КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-66-47017

НазваниеНовые функциональные продукты питания с биологически активными веществами из побочных продуктов пищевой промышленности и растительного сырья для превентивной медицины, здоровья и долголетия

РуководительКовалева Елена Германовна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2023 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-302 - Функциональные и специализированные пищевые продукты

Ключевые словаБиологически активные вещества (изофлавоноиды, ресвератрол, астаксантин, пиперин, витамины B и D, биойод, биоселен), побочные продукты пищевой промышленности, растительное сырье, функциональные пищевые продукты, экстракция, биотрансформация, наносомы и липосомы

Код ГРНТИ65.09.00, 65.47.03, 65.01.91


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Питание – важнейший фактор внешней среды, который определяет правильное развитие, состояние здоровья и трудоспособность человека. Согласно мнению экспертов ВОЗ, примерно 60-70% здоровья человека зависит от питания, все остальное – вопросы генетики, экологии, наследственности. В настоящее время имеет место дефицит питательных и биологически-активных веществ в современной пище, несбалансированность питания, плохое качество пищевой продукции на потребительском рынке. Особенно остро стоит проблема в отношении специальных продуктов питания для возрастных категорий населения и людей с предрасположенностью к социально-значимым заболеваниям, таким как метаболический синдром, ожирение, сахарный диабет 2-го типа, предраковые и онкологических заболевания. Они должны получать комплекс биологически активных веществ в легкоусвояемой форме для снижения риска возникновения и лечения вышеупомянутых заболеваний. Особенное значение имеет персонализированный подход превентивной медицины с использованием последних достижений нутригеномики с применением технологий нано- и микрокапсулирования для улучшения биодоступности и усвояемости биологически-активных веществ в составе пищевого продукта. В этом случае набор активных соединений подбирается для каждого пациента отдельно, с учетом особенностей его генетического профиля. В связи с этим создание новых специализированных продуктов питания, обогащенных биологически-активными веществами, представляет собой особую важность. Такие продукты называют функциональными, так как они призваны сохранять и улучшать здоровье и снижать риск развития заболеваний благодаря наличию в их составе функциональных ингредиентов. А функциональность ингредиентов и продуктов питания, обогащенных этими веществами, должна заключаться в нутриентной адекватности и доказана проведением доклинических испытаний с исследованием их влияния на биохимические, гематологические, гормональные и гистологические показатели лабораторных животных, используя различные модели индуцирования заболеваний. Решить задачи по получению новых функциональных продуктов питания возможно только с использованием мультидисциплинарного подхода, который объединит научные исследования в области пищевых биотехнологий, химических технологий, пищевых систем, нутрициологии и биомедицины. Таким образом, представленный проект направлен на создание новых безопасных и качественных продуктов питания растительного и животного происхождения с биологически-активными веществами в традиционной и нано- и микрокапсулированной формах, полученных из побочных продуктов пищевой промышленности и доступного растительного сырья с применением аквабиотиков с целью профилактики и лечения социально-значимых заболеваний, поддержания здоровья и увеличения продолжительности жизни. Нами впервые будут разработаны новые технологии 1) экстракции биологически-активных веществ: изофлавоноидов из соевой мелассы (корней кудзу и красного клевера) с использованием глубоких природных эвтектических растворителей (NADES) и сверхкритической флюидной экстракцией, ресвератрола из растительных материалов, таких как Fallopia baldschanica (горец больджуанский); галактоолигосахаридов c помощью бетагалагалактозидаз, иммобилизованных на цеолитах с помощью твердых связывающих пептидов (SBP); экстрактивных питательных веществ из морских водорослей Ascophyllus nodosum, Fucus vesiculosus и Сhlorella vulgaris; 2) биотрансформации компонентов питательной среды с помощью дрожжи Phaffia rhodozyma с получением астаксантина на средах, содержащих побочные продукты пивоваренных производств, получения сахара и производства концентрата соевого белка; 3) биотрансформации компонентов пищевого продукта (йогурта) микроорганизмами Lactobacillus sp., продуцирующими витамины группы B в пищевом продукте. Впервые будут разработаны новые методы получения субмикронных капсул на основе липосом и наносом с использованием оригинальных подходов к переработке побочных продуктов растительного сырья. Будет разработана новая технология получения пектина из свекловичного жома, которая позволит достичь высокой поверхностной активности конечных продуктов. Впервые будут разработаны технологии нагрузки наносом и липосом, покрытых полисахаридами (пектином, карбоксиметилированным крахмалом и целлюлозой), целевыми биологически-активными соединениями. Впервые будут созданы виртуальные модели функциональных