Технология функционального пищевого ингредиента с использованием полиненасыщенных жирных кислот и экстракта Filipendula ulmaria тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ильина Виктория Сергеевна

• Ильина Виктория Сергеевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Ильина Виктория Сергеевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Состояние проблемы по профилактике неинфекционных заболеваний, связанных с липотоксичностью

1.1 Связь липотоксичности и неинфекционных заболеваний

1.2 Жирные кислоты и их физиологическое действие на организм человека в отношении заболеваний

1.3 Биологически активные вещества растительного сырья

1.4 Инкапсулирование

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования. Дизайн эксперимента

2.1 Объекты исследования

2.1.1 Характеристика растительных масел

2.1.2 Характеристика Filipéndula ulmaria

2.1.3 Характеристика витамина D

2.2 Методы исследования

ГЛАВА 3. Технология получения функционального пищевого ингредиента и его характеристика

3.1. Обоснование выбор вида растительного масла для получения полиненасыщенных жирных кислот

3.2 Разработка способа подготовки липидной фракции для внесения в состав функционального пищевого ингредиента

3.3 Исследование влияния полиненасыщенных жирных кислот в отношении липотоксического воздействия in vitro

3.4 Разработка способа выделения биологически активных веществ таволги вязолистной для внесения в состав функционального пищевого ингредиента

3.5 Определение технологических параметров получения инкапсулированного функционального пищевого ингредиента на основе полиненасыщенных жирных кислот и растительных экстрактов

3.6 Обоснование сроков годности и параметров хранения функционального пищевого ингредиента

3.7 Исследование влияния функционального пищевого ингредиента на

органолептические показатели в составе пищевого продукта

3.8 Технологическая схема производства функционального пищевого ингредиента на основе полиненасыщенных жирных кислот масла Camelina sativa и водного экстракта Filipéndula ulmaria

Заключение

Список используемой литературы

Список публикаций по теме диссертации

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Реферат

Актуальность темы. Важным фактором патогенеза многих заболеваний, например, таких как атеросклероз, ревматоидный артрит, сахарный диабет 2 типа, являются процессы, происходящие в организме человека под действием внутренних изменений либо внешних факторов. В связи с изменением рационов питания и снижения физической активности данные заболевания поражают все большее количество населения. Одной из причин появления таких заболеваний является липотоксичность.

Липотоксичность - это явление, при котором происходит накопление различных компонентов (в основном жирных кислот) в неспецифических органах и тканях, при этом свободные радикалы, образующиеся при окислении липидов, способны повреждать клетки организма, вызывая воспалительные процессы или апоптоз. Избыток насыщенных кислот, которыми богат рацион современного человека, может провоцировать различные состояния, включая инсулинорезистентность, митохондриальную дисфункцию, стресс эндоплазматического ретикулума, изменение содержания холестерина. Все эти состояния могут инициироваться или усугубляться при ожирении. Поэтому важно искать подходы для профилактики липотоксических воздействий, одним из которых является обогащение пищевых продуктов биологически активными веществами.

Известно, что использование полиненасыщенных жирных кислот в отношении неинфекционных заболеваний, в частности сахарного диабета 2 типа, неалкогольной жировой болезни печени и липотоксической кардиомиопатии, оказывает важное физиологическое и патологическое действие не только сами по себе, но и за счет образования различных биологически активных соединений, например, таких как липоксин А4. Избыток насыщенных и недостаток ненасыщенных жирных кислот, особенно ю-3 жирных кислот, в рационе питания, способствует ежегодному росту числа возникновений данных заболеваний на территории РФ. Недостаточное потребление растительной пищи также играет роль

в распространении данных заболеваний - фенольные соединения, в том числе флавоноиды, обладающие мощным антиоксидантным и противовоспалительным действием, особенно в зимний период потребляются в недостаточном количестве. Таким образом, для обогащения пищевых продуктов с целью профилактики липотоксических воздействий могут быть использованы полиненасыщенных жирные кислоты, а также биологически активные вещества растительного сырья в форме функционального пищевого ингредиента. Перспективным сырьем для получения данных физиологически активных ингредиентов являются растительные масла, в том числе рыжиковое, а также экстракты таволги вязолистной.

В настоящее время научная информация об использовании полиненасыщенных кислот и биологически активных веществ таволги вязолистной в форме инкапсулированного функционального пищевого ингредиента для профилактики липотоксичности отсутствует.

Цель диссертационной работы - разработка технологии инкапсулированного функционального пищевого ингредиента на основе полиненасыщенных жирных кислот масла Camelina sativa и экстракта Filipéndula ulmaria (L.) для профилактики заболеваний, связанных с липотоксичностью.

Для выполнения данной цели решались следующие задачи:

- исследовать состояние проблемы влияния жирных кислот на развитие и профилактику заболеваний, связанных с липотоксичностью, таких как сахарных диабет 2 типа, кардиомиопатия, неалкогольная жировая болезнь печени;

- обосновать выбор вида растительного масла для получения полиненасыщенных жирных кислот и растительного сырья в качестве источника антиоксидантов;

- разработать способ подготовки липидной фракции для внесения в состав функционального пищевого ингредиента;

- провести исследования влияния полиненасыщенных жирных кислот в отношении липотоксического воздействия in vitro;

- определить технологические параметры получения инкапсулированного функционального пищевого ингредиента на основе полиненасыщенных жирных кислот и растительных экстрактов;

- обосновать сроки годности и параметры хранения функционального пищевого ингредиента;

- исследовать влияние функционального пищевого ингредиента на органолептические показатели в составе пищевого продукта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология функционального пищевого ингредиента с использованием полиненасыщенных жирных кислот и экстракта Filipendula ulmaria»

Научная новизна работы.

Обоснована возможность использования смеси полиненасыщенных жирных кислот, полученной криоконцентрированием масла рыжика посевного (Camelina sativa), совместно с водным экстрактом таволги вязолистной (Filipéndula ulmaria L.) в микроинкапсулированной форме в качестве физиологически функционального пищевого ингредиента для профилактики заболеваний, связанных с липотоксическим воздействием.

Установлено липопротекторное действие смеси полиненасыщенных жирных кислот в модели in vitro, выражающееся в сохранении клеточной массы и метаболической активности клеток кардиомиобластов H9c2(2-1) в среднем на 90 %, а также в росте клеточной массы в среднем на 20 % и метаболической активности в среднем на 50 % клеток поджелудочной железы BRIN-BD11.

По результатам исследования состава, микробиологических показателей безопасности, кислотного и перекисного числа установлен срок холодильного хранения функционального пищевого ингредиента при различных условиях.

Теоретическая и практическая значимость.

Разработана технология получения инкапсулированного функционального пищевого ингредиента с полиненасыщенными жирными кислотами масла Camelina sativa и водного экстракта Filipéndula ulmaria (L.) методом со-экструзии. Размер капсул составляет 190 ± 40 мкм, рН 5,32 ± 0,02, содержание воды 58 ± 3 %.

Показано, что содержание биологически активных веществ полифункционального пищевого ингредиента в порции капсул массой 2,6 г составляет 29,4 мг флавоноидов (96 % от рекомендуемого адекватного уровня потребления в сутки), 500 ± 60 МЕ витамина D (83 % от суточной потребности), 338 ±17 мг ю-3 жирных кислот, в том числе 330,3 мг линоленовой и 7,3 мг арахидоновой кислоты (15,6 % от суточной потребности).

Определена доза функционального ингредиента при производстве кисломолочного (йогурт) и мясного (паштет) продуктов повышенной биологической ценности без изменения органолептических показателей качества.

Разработана техническая документация (ТУ и ТИ 10.89.19.150-001-02066397-2023) по производству функционального пищевого ингредиента профилактического действия на основе полиненасыщенных жирных кислот и экстракта таволги вязолистной. Проведена апробация полученного функционального пищевого ингредиента в условии производственных испытаний на ООО «Нордена».

Основные положения, выносимые на защиту:

- параметры криоконцентрирования полиненасыщенных жирных кислот из растительных масел для получения функционального пищевого ингредиента;

- технологические параметры инкапсулирования полиненасыщенных жирных кислот масла Camelina sativa и водного экстракта Filipéndula ulmaria (L.) методом со-экструзии;

- данные о липотоксическом и липопротекторном воздействии жирных кислот на метаболическую активность и накопление клеточной массы in vitro для клеточных линий BRIN-BD 11 и Н9с2 (2-1).

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Для каждого эксперимента проводилось не менее трёх параллельных испытаний, полученные значения подвергали статистической математической обработке с доверительной вероятностью р = 0,95 в пакетах Microsoft Excel и GraphPad Prism.

Апробация полученных в диссертационной работе результатов проводилась на конференциях различного уровня: Международный научный форум «Неделя Науки - 2019» 18-23 ноября 2019 года, СПбГПУ Петра Великого; Международная Научная Конференция "Digital Transformation on Manufacturing, Infrastructure and Service" (DTMIS 2019), СПбГУ Петра Великого (Санкт-Петербург, 21-22 ноября 2019 г.); XLIX научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 29 января - 1 февраля 2020 г.); IX Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 15-18 апреля 2020 г.); L научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 1 - 4 февраля 2021 г.); X Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2021 г.); LI научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2 - 5 февраля 2022 г.); XI Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 6-8 апреля 2022 г.); Международный конгресс "The 56th Annual Scientific Meeting of the European Society for Clinical Investigation (ESCI)" (Бари, Италия, 8-10 июня 2022 г.); LII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 31 января - 03 февраля 2022 г.); XII Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 3-6 апреля 2023 г.); IV Международная научная конференция «Экосистемы без границ-2023» (Калининград, 27-28 сентября, 2023 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, включая 2 статьи в изданиях перечня ВАК, 3 статьи в базах данных Scopus и Web of Science, также опубликован 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 210 страницах (введение, три главы, заключение, список литературы и приложения) и содержит: 18 рисунков, 6 таблиц, 3 приложения.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-16-00243.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вводной части диссертации описано состояние проблемы, на решение которой направлено настоящее исследование, обоснована актуальность темы исследования, представлены цель и задачи работы, а также определены практическая и теоретическая значимость, научная новизна и выносимые на защиту научные положения.

Аналитический обзор зарубежных и отечественных источников литературы, посвященный изучению состояния проблемы по профилактике неинфекционных заболеваний, связанных с липотоксичностью, а именно сахарного диабета 2 типа, неалкогольной жировой болезни печени и липотоксической кардиомиопатии, представлен в первой главе. Особое внимание в первой главе уделено влиянию различных жирных кислот на развитие и профилактику данного ряда заболеваний, использование биологически активных веществ растительного сырья, в частности таволги вязолистной, способствующих снижению воспалительных процессов, часто сопутствующих липотоксичности различных органов и тканей. Также описаны существующие методики инкапсулирования как способа защиты нестабильных гидро- и липофильных биологически активных веществ для внесения в состав пищевых продуктов.

Объекты настоящего исследования, методы и схема проведения исследования представлены во второй главе. Объектами исследования выступили: нерафинированные растительные масла холодного отжима, по литературным источникам богатые ненасыщенными жирными кислотами - кунжутное, льняное, рыжиковое, рапсовое, подсолнечное, конопляное и облепиховое; водные и водно-этанольные экстракты таволги вязолистной, собранные в различных регионах России - Ярославской области, Ленинградской области и Республики Башкортостан; витамин D в жирорастворимой форме.

Выбранное масло растительного происхождения криоконцентрировали и собирали супернатант, содержащий высокие концентрации полиненасыщенных жирных кислот. Параллельно был получен водный экстракт таволги вязолистной.

