Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В данном проекте за отчётный период методами спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света и титриметрического анализа были исследованы растительные масла, биологически активные добавки (БАД) на основе жирных кислот семейств омега-3 и омега-5, а также смеси на основе гранатового масла. Для полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) проведено квантово-химическое моделирование спектров КР молекул омега-3 кислот: эйкозапентаеновой (C20H30O2, ЭПК) и докозагексаеновой (C22H32O2, ДГК) – а также молекулы пуниковой (гранатовой, омега-5) кислоты (С18Н30О2), и её изомеров: сопряжённого (молекулы альфа-элеостеариновой кислоты) и несопряжённого (молекулы альфа-линолевой кислоты). Для регистрации экспериментальных спектров КР использовались две длины волны возбуждения: 532 и 785 нм. Спектры были проанализированы классическими методами, а именно: анализировались характеристики (частоты, интенсивности и полуширины) отдельных спектральных линий. В случае БАД Омега-3 спектры КР были дополнительно проанализированы методом главных компонент. На основании проведенных исследований были получены следующие результаты. Сформированы базы спектров КР: - 35 чистых растительных масел с йодными числами в диапазоне от 0 до 188 г йода/100 г масла; - 18 коммерческих БАД Омега-3 с относительными содержаниями ПНЖК омега-3 от 30 до 90 % и с различными содержаниями ЭПК и ДГК (соотношение ЭПК и ДГК варьируется от 1,3 до 2,5); - 5 коммерческих БАД Омега-5, а также 13 образцов смесей гранатового и подсолнечного масел с содержанием омега-5 (пуниковой) кислоты от 0,05 до 60 масс. %; - 15 коммерческих масел с различным содержанием каротиноидов. Для БАД Омега-3 и растительных масел предложены методы определения по спектрам КР соответственно общего содержания ПНЖК омега-3 и содержания ненасыщенных жирных кислот (йодного числа). Оба метода основаны на анализе отношения интенсивностей линий, относящихся к валентному колебанию С=С связей (частота около 1658 1/см) и деформационному колебанию СH2 связей. В результате исследований получено, что это соотношение: - прямо пропорционально йодному числу растительных масел в диапазоне йодных чисел от 0 до 188 г йода / 100 г масла; - линейно зависит от относительного содержания в БАД ПНЖК омега-3 в диапазоне содержаний от 30 до 90 масс. %. Обнаружено, что мониторинг частоты валентного колебания С=O связей позволяет различать формы ПНЖК омега-3. Значение частоты 1747 1/см этого колебания соответствует триглицеридной форме ПНЖК омега-3, частота 1738 1/см – форме этиловых эфиров. Отметим, что от формы, в которой ПНЖК омега-3 присутствуют в БАД зависит скорость их усвоения организмом, поэтому экспресс-методика определения формы этих кислот является актуальной. Установлено, что использование метода главных компонент позволяет расширить возможности спектроскопии КР по диагностике БАД Омега-3. Применение этого метода при анализе спектрального диапазона 540 – 1200 1/см показало, что третья и четвёртая главные компоненты несут ценную информацию о соотношении массовых долей ЭПК и ДГК. Однако для такого анализа необходимо предварительно установить форму ПНЖК омега-3. Таким образом, развитие экспресс-методик спектроскопии КР по определению качества БАД Омега-3 должно строится на сочетании двух подходов к анализу спектров КР: традиционном подходе, основанном на анализе отдельных спектральных линий, и на применении метода главных компонент. Для БАД Омега-5 на основе гранатового масла впервые предложен метод определения по спектрам КР содержания активного компонента (пуниковой кислоты). А именно, показано, что отношение пиковых интенсивностей линии КР с частотой около 1630 1/см и линии, отвечающей деформационным СH2 колебаниям, пропорционально содержанию пуниковой кислоты в гранатовом масле. Таким образом, это отношение позволяет оценить содержание основного активного компонента (пуниковой кислоты) в БАД омега-5 на основе гранатового масла. Установлено, что достоверный нижний порог обнаружения этой кислоты в БАД составляет 1 масс. %. За отчётный период были подготовлены 3 научные статьи, две из которых на настоящий момент приняты к печати в журналах «Фотоника» (публикация запланирована на декабрь 2024 г., T. 18, No. 8) и «Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки» (публикация запланирована на январь 2025 г., Т. 520). Еще одна статья готовится к отправке в журнал «Vibrational spectroscopy», в настоящее время она опубликована как препринт SSRN. Кроме того, по вышеуказанным результатам было сделано 3 доклада на международных и всероссийских конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований, направленных на развитие методов спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света для количественного анализа содержания и состава каротиноидов в БАД на основе полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) семейства омега-3 и растительных масел, для изучения процессов