пищевых продуктов растительного и животного происхождения (молочного йогурта, растительного молочка, сыра, растительного масла, колбасных изделий и паштетной продукции) с использованием компьютерного моделирования и проведена оценка их нутриентной адекватности. Впервые будут проведены проектирование нутриентного профиля и изучение функциональных свойств пищевых систем животного происхождения за счет совместного применения аквабиотиков и биологически активных веществ и осуществлена формализация медико-биологических требований к функциональным пищевым системам (продуктам), содержащим биологически активные комплексы (изофлавоноиды, биойод, биоселен, фактор роста хлореллы (CGF), ресвератрол, астаксантин, витамины B и D, экстракт морских водорослей, галактоолигосахара) и аквабиотики. Впервые будет осуществлена апробация и оценка степени воспроизведения виртуальных моделей в практической пищевой технологии, обладающих функциональной направленностью в области метаболической коррекции возрастных неифекционных заболеваний, поддержания здоровья и увеличения продолжительности жизни. Впервые будет осуществлен дизайн новых продуктов питания растительного и животного происхождения, обогащенных вышеприведенными биологически-активными веществами в традиционной и нано- и микрокапсулированой формах с оптимизацией потребительских и физико-химических свойств с целью дальнейших доклинических испытаний. Будет проведена комплексная оценка биохимических, морфологических, гематологических, и других показателей и выявление механизмов воздействия биологически активных веществ и новых функциональных продуктов питания при экспериментальной коррекции заболеваний, таких как, метаболический синдром, ожирение, сахарный диабет 2 типа, предраковые и онкологические заболевания (на биологических моделях (лабораторных животных) метаболического синдрома и сахарного диабета, мастопатии и рака молочной железы, доброкачественной гиперплазии предстательной железы и рака простаты) с целью формулирования оптимальных схем их применения. Впервые будут даны клинические рекомендации использования разработанных функциональных продуктов питания у пациентов из групп риска рака молочной железы и рака простаты с сопутствующим метаболическим синдромом и сахарным диабетом 2 типа. Будет разработана новая нормативно-техническая документация на разработанные функциональные продукты питания и получено разрешение в Министерстве здравоохранения Российской Федерации на применение данных продуктов в качестве функциональных в программах метаболической коррекции. Ожидаемыми результатами исследования являются: 1) Разработанные новые технологии получения биологически-активных веществ из побочных продуктов пищевой промышленности и растительного сырья, используя химическую и ферментативную экстракции, природные глубокие эвтектические растворители (NADES), сверхкритическую флюидную экстракцию, ферментативную и микробную трансформацию питательной среды и сырья в составе продукта питания. 2) Полученные и охарактеризованные БАВ, такие как изофлавоноиды, биойод, биоселен, фактор роста хлореллы (CGF), ресвератрол, астаксантин, витамины B и D, экстракт морских водорослей, галакоолигосахара. 3) Новые методы получения субмикронных капсул на основе липосом и наносом с использованием оригинальных подходов к переработке побочного растительного сырья. Новая технология получения пектина из свекловичного жома. Патенты на технологию субмикронного капсулирования с использованием модифицированных полисахаридов. 4) Виртуальные модели функциональных пищевых продуктов с использованием компьютерного моделирования и оценка их нутриентной адекватности. 5) Технологии обогащения вышеназванными биологически активными нутриентами в традиционной и нано-и микрокапсулированной формах востребованных продуктов питания, таких как, молочный йогурт, растительное молочко, сыр, растительное масло, и продуктов животного происхождения, таких как колбасные изделия и паштетная продукция, за счет дополнительного введения аквабиотиков, в определенных соотношениях с биологически активными веществами. Патенты на технологии получения линейки новых функциональных продуктов питания. 6) Медико-биологические требования к составу и свойствам функциональных продуктов с БАВ и БАВ с аквабиотиками, опытные образцы функциональных продуктов питания, их стандартизация. 7) Закономерности влияния полученных БАВ и созданных функциональных продуктов питания на биохимические, гематологические, гормональные показатели крови и на морфологические изменения тканей органов на моделях лабораторных животных. Патенты на результаты доклинических испытаний биологически-активных веществ и функциональных продуктов питания. Масштабность междисциплинарного подхода состоит в том, что созданные функциональные продукты питания только в России могут потребляться десятками миллионами женщин и мужчин, при этом широкое использование данных продуктов позволит переломить негативные тенденции в росте заболеваемости метаболическим синдромом, сахарным диабетом 2 типа, раком молочной железы и раком простаты, улучшить качество жизни, снизить смертность от широко распространенных в настоящее время патологий и, тем самым, увеличить продолжительность жизни.

