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 22-26-00097

НазваниеНовые подходы к разработке эффективных биологически активных добавок на основе инкапсуляции биологически активных веществ в дрожжи Saccharomyces cerevisie

РуководительКалинина Ирина Валерьевна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)", Челябинская 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 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-302 - Функциональные и специализированные пищевые продукты

Ключевые словабиологически активные добавки, инкапсуляция, биологически активные вещества, дрожжи, биотехнологические процессы

Код ГРНТИ62.99.39, 65.09.05

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Указом Президента Российской Федерации от 8 мая 2019 г. № 204 были определены национальные цели и стратегические задачи развития Российской Федерации на период до 2024 года. Всего было сформулировано 9 национальных целей, включая повышение ожидаемой продолжительности жизни. Согласно данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) сегодня около 14 миллионов человек умирают преждевременно, в возрасте до 70 лет (без учета влияния пандемии Covid-19). Одним из путей решения этой проблемы является обеспечение нутриентной сбалансированности рационов питания населения, в том числе решение проблемы скрытого голода. Среди дефицитных макронутриентов - витамин Р или биофлавоноиды. Являясь натуральными растительными соединениями, биофлавоноиды обладают выраженными фармакологическими свойствами, среди которых хорошо изучены антиоксидантные, противовоспалительные, капилляропротекторные, онкопротективные, иммуномодулирующие и другие. Вместе с тем, хорошо известна и проблематика использования этих соединений в качестве пищевых ингредиентов или биологически активных добавок, которая обусловлена низкой растворимостью в воде, плохой проницаемостью через мембраны клеток, низкой химической стабильностью большинства этих соединений. Для преодоления этих проблем сегодня активно разрабатываются технологии инкапсуляции биофлавоноидов, которые нацелены на защиту биологически активных соединений и их эффективную доставку в организм человека, в том числе в составе пищевых систем. Преимущества таких подходов очевидны. Инкапсуляция позволяет предотвратить нежелательные процессы деградации или окисления биофлавоноидов, зачастую улучшить их растворимость в воде и проницаемость через клеточные мембраны. Вместе с тем, имеется и ряд недостатков большинства технологий инкапсуляции - они, как правило, сложны, трудоемки, затратны, узко специфичны, не всегда позволяют добиться стабильности протекания процесса и, как следствие, обеспечить заданные значения загрузки биологически активных веществ в инкапсулируемую систему. По этой причине поиск простых, недорогих и устойчивых технологий инкапсуляции биофлавоноидов все еще остается актуальным, что и является целью настоящего проекта. Заявленный проект направлен на разработку нового подхода, раскрытие принципов и закономерностей процесса инкапсуляции биофлавоноидов в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisie и оценку эффективности полученной биологически активной добавки в рамках доклинических исследований с применением методов in vitro, in silico, in vivo. Решение поставленной научной задачи требует междисциплинарного подхода и проведения глубоких исследований, которые позволят получить новые научные данные, сопоставимые с мировым уровнем. Результаты проекта могут стать реальным инструментом немедикаментозной профилактики и коррекции алиментарно-зависимых заболеваний населения и преломить негативную тенденцию их роста, что в совокупности направлено на повышение продолжительности жизни и активного долголетия людей.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые знания в области инкапсуляции биофлавоноидов в дрожжи Saccharomyces cerevisie, что позволит создать эффективные функциональные пищевые ингредиенты (ФПИ) и биологически активные добавки (БАД), способные проявлять выраженные функциональные свойства и отвечать заявленным требованиям по биоактивности и биодоступности. В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: - будут сформулированы принципы и закономерности инкапсуляции биофлавоноидов в исходном и модифицированном виде в дрожжи Saccharomyces cerevisie; - установлено влияние концентрации биофлавоноидов в питательной среде и используемого подхода инкапсуляции (живые клетки: сухие, регидратированные; плазмолизированные, неплазмолизированные) на эффективность инкапсуляции; - будут установлены эффективные режимы и условия процесса инкапсуляции для различных биофлавоноидов и используемых подходов инкапсуляции (наиболее приемлемые значения рН, температуры, продолжительность инкапсуляции, аэрация и т.д.); - будут изучены эффективность инкапсуляции, физико-химические свойства полученных биофлавоноидов, в частности растворимость в органических растворителях и воде, липофильность (log P), дисперсный состав, антиоксидантная активность (DPPH и ABTS методами), биоактивность и биодоступность в модели переваривания in vitro, биоактивность в модели клеточных культур; - будут получены новые БАД, обеспечивающие эффективную доставку биологически активных веществ в организм человека. Ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню исследований в области создания новых эффективных БАД, поскольку они обладают большим потенциалом для дальнейшего использования в качестве ФПИ в составе пищевых систем, специализированных продуктов питания, кормов и т.д.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За 2022 год были выполнены все запланированные на этот период работы: Проведены исследования физико-химических свойств растительных антиоксидантов полифенольной природы (рутина, дигидрокверцетина (таксифолина), куркумина и ресвератрола) в исходном и микроструктурированном (с использованием ультразвука) виде с учетом номенклатуры показателей, представленных в проекте. Получены математические модели, адекватно описывающие зависимость растворимости полифенолов от температуры и продолжительности процесса. Проведен DSK и ЯМР анализ исходных и микроструктурированных форм биологически активных веществ с целью подтверждения процесса микроструктурирования или деполиризации, проведены первичные квантово-химические расчеты процесса растворения полифенолов (на примере дигидрокверцетина) с применением алгоритма MOPS. В результате проведенных исследований установлена возможность применения ультразвукового воздействия для модификации растительных антиоксидантов и получения микроструктурированных веществ с улучшенной растворимостью, повышенной антиоксидантной активностью и потенциально более высокой проницаемостью через клеточные мембраны. Проведены исследования по инкапсуляции выбранных антиоксидантов в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Проведена оценка эффективности инкапсуляции исходных и модифицированных форм биологически активных веществ в клетки сухих и регидратированных неплазмолизированных, а также в клетки плазмолизированных дрожжей. Показано, что эффективность инкапсуляции для микроструктурированных форм БАВ на 1,14–1,21 раза превышала значения эффективность инкапсуляции для исходных форм. Отработаны разные режимы инкапсуляции с точки зрениях вариации внешних факторов воздействия (температура, время инкапсуляции, соотношение БАВ и дрожжей при инкапсуляции). На основании собранного массива данных и проведения процедур оптимизации с использованием двухфакторного регрессионного анализа найдены наиболее приближенные к оптимальным условия инкапсуляции выбранных антиоксидантов в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Результаты проекта, полученные за 2022 г представлены в 6 научных публикациях, из которых 1 – в журнале, индексируемом Scopus (Q1), 1 – в журнале RCSI, 2 – в журналах ВАК (q1); 3 тезиса в сборниках конференций. Также представлено 2 устных доклада на профильных конференциях, принято участие в агропромышленной выставке АропромУрал 2022 (диплом 3 степени). Информация о победе в конкурсе и результатах выполнения проекта представлена в СМИ. https://www.susu.ru/ru/news/2021/12/03/sem-proektov-poluchili-grantovuyu-podderzhku-rnf https://www.susu.ru/ru/news/2022/10/13/uchenye-predlozhili-sposob-povysit-effektivnost-biologicheski-aktivnyh-veshchestv

Публикации

1. Kalinina, I.; Fatkullin, R.; Naumenko, N.; Ruskina, A.; Popova, N.; Naumenko, E. Increasing the Efficiency of Taxifolin Encapsulation in Saccharomyces cerevisiae Yeast Cells Based on Ultrasonic Microstructuring Fermentation, Fermentation, 2022, 8(8), 378 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/fermentation8080378

2. И.В. Калинина, Р.И. Фаткуллин, Е.Е. Науменко Оптимизация условий инкапсуляции рутина в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВЕСТНИК ЮЖНО-УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ПИЩЕВЫЕ И БИОТЕХНОЛОГИИ, Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». 2022. Т. 10, № 4. С. 80–88 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.14529/food220408

3. Калинина И., Попова Н., Фаткуллин Р., Науменко Е., Васильев А. Оценка растворимости биоактивных минорных соединений полифенольной природы Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии, Т. 10, № 1. С. 98–106 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.14529/food220111

4. Калинина И.В., Науменко Н.В., Науменко Е.Е. Оценка липофильности растительных антиоксидантов как критерий их потенциальной биодоступности Казахстанский инженерно-технологический университет, Труды Международной научно-практической конференции: «Новый Казахстан – изменение парадигмы развития страны: высокая культура и образование». – Алматы: КазИТУ, 2022. – С. 38-42. (год публикации - 2022)

5. Калинина И.В., Науменко Н.В., Фаткуллин Р.И., Васильев А.К., Науменко Е.Е. Влияние растительных антиоксидантов на процессы жизнедеятельности дрожжей Saccharomyces Cerevisiae Издательский комплекс «Буки Веди» (ФГАНУ НИИХП), Пищевые технологии будущего: инновационные идеи, научный поиск, креативные решения. Сборник материалов IV международной научно-практической молодежной конференции, / ФГАНУ НИИХП - М.: Издательский комплекс «Буки Веди». - 2022. - 287 с. (год публикации - 2022)

6. Калинина И.В., Науменко Н.В., Фаткуллин Р.И., Попова Н.В., Науменко Е.Е Оценка эффективности инкапсуляции полифенолов в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae Хранение и переработка сельхозсырья, 3(2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.36107/spfp.2021.340

7. Е. Е. Науменко, А. К. Васильев, И. В. Калинина Использование ультразвукового воздействия для регулирования растворимости биофлавоноидов Издательский центр ЮУрГУ, Молодой исследователь: материалы 9-й научной выставки-конференции научно-технических и творческих работ студентов: – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2022. – С. 107 – 112. (год публикации - 2022)

8. - Ученые предложили способ повысить эффективность биологически активных веществ Медиацентр ЮУрГУ, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчётном 2023 году были проведены все работы, заявленные в плане проекта, и в соответствии с этим планом работ были получены научные результаты. Проведены исследования и получены новые данные о физико-химических свойствах и биоактивности инкапсулированных в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae полифенолов (дигидрокверцетина, куркумина, рутина и др.). На основании результатов ДСК анализа, ИК-Фурье-спектрального анализа и люминесцентной микроскопии подтверждено образование комплексов полифенолов и дрожжевых клеток в результате инкапсуляции. Установлено, что наиболее вероятно возникновение водородных связей, гидрофобных взаимодействий и взаимодействий Ван-дер-Вальса со структурными компонентами дрожжевой клеточной стенки, а именно с маннаном, глюканами и фосфолипидами. Смоделированы молекулярные комплексы полифенолов с маннаном и β-1-3 глюканом, установлена возможность образования устойчивых комплексов. Проведена оценка стабильности инкапсулированных форм полифенолов в хранении, оценена степень удержания клеткой дрожжей биологически активных веществ. Установлена способность дрожжевых клеток как капсульных систем защищать полифенолы от нежелательных последствий воздействия УФ лучей. Определено снижение степени фотодеградации и потери биоактивных свойств полифенолов при их хранении в инкапсулированном виде. Проведены исследования потенциальной биодоступности и биоактивности с использованием моделирования процесса пищеварения in vitro. Установлено, что основной выброс полифенолов из дрожжевой клетки происходит в условиях кишечного переваривания. Причем определено, что ведущая роль в стимулировании этого процесса принадлежит желчным солям. Установлен высокий уровень антиоксидантных и мембраностабилизирующих свойств переваренных фракций инкапсулированных полифенолов в разных модельных экспериментах. Определена возможность инкапсуляции полифенолов в плазмолизированные клетки дрожжей, что может стать основой нового направления использования отработанных дрожжей, являющихся отходом биотехнологических производств. Проведены исследования по оценке влияния растительных полифенолов на процессы жизнедеятельности дрожжей в рамках технологии получения хлеба. Проведена апробация использования инкапсулированных в дрожжи полифенолов как функциональных пищевых ингредиентов в составе хлебобулочных изделий. Доказана целесообразность такого подхода. Результаты проекта за 2023 г представлены в виде 4 научных публикаций, из которых 1 статья в журнале Scopus (Q2), 1 статья в журнале RSCI, 1 статья в журнале ВАК (Agris), 1 тезис в сборнике конференций, представлено 2 очных доклада на конференциях, 1 - участие в круглом столе; подана заявка на регистрацию РИД; дополнительно – 1 публикация находится на рассмотрении в журнале Scopus (Q2). 1. Kalinina, I., Fatkullin, R., Naumenko, N., Popova, N., Stepanova, D.The Influence of Flavonoid Dihydroquercetin on the Enzymatic Processes of Dough Ripening and the Antioxidant Properties of Bread // Fermentation, 2023, 9(3), 263 (Q2). 2. Калинина И. В., Фаткуллин Р. И., Науменко Н. В.(I.V. Kalinina, R.I. Fatkullin, N.V. Naumenko) Использование плазмолизированных дрожжей для инкапсуляции и повышения биодоступности растительных антиоксидантов // Аграрный вестник Урала (2023 г.) 3. Биодоступность куркумина, инкаспулированного в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae / И. В. Калинина, Р. И. Фаткуллин, Н. В. Науменко [и др.] // Индустрия питания. – 2023. – Т. 8, № 3. – С. 97-104 4. Подана заявка на регистрацию ГИД (Способ инкапсуляции рутина). Информация о победе в конкурсе и результатах выполнения проекта представлена в СМИ: Поддержка новейших разработок. 38 южноуральских ученых получили гранты от Российского научного фонда (31 канал), https://31tv.ru/novosti/294554/?ysclid=lpglg4ag37262100368. Альманах «Научные разработки ЮУрГУ» (2022 г, 2023г ), https://www.susu.ru/ru/nauka-i-innovacii/dostizheniya-v-nauke-i-innovaciyah

Публикации

1. И. В. Калинина, Р. И. Фаткуллин, Н. В. Науменко Использование плазмолизированных дрожжей для инкапсуляции и повышения биодоступности растительных антиоксидантов Аграрный вестник Урала, - (год публикации - 2023)

2. И.В. Калинина, Р.И. Фаткуллин, Н.В. Науменко , Н.В. Попова , Е.Е. Науменко , Д.С. Степанова БИОДОСТУПНОСТЬ КУРКУМИНА, ИНКАСПУЛИРОВАННОГО В КЛЕТКИ ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES CEREVISIAE ИНДУСТРИЯ ПИТАНИЯ, И.В. Калинина, Р.И. Фаткуллин, Н.В. Науменко , Н.В. Попова , Е.Е. Науменко , Д.С. Степанова. Биодоступность куркумина (год публикации - 2023) https://doi.org/10.29141/2500-1922-2023-8-3-10

3. Калинина И.В., Фаткуллин Р.И., Науменко Н.В., Попова Н.В., Степанова Д.С. The Influence of Flavonoid Dihydroquercetin on the Enzymatic Processes of Dough Ripening and the Antioxidant Properties of Bread Fermentation, Fermentation 2023, 9, 263. https://doi.org/10.3390/fermentation9030263 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/fermentation9030263

4. Калинина, И. В., Степанова, Д. С., Панкрашкина, И. В., Горячева, С. А. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ИНКАПСУЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКИ ДРОЖЖЕЙ / ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ МЕЖДУНАРОДНЫХ САНКЦИЙ., Калинина И. В. и др. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ИНКАПСУЛЯЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКИ ДРОЖЖЕЙ //ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ В УСЛОВИЯХ МЕЖДУНАРОДНЫХ САНКЦИЙ. – 2023. – С. 191. (год публикации - 2023)

5. Калинина Ирина Валерьевна, Фаткуллин Ринат Ильгидарович, Науменко Наталья Владимировна Способ инкапсуляции рутина -, Заявка № 2023131661 (год публикации - )

6. - Поддержка новейших разработок. 38 южноуральских ученых получили гранты от Российского научного фонда 31 канал, - (год публикации - )

7. - Альманах «Научные разработки ЮУрГУ – 2022» ЮУргУ, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут представлять интерес для предприятий АПК и найти реализацию в сфере производства функциональных пищевых ингредиентов и БАД, специализированных и функциональных продуктов питания, кормов для животных и т.д.