CC BY
23
10. Vinogradov M.E., Shushkina E.A., Mikael-yan A.S., Nezlin N.P. Temporal (seasonal and interan-nual) changes of ecosystem of the open waters of the Black Sea // Environmental Degradation of the Black
Sea: Challenges and Remedies. Eds. Besiktepe S., Unluata U., Bologa A.S. Dordrecht et al.: Kluwer Acad. Publ. 1999. NATO ASI Series Vol.56. P. 109-129. Equation Chapter 1 Section 1
РАСЧЁТ АНТИОКСИДАНТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ИСТОЧНИКОВ ПИЩИ _В БИОРЕГЕНЕРАТИВНОЙ СИСТЕМЕ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ_
Бакулин Александр Сергеевич1
Студент
Мануковский Николай Сергеевич1
Канд. биол. наук, доцент Ковалёв Владимир Степанович2
Канд. биол. наук, ст.н.с
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, Институт информатики и телекоммуникаций, кафедра ЗЭС, г. Красноярск 2 Институт биофизики СО РАН, лаборатория УБФ, г. Красноярск
АННОТАЦИЯ
В среде Matlab разработана модель для расчёта антиоксидантной эффективности, максимизации потребления витаминов A, C и E, а также выявления диетических дисбалансов суточного набора источников питания для космонавтов. Целевые функции модели программировали на основе функции fmincon. С помощью программы сформирован суточный набор источников пищи, которые предполагается производить в биорегенеративной системе жизнеобеспечения. Показано, что максимальная величина антиоксидантной эффективности суточного набора источников пищи составляет 31 ммоль тролокс-эквивалента. Увеличение антиоксидантной эффективности сопровождалось расхождением между расчётными и стандартными показателями суточного потребления нутриентов. Суточное потребление витамина A ограничено стандартом НАСА - 900 мкг ретинол-эквивалента. Максимальное потребление витаминов A и C составляло 374 и 23 мг/сутки, соответственно, хотя верхние границы для этих нутриентов в стандартах НАСА отсутствуют. Выявлены четыре диетических дисбаланса в модельном суточном наборе источников питания: избыток железа, фосфора, насыщенного жира и недостаток пантотеновой кислоты.
Ключевые слова: антиоксидантный потенциал, источник пищи, нутриент, моделирование
CALCULATION OF THE ANTIOXIDANT POTENTIAL OF FOOD SOURCES IN _THE BIOREEGENERATIVE LIFE SUPPORT SYSTEM_
Bakulin Alexander Sergeevich1
Student
Manukovsky Nicolay Sergeevich1
Candidate of biological sciences, Assistant Professor Kovalev Vladimir Stepanovich2
Candidate of biological sciences, Senior Researcher 1 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Institute of Informatics and
Telecommunications, Chair of CES, Krasnoyarsk 2 Institute of Biophysics SB RAS, Laboratory of Controlled Biosynthesis of Phototrophic Organisms,
Krasnoyarsk
ABSTRACT
A model was developed in Matlab for calculating antioxidant efficacy, maximizing the consumption of vitamins A, C and E, as well as identifying dietary imbalances in the daily set of foods for astronauts. The target functions of the model were programmed on the basis of the fmincon function. With the help of the program, a daily set of food sources has been formed, which is supposed to be produced in the bioregenerative life support system. It was shown that the maximum value of the antioxidant efficacy of a daily set of food sources is 31 mmol of the trolox-equivalent. The increase in antioxidant efficacy was accompanied by a discrepancy between the calculated and standard values of daily nutrient intake. The daily intake of vitamin A is limited to the NASA standard of 900 micrograms of retinol-equivalent. The maximum intake of vitamins A and C was 374 and 23 mg / day, respectively, although there are no upper limits for these nutrients in NASA standards. Four dietary imbalances in the model daily set of food sources were identified: excess iron, phosphorus, saturated fat, and a lack of pantothenic acid.