Полученную жировую фракцию смешивали с витамином D, раствором альгината натрия в экстракте и эмульгатором, затем смесь подвергали гомогенизации до состояния стабильной эмульсии и инкапсулировали методом со-экструзии в раствор лактата кальция. Полученные капсулы собирали, промывали дистиллированной водой и водно-этанольным раствором, давали этанолу выпариться, затем распределяли по 4 различным растворам хранения в стерильных условиях. Считали потери на инкапсулирование. Свежеполученные микрокапсулы исследовали на эффективность инкапсулирования по водорастворимым и жирорастворимым биологически активным компонентам, определяли кислотное и перекисное числа, а также микробиологические показатели. Также оценивали морфологию капсул, их рН, содержание в них воды и термоустойчивость. Проводили те же исследования в каждом из 4 растворов по истечении периода хранения для определения лучшего раствора и сроков хранения полученного инкапсулированного функционального пищевого ингредиента. Полученный пищевой ингредиент оценивали органолептически в составе кисломолочного продукта с использованием баллового метода оценки. По результатам всех исследований определяли параметры использования полученного функционального пищевого ингредиента в составе выбранного продукта. На рисунке 1 представлена схема выполнения исследования.

Рисунок 1. Схема выполнения исследования

Обоснование выбор вида растительного масла для получения полиненасыщенных жирных кислот

При исследовании химического состава растительных масел методом газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХМС) были получены результаты, представленные в таблице 1. Целевой полиненасыщенной жирной кислотой была определена полиненасыщенная линоленовая кислота (С18:3).

Согласно полученным данным, наибольшее содержание ю-3 полиненасыщенной линоленовой кислоты обнаруживается в льняном и рыжиковом масле. Наименьшее содержание насыщенных жирных кислот и высокое содержание целевых полиненасыщенных жирных кислот присутствует в

рыжиковом и льняном маслах, которые были использованы в процессе концентрирования.

Таблица 1. Содержание основных детектируемых жирных кислот в образцах растительных масел

Масла Содержание жирных кислот в маслах, %

С16:0 С18:0 С18:1 С18:2 С18:3 С20:4

Кунжутное 11,8 4,4 39,1 43,6 - -

Льняное 3,6 3,2 15,8 12,5 49,7 -

Рыжиковое 6,0 2,0 20,0 16,6 37,2 0,8

Рапсовое 3,2 1,9 47,4 13,3 10,8 -

Подсолнечное 5,6 2,9 16,3 57,8 - 0,2

Конопляное 7,4 3,2 18,1 52,2 19,0 -

Облепиховое 30,7 0,4 24,2 5,9 - -

Хроматограммы, полученные при исследовании жирнокислотного состава образцов рыжикового и льняного масел, представлены на рисунке 2 и 3.

Рисунок 2. Типичная хроматограмма образца рыжикового масла

Рисунок 3. Типичная хроматограмма образца льняного масла

Разработка способа подготовки липидной фракции для внесения в состав функционального пищевого ингредиента

Основываясь на описанных в литературе результатах исследований, был подобран способ подготовки липидной фракции методом концентрирования целевых полиненасыщенных жирных кислот из рыжикового масла.

Концентрирование полиненасыщенных жирных кислот из растительных масел проводилось с помощью гидролиза с последующим криоконцентрированием. Для этого 100 г масла загружали в стеклянную емкость объемом 2 л, добавляли раствор 29 % NaOH в 500 мл 70 % этанола. Смесь подогревали до 65 °С и перемешивали на магнитной мешалке с подогревом в течение 1 ч. Далее реакционную смесь охлаждали до температуры 20 ± 2 °С и подкисляли 1 М раствором HCl до рН = 2. Спирт выпаривали на ротационном испарителе EV311-V Plus (Lab Tech, Италия) при температуре 65 °С и ниже. Криоконцентрировали реакционную смесь на центрифуге Avanti J-26XP (Beckman Coulter, Inc., США) в течение 2 часов при параметрах: температура -10 °С, 3,900 g.

На рисунке 4 представлено разделение масла после криоконцентрирования -полиненасыщенные жирные кислоты обладают более низкой температурой плавления, благодаря чему остаются в супернатанте, а глицерин и насыщенные жирные кислоты выпадают в осадок.

Фракция полиненасыщенных жирных кислот не переходила в супернатант при криоконцентрировании льняного масла, вся смесь полностью замерзала в процессе исследования и не разделялась, поэтому в дальнейшей работе было использовано криоконцентрированное масло рыжика посевного. Полученный супернатант исследовали на содержание жирных кислот методом ГХМС, сравнивали с результатами исходного масла до криоконцентрирования.

Соотношение насыщенных, мононенасыщенных и полиненасыщенных жирных кислот в масле составило, соответственно (в % от общей массы):

- до криоконцентрирования - 9,46 : 24,32 : 66,22;

- после криоконцентрирования - 4,28 : 22,46 : 73,26.

В полученном криоконцентрированном масле соотношение жирных кислот поменялось следующим образом: содержание пальмитиновой кислоты снизилось на 62,5 %, стеариновой кислоты - на 60,0 %, олеиновой кислоты - на 22,2 %, линолевой - на 33,3 %. Содержание ю-3 жирных кислот в криоконцентрированном масле рыжика посевного составило 338 ± 17 мг/мл.

Рисунок 4. Образец масла после криоконцентрирования

Калорийность суточного рациона взрослого человека согласно физиологическим нормам потребления МР 2.3.1.0253—21 зависит от его физиологических параметров, уровня физической активности, пола, возраста и других факторов. Рекомендуемая калорийность находится в диапазоне от 1600 ккал до 2400 ккал, средняя суточная калорийность составляет 2000 ккал, из которых 1.. .2 %, то есть 20.. .40 ккал должно приходиться на ю-3 жирные кислоты.

Для обеспечения функциональности разрабатываемого функционального пищевого ингредиента в ю-3 полиненасыщенных жирных кислотах необходимо от 1 до 3 мл полученного криоконцентрированного рыжикового масла.

Исследование влияния полиненасыщенных жирных кислот в отношении

липотоксического воздействия in vitro

В ходе исследования липотоксического воздействия жирных кислот различной степень насыщенности на клеточные линии кардиомиобластов и поджелудочной железы (H9c2(2-1) и BRIN-BD11, соответственно) были использованы свежеприготовленные стерильные концентрации жирных кислот (от 1,0 ммоль и ниже). Графики зависимости метаболической активности и накопления клеточной массы от используемых жирных кислот в различных концентрациях представлены на рисунках 5, 6, 7 и 8.

I л

о го £

0 х о

1 S *

its

i ° ^

Я Р) 1—

К ш 5

° * S

s

1 3- л .я § I

с в

150

100

50

Опыт с резазурином (24 ч)

Клеточная линия Н9с2(2-1)

Пальмитиновая кислота Смесь жирных кислот

Концентрация (миллимоль)

0

Рисунок 5. Метаболическая активность клеток Н9с2(2-1) при воздействии различных концентраций жирных кислот

Смесь жирных кислот практически не оказывает влияния на метаболическую активность клеток в любой концентрации, снижая ее в среднем на 10 %. При добавлении насыщенной пальмитиновой кислоты видна четкая зависимость снижения метаболической активности и клеточной массы при увеличении концентрации пальмитиновой кислоты, что доказывает ее токсическое действие на клетки.

Опыт с сульфородамином Б (24 ч)

Клеточная линия Н9с2(2-1)

I

о ю

150-1

л

I

с

т °

та ш

0 <и к га I С 5 ^ О

к ч: £

1 * ° 5 а. ^

I £ 15

НО. -л

=5 О Ь

ш

ш

3

о

Е

о с

100-

Пальмитиновая кислота Смесь жирных кислот

^ ^

Концентрация (миллимоль)

Рисунок 6. Накопление клеточной массы клеток Н9с2(2-1) при воздействии различных концентраций жирных кислот

Опыт с резазурином (24 ч)

Клеточная линия ВР!1\1-Вй11

с ч: к

2 ^ с

л СР °

£11 £

о го £

0 X 8

1 ^ ^

ш ■& н

3 ^ о

¡ё й- ^

5 О ^

та со *—

х ш

зе з

о ш >.

л

е

300-1

200-

100-

II

тн-

л\ ¿ъ <л <л \ гЛ ¿ъ <л <л \ гЛ ¿ъ <л <л \ й- й- й- ^ й- й- й- ^ й- й- й- ^

Пальмитиновая кислота Смесь жирных кислот Линоленовая кислота

Концентрация (миллимоль)

Рисунок 7. Метаболическая активность клеток BRIN-BD11 при воздействии различных концентраций жирных кислот

I

о

Опыт с сульфородамином Б (24 ч)

Клеточная линия ВР!Ы-ВР11

150-1

.о

I

с о

ш „

ш ЕЕ

* Я

4 !Е

5 о о^ * 1= н ш °

100-

I

ш ^

о

!Е

о с

50- ^

Лши

Пальмитиновая кислота Смесь жирных кислот Линоленовая кислота

4

о\ Л П<0<0 \ л П<0<0 \ л <0 \

О* О* О* О* О*

Концентрация (миллимоль)

Рисунок 8. Накопление клеточной массы клеток BRIN-BD11 при воздействии различных концентраций жирных кислот Наблюдается рост метаболической активности при добавлении смеси жирных кислот в среднем на 50 % по сравнению с контролем, кроме концентрации в 1 ммоль. Насыщенная пальмитиновая кислота значительно снижает активность клеток - минимум на 30 %. Полиненасыщенная линоленовая кислота оказывает токсическое действие только в высокой концентрации, при этом в концентрациях ниже 1 ммоль улучшает метаболическую активность клеток в среднем на 25 %.

На графике видна зависимость гибели клеток с увеличением концентрации пальмитиновой кислоты, однако смесь жирных кислот практически не оказывает негативного влияния на клеточный рост даже при высоких концентрациях, увеличивая его в среднем на 20 % по сравнению с контролем. Полиненасыщенная линоленовая кислота также улучшает выживаемость и рост клеток по сравнению с контролем в среднем на 25 %, однако ее концентрация в 1 миллимоль вызывают значительную гибель клеток.

По результатам исследования наблюдается значительное липотоксическое воздействие насыщенной пальмитиновой кислоты - даже в низких концентрациях она вызывает гибель 50 % клеток по сравнению с контролем, при этом смесь

жирных кислот, в состав которой дополнительно входят полиненасыщенные жирные кислоты, не оказывает такого токсического влияния на клетки.

По результатам проведенного исследования был сделан вывод о том, что при использовании в составе функционального пищевого ингредиента смеси жирных кислот с пониженным содержанием насыщенных и повышенным содержанием доли ненасыщенных, особенно полиненасыщенных жирных кислот, улучшаются функции клеток сердца и поджелудочной железы. При этом любые концентрации чистой пальмитиновой кислоты и высокие концентрации линоленовой кислоты обладают липотоксичным воздействием. Таким образом, предложенная смесь жирных кислот обеспечивает защиту клеток сердца и поджелудочной железы от липотоксического воздействия.

Разработка способа выделения биологически активных веществ таволги вязолистной для внесения в состав функционального пищевого ингредиента

Для обоснования использования таволги вязолистной в качестве источника антиоксидантов были получены водные и водно-этанольные экстракты, выращенной в Ленинградской и Ярославской области, а также в Республике Башкортостан. Для этого сухие цветки таволги вязолистной измельчали с использованием лабораторной мельницы до размера частиц 2 мм, затем 1 г измельченного сырья был помещен в колбу Эрленмейера объемом 100 см3, туда же вносили 100 см3 70 % этанола или дистиллированной воды. Экстракты нагревали до 50 °С и держали при данной температуре в течение 1 ч при постоянном перемешивании на магнитной мешалке с использованием обратного холодильника. По истечении времени экстракты охлаждали до температуры 20 ± 2 °С, фильтровали через бумажный фильтр с размером пор 5-8 мкм, доводили до метки и хранили при 4 °С до начала эксперимента. В данном исследовании особый интерес представляли флавоноиды. Результаты исследования количественного содержания флавоноидов в водном и этанольном экстрактах, полученных при

экстрагировании биологически активных веществ из цветков таволги вязолистной представлены в таблице 2.

