КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-16-00178
НазваниеРазработка технологий пищевых продуктов, обогащенных гидролизатами белков растительного происхождения, содержащих пептиды с прогнозируемыми биологическими активностями
Руководитель Чернуха Ирина Михайловна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)" , г Москва
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-302 - Функциональные и специальные продукты питания
Ключевые слова биотехнология, биологически активные пептиды, обогащенные продукты питания, биомодификация растительного сырья, функционально-технологические свойства, протеолиз, биоинформатика
Код ГРНТИ65.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Целью проекта является разработка технологий пищевых продуктов, обогащенных гидролизатами с биологически активными пептидами, образующимися в результате контролируемой биотрансформации белков растительного сырья под действием ферментных препаратов протеолитического действия.
Основными задачами проекта является изучение закономерностей образования биологически активных пептидов (БАП) нута, рапса и конопли на основе белковых изолятов посредством прогнозирования динамики протеолиза и биологических активностей образующихся пептидов с использованием инструментов биоинформатики, идентификация пептидов в гидролизатах, выбор доминирующих пептидов и их получение химическим синтезом, разработка рецептур продуктов питания, обогащенных гидролизатами белков растительного сырья с улучшенными ФТС и подтвержденными биологическими активностями.
Научная новизна исследования заключается в:
1. определении рациональных параметров получения изолятов белка нута, рапса и конопли, содержащих не менее 85% основного вещества, с применением методов деструкции полимеров растительного сырья целлюлолитическими ферментными препаратами и с учетом новых знаний о расчете суммарного белкового заряда и теоретических изоэлектрических точек с использованием баз данных PepDraw, дальнейшим подтверждении теоретически рассчитанных изоэлектрических точек с использованием минеральных или органических кислот;
2. определении аминокислотного профиля и функционально-технологических свойств белковых изолятов нута, рапса и конопли, полученных в результате ферментативной предобработки сырья;
3. моделировании процесса гидролиза in silico с использованием инструментов базы данных BIOPEP-UWM, определении пептидного профиля полученных гидролизатов и прогнозировании их биологической активности методами in silico в базах данных BitterDB, ToxinPred, PeptideRanker, AlgPred, APD, BIOPEP, AntiCP, AntiBP2, AHTpin, AntiTbPred;
4. разработке путей модификации функционально-технологических свойств изолятов белков нута, рапса и конопли, подборе протеолитических ферментных препаратов микробного, растительного и животного происхождения и условий их оптимального действия на белковые изоляты для получения гидролизатов, содержащих биологически активные пептиды;
5. изучении пептидного профиля гидролизатов с помощью идентификации аминокислотной последовательности пептидов с использованием пептидомных методов исследования, прогнозировании биологической активности полученных пептидов с использованием инструментов биоинформатики; выбор доминирующих пептидов и их получение химическим синтезом для дальнейшего сравнения биологических активностей синтезированных целевых пептидов и гидролизатов, представляющих собой смесь из пептидов.
6. подтверждении биологической активности химически синтезируемых пептидов и гидролизатов белка: определение антиоксидантной активности, антимикробной активности, цитотоксичности, онконстатической активности с использованием тест-культур; разработке лабораторных регламентов на производство гидролизатов;
7. разработке рецептур обогащенных гидролизатами белков нута, рапса и конопли пищевых продуктов, содержащих в своем составе биологически активные пептиды. Оценке их биологической активности на тест-системах, микробиологическими и физико-химическими методами исследования.
8. разработке рецептур каши быстрого приготовления с химически синтезированными пептидами, проведении моделирования пищеварения разработанных продуктов под воздействием имитированных пищеварительных жидкостей с заданным значением рН и температуре 37 °C и оценке их биологической активности после данной обработки с подтвержденными биологическими активностями на тест-системах, микробиологическими и физико-химическими методами исследования.
Ожидаемые результаты
2025, 1-й год (работа с белками):
1. анализ научно-технической литературы по теме исследования. Изучение современных методов биотрансформации растительного сырья, закономерностей образования БАП под действием ферментных препаратов протеолитического действия, рассмотрение существующих методов in silico проведения теоретического протеолиза белков растительного происхождения.
