CC BY
230
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 637.5
В. В. Садовой, И. А. Трубина, Т. В. Щедрина
Sadovoy V. V., Trubina I. A., Shchedrina T. V.
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ДОБАВОК, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
STUDY OF MOLECULAR PROPERTIES OF BIOLOGICALLY ACTIVE ADDITIVES USED IN FOOD TECHNOLOGY
Изучены основные квантово-химические свойства креатина и кверцетина и их изменение под воздействием технологических факторов, рассмотрена возможность использования этих биологически активных добавок в технологии пищевых продуктов.
Ключевые слова: креатин, кверцетин, трехмерное моделирование, геометрическая оптимизация, молекулярная механика, тепловая обработка.
The article gives the results of studying basic quantum chemical properties of creatine and quercetin and their change under the influence of technological factors; it considers the possibility of using these dietary additives in food technology.
Key words: creatine, quercetin, three-dimensional modeling, geometry optimization, Molecular mechanics, heat treatment.
Садовой Владимир Всеволодович -
доктор технических наук, профессор кафедры товароведения и технологии общественного питания АНО ВО «Белгородский университет кооперации, экономики и права»
Ставропольский институт кооперации (филиал) г. Ставрополь;
профессор кафедры технологии продуктов питания и товароведения института сервиса, туризма и дизайна ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Пятигорск
E-mail: vsadovoy@yandex.ru
Трубина Ирина Александровна -
кандидат технических наук, доцент кафедры
технологии производства и переработки
сельскохозяйственной продукции
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
E-mail: vsadovoy@yandex.ru
Щедрина Татьяна Викторовна -
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии продуктов питания и товароведения института сервиса, туризма и дизайна ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Пятигорск
E-mail: tany1812@yandex.ru
Sadovoy Vladimir Vsevolodovich -
Doctor of Technical Science, Professor of the Department of Commodity Research and Technology of Public Catering
ANO HE «Belgorod University of Cooperation, Economics and Law» Stavropol Institute of Cooperation (branch) Stavropol;
Professor of Technology of Food Products and Commodity Research Department, Institute of Service, Tourism and Design
FSАEI HE «North-Caucasus Federal University» Pyatigorsk
E-mail: vsadovoy@yandex.ru
Trubina Irina Alexandrovna -
Ph.D of Technical Science, Associate professor of Department «Technology of Agricultural Product Processing»
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
E-mail: vsadovoy@yandex.ru
Shchedrina Tatiana Victorovna -
Ph.D. of Technical Science, Associate professor of Technology of Food Products and Commodity Research Department, Institute of Service, Tourism and Design FSАEI HE «North-Caucasus Federal University» Pyatigorsk
E-mail: tany1812@yandex.ru
Натуральный креатин имеется в рыбе и мясе, он может частично синтезироваться из аминокислот в человеческом организме. В мышечных сокращениях и как источник энергии креатин играет основную роль. Для людей с активным образом жизни и спортсменов для компенсации энергетических затрат креатина, вырабатываемого организмом, недостаточно. В этой связи данную биологически активную добавку принимают дополнительно или в составе различных питательных комплексов. Использование креатина возмож-
но в качестве добавки к пище или в составе рецептур продуктов питания. Известно, что креатин повышает результативность и адаптацию к физическим нагрузкам, взрывную силу и интенсивность тренировочных программ, обеспечивает снижение утомляемости, способствует быстрому восстановлению мышц, увеличивает вес тела и мышечные объемы.
Теоретической предпосылкой использования кверцетина в качестве пищевой добавки является коррекция работоспособности, способность этого антиоксиданта препятствовать
в
естник АПК
Ставрополья
: № 2(26), 2017
Агроинженерия
31
активации свободнорадикального и перекис-ного окисления липидов субклеточных и клеточных мембран. Кверцетин является донором протона с легкоподвижным водородным атомом, который связывает в неактивные соединения свободные радикалы [1].
Вышеописанные биологически активные добавки являются антиоксидантами и используются лицами, занимающимися тяжелым физическим трудом, и спортсменами для адаптации при высоких нагрузках и восстановления организма, когда существует опасность ослабления иммунной системы и развития различных заболеваний. Это связано с увеличением потребления кислорода, ускорением обмена веществ в результате интенсивной мышечной деятельности. Высокая эффективность использования креатина и кверцетина в питании спортсменов достигается за счет введения этих компонентов в рецептурный состав мясопродуктов [2].
Для обоснования применения креатина и кверцетина в составе рецептур при производстве пищевых продуктов, подвергаемых тепловой обработке, изучены молекулярные характеристики рекомендуемых биологически активных добавок. Анализ конформационной структуры химических соединений осуществляется на трехмерных моделях молекул. С использованием приложения НурегОИет моделируют геометрически оптимизированные молекулярные структуры и исследуют свойства молекул (среднеквадратичный градиент, суммарный энергетический заряд, распределение электронной плотности и электростатического потенциала на поверхности молекул, изменение потенциальной и кинетической энергии и др.), а также предсказывают поведение молекул при термической обработке в различных средах.
В трехмерном пространстве выполнено моделирование и визуализация молекул кверцетина и креатина (рис. 1).
Перед началом молекулярно-динамических расчетов с помощью метода полуэмпирического и молекулярной механики выполнена геометрическая оптимизация биологически активных добавок для установления устойчивых молекулярных структур. Свидетельством эффективности геометрической оптимизации являются полученные квантово-химические характеристики исследуемых моделей. Общая энергия (Total Energy) для молекул креатина (-38908,1 ккал/ моль) и кверцетина (-91917,1 ккал/моль) является достаточно малой величиной, среднеквадратичный градиент (RMS Gradient) для обеих молекул незначительно отличается от нуля (0,09 и 0,09 ккал/(А*моль). Полученные данные свидетельствуют об эффективности процедуры минимизации энергетического состояния системы [3].
Электростатический потенциал является энергетической характеристикой и мерой потенциальной энергии единичного заряда в данной точке поля. Электростатический потенциал рассчитывается как отношение потенциальной энергии к величине заряда. Молекулярный электростатический потенциал креатина и кверце-тина представлен на рисунке 2.
При анализе поверхностной конфигурации распределения электростатического потенциала выявлено, что в районе атомов кислорода и азота сформировано поле с отрицательным электростатическим потенциалом. Поверхности этих молекул имеют зоны с положительным и отрицательным электростатическим потенциалом, что свидетельствует о вероятности образования комплексов исследуемых БАДов с другими высокомолекулярными соединениями, входящими в состав рецептур пищевых продуктов.
Основные положения квантовой механики предполагают наличие переходов в атомно-молекулярной системе между различными энергетическими уровнями путем испускания или поглощения электромагнитного излучения [4].
Рисунок 1 - Трехмерная структура молекул креатина (а) и кверцетина (б)
32
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
Отрицательный электростатический потенциал
_у
а б
Рисунок 2 - Электростатический потенциал молекул креатина (а) и кверцетина (б)
Исходя из изложенного, исследованы молекулярные электронные спектры кверцетина и креатина, определены свойства молекул в возбужденном состоянии этих биологически активных ингредиентов (рис. 3).
Мера вероятности перехода выражается показателем силы осциллятора, который является отношением коэффициента спонтанного с испусканием перехода к постоянной классического гармонического осциллятора затухания (колеблющегося диполя). Поскольку дипольный момент перехода пропорционален интенсивности спектра, не активны запрещенные переходы. Спектр представлен двумя рядами линий, которые соответствуют длинам волн. Верхний ряд включает все волновые длины, высота линий нижнего ряда пропорциональна интенсивности перехода.
При стабильном состоянии на поверхности потенциальной энергии молекулярной системы целесообразно проводить исследование критических (седловых) точек. Седловая точка в химической кинетике рассматривается как переходный комплекс [5].
Результаты исследований квантово-химических характеристик геометрически оптимизированных молекул по сравнению с показателями в возбужденном состоянии свидетельствуют о том, что общая энергия молекул повышается для креатина на 79,4 (с -38908,1 до -38829,7), для кверцетина - на 837,8 ккал/моль (с -91917,1 до -85079,3). Разность показателей общей энергии в стабильном и возбужденном состоянии рассматривается как энергия активации.
Повышение энергии связи (Binding Energy -BD) свидетельствует об уменьшении стабильности (прочности) структуры молекул в переходном состоянии: для креатина BD увеличивается до -1606,9 c -1685,2; для кверцетина до -3553,4 с -3718,6 ккал/моль. Увеличиваются и значения дипольных моментов (с 2,915 до 4,679 и с 4,679 до 7,187 Дебая), а также среднеквадратичные градиенты молекулярных систем (с 0,09344 до 37,8 и с 0,09917 до 43,87 ккал/(А*моль) для креатина и квер-цетина соответственно.
Длина волны (нм)
Mil III II I I I
M
и i j
Ll
Line Widlh 4 | |
I OK.