Key words: antioxidant potential, food source, nutrient, modeling
Особую озабоченность по поводу здоровья космонавтов во время космических полётов представляет излучение протонов и частиц с высоким атомным числом и высокой энергией. Известно, что космическое излучение индуцирует окислительный стресс у космонавтов после длительного космического полета на Международной космической станции [10, 15, 28].
Частичное решение проблемы окислительного стресса заключается в подборе источников пищи, обладающими антиоксидантными свойствами. Диетические контрмеры - это пищевые продукты и препараты, которые при попадании в организм космонавта могут иметь потенциал для уменьшения воздействия ионизирующей радиации. Например, такие антиоксиданты, как витамины A и C способны сорбировать радиационные радикалы, прежде чем они смогут причинить какой-либо вред. Исследования также показали, что пектиновое волокно из фруктов, овощей, а также рыбные масла с высоким содержанием n-3 жирных кислот могут быть полезными контрмерами для повреждения от длительного облучения. Другие исследования показали, что диеты, богатые клубникой, черникой, капустой и шпинатом, предотвращают неврологический ущерб из-за радиации. Кроме того, препараты, такие как Radiogardase (также известный как прусский синий), которые содержат гексациано-феррат железа (III), предназначены для увеличения скорости, с которой радиоактивные вещества, такие как цезий-137 или таллий, удаляются из организма [19]. Антиоксидантные свойства проявляет также витамин E, в частности, при перекисном окислении липидов [29]. Защитные свойства витаминов C, E и бета-каротина показаны на лимфоцитах человека in vitro [9].
В отличие от меню на Международной космической станции, составленному исключительно из продуктов, доставляемых с Земли [17], по крайней мере часть пищи космонавтов на лунной и марсианских базах будет производиться, по-видимому, в биорегенеративной системе жизнеобеспечения (БСЖО) [4]. Для производства пищи в БСЖО подобраны растения и животные-кандидаты и на их основе составлено меню [20].
Цель работы: разработка компьютерной модели для расчётов антиоксидантного потенциала суточного набора источников пищи в БСЖО.
Построение модели и методы расчётов. При составлении списка источников пищи (ИП) для расчёта антиоксидантного потенциала соблюдали следующие условия: а) ИП выбирали с учётом их пищевой специфичности; б) данные о биохимическом составе ИП должны быть представлены в базах данных о доступе в открытом доступе; с) ИП были использованы в экспериментальных или теоретических исследованиях БСЖО. Предварительный список рекомендуемых растений, составленный в работе [21] и предназначенный для использования в БСЖО, частично соответствует этим условиям. В наш список из списка [21] включены следующие ИП с назначением верхней границы суточного потребления, г: пшеница - 300, рис - 300, овёс - 200,
лебеда - 200, просо - 100, сорго - 100; батат - 300, картофель - 300, столовая свекла - 60, брокколи -100, листовая капуста (kale) - 50, швейцарский мангольд - 50, садовый горошек - 50, капуста - 100, салат - 30, морковь - 50, сквош - 50, тыква - 50, грибы (вешенка) - 50; рапсовое масло - 50, подсолнечное масло - 50, арахисовое масло -50, соевое масло - 50, соевые бобы - 50, семена арахиса - 50, бобы пинто
- 50, нут - 50, чечевица - 60, вигны - 50, земляника
- 50, томаты - 100, канталупы - 200, лук - 20, чеснок
- 20, перец чили - 20. Кроме того, в список ИП были включены поваренная соль - 5, вода - 3000, сахар -28, масло сафлоровое - 50 и масло чуфы - 50, клубеньки которой использовались в экспериментах БИОС 3 как источник полиненасыщенных жирных кислот [2].
Для выполнения стандарта НАСА относительно массового соотношения «животный белкок / общий белок = 2/3 » в пище [5], в список добавлены ИП животного происхождения, которые изучались как кандидаты для производства в БСЖО, г: домашняя птица [12]- 300, яйца [14] - 200, свинина [14] - 200, улитка [13] - 200, тиляпия [7] - 200 и молоко [25] -1000. Нижняя граница суточного потребления всех ИП приравнивалась нулю. Таким образом, список ИП включал 46 наименований.