2. определение условий предобработки семян конопли, разрешенных для культивирования в промышленных целях с содержанием психотропного вещества тетрагидроканнабинола менее 0,1% в соответствии с Постановлением Правительства РФ №460 от 20.07.2007 г. «Об установлении сортов наркосодержащих растений, разрешенных для культивирования в промышленных целях, требований к таким сортам и к условиям их культивирования». Предобработка включает механическое измельчение, определение параметров обезжиривания ядер семян конопли и ферментативную деструкцию некрахмальных полимеров; будут определены соотношения растворителя, длительности и температуры обезжиривания, подобраны ферментные препараты, определена их субстратная специфичность, дозировка и длительность ферментативного гидролиза; разработка на основе отобранных ферментных препаратов целлюлолитического действия модели процесса ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов при заданных условиях с использованием инструментов программных пакетов «Design-Expert version 13.0» («StatEase Inc.», США) и «Statistica 10» («StatSoft Inc.», США).
3. разработка технологии получения изолята белка конопли на основе предобработанного сырья; определение значений pH, температуры и длительности щелочной экстракции, расчет суммарного белкового заряда и теоретической изоэлектрической точки с использованием баз данных PepDraw, подтверждение теоретически рассчитанной изоэлектрической точки белка конопли с использованием минеральных или органических кислот.
4. определение аминокислотного профиля и функционально-технологических свойств изолята белка нута, рапса и конопли - доля растворимого белка, водосвязывающая и жиросвязывающая способности, эмульгирующие свойства и стойкости эмульсии, пенообразующая способность и стойкость пены.
5. изучение условий образования биологически активных пептидов белков нута, рапса и конопли в ходе процесса гидролиза с помощью виртуальных "ножниц" базы данных BIOPEPUWM, прогнозирование биологической активности полученных пептидов методами in silico; с использованием базы данных UniProtKB будет выполнен поиск белковых молекул, проведен теоретический гидролиз найденных белковых молекул с помощью инструментов BIOPEP-UWM, продукты гидролиза будут изучены на предмет токсичности, горечи и биологической активности в базах данных BitterDB, ToxinPred, PeptideRanker, AlgPred, APD, BIOPEP, AntiCP, AntiBP2, AHTpin, AntiTbPred.
6. отчет о проведенной работе.
7. подготовка статей к публикации.
Scopus - 2 статьи.
RSCI - 2 статьи.
1 статья в иных зарубежных библиографических базах данных.
1 статья в научных изданиях «Белого списка»
Ожидаемый результат: разработка эффективной методики выделения белков конопли с высоким содержание основного вещества, исследование расширит знания о методах экстракции растительного белка с применением ферментативного гидролиза, что способствует увеличению выхода белка. Регрессионная модель позволит изучить закономерности процесса ферментативного гидролиза некрахмальных полимеров, осуществлять прогнозирование и управление процессом, расширит понимание динамики ферментативных процессов и создаст основу для более экономичного и эффективного их использования. Разработка методики теоретического прогнозирования продуктов ферментативного гидролиза с помощью биоинформатических баз данных позволяет предсказать биологическую активность пептидов. Модель теоретического ферментативного гидролиза для белков нута, рапса и конопли позволит теоретически определить возможные участки ферментативного расщепления белков, прогнозировать профиль пептидов, образующихся при гидролизе белков, и проводить теоретическую оценку их потенциальной биологической активности. Это позволит предварительно отбирать белки и ферменты для получения пептидов с нужной функциональностью, что существенно ускорит последующий этап эмпирических исследований и снизит количество необходимых экспериментов. Подход может способствовать созданию основы для персонализированного проектирования функциональных белковых гидролизатов с заданными свойствами.