Таблица 2. Количественное содержание флавоноидов в экстрактах из цветков таволги вязолистной, собранной в различных регионах России

Содержание флавоноидов (х ± А)

мг/100 мл экстракта мг/г сухого вещества

Таволга Ленинградс кой области Таволга Ярославск ого региона Таволга Республики Башкортос тан Таволга Ленинградс кой области Таволга Ярославск ого региона Таволга Республики Башкортос тан

Водные экстракт ы 403 ± 32 309 ± 33 287 ± 36 80,6 ± 2,9 61,8 ± 1,8 56,4 ± 1,9

Водно-этанольн ые экстракт ы 529 ± 34 390 ± 50 360 ± 40 105,8 ± 3,1 78,8 ± 2,5 69,3 ± 2,2

Содержание флавоноидов в этанольных экстрактах выше, чем в водных экстрактах таволги для всех исследованных образцов. Содержание флавоноидов в образцах экстрактов таволги Ленинградской области превышает изучаемый показатель в других исследованных образцах. Наибольшее значение содержания флавоноидов наблюдается в этанольном экстракте таволги вязолистной из Ленинградской области, которое в среднем составила 529 мг на 100 мл экстракта, что эквивалентно 105,8 мг/г сухого вещества. Содержание флавоноидов в водных экстрактах лабазника вязолистного из Республики Башкортостан и Ярославской области определено в среднем как 360 и 390 мг/100 мл экстракта или 69,3 и 78,8 мг/г сухого вещества соответственно, что является наименьшим определяемым содержанием из представленных образцов. Количественное содержание флавоноидов в экстракте таволги вязолистной из Ленинградской области, полученного экстракцией в дистиллированной воде, сопоставимо с содержанием флавоноидов в этанольном экстракте таволги из Ярославской области. Такое

различие в содержании флавоноидов в экстрактах таволги вязолистной из разных регионов России может быть обусловлено отличиями в климатических условиях произрастания растений, например, с составом почв.

Из имеющихся в составе таволги вязолистной флавоноидов, наибольшее содержание представлено кверцетином. Адекватный уровень потребления флавоноидов (кверцетина, кемпферола и других) согласно нормам физиологических потребностей МР 2.3.1.0253—21 для взрослого человека в сутки составляет 30 мг. Для обеспечения функциональности разрабатываемого функционального пищевого ингредиента по флавоноидам необходимо 0,84 мл водно-этанольного экстракта или 1,12 мл водного экстракта таволги вязолистной.

Определение технологических параметров получения инкапсулированного функционального пищевого ингредиента на основе полиненасыщенных жирных кислот и растительных экстрактов

Для получения инкапсулированного функционального пищевого ингредиента было обосновано применение альгината натрия. Подготовка эмульсии для инкапсулирования проходила следующим образом: альгинат натрия растворяли в предварительно выпаренном в 2 раза на ротационном испарителе EV311-V Plus (Lab Tech, Италия) при 50 °С водном экстракте - данный этап необходим для увеличения концентрации биологически активных веществ в экстракте без выпадения их в осадок. Концентрация альгината, растворенного в экстракте, должна быть 1,5 %. В полученную смесь вносят 18 мл криоконцентрированного рыжикового масла, 2 мл жирорастворимого витамина D (10000 МЕ), а также эмульгатор Tween-80 в количестве 1 % от общей смеси. Полученную смесь аккуратно перемешивают, затем подвергают гомогенизации с использованием роторного диспергатора Ultra-Turrax T 18 (IKA-Werke, Германия) в режиме 5 мин при 5000 об/мин и 5 мин при 15000 об/мин, затем оставляют на 30 мин при 4 °С для стабилизации и оседания пены.

Перед началом процесса инкапсулирования подготавливается 5 % раствор лактата кальция в воде. Смесь перемешивается на магнитной мешалке до полного растворения. Все этапы пробоподготовки проходили в стерильных условиях.

Полученная эмульсия была стабильной, однородной на протяжении всего эксперимента, хорошо инкапсулировалась, не забивая форсунки, с использованием того же режима инкапсулирования: частота 1500 Гц, диаметр форсунки 150 мкм, давление 40 кПа. Внешний вид эмульсии на основе водного экстракта таволги вязолистной после стабилизации представлен на рисунке 9.

После прохождения форсунки капли инкапсулируемой эмульсии попадали в 5 % раствор лактата кальция для формирования микрокапсул и находились в растворе при постоянном перемешивании при 200-300 об/мин минимум 30 мин, после чего капсулы отделяли от раствора-отвердителя, промывали в два этапа -дистиллированной водой и затем 70 % этанолом. Промытые капсулы помещали на фильтровальную бумагу равномерным слоем, чтобы избавиться от этанола, затем взвешивали.

Потери в процессе инкапсулирования по общей смеси составили 5 мл или 4 %. Из 120 мл эмульсии было получено 40 г капсул.

Рисунок 9. Внешний вид эмульсии с водным экстрактом таволги

вязолистной

После инкапсулирования 120 мл эмульсии объем лактата кальция увеличился на 25 мл, то есть потери биологически активных водорастворимых веществ таволги вязолистной на этапе инкапсулирования составили 20 %. Уточнение данного результата будет дополнительно подтверждено при исследовании эффективности инкапсулирования по биологически активным веществам таволги вязолистной.

Размер и форма микрокапсул полученного функционального пищевого ингредиента представлены на рисунке 10.

Форма полученных микрокапсул округлая, неровная, часто напоминающая форму капли, поверхность шероховатая ввиду наличия пор на поверхности капсул из альгината натрия, характерных для со-экструзии эмульсии. Микрокапсулы склонны к образованию небольших легко разделяемых агломератов. Средний размер капсул - 190 ± 40 мкм.

Водородный потенциал полученного функционального пищевого ингредиента находится в пределах рН 5,32 ± 0,02, что является слабокислой средой, характерной для многих пищевых продуктов.

По результатам исследования термоустойчивости, капсулы сохраняют свою форму и размер, что предварительно говорит о возможности использования полученного функционального пищевого ингредиента при пастеризации продуктов питания. Вид микрокапсул после термообработки представлен на рисунке 1 1.

Рисунок 10. Микрокапсулы полученного функционального пищевого ингредиента (электронный микроскоп)

Рисунок 11. Микрокапсулы полученного функционального пищевого ингредиента после термообработки (световой микроскоп)

Содержание воды в полученном функциональном пищевом ингредиенте составляет 58 ± 3 %.

Полученные капсулы хранятся в 2 % растворе лактата кальция при 4 °С до начала исследований.

В ходе исследования эффективности инкапсулирования по жирорастворимым биологически активным веществам, навеску капсул массой 1 г растворяли в 9 мл 2 % цитрата натрия, затем разводили в 2 раза для снижения содержания альгината натрия в пробе. После проведения исследования согласно ГОСТ 5867-90 и последующего центрифугирования, получили разделение масляной фракции, альгината и серной кислоты. Фото расслоения пробы в жиромере представлено на рисунке 12.

Количество масляной фракции в инкапсулируемой смеси составляет 20 мл на 120 мл или 16,6 %. Количество масляной фракции по результатам исследования составило 14 % на 1 г капсул.

Эффективность инкапсулирования по жирорастворимым биологически активным веществам составила 77,8 %.

1

щ ' *

Рисунок 12. Объем масляной фракции в образце полученного функционального пищевого ингредиента При исследовании эффективности инкапсулирования по водорастворимым биологически активным веществам полученные данные сравнивали с исходным экстрактом, и экстрактом, выпаренным в 2 раза. Результаты исследования представлены в таблице 3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ильина Виктория Сергеевна, 2023 год

Список используемой литературы

1. Дедов И.И. Ш. М. В. и др. САХАРНЫЙ ДИАБЕТ: ДИАГНОСТИКА, ЛЕЧЕНИЕ, ПРОФИЛАКТИКА / Ш. М. В. и др. Дедов И.И., Издательство «Медицинское информационное агентство» (Москва), 2011.

2. Зайцева Л. В., Нечаев А. П. Баланс полиненасыщенных жирных кислот в питании // Пищевая промышленность. 2014. (11). C. 56-59.

3. Abel E. D., O'Shea K. M., Ramasamy R. Insulin Resistance: Metabolic Mechanisms and Consequences in the Heart // Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 2012. № 9 (32). C. 2068-2076.

4. Aguirre Calvo T. R., Perullini M., Santagapita P. R. Encapsulation of betacyanins and polyphenols extracted from leaves and stems of beetroot in Ca(II)-alginate beads: A structural study // Journal of Food Engineering. 2018. (235). C. 32-40.

5. Ambring A. [и др.]. Mediterranean-inspired diet lowers the ratio of serum phospholipid n-6 to n-3 fatty acids, the number of leukocytes and platelets, and vascular endothelial growth factor in healthy subjects // The American Journal of Clinical Nutrition. 2006. № 3 (83). C. 575-581.

6. Atencio S. [и др.]. Encapsulation of ginger oil in alginate-based shell materials // Food Bioscience. 2020. (37). C. 100714.

7. Bakry A. M. [и др.]. Microencapsulation of Oils: A Comprehensive Review of Benefits, Techniques, and Applications // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2016. № 1 (15). C. 143-182.

8. Baranenko D. [и др.]. Development of encapsulated extracts on the basis of meadowsweet (Filipendula ulmaria) in the composition of functional foods with oncoprotective properties // Agronomy Research. 2019. № 5 (17). C. 1829-1838.

9. Barden A. [и др.]. Short-term n-3 fatty acid supplementation but not aspirin increases plasma proresolving mediators of inflammation // Journal of Lipid Research. 2014. № 11 (55). C. 2401-2407.

10. Bathina S., Das U. N. PUFAs, BDNF and lipoxin A4 inhibit chemical-induced cytotoxicity of RIN5F cells in vitro and streptozotocin-induced type 2 diabetes mellitus in vivo // Lipids in Health and Disease. 2019. № 1 (18). C. 214.

11. Bespalov V. G. [h gp.]. The inhibitory effect of meadowsweet ( Filipéndula ulmaria ) on radiation-induced carcinogenesis in rats // International Journal of Radiation Biology. 2017. № 4 (93). C. 394-401.

12. Bespalov V. G. [h gp.]. The inhibitory effect of meadowsweet ( Filipéndula ulmaria ) on radiation-induced carcinogenesis in rats // International Journal of Radiation Biology. 2017. № 4 (93). C. 394-401.

13. Camacho D. H. [h gp.]. Encapsulation of folic acid in copper-alginate hydrogels and it's slow in vitro release in physiological pH condition // Food Research International. 2019. (119). C. 15-22.

14. Chew S. C., Nyam K. L. Microencapsulation of kenaf seed oil by co-extrusion technology // Journal of Food Engineering. 2016. (175). C. 43-50.

15. Chiu H.-C. [h gp.]. A novel mouse model of lipotoxic cardiomyopathy // Journal of Clinical Investigation. 2001. № 7 (107). C. 813-822.

16. Chowdhury R. [h gp.]. Association of Dietary, Circulating, and Supplement Fatty Acids With Coronary Risk // Annals of Internal Medicine. 2014. № 6 (160). C. 398.

17. D^browski G., Konopka I. Update on food sources and biological activity of odd-chain, branched and cyclic fatty acids — A review // Trends in Food Science & Technology. 2022. (119). C. 514-529.

18. Das U. Essential Fatty Acids - A Review // Current Pharmaceutical Biotechnology. 2006. № 6 (7). C. 467-482.

19. Das U. Arachidonic Acid Has Anti-Inflammatory and Anti-Diabetic Actions In Vitro and In Vivo // Current Developments in Nutrition. 2020. (4). C. nzaa052_016.

20. DeFronzo R. A. From the Triumvirate to the Ominous Octet: A New Paradigm for the Treatment of Type 2 Diabetes Mellitus // Diabetes. 2009. № 4 (58). C. 773-795.

21. Desai K. G. H., Jin Park H. Recent Developments in Microencapsulation of Food Ingredients // Drying Technology. 2005. № 7 (23). C. 1361-1394.

