Co jsou alternativní proteiny?
Rostlinné bílkoviny se v lidské stravě vyskytují již po staletí. Příkladem tradičních zdrojů bílkovin jsou jedlá semena, jako jsou fazole, čočka, hrách a výrobky z nich, a také olejnatá semena včetně dýňových a slunečnicových semen [1]. Rostlinné bílkoviny však nejsou úplným obrazem na trhu alternativních bílkovin: za zdroje bílkovin se považují také řasy, mikroorganismy, kultivované maso a hmyz. Stát se novým produktem na trhu je však dlouhý proces. Kromě vhodných funkčních a organoleptických vlastností musí být každá náhrada živočišných bílkovin efektivně vyrobena, aby bylo možné ji zpracovat a formulovat [2].
Na zvýšené používání alternativních bílkovin tlačí tři hlavní síly: 1) udržitelnost vzhledem k dopadu chovu hospodářských zvířat na životní prostředí; 2) zájem o zdravější stravu s cílem vyhnout se chronickým onemocněním a 3) obavy o dobré životní podmínky zvířat. Koncepce alternativních bílkovin tedy neodmyslitelně souvisí s udržitelností a dopadem výroby na životní prostředí. Kromě toho je třeba při vytváření této koncepce brát v úvahu respektování kulturního a sociálního chování jednotlivých obyvatel na celém světě [2].
Co jsou bílkoviny?
Proteiny jsou v živé buňce zodpovědné za několik různých funkcí, včetně transportu, struktury, metabolismu a imunologických aktivit. Jsou to makromolekulární struktury vytvořené kombinací 21 různých α-aminokyselin. Pravidelné opakování sekvence aminokyselin způsobí, že se tyto dlouhé řetězce na sebe obrátí a vytvoří sekundární strukturu bílkovin. Prostorové uspořádání sekundárních struktur podpoří jejich skládání do terciárