An approach to the application of plant secondary metabolites in agriculture to improve food quality

The article presents a new methodology for improving food safety by regulating the distribution of pollutants (radionuclides, heavy metals, pesticides) in agricultural crops using secondary plant metabolites, in particular flavonoids. The results of using an improved method of supercritical fluid extraction of metabolites and theoretical analysis of experimental data from other scientists point the way to the creation of a new agricultural technology for obtaining environmentally friendly products, where the targeted use of flavonoids stimulates the natural defense mechanisms of plants. These mechanisms include the processes of synthesis of chelating proteins and enzymes in plants for the immobilization of pollutants in certain organs. Flavonoids have been shown to regulate antioxidant protection, complex formation and redistribution of metabolite transport as signaling molecules. This is the first study to combine supercritical fluid extraction and exogenous application of flavonoids to reduce pollutant translocation in crops. The purpose of this technology is to produce agricultural products that comply with international food safety standards and to enable the safe cultivation of crops on contaminated lands.

1. Абумуслимова Е.А., Якунина М.А. Распределение основных продуктов питания и оценка приверженности населения к организации здорового питания. Современные проблемы гигиены, радиационной и экологической медицины. 2022;(12):138-149. DOI: https://doi.org/10.60797/IRJ.2025.151.100

2. Березина В.В. Питание и здоровый образ жизни молодёжи. Базис. 2022;2(12):9-12. DOI: https://doi.org/10.24412/2587.8042.2022.212.9.12

3. Волкова С.А., Пентюк И.А. Правила и принципы здорового питания. Студенческая наука и XXI век. 2022;19;1- 2(22):56-58.

4. Гатиятулин Ш.Н., Ефремова Е.Н. Здоровое питание и его принципы. Форум. 2022;1(27):172-175.

5. Белорусский агрохимический форум Сплочение агрохимической отрасли республики. Наше сельское хозяйство. 2022;9(281):4-14.

6. Белоус Н.М., Подоляк А.Г., Смольский Е.В., Карпенко А.Ф. Радиоэкологические аспекты применения минеральных удобрений на радиоактивно загрязненных кормовых угодьях. Агрохимический вестник. 2016;(2):10-14.

7. Карпенко А.Ф. Производство животноводческой продукции в условиях радиоактивного загрязнения Гомельской области. Животноводство и ветеринарная медицина. 2020; 3(38):29-32.

8. Разгонова М.П., Каленик Т.К., Захаренко А.С., Голохваст К.С. Использование сверхкритического углекислого газа для новейшей «зеленой технологии» экстракции термолабильных веществ. Экстракция и мембранные методы в разделении веществ: Тезисы докладов международной конференции, посвящённой 90-летию со дня рождения академика Б.А. Пурина; 2018, 03 декабря; Москва. Москва: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; 2018;89-92.

9. Разгонова М.П., Каленик Т.К., Захаренко А.М., Голохваст К.С. Использование сверхкритической CO2-экстракции в микробной деактивации растительных матриц / Актуальные вопросы развития производства пищевых продуктов: технологии, качество, экология, оборудование, менеджмент и маркетинг. В: Материалы III Всероссийской науч.-практ. конф; 2019, 20–21 февраля; Уссурийск. Уссурийск: Приморская государственная сельскохозяйственная академия; 2019;129-138.

10. Разгонова М.П., Сабитов А.Ш., Перминова Е.В., Михайлова Н.М., Голохваст К.С. Скрининг полифенольного состава амурского винограда Vitis amurensis Rupr. и его идентификация методом тандемной масс-спектрометрии. Магарач. Виноградарство и виноделие. 2021;23, 4(118):393-404. DOI: https://doi.org//10.35547/IM.2021.23.4.015

11. Разгонова М.П., Охлопкова Ж.М., Захаренко А.М., Голохваст К.С. Тандемная масс-спектрометрия змееголовника Dracocephalum ruyschiana L. И первичная идентификация его полифенольного состава. Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока. В: Материалах Седьмой Всероссийской конференции с международным участием, посвященные 90-летию КГПУ им. В.П. Астафьева и кафедры биологии, химии и экологии, 115-летию со дня рождения Л.М. Черепнина и 85-летию Гербария им. Л.М. Черепнина (KRAS); 2021; 25– 26 ноября; Красноярск. Красноярск: Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева; 2022;202-219.

12. Разгонова М.П., Захаренко А.М., Сергиевич А.А. [и др.] Сверхкритические флюиды: Теория, этапы становления, современное применение. Учебное пособие для магистрантов направлений подготовки «Биотехнология», «Высокотехнологичные производства пищевых продуктов функционального и специализированного назначения», аспирантов направлений подготовки «Промышленная экология и биотехнологии», «Химические науки», «Химическая технология»; Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим центром (ДВ РУМЦ). Санкт-Петербург: Издательство «Лань»; 2019. 192 с.

