Лаборатория функциональных свойств биополимеров

За прошедшее десятилетие основное направление работы лаборатории функциональных свойств биополимеров было связано с молекулярным дизайном стимул-чувствительных биополимерных нано- и микроконтейнеров для защиты и контролируемой/адресной доставки биологически активных веществ (фосфолипидов, незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), растительных антиоксидантов) в организм человека через пищевые системы. Такие системы доставки могут быть отнесены к физиологически-функциональным пищевым ингредиентам нового поколения, т.е. непосредственно оказывающим биологически значимое позитивное воздействие на метаболические процессы в организме человека. Такие ингредиенты не могут являться лекарственными средствами, но, в соответствии с доказанной биологической активностью компонентов, включённых в их состав, могут препятствовать возникновению алиментарно-зависимых болезней (сердечно-сосудистых, нервно-дегенеративных, диабета), способствовать росту и развитию детей, а также тормозить старение организма.

Сотрудники лаборатории функциональных свойств биополимеров (слева направо): научный сотрудник Зеликина Дарья Викторовна; старший научный сотрудник, к.х.н. Елена Игоревна Мартиросова; старший научный сотрудник, к.х.н. Анна Сержановна Антипова; зав. лаб., д.х.н. Мария Германовна Семенова, магистрант Ю.В. Самусева и старший научный сотрудник, к.х.н. Мария Сергеевна  Анохина (2019 год).

С целью разработки физиологически-функциональных пищевых ингредиентов были проведены комплексные физико-химические исследования. Использовалась широкая комбинация высокоточных физико-химических методов: изотермическая калориметрия смешения; дифференциальная сканирующая калориметрия; лазерное многоугловое светорассеяние (в динамическом, статическом и электрофоретическом режимах); электронно-парамагнитная резонансная спектроскопия; атомно-силовая микроскопия; конфокальная лазерная сканирующая микроскопия; спектрофотометрия; газо-жидкостная хроматография; а также вискозиметрия в разбавленных растворах.

На основании детальной физико-химической характеристики (общей и локальной структуры, а также термодинамических свойств) биополимерных систем доставки биологически активных веществ удалось установить основные взаимосвязи между их структурными, а также термодинамическими, параметрами и функциональными свойствами, такими как, растворимость в водной среде; способность к защите эссенциальных липидов от окисления и деградации в процессе хранения; подверженность к воздействиям протеолитических ферментов в модельных условиях пищеварительного тракта in vitro. Установлено, что к наиболее эффективным способам регулирования функциональности таких систем можно отнести варьирование природы фосфолипидов, частичную термоденатурацию глобулярных белков и желатинизацию крахмалов, а также комплексообразование (электростатическое, ковалентное) белков с полисахаридами.

Данное направление исследований лаборатории было поддержано: в 2014-2016 годах - грантом Российского научного фонда «Создание теоретических и практических основ получения пищевых ингредиентов для обогащения функциональных продуктов питания полиненасыщенными жирными кислотами омега-3 и омега-6, стабилизированными природными антиоксидантами» (Руководитель - д.х.н. М.Г. Семёнова); в 2018- 2019 годах – грантом Российского фонда фундаментальных исследований для молодых ученых «Изучение взаимосвязи между структурой и функциональными свойствами композиционных пищевых ингредиентов, включающих комплексы биополимеров с биологически активными веществами». (Руководитель - н.с. Д.В. Зеликина). Следует отметить, что в проведении исследований большую помощь оказывали наши молодые сотрудники лаборатории: стажеры, магистранты, аспиранты.

С целью выявления наиболее эффективных растительных антиоксидантов для включения в разрабатываемые биополимерные системы доставки эссенциальных липидов, были изучены антиокислительные свойства широкого набора эфирных масел (ЭМ) по отношению к автоокислению  полиненасыщенных жирных кислот, выделенных из льняного масла и рыбьего жира. Из этих масел были приготовлены две группы смесей: первая - на основе ЭМ гвоздики и вторая на основе ЭМ орегано, так как именно эти ЭМ имели самую высокую активность. Смеси были составлены таким образом, чтобы их можно было использовать в качестве базовых для получения вкусо-ароматических композиций для различного вида пищевых продуктов: от мясных, рыбных и овощных до десертной группы. 