Построение модели проводили в среде Matlab. В качестве целевых функций моделирования использовались, а) максимизация антиоксидантной активности суточного набора ИП; б) минимизация расхождения между расчётными и нормативными показателями суточного потребления нутриентов; в) максимизация масс витаминов A, C и E в наборе ИП; Целевые функции программировали на основе функции fmincon, которая предназначена для решения задач однокритериальной оптимизации. Одновременно, целевые функции были показателями моделирования. Независимыми переменными были массы ИП в их суточном наборе. Ограничения на независимые переменные приведены выше.
Каждый ИП представлен в модели как вектор-столбец:
P = [
n ■ n ... n ... n
1] 2 ] i] и]
(1)
где nij - масса i-го нутриента в 100 г j-го ИП, представленная в базах данных; u - общее количество контролируемых нутриентов -38, из которых 30 нутриентов контролировали по стандартам НАСА [5] и 8 нутриентов (незаменимые аминокислоты) контролировали по аминокислотной шкале ФАО/ВОЗ [8], причём 1<i<u.
Массу i-го нутриента в суточном наборе ИП рассчитывали по формуле:
m = É
i
n]P] 100
(2)
где Р] - масса _|-го ИП, г/сутки; v - число ИП в списке - 46, причём 1</<у.
Компьютерная программа формировала суточный набор ИП из списка ИП, приравнивая нулю массы отсеиваемых ИП. Содержание нутриентов в ИП находили в базах данных [6, 24, 27]. Данные по
транс жирным кислотам, биотину, фториду, йоду и хрому в этих базах представлены не для всех ИП, поэтому в данной работе эти нутриенты не учитывали.
Калорийность моделируемого суточного набора ИП принята равной 2800 ккал в соответствии с суточным расходом энергии испытателя в комплексе BIOS 3 [2] и расчётным энергопотреблением обитателя лунной базы [16]. Вычисление калорийности проводили по формуле Атватера:
E = 4 [ protein] + 9 [ fat ] + 4 [carbohydrate] (3)
где [protein], [fat], [carbohydrate] - массы белков, жиров и углеводов в суточном наборе.
Общая масса суточного набора ИП была принята равной 4017 г в соответствии с массой пищи, потребляемой испытателем на втором этапе эксперимента в БИОС 3 [2]. Массовое соотношение «животный белок / общий белок» в суточном наборе ИП поддерживалось на уровне 2/3 согласно стандарту НАСА [5].
Целевую функцию максимизация антиокси-дантной активности суточного набора ИП вычисляли по формуле:
v
Fant = 1 a]p] /100
(4)
1
где aj - антиоксидантная эффективность, выраженная в единицах тролокс-эквивалента [3] на 100 г _|-го продукта [26]; pj - масса _|-го ИП в суточном наборе.
Целевую функцию минимизации расхождения между расчётными и нормативными показателями суточного потребления нутриентов вычисляли по формуле:
j u
Fdev = — У abs
fu ^ bi - mi
38Y
v
(5)
J
где bi - среднее значение между верхней и нижней границей суточного потребления i-го нутри-ента по стандартам НАСА [5] и ФАО/ВОЗ [8]; mt -расчётная масса i-го нутриента в суточном наборе;
u - количество контролируемых нутриентов -38. Значение функции (5) отражает расхождение между содержанием питательных веществ в наборе продуктов питания и стандартами НАСА.
Результаты расчётов. Антиоксидантный потенциал суточного набора ИП отражает величина 31 ммоль тролокс-эквивалента, полученная при максимизации антиоксидантной эффективности (Таблица). При этом из списка ИП в суточный набор программа выбрала, г: поваренная соль - 2, вода - 1608, рис - 245, картофель - 300, столовая свекла - 60, брокколи -100, швейцарский мангольд
- 49, капуста -100, грибы -50, подсолнечное масло
- 6, сафлоровое масло - 7, соевые бобы - 50, бобы пинто - 50, чечевица - 60, вигны - 50, земляника -50, томаты - 100, лук -20, чеснок - 20, перец чили -20, домашняя птица - 103, яйца - 200, свинина - 28, улитка - 43, тиляпия - 189, молоко - 501, сахар - 7. Однако, максимальная антиоксидантная эффективность получена за счёт увеличения дисбаланса между расчётными и стандартными показателями суточного потребления нутриентов до 0,64, тогда как наибольшее приближение суточного набора ИП к диетическим стандартам НАСА (0,46) получено при минимизации расхождений между расчётным и стандартным потреблением нутриентов.
