THE INFORMATIONAL SAFETY MODEL OF A TONIC (ENERGY) DRINK WITH SCHIZANDRA CHINENSIS
Authors:
1.
Plekhanov Russian University of Economics, Kemerovo institute (branch)
2.
Plekhanov Russian University of Economics, Kemerovo institute (branch)
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 110
to 115
Status:
Published
Received:
30.06.2015
Accepted:
30.06.2015
Published:
30.06.2015
Subject area:
UDK 620.2:663
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Tonic (energy) drinks, safety, biomarkers, three-factor model of biological safety, regression equation
Abstract (English):
The article presents the results of the study in determining the safety of tonic (energy) drinks with the help of three-factor regressionanalysis using a mathematical model of quality. The study has been performed on adult Wistar rats of both sexes in accordance with the requirements to the content and the humane treatment of experimental animals. The animals consumed the water solution of Schi- zandra chinensis extract at the rate of 4 mcg per 100 g of the body weight.The purpose of the study is to assess the risk of toxic or side effects when consuming the drink with Schizandra chinensis basing on the results obtained during pre-clinical trials with animal models using a mathematical model of changes of lactate dehydrogenase(LDH) activity in quantitative indices of the activity of alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST) , crea- tinekinase (CK).The risk of damage to the cell membranes has been estimated by the quantitative content of the glycolytic enzymeLDH, the activity of which increases above the reference values of 170-480 U/l when having toxic damages of cells and tissues ofheart, kidney, liver and brain. The regression equations have been obtained which describe the change in LDH activity depending on X1 - ALT, X2 - AST, X3 - CK with laboratory animals of both sexes taking a drink with Schizandra chinensis . The significance of all coefficients of the regression equations has been shown, since their values are between the lower and upper limits of the confi- dence interval. The possibility of using the change in LDH activity in laboratory animals taking a drink with Schizandra chinensis as biomarkers of damage to the cell membranes has been theoretically proved. There has been LDH decrease within the normal range in laboratory animals, indicating the biological safety of the beverage to the human body.
The article presents the results of the study in determining the safety of tonic (energy) drinks with the help of three-factor regressionanalysis using a mathematical model of quality. The study has been performed on adult Wistar rats of both sexes in accordance with the requirements to the content and the humane treatment of experimental animals. The animals consumed the water solution of Schi- zandra chinensis extract at the rate of 4 mcg per 100 g of the body weight.The purpose of the study is to assess the risk of toxic or side effects when consuming the drink with Schizandra chinensis basing on the results obtained during pre-clinical trials with animal models using a mathematical model of changes of lactate dehydrogenase(LDH) activity in quantitative indices of the activity of alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST) , crea- tinekinase (CK).The risk of damage to the cell membranes has been estimated by the quantitative content of the glycolytic enzymeLDH, the activity of which increases above the reference values of 170-480 U/l when having toxic damages of cells and tissues ofheart, kidney, liver and brain. The regression equations have been obtained which describe the change in LDH activity depending on X1 - ALT, X2 - AST, X3 - CK with laboratory animals of both sexes taking a drink with Schizandra chinensis . The significance of all coefficients of the regression equations has been shown, since their values are between the lower and upper limits of the confi- dence interval. The possibility of using the change in LDH activity in laboratory animals taking a drink with Schizandra chinensis as biomarkers of damage to the cell membranes has been theoretically proved. There has been LDH decrease within the normal range in laboratory animals, indicating the biological safety of the beverage to the human body.
