البروتينات البديلة - التوصيف الحراري

ما هي البروتينات البديلة؟

توجد البروتينات النباتية في النظام الغذائي البشري منذ قرون. تعد البذور الصالحة للأكل، مثل الفاصوليا والعدس والبازلاء ومنتجاتها، وكذلك البذور الزيتية بما في ذلك بذور اليقطين وبذور عباد الشمس، أمثلة على مصادر البروتين التقليدية [1]. ومع ذلك، فإن البروتين النباتي ليس الصورة الكاملة في سوق البروتين البديل: فالطحالب والكائنات الحية الدقيقة واللحوم المستزرعة والحشرات تعتبر أيضًا مصادر للبروتين. ومع ذلك، فإن التحول إلى منتج جديد في السوق عملية طويلة. بالإضافة إلى وجود خصائص وظيفية وحسية مناسبة، يحتاج أي بديل للبروتين الحيواني إلى أن يتم إنتاجه بكفاءة، حتى تكون المعالجة والتركيب ممكنة [2].

يتم دفع الاستخدام المتزايد للبروتين البديل من خلال ثلاث قوى رئيسية: 1) الاستدامة، نظرًا للتأثير البيئي للثروة الحيوانية؛ 2) الاهتمام بتبني أنظمة غذائية صحية أكثر من أجل تجنب الأمراض المزمنة؛ 3) المخاوف بشأن رعاية الحيوانات. لذلك يرتبط مفهوم البروتينات البديلة ارتباطًا جوهريًا بالاستدامة والأثر البيئي للإنتاج. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار احترام السلوك الثقافي والاجتماعي لكل مجموعة سكانية في جميع أنحاء العالم عند وضع هذا المفهوم [2].

ما هي البروتينات؟

البروتينات مسؤولة عن العديد من الوظائف المختلفة داخل الخلية الحية، بما في ذلك النقل والتركيب والأنشطة الأيضية والمناعية. وهي عبارة عن تراكيب جزيئية كبيرة مكوّنة من مزيج من 21 حمضًا أمينيًا مختلفًا من الأحماض الأمينية ألفا. سيؤدي التكرار المنتظم لتسلسل الأحماض الأمينية إلى جعل هذه السلاسل الطويلة تنقلب على نفسها، لتشكل البنية الثانوية للبروتينات. وسيؤدي الترتيب المكاني للتركيبات الثانوية إلى تفضيل طيها إلى تراكيب ثلاثية (ثلاثية الأبعاد)، والتي يمكن أن تتفاعل بعد ذلك في مركب بروتيني، مكونةً التراكيب الرباعية. ويعتمد النشاط الوظيفي للبروتينات على تشكلها ثلاثي الأبعاد. ومع ذلك، يمكن أن تتلف هذه البنية المعقدة والهشة بسبب الإجهاد الميكانيكي أو الكيميائي أو الحراري. ويُطلق على أي تغيير تطابقي في بنية البروتين اسم تمسخ. واعتمادًا على كيفية معالجة البروتين، يمكن أن يكون التمسخ كاملًا ولا رجعة فيه.

يتضمن استخلاص البروتين من مصدره الطبيعي وتنقيته عمليات ميكانيكية وحرارية وكيميائية مختلفة يمكن أن تدمر بنية البروتين. ستؤثر حالة البروتين، أي الأصلي أو المشوّه على خصائصه الوظيفية، مثل قابلية الذوبان والاستحلاب والقدرة على تكوين هياكل صلبة مثل المواد الهلامية والألياف، وبالتالي على استخدامه في صناعة الأغذية كمكون وظيفي [3].

التوصيف الحراري للبروتينات

تم تطبيق قياس المسعر الديناميكي بالمسح الديناميكي (DSC) لدراسة الخواص الديناميكية الحرارية لمكونات الغذاء، بما في ذلك تغيرات الإنثالبي والسعة الحرارية، والانتقالات الزجاجية ودرجات حرارة الانصهار، والاستقرار الحراري للبروتينات والكربوهيدرات والدهون [4، 5]. وبالتركيز على البروتينات، قدم تطبيق المسعر الحراري الكلاسيكي معلومات قيمة فيما يتعلق بتأثير التركيز والأس الهيدروجيني وقوة Ionic على إنثالبي تمسخ البروتين. يمكن تطبيق تحليل الثقل الحراري الحراري التكميلي (TGA) للتحقق من المحتوى المائي (الرطوبة)، والاستقرار الحراري، أو درجة حرارة التحلل، وكذلك تركيز المعادن من خلال تحديد محتوى الرماد [6، 7].