Ожидаемые результаты
Отдельные по проекту результаты 1) Полученные и охарактеризованные БАВ, такие как изофлавоны, биойод, биоселен, фактор роста хлореллы (CGF), ресвератрол, астаксантин, витамины B и D, экстракт морских водорослей, галактоолигосахара из побочных продуктов пищевой промышленности и растительного сырья. 2) Новые методы получения субмикронных капсул на основе липосом и наносом с использованием оригинальных подходов к переработке отходов растительного сырья. Новая технология получения пектина из свекловичного жома. Патенты на технологию субмикронного капсулирования с использованием модифицированных полисахаридов. 3) Технологии обогащения вышеназванными биологически активными нутриентами в традиционной и нано-и микрокапсулированной формах востребованных продуктов питания, таких как, молочный йогурт, растительное молочко, сыр, растительное масло, в определенных пропорциях. Патенты на технологии получения линейки новых функциональных продуктов питания. Научная значимость будет заключаться в получении новых знаний в области функциональных продуктов питания, их дизайне и выявлению новых закономерностей влияния биологически-активных веществ на свойства органолептические, физико-химические, микробиологические, актиоксидантные и технологические свойства целевых продуктов. Результаты имеет большой потенциал для коммерциализации. Общие результаты научного коллектива 1. Созданные виртуальные модели функциональных пищевых продуктов растительного и животного происхождения с полученными биологически-активными веществами (изофлавоноидами, биойодом, биоселеном, фактором роста хлореллы (CGF), ресвератролом, астаксантином, витаминами B и D, экстрактивными веществами морских водорослей, галакоолигосахарами) и аквабиотиками, объединенными в отдельные комплексы, с использованием компьютерного моделирования и оценка их нутриентной адекватности. 2. Разработанные новые функциональные продукты с БАВ из побочных продуктов пищевого производства и доступного растительного сырья, с БАВ и аквабиотиками и формализация медико-биологических требований к функциональным продуктам растительного и животного происхождения с биологически активными комплексами в своем составе. Патенты на технологии получения линейки новых функциональных продуктов питания. 3. Закономерности влияния полученных БАВ и созданных функциональных продуктов питания на биохимические, гематологические, гормональные показатели крови и на морфологические изменения тканей органов на моделях лабораторных животных на результаты доклинических испытаний биологически-активных веществ и функциональных продуктов питания. Ожидаемые результаты будут уникальными и соответствовать мировому уровню. Таким образом, предполагается реализовать полный цикл создания продуктов здорового питания растительного и животного происхождения, обогащенных биологически-активными веществами из побочных продуктов промышленности и доступного растительного сырья и аквабиотиками (в случае мясных пищевых продуктов) с обоснованием функциональности этих продуктов. Данные продукты будут обладать большим потенциалом коммерциализации в связи с востребованностью подобных продуктов на отечественном рынке. Масштабность междисциплинарного подхода состоит в том, что созданные функциональные продукты питания только в России могут потребляться десятками миллионами женщин и мужчин, при этом широкое использование данных продуктов позволит переломить негативные тенденции в росте заболеваемости метаболическим синдромом, ожирением, сахарным диабетом 2 типа, мастопатией и доброкачественной гиперплазией предстательной железы, раком молочной железы и раком простаты, за счет чего возможно улучшить качество жизни, снизить смертность от широко распространенных в настоящее время патологий и, тем самым, увеличить продолжительность жизни.