22. Drummond E. M. [h gp.]. Inhibition of Proinflammatory Biomarkers in THP1 Macrophages by Polyphenols Derived From Chamomile, Meadowsweet and Willow bark // Phytotherapy Research. 2013. № 4 (27). C. 588-594.

23. Eckel R. H. [h gp.]. 2013 AHA/ACC Guideline on Lifestyle Management to Reduce Cardiovascular Risk // Circulation. 2014. № 25_suppl_2 (129).

24. Engin A. B. What is lipotoxicity? Springer New York LLC, 2017.C. 197-220.

25. F. Gibbs S. K. I. A. B. Encapsulation in the food industry: a review // International Journal of Food Sciences and Nutrition. 1999. № 3 (50). C. 213-224.

26. Ferrandiz M. [h gp.]. Development and characterization of bioactive alginate microcapsules with cedarwood essential oil // Flavour and Fragrance Journal. 2017. № 3 (32). C. 184-190.

27. Forouhi N. G. [h gp.]. Differences in the prospective association between individual plasma phospholipid saturated fatty acids and incident type 2 diabetes: the EPIC-InterAct case-cohort study // The Lancet Diabetes & Endocrinology. 2014. № 10 (2). C. 810-818.

28. Fretts A. M. [h gp.]. Plasma Phospholipid Saturated Fatty Acids and Incident Atrial Fibrillation: The Cardiovascular Health Study // Journal of the American Heart Association. 2014. № 3 (3).

29. Ghosh S. [h gp.]. Altered Glutathione Homeostasis in Heart Augments Cardiac Lipotoxicity Associated with Diet-induced Obesity in Mice // Journal of Biological Chemistry. 2011. № 49 (286). C. 42483-42493.

30. Gr0nn M. [h gp.]. Dietary n-6 fatty acids inhibit the incorporation of dietary n-3 fatty acids in thrombocyte and serum phospholipids in humans: A controlled dietetic study // Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation. 1991. № 3 (51). C. 255-263.

31. Gundala N. K. V., Das U. N. Arachidonic acid-rich ARASCO oil has antiinflammatory and antidiabetic actions against streptozotocin + high fat diet induced diabetes mellitus in Wistar rats // Nutrition. 2019. (66). C. 203-218.

32. Gutiérrez-Tenorio J. [h gp.]. The role of oxidative stress in the crosstalk between leptin and mineralocorticoid receptor in the cardiac fibrosis associated with obesity // Scientific Reports. 2017. № 1 (7). C. 16802.

33. Harrison S. A. [h gp.]. Development and validation of a simple NAFLD clinical scoring system for identifying patients without advanced disease // Gut. 2008. № 10 (57). C. 1441-1447.

34. Herpen N. A. van, Schrauwen-Hinderling V. B. Lipid accumulation in non-adipose tissue and lipotoxicity // Physiology and Behavior. 2008. № 2 (94). C. 231-241.

35. Hirabara S. M., Curi R., Maechler P. Saturated fatty acid-induced insulin resistance is associated with mitochondrial dysfunction in skeletal muscle cells // Journal of Cellular Physiology. 2010. № 1 (222). C. 187-194.

36. Hooper L. [h gp.]. Reduction in saturated fat intake for cardiovascular disease // Cochrane Database of Systematic Reviews. 2020. № 8 (2020).

37. Hu F. B. [h gp.]. Dietary Fat Intake and the Risk of Coronary Heart Disease in Women // New England Journal of Medicine. 1997. № 21 (337). C. 1491-1499.

38. Hu F. B., Liu S., Dam R. M. van Diet and risk of Type II diabetes: the role of types of fat and carbohydrate // Diabetologia. 2001. № 7 (44). C. 805-817.

39. Itariu B. K. [h gp.]. Long-chain n-3 PUFAs reduce adipose tissue and systemic inflammation in severely obese nondiabetic patients: a randomized controlled trial // The American Journal of Clinical Nutrition. 2012. № 5 (96). C. 1137-1149.

40. Jakobsen M. U. [h gp.]. Major types of dietary fat and risk of coronary heart disease: a pooled analysis of 11 cohort studies // The American Journal of Clinical Nutrition. 2009. № 5 (89). C. 1425-1432.

41. Ji Y. [h gp.]. Genome-Wide and Abdominal MRI Data Provide Evidence That a Genetically Determined Favorable Adiposity Phenotype Is Characterized by Lower Ectopic Liver Fat and Lower Risk of Type 2 Diabetes, Heart Disease, and Hypertension // Diabetes. 2019. № 1 (68). C. 207-219.

42. Joseph L. C. [h gp.]. Mitochondrial oxidative stress during cardiac lipid overload causes intracellular calcium leak and arrhythmia // Heart Rhythm. 2016. № 8 (13). C. 1699-1706.

43. Joshua S. R. [h gp.]. Health to Eat: A Smart Plate with Food Recognition, Classification, and Weight Measurement for Type-2 Diabetic Mellitus Patients' Nutrition Control // Sensors. 2023. № 3 (23). C. 1656.

44. Kanatt S. R., Tari S., Chawla S. P. Encapsulation of extract prepared from irradiated onion scales in alginate beads: a potential functional food ingredient // Journal of Food Measurement and Characterization. 2018. № 2 (12). C. 848-858.

45. Katanic J. [h gp.]. Bioactivity, stability and phenolic characterization of Filipendula ulmaria (L.) Maxim. // Food & Function. 2015. № 4 (6). C. 1164-1175.

46. Katanic J. [h gp.]. Filipendula ulmaria extracts attenuate cisplatin-induced liver and kidney oxidative stress in rats: In vivo investigation and LC-MS analysis // Food and Chemical Toxicology. 2017. (99). C. 86-102.

47. Kirk E. P., Klein S. Pathogenesis and Pathophysiology of the Cardiometabolic Syndrome // The Journal of Clinical Hypertension. 2009. № 12 (11). C. 761-765.

48. Kuprina E. [h gp.]. Technology development of obtaining essential fatty acids from hydrobionts hydrolyzates // Agronomy Research. 2019. № 6 (17). C. 2317-2326.

49. Kusminski C. M. [h gp.]. Diabetes and apoptosis: Lipotoxicity // Apoptosis. 2009. T. 14. № 12. C. 1484-1495.

50. Lim H.-Y. [h gp.]. Phospholipid homeostasis regulates lipid metabolism and cardiac function through SREBP signaling in Drosophila // Genes & Development. 2011. № 2 (25). C. 189-200.

51. Loon L. J. C. Van, Goodpaster B. H. Increased intramuscular lipid storage in the insulin-resistant and endurance-trained state // Pflugers Archiv European Journal of Physiology. 2006. T. 451. № 5. C. 606-616.

52. Lorgeril M. de [h gp.]. Mediterranean alpha-linolenic acid-rich diet in secondary prevention of coronary heart disease // The Lancet. 1994. № 8911 (343). C. 1454-1459.

53. Lotta L. A. [h gp.]. Association of Genetic Variants Related to Gluteofemoral vs Abdominal Fat Distribution With Type 2 Diabetes, Coronary Disease, and Cardiovascular Risk Factors // JAMA. 2018. № 24 (320). C. 2553.

54. Ma D. [h gp.]. Microgel-in-Microgel Biopolymer Delivery Systems: Controlled Digestion of Encapsulated Lipid Droplets under Simulated Gastrointestinal Conditions // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2018. № 15 (66). C. 3930-3938.

55. Marín-Royo G. [h gp.]. The Impact of Cardiac Lipotoxicity on Cardiac Function and Mirnas Signature in Obese and Non-Obese Rats with Myocardial Infarction // Scientific Reports. 2019. № 1 (9). C. 444.

56. Marín-Royo G. [h gp.]. The role of mitochondrial oxidative stress in the metabolic alterations in diet-induced obesity in rats // The FASEB Journal. 2019. № 11 (33). C. 12060-12072.

57. Matsumoto C. [h gp.]. Plasma phospholipid saturated fatty acids and heart failure risk in the physicians' health study // Clinical Nutrition. 2013. № 5 (32). C. 819823.

58. Menin A. [h gp.]. Effects of microencapsulation by ionic gelation on the oxidative stability of flaxseed oil // Food Chemistry. 2018. (269). C. 293-299.

59. Mozaffarian D., Micha R., Wallace S. Effects on Coronary Heart Disease of Increasing Polyunsaturated Fat in Place of Saturated Fat: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials // PLoS Medicine. 2010. № 3 (7). C. e1000252.

60. Mozaffarian D., Wu J. H. Y. Omega-3 Fatty Acids and Cardiovascular Disease // Journal of the American College of Cardiology. 2011. № 20 (58). C. 2047-2067.

61. Nazzaro F. [h gp.]. Microencapsulation in food science and biotechnology // Current Opinion in Biotechnology. 2012. № 2 (23). C. 182-186.

62. Nicolaas Jan Zuidam, Viktor A. Nedovic' Encapsulation Technologies for Active Food Ingredients and Food Processing / Nicolaas Jan Zuidam, Viktor A. Nedovic', nog peg. N. J. Zuidam, V. Nedovic, New York, NY: Springer New York, 2010.

63. Olloqui E. J. [h gp.]. Encapsulation of Fish Oil Into Low-Cost Alginate Beads and EPA-DHA Release in a Rumino-Intestinal In Vitro Digestion Model // European Journal of Lipid Science and Technology. 2018. № 9 (120). C. 1800036.

64. Oreopoulos A. [h gp.]. Body mass index and mortality in heart failure: A metaanalysis // American Heart Journal. 2008. № 1 (156). C. 13-22.

65. Peng H. [h gp.]. Methoxy poly(ethylene glycol)-grafted-chitosan based microcapsules: Synthesis, characterization and properties as a potential hydrophilic wall material for stabilization and controlled release of algal oil // Journal of Food Engineering. 2010. № 1 (101). C. 113-119.

66. Ramirez M., Amate L., Gil A. Absorption and distribution of dietary fatty acids from different sources // Early Human Development. 2001. (65). C. S95-S101.

67. Raygan F. [h gp.]. The effects of vitamin D and probiotic co-supplementation on mental health parameters and metabolic status in type 2 diabetic patients with coronary heart disease: A randomized, double-blind, placebo-controlled trial // Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2018. (84). C. 50-55.

68. Rial E. [h gp.]. Lipotoxicity, fatty acid uncoupling and mitochondrial carrier function // Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics. 2010. T. 1797. № 6-7. C. 800806.

69. Rosa M. De [h gp.]. Dietary fat is a key determinant in balancing mitochondrial dynamics in heart failure: a novel mechanism underlying the obesity paradox // Cardiovascular Research. 2018. № 7 (114). C. 925-927.

70. Rudrapal M. [h gp.]. Dual synergistic inhibition of COX and LOX by potential chemicals from Indian daily spices investigated through detailed computational studies // Scientific Reports. 2023. № 1 (13). C. 8656.

71. Russo G. L. Dietary n-6 and n-3 polyunsaturated fatty acids: From biochemistry to clinical implications in cardiovascular prevention // Biochemical Pharmacology. 2009. № 6 (77). C. 937-946.

72. SAENZ C. [h gp.]. Microencapsulation by spray drying of bioactive compounds from cactus pear (Opuntia ficus-indica) // Food Chemistry. 2009. № 2 (114). C. 616-622.

73. Samardzic S. [h gp.]. Antioxidant, anti-inflammatory and gastroprotective activity of Filipendula ulmaria (L.) Maxim. and Filipendula vulgaris Moench // Journal of Ethnopharmacology. 2018. (213). C. 132-137.

74. Santaren I. D. [h gp.]. Serum pentadecanoic acid (15:0), a short-term marker of dairy food intake, is inversely associated with incident type 2 diabetes and its underlying disorders // The American Journal of Clinical Nutrition. 2014. №№ 6 (100). C. 1532-1540.

