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 22-24-01060

НазваниеРазработка чернил на основе культур растительных клеток и гидроколлоидов для трехмерной пищевой печати

РуководительЛитвинец Сергей Геннадьевич, Кандидат сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет", Кировская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые словаКультуры растительных клеток, суспензионная культура, каллусная культура, пищевые гидроколлоиды, биочернила, пищевая 3D-печать, текстура пищи

Код ГРНТИ62.01.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из актуальных проблем пищевой биотехнологии является разработка подходов к использованию клеточных культур растений в качестве пищевого ингредиента. Настоящий проект направлен на обоснование возможности использования растительных клеток, полученных биотехнологическим путем, в качестве ингредиента биочернил для экструзионной 3D печати пищевых продуктов. Технология пищевой 3D-печати направлена на повышение питательной ценности, и улучшение сенсорных характеристик пищи, а также она позволяет экономить время и ресурсы, сокращает количество пищевых отходов и финансовые затраты на хранение и транспортировку продуктов. Однако текущий уровень технологии 3D-печати продуктов питания не позволяет близко имитировать сложную фактическую текстуру растительной, ткани, которая характеризуется пористой микроструктурой, большим количеством воды и тургорным давлением клеток. Логичным подходом для решения данной проблемы является включение цельных растительных клеток в состав биочернил, что позволит получить пищевой матрикс, в определенной степени приближенный по своей текстуре к растительной ткани. Цель настоящего проекта - установление влияния растительных клеток на реологические свойства пищевых печатных материалов и их применимость (“printability”) для 3D-печати. Проектом предусматривается культивирование, физиолого-биохимическая характеристика биомассы растительных клеток, определение ее пищевой ценности и безопасности; получение и характеристика биочернил на основе пищевых гидроколлоидов и включение в их состав биомассы растительных клеток; и разработка технологии экструзионной печати 3D печати с помощью данных биочернил. Новизна исследования заключается в том, что для воссоздания структурно-механических свойств пищевого растительного матрикса планируется использовать суспензионные и каллусные культуры растений. Следует отметить, что растительная биомасса, произведенная биотехнологическим методом, обычно используется для экстракции биологически активных веществ и практически не рассматривается в качестве пищевого сырья. Ранее нами были получены суспензионные культуры рябины обыкновенной Sorbus aucuparia L., бодяка полевого Cirsium arvense L. и борщевика Сосновского Heracleum sosnowskyi Manden, а также каллусные культуры рябины обыкновенной Sorbus aucuparia L., люпина узколистного Lupinus angustifolius L., бодяка полевого Cirsium arvense L. и борщевика Сосновского Heracleum sosnowskyi Manden. Возможность их использования в качестве пищевого сырья ранее не изучалась и требует поиска наиболее подходящего источника растительных клеток в качестве ингредиента пищевых биочернил. В качестве основы пищевых печатных материалов будут использоваться известные пищевые гидроколлоиды, которые обладают необходимыми для экструзионной печати реологическими свойствами. В качестве загустителей и структурообразующих ингредиентов в пищевой промышленности используется широкий ряд гидроколлоидов, таких как пектины, ксантан, каррагинаны, агар-агар и др. Поэтому, решение поставленной задачи требует поисковых работ по отбору гидроколлоидов по способности формировать трехмерные объекты при включении в их состав растительных клеток. В целом реализация данного проекта будет направлена на проведение исследований по новой для научного коллектива тематики и формирование команды из молодых ученых ВятГУ.