Суточные наборы ИП были не сбалансированы по четырём нутриентам: железу, фосфору, пантоте-новой кислоте и насыщенному жиру. Расчётные величины суточного потребления железа, фосфора и насыщенных жиров превышали стандарты НАСА, а пантотеновая кислота находилась в дефиците.
Суточное потребление витамина A ограничено верхней границей стандарта НАСА - 900 мг ретинол-эквивалента [5]. Напротив, потребление витамина C не имеет верхнего предела [5], однако максимальная величина этого показателя не превышала 374 мг/сутки. Суточное потребление витамина E держалось около нижней границы - 15 мг/сутки, и только при максимизации этого показателя его величина достигла 23 мг/сутки, хотя верхний предел на потребление витамина E не установлен [5].
Таблица Характеристики суточного набора ИП
Целевые функции Показатели суточного набора ИП
*Fant? **Fdev Число Массы витаминов
дисба
лансов
***A, мкг C, мг E, мг
Максимизация Fant, 31 0.64 4 900 334 15
Минимизация Fdev 17 0.46 4 867 221 15
Максимизация витамина А 26 0.53 4 900 303 15
Максимизация витамина С 28 0.62 4 900 374 15
Максимизация витамина Е 26 0.64 4 900 295 23
ИП - источники питания
*Fant -антиоксидантная эффективность, выраженная в ммоль тролокс-эквивалента для суточного набора ИП по формуле (4).
**FdeV - расхождение между расчётным и стандартным потреблением нутриентов по формуле (5). ***Масса витамина А в суточном наборе, дана в микрограммах ретинол-эквивалента
Обсуждение результатов. Измерение антиок-сидантной активности продуктов и веществ проводят in vitro, а in vivo антиоксидантный статус определяют с помощью анализа образцов из сыворотки крови или мочи. В образцах сыворотки измеряют общую антиоксидантную активность, активность супероксид дисмутазы и глутатион пероксидазы, а в моче - содержание малондиальдегида, 4-гид-рокси-алкенала и 8-гидрокси-деоксигуанозина в моче [18]. По-видимому, преждевременно утверждать, что установлена надёжная связь между ан-тиоксидантной активностью пищи in vitro и антиок-сидантным статусом in vivo. Поэтому невозможно оценить достаточность величины расчётной анти-оксидантной эффективности 31 ммоль тролокс-эквивалента (Таблица) для поддержания здоровья космонавтов. Отметим также, что в пищевых стандартах НАСА [5] отсутствует норматив на антиок-сидантную эффективность пищи.
Суточное потребление витаминов C и E не ограничено стандартами НАСА. Однако, расчётный предел их потребления составлял 374 и 23 мг/сутки, соответственно. Максимизация потребления этих витаминов сопровождалась увеличением расхождения между расчётными и стандартными показателями суточного потребления контролируемых нутриентов (Таблица). Следовательно, увеличивается число дисбалансов, которые препятствуют увеличению потребления витаминов C и E. Выявление этих ограничений требует дополнительного исследования. Суточное потребление витамина A ограничено в нашем расчёте и стандарте НАСА величиной 900 мкг ретинол-эквивалента. Возможно, что обоснование этой величины дано в закрытом документе НАСА № 70024: «Human Systems Integration (HSI) Case Studies from the NASA Constellation Program, 2009», выдержка из которого в виде стандартов на суточное потребление нутриентов приведено в статье [5].