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект, совместно реализуемый научными коллективами ФГАОУ ВО УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург) и ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова» Минздрава России (Санкт-Петербург) направлен на создание новых безопасных и качественных продуктов питания с биологически активными веществами в традиционной и нано- и микрокапсулированной формах, полученных из побочных продуктов пищевой промышленности и доступного растительного сырья с целью профилактики и лечения социально-значимых заболеваний, поддержания здоровья и увеличения продолжительности жизни. Междисциплинарный проект подразумевает совместную работу специалистов в области химии и технологии растительного сырья, пищевой биотехнологии и аналитической химии (УрФУ) и специалистов в области экспериментальной медицины (НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова). Согласно плану первого года реализации проекта, в УрФУ разрабатывались технологии получения, методы контроля качества для биологически активных веществ – потенциальных компонентов функционального питания, а также нарабатывалось их требуемое количество; в НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова проводилась подготовка и собственно исследования активности разрабатываемых композиций в in vivo моделях. Были разработаны новые технологии экстракции биологически-активных веществ (изофлавоноидов) из различного растительного сырья с использованием глубоких природных эвтектических растворителей (natural deep eutectic solvents, NADES). Для биологических исследований в НМИЦ Онкологии им. Н.Н. Петрова был подготовлен препарат изофлавоноидов корней кудзу, содержащий 1,48% основных агликонов (пуэрарина, дайдзеина и генистеина) в количестве 30 г. Общее содержание всех изофлавоноидов (агликонов и глюкозидов) составило 40 % (масс.) (по данным ВЭЖХ УФ). Также были приготовлены экстракты ресвератрола из Polygonium cupsidatum по общепринятой методике в авторской модификации, включающей усовершенствованную ультразвуковую обработку на различных стадиях процесса экстракции. Для исследований было наработано 20 грамм препарата ресвератрола с чистотой 98% (по данным ВЭЖХ УФ). Проведена серия опытов по оптимизации ферментативной обработки и оценке стабильности получаемого фактора роста хлореллы (CGF); для биологических исследований была поставлена стабильная высушенная субстанция CGF в количестве 30 грамм. Астаксантин был получен путем прямой экстракции из биомассы препарата Панаферд-АХ (АО Экоресурс, Санкт-Петербург) с эффективностью экстракции 84,56%. Необходимое для исследований на животных количество было передано в Научно-исследовательский Центр онкологии им. Н.Н. Петрова, г. Санкт-Петербург. В НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова был проведен анализ научной литературы и отобраны наиболее релевантные целям проекта доклинические модели и конечные точки оценки эффективности исследуемых препаратов. Подготовлены протоколы исследований и получено разрешение Локального этического комитета на выполнение исследований по проекту. В настоящий момент проводится исследование полученных препаратов (изофлавоноидов из корней кудзу, ресвератрола, фактора роста хлореллы и астаксантина) на модели сахарного диабета второго типа у крыс. На фоне продолжающейся высокожировой и высокоуглеводной диеты животные соответствующих групп получают ежедневно интрагастрально в течение 28 дней изофлавоноидов корней кудзу в дозе 200 мг/кг, ресвератрол в дозе 80 мг/кг, фактор роста хлореллы в дозе 50 мг/кг или астаксантин в дозе 25 мг/кг. Препарат сравнения – антидиабетический бигуанид метформин в дозе 200 мг/кг дается интрагастрально ежедневно в течение 28 дней. По завершении 28-х дневного курса лечения, животные будут подвергнуты эвтаназии, после чего будет оценена эффективность используемых препаратов. Будут проведены исследования нарушения структуры поджелудочной железы, ассоциированной с диабетом и высокожировой диетой нефропатии и кардиомиопатии, а также патологических изменений в печени. По плану, исследование на животных будет закончено 25.12.2020; все результаты должны быть доступны до 31.03.2021 года. В НМИЦ онкологии им Н.