5174. DOI: https://doi.org/10.3390/app15095174
27. Tahir Z., Saeed F., Nosheen F., Ahmed A., Anjum F.M. Comparative study of nutritional properties and antioxidant activity of raw and fermented (black) garlic. Int J Food Prop. 2022; 25 (1): 116–27. DOI: https://doi.org/10.1080/10942912.2022.2026954
28. Stepień A.E., Trojniak J., Tabarkiewicz J. Anti-cancer and anti-inflammatory properties of black garlic. Int J Mol Sci. 2024; 25 (3): 1801. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms25031801
29. Pozniakovsky V.M. Challenges and strategic megatrends of modern nutrition. Industriia pitaniia [Food Industry]. 2024; 9 (2): 5-12. DOI: https://doi.org/10.29141/2500-1922-2024-9-2-1 EDN: CBXCZW. (in Russian)
30. Rozhnov E.D., Shkol’nikova M.N., Kazantseva A.S., Banshchikova E.E. Determination of conditions for non-microbial fermentation of garlic (Allium sativum L.) for use in food systems. Vestnik KrasGAU [Bulletin of KrasSAU]. 2024; (11): 208–14. DOI: https://doi.org/10.36718/1819-4036-2024-11-208-214 EDN: ANPYOV. (in Russian)
31. Re R., Pellegrini N., Proteggente A., Pannala A., Yang M., Rice-Evans C. Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radic Biol Med. 1999; 26 (9–10): 1231– 7. DOI: https://doi.org/10.1016/S0891-5849(98)00315-3
32. Brand-Williams W., Cuvelier M.E., Berset C. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LWT Food Sci Technol. 1995; 28 (1): 25–30. DOI: https://doi.org/10.1016/S0023-6438(95)80008-5
33. Chung L.Y. The antioxidant properties of garlic compounds: allyl cysteine, alliin, allicin, and allyl disulfide. J Med Food. 2006; 9 (2): 205–13. DOI: https://doi.org/10.1089/jmf.2006.9.205
34. Li Y., Xiao S., Zhang Q., Wang N., Yang Q., Hao J. Development and standardization of spectrophotometric assay for quantification of thermal hydrolysis-origin melanoidins and its implication in antioxidant activity evaluation. J Hazard Mater. 2024; 476: 135021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135021
35. Patent 2181890 Russian Federation. A method for identifying substances with adaptogenic properties in vitro. V.A. Bykov, V.A. Dubinskaya, M.F. Mineeva, L.B. Rebrov, V.K. Kolkhir; the applicant and the patent holder V.A. Bykov (RU). No. 2000113266/14; decl. 22.05.2000; publ. 10.05.2001, Bull. No. 13. 7 p. (in Russian)
36. Patent 2181891 Russian Federation. A method for identifying substances with antimicrobial and antiviral properties in vitro. V.A. Bykov, V.A. Dubinskaya, M.F. Mineeva, L.B. Rebrov, V.K. Kolkhir; the applicant and the patent holder V.A. Bykov (RU). No. 2000113267/14; decl. 22.05.2000; publ. 10.05.2001, Bull. No. 13. 7 p. (in Russian)
37. Patent 2181892 Russian Federation. A method for identifying substances with antioxidant properties in vitro. V.A. Bykov, V.A. Dubinskaya, M.F. Mineeva, L.B. Rebrov, V.K. Kolkhir; the applicant and the patent holder V.A. Bykov (RU). No. 2000113268/14; decl. 22.05.2000; publ. 27.05.2002, Bull. No. 15. 8 p. (in Russian)
38. Strelkova L.B., Kondakova N.V., Dubinskaya V.A., Bykov V.A. Inducible NO-synthase as enzymatic biotest system for detection of substances with anti-inflammatory properties in vitro. Voprosy biologicheskoy, meditsinskoy i farmatsevticheskoy khimii [Problems of Biological, Medical and Pharmaceutical Chemistry]. 2013; (11): 75–80. EDN: RPQAHJ. (in Russian)
39. Mannervik B. Measurement of glutathione reductase activity. Curr Protoc Toxicol. 2001; Chap 7: Unit 7.2. DOI: https://doi.org/10.1002/0471140856.tx0702s00
40. Korolyuk M.A., Ivanova M.I., Mayorova I.G., Tokarev V.E. Method for determining catalase activity. Laboratornoe delo [Laboratory Work]. 1988; (1): 1–8. EDN: SICXEJ. (in Russian)
41. Lupanova I.A., Ferubko E.V., Kurmanova E.N., Semkina O.A., Asaturov Y.V. Study of anti-ulcer, anti-inflammatory and immunomodulatory activities of fruits polyextract of Ziziphus Jujuba Mill. Voprosy biologicheskoy, meditsinskoy i farmatsevticheskoy khimii [Problems of Biological, Medical and Pharmaceutical Chemistry]. 2024; (10): 3–10. DOI: https://doi.org/10.29296/25877313-2024-10-01 EDN: FGUXDJ. (in Russian)
42. Thakur P., Dhiman A., Kumar S., Gautam N. Effect of different pre-treatments and drying technologies on garlic powder: changes in bioactive, physicochemical, antimicrobial and techno-functional properties. J Food Meas Charact. 2025; 19: 3662–76. DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-025-03215-8
43. Borlinghaus J., Albrecht F., Gruhlke M.C.H., Nwachukwu I.D., Slusarenko A.J. Allicin: chemistry and biological properties. Molecules. 2014; 19: 12 591–618. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules190812591

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.