Ожидаемые результаты
На основе двух типов клеточных культур (каллусная, суспензионная) и пищевых гидроколлоидов разного строения и свойств будут получены следующие результаты: 1) Определены пищевая ценность и безопасность каллусных и суспензионных культур рябины обыкновенной Sorbus aucuparia L., бодяка полевого Cirsium arvense L. и люпина узколистного Lupinus angustifolius L. борщевика Сосновского Heracleum sosnowskyi Manden. 2) Разработаны составы пищевых биочернил на основе клеточных культур и пищевых гидроколлоидов, таких как агар-агар, каррагинан, пектин, ксантановая камедь, геллановая камедь, конжаковая камедь. 3) Определены технологические условия 3D печати с использованием разработанных биочернил. 4) Дана структурно-механическая характеристика полученных 3D продуктов. На основании полученных результатов будут отобраны новые клеточные культуры, которые можно использовать в качестве пищевого ингредиента, что расширит перспективы использования биотехнологических подходов в производстве продуктов питания. Применение клеточных культур в качестве компонента пищевых биочернил позволит создать научные основы частичного воссоздания текстурных свойств растительной пищи с помощью экструзионной 3D печати. В настоящее время растительную биомассу, произведенную биотехнологическим путем, принято рассматривать лишь в качестве источника биологически активных веществ. Результаты проекта позволят обосновать применение растительных клеток в качестве нового текстурообразующего ингредиента пищевых продуктов. Научная значимость результатов работы основана также на том, что анализ полученных результатов существенно расширит представления о взаимосвязи физико-химических свойств пищевых печатных материалов с характеристиками получаемого в результате печати 3D-продукта, что является важным фактором развития 3D-печати функциональных пищевых продуктов. Результаты работы послужат основой не только для понимания закономерностей создания 3D-продукта с заданным составом, текстурой и сенсорными характеристиками, что позволит улучшить качество продуктов, получаемых с помощью 3D-печати, но и позволят создавать уникальные по структуре продукты питания. Разработка новых подходов к формированию микро- и макроструктуры растительной пищи имеет практическое значение в связи с тем, что текстура - один из важнейших факторов, влияющих на предпочтения людей в выборе пищи, особенно среди продуктов с полутвердой или твердой текстурой. Манипуляция текстурой позволяет изменить вкусовое восприятие пищи и может повлиять на насыщающий эффект продуктов. Поэтому, реализация проекта будет способствовать развитию новых подходов в персонализации питания, направленной на оздоровление пищевого рациона. Совместное применение биотехнологических методов получения растительных клеток и аддитивной технологии создания пищевых продуктов является новым направлением в пищевой биотехнологии, развитию которого будет способствовать результаты о влиянии растительных клеток на свойства пищевых биочернил.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе реализации работ по Гранту в 2022 году получена биомасса растительных клеток каллусных культур: 2194,88 г рябины обыкновенной Sorbus aucuparia L., 452,53 г бодяка полевого Cirsium arvense L., 3434,60 г люпина узколистного Lupinus angustifolius L. (на питательной среде с применением 2,4-Д и 6-БАП), 1051,04 г люпина узколистного Lupinus angustifolius L. (на питательной среде с применением НУК и кинетина) и 695,23 г борщевика Сосновского Heracleum sosnowskyi Manden на питательных средах с различным сочетанием ауксинов (2,4-Д, ИМК, НУК) и цитокининов (6-БАП, кинетин) с целью получения максимально пригодной с точки зрения безопасности для пищевого применения и питательной ценности каллусной культуры. Образцы каждой полученной биомассы растительных клеток каллусных культур охарактеризованы по содержанию в них сухих веществ и белка), легко- и трудногидролизуемых полисахаридов максимальное содержание сухих веществ установлено для 16 линии люпина узколистного (4,33%), наименьшее – в рябине обыкновенной (2,37%); биомасса растительных клеток борщевика Сосновского характеризуется наибольшим содержанием белка (15,50%); наибольшее содержание легкогидролизуемых полисахаридов установлено для культуры борщевика Сосновского (0,73±0,062%), трудногидролизуемых полисахаридов – для 16 линии культуры люпина узколистного (1,31±0,017%). Установлена перевариваемость растительных клеток люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) в составе биочернил на основе каррагинана: содержание сухих веществ после каждой фазы искусственной гастроэнтеральной среды снижалось, что говорит об усвояемости геля; основными нейтральными сахарами, которые высвобождались в процессе переваривания, были фруктоза и глюкоза, сахароза не была обнаружена в фазах OP, SGF и SIF, но она содержалась в инкубационной среде SCF в концентрации 6,6±1,0 мг/мл; также в среде переваривания были обнаружены остатки галактуроновой кислоты. Установлена пищевая безопасность биомассы с использованием Allium-теста. Обнаружено, что наибольшим токсическим, митозугнетающим, а также мутагенным действием обладает каллусная культура борщевика Сосновского (Heracleum sosnowskyi Manden). По данным ГЖХ-МС кумарины и фурокумарины в хлороформных экстрактах каллусов не идентифицированы. Содержание 6-БАП в пробах составило менее 0,1 мг/мл. Разработан набор из 6 биочернил на основе пищевого гидроколлоида k-каррагинана и растительных клеток. Оптимальные для пищевой 3D-печати проявляли биочернила на основе каллусной культуры люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.), выращенная на питательной среде с содержанием 2 мг/л ауксина (2,4-Д) и 0,1 мг/л цитокинина (6-БАП). Установлено, что оптимальной рецептурой для чернил, предназначенных для пищевой 3D-печати является соотношение от 2:1 до 1:1 персиковый сок: каллусная культура, при наличии в биочернилах 5% гидроколлоида – k-каррагинана. Подобраны оптимальные условия 3D-печати, позволяющие получать из биочернил на основе пищевых гидроколлоидов и растительных клеток 3D-продукты, которые сохраняют запрограммированную форму. Оптимальным диаметром сопла, позволяющим формировать продукт, определено 1,5 мм. Подтверждена возможность печати пищевых продуктов в виде простых 3D-моделей послойно, с высотой одного слоя 1,5 мм, общее количество слоев – 30, общая высота модели 45 мм. Изучение текстурных свойств пищевых 3D-продуктов показало, что для пищевого применения наиболее пригодные реологические свойства проявляются у образцов, напечатанных из чернил с применением каллусных культур люпина узколистного Lupinus angustifolius L., выращенного на питательной среде с содержанием 2 мг/л ауксина (2,4-Д) и 0,1 мг/л цитокинина (6-БАП). Эти образцы проявили наибольшее сопротивление механическому воздействию, что отражает наиболее высокие показатели когезивности. Также установлено, что твёрдость всех гелей увеличивается с повышением содержания каллусной ткани.

