Какво представляват алтернативните протеини?
Растителните протеини присъстват в човешката диета от векове. Ядливи семена, като боб, леща, грах и продукти от тях, както и маслодайни семена, включително тиквени и слънчогледови, са примери за традиционни източници на протеини [1]. Растителните протеини обаче не са пълната картина на пазара на алтернативни протеини: водораслите, микроорганизмите, култивираното месо и насекомите също се считат за източници на протеини. Въпреки това превръщането на нов продукт на пазара е дълъг процес. Освен че трябва да притежава подходящи функционални и органолептични свойства, всеки заместител на протеините от животински произход трябва да се произвежда ефективно, за да е възможна неговата преработка и формулиране [2].
Увеличената употреба на алтернативни протеини се стимулира от три основни фактора: 1) устойчивост, като се има предвид въздействието на животновъдството върху околната среда; 2) интерес към по-здравословен начин на хранене, за да се избегнат хронични заболявания; и 3) загриженост за хуманното отношение към животните. Следователно концепцията за алтернативни протеини е неразривно свързана с устойчивостта и въздействието на производството върху околната среда. Освен това при създаването на тази концепция трябва да се вземе предвид зачитането на културното и социалното поведение на всяко население по света [2].
Какво представляват протеините?
Протеините са отговорни за няколко различни функции в живата клетка, включително транспорт, структура, метаболитни и имунологични дейности. Те са макромолекулни структури, изградени от комбинацията на 21 различни α-аминокиселини. Редовното повтаряне на последователността на аминокиселините ще накара тези дълги вериги да се завъртят върху себе си, образувайки вторичната структура на протеините. Пространственото разположение на вторичните структури ще благоприятства сгъването им в третични (триизмерни) структури, които след това могат да взаимодействат в белтъчен комплекс, образувайки четвъртичните структури. Функционалната активност на белтъците зависи от тяхната триизмерна конформация. Тази сложна и крехка структура обаче може да бъде увредена от механичен, химичен или термичен стрес. Всяка конформационна промяна в белтъчната структура се нарича денатурация. В зависимост от начина на обработка на протеина денатурацията може да бъде пълна и необратима.
Извличането на протеина от естествения му източник и пречистването му включва различни механични, термични и химични процеси, които могат да разрушат протеиновата структура. Състоянието на белтъка, т.е. нативен или денатуриран, ще повлияе на функционалните му свойства, като разтворимост, емулгиране и способност да образува твърди структури като гелове и влакна, и съответно на приложението му в хранителната промишленост като функционална съставка [3].
Термично характеризиране на протеини
Динамичната сканираща калориметрия (ДСК) се прилага за изследване на термодинамичните свойства на компонентите на храните, включително промените в енталпията и топлинния капацитет, температурите на стъкловидните преходи и топене, както и термичната стабилност на протеините, въглехидратите и липидите [4, 5]. Фокусирайки се върху протеините, прилагането на класическата калориметрия предостави ценна информация относно влиянието на концентрацията, рН и силата на Ionic върху енталпията на денатурация на протеините. Допълнителният термогравиметричен анализ (ТГА) може да се прилага за изследване на съдържанието на вода (влага), термичната стабилност или температурата на разлагане, както и на концентрацията на минерали чрез определяне на съдържанието на пепел [6, 7].
В това изследване DSC е използван за характеризиране на температурата на денатурация на протеин на растителна основа от слънчогледови семена. Helianthus annuus L. е култивиран вид слънчоглед. Обезлюдените семена се състоят от 47-65 % липиди и 20-40 % протеини, като се използват предимно като източник на масло за консумация. В зависимост от условията на извличане на маслото, останалият твърд материал, наречен слънчогледов шрот, съдържа само денатуриран протеин, който няма друго приложение освен за обогатяване на хранителни продукти или фуражи за животни. За анализирания тук продукт се твърди, че е бил леко преработен и има съдържание на протеини 60 %, съгласно спецификациите, посочени от производителя. Предназначен е да се използва като алтернатива на животинския протеин в хлебни изделия и емулсионни препарати [6]. Протеинът е диспергиран в дестилирана вода с крайна концентрация 15 % (w/v)*. Маса на пробата от 25 mg дисперсия, съдържаща 3,75 mg протеин, беше анализирана в затворен студенозаваряем Al тигел, който може да издържи на леко свръхналягане, възникващо по време на измерването (наричан още "тигел с ниско налягане"). Скоростта на нагряване е 5 K/min, а за атмосфера е избран азот. Водното съдържание и термичната стабилност на този протеин са определени с помощта на TGA. анализирани са 10 mg от пробите в отворени тигли от алуминиев оксид в газова атмосфера от азот. Параметрите на теста са обобщени в таблица 1.
*тегло за обем
Таблица 1: Условия за измерване
| Метод | Маса на протеина | Тигел | Скорост на нагряване | Атмосфера |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Алуминиев оксид (Al2O3), отворен | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Алуминий (Al), ниско налягане | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Резултати от измерването
Фигура 1 показва термогравиметричното измерване. Кривата на DTG на слънчогледовия протеинов екстракт показва първоначална стъпка на загуба на маса от около 5 % под 100 °C. Началото на термичното разграждане е установено при 206°C. Обикновено за растителните протеини съдържанието на влага в изсушените изолати варира от 1,5 % до 7,6 % в зависимост от източника на протеина [7]. Наличието на вода може да се потвърди чрез еволюционен газов анализ, напр. чрез FT-IR. Освен това FT-IR анализът на еволюиралите газове може да Identify типични вещества, отделяни вследствие на термичното разлагане на протеини и аминокиселини, катоH2O,CO2, NH3 (амоняк),H2S(сероводород) и циклични съединения, богати на амидни, карбоксилни киселини и първични и вторични аминови връзки [9].
Денатурацията на белтъка е ендотермичен ефект, който е резултат от излагането на хидрофобните групи на въздействието на водната среда medium. Поради това в кривата на DSC често се наблюдава топлинен абсорбционен пик, а неговият максимум в литературата се нарича температура на топене/преход (Tm). В зависимост от характеристиките на протеина и условията на medium, топлинната денатурация може да бъде обратима или необратима [10]. Обратимостта на денатурацията може да се види чрез второто нагряване на DSC анализа; ако кривата на второто нагряване е подобна на първата, това показва, че денатурацията, на която е подложен протеинът, е била обратима.
DSC анализът на слънчогледовия протеин показва, че денатурацията му се извършва в интервала от 91°C до 102°C, като Tm е 98,9°C (зелена крива на фигура 2). Процесът на денатурация не е обратим, както се вижда от втората крива на нагряване (лилаво), която не показва ендотермичен ефект. Температурният диапазон на денатурация е в съответствие с литературната стойност от 99,7°C [11].
Заключение
В това проучване бе извършено термично охарактеризиране на протеин на растителна основа, предназначен да бъде алтернатива на животинския протеин за вегански хранителни формули. Термогравиметричният анализ е използван за определяне на водното съдържание на изсушения слънчогледов протеинов екстракт и за оценка на неговата термична стабилност. Диференциалната сканираща калориметрия е използвана за изследване на температурата на прехода и за откриване на нативен протеин в пробата. Профилът на DSC показва, че условията на обработка са били достатъчно меки, за да запазят протеина, което го прави подходящ за използване като функционална хранителна съставка. Комбинацията от DSC и TGA се оказа ефективна за оценка на ефективността на процеса на екстракция и потенциала на екстрахирания протеин за промишлена употреба. Тези техники също така помагат за характеризиране на компонентите на храните и за прогнозиране на срока на годност на отделните съставки и рецептури.