Н. Петрова в текущем году завершен эксперимент по оценке эффективности исследуемых препаратов на модели доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) с использованием крыс-самцов линии Wistar. После хирургической кастрации под ингаляционным наркозом проводилась индукция гиперплазии предстательной железы пролонгированной формой тестостерона. Животные соответствующих экспериментальных групп получали в течение 28 дней ежедневно интрагастрально: изофлавоноиды корней кудзу в дозе 200 мг/кг, ресвератрол в дозе 80 мг/кг, фактор роста хлореллы в дозе 50 мг/кг или астаксантин в дозе 25 мг/кг. Группа положительного контроля получала препарат сравнения финастерид в дозе 5 мг/кг в том же режиме. Выявлено, что индукция ДГПЖ влияет на гематологические параметры у экспериментальных животных. Так, у животных группы ДГПЖ, не получавших исследуемых препаратов, в конце опыта статистически значимо снижалось количество лейкоцитов по сравнению с животными из группы интактного контроля, преимущественно за счет лимфоцитарной фракции. Введение препарата сравнения финастерида не влияло на данные показатели, в то время как использование растительных препаратов способствовало их нормализации. Наилучший результат получен для изофлавоноидов корней кудзу, при использовании которых содержание лейкоцитов и лимфоцитов в крови экспериментальных животных статистически значимо отличалось от таковых у группы ДГПЖ и приближалось к контрольным значениям. Морфометрическая оценка простаты показала, что хирургическая кастрация с последующим введением тестостерона приводит к увеличению массы простаты примерно в 2,5 раза по сравнению с интактными животными. Использование финастерида, зарегистрированного для лечения ДГПЖ у людей, снижало массу предстательной железы крыс на 21,4% по сравнению с использованием плацебо. Среди растительных препаратов наилучшие результаты получены для изофлавоноидов из корней кудзу (20,5%) и астаксантина (12,8%); для ресвератрола и фактора роста хлореллы получены значения 7,2% и 6,0%, соответственно. Патоморфологическое исследование вентральной доли простаты показало уменьшение значения интегрального показателя повреждений простаты при применении всех исследованных препаратов, включая препарат сравнения финастерид. Использованные препараты также значимо снижали уровень пролиферации в простатическом эпителии (ИГХ окраска к H3Ser10). В НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова были отобраны и заморожены образцы крови и печени экспериментальных животных, получавших ресвератрол. Образцы будут переданы в УрФУ для разработки метода количественного определения ресвератрола в биологических образцах. В УрФУ наработаны образцы пролипосом, содержащих биологически-активные соединения, в том числе ресвератрол и его метилированный аналог птеростильбен. После разработки метода количественного определения ресвератрола в биологических образцах, будут проведены исследования фармакокинетики ресвератрола и его пролипосомных форм. В целом, в течение первого года реализации проекта разработаны методики получения, идентификации и количественного определения биологически-активных веществ, произведены пилотные партии и оценена биологическая активность четырех потенциальных компонентов функционального питания. Полученные результаты в отношении уменьшения гиперплазии простаты у экспериментальных животных указывают на эффективность всех исследованных препаратов (изофлавоноидов из корней кудзу, ресвератрола, фактора роста хлореллы и астаксантина); при этом эффективность изофлавоноидов и астаксантина приближается к таковой для использующегося в клинической практике препарата финастерида. Создан задел для фармакокинетических исследований второго года реализации проекта. Научным коллективом УрФУ было подготовлено 4 публикации и научным коллективом НМИЦ онкологии им. Н.Н. Петрова – 2 публикации в журналах, индексируемых WoS, Scopus. Результаты проекта были представлены на 5-х конференциях. Таким образом, первый этап совместной работы двух коллективов был успешно реализован в 2020 году.