 

Публикации

1. - Исследование Института биотехнологии и биотехнологии поддержано грантом РНФ Интернет-сайт Вятского государственного университета, - (год публикации - )

2. - Биоразлагаемая упаковка, искусственный интеллект, пищевая 3D-печать: над чем работают кировские ученые Комсомольская правда (сетевое издание), - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения работ текущего этапа получена стабильная суспензионная культура люпина узколистного Lupinus angustifolius L. на основе каллусной культуры люпина узколистного Lupinus angustifolius L. №16. Произведено 15 пассажей, охарактеризован состав и свойства суспензионной культуры. Наработана биомасса растительных клеток люпина узколистного Lupinus angustifolius L. Суммарное количество полученной культуры – 10,85 кг «сырой биомассы» (выделено из 42,53 л культуральной жидкости). Отмечено, что по мере пассажирования продуктивность биомассы возрастает. Получена каллусная культура черники (Vaccinium myrtillus). Отработана технология интродукции пищевого растения в каллусную культуру. Определены оптимальные условия стерилизации листового экспланта, дающие высокие результаты сохранности эксплантов (70%-ный этанол (1 минута). Успешно индуцирован каллусогенез V. myrtillus, для индукции каллусогенеза, с учетом перспектив пищевого применения, использовали набор наименее токсичных фитогормонов. Максимальная частота образования первичного каллуса наблюдалась при использовании среды Мурасиге-Скуга, дополненной 5 мг/л ИУК и 0,1 мг/л кинетина. Первичный каллус образовался на 33 сутки. Результаты оценки пищевой безопасности полученной каллусной показали, что диапазон безопасного использования полученной каллусной ткани черники лежит в интервале до 75% от состава биочернил. При этом даже в доле 100% в составе биочернил значения токсичности были ниже, чем при негативном контроле. Для каллуса люпина узколистного Lupinus angustifolius L. разработаны варианты биочернил на основе агар-агара. Также разработаны рецептуры пищевых биочернил на основе суспензионной культуры люпина узколистного Lupinus angustifolius L. В качестве оптимальных рецептур были выбраны рецептуры содержащие 75, 80 и 83,4% биомассы клеток в составе биочернил. Для каллусной ткани черники были опробованы варианты биочернил на основе каррагинана и агар-агара, были выбраны три рецептуры, пригодные для эффективной экструзионной 3D печати. Помимо рецептур для всех вариантов полученных биочернил проведена отработка оптимальных условий печати, включающая подбор скорости печати и высоту сопла при начале печати. Установлено, что оптимальная скорость печати лежит в диапазоне 20-30 мм/с, а оптимальная высота сопла в момент печати отличается от рекомендованных производителем 3D принтера значений и составляет 3 мм. Разработанные биочернила на основе каллусной ткани люпина, суспензионной ткани люпина и каллусной ткани черники опробованы при печати различных геометрических фигур. Чернила показали эффективность как в случае печати сложных тонкостенных объектов, в основе которых лежат различные формы решеток, так и при изготовлении кубических объектов со спиральным заполнением внутренней полости и различной степенью её заполнения. Проведен анализ текстурных свойств напечатанных продуктов. Установлено, что наполненные биомассой чернила образуют объекты, характеризующиеся большей эластичностью по сравнению с объектами, напечатанными без использования растительных клеток

 

Публикации

1. Белова К.Д., Душина Е.Э., Попов С.В., Злобин А.А., Мартинсон Е.А., Витязев Ф.В., Литвинец С.Г. Enrichment of 3D-Printed k-Carrageenan Food Gel with Callus Tissue of Narrow-Leaved Lupin Lupinus angustifolius Gels, 9, 45 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/gels9010045

2. Душина Е.Э., Попов С.В., Злобин А.А., Мартинсон Е.А., Падерин Н.М., Витязев Ф.В., Белова К.Д., Литвинец С.Г. Effect of Homogenized Callus Tissue on the Rheological and Mechanical Properties of 3D-Printed Food Gel Gels, - (год публикации - 2023)

3. - Еда из принтера Российская газета, - (год публикации - )

4. - В России создали технологию 3D-печати еды из выращенных клеток РИА Новости, - (год публикации - )

5. - "Приоритет 2030": уникальные разработки биотехнологов ВятГУ будут представлены на Международной выставке-форуме «Россия» Интернет-сайт Вятского государственного университета, - (год публикации - )

6. - Еда будущего в Кирове: как ученые из ВятГУ печатают готовые блюда на принтере Сетевое издание "WWW.PROGOROD43.RU", - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы для создания технологий пищевой 3D печати, использующехся с целью жизнеобеспечения людей, работающих вдали от цивилизации. Научный интерес представляет развитие темы анализа текстурных свойств продуктов, получаемях методом 3D печати с целью определения оптимальных диапазонов влияния текстурных свойств на пищевое поведение человека и использование пищевой 3D печати в качестве способа управления пищевым поведением.