Также был разработан принципиально новый метод оценки антиоксидантных свойств препаратов в модельной системе на основе каротиноидов паприки. Преимуществом этого метода является то, что кинетический подход позволяет определить общую ингибирующую способность индивидуального антиоксиданта или их смеси и обеспечивает точную оценку антиоксидантной защиты. Изучено связывание и высвобождение летучих веществ – компонентов эфирных масел из водных дисперсий пищевых биополимеров (белков и полисахаридов), а также влияние на эти процессы эссенциальных липидов. Полученные данные могут быть полезными в практике применения ароматизаторов в сложных по составу пищевых продуктах, проходящих термическую обработку.

Группа флейвохимии. Слева направо: научный сотрудник Наталья Ивановна Крикунова, старший научный сотрудник, к.х.н. Маргарита Борисовна Теренина; руководитель группы, главный научный сотрудник, д.х.н. Тамара Арсеньевна Мишарина.

Научный сотрудник группы флейвохимии Ирина Борисовна Медведева (съемка телевизионного канала Россия-1, передача «Утро России»).

Полученные по данному направлению результаты работы служат научной основой для создания принципиально новых видов физиологически функциональных ингредиентов для обогащения функциональных и специализированных (профилактических) продуктов питания незаменимыми для здоровья человека биологически активными веществами, выбор которых обоснован данными доказательной медицины.

За прошедшее десятилетие свой вклад в достижение полученных результатов  внесли следующие сотрудники лаборатории: с.н.с., к.х.н. М.С. Анохина; с.н.с., к.х.н. А.С. Антипова; с.н.с., к.х.н. Белякова Л.Е.; с.н.с., к.х.н. Бинюков В.И.; аспирант Воробьёва Н.С.; н.с., к.х.н. Н.Г. Богданова; н.с., к.х.н. Н.. Григорович; магистрант М.Д. Гуреева;  н.с. Д.В. Зеликина; с.н.с., к.х.н. В.В. Каспаров; н.с., к.х.н. В.И. Киселёва; н.с. Н.И. Крикунова; с.н.с., к.ф.-м.н. А.В. Кривандин; в.н.с., д.б.н. Е.Л. Мальцева; с.н.с., к.б.н. Е.И. Мартиросова; гл.н.с., д.х.н. Т.А. Мишарина; н.с. И.Б. Медведева; в.н.с., д.б.н. К.О. Муранов; гл.н.с., д.б.н. Н.П. Пальмина; с.н.с., к.х.н.; Ю.Н. Поликарпов; с.н.с., к.ф.-м.н. Н.Н. Сажина; магистрант Ю.В. Самусева; зав. лаб., гл.н.с., д.х.н. М.Г. Семёнова; с.н.с., к.х.н. М.Б. Теренина,  магистрант С.А. Чеботарёв.

Полученные результаты сотрудников лаборатории представлены в монографии  М.Г. Семеновой "BiopolymersinFoodColloids: ThermodynamicsandMolecularInteractions",  Brill Publishers (The Netherlands) 2010 год; в коллективных монографиях, опубликованных в издательствах: Elsevier Academic Press, Royal Society of Chemistry (UK); Apple Academic Press, (USA), Nova Science Publishers (USA)  и многочисленных публикациях в российских журналах  индексируемых в базах данных Web of Sciences и Scopus,  также  в иностранных журналах, относящихся к первому квартилю (Q1): Food Hydrocolloids, Food & Function, Food Research International, Current Opinion in Colloid and Interface Science. За последнее десятилетие опубликовано 126 тезисов сотрудников лаборатории в сборниках научных трудов международных и российских конференций.

