spfpХранение и переработка сельхозсырьяStorage and Processing of Farm Products2072-96692658-767XРОСБИОТЕХ10.36107/spfp.2021.340spfp-340Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯDESIGNING AND MODELLING THE NEW GENERATION FOODSОценка эффективности инкапсуляции полифенолов в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiaeEvaluation of Encapsulation Efficiency polyphenols in the cells of the yeast Saccharomyces Cerevisiaehttps://orcid.org/0000-0002-6246-9870КалининаИрина ВалерьевнаKalininaIrina V.

Доктор технических наук, профессор кафедры пищевых и биотехнологий, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

9747567@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9520-3251НауменкоНаталья ВладимировнаNaumenkoNatalia V.

Доктор технических наук, профессор кафедры пищевых и биотехнологий, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Naumenko_natalya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1498-0703ФаткуллинРинат ИльгидаровичFatkullinRinat I.

Кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

5792687@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7667-9705ПоповаНаталия ВикторовнаPopovaNataliya V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры пищевых и биотехнологий, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

tef_popova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7665-5984НауменкоЕкатерина ЕвгеньевнаNaumenkoEkaterina Eu.

Лаборант-исследователь кафедры пищевых и биотехнологий, ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

9193122375@mail.ruФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)РоссияSouth Ural State UniversityRussian FederationФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)РоссияSouth Ural State University"Russian Federation20220710202203161169Copyright © Калинина И.В., Науменко Н.В., Фаткуллин Р.И., Попова Н.В., Науменко Е.Е., 20222022Калинина И.В., Науменко Н.В., Фаткуллин Р.И., Попова Н.В., Науменко Е.Е.Kalinina I.V., Naumenko N.V., Fatkullin R.I., Popova N.V., Naumenko E.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.spfp-mgupp.ru/jour/article/view/340

Введение: В отношении исследуемых растительных полифенолов в открытой литературе представлены многочисленные материалы, указывающие на высокий потенциал этих веществ как функциональных пищевых ингредиентов. Для данных соединений определены свойства антиоксидантные, противовоспалительные, иммуностимулирующие и другие. С другой стороны, изучаемые вещества склонны к окислительной деградации и активно вступают в химические реакции со снижением или потерей биоактивных свойств. Для минимизации указанных проблем предложено использование технологии инкапсуляции в клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae.Цель: изучение возможности инкапсуляции полифенолов в живые клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В задачи исследования входила оценка влияния используемого массового соотношения дрожжи : биологически активное вещество и продолжительности процесса на эффективность инкапсуляции Материалы и методы: В качестве объектов исследования были выбраны представители различных классов полифенолов (флавоноидов и стильбенов): дигидрокверцетин, ресвератрол и рутин, являющиеся известными сильными антиоксидантами. Процесс инкапсуляции вели с применением методов простой диффузии в живые клетки Saccharomyces cerevisiae.  Для этого использовали режимы инкапсуляции в условиях термостатируемого встряхивателя, продолжительность процесса достигала 23 часов.. Результаты: Результаты исследований показали, что весомый вклад в повышение эффективности инкапсуляции внес временной фактор. Наблюдается четкая положительная зависимость роста эффективности инкапсуляции от продолжительности ведения процесса. Вклад используемого при инкапсуляции соотношения дрожжи : биологически активное вещество не столь ощутим. На основании полученных результатов с применением метода двухфакторного регрессионного анализа были получены математические модели, адекватно описывающие зависимость эффективности процесса инкапсуляции от продолжительности инкапсуляции и соотношения дрожжи : биологически активное вещество. Это позволило установить оптимальные режимы инкапсуляции биологически активных веществ в клетки дрожжей. Выводы: проведенные исследования подтвердили возможность инкапсуляции исследуемых представителей полифенолов в живые клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Однако полученное максимальное значение эффективности инкапсуляции – 50,1 %, указывают на необходимость поиска путей совершенствования данного процесса.

 Background

 Background. With regard to the studied plant polyphenols, the open literature presents numerous materials indicating the high potential of these substances as functional food ingredients. For these compounds, the antioxidant, anti-inflammatory, immunostimulating and other. On the other hand, the studied substances are prone to oxidative degradation and actively enter into chemical reactions with a decrease or loss of bioactive properties. To minimize these problems, it is proposed to use the technology of encapsulation in Saccharomyces cerevisiae yeast cells.

Purpose

Purpose. Study of the possibility of encapsulation of polyphenols in living yeast cells Saccharomyces cerevisiae for obtaining effective functional food ingredients. The objectives of the study included assessing the influence of the mass ratio used yeast:biologically active substance and the duration of the process on the efficiency of encapsulation.

Materials and methods

Materials and methods. Representatives of various classes of polyphenols (flavonoids and stilbenes) were selected as objects of study: dihydroquercetin, resveratrol, and rutin, which are known strong antioxidants. The encapsulation process was carried out using the methods of simple diffusion into living cells of Saccharomyces cerevisiae. For this, encapsulation modes were used under the conditions of a thermostatically controlled shaker; the duration of the process reached 23 hours.

Results

Results. The results of the studies showed that the time factor made a significant contribution to increasing the efficiency of encapsulation. There is a clear positive dependence of the increase in the efficiency of encapsulation on the duration of the administration process. The contribution of the yeast: biological ratio used in encapsulation of the active substance is not so noticeable. Based on the results obtained using the method of two factor regression analysis, mathematical models that adequately describe the dependence of the efficiency of the encapsulation process on the duration of encapsulation and the ratio of yeast: biologically active substance. This made it possible to establish optimal modes of encapsulation of biologically active substances in yeast cells.

Conclusions

Conclusions. The conducted studies confirmed the possibility of encapsulation of the studied representatives of polyphenols in living cells of the yeast Saccharomyces cerevisiae. However, the maximum encapsulation efficiency obtained is 50.1%, indicate the need to find ways to improve this process.