Keywords:
Tonic (energy) drinks, safety, biomarkers, three-factor model of biological safety, regression equation
Tonic (energy) drinks, safety, biomarkers, three-factor model of biological safety, regression equation
Введение Одним из основных векторов государственной политики в области здорового питания является безопасность продовольственных товаров. Во из- бежание возможных заболеваний потребитель дол- жен быть осведомлён о качестве потребляемой продукции, влиянии пищевых компонентов и ксе- нобиотиков на организм человека. Такой подход формирует культуру питания и является одним из составляющих культуры общества. Правительство Российской Федерации проводит последовательную экономическую политику в об- ласти обеспечения продовольственной безопасно- сти. Согласно принятой в январе 2010 г. Доктрины продовольственной безопасности Российской Фе- дерации, для формирования здорового питания на уровне государства требуется развитие фундамен- тальных и прикладных научных исследований по медико-биологической оценке безопасности новых источников пищи и ингредиентов [1]. В последние годы в России и за рубежом попу- лярностью пользуются безалкогольные тонизиру- ющие (энергетические) напитки (БТЭН), основны- ми потребителями которых являются молодые лю- ди в возрасте 30-35 лет, что обусловлено особенностями жизни и социально-общественной деятель- ности этой части населения, в частности, необхо- димостью дополнительной эмоциональной стиму- ляции, противодействия усталости и стрессу [2, 3]. Основными компонентами при изготовлении БТЭН являются кофеин и таурин. Кофеин оказывает влияние на высшую нервную деятельность организма, обладает достаточно вы- раженным стимулирующим эффектом на умствен- ную и физическую способность человека, что по- могает сохранять бодрость при утомлении [4]. Таурин способствует нормализации функции клеточных мембран, оптимизации энергетических и обменных процессов. Следует отметить, что приме- нение данного компонента в дозах, превышающих рекомендуемые, в сочетании с кофеином и другими стимуляторами вызывает нервное возбуждение. Ре- комендуемые уровни потребления стимуляторов энергетического обмена регламентируются в ГОСТ Р 52844-2007 «Напитки безалкогольные тонизиру- ющие. Общие технические условия». Долгую историю медицинского применения как тонизирующего и вяжущего средства в азиатских странах имеют плоды лимонника китайского (Schi- zandra chinensis), являющиеся уникальным стиму- 110 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 лятором. Это одно из растений, которое обычно используется для лечения ишемической болезни сердца. Экстракт лимонника активирует эстроген- зависимые люциферазные гены клеток временно трансфицированных с рецепторами эстрогенов [5]. Препараты из лимонника усиливают возбужде- ние в коре головного мозга и повышают рефлек- торную деятельность центральной нервной систе- мы (ЦНС). Тонизирующее, освежающее, стимули- рующее действие лимонника китайского особенно выражено во время напряженной умственной рабо- ты, которая требует сосредоточенности, внимания, цельности восприятия. При этом очень важно, что его тонизирующее действие не сопровождается истощением нервных клеток. Препараты лимонни- ка китайского повышают остроту зрения и способ- ность глаз адаптироваться к темноте. Они умень- шают частоту сердечных сокращений, увеличивая их амплитуду. Для достижения тонизирующего эффекта пре- параты лимонника могут применять как практиче- ски здоровые люди (при переутомлении, усталости, понижении работоспособности, вялости, весеннем авитаминозе), так и люди, страдающие гипотонией, психастенией, вегетососудистой дистонией по гипотоническому типу. В настоящем исследовании впервые проведена оценка биологической безопасности БТЭН трёх- факторным регрессионным анализом путём по- строения математической модели, что определяет её приоритетность и актуальность. Цель исследования - оценить риск развития токсических или побочных эффектов при употреб- лении напитка с лимонником китайским на основа- нии результатов, полученных при доклиническом испытании на экспериментальных животных с по- мощью математической модели изменения актив- ности лактатдегидрогеназы (ЛДГ) по количествен- ным показателям активности аланинаминотрасфе- разы (АЛТ), аспартамаминотрансферазы (АСТ), креатинкиназы (КК). Объект и методы исследования Исследование выполнено на 30 половозрелых крысах линии Wistar обоего пола (самки, n = 15; самцы, n = 15), массой (371±26) г (самки: (281±29) г; самцы: (461±23) г) в соответствии с требованиями, предъявляемыми к содержанию и гуманному об- ращению с экспериментальными животными: при- каз МЗ СССР от 12.08.1977 № 755 «О мерах по дальнейшему совершенствованию организацион- ных форм работы с использованием эксперимен- тальных животных»; «Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных». Дизайн исследования одобрен локальным эти- ческим комитетом ГБОУ ВПО «Кемеровская госу- дарственная медицинская академия» Министерства здравоохранения РФ. Критерии включения животных в эксперимент: возраст 3-5 месяцев, масса не менее 250 г и не бо- лее 485 г, активные животные без видимых травма- тических повреждений и клинических проявлений патологии сердца, печени и почек. Критерии исключения: возраст менее 3 и более 5 месяцев, масса менее 250 г и более 485 г, малоак- тивные, болезненные животные. Животные употребляли водный раствор экс- тракта лимонника китайского (20 мкг экстракта : 100 см3 воды) из расчета 4 мкг экстракта на 100 г массы тела. Рассчитанное количество вносимых компонентов растворяли в предварительно очищенной фильтром «Барьер», нагретой до кипения и охлаждённой до комнатной температуры воде. Вы- бор используемых в данном исследовании дозиро- вок обоснован методическими рекомендациями «Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ», Техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» от 09.12.2011 № 880 и ГОСТ Р 52844-2007 «Напитки безалкогольные тонизиру- ющие. Общие технические условия» в пересчёте на массу животных. Активность ферментов в сыворотке крови опре- деляли спектрофотометрически в соответствии с прилагаемыми инструкциями. Для определения АЛТ и АСТ использовали набор реагентов для определения активности энзиматическим кинетическим методом (изготовитель ООО «Ольвекс Диагносстикум», Россия, г. Санкт-Петербург), для определения КК - набор реагентов фирмы HUMAN (Германия), для определения активности ЛДГ ки- нетическим методом - набор ФС «ДДС» (изготови- тель АО «ДИАКОН-ДС», Россия, Московская об- ласть, г. Пущино). Результаты и их обсуждение Оценка безопасности лимонника китайского на стадии доклинического изучения является неотъем- лемой частью исследования. В основе развития ток- сических или побочных эффектов лежат нарушения нормального функционирования ферментативных процессов, изменения которых следует расценивать как причину или следствие различных патологиче- ских процессов. Большинство ферментов находятся в клеточной среде, но тем не менее на основании полученных результатов можно сделать заключение об изменениях, происходящих в клетках и тканях. Для этого должен быть выбран соответствующий показатель. В настоящее время известно пять изо- ферментов, различающихся набором протомеров. Для скрининга возможной токсичности определяли активности АЛТ, АСТ, КК, ЛДГ. Увеличение АЛТ и АСТ свидетельствует о некрозе прежде всего мышечной ткани, клеток пе- чени и мозга. Повышенная активность в сыворотке крови КК может быть следствием повреждения миокарда или скелетной мускулатуры. ЛДГ отно- сится к классу оксиредуктаз и представляет собой тетрамер, содержащий протомеры двух типов, один из немногих ферментов, широко представленный в различных органах и тканях, в том числе в сердеч- ной мышце, паренхиматозных органах и др. При патологических процессах в конкретном органе повышается уровень ЛДГ в сыворотке крови. Та- ким образом, в нашем исследовании указанный фермент выбран как основной среди широкой рас- 111 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 пространённости с одной стороны и протомерной селективности - с другой стороны. Эти свойства выгодно отличают фермент данного класса от дру- гих ферментных систем организма. Поэтому инте- рес представляет построение зависимости между АЛТ, АСТ, КК и ЛДГ. Математическая модель, описывающая взаимосвязь между ферментами, по- лучена методом факторного анализа на основе экс- периментальных данных. Факторный эксперимент характеризуется коли- чественными показателями, выраженными в Ед/л: X 1 - АЛТ; Х 2 - АСТ; Х 3 - КК. Функция отклика Y - ЛДГ, Ед/л (табл. 1). Целью