В 2012 году сотрудница лаборатории Григорович Надежда Викторовна успешно защитила диссертацию «Термодинамический и структурный анализ формирования и функциональности пищевых биополимерных наносистем для доставки липофильных биологически активных веществ»  на соискание учёной степени кандидата химических наук по специальности  физическая химия.

Слева направо: первый ряд: М.Г. Семёнова, Н.В. Григорович, М.С. Анохина, второй ряд: Д.В. Зеликина, А.С. Антипова, Е.Н. Цапкина, С.С. Козлов.

За прошедшее десятилетие продолжалась работа, связанная с изучением структуры крахмалов из различных растительных источников. Успешно были выполнены научно-исследовательские работы по теме «Investigation and comparison of the structure, physicochemical and functional properties of starches from waxy wheat» по договору, заключенному между ИБХФ РАН и компанией PHLburg Technologies, Inc. (Ответственный исполнитель - н.с., к.х.н. С.С. Козлов, исполнители - с.н.с., к.х.н. Н.К. Генкина и н.с., к.х.н. В.И. Киселёва). Также были изучены свойства крахмалов, полученных из селекционных сортов кукурузы, выращенных на северном Кавказе и предоставленных ГОУ ВПО «Пятигорским государственным технологическим университетом» в рамках договора о сотрудничестве с ИЮХФ РАН. Полученные данные предлагают эффективный способ контроля за качеством крахмалсодержащего сырья при производстве экструзионных макаронных изделий.

Результаты по этому направлению исследований были представлены в российском журнале, индексируемых в базе данных РИНЦ, «Хранение и переработка сельхозсырья» и 4 статьи в иностранных журналах, индексируемых в базах данных Web of Sciences и Scopus:Starch/Stärke; Journal of  Physics: Conference Series.

Следует отметить, что в проведении всех исследований лаборатории большую помощь оказывали наши молодые сотрудники лаборатории: стажеры, магистранты, аспиранты. В течение прошедшего десятилетия наша лаборатория продолжала поддерживать и укреплять многолетние сотрудничество и дружеские связи с кафедрой «Биотехнологии и промышленной экологии» РХТУ им. Д.И. Менделеева, студенты которой принимали участие в проведении научных исследований по гранту РНФ (руководитель зав. лаб., гл.н.с., д.х.н. Семёнова М.Г.) и продолжают работать по молодёжному гранту РФФИ (руководитель н.с. Зеликина Д.В.). В результате своей работы они подготовили 4 дипломных работы (специалитет), 5 бакалаврских работ и 5 магистерских диссертаций. Наша лаборатория также активно участвовала в проведении научной практики 14 зарубежных студентов из Бразилии; Сербии; Германии; Финляндии; Австрии; Польши; Словакии и Чехии.

Заведующая лабораторией, д.х.н. Семенова Мария Германовна и старший научный сотрудник, к.х.н. Анна Сержановна Антипова с молодыми сотрудниками, аспирантами, стажерами. Слева-направо: Н.В. Смотрова (магистрант), Н.С. Воробьёва (аспирант), А.С. Антипова, М.Г. Семёнова и Caroline Kratzner, Stuttgart  University (Germany)

 

Зарубежные студенты, проходившие стажировку в лаборатории. Слева направо: Ганзориг Гантуяа (магистрант, Монголия), Moreno Ascani, Technische  Universität Dortmund и Stefanie Schepers Technische  Universität Berlin  (Germany).

Достижения лаборатории функциональных свойств биополимеров хорошо известны в России и за рубежом, широко освещаются в средствах массовой информации (91 публикация в теле- и Интернет-СМИ). Сотрудники лаборатории активно участвуют в различных конференциях, съездах, симпозиумах. Только за последние 10 лет ими сделано 43 устных и 85 стендовых докладов на 7 всероссийских и 49 международных конференциях: Food Colloids 2010, Granada, Spain,; «Food Structures, digestion and health», Palmerston North, New Zealand, 2012; “Delivery of functionality in complex food system: Physically-inspired approaches from nanoscale to microscale” Paris, France, 2015; 19th Gums & Stabilisers for the Food Industry Conference: Hydrocolloid multifunctionality, 2017, Berlin, Germany; 17^th Food Colloids Conference «Application of Soft Matter Concepts», 2018, Leeds, UK; Международный конгресс "Биотехнологии: состояние и перспективы развития. Науки о жизни", 2018, Москва, Россия