растительные полифенолыинкапсуляциядрожжи Saccharomyces cerevisiaeэффективность инкапсуляцииоптимизацияplant polyphenolsencapsulationyeast Saccharomyces cerevisiaeencapsulation efficiencyoptimizationРНФReferencesКалинина И.В. (2019а) Исследование стабильности наноэмульсий с дигидрокверцетином, полученных на основе ультразвукового воздействия. Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии», 2019. Т. 7, № 3. С. 52–58. DOI: 10.14529/food190306Kalinina I.V. (2019a) Study of the stability of nanoemulsions with dihydroquercetin obtained on the basis of ultrasonic treatment. Bulletin of SUSU. Series "Food and Biotechnologies", 2019. Vol. 7, No. 3. P. 52–58. DOI: 10.14529/food190306Калинина И.В. (2022) Оценка растворимости биоактивных минорных соединений полифенольной природы, И.В. Калинина, Н.В. Попова, Р.И. Фаткуллин и др. Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». 2022. Т. 10, № 1. С. 98–106. DOI: 10.14529/food220111Kalinina I.V. (2022) Evaluation of the solubility of bioactive minor compounds of a polyphenolic nature, I.V. Kalinina, N.V. Popova, R.I. Fatkullin and others. Bulletin of SUSU. Series "Food and Biotechnology". 2022. V. 10, No. 1. S. 98–106. DOI: 10.14529/food220111Калинина И.В. (2019б) Повышение биоактивности дигидрокверцетина на основе ультразвуковой микронизации, И. В. Калинина, И. Ю. Потороко, Р. И. Фаткуллин, Д. Иванова, Й. Канева-Киселова, Ш. Сонавэйн Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. 2019. № 1(54). С. 27−33.Kalinina I.V. (2019b) Increasing the bioactivity of dihydroquercetin based on ultrasonic micronization, I. V. Kalinina, I. Yu. Potoroko, R. I. Fatkullin, D. Ivanova, Y. Kaneva-Kiselova, Sh. 2019. No. 1(54). pp. 27−33.Фаткуллин Р.И. (2021). Влияние процесса инкапсуляции на сохранение антиоксидантных свойства флавоноидов, Р.И. Фаткуллин, А.К. Васильев, И.В. Калинина и др. Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». 2021. Т. 9, № 1. С. 38–47. DOI: 10.14529/food210105Fatkullin R.I. (2021). Influence of the encapsulation process on the preservation of the antioxidant properties of flavonoids, R.I. Fatkullin, A.K. Vasiliev, I.V. Kalinina and others. Bulletin of SUSU. Series "Food and Biotechnology". 2021. V. 9, No. 1. S. 38–47. DOI: 10.14529/food210105Blokhina S.V., Volkova T.V., Ol'Khovich M.V., Sharapova A.V., Proshin A.N., Perlovich G.L. (2014). Solubility and solution thermodynamics of novel bicyclic derivatives of 1,3-selenazine in biological relevant solvents. J. Chem. Eng. Data, 2014, vol. 59 (7), pp. 2298–2304.Blokhina S.V., Volkova T.V., Ol'Khovich M.V., Sharapova A.V., Proshin A.N., Perlovich G.L. (2014). Solubility and solution thermodynamics of novel bicyclic derivatives of 1,3-selenazine in biological relevant solvents. J. Chem. Eng. Data, 2014, vol. 59 (7), pp. 2298–2304.Das R.K., Kasoju N., Bora U. (2010). Encapsulation of curcumin in alginate-chitosan-pluronic composite nanoparticles for delivery to cancer cells. Nanomedicine, 6 (1), pp. 153–160.Das R.K., Kasoju N., Bora U. (2010). Encapsulation of curcumin in alginate-chitosan-pluronic composite nanoparticles for delivery to cancer cells. Nanomedicine, 6(1), pp. 153–160.FooDB [Electronic resource]. – URL: http://foodb.ca.FooDB [Electronic resource]. – URL: http://foodb.ca.González R., Ballester I., López-Posadas R., Suárez M.D., Zarzuelo A., Martínez-Augustin O. et al. (2011). Effects of flavonoids and other polyphenols on inflammation. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 2011, vol. 51 (4), pp. 331–362.González R., Ballester I., López-Posadas R., Suárez M.D., Zarzuelo A., Martínez-Augustin O. et al. (2011). Effects of flavonoids and other polyphenols on inflammation. Crit. Rev. food sci. Nutr., 2011, vol. 51 (4), pp. 331–362.Jade Lucas, Mathis Ralaivao, Berta N. (2020). Estevinho, Fernando Rocha A new approach for the microencapsulation of curcumin by a spray drying method, in order to value food products. Powder Technology, vol. 362, 2020, pp. 428-435.Jade Lucas, Mathis Ralaivao, Berta N. (2020). Estevinho, Fernando Rocha A new approach for the microencapsulation of curcumin by a spray drying method, in order to value food products. Powder Technology, vol. 362, 2020, pp. 428-435.Leung M.H.M., Colangelo H., Kee T.W. (2008). Encapsulation of curcumin in cationic micelles suppresses alkaline hydrolysis. Langmuir, 24, pp. 5672-5675. https://doi.org/10.1021/la800780wLeung M.H.M., Colangelo H., Kee T.W. (2008). Encapsulation of curcumin in cationic micelles suppresses alkaline hydrolysis. Langmuir, 24, pp. 5672-5675. https://doi.org/10.1021/la800780wNagy K., Courtet-Compondu M.C., Williamson