анализа является определение такого сочетания факторов Х 1, Х 2, Х 3, при котором функция отклика принимает значение в интервале170-480 Ед/л (референтные пределы). Таблица 1 Сравнение экспериментального и предсказанного содержания ЛДГ у особей мужского пола они меньше соответствующих коэффициентов. Также вычисленные коэффициенты находятся между нижней и верхней границей доверительного интервала, следовательно, все коэффициенты яв- ляются значимыми. Таблица 2 Сравнение экспериментального и предсказанного содержания ЛДГ у особей женского пола Таблица 3 Параметры модели ЛДГ у особей мужского пола и их статистические оценки При сравнении содержания ЛДГ у самок, упо- требляющих напиток с лимонником китайским, активность фермента в сыворотке крови выше, чем 2 у самцов, что может быть обусловлено как гендер- ными особенностями гормонального статуса - пре- обладание катехоламиновой стимуляции у самцов, так и большей мышечной массой самцов. Построение трёхфакторной модели безопасности сводится к выводу уравнения регрессии, которое определяет эмпирическую зависимость Y по Х1, Х2, Х3 - независимым факторам и их взаимодействиям. Вид и численные значения параметров уравнения регрессии установлены с помощью метода наименьших квадратов отклонений эмпирических данных от выровненных. Параметры уравнения ре- грессии имеют стандартные ошибки (табл. 3, 4), но 112 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 Таблица 4 Параметры модели ЛДГ у особей женского пола и их статистические оценки Рис. 1. Поверхность отклика предсказанного содержания ЛДГ у особей мужского пола Уравнение модели изменения активности ЛДГ у особей мужского пола (табл. 3) имеет следующий вид: Y = 630,7263X 1-57028,9X 2+77,88242X 3 - 2 2 2 -8,58184X 1 +660,8453X 2 -0,16412X 3 +1218350; 17 ≤ X 1 ≤ 40; 17 ≤ X 2 ≤ 45; 10 ≤ X 3 ≤ 19; 170 < Y ≤ 480. Уравнение модели изменения активности ЛДГ у особей женского пола (табл. 4) имеет вид: Y = 3479,812X 1-5205,95X 2+451,5982X 3- Рис. 2. Поверхность отклика предсказанного содержания ЛДГ у особей женского пола 2 2 2 48,7081X 1 +59,31636X 2 -20,4371X 3 +49884,99; 17 ≤ X 1 ≤ 40; 17 ≤ X 2 ≤ 45; 10 ≤ X 3 ≤ 19; 170 < Y ≤ 480. Поверхность отклика, построенная по уравне- нию регрессии (табуляция выполнялась в пределах экспериментальных данных, рис. 1 и 2), позволяет сделать вывод, что у подопытных животных муж- ского пола при употреблении напитка с лимонни- ком китайским прогнозируется повышение значе- ний ЛДГ, а у подопытных животных женского пола - значения ЛДГ в пределах допустимой нормы. Применение математической модели позволяет наглядно охарактеризовать ферментативные систе- мы и их взаимозависимость и прогнозировать по одному или нескольким показателям системы це- лостность организма при различных патологиче- ских состояниях, в том числе в результате воздей- ствия ксенобиотиков. Таким образом, теоретически обоснована возможность применения в качестве биомаркёра повреждения клеточных мембран из- менение активности ЛДГ у лабораторных живот- ных, принимающих напиток с лимонником китай- ским. У лабораторных животных наблюдалось снижение ЛДГ в пределах нормы, что свидетель- ствует о биологической безопасности напитка для организма человека.
1. Kotova, T.V. Opisanie profilya potrebitelya energeticheskih napitkov g. Kemerovo / T.V. Kotova, N.N. Zorkina // Tehnologiya i tovarovedenie innovacionnyh pischevyh produktov. - 2012. - № 4 (15). - S. 91-102.
2. Kotova, T.V. Analiz potrebitel'skih predpochteniy pri vybore energeticheskih napitkov / T.V. Kotova, N.A. Petrik // Tehnologiya i tovarovedenie innovacionnyh pischevyh produktov. - 2012. - № 6 (17). - S. 83-87.
3. Solopova, A.N. Informacionnaya model' kachestva pechen'ya funkcional'nogo naznacheniya / A. N. Solopova, N. V. Kacerikova // Konditerskoe proizvodstvo. - 2010. - № 1. - S. 29-32.
4. Solopova, A.N. Razrabotka tvorozhnyh izdeliy s kunzhutom gerodieticheskogo napravleniya / A.N. Solopova, N.V. Kacerikova, Yu.S. Lipatova // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2011. - № 3 (22). - S. 97-101.
5. Rhyua, M.R. Aqueous extract of Schizandra chinensis fruit causes endothelium-dependent and -independent relaxation of isolated rat thoracic aorta / M.R. Rhyua, E.-Y. Kima, B.-K. Yoonb et al. // Phytomedicine. - 2006. - Vol. 13. - P. 651-657.