2026, 2-й год (работа с биологически активными пептидами):
1. разработка путей модификации функционально-технологических свойств изолята белка нута, рапса и конопли путем подбора протеолитических ферментных препаратов и условий ферментативного гидролиза с последующей оптимизацией процесса математико-статистическими методами: будут составлены регрессионные модели процесса протеолиза с использованием трехуровневого плана Бокса-Бенкена, анализа ANOVA и методологии поверхностного отклика в программных пакетах «Design-Expert version 13.0» («StatEase Inc.», США) и «Statistica 10» («StatSoft Inc.», США). Будут определены функционально-технологические свойства гидролизатов белка нута, рапса и конопли в сравнении с изолятами белка.
2. изучение пептидного профиля гидролизатов белка нута, рапса и конопли путем электрофоретического разделения по методу О’Фаррелла с помощью изоэлектрофокусирования (ИЭФ), электрофорезом в ПААГ во втором направлении и последующем окрашиванием полученных электрофореграмм Кумасси R-250, компьютерной денситометрии двумерных электрофореграмм, идентификации пептидов в гидролизатах методом хромато-масс-спектрометрического анализа, а также определением их потенциальной биологической активности in silicо с использованием инструментов биоинформатических баз данных; сравнение полученных in silico и in vitro пептидов и их биологических активностей, выбор доминирующих пептидов для каждого белка и их получение химическим синтезом.
3. подтверждение биологической активности химически синтезированных пептидов и гидролизатов белка в зависимости от прогнозируемой биологической активности: определение антиоксидантной активности методами DPPH, ABTS и FRAP*, анализе антимикробной активности диско-диффузным методом, цитотоксичности на клеточных линиях HEK 293, онконстатической активности с использованием МТТ-теста на клетках HeLa; разработке лабораторных регламентов на производство гидролизатов белков нута, рапса и конопли;
4. отчет о проведенной работе.
5. подготовка статей к публикации.
Scopus - 2 статьи.
RSCI - 2 статьи.
2 статьи в иных зарубежных библиографических базах данных.
1 статья в научных изданиях «Белого списка»
Ожидаемый результат: получение гидролизатов белка нута, рапса и конопли с улучшенными функциональными свойствами – растворимостью, эмульгирующей способностью, жиро- и водосвязывающей способностями. Изучение закономерностей протеолиза под действием растительных, пищеварительных и микробных ферментов позволит определить условия и подходы к модификации ФТС белков. Разработка методики ферментативного гидролиза для получения гидролизатов с различными степенями гидролиза обеспечит выход пептидов различного молекулярного массы и структуры. Анализ пептидного профиля методом 2D-электрофореза позволит изучить состав гидролизатов. Результаты масс-спектрометрии помогут установить аминокислотную последовательность пептидов в гидролизате, отобрать доминирующие пептиды, что позволит выделять и синтезировать пептидные фракции с потенциально высокой и заданной биологической активностью. Химический синтез доминирующих пептидов позволит изучить их свойства отдельно от гидролизатов. Использование тест-систем позволит подтвердить биологические активности химически синтезированных пептидов и гидролизатов белка нута, рапса и конопли. Достижение результатов в рамках данных задач позволит разрабатывать обогащенные продукты с доказанной биологической активностью.
2027, 3-й год ( разработка рецептур обогащенных продуктов):
1. разработка рецептур вареных колбасных изделий, обогащенных гидролизатами белков нута, рапса и конопли, содержащих в своем составе биологически активные пептиды с подтвержденными биологическими активностями на тест-системах, микробиологическими и физико-химическими методами исследования. Разработке проектов нормативной документации технических условий (ТУ), технологических инструкций (ТИ) на рецептуры пищевых продуктов, обогащенных гидролизатами.
2. разработка рецептур каш быстрого приготовления с химически синтезированными пептидами с подтвержденными биологическими активностями на тест-системах, микробиологическими и физико-химическими методами исследования. Также будет проведено моделирование пищеварения разработанных продуктов под воздействием имитированных пищеварительных жидкостей с заданным значением рН и температуре 37 °C и будет проведена оценка их биологической активности после данной обработки. Разработке проектов нормативной документации технических условий (ТУ), технологических инструкций (ТИ) на рецептуры каш быстрого приготовления, обогащенных химически синтезированными пептидами.
3. отчет о проведенной работе.
4. отчет о проведенной работе.
5. подготовка статей к публикации.