13. Неверова Н.А., Левчук А.А., Остроухова Л., Медведева Е., Онучина Н.А., Бабкин В.А. Распределение экстрактивных веществ в древесине лиственницы сибирской (L ARIX sibirica Ledeb.). Химия растительного сырья. 2012;(4):91- 100.

14. Dabrowska G, Mierek-Adams A, Goc A. Plant metallothioneins putative functions identified promoter analysis in silico. Acta Biologica Cracoviensia Series Botanica. 2012;54/2:109-120. DOI: https://doi.org/10.2478/v10182-012-0031-x

15. Khramova, EP, Tarasov OV, Krylova EI. The influence of the radiation factor on the variability of biochemical parameters on the example of plants of Pentaphylloides fruticosa (L.) O. SCHWARZ. Flora of Asian Russia: Bulletin of the Central Siberian Botanical Garden SB RAS. 2009;2(4):72-78. (In Russ.).

16. Khramova, EP, Genus Pentaphylloides hill (rosaceae) of Asian Russia (phenolic compounds, elemental composition in nature and culture, chemotaxonomy. 03.02.01 – “Botany” 03.02.08 – “Ecology” (Biological Sciences). Abstract of a dissertation for the degree of Doctor of Biological Sciences. Novosibirsk; 2016, 35 p.

17. Kuvacheva NV, Shilova IV, Pyak AI, Amelchenko VP. The content and composition of flavonoids and phenolic carboxylic acids of Alfredia cernua (Asteraceae). Plant resources. 2011;47(4):105-113. (In Russ.).

18. Osmanov RM, Alibegova AN Assessment of the influence of environmental factors on the variability of morphological features and the content of phenolic compounds of Matthiola odoratissima (sweet-scented honey) in the foothill conditions of Dagestan. Proceedings of the Orenburg State Agrarian University. 2021;2(88):85-90 (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.37670/2073-0853-2021-88-2-85-90

19. Brunetti C, Di Ferdinando M, Fini A, Pollastri S, Tattini M. Flavonoids as antioxidants and developmental regulators: Relative significance in plants and humans. International Journal of Molecular Sciences. 2013;14:3540-3555. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms14023540

20. Rogozhnikova ES, Rakhmankulova ZF, Shuiskaya EV. The effect of water deficiency on mitochondrial functions and polymorphism of respiratory enzymes in plants. Journal of General Biology. 2013;74(3):167-179. (In Russ.).

21. Konovalov AA, Shundrina IK, Karpova EV. Polymorphism of lignification enzymes in plants: functional significance and applied aspects. Successes of modern biology. 2015;135(5):496-513. (In Russ.).

22. Dikarev AV, Dikarev VG, Geras’kin SA, Dikareva NS. A study of isozyme polymorphism in spring barley varieties (Hordeum vulgare L.), contrasting in resistance to lead. Agricultural biology. 2016;51(1):89-99. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2016.1.89eng

23. Yudina, RS. Genetics and phenogenetics of malate dehydrogenase in plants. Information Bulletin of VOGIS. 2010;14(2):243-254. (In Russ.).

24. Shuiskaya EV, Rakhmankulova ZF, Toderich KN, Semioshina ES, Usmanov IYu Polymorphism of respiratory proteins in C. 4 species of Kochia prostrata (L.) Schrad in conditions of drought. Bulletin of the Bashkir University. 2012;17(3):1267-1271. (In Russ.).

25. Kuznetsova VA, Blinova AA, Ivachenko LE. The effect of hypo- and hyperthermia on the specific activity of enzymes of the class of oxidoreductases of soybean seeds and the multiplicity of their forms. Achievements of science and technology of the agroindustrial complex. 2020;34(8):39-44. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2020-10806

26. Rudakova AS, Rudakov SV, Artemyeva AM, Kurina AB, Kocherina NV, Chesnokov YuV. Polymorphism of esterase isoenzymes in mature seeds of radish (Raphanus sativus L.). Agricultural biology. 2020;55(5):956-969. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2020.5.956rus

27. Netsvetaev VP, Bondarenko LS, Motorina IP. Genetic control of soft wheat alpha-amylase variants and the conjugation of enzyme zymotypes with quantitative plant characteristics. Scientific Bulletin of Belgorod State University. Series: Natural Sciences. 2015;9(206):80-91. (In Russ.).