Как отмечено выше, расчетное суточное потребление железа превышает стандарт НАСА, а именно в 2,7- 3,0 раза. Известно, что избыточные потребление железа и его депо в организме могут спровоцировать рак и сердечные заболевания [11, 22, 23]. В связи с этим установ на низкое потребление железа кажется оправданным. Тем не менее, ассортимент как российских, так и американских продуктов, используемых на борту МКС для завершения совместных диет, не позволял поддерживать низкую ежедневную скорость приема железа (8-10 мг) в соответствии с желанием американской стороны. В фактически используемых российско-американских совместных рационах 1 -7-й экспедиций потребление железа составляло 21 мг/сутки. Метаболические параметры не выходили за пределы допустимых физиологических колебаний и не указывали на нарушения пищевого статуса членов экипажа. Полученные данные свидетельствуют о том, что совместные российско-американские диеты адекватно обеспечивали энергетический и конструктивный метаболизм членов экипажа в течение семи долгосрочных экспедиций на МКС и способ-
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) #4 (49), 2018 ствовали поддержанию работоспособности, достаточной для выполнения программ полета [1]. Таким образом, следует отметить, что ежедневное потребление железа (21 мг), рассчитанное в текущем исследовании, не является критическим, тогда как требование НАСА (8-10 мг) не представляется возможным. Если рассматривать потребление железа по отношению к его доступной форме, то требование НАСА выглядит более реалистичным.
Для предотвращения избытка фосфора и насыщенного жира в суточном наборе ИП можно рекомендовать подбор ИП с пониженным содержанием этих нутриентов. Дефицит пантотеновой кислоты можно преодолеть с помощью употребления витаминизированных продуктов и/или витаминных препаратов.
Заключение
Представленная модель позволяет оптимизировать не только антиоксидантную эффективность, но и другие диетические показатели путём замены целевой функции. Практическое применение модели затруднено в связи с неопределённостью критерия достаточности применительно к антиокси-дантной эффективности суточного набора ИП для космонавтов.
Благодарность
Работа выполнена в рамках Государственной программы по теме № 56.1.4, раздел VI Программы фундаментальных научных исследований Российской академии наук на 2013-2020 годы.
Список литературы
1. Агуреев А.Н., Каландаров С., Васильева В.Ф., Гурова Л.А. Питание экипажей длительных экспедиций на Международной космической станции // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2004. - № 5. - С. 19-23.
2. Замкнутая система: человек - высшие растения. Новосибирск: Наука, 1979. - 160 с.
3. Хасанов В.В., Рыжова Г.Л., Мальцева Е.В. Методы исследования антиоксидантов // Химия растительного сырья. - 2004. - №3. - С. 63-75.
4. Cooper M.R., Catauro P., PerchonokM. Development and evaluation of bioregenerative menus for Mars habitat missions // Acta Astronaut. - 2012. - V. 81. - P. 555-562.
5. Cooper M., Douglas G., and Perchonok M. Developing the NASA food system for long-duration missions // J. of Food Sci. - 2011. - Vol. 76. - No. 2. - R40-R48.
6. Fooddata. http://frida.fooddata.dk/?lang=en.
7. Gonzales J. M., Paul Jr., Brown B. Nile ti-lapia Oreochromis niloticus as a food source in advanced life support systems: Initial considerations // Adv. Space Res. - 2006. - V. 38. - P. 1132-1137.
8. Harper A. Amino acid scoring patterns, Joint FAO/WHO/UNU Expert Consultation on Energy and Protein Requirements, Rome, 5 to 17 October 1981. http://www.fao.org/docrep/MEETING/004/M3013E/ M3013E00.HTM.
9. Konopacka M., Rzeszowska-Wolny J. Antioxidant Vitamins C, E and p-carotene reduce DNA damage before as well as after y-ray irradiation of human
lymphocytes in vitro // Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. - 2001. -V. 491. - Issues 1-2 - P. 1-7.