في هذه الدراسة، تم استخدام DSC لتوصيف درجة حرارة تحلل البروتين النباتي من بذور عباد الشمس. Helianthus annuus L. هو نوع من أنواع عباد الشمس المزروعة. وتتكون البذور منزوعة القشرة من نسبة تتراوح بين 47% و65% من الدهون، وما بين 20% و40% من البروتين، وتستخدم في المقام الأول كمصدر لزيت الطعام. واعتمادًا على ظروف استخلاص الزيت، فإن المادة الصلبة المتبقية، التي تسمى وجبة دوار الشمس، تحتوي فقط على بروتين مشوه دون أي استخدامات أخرى غير تدعيم المنتجات الغذائية أو الأعلاف الحيوانية. يُزعم أن المنتج الذي تم تحليله هنا قد تمت معالجته بشكل معتدل ويحتوي على نسبة بروتين تبلغ 60%، وفقًا للمواصفات التي قدمها المنتج. ويهدف إلى استخدامه كبديل للبروتين الحيواني في منتجات المخابز ومستحضرات المستحلبات [6]. تم تشتيت البروتين في الماء المقطر بتركيز نهائي قدره 15% (وزن/وزن/فرج) *. تم تحليل كتلة عينة مكونة من 25 مجم من المشتت تحتوي على 3.75 مجم بروتين في بوتقة مغلقة من الألومنيوم القابل للحام على البارد والتي يمكن أن تتحمل ضغطًا زائدًا طفيفًا يحدث أثناء القياس (تسمى أيضًا "بوتقة الضغط المنخفض"). كان معدل التسخين 5 كلفن/دقيقة وتم اختيار النيتروجين كجو. تم تحديد المحتوى المائي والاستقرار الحراري لهذا البروتين باستخدام TGA. تم تحليل 10 مجم من العينات في بوتقات مفتوحة من أكسيد الألومنيوم تحت جو من غاز النيتروجين. تم تلخيص معلمات الاختبار في الجدول 1.

*الوزن لكل حجم

الجدول 1: شروط القياس

نتائج القياس

يوضح الشكل 1 قياس الثقل الحراري. يُظهر منحنى DTG لمستخلص بروتين عباد الشمس خطوة أولية لفقدان الكتلة بنسبة 5% تقريبًا تحت 100 درجة مئوية. تم اكتشاف بداية التحلل الحراري عند درجة حرارة 206 درجة مئوية. وعادةً ما يتراوح محتوى الرطوبة في البروتين النباتي في العزلات المجففة من 1.5% إلى 7.6% بالنسبة للبروتين النباتي، وذلك اعتمادًا على مصدر البروتين [7]. يمكن التأكد من وجود الماء من خلال تحليل الغازات المتطورة، على سبيل المثال، تحليل FT-IR. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحليل FT-IR للغازات المتطورة Identify المواد النموذجية المنبعثة بسبب التحلل الحراري للبروتينات والأحماض الأمينية، مثل _H2O،وCO2، و _NH3 (الأمونيا)، _وH2S(كبريتيد الهيدروجين)، والمركبات الحلقية الغنية بالأميد، والحمض الكربوكسيلي، وروابط الأمين الأولية والثانوية [9].

إن تمسخ البروتين هو تأثير ماص للحرارة ناتج عن تعرض المجموعات الكارهة للماء إلى medium المائي. ولذلك، غالبًا ما تُلاحظ ذروة امتصاص الحرارة في منحنى DSC، ويُشار إلى الحد الأقصى لها في الأدبيات باسم درجة حرارة الذوبان/الانتقال (_Tm). واعتمادًا على خصائص البروتين وظروف medium ، يمكن أن يكون التمسخ الحراري قابلًا للانعكاس أو غير قابل للانعكاس [10]. يمكن رؤية قابلية عكس التمسخ من خلال التسخين الثاني لتحليل DSC؛ فإذا كان منحنى التسخين الثاني مشابهًا للمنحنى الأول، فهذا يشير إلى أن التمسخ الذي مر به البروتين كان قابلاً للعكس.

يُظهر تحليل DSC لبروتين دوار الشمس أن تمسخه يحدث في نطاق 91 درجة مئوية إلى 102 درجة مئوية، حيث تبلغ درجة _{الحرارة} عند 98.9 درجة مئوية (المنحنى الأخضر في الشكل 2). لا يمكن عكس عملية التمسخ كما يتضح من منحنى التسخين الثاني (باللون الأرجواني) الذي لا يُظهر أي تأثير ماص للحرارة. يتوافق نطاق درجة حرارة التمسخ مع القيمة الأدبية البالغة 99.7 درجة مئوية [11].

الخاتمة

في هذه الدراسة، تم توصيف بروتين نباتي الأصل مخصص كبديل للبروتين الحيواني في التركيبات الغذائية النباتية حراريًا. تم استخدام تحليل قياس الثقل الحراري لتحديد المحتوى المائي لمستخلص بروتين عباد الشمس المجفف وتقييم ثباته الحراري. تم استخدام المسعر الحراري بالمسح التفاضلي لفحص درجة حرارة الانتقال واكتشاف أي بروتين أصلي في العينة. أشار ملف تعريف DSC إلى أن ظروف المعالجة كانت معتدلة بما يكفي للحفاظ على البروتين، مما يجعله مناسبًا للاستخدام كمكون غذائي وظيفي. وأثبت الجمع بين DSC وTGA فعاليته في تقييم كفاءة عملية الاستخلاص وإمكانية استخدام البروتين المستخلص في الاستخدام الصناعي. وتساعد هذه التقنيات أيضًا في توصيف المكونات الغذائية والتنبؤ بفترة صلاحية المكونات والتركيبات الفردية.