Scopus - 1 статьи.
RSCI - 1 статьи.
1 статья в иных зарубежных библиографических базах данных.
Ожидаемый результат: включение гидролизатов белка растительного происхождения в состав мясной продукции позволяет улучшить ее питательную ценность за счет обогащения биологически активными пептидами и аминокислотами. Продукты могут способствовать снижению содержания животного белка, что соответствует современному тренду на частичную замену животного белка растительным. Каши быстрого приготовления с добавлением синтезированных пептидов – популярный сегмент продуктов функционального питания. Результаты работы будут способствовать развитию данного сегмента на отечественном рынке.
*DPPH - 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl
ABTS - 2,2′-azinobis-3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate
FRAP - Железовосстанавливающая антиоксидантная сила
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде в рамках проекта был сформирован полный цикл работ – от анализа научной литературы и компьютерного прогнозирования до экспериментальной отработки технологии получения растительных белковых изолятов и оценки их потенциала как источников биологически активных пептидов. На первом этапе проведен систематический поиск и отбор публикаций в российских и международных базах данных с использованием протокола PRISMA. Обобщены данные о современных подходах к биотрансформации растительного сырья, получению биоактивных пептидов из белков нута, рапса и промышленной конопли, а также о возможностях биоинформационных методов для прогнозирования пептидного профиля и спектра биологической активности. Это позволило сформировать научнообоснованные критерии выбора сырья, ферментативных систем и целевых эффектов создаваемых ингредиентов.
Ключевым объектом экспериментальных исследований в отчетном году стал жмых семян промышленной конопли как перспективное сырье для получения пищевого белка. Показано, что при правильно подобранной последовательности стадий – обезжиривание, ферментативная деструкция полисахаридного матрикса и щелочная экстракция – конопляный жмых может служить эффективной основой для получения высокобелкового изолята. Сравнены ферментативные и экстракционные способы удаления липидов; по итогам оптимизации подтверждена целесообразность использования органического растворителя при мягких температурных условиях как наиболее рационального варианта с точки зрения сочетания выхода белка, остаточного содержания жира и технологической реализуемости процесса. Ферментативная обработка целлюлолитическими и гемицеллюлолитическими препаратами показала значительное разрушение клеточной стенки и повышение доступности белка, что легло в основу дальнейшей экстракции.
На следующем этапе разработана и оптимизирована технология щелочной экстракции белка конопли с последующим изоэлектрическим осаждением. С использованием планирования эксперимента и методологии поверхности отклика получены математические модели, позволяющие прогнозировать степень экстракции в зависимости от pH, температуры и времени процесса и подбирать режимы, обеспечивающие высокую эффективность извлечения белка при минимальных потерях качества. Биоинформационный анализ аминокислотных последовательностей запасных белков конопли дополнен экспериментальным определением изоэлектрической точки; показано расхождение теоретических и практических значений, обусловленное влиянием пространственной структуры и агрегации белков. В результате отработаны режимы, позволяющие получать изолят белка конопли с высоким содержанием протеина и низкой долей сопутствующих компонентов, пригодный для использования в пищевых технологиях и дальнейшей модификации.
Параллельно были получены изоляты белка нута и рапса на основе ранее разработанных и защищенных патентами технологий. Выполнено сравнительное исследование аминокислотного состава и функционально-технологических свойств изолятов нута, рапса и конопли в сопоставлении с коммерческими изолятами сои и гороха. Показано, что изоляты нута и рапса обладают сбалансированным аминокислотным профилем и биологической ценностью, сопоставимой с традиционными источниками растительного белка, а конопляный изолят характеризуется повышенным содержанием отдельных функционально значимых аминокислот при умеренном дефиците некоторых незаменимых аминокислот. Исследованы растворимость, водо- и жиросвязывающая способность, эмульгирующие и пенообразующие свойства, что позволяет рекомендовать разные типы изолятов для различных категорий пищевых продуктов – от эмульсионных систем до напитков и продуктов с аэрированной структурой.