10. Larina I.M., Percy A.J., Yang J., Borchers Ch.H., Nosovsky A.M., Grigoriev A. I., Nikolaev E. N. Protein expression changes caused by spaceflight as measured for 18 Russian cosmonauts // Sci. Rep. -2017. - V. 7. - Article number: 8142.
11. Mainous A.G., Wells B.J., Koopman R.J., Everett C.J., Gill J.M. Iron, lipids, and risk of cancer in the Framingham Offspring cohort //Am. J. Epidemiol. -2005. - V. 161. - No 12. - P. 1115-1122.
12. Meleshko G.I., Guryeva T.S., Shepelev Ye.Ya., Abakumova I.A., Quail as a possible object of biological life-support systems of space crews // Acta Vet. Brno. - 1993. - V. 62. - No 4. - P. 9-15.
13. Midorikawa Y., Fujii T., Ohira A., Nitta K. CELSS nutrition system utilizing snails // Acta Astronaut. - 1993. - V. 29. - P. 645-650.
14. Nelson M., Pechurkin N.S., Allen J.P., Somova L.A., and Gitelson J.I. Closed ecological systems, space life support and Biospherics. From: Handbook of Environmental Engineering. Vol. 10: Environmental Biotechnology. Edited by: L. K. Wang et al., 2009. - P. 517-565.
15. Nikolaev E. N. Protein expression changes caused by spaceflight as measured for 18 Russian cosmonauts // Sci. Rep. - 2017. - V. 7. - Article number: 8142.
16. Nitta K., Ohya H. Lunar base extension program and closed loop life support systems // Acta Astronaut. - 1991. - V. 23. - P. 253-262.
17. PerchonokM., Bourland Ch. NASA Food Systems: Past, Present, and Future // Nutrition. - 2002. -V. 18. - P. 913-920.
18. Principles of clinical medicine for space flight. Barratt M.R., Pool S.L. (Eds.). 2008.
19. Rask J., Vercoutere W., Krause A., Navarro B.J. Space faring the radiation challenge. NASA. Radiation Educator Guide. Module 3. https://www.nasa.gov/pdf/284275main Radiation HS Mod3.pdf.
20. Ruminsky K.A., and Hentges D.L. Development of a 10-day cycle menu for advanced life support //Life Support and Biosphere Science. - 2000. - V. 7. -P. 193-201.
21. Salisbury F.B. and Clark M.A.Z. Suggestions for crops grown in controlled ecological life-support systems, based on attractive vegetarian diets // Adv. Space Res. - 1996. - V. 18. - P. 33-39.
22. Salonen J.T., Nyyssonen K., Korpela H., Tuomilehto J., Seppanen R., Salonen R. High stored iron levels are associated with excess risk of myocar-dial infarction in eastern Finnish men // Circulation. -1992. - V. 86. - No 3. - P. 803-811.
23. Sullivan J.L. Stored iron and ischemic heart disease: Empirical support for a new paradigm (Editorial Comment) // Circulation. - 1992. - V. 86. - P. 1036-1037.
24. SELF Nutrition Data. http://nutri-tiondata. self.com/.
25. Tako Ya., Arai R., Tsuga S., Komatsubara O., Masuda T., Nozoe S. and Nitta K. SEEF: closed ecology experiment facilities // Gravit. Space Biol. - 2010.
- V. 23. - P. 13-23.
26. USDA Database for the oxygen radical ab-sorbance capacity (ORAC) of selected foods, Release 2. http://www.orac-info-portal.de/down-load/ORAC R2.pdf
27. USDA Food Composition Databases. https://ndb.nal.usda.gov/ndb/.
28. Versari S., Longinotti G., Barenghi L., Maier J., and Bradamante S. The challenging environment on board the International Space Station affects endothe-lial cell function by triggering oxidative stress through thioredoxin interacting protein overexpression: The ESA-SPHINX experiment // FASEB J. - 2013. - V. 27.
- No 11. - P. 4466-4475.
29. R. Yamauchi. Vitamin E: mechanism of its an-tioxidant activity // Food Sci. Technol. Int. Tokyo // -1997. - V. 3. - No 4. - P. 301-309.