75. Schulze P. C., Drosatos K., Goldberg I. J. Lipid Use and Misuse by the Heart // Circulation Research. 2016. № 11 (118). C. 1736-1751.

76. Seki H., Tani Y., Arita M. Omega-3 PUFA derived anti-inflammatory lipid mediator resolvin E1 // Prostaglandins & Other Lipid Mediators. 2009. № 3-4 (89). C. 126-130.

77. Shahidi F., Han X. Encapsulation of food ingredients // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 1993. № 6 (33). C. 501-547.

78. Simopoulos A. Omega-3 fatty acids in health and disease and in growth and development // The American Journal of Clinical Nutrition. 1991. №2 3 (54). C. 438-463.

79. Simopoulos A. An Increase in the Omega-6/Omega-3 Fatty Acid Ratio Increases the Risk for Obesity // Nutrients. 2016. № 3 (8). C. 128.

80. Singh J., Kaur K., Kumar P. Optimizing microencapsulation of a-tocopherol with pectin and sodium alginate // Journal of Food Science and Technology. 2018. № 9 (55). C. 3625-3631.

81. Souza R. J. de [h gp.]. Intake of saturated and trans unsaturated fatty acids and risk of all cause mortality, cardiovascular disease, and type 2 diabetes: systematic review and meta-analysis of observational studies // BMJ. 2015. C. h3978.

82. Sperling R. I., Austen K. F. Effects of Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids on Human Leukocyte Function and Biochemistry 1987.C. 167-173.

83. Storlien L. H. [и др.]. Dietary fats and insulin action // Diabetologia. 1996. № 6 (39). C. 621-631.

84. Sukhikh S. [и др.]. Study of the Antioxidant Properties of Filipéndula ulmaria and Alnus glutinosa // Plants. 2022. № 18 (11). C. 2415.

85. Trauner M., Arrese M., Wagner M. Fatty liver and lipotoxicity // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids. 2010. № 3 (1801). C. 299-310.

86. Tsalamandris S. [и др.]. The Role of Inflammation in Diabetes: Current Concepts and Future Perspectives // European Cardiology Review. 2019. № 1 (14). C. 50-59.

87. Ubbink J., Krüger J. Physical approaches for the delivery of active ingredients in foods // Trends in Food Science & Technology. 2006. № 5 (17). C. 244-254.

88. Valenzuela R., Videla L. A. The importance of the long-chain polyunsaturated fatty acid n-6/n-3 ratio in development of non-alcoholic fatty liver associated with obesity // Food & Function. 2011. № 11 (2). C. 644.

89. Vehring R., Foss W. R., Lechuga-Ballesteros D. Particle formation in spray drying // Journal of Aerosol Science. 2007. № 7 (38). C. 728-746.

90. Vessby B. [и др.]. Substituting dietary saturated for monounsaturated fat impairs insulin sensitivity in healthy men and women: The KANWU study // Diabetologia. 2001. № 3 (44). C. 312-319.

91. Vujkovic M. [и др.]. Discovery of 318 new risk loci for type 2 diabetes and related vascular outcomes among 1.4 million participants in a multi-ancestry metaanalysis // Nature Genetics. 2020. № 7 (52). C. 680-691.

92. Vysochina G. I., Kostikova V. A., Vasfilova E. S. Phenolic compounds of meadowsweet Filipendula ulmaria (Rosaceae) and closely related taxa with different ecological confinement // Растительный мир Азиатской России. 2016. № 4. C. 63-71.

93. Wang S. [и др.]. The protective effects of lipoxin A4 on type 2 diabetes mellitus: A Chinese prospective cohort study // Frontiers in Endocrinology. 2023. (14).

94. Wende A. R., Abel E. D. Lipotoxicity in the heart // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids. 2010. № 3 (1801). C. 311-319.

95. Yaghootkar H. [h gp.]. Genetic Evidence for a Normal-Weight "Metabolically Obese" Phenotype Linking Insulin Resistance, Hypertension, Coronary Artery Disease, and Type 2 Diabetes // Diabetes. 2014. № 12 (63). C. 4369-4377.

96. Yaghootkar H. [h gp.]. Genetic Evidence for a Link Between Favorable Adiposity and Lower Risk of Type 2 Diabetes, Hypertension, and Heart Disease // Diabetes. 2016. № 8 (65). C. 2448-2460.

97. Yamagishi K., Folsom A. R., Steffen L. M. Plasma Fatty Acid Composition and Incident Ischemic Stroke in Middle-Aged Adults: The Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) Study // Cerebrovascular Diseases. 2013. № 1 (36). C. 38-46.

98. Yang J. [h gp.]. Oxidative Stress and Non-Alcoholic Fatty Liver Disease: Effects of Omega-3 Fatty Acid Supplementation // Nutrients. 2019. № 4 (11). C. 872.

99. Yki-Jarvinen H. Non-alcoholic fatty liver disease as a cause and a consequence of metabolic syndrome // The Lancet Diabetes & Endocrinology. 2014. №2 11 (2). C. 901910.

100. Yki-Jarvinen H. [h gp.]. Dietary carbohydrates and fats in nonalcoholic fatty liver disease // Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 2021. № 11 (18). C. 770-786.

101. Yoon H. [h gp.]. Lipid metabolism in sickness and in health: Emerging regulators of lipotoxicity // Molecular Cell. 2021. № 18 (81). C. 3708-3730.

102. Younossi Z. [h gp.]. Global Perspectives on Nonalcoholic Fatty Liver Disease and Nonalcoholic Steatohepatitis // Hepatology. 2019. № 6 (69). C. 2672-2682.

103. Younossi Z. M. [h gp.]. Global epidemiology of nonalcoholic fatty liver disease—Meta-analytic assessment of prevalence, incidence, and outcomes // Hepatology. 2016. № 1 (64). C. 73-84.

104. Zambo V. [h gp.]. Lipotoxicity in the liver // World Journal of Hepatology. 2013. T. 5. № 10. C. 550-557.

105. Zamoschina T. A. [h gp.]. Chronopharmacological Effects of the Extract of Filipendula ulmaria L.(Max.). // World Heart Journal. 2021. № 1 (13). C. 245-248.

106. Zhou Y.-T. [h gp.]. Lipotoxic heart disease in obese rats: Implications for human obesity // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2000. № 4 (97). C. 1784-1789.

107. Zimmet P. [h gp.]. Diabetes mellitus statistics on prevalence and mortality: Facts and fallacies // Nature Reviews Endocrinology. 2016. T. 12. № 10. C. 616-622.

108. Zozina V. I. [h gp.]. Coenzyme Q10 in Cardiovascular and Metabolic Diseases: Current State of the Problem // Current Cardiology Reviews. 2018. № 3 (14). C. 164-174.

109. Integrative and Functional Medical Nutrition Therapy nog peg. D. Noland, J. A. Drisko, L. Wagner, Cham: Springer International Publishing, 2020.

Список публикаций по теме диссертации

В международных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science:

1) Miniakhmetova A.V., Sergienko O.I., Ilina V.S., Lepeshkin A.I., Baranenko D.A. A comparative life cycle assessment of phytosterol and meadowsweet (Filipendula ulmaria) oncoprotective functional food ingredients//Food Bioscience, 2022, Vol. 50, pp. 102076.

2) Baranenko D., Bespalov V.G., Nadtochii L., Shestopalova I., Chechetkina A., Lepeshkin A., Ilina V. Development of encapsulated extracts on the basis of meadowsweet (Filipendula ulmaria) in the composition of functional foods with oncoprotective properties//Agronomy Research, 2019, Vol. 17, No. 5, pp. 1829-1838.

3) Boulkrane M., Ilina V., Melchakov R., Fedotova J., Drago F., Gozzo L., Das U., Abd El-Aty A.M., Baranenko D. COVID-19 Disease and Vitamin D: A Mini-Review//Frontiers in Pharmacology, 2020, Vol. 11, pp. 604579.

В изданиях, представленных в перечне ВАК РФ:

1) Бараненко Д.А., Ильина В.С., Чечеткина А.Ю., Лепешкин А.И., Надточий Л.А., Соколова О.Б. Органолептическая оценка функциональных продуктов питания с использованием инкапсулированных форм биологически активных веществ хвои ели обыкновенной // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств -2019. - № 4(42). - С. 78-84.

2) Ильина В.С., Соколова О.Б., Шуватова Е.Д., Аллох П., Мельчаков Р.М., Лепешкин А.И., Александрова И.В., Бараненко Д.А. Способ микроинкапсулирования масел, содержащих полиненасыщенные жирные кислоты, для использования в составе функциональных пищевых продуктов // Ползуновский вестник -2023. - № 2. - С. 7-14.

В иных изданиях:

1) Миниахметова А.В., Бараненко Д.А., Ильина В.С. Экологическая оценка жизненного цикла функциональных ингредиентов для пищевых смесей //

Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО -2022. - Т. 1. - С. 192-193.

2) Бараненко Д.А., Надточий Л.А., Беспалов В.Н., Федотова Ю.О., Шестопалова И.А., Чечеткина А.Ю., Лепешкин А.И., Ильина В.С., Рогозина Е.А. Функциональные пищевые продукты для профилактики неинфекционных заболеваний // IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 13-15ноября 2019 г.): материалы конференции -2019. - Т. I. - С. 12-16.

Приложение А Патент на изобретение

Приложение Б

Акты, подтверждающие внедрение и использование результатов

диссертации

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «Нордена» (ООО «Нордена»)

ОКПД2 10.89.19.150

УТВЕРЖДАЮ

Технологическая инструкция

по производству функционального пищевого ингредиента профилактического действия на основе полиненасыщенных жирных кислот и экстракта таволги вязолистной ТИ 10.89.19.150-001 -02066397-2023

РАЗРАБОТАНО

Университет ИТМО

Аспирант Доцент, к.т.н.

В.С. Ильина Д.А. Бараненко

«foy NORDONfl

^y y ИНШВАШОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ

www.nordena.ru

¡[e-mail]

2023 г

АКТ

Производственных испытаний применения технологии производства ферментированного молочного продукта с внесением функционального пищевого ингредиента профилактического действия на основе полиненасыщенных жирных кислот и экстракта таволги вязолистной.

Акт составлен главным технологом, к.т.н. ООО «Нордена» Овсюк Е.А. и аспирантом Университета ИТМО Ильиной B.C. о результатах испытания технологии производства ферментированного молочного продукта, содержащего функциональный пищевой ингредиент профилактического действия на основе полиненасыщенных жирных кислот и экстракта таволги вязолистной.

В испытаниях использовалось молочное сырье с массовой долей жира 3,2 % (ГОСТ 32922-2014), закваска живых термофильных лактобактерий Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus с содержанием в сумме не менее 1,0 х ЮН КОЕ/г (ГОСТ 34372-2017), вода питьевая (СанПиН 2.1.3684-21). пищевые добавки производства компаний «НОРДЕНА» и Университета ИТМО.

все сырье, направляемое для производства продукции, сопровождалось сопроводительной документацией, подтверждающей его качество и безопасность.

Ферментированный молочный продукт (ацидофилин) производится резервуарным способом. Подготовленное сырье (молоко нормализованное пастеризованное) освобождается от упаковки и размещается в емкости для ферментации, после чего следует процесс гомогенизации при температуре 55-60 °С и давлении 17,5 МПа. Подготовленное молоко охлаждается до температуры ферментации (35-43 °С), куда затем вносится закваска в количестве, рекомендуемом производителем. Ферментация проводится в течение 10-12 ч до образования плотного сгустка и кислотности 75-130 °Т. По окончании ферментации масса немедленно охлаждается до 4 °С, после чего в полученный ферментированный молочный продукт вносится функциональный пищевой ингредиент в количестве 2.6 кг на 100 л продукта, итоговая масса перемешивается в смесителе до однородности, после чего поступает на фасовку.

Производственными испытаниями показано, что использование предложенной технологии позволило:

1. Обеспечить функциональные свойства продукции благодаря необходимому содержанию со-З полиненасыщенных жирных кислот и биологически активных полифенолов экстракта таволги вязолистной в составе функционального пищевого ингредиента;

2. Получить органолептические характеристики, соответствующие требованиям нормативной документации на ацидофилин.