Мультиплетность по спину
Рисунок 3 - Электронные спектры молекул креатина (а) и кверцетина (б)
Вестник АПК
Агроинженерия -! № 2(26), 2017 " "
Таблица - Анализ молекулярно-динамических характеристик креатина и кверцетина
Исследуемые молекулы Энергия активации, ккал/моль Потенциальная энергия, ккал/моль
до термической обработки во время термической обработки Изменение энергии
Кверцетин 837,8 -20,2 78,8 99,0
Креатин 78,4 -8,0 24,3 32,3
Таким образом, молекулярно-динамические расчеты подтверждают понижение устойчивости и увеличение полярности молекул.
Креатин и кверцетин планируется использовать в качестве добавок при производстве пищевых продуктов для лиц, занимающихся тяжелым физическим трудом, и спортсменов. Технология производства готовых изделий обычно предусматривает тепловую обработку. Методом молекулярной механики выполнено моделирование изменения энергетических характеристик исследуемых БАДов при 75-85 оС до 72 оС в толще продукта [6].
В модуле компьютерной программы Molecular Dynamics Averages выполнен анализ динамических изменений энергетического состояния молекул при тепловой обработке. Основной характеристикой переходного (возбужденного) состояния молекулы является изменение суммарной потенциальной энергии.
Для определения возможности применения креатина и кверцетина в рецептурах готовых продуктов выполнено сравнение энергии активации с результатами энергетических
расчетов до и после термической обработки (табл.).
Полученные данные свидетельствуют о том, что при тепловой обработке пищевых продуктов исследуемые молекулы сохраняют свои свойства и не находятся в возбужденном состоянии, поскольку изменения потенциальной энергии имеют более низкие значения, чем энергия активации для кверцетина и креатина (99,0 по сравнению с 837,8 и 32,3 против 78,4 ккал/моль соответственно).
Результаты исследований БАДов креатина и кверцетина полуэмпирическими и молекулярно-динамическими методами позволили установить свойства молекул после оптимизации структуры и в возбужденном состоянии. Рассчитано изменение потенциальной энергии и энергия активации молекул в процессе термической обработки. Проведенные исследования показали целесообразность использования кверцетина и креатина в качестве пищевой добавки в технологии мясопродуктов для лиц, занимающихся тяжелым физическим трудом, и спортсменов.
Литература
1. Трегубова Н. В., Исмаилов И. С., Ткачен-ко М. А. Взаимосвязь прооксидантно-антиоксидантной системы с продуктивностью сельскохозяйственных животных // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 3 (23). С.116-120.
2. Щедрина Т. В. Разработка технологии специализированных мясопродуктов для питания спортсменов : дис. ... канд. техн. наук : 05.18.04 / Сев.-Кав. гос. техн. ун-т. Ставрополь, 2011.154 с.
3. Грей С. К., Габинс К. Е. Теория молекулярных жидкостей. Оксфорд : Кларендон Пресс, 1984. № 1. 626 с.
4. Моргунова А. В. Изучение показателя активности воды в замороженных мясопродуктах // Техника и технология пищевых производств. 2016. Т. 43, № 4. С. 50-55.
5. Маргенау Х., Кестнер Н. Р. Межмолекулярные силы. 2-е изд. Л. : Пергамон Пресс, 1971. 560 с.
6. Моргунова А. В. Научные и практические основы разработки мясопродуктов для здорового питания туристов // Сб. науч. тр. / Всерос. науч.-исслед. ин-т овцеводства и козоводства. 2014. Т. 2, № 7. С. 168-171.
References
1. Tregubova N. V., Ismailov I. S., Tkachenko M. A. Relationship of prooxidant-antioxidant system with the productivity of agricultural animals // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2016. № 3 (23). P. 116-120.
2. Shchedrina T. V. The development of specialized technology of meat products for sportsmen: thesis for the degree of Candidate of Technical Science: 05.18.04 / North-Caucasus State Technical University. Stavropol, 2011. 154 p.
3. Grey S. K., Gabins K. E. Theory of molecular fluids. Oxford : Clarendon Press, 1984. № 1. 626 p.
4. Morgunova A. V. Study of the increased water activity in the frozen meat products // Equipment and technology of food production. 2016. T. 43, № 4. P. 50-55.
5. Margenau H., Kestner N. R. Intermolecular forces. 2nd ed. L. : Pergamon Press, 1971. 560 p.
6. Morgunova A. V. Scientific and practical bases of the development of meat products for a healthy supply of tourists // Collection of scientific works / All-Russian scientific research Institute of sheep and goat breeding. 2014. Vol. 2, № 7. P. 168-171.