Результаты нашей работы, представленные на различных международных конференциях, неоднократно  отмечены сертификатами, дипломами, грамотами и медалями:

- стендовый доклад: Grigorovich, N.V., Moiseenko, D.V., Antipova, A.S., Belyakova, L.E., Polikarpov, Y.N., Baranov, B.A. and Semenova, M.G. Covalent conjugates and simple mixtures of sodium caseinate with maltodextrins as biopolymer nanovehicles for the delivery of lecithin to human body via low-fat food systems -  былотмечен сертификатом «Best Phospholipid Poster Award» на международной конференции «Lecithin Short Course» 10-11 June 2010, Ghent (Belgium);

- стендовый доклад: A.S. Antipova, D.V. Zelikina, E.A. Shumilina, K.A. Baeva, M.G. Semenova. «Sequential transformation of the structural and thermodynamic parameters of the complex particles, combining covalent conjugates (sodium caseinate + maltodextrin) with polyunsaturated lipids stabilized by plant antioxidants, in the simulated gastro-intestinal conditions in vitro.  получил первую премию, как лучший стендовый доклад, на международной конференции Gums and Stabilisers for the Food Industry XVIII, Hydrocolloid functionality for affordable and sustainable global food solutions. 23–26 June, Glyndwr University,Wrexham, UK, 2015;

- Стендовые доклады Зеликиной Д.В. были отмечены дипломами международных конгрессов «Биотехнология: состояние и перспективы развития» в 2013 году и «Биотехнология и качество жизни» в 2014 году. Устные доклады Н.В. Григорович и М.Д. Гуреевой на ежегодной международной молодёжной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ. БИОХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА» были отмечены грамотами за третье место (2012 год) среди научных сотрудников и первое место - среди студентов (2018 год), соответственно.

- Серебряная медаль за разработку «Биополимерные композиции для обогащения функциональных продуктов питания полиненасыщенными омега-3 и омега-6 жирными кислотами» на XII Международной биотехнологической форум-выставке "РОСБИОТЕХ-2018"

Н.В. Григорович, М.Г. Семёнова, В.И. Киселёва, А.С. Антипова рядом с Энштейном на конференции Food Colloids 2010. On the Road from Interfaces to Consumers, Granada, Spain, March 21-24, 2010.

Слева направо: А.С. Антипова, Е.И. Мартиросова, С.А. Чеботарёв (магистрант), Ю.В. Самусева (магистрант), Д.В.Зеликина, М.Г. Семёнова, Н.П. Пальмина,  Makasa Akwebiwa J. (студент-бакалавриат); Международный конгресс "Биотехнология: состояние и перспективы развития. Науки о жизни.", 23 −25 февраля 2019 г., Москва, Россия.

Н.В. Григорович, М.Г. Семенова, В.И. Киселева, А.С. Антипова с коллегами из Испании, Греции,  Англии и Китая.

А.С. Антипова и М.Г. Семёнова с группой коллег из School of Food Science and Nutrition of the Leeds University, UK 17^th Food Colloids Conference : Application of Soft Matter Concepts. 9 -11 April  2018, Leeds, UK.

Наши сотрудники также участвовали в работе диссертационных советов ИБХФ РАН (гл.н.с., д.х.н. Т.А. Мишарина и зав. лаб., д.х.н. М.Г. Семёнова) и РХТУ им. Д.И. Менделеева (зав. лаб., д.х.н. М.Г. Семёнова); в проведении более 50 экспертиз для РНФ  (зав. лаб., д.х.н. М.Г. Семёнова); в рецензировании научных статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, в редколлегии журнала Food Hydrocolloids (Elsevier) (зав. лаб., д.х.н. М.Г. Семёнова).