Рекомендуется использовать предложенную технологию для производства ферментированной молочной продукции с функциональными свойствами.

Аспирант Университета ИТМО

Ильина B.C.

Главный технолог ООО «Нордена», к.т.н.

Овсюк Е.А.

ООООФ

196006, Санкт-Петербург, ул, Парковая, д. 4А тел.: [phone]

ООО «НОРДЕНА» ИНН/КПП 7810891245/781001001 ОКПО 27522583 ОКATO 402845Й1000 17с 40702810.322150000286 в банке ФИЛИАЛ ПАО "БАНК УРАЛСИБ" в г. Санкт- Петербург WK 0440.3070Л к/г ЗП1П1Я10ЯППОПОООГ17ПА

Приложение В Тексты публикаций

1) Miniakhmetova A.V., Sergienko O.I., Ilina V.S., Lepeshkin A.I., Baranenko D.A. A comparative life cycle assessment of phytosterol and meadowsweet (Filipendula ulmaria) oncoprotective functional food ingredients//Food Bioscience, 2022, Vol. 50, pp. 102076.

2) Baranenko D., Bespalov V.G., Nadtochii L., Shestopalova I., Chechetkina A., Lepeshkin A., Ilina V. Development of encapsulated extracts on the basis of meadowsweet (Filipendula ulmaria) in the composition of functional foods with oncoprotective properties//Agronomy Research, 2019, Vol. 17, No. 5, pp. 1829-1838.

3) Boulkrane M., Ilina V., Melchakov R., Fedotova J., Drago F., Gozzo L., Das U., Abd El-Aty A.M., Baranenko D. COVID-19 Disease and Vitamin D: A Mini-Review//Frontiers in Pharmacology, 2020, Vol. 11, pp. 604579.

4) Бараненко Д.А., Ильина В.С., Чечеткина А.Ю., Лепешкин А.И., Надточий Л.А., Соколова О.Б. Органолептическая оценка функциональных продуктов питания с использованием инкапсулированных форм биологически активных веществ хвои ели обыкновенной // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств -2019. - № 4(42). - С. 78-84.

5) Ильина В.С., Соколова О.Б., Шуватова Е.Д., Аллох П., Мельчаков Р.М., Лепешкин А.И., Александрова И.В., Бараненко Д.А. Способ микроинкапсулирования масел, содержащих полиненасыщенные жирные кислоты, для использования в составе функциональных пищевых продуктов // Ползуновский вестник -2023. - № 2. - С. 7-14.

ELSEVIER

Contents lists available at IcienceDirect

Food Bioscience

journal homepage: www.elsevier.com/locate/fbio

A comparative life cycle assessment of phytosterol and meadowsweet CFilipéndula ulmaria) oncoprotective functional food ingredients

Aigul V. Miniakhmetovaa, Olga I. Sergienko a' , Victoria S. Ilina , Artem I. Lepeshkin , Denis A. Baranenko '

a Faculty of Ecotechnology, 1TMO University, St Petersburg, 191002, Russia

b International Research Centre "Biotechnologies of the Third Millennium ", Faculty of Biotechnologies (BioTech), ITMO University, St. Petersburg 191002, Russia

H)

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Keywords:

Prevention of non-communicable diseases Biologically active substances Encapsulation LCA

Environmental product declaration

The urgent and relevant goals of providing a healthier diet and sustainable food systems taken together require a systematic approach that considers a broader environment for food choice. The paper compares three technologies to produce functional ingredients for preventing oncological diseases - each of them involving different sources of raw materials - a by-product of soybean processing, wild meadowsweet extract and planted meadowsweet extract.

Life cycle assessment (LCA) has been selected to justify the choice of raw ingredients and the best technology for the stakeholders. Life cycle inventory analysis (LCIA) of technologies was carried out based on the SimaPro 9.1.1.1. To confirm the results of the LCIA of technologies to produce biologically active substances (BAS) from by-products of soybean oil processing, the following models of the SimaPro 9.1.1.1 software were used: EPD (2018) VI.01, ReCiPe 2016 (Midpoint (H) VI.04 / World (2010) H) and IPCC 2013 (GWP 500a VI.01). The validation of the results and the assessment of the impact of uncertainties in the initial data on the LCA calculations of the technologies were carried out using Monte Carlo method. The results showed that production of BAS from a by-product of soybean oil processing is the most environmentally friendly technology, and the data obtained could add to the life cycle database for the category of "Functional food ingredients" or serve as an example for further research and comparison with other targeted functional ingredients.

1. Introduction

The current research shows that transition to sustainable food systems has serious limitations due to the insufficiency of existing databases for environmental impact assessment (Zou et al., 2022, Pradeleix et al., 2022), which can be overcome by collecting data and using life cycle assessment tools for designing food systems. Food industry produces large amounts of waste, or by-products, worldwide from a variety of sources every year. According to the Food and Agriculture Organization (FAO) (Gustavsson et al., 2011) the amount of food waste globally makes 1.3 billion tons annually, accounting for almost a third of all food produced.

As a response to this global challenge there is an emerging green trend in food industry for a deep treatment of food waste and byproducts with production of useful micro- and macronutrients that become raw materials to create new functional products (Santiago et al.,

2021, Montero et al., 2016, Sakr et al., 2021, Granato et al., 2022, Donn et al., 2022). This tendency of the food producing companies contributes to shaping sustainable food production and consumption, which also corresponds to Sustainable Development Goals (SDG, 2022). In particular, Goal 2 is aimed at eradicating hunger, achieving food security and improved nutrition, and promoting sustainable agriculture, whereas Goal 12 is aimed at providing a transition to sustainable consumption and production patterns. Also, the recovery of valuable substances for creating functional food ingredients from a large amount of inexpensive by-products or waste can provide an economic advantage for potential stakeholders. This approach also allows companies to turn to the circular model of production, which is strongly promoted both at the European and the national levels (An EU action plan for the Circular Economy, 2015, Decree of the Government of the Russian Federation N 2816-r, 2021). A systematic approach to sustainable production includes conducting life cycle assessment (LCA) and considering life cycle costs as well as on an assessment of cost-effectiveness and feasibility of new

* Corresponding author. ** Corresponding author.

E-mail addresses: [e-mail] (O.I. Sergienko), [e-mail] (D.A. Baranenko).

https://doi.Org/10.1016/j.fbio.2022.102076

Received 30 June 2022; Received in revised form 25 September 2022; Accepted 28 September 2022

Available online 2 October 2022

2212-4292/© 2022 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nomenclature

BAS Biologically active substances

EPD Environmental Product Declaration

LCA Life cycle assessment

LCIA Life Cycle Inventory Analysis

FFI Functional food ingredients

PCR Product Category Rules

production, which provides additional information and rationale for deciding between options (Read & Muth, 2021, Zhou et al., 2021). Obtaining biologically active substances of high value from food waste requires determining its economic efficiency.

Rapid global advances in science and technology, increased health spendings by national governments, changes in food safety legislation that enhance food production and consumer information requirements, and a growing interest in achieving wellness through functional nutrition are all fueling global interest in new food products (Bruno et al., 2016, Cucurachi et al., 2019). As people become more aware of the connection between diet and good health, consumer attitudes towards healthy foods are promising, and the number of functional foods on global markets is increasing (Functional foods market, 2021). Healthy foods are intended for continuous consumption as part of the diet for all age groups. They help to reduce the risk of developing concomitant non-communicable diseases, maintaining, and improving the quality of health due to the presence of physiologic ally functional food ingredients in their composition (Hirobumi et al., 2019, McAuliffe et al., 2019). According to the data of the World Health Organization, nowadays oncological diseases are still an urgent problem of public health in most countries of the world, including Russia. In 2020 19.3 million people died from cancer worldwide (World Health Organization, 2021).

Production of functional ingredients for prevention of non-communicable diseases, as part of nutrition science, requires development of theoretical foundations and new practices that would take into account the requirements for quality and environmental safety. Meeting this task involves searching for new types of raw materials that would not only satisfy the annually increasing demand for functional food, but would also provide ecological justification of the applicability of the best production technologies in terms of their environmental impact. The latter is assessed in terms of the technologies life cycle. The results of the life cycle impact assessment can be applied for development of the Environmental Product Declaration (EPD) (Biswas et al., 2017, Toniolo al,, 2019). An EPD is a certified method for reporting on the environmental impacts of similar products through their whole life cycle in a clear and comparable way. Environmental Declarations have been developed for a wide variety of consumer products, including electronics, building materials and foodstuffs. Development of EPD for any product category is conducted in accordance with the Product Category Rules (PCR), which contain some requirements and guidelines on the technology and the standards to be met. Currently, there are no registered PCR for functional food ingredients either in European practices of food product certification or in Russia. As the search in the EPD and PCR libraries showed, EPD for the "Functional food ingredients" group is not in development (Search the EPD Library, 2022, Search the PCR, 2022). Instead, an additional PCR (c-PCR) will be developed to complement the upcoming basic PCR on food and beverages. At least two LCA studies of similar products have to be provided to compare products in any new category. The certification body for the International EPD System is located in Sweden. International cooperation is affected through formation of regional offices in Australia, New Zealand, Brazil, Chile, Mexico, India, Russia, and Turkey. The regional offices work according to the unified rules of the International EPD System (A short introduction to EPDs, 2022).

The purpose of this work is to conduct a comparative environmental life cycle impact analysis of two functional ingredients for cancer prevention derived from different raw material sources - soybean oil byproducts and meadowsweet (Filipéndula utmaria) extract derived from wild and farmed plants. The subject of this research is an assessment of environmental impacts of technologies for production of functional ingredients for prevention of cancer. The objects of the research are nano-encapsulated extract of meadowsweet and microencapsulated phytos-terols from the by-products of soybean oil production.

2. Materials and methods

2.1. Data and, objects

The paper considers the technological processes to produce encapsulated functional mixtures based on meadowsweet and soybean oil production waste, which were further analyzed using the life cycle assessment method to determine the environmental impact of technologies. The research was carried out based on experimental data obtained in the International Scientific Laboratory "Biotechnology of the Third Millennium" of the Faculty of Biotechnology, ITMO University in 2020 (Baranenko et al., 2019; Savinova et al., 2012, Lutskiy and Molokova, 2012). A patented technology for obtaining phytosterol crystals (Aru-mughan et al., 2009) was also considered as a source of phytosterols to produce encapsulated biologically active substances (BAS). Encapsulated biologically active substances were obtained in two ways: by encapsulating the lipid fraction - on an en capsula tor, or by encapsulating plant extracts - on a spray dryer. For the former technology, a graphical representation of flow charts to produce microencapsulated biologically active substances based on soybean oil by-products is shown in Fig. 1. The processes of producing crystals of phytosterols and directly biologically active substances are shown separately. A flow sheet for the production of nano-encapsulated biologically active substances from plant extracts (meadowsweet) is shown in Fig. 2. The losses of phyto-chemicals on the different production stages including encapsulation stage are shown at Figs. 1 and 2. The input-output flows data of unit processes within the considered production systems are presented inSupplementary Tables 1 and 2 The environmental impacts of technologies are considered "cradle-to-gate" and "gate-to-gate". Supplementary Figs. 1, 2, 3 show a general life-cycle scheme for the production of bioactive ingredients for functional products, highlighting the framework of the product LCA study. In our study emissions into the atmosphere were calculated according to the Methodology, 1993. Based on the input and output data of unit processes for BAS production technologies, the environmental impacts were calculated per a functional unit equal to 1 kg of final product, excluding packaging.

2.2. Methods

Today, consumer interest in the interaction between nutrition and health has not only increased the demand for information on food composition and its producer, but also for that on food safety, including production methods and the environmental aspects of production (Bruno et al,, 2016, Cucurachi et al., 2019). With a significant increase in public awareness of food products, manufacturers now have to demonstrate a commitment to food safety through external reviews.