G., Rezzi S., Kussmann M., Rytz A. (2012). Noncovalent binding of proteins to polyphenols correlates with their amino acid sequence. Food Chemistry, 2012, vol. 132, pp. 1333−1339. DOI: 10.1016/j.foodchem.2011.11.113Nagy K., Courtet-Compondu M.C., Williamson G., Rezzi S., Kussmann M., Rytz A. (2012). Noncovalent binding of proteins to polyphenols correlates with their amino acid sequence. Food Chemistry, 2012, vol. 132, pp. 1333−1339. DOI: 10.1016/j.foodchem.2011.11.113Ozaki S., Nakagawa Y., Shirai O., Kano K. (2014). Substituent effect on the thermodynamic solubility of structural analogs: relative contribution of crystal packing and hydration. J. Pharm. Sci., 2014, vol. 103 (11), pp. 3524–3531.Ozaki S., Nakagawa Y., Shirai O., Kano K. (2014). Substituent effect on the thermodynamic solubility of structural analogs: relative contribution of crystal packing and hydration. J Pharm. Sc., 2014, vol. 103 (11), pp. 3524–3531.Potoroko I.U., Kalinina I.V., Naumenko N.V., Fatkullin R.I., Shaik S., Sonawane S.H., Ivanova D., Kiselova-Kaneva Y., Tolstykh O., Paymulina A.V. (2017). Possibilities of Regulating Antioxidant Activity of Medicinal Plant Extracts // Человек. Спорт. Медицина. – 2017. – Т. 17, № 4. – С. 77–90. DOI: 10.14529/hsm170409Potoroko I.U., Kalinina I.V., Naumenko N.V., Fatkullin R.I., Shaik S., Sonawane S.H., Ivanova D., Kiselova-Kaneva Y., Tolstykh O., Paymulina A.V. (2017). Possibilities of Regulating Antioxidant Activity of Medicinal Plant Extracts // Man. Sport. The medicine. - 2017. - V. 17, No. 4. - S. 77–90. DOI: 10.14529/hsm170409Potoroko I.Yu., Kalinina I.V., Naumenko N.V., Fatkullin R.I., Nenasheva A.V., Uskova D.G., Sonawane S.H., Ivanova D.G., Velyamov M.T. (2018). Sonochemical Micronization of Taxifolin Aimed at Improving Its Bioavailability in Drinks for Athletes // Человек. Спорт. Медицина. – 2018. – Т. 18, № 3. – С. 90–100. DOI: 10.14529/hsm180309Potoroko I.Yu., Kalinina I.V., Naumenko N.V., Fatkullin R.I., Nenasheva A.V., Uskova D.G., Sonawane S.H., Ivanova D.G., Velyamov M.T. (2018). Sonochemical Micronization of Taxifolin Aimed at Improving Its Bioavailability in Drinks for Athletes // Man. Sport. The medicine. - 2018. - T. 18, No. 3. - P. 90–100. DOI: 10.14529/hsm180309Round, A., Nelson, G. (2006). Encapsulation using microbial cells. UK patent application 2 424 408 A.Round, A., Nelson, G. (2006). Encapsulation using microbial cells. UK patent application 2 424 408 A.Schramm D.D., Karim M., Schrader H.R., Holt R.R., Kirkpatrick N.J. et al. (2003). Food effects on the absorption and pharmacokinetics of cocoa flavanols. Life Sciences, 2003, vol. 73, pp. 857−869. DOI: 10.1016/S0024-3205(03)00373-4Schramm D.D., Karim M., Schrader H.R., Holt R.R., Kirkpatrick N.J. et al. (2003). Food effects on the absorption and pharmacokinetics of cocoa flavanols. Life Sciences, 2003, vol. 73, pp. 857−869. DOI: 10.1016/S0024-3205(03)00373-4Serra A., Macià A., Romero M.P., Valls J., Bladé C. et al. (2010). Bioavailability of procyanidin dimmers and trimers and food matrix effect in vitro and in vivo models. British Journal of Nutrition, 2010, vol. 103, pp. 944−952. DOI: 10.1017/s0007114509992741Serra A., Macià A., Romero M.P., Valls J., Bladé C. et al. (2010). Bioavailability of procyanidin dimmers and trimers and food matrix effect in vitro and in vivo models. British Journal of Nutrition, 2010, vol. 103, pp. 944−952. DOI: 10.1017/s0007114509992741Shishikura Y., Khokhar S., Murray B.S. (2006). Effects of tea polyphenols on emulsification of olive oil in a small intestine model system. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006, vol. 54, pp. 1906−1913. DOI: 10.1021/jf051988pShishikura Y., Khokhar S., Murray B.S. (2006). Effects of tea polyphenols on emulsification of olive oil in a small intestine model system. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006, vol. 54, pp. 1906−1913. DOI: 10.1021/jf051988pShumin Wang, Fayin Ye, Fubin Wei, Guohua Zhao (2017). Spray-drying of curcumin-loaded octenylsuccinated corn dextrin micelles stabilized with maltodextrin. Powder Technology, Volume 307, 2017, pp. 56–62.Shumin Wang, Fayin Ye, Fubin Wei, Guohua Zhao (2017). Spray-drying of curcumin-loaded octenylsuccinated corn dextrin micelles stabilized with maltodextrin. Powder Technology, Volume 307, 2017, pp. 56–62.Soares S., Mateus N., de Freitas V. (2012). Interaction of different classes ofsalivary proteins with food tannins. Food Research International, 2012, vol. 49, pp. 807−813. DOI: 10.1016/j.foodres. 2012.09.008Soares S., Mateus N., de Freitas V. (2012). Interaction of different classes ofsalivary proteins with food tannins. Food Research International, 2012, vol. 49, pp. 807−813. DOI: 10.1016/j.foodres. 