деградации БАД на основе ПНЖК семейств омега-3 и омега-5, а также БАД на основе растительных масел в условиях ускоренного термического старения. Основной задачей в отчётном периоде являлось установление количественных взаимосвязей между спектрами КР и содержанием каротиноидов и различных жирных кислот в исследуемых растительных маслах и БАДах. В ходе выполнения проекта были приготовлены и исследованы серии модельных растворов на основе подсолнечного масла и каротиноидов (бета-каротина, ликопина и астаксантина) с заранее заданным содержанием. Выбор подсолнечного масла в качестве матрицы был обусловлен отсутствием в нём каротиноидов, что было подтверждено экспериментально по спектрам КР. Всего было исследовано 35 образцов таких растворов с широким диапазоном концентраций каротиноидов. Регистрация спектров КР проводилась при использовании длин волн возбуждения 532 и 785 нм. Анализ спектров осуществлялся традиционными методами с использованием характеристик отдельных спектральных линий, а также с привлечением методов хемометрики. Для модельных растворов установлено, что отношения интенсивностей линий КР, соответствующих валентным колебаниям сопряжённых двойных (С=С) и одинарных (С-С) углеродных связей в молекулах каротиноидов, к интенсивности линии деформационных колебаний CH2 групп возрастают с увеличением содержания каротиноидов. Показано, что характер этих зависимостей существенно определяется длиной волны возбуждающего излучения. При возбуждении спектров излучением с длиной волны 785 нм зависимости носят линейный характер, тогда как при 532 нм наблюдается выраженная нелинейная зависимость, обусловленная эффектом резонансного усиления линий КР каротиноидов. Для обеих длин волн были подобраны регрессионные зависимости, использованные в дальнейшем для количественной оценки содержания каротиноидов в деградированных БАД. Определены минимальные диагностируемые содержания каротиноидов: 5x10^(-5) масс. % для ликопина и 5x10^(-3) масс. % для бета-каротина и астаксантина. Существенная часть работ была посвящена квантово-химическому моделированию спектров КР каротиноидов. Были рассчитаны спектры транс- и цис-изомеров бета-каротина и ликопина, а также транс-изомеров ряда других каротиноидов, различающихся длиной сопряжённой цепи и структурой концевых групп. Обнаружены спектральные маркеры цис-изомеров этих каротиноидов, в частности линия в диапазоне 1540–1550 1/см, отсутствующая в спектрах транс-изомеров. Показано, что наличие метилированных цис-связей приводит к появлению дополнительных интенсивных линий в области около 1140 1/см. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальными спектрами КР чистых каротиноидов и коммерческих БАД. При анализе спектров КР БАД, содержащих каротиноиды, установлено, что молекулярное окружение оказывает заметное влияние на положение наиболее интенсивных линий валентных колебаний С=С и С-С связей, что ограничивает возможность однозначной идентификации каротиноидов по традиционным спектральным маркерам. В связи с этим предложен подход, основанный на анализе более слабых линий КР. Показано, что колебания с частотами около 1285, 1630 и 1660 1/см являются маркерами ациклических концевых групп в каротиноидах, а распределение интенсивностей линий в области 1100–1250 1/см позволяет надёжно различать близкие по структуре бета-каротин и астаксантин как в чистом виде, так и в составе БАД. Установлено, что линия с частотой около 1630 1/см может использоваться в качестве дополнительного маркера наличия ликопина в сложных системах. В рамках проекта изучены процессы деградации БАД на основе ПНЖК омега-3 и омега-5 и обогащённых ликопином БАД на основе растительных масел при температурах +40 и +200 град. C. Показано, что при деградации БАД омега-5 уменьшается содержание пуниковой кислоты, что отражается в затухании характерных линий КР с частотами около 1255 и 1630 1/см. Для БАД омега-3 установлено, что скорость деградации ПНЖК существенно зависит от формы, в которой они присутствуют в препарате: триглицеридной или в форме этиловых эфиров. В случае БАД, содержащих ликопин, выявлена стадийность деградации, сопровождающаяся образованием цис-изомеров и последующим снижением содержаний как транс- так и цис-изомеров, что также было подтверждено по спектрам КР и спектрам поглощения. Дополнительно проанализирована возможность использования спектральной области 2700–3100 1/см для оценки характеристик БАД. Установлено, что относительные отношения интенсивностей линий в этой области позволяют оценивать содержание ПНЖК омега-3 с учётом формы их присутствия в БАД. С применением метода частичных наименьших квадратов продемонстрирована возможность определения соотношения эйкозапентаеновой и докозагексаеновой кислот по спектрам КР БАД Омега-3. Полученные в текущем отчётном периоде результаты подтверждают высокую информативность спектроскопии КР и её перспективность для экспресс-контроля состава и качества растительных масел и БАД на основе омега-3 и омега-5 кислот.