28. Kuznetsova VA, Blinova AA, Tarasova ON, Ivachenko LE. Activity of oxidoreductases of soybean seeds and seedlings in conditions of fungal infection of Septoria glycines Hemmi. Agrarian Bulletin of the Urals. 2020;7(198):47-55. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.32417/1997-4868-2020-198-7-47-55

29. Rudakova AS, Rudakov SV, Davydova NV, Mirskaya GV, Zhuravleva EV, Chesnokov YuV. Isoenzyme analysis of esterases in mature seeds of hexaploid soft wheat (Triticum aestivum L.). Agricultural biology. 2016;51(3):327-334. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2016.3.327rus

30. Pozdnyakov DI, Adziakhmetova SL, Chervonnaya NM, Rukovitsina VM, Larskiy MV. The effect of certain flavonoids on changes in the activity of tricarboxylic acid cycle enzymes in conditions of experimental cerebral ischemia. Crimean Therapeutic Journal. 2020;(3):84-90. (In Russ.).

31. Ilyich TV. Krebs cycle enzymes and respiratory activity of rat liver mitochondria in the presence of quercetin and the quercetinhydroxypropyl-β-cyclodextrin complex. Bulletin of the Yanka Kupala Grodno State University. Episode 5. Economy. Sociology. Biology. 2019;9(3):152-160. (In Russ.).

32. Pastushkova EV, Tikhonov SL, Chugunova OV. The use of antioxidant tea drinks to prevent the development of stress reactions. Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and biotechnology. 2017:5(4):93-103. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.14529/food170412

33. Adziakhmetova SL, Pozdnyakov DI, Chervonnaya N.M. Kulichenko E.O, Oganesyan E.T. The relationship between the activity of mitochondrial enzymes and the antioxidant activity of secondary metabolites of the polyphenolic nature of hemiparasite Viscum album L leaves. Pharmacy and Pharmacology. 2022;10(4):343-353. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.19163/2307-9266-2022-10-4-343-353

34. Fomenko SE, Kushnerova NF, Sprygin VG. Drugova ES, Merzlyakov VYu., Lesnikova LN. Study of the content of polyphenols and antioxidant activity of the extract of green marine algae Ulva lactuca L. Chemistry of plant raw materials. 2023;(1):385- 393. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.14258/jcprm.20230111742

35. Gubich OI, Plevako MV. Regulation of the activity of pyruvate kinase isoenzymes by bioflavonoids and curcumin in vitro. Bulletin of the BSU. Series 2: Chemistry. Biology. Geography. 2011;(2):27-29. (In Russ.).

36. Koltover VK. Antioxidant biomedicine: from the chemistry of free radicals to systemic biological mechanisms. Proceedings of the Academy of Sciences. The chemical series. 2010;(1):37. (In Russ.).

37. Goncharuk EA, Kazantseva VV, Zagoskina NV. The effect of hypothermia on the balance of phenolic compounds in buckwheat plants with different levels of ploidy. Plant Physiology. 2021;68(6):654-663. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330321050043

38. Adekenov SM. Plant substances - a potential source of original antiviral agents. Chemical Journal of Kazakhstan. 2021;3(75):83-96. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.51580/2021-1/2710-1185.41

39. Zverev YaF. Flavonoids through the eyes of a pharmacologist. Antioxidant and anti-inflammatory activity. Reviews on clinical pharmacology and drug therapy. 2017;15(4):5-13. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.17816/RCF1545-13

40. Tarun EI, Kurchenko VP, Metelitsa DI. Flavonoids - effective urease protectors from ultrasonic inactivation in solutions. Bioorganic Chemistry. 2006;32(4):391-398. (In Russ.).

41. Olenichenko NA, Zagoskina NV, Astakhova NV, Trunov TI, Kuznecov YuV. Primary and secondary metabolism of winter wheat during cold hardening and the action of antioxidants. Applied Biochemistry and microbiology. 2008;44(5):589-594. (In Russ.).

42. Bronnikov GE. Kulagina TP, Aripovsky AV. The addition of dihydroquercetin to the diet of old mice leads to the restoration of the activity of mitochondrial enzymes of skeletal muscles. Biological membranes. 2009;26(5):387-393. (In Russ.).

43. Fraikin GYa. Signaling mechanisms regulating various responses of plant cells to UVB radiation. Biochemistry. 2018;83(7):972-980. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.1134/S0320972518070023

44. Tutelyan VA, Lashneva NV. Biologically active substances of plant origin. Flavanones: food sources, bioavailability, effect on enzymes of xenobiotic metabolism. Nutrition issues. 2011;80(5):4. (In Russ.).

45. Baliou S, Ioannou P, Apetroaei M.-M, Vakonaki E, Fragkiadaki P, Kirithras E, et al. The impact of the mediterranean diet on telomere biology: implications for disease management—A Narrative. Review. Nutrients 2024;16:2525. DOI: https://doi.org/10.3390/nu16152525

46. Litvinchuk AV, Vachelová J, Michaelidesová A, Wagner R, Davídková M. Dose-dependent micronuclei formation in normal human fibroblasts exposed to proton radiation. Radiation and environmental biophysics. 2015;54:327-334. DOI: https://doi.org/10.1007/s00411-015-0598-1