 

Публикации

1. - Ученые создают витаминные сыры и йогурты с антиоксидантными свойствами сайт УрФУ, 14:01, 24 апреля 2020, сайт УрФУ (год публикации - ).

2. Канвугу О. Н., Амбати Р. Р., Гокаре Р. А., Глухарева Т. В., Ковалева Е. Г. Chapter-31: Astaxanthin from Bacteria as a Feed Supplement for Animals; In: Ravishankar GA and Ranga Rao A (Eds.) Global Perspectives on Astaxanthin: from Industrial Production to Food, Health, and Pharmaceutical Applications Academic Press, Elsevier publishers, USA., - (год публикации - 2021).

3. Канвугу О. Н., Шатунова С. А., Глухарева Т. В., Ковалева Е. Г. Effect of Different Sugar Sources on P. rhodozyma Y1654 Growth and Astaxanthin Production Agronomy Research, 18(S3), 1700–1716 (год публикации - 2020).

4. Канвугу О. Н., Шатунова С. А., Глухарева Т. В., Ковалева Е. Г. Effect of different sugar sources on P. Rhodozyma y1654 growth and astaxanthin production Biosystems Engineering, BSE-2020, May 6-8, Tartu, Estonia, Estonian University of Life Sciences, 155 (год публикации - 2020).

5. Ковалева Е. Г. RESEARCH TRENDS IN FOOD BIOTECHNOLOGY AT URAL FEDERAL UNIVERSITY Актуальные вопросы органической химии и биотехнологии, OCBT2020, 18-21 ноября, 2020, Уральский федеральный институт, Екатеринбург, Россия, ИЗДАТЕЛЬСТВО АМБ, стр. 486-488 (год публикации - 2020).

6. Ковалева Е. Г., Савиных Д. Ю., Марков В. Ф., Савиных С. Д. Biotransformation technologies in processing agricultural and industrial wastes into valuable products Sino-Russian ASRTU Forim. Ecology and Environmental Sciences, October 21-22, 2020, Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia, Уральский Федеральный университет имени первого президента РФ Б. Н. Ельцина, стр. 15-16 (год публикации - 2020).

7. Ковалева Е. Г., Слесарев Г. П., Любякина П. Н., Дуру К. Ч. Chemical and bio- transformation of food wastes and plant raw materials to valuable products AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2021).

8. Ковалева Е. Г., Слесарев Г. П., Любякина П. Н., Дуру К. Ч. Chemical and bio- transformation of food wastes and plant raw materials to valuable products Biosystems Engineering, BSE-2020, May 6-8, Tartu, Estonia, Estonian University of Life Sciences, страница 159 (год публикации - 2020).

9. Окечукву К. Н., Юама И., Ковалева Е. Г. Enzymatic extraction of growth factor in Chlorella and possible protective effects of Chlorella extracts on yeast growth AIP Conference Proceedings, 2280, 030013-1- 030013-5 (год публикации - 2020).