2012.09.008Sugiyama H., Akazome Y., Shoji T., Yamaguchi A., Yasue M. et al. (2007). Oligomeric procyanidins in apple polyphenol are main active components for inhibition of pancreatic lipase and triglyceride absorption. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, vol. 55, pp. 4604−4609. DOI: 10.1021/jf070569kSugiyama H., Akazome Y., Shoji T., Yamaguchi A., Yasue M. et al. (2007). Oligomeric procyanidins in apple polyphenol are main active components for inhibition of pancreatic lipase and triglyceride absorption. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, vol. 55, pp. 4604−4609. DOI: 10.1021/jf070569kTomás-Barberán F.A., Andrés-Lacueva C. (2012). Polyphenols and health: Current state and progress. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, vol. 60, pp. 8773–8775. DOI: 10.1021/jf300671jTomás-Barberán F.A., Andrés-Lacueva C. (2012). Polyphenols and health: Current state and progress. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, vol. 60, pp. 8773–8775. DOI: 10.1021/jf300671jTuohy K.M., Conterno L., Gesperotti M., Viola R. (2012). Up-regulating the human intestinal microbiome using whole plant foods, polyphenols, and/or fiber. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, vol. 60, pp. 8776−8782. DOI: 10.1021/jf2053959Tuohy K.M., Conterno L., Gesperotti M., Viola R. (2012). Up-regulating the human intestinal microbiome using whole plant foods, polyphenols, and/or fiber. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2012, vol. 60, pp. 8776−8782. DOI: 10.1021/jf2053959Tyukavkina N.A., Lapteva K.I., Pentegova V.A. (1967). Flavonoids of Larix Dahurica. Khimiya Prirodnykh Soedinenii, 1967, vol. 3(4), pp. 278−279.Tyukavkina N.A., Lapteva K.I., Pentegova V.A. (1967). Flavonoids of Larix Dahurica. Khimiya Prirodnykh Soedinenii, 1967, vol. 3(4), pp. 278−279.Uchiyama S., Taniguchi Y., Saka A., Yoshida A., Yajima H. (2011). Prevention of diet-induced obesity by dietary black tea polyphenols extract in vitro and in vivo. Nutrition, 2011, vol. 27, pp. 287−292. DOI: 10.1016/j.nut.2010.01.019Uchiyama S., Taniguchi Y., Saka A., Yoshida A., Yajima H. (2011). Prevention of diet-induced obesity by dietary black tea polyphenols extract in vitro and in vivo. Nutrition, 2011, vol. 27, pp. 287−292. DOI: 10.1016/j.nut.2010.01.019Verma B., Hucl P., Chibbar R.N. (2009). Phenolic acid composition and antioxidant capacity of acid and alkali hydrolysed wheat bran fractions. Food Chemistry, 2009, vol. 116, pp. 947−954. DOI: 10.1016/j.foodchem.2009.03.060Verma B., Hucl P., Chibbar R.N. (2009). Phenolic acid composition and antioxidant capacity of acid and alkali hydrolysed wheat bran fractions. Food Chemistry, 2009, vol. 116, pp. 947−954. DOI: 10.1016/j.foodchem.2009.03.060Weston L.A., Mathesius U. (2004). Flavonoids: their structure, biosynthesis and role in the rhizosphere, including allelopathy. J. Chem. Ecol., 2013, vol. 39 (2), pp. 283–297.Weston L.A., Mathesius U. (2004). Flavonoids: their structure, biosynthesis and role in the rhizosphere, including allelopathy. J. Chem. Ecol., 2013, vol. 39 (2), pp. 283–297.Yi W., Akoh C.C., Fischer J., Krewer G. (2006). Absorption of anthocyanins from blueberry extracts by Caco-2 human intestinal cell monolayers. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006, vol. 54, pp. 5651–5658. DOI: 10.1021/jf0531959Yi W., Akoh C.C., Fischer J., Krewer G. (2006). Absorption of anthocyanins from blueberry extracts by Caco-2 human intestinal cell monolayers. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006, vol. 54, pp. 5651–5658. DOI: 10.1021/jf0531959Yuksel Z., Avci E., Erdem Y.K. (2010). Characterization of binding interactions between green tea flavonoids and milk proteins. Food Chemistry, 2010, vol. 121, pp. 450–456. DOI: 10.1016/j.foodchem. 2009.12.064Yuksel Z., Avci E., Erdem Y.K. (2010). Characterization of binding interactions between green tea flavonoids and milk proteins. Food Chemistry, 2010, vol. 121, pp. 450–456. DOI: 10.1016/j.foodchem. 2009.12.064Zhang H., Wang M., Chen L. et al. (2017). Structure-solubility relationships and thermodynamic aspects of solubility of some flavonoids in the solvents modeling biological media. Journal of Molecular Liquids, 2017, vol. 225, pp. 439–445.Zhang H., Wang M., Chen L. et al. (2017). Structure-solubility relationships and thermodynamic aspects of solubility of some flavonoids in the solvents modeling biological media. Journal of Molecular Liquids, 2017, vol. 225, pp. 439–445.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.