One of the tools for assessing environmental aspects widely used in international practice is product LCA (Vandermeersch et al., 2014, Byrne et al., 2017; Bartocci et al., 2019, Amicarelli et al., 2021). LCA is the leading environmental management function, a promising method for improving the environmental aspects of products and comparing similar technologies. Conducting LCA at the design stages provides an opportunity to select technologies when the system is still under development and can be changed, for example, in the selection of feedstock, materials, and transport routes, as well as in management models (Finnveden et al., 2009, Rossi et al., 2022).

Phytosterol crystal production

Methanolic sulfuric acid solution Soybean Oil Deodorizer Distillate

Energy —* Saline solution (NaCL) Energy » Hot water Chilled n-hexane

2

Energy

Output: Methanol

Separation of sulfuric acid, removal of the bottom layer

Removal of acid and salts

> Solution removal N-hexane

Crystallization of phytosterols

~~V~ Packing, packaging, transportation of phytosterols

Production of capsules with biologically active substances (soy)

Sunflower refined deodorized oil -

Sodium alginate Distilled water

Calcium lactate

Distilled water-

> Solution of 1 algin

j- Energy

.5% sodium alginate

Emulsifier

Preparation of the hardener solution

Substrate preparation

Output: hardener solution used

Losses, 1 m

Output: distilled water used

Storage of finished products

•

Cryscallca:ior of phytos«

-STora-eoffini!

1 -Sequen« of

A -Sut»»«preparation S - Mwoenca pelador. 6 -St

Fig. 1. Flow chart to produce biologically active substances from by-products of soybean oil production.

The purpose of LCA, as defined in ISO 14040, 2006 and ISO 14044, 2006, is to address the environmental aspects of a product or service across its lifecycle. LCA can help to identify the life-cycle points to be improved in terms of environmental performance and thus help company management decision makers in developing a production management system or defining a production strategy. It provides relevant parameters and indicators for environmental performance. LCA allows for a more comprehensive consideration of options and for minimizing compromises between comparable alternatives while avoiding the spatial transfer of environmental load from one stage or lifecycle process to another and the physical transfer of one environmental impact to another (Finnveden et al., 2009, Cristiano et al., 2022). Life cycle assessment has become an important tool for improving the environmental performance of food production systems, identifying the hotspots of highest environmental impact and making the recommendations needed to reduce this impact (Ingrao et al., 2015, Sales et al., 2022). Our study focuses on the LCA reverse food system for functional food ingredients produced from food waste (cf. Granato et al., 2022, Donn et al., 2022).

The life cycle inventory analysis (LCIA) of technologies was carried out based on the SimaPro 9.1.1.1 software using manuals (Goedkoop

et al., 2016a, Goedkoop et al.f 2016b) with the Ecoinvent 3 database. To confirm the results of the LCIA for the technologies of producing of BASs from by-products of soybean oil processing, the following models of the SimaPro 9.1.1.1 software product were used: EPD (2018) VI.01 ( ), ReCiPe 2016 (Midpoint (H) VI.04 /

World (2010) H) (National Institute for Public Health and the Environment, 2017) and IPCC 2013 (GWP 500a VI.01) (SimaPro database manual, 2020) (Table 1). These models were also applied to confirm the results of a comparative assessment of the technologies considered for producing functional mixtures. The EPD model has been chosen as the main method of impact assessment because, first, it is widely used in LCA studies on food and, secondly, this model allows to measure the main impact categories considered in the formation of EPDs. Today, SimaPro software has the most ample base of transparent and documented reference data about food systems life cycle stages.

Validation of the results and assessment of the influence of uncertainties in the initial data on the LCA calculations of production technology for biologically active substances based on the by-products of soybean oil production were carried out using the Monte Carlo method. With SimaPro 9.1.1.1 software, it is possible to compare how sensitive the LCA results are to the changes in the input data. This

Fig. 2. Flow chart to produce biologically active additives from meadowsweet.

assessment improves the validity of the results as SimaPro 9.1.1.1 monitors correlations between the two simulated production systems.

The sensitivity assessment was carried out using the Monte Carlo method by comparing the uncertainties of the impact categories with the changes in the input data in various combinations in two scenarios. The calculation breakpoint was set to 1000 iterations. The comparison of their calculations is presented graphically. The number of outcomes where one life cycle has a higher score than the other one is shown for each impact category. The impact of uncertainties by impact category can be considered significant if Monte Carlo results of a comparison achieve a difference of 90-100% (Goedkoop et al., 2016a, Goedkoop et al., 2016b).

This assessment makes it possible to identify the stages of production that cause the greatest damage to the environment. By identifying such stages, it is possible, using environmental management tools, to prevent the identified negative impacts on the environment or to reduce it.

We conduct a comparative LCA to produce functional mixtures, the purpose of which is to determine the best technology in terms of the environmental characteristics of the impact within the life cycle. A limitation of the study was the lack of a database on the cultivation of meadowsweet. As an assumption, mint from the SimaPro 9.1.1.1 database was taken as the basis for calculating the impact of the cultivation phase of farm meadowsweet, due to the absence of the impact of farm-grown meadowsweet in the Ecoinvent 3 database. Another assumption consisted in fuel consumption by road transport being calculated based on the transportation of raw materials at the distance of 50 km for all technologies.

3. Results and discussion

3.1. Environmental impact of BAS from by-products of soybean oil production and from meadowsweet

According to the results of the LCIA of BAS from the by-products of soybean oil production with the EPD model (Fig. 3), for all impact categories, the greatest contribution is made by stage 3 "Packaging, transportation of phyt o sterols" and stage 4 "Preparation of the

substrate". The stages have the highest impact in the "Global warming" and "Abiotic depletion, fossil fuels" categories. Apparently, this is due to the high energy consumption at these stages for the technological processes of packaging, transportation of raw materials to the production site of biologically active substances, as well as for mixing reagents.

The contribution of stage 1 "Preparation of distillate" is high for the above impact categories, due to energy consumption; the contribution of stage 2 "Crystallization of phytosterols" is also high, due to the need to transport the raw material - soybean oil distillate - to processing site. Contribution of stages 5 "Encapsulation" and 6 "Storage of finished product" remains the lowest. At the stage "Storage of finished products", the high value for the impact category "Abiotic depletion, fossil fuels" is related to the use of packaging materials - polyethylene, polypropylene, nylon, and aluminum. Supplementary Fig. 4 shows the contribution by stages in percentage. Supplementary Table 3 presents quantitative data on environmental impacts by impact categories.

Using the ReCiPe model, the results of environmental impact were obtained in 18 categories for the stages of the life cycle of the soybean oil by-products processing technology (Table 2). The LCIA results almost fully correspond to the results obtained using the EPD model. For all impact categories, the greatest contribution is made by stage 3 "Packaging, transportation of phytosterols" and stage 4 "Substrate preparation". The stages have the highest impact in the categories of "Global Warming", "Terrestrial ecotoxicity" and "Human non-carcinogenic toxicity". This seems to be also related to high energy consumption at these stages. Supplementary Fig. 5 shows the contribution by stages in percentage. Supplementary Fig. 6 shows the contribution by stage in quantitative units.

Using the IPCC GWP model, the carbon footprint was obtained by stages of the life cycle of the technology of soybean oil by-products processing (Fig. 4). According to our results, the greatest contribution is made by stage 3 "Packaging, transportation of phytosterols" (88.8 kg C02 eq) and stage 4 "Preparing the substrate" (89.2 kg C02 eq). This is related to significant energy consumption at the stages of packaging, transportation of raw materials to the production site of biologically active substances and mixing reagents, which involves CO2 formation, since it is fossil fuels that are used to generate energy. The losses in terms

A.V. Mirnakftmetova et al. Table 1

Implementation plan for the LCI A of functional ingredients technologies using the EPD (2018), ReCiPe 2016 and IPCC 2013 models.

Name of Indicator

EPD (2018)

ReCiPe 2016

IPCC 2013

Impact category

Acidification (fate Global warming

not incl.) Stratospheric

Eutrophication ozone depletion

Global warming Ionizing radiation

(GWPlOOa) Ozone formation,

Photochemical Human health

oxidation Fine particulate

Abiotic depletion, matter formation

elements Ozone formation,

Abiotic depletion, Terrestrial

fossil fuels ecosystems

Water scarcity Terrestrial

Ozone 1 ayer acidification

depletion (ODP) Freshwater

(optional) eutrophication

Marine

eutrophication

Terrestrial

ecotoxicity

Freshwater

ecotoxicity

Marine ecotoxicity

Human

carcinogenic

toxicity

Human non-

carcinogenic

toxicity

Land use

Mineral resource

scarcity

Fossil resource

scarcity

Water

consumption

Global warming

Verification of the

validity of the results Checking the sensitivity of the results to uncertainties in the raw data Comparative assessment of the results of the LCIA

of quality or quantity of phytosterols during the transportation stage were not considered in LCA.

The results of LCIA for technologies to produce BAS from meadowsweet extract from wild and cultivated plants were also obtained using the EPD model (Figs. 5 and 6). Fig. 5 presents quantitative data on environmental impacts of functional mixtures production from wild meadowsweet. The main impacts of the production processes occur in the categories of "Global warming", and "Abiotic depletion, fossil fuels". This can be explained by the energy consumption in the production stages, which involves of C02 formation. Supplementary Fig. 7 shows the contribution by stages in percentage. Supplementary Table 4 presents quantitative data on environmental impacts by impact categories. Fig. 6 presents quantitative data on environmental impacts of the production of functional mixtures from meadowsweet grown on a farm. Compared to wild meadowsweet, the impact of farm-grown meadowsweet production increases in all impact categories. These results may be due to the additional material resources spent on the cultivation of the meadowsweet. Supplementary Fig. 8 shows the contribution by stages in percentage. Supplementary Table 5 presents quantitative data on environmental impacts by impact categories.

3.2. Results of the initial data uncertainty analysis

Uncertainties can affect the accuracy of LCA results and may lead to a distortion. The input data was varied on the assumption of a normal distribution with a fixed number of iterations equal to 1000. Supplementary Figs. 9, 10, 11 show the results of the uncertainties analysis in the input data for the technologies based on (i) by-products of soybean oil production, (ii) wild meadowsweet and (iii) that grown on a farm, when defining impact categories at the 95% confidence interval. The uncertainty in the initial data significantly affects only the category "Water scarcity", the other categories of impact are not affected.

3.3. Comparative assessment of technologies to produce functional ingredients

To determine the best technology to produce functional mixtures, a comparative assessment of three proposed options for producing biologically active substances was carried out on the basis of three models of the SimaPro 9.1.1.1 software: ReCiPe, EPD, IPCC GWP.

Using the EPD model, Fig. 7 compares the environmental impacts of final products - functional mixtures using wild and cultivated meadowsweet, and the by-products of soybean oil production. Formation of functional mixtures from soybean oil by-products is the best technology in terms of life cycle environmental performance. Supplementary Fig. 12 shows the contribution by stages in percentage. Supplementary Table 6 presents quantitative data on environmental impacts by impact categories.

The results for wild and cultivated meadowsweet are almost the same, significant differences are evident only in the impact category "Water scarcity", which can be related to irrigation for growing meadowsweet on a farm.

Table 3 shows that the technology for creating functional mixtures from the by-products of soybean oil production has the least impact in almost all categories according to ReCiPe 2016 model. Only in the category "Marine eutrophication" the maximum value is achieved, which can be related to a large amount of wastewater contaminated with nutrients compared to other technologies. Supplementary Fig. 13 shows the contribution by stages in percentage.

As can be seen from Fig. 8, the technology for creating functional mixtures from the by-products of soybean oil production has the lowest carbon footprint according to IPCC GWP model. The results of the calculations showed that, for almost all impact categories, the production of BAS based on soybean oil waste has the lowest impact on the environment.

3.4. Assessment LCA results sensitivity

Table 4 presents the results of comparing several types of assumed scenarios of the selected technology for producing a functional mixture from the soybean oil by-products. Fig. 9 shows a comparison of the effect of uncertainties across all impact categories when using surface water and groundwater. As can be seen, scenario 2 (groundwater) has the least impact in seven impact categories, and the difference is significant (more than 95%), while scenario 1 (surface water) affects the results only for the impact category "Water scarcity". These results suggest that using groundwater has less impact on the environment.

Fig. 10 shows a comparison of the effect of uncertainties in the case of using conventional energy (natural gas) and alternative energy -wind. As can be seen from Fig. 10, scenario 2 (wind energy) has the least impact in several categories: "Ozone layer depletion", "Water scarcity", "Abiotic depletion, fossil fuels", 'Photochemical acidification", "Global warming", "Acidification". For all the other categories - "Abiotic depletion, elements", "Eutrophication", the use of natural gas has the least impact. The possible reasons for the negative results for wind energy in these impact categories are related to a large consumption of natural resources for the construction of wind farms.

I * г Г щ 8 576 ] 1

л;-

92 0 0 0 0 вЛн 1 ! g g g 0 g 0 S**l°34 gg„OgO

Acidification (fate Eutrophicatiori Global warming Photochemical Abiotic depletion. Abiotic depletion. Water scarcity Ozone layer riot ind.) (GWPIOOa) oxidation elements fossil fuels depletion (ODP)

(optional)

■ 1 Preparation of distillate ■ 2 Crystallization of phytostyrins 3 Packing, packaging, transportation of phytostyrins ■ 4 Preparation of the substrate

■ 5 Encapsulation ■ 6 Storage of finished products

Fig. 3. The results of the LCIA of the technology to produce biologically active substances from the by-products of soybean oil production by the EPD model-

Table 2

Impact assessment of the technology to produce biologically active substances from the by-products of soybean oil production by the ReCiPe model.

Impart category Unit Total 1 Preparation of 2 Crystallization of 3 Packing, packaging, 4 Preparation of 5 6 St orage of

distillate pliytostcrols transportation of the substrate Encapsulation finished

phytosLerols products

Global warming kgCOa 343,872 46,320 47,262 92,490 92,962 31,359 33,479

Stratospheric two no eq kg 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

depletion СГС11

Ionizing radiation eq kBq Ov 7,944 1,057 1,074 2,162 2,178 0,721 0,751

60 eq

Ozone formation, kg NOx 4,428 0,601 0,603 1,212 1,213 0,397 0,401

Human health eq

Fine particulate kg 1,080 0,146 0,147 0,295 0,296 0,097 0,099

matter formation PM2.5

Ozone formation, eq kg NOx 4,556 0,619 0,621 1,247 1,249 0,408 0,413

Terrestrial eq

ecosystems

Terrestrial kg S02 2,308 0,314 0,316 0,627 0,630 0,207 0,214

acidification eq

Freshwater kg P eq 0,059 0,008 0,008 0,016 0,016 0,005 0,006

eutrophicatiou

Marine kg N eq 0,033 0,006 0,006 0,007 0,008 0,003 0,003

eutrophication

Terrestrial ecotoxicitv kg 1,4- 1508,628 204,525 205,690 409,871 411,443 134,562 142,537

DCB

Freshwater kg 1,4- 20,258 3,012 3,087 5,226 5,287 1,732 1,915

ccotoxicity DCB

Marine ecotoxicity kg 1,4 21,121 2,868 2,892 5,678 5,703 1,870 2,110

DCB

Human carcinogenic kg 1,4- 15,441 2,076 2,087 4,203 4,213 1,380 1,482

toxicity DCB

Human non- kg 1,4- 1444,526 194,152 194,934 395,791 396,707 129,491 133,450

carcinogenic DCB

toxicity

Land use m2a 124,971 19,578 19,611 31,540 32,665 10,665 10,912

crop eq

Mineral resource kg Cu eq 3,525 0,462 0,464 0,918 0,923 0,301 0,457

scarcity

Fossil resource kg oil eq 100,865 13,408 14,021 27,031 27,137 9,224 10,044

scarcity

Water consumption m3 1,206 0,159 0,164 0,317 0,321 0,109 0,137

3.5. Discussion and implementation of results

Conventional food production systems have given way to intensive methods of satisfying the increasing demands of the growing population, and food production has become an important factor in natural resource depletion, pollution, and climate change (Cucurachi et al., 2019). Moreover, the term "food systems" has recently become more common than "food production", as the formation and the implementation of sustainable food technologies and processes appears to be integral to the choice of technologies, equipment, and raw materials, including recycled resources from waste processing (What is the food system?, 2022, FAO, 2017). A general food systems concept was formulated by the Scientific Group of the UN Food Systems Summit in March 2021 (Food Systems, 2021).

Food systems include a wide range of actors and their interrelated value-added activities, which include the processes of production, processing, distribution and consumption of food, as well as the disposal of the resulting food losses or waste. A food production system includes economic, social, and natural environments affecting agriculture, forestry, fisheries, and food processing. In search of solutions and priorities for action, the concept of sustainable circular economy is to be considered as an overarching systemic framework, into which food systems are embedded. A sustainable food system is therefore a system that ensures food security and nutrition in a way that preserves the economic, social, cultural, and environmental foundations for food security and nutrition for future generations. The application of the food system concept implies the definition of a system framework and a system building blocks as well as the connections between them. On the other hand, the connections with the surrounding systems of economy, health, environment, governance, science, and innovation systems are considered (Von Braun et al., 2021).

The environmental characteristics of functional ingredients production from food by-products and reclaimed food products have been actively analyzed (Campos et al., 2020, Bartek et al., 2021, Hu et al., 2021, Cristiano et al., 2022). For example, a study by Dipen et al. (2017) provides an analysis of the problem of production and certification of oncoprotective functional food ingredients based on lycopene derived from tomato peel waste. The authors proved that the use of tomato peel waste is very effective, because the technology considered provides a higher yield of valuable lycopene than tomato pulp.

Our research deals with a comparison of the LCA results of a reverse food system for functional food ingredients produced from food byproduct, a soy distillate, and the food systems based on wild and cultivated meadowsweets. The results obtained have shown that using waste from oil production is environmentally friendly compared to using virgin meadowsweet plant material. According to the EPD model there is a lower environmental impact in all categories in the BAS production from oil waste.

The results of the LCA study create a basis for the formation of a PCR for the "Functional Food Ingredients" category. The results of the LCA can be used to compare our environmental products characteristics to other developments in onco-protective biologically active substances based on phytosterols. As our research has shown, an expansion of the databases of LCA results can provide additional corrections in the formation of unified PCRs by product categories, to specify the necessary requirements for exposure indicators, instructions for the inventory of input and output flows (Fantin et al., 2012).

The application of LCA methodology in the field of biotechnology in terms of deep treatment of food waste will contribute to the development of environmentally friendly practices for the production of functional ingredients. This requires that LCA studies of developed technologies should be carried out at the stage of designing.

In the present study, the functional unit of the final product was considered as not including packaging. On the other hand, comparison of packaging options within the study of the impact of uncertainties revealed that the best one is biodegradable starch-based material.

Phytosterol crystals packaging for their transportation for further production of microencapsulated biologically active substances directly and significantly affects the carbon footprint of a food system. Phytochem-icals wastages at the different production stages including microencapsulation are shown in Figs. 1 and 2.

To compare the results, packaging, and namely, retort packaging made of polymer, was included into the food systems for all considered technologies. Further studies would include a detailed consideration of the stages of producing packaging n and the impacts of packaging on the production process. In this study, the information on packaging focused only on a review of materials required for producing packaging from the SimaPro database. The study revealed some aspects that have to be considered in more detail in further LCA studies of functional food ingredients. It is worth examining the issue of raw materials transportation, the choice of vehicles, taking into account the maximum transportation load.

LCA results are proposed to be used: 1) as criteria for selecting the best or the most promising technology for the production of functional biologically active ingredients, and 2) as the benchmark quantitative indicators of the environmental impact during their life cycle for the Environment Product Declaration. The declaration can be used as valid information on the product and its life cycle for creating PCR and marketing promotion of functional mixtures in international markets.

4. Conclusion

The results of LCA have shown that by-products of soybean oil production, from which microencapsulated biologically active substances are manufactured, are much more promising raw materials for functional food mixtures than the BAS based on meadowsweet.

The study highlighted some aspects that have to be considered in more detail in further LCA research on functional food ingredients. It is worth investigating raw material transportation, the choice of transport means, taking into account the maximum load when transporting raw materials. Also, the choice of packaging, its reusability and re cycl ability can be further considered.

Recovery of large quantities of cost-effective soy distillate can provide economic advantage in terms of obtaining potentially valuable components, however, the economic rationale for stakeholders was not the purpose of this study and is to be considered separately.

To promote environmentally safe functional ingredients and biologically active substances it is necessary to form a systematic database of LCA results for these product categories that would contain some information on their production technology and environmental indicators in the categories of life cycle impact.

Author statement

Aigul Mmiaklimetova: Investigation, Formal Analysis, Writing -Original Draft, Writing - Review & Editing; Olga Sergienko: Conceptualization, Methodology, Investigation, Writing - Original Draft, Writing - Review & Editing, Resources, Supervision; Victoria Ilina: Investigation, Data Curation; Artem Lepeskin: Investigation, Data Curation; Denis Baranenko: Investigation, Writing-Review & Editing, Funding Acquisition.

Declaration of competing interest

The authors confirm that they have no conflicts of interest with respect to the work described in this manuscript.

Data availability

Data will be made available on request.

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data to this article can be found online at https://doi. org/10.1016/j.fbio. 2022.102076.

References

A short introduction to EPDs. Internet: EPD international (environdec.com) (accessed May 20, 2022).

Ami carel I i, V., Lagioia, G., & Bux, C. (2021). Global warming potential of food waste through the life cycle assessment: An analytical review. Environmental Impact Assessment Review, 91, Article 106677.

An EU action plan for the Circular Economy. COM/2015/614, 02.12.2015). European Commissi on. Inte met: https: //e u r I ex. e u t opa. e u/l egal -content/EN/TXT/? uri=CELEX:52015DC0614. (Accessed 29 May 2022).

Arumughan, C., Sobankumar, D. Rv Sudare san. A., Nair, S. Sv Yohesh, K., Raj am, L Process for the preparation of high purity phytosterols: Pat. US7632530B2. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. U.S. - Patent №.7.632.530; pub. 2009.12.09. Inte r net: https://patents.go ogl e. c om/pate nt/US7632530B 2/en (accessed May 21, 2021).

Baranenko, D., Bespalov, V. G., Nadtochii, L, Shestopal ova, I., Chechetkina, A.,

Lepeshkin, A, & Ilina, V. (2019). Devdopment of encapsulated extracts on the basis of meadowsweet (Filipéndula ulmaria) in the composition of functional foods with one opr otee ti ve properties. A&onomy Research, 17(5), 1829-1838.

Bartek, L., St rid, I., Henry son, K., Junne, S., Rasi, S., & Eriksson, M. (2021). Life cycle assessment of flsh oil substitute produced by microalgae using food waste. Sustainable Production and Consumption, 27, 2002-2021.

Bartocci, P., Zampilli, M., Liberti, P., Pi stoles i, V., MassoLi, S., Bidini, G., & Fantozzi, F. (2019). LCA analysis of food waste co-digestion. The Science of the Total Environment, 709, Article 136187.

Biswas, W., Alhorr, Y., Lawania, K., Sarker, P., & Flsarrag, E. (2017). Life cycle assessment for environmental product declaration of concrete in the Gulf States. Sustainable Cities and Society, 35, 36-46.

Bruno, N., Serenella, S., Assumpcio, A., Sarah, J. Mc, Erwan, S., & Ulf, S. (2016). The role of life cycle assessment in supporting sustainable agri-food systems: A review of the challenges. Journal of Cleaner Production, 1-40(2), 399-402.