Разработка криопротекторных композиций для сохранения заквасок, применяемых в пищевой индустрии

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 23-16-00224

НазваниеРазработка криопротекторных композиций для сохранения заквасок, применяемых в пищевой индустрии

Руководитель Орлова Ольга Юрьевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-301 - Технология пищевых продуктов

Ключевые слова лиофилизация молочнокислых бактерий, закваска прямого внесения, криопротектор

Код ГРНТИ65.01.11

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящий момент ферментированные продукты занимают более 25% рынка пищевой отрасли. Высокий спрос на данную категорию продуктов обусловлен рядом факторов: высокими потребительскими свойствами ферментированной продукции, уникальными органолептическими характеристиками и выраженным терапевтическим эффектом при систематическом употреблении. Для осуществления ферментации используют закваски или стартовые культуры. Молочнокислые бактерии относятся к наиболее важным группам микроорганизмов, используемых при ферментации пищевых продуктов. Создание и поддержание коллекции микроорганизмов играет чрезвычайно важную роль в исследовании микробного разнообразия, а также в сохранении в генетически стабильном виде продуцентов, использующихся в биотехнологических производствах, медицине и экологической биотехнологии. Распространенными и основополагающими методами длительного хранения микроорганизмов являются лиофильное высушивание и криоконсервация. Эти методы консервирования позволяют длительное время сохранять жизнеспособность и функциональную активность микроорганизмов. Криозащитные добавки, которые используются при лиофилизации и низкотемпературном хранении микроорганизмов, таких как бактерий, грибов, водорослей и простейших, включают в себя множество простых и сложных химических соединений. Однако, нет четкого понимания корреляций между составом криопротекторных композиций и выживаемостью бактериальных культур. В связи с этим, целью данного проекта является разработка комплексного подхода к разработке криопротекторных композиций для сохранения заквасочных культур на основе молочнокислых бактерий. Для достижения поставленной цели будут применяться как классические подходы, так и современные методы исследования – создание баз данных, методы машинного обучения и глубокого обучения, нейронные сети, методы молекулярной динамики, симулирование (моделирование) процессов на молекулярном уровне, а также методы хемоинформатики. Применение методов молекулярной динамики позволит наглядно рассмотреть исследуемые процессы на молекулярном уровне, а также определить оптимальные параметры (ионную силу, pH, видовой состав и др. свойства) криопротекторных композиций и их влияние на выживаемость бактерий, а также рассчитать степень кристаллизации воды в присутствии криопротектора для каждого случая, как в локальном окружении криопротектора, так и для всей ячейки. Проектирование NoSQL база данных, на основе полученных данных, позволит исследовать новые корреляции и зависимости с помощью применения алгоритмов и методов машинного обучения. Классические методы будут заключаться в непосредственном тестировании разработанных криопротекторных композиций и параметрах лиофилизации на молочнокислых бактериях в лабораторных условиях. Разработка криопротекторных композиций и формирование сетевой платформы для выявления молекул, способных оказывать криопротекторные (защитные) действие на молочнокислые бактерии для сохранения заквасок, применяемых в пищевой индустрии, является актуальным направлением, как для научного общества, так и для пищевой промышленности. Научная новизна проекта заключается в применении методов вычислительной химии для построения моделей взаимодействия клеточной стенки бактерий и составом криопротектора с последующей интерпретацией в виде базы данных, построенной с применением алгоритмов и методов машинного обучения. С учетом имеющегося научного задела у коллектива авторов в данной области и современного оснащения научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО, в рамках которого планируется исследование, успешное выполнение проекта и всех заявленных индикаторов не вызывает сомнений. По результатам проекта, планируется опубликовать не менее 10 статей в научных журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Зенкин А.М., Перегудин А.А., Бобцов А.А. Метод поиска функции Ляпунова для анализа устойчивости нелинейных систем с использованием генетического алгоритма Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики, № 5, Т. 23, С. 886–893 (год публикации - 2023)
10.17586/2226-1494-2023-23-5-886-893

2. Алиев Т.А., Беляев В.Е., Помыткина А.В., Нестеров П.В., Шитяков С.В., Садовничий Р.В., Новиков А.С., Орлова О.Ю., Масалович М.С., Скорб Е.В. Electrochemical Sensor to Detect Antibiotics in Milk Based on Machine Learning Algorithms ACS Applied Materials and Interfaces, 15, 44, 52010–52020 (год публикации - 2023)
10.1021/acsami.3c12050

3. М.С. Ашихмина [и др.] УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КУЛЬТИВИРОВАНИЕ И ВЫЖИВАЕМОСТЬ ПРИ ЛИОФИЛИЗАЦИИ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ: ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ БАЗЫ ДАННЫХ УСЛОВИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КУЛЬТИВИРОВАНИЕ И ВЫЖИВАЕМОСТЬ ПРИ ЛИОФИЛИЗАЦИИ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ: ПОДХОД К ФОРМИРОВАНИЮ БАЗЫ ДАННЫХ Вестник КрасГАУ, Вестник КрасГАУ. 2024. № 4. С. 144–151. DOI: 10.36718/1819-4036-2024-4-144-151. (год публикации - 2024)
10.36718/1819-4036-2024-4-144-151