Отдельное направление работ в отчетном периоде было связано с разработкой in silico подхода к оценке потенциала образования биологически активных пептидов из белков нута, рапса и конопли. На основе базы UniProtKB идентифицированы основные запасные белки и их изоформы, для которых проведен теоретический ферментативный гидролиз с использованием ключевых протеаз, моделирующих как технологическую обработку, так и процессы желудочно-кишечного пищеварения. Создана многоступенчатая схема скрининга пептидов, включающая прогноз общей биологической активности, токсичности, аллергенности и горечи, а также оценку профиля потенциальных эффектов (антигипертензивных, гипогликемических, антиоксидантных, противогрибковых, онкостатических и др.). По итогам отбора сформирован целевой пул перспективных пептидов нута, рапса и конопли, рекомендованных для последующего химического синтеза и экспериментальной проверки активности.
Полученные результаты демонстрируют, что нут, рапс и конопля могут рассматриваться не только как источники растительного белка для обогащения продуктов питания, но и как платформа для целенаправленного получения пептидов с потенциальной профилактической и лечебной направленностью. Сочетание экспериментальных исследований по оптимизации технологий получения белковых изолятов с биоинформационным моделированием создало устойчивый научно-методический задел для перехода к следующему этапу проекта – in vitro валидации отобранных пептидов и разработке подходов к их интеграции в состав функциональных пищевых продуктов.
Научные результаты первого года реализации проекта получили отражение в публикационной активности и профессиональном обсуждении. По теме проекта опубликовано шесть статей, включая работы в журналах, индексируемых в международных реферативных базах, а также в изданиях, входящих в Белый список и RSCI. Основные положения доложены на всероссийских и международных конференциях, посвященных продовольственной безопасности, нутрициологии и биотехнологии, что способствует тиражированию полученных знаний и формированию профессионального сообщества вокруг задач комплексной переработки растительного сырья и создания новых белковых ингредиентов.
Публикации
1.
Фоменко И.А., Чернуха И.М., Алексаночкин Д.И., Гернуг Х., Машенцева Н.Г.
Оценка эффективности обезжиривания жмыха промышленной конопли для производства изолята белка
Красноярский государственный аграрный университет, г. Красноярск, 2025 г., №10, (223) (год публикации - 2025)
10.36718/1819-4036-2025-10-216-229
2.
Гаравири М., Дегтярев И.А., Алексаночкин Д.И., Фоменко И.А., Машенцева Н.Г.
Моделирование процесса ферментативного гидролиза растительных белков in silico и прогнозирование биологической активности образующихся пептидов
Федеральный научно-исследовательский центр продовольственных систем имени В.М. Горбатова Российской академии наук, г. Москва, номер 4, том 8, страницы 472–478, (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.21323/2618-9771-2025-8-4-472-478
3.
Гаравири М., Дегтярев И.А., Фоменко И.А., Чернуха И.М., Машенцева Н.Г.
Структурный анализ и молекулярный докинг нового антиоксидантного пептида из гидролизата белков нута (Cicer arietinum L.)
ООО Издательство «Пищевая промышленность», г. Москва, Пищевая промышленность №9/2025, стр. 153-158 (год публикации - 2025)
10.52653/PPI.2025.9.9.026
4. Алексаночкин Д.И., Фоменко И.А., Карачун А.И., Чернуха И.М., Машенцева Н.Г. Ферментативная биодеструкция полисахаридного комплекса конопляного жмыха Южно-Уральский государственный аграрный университет (г. Троицк) (год публикации - 2025)
5. Чернуха И.М., Машенцева Н.Г., Алексаночкин Д.И., Детинкин И.А., Фоменко И.А. Биологически активные пептиды семян cannabis sativa: состав, свойства и перспективы применения Сельскохозяйственная биология, г. Москва, №6 (год публикации - 2025)
6. Дегтярев И.А., Чернуха И.М., Машенцева Н.Г. Молекулярный докинг антиоксидантного пептида, полученного гидролизом белка нута Воронежский государственный университет инженерных технологий. – г. Воронеж, Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение: сб. науч. стат. и докл. / Воронежский государственный университет инженерных технологий. – Воронеж, 2025. – 576 с. (год публикации - 2025)