4. Филозоп В. С., Володарский М. О., Осьмак О. О., Ашихмина М. С. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОЗАЩИТЫ КЛЕТОК МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОЗАЩИТЫ КЛЕТОК МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024]. - 2024, Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024]. - 2024 (год публикации - 2024)

5. Володарский М. О., Филозоп В. С., Осьмак О. О., Ашихмина М. С. РАЗРАБОТКА СМАРТ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ РАЗРАБОТКА СМАРТ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024]. – 2024, Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024]. – 2024 (год публикации - 2024)

6. М.С. Ашихмина [и др.] РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИОФИЛИЗАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ КРИОПРОТЕКТОРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СОВМЕСТНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ БАКТЕРИЙ BACILLUS COAGULANS И STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИОФИЛИЗАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ КРИОПРОТЕКТОРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СОВМЕСТНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ БАКТЕРИЙ BACILLUS COAGULANS И STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS Ползуновский вестник, № 2, С. 37–45. doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2024.02.005. EDN: https://elibrary.ru/CNLNIL (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2024.02.005

7. Филозоп В. С., Володарский М. О., Осьмак О. О., Санников М. В., Ашихмина М. С. ПРИМЕНИЕ МЕТОДОВ КРИОКОНСЕРВАЦИИ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ПРОБИОТИЧЕСКИХ КУЛЬТУР, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ИЗГОТОВЛЕНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ ПРИМЕНИЕ МЕТОДОВ КРИОКОНСЕРВАЦИИ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ПРОБИОТИЧЕСКИХ КУЛЬТУР, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ИЗГОТОВЛЕНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ Сборник материалов Международной научно-практической конференции «ПИЩЕВАЯ ИНДУСТРИЯ: ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОДУКТЫ И ТЕХНОЛОГИИ», посвящённой 20-летию Технологического института, Международной научно-практической конференции, посвящённой 20-летию Технологического института (Москва, 16 мая 2024 г.) - 2024. - С. 630-634 (год публикации - 2024)

8. М.С. Ашихмина, В. С. Филозоп, М.О. Володарский, С.А, Уласевич, Е.В. Скорб Оптимизация лиофилизации бактерий: влияние параметров культивирования и лиофилизации на выживаемость пробиотиков Оптимизация лиофилизации бактерий: влияние параметров культивирования и лиофилизации на выживаемость пробиотиков Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, Том 16, №6, 2024. (год публикации - 2024)

9. M. С. Ашихмина, О. Ю. Орлова и др. Влияние методов сушки на содержание эргостерола и холестериноснижающую активность Ganoderma lucidum Impact of drying methods on ergosterol content and cholesterol-lowering activity of Ganoderma lucidum Food Bioscience (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.fbio.2024.104350

10. Володарский М. О., Филозоп В. С., Осьмак О. О., Ашихмина М. С. ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ IN SITU ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ IN SITU ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ STREPTOCOCCUS THERMOPHILUS Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. Том 1. – СПб.:, Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. Том 1. – СПб.: Университет ИТМО, 2024, с. 374-377 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основное направление научной работы включает моделирование и экспериментальные исследования молекулярных процессов. Используя программные комплексы GROMACS 2020.1 и Python-библиотеку OpenMM выполнено моделирование взаимодействий криопротекторов с водой и клеточными мембранами. Параметризация проводилась с применением сайта LigParGen (силовое поле OPLS-AA), а TIP4P/Ice использовалась как модель воды. В ходе симуляций исследованы структурные и термодинамические параметры систем, включая гидрофильные свойства, остаточное содержание свободной воды и температурные характеристики криопротекторов. Для оценки криопротекторных свойств соединений были использованы две метрики: функция углового распределения (ADF) и функция радиального распределения (RDF). На основании расчетных данных выявлены основные критерии оценки действия криопротекторов. Например, ДМСО обладает наибольшей способностью связываться с водой, что свидетельствует о его выраженном осмотическом свойстве. Для дисахаридов, таких как сахарозы, трегалозы, показана высокая термическая устойчивость, что делает их перспективными для криоконсервации. Кроме того, методами квантовой химии, используя DFT расчеты с применением функционала B3LYP изучены термодинамические свойства взаимодействий молекул криопротекторов с водой. Рассчитанные энергии Гиббса сольватации позволяют на ранних стадиях исследований оценить эффективность различных соединений для обеспечения стабильности биологических систем при замораживании [https://ojs.altstu.ru/index.php/PolzVest/article/view/595, Ashikhmina M, et al A DFT-based analysis of bacterial preservation efficiency на рецензировании Food Research International]. На основе полученных данных было выявлено, что эффективность криопротектора обратно пропорциональна изменению энергии Гиббса: чем меньше это изменение при заданной температуре, тем эффективнее соединение. Метод особенно эффективен для оценки непроникающих криопротекторов, подтверждая их значимость в биотехнологических процессах, в том числе и при получении для заквасочных культур пищевой отрасли. Были проведены лабораторные исследования с молочнокислыми бактериями для оценки влияния криопротекторов на выживаемость бактерий и синтез молочной кислоты после криоконсервации [статья Osmak O., Ashikhmina M, et al Digital tracking of pH changes and growth of lactic acid bacteria using bromocresol purple на рецензировании Microchemical Journal]. Установлено, что использование сахарозы и трегалозы увеличивает выживаемость клеток на 30–40% по сравнению с контролем. Композиции с добавлением полиэтиленгликоля и цистеина повышали эффективность криопротекции, предотвращая кристаллизацию воды и способствуя формированию аморфной структуры льда. Экспериментально подтверждено, что стабильность криопротекторов сохраняется при низких температурах до шести месяцев, однако высокая влажность требует улучшенной герметизации при хранении. Подбор композиций осуществлялся с учетом их свойств, таких как осмотические способности к формированию водородных связей и влияние на термодинамические характеристики системы. В качестве основных модельных веществ были использованы следующие: сахароза, трегалоза, глюкоза, глицерин, диметилсульфоксид (ДМСО), полиэтиленгликоль (ПЭГ) и цистеин. Данные вещества были выбраны из-за следующих характеристик: ДМСО и глицерин являются проникающими криопротекторами, которые обеспечивают защиту клеточных структур регулируя осмотическое давление; сахароза, трегалоза и глюкоза, являясь непроникающими криопротекторами, предотвращают образование крупных кристаллов льда за счет формирования аморфного льда и стабилизируют внешние клеточные структуры. Были составлены и исследованы следующие композиции: смесь сахарозы и трегалозы с добавлением ПЭГ; смесь ДМСО, глицерина и трегалозы; смесь сахарозы, цистеина и ПЭГ; смесь сахарозы, трегалозы, глицерина и цистеина. На основании проведенных исследований было определено, что использование смесей криопротекторов, объединяющих проникающие и непроникающие криопротекторы, позволяет добиться синергетического эффекта, повышая выживаемость клеток на 30–50% по сравнению с "чистыми" криопротекторами. Композиция, состоящая из трегалозы, глицерина и ПЭГ предотвращает образование крупных кристаллов льда, защищает клеточную мембрану, что приводит к повышению выживаемость до 30%. В то же время композиция из трегалозы, ПЭГ и цистеина, увеличивали выживаемость клеток на 40% за счет уменьшения осмотического давления и снижали степень окислительного повреждения. Также разработан алгоритм обработки научных публикаций, позволяющий автоматически извлекать информацию о криопротекторах и бактериях, упомянутых в тексте. В алгоритм обработки интегрирована нейросеть GPT, которая позволяет обрабатывать широкий круг публикаций. В отличие от традиционных методов, таких как поиск по ключевым словам или тематическое моделирование, этот метод показывает высокую точность в работе с большим объемом научной информации. Для удобства использования алгоритм представлен в виде Telegram-бота (https://t.me/chemical_assist_bot), что позволяет быстро получать структурированные данные в формате списков криопротекторов и бактерий [Статья LARGE LANGUAGE MODEL FOR AUTOMATING THE ANALYSIS OF CRYOPROTECTANTS M. S. Ashikhmina, A. M. Zenkin, A. O. Ivanova, I. R. Pavlishina, O. Y. Orlova, I. S. Pantiukhin, E. V. Skorb, Journal of Chemical Information and Modeling]. В рамках исследований была создана методика измерения уровня pH и динамики роста бактерий с использованием фотографий, полученных на камеру телефона с последующим анализом алгоритма, интегрированным в TG-бот. Основной инструмент системы – индикатор бромкрезоловый пурпур, цвет которого меняется в зависимости от уровня кислотности среды. В ходе исследования проводились эксперименты с использованием типового штамма Streptococcus thermophilus. Для точности работы алгоритма была построена калибровочная кривая, показывающая зависимость между концентрацией молочной кислоты и оптической плотностью среды при длинах волн 430 нм и 590 нм. Этот подход позволил обеспечить точность измерений и возможность прогнозировать динамику роста при использовании бромкрезолового пурпурного. Автоматизация процесса мониторинга позволяет сократить временные и финансовые затраты при контроле стадий культивирования бактерий, что позволяет получать стабильное качество с высокой степенью воспроизводимости процесса ферментации. При работе с бактериальными культурами это позволяет минимизировать вероятность ошибок при проведении экспериментов [По материалам написана статья DIGITAL TRACKING OF PH CHANGES AND GROWTH OF LACTIC ACID BACTERIA USING BROMOCRESOL PURPLE O. O. Osmak, M. S. Ashikhmina, A. M. Zenkin, I. K. Latyshenok, V. S. Filozop, M. O. Volodarskiy, O. Yu. Orlova, I. S. Pantiukhin, S. A. Ulasevich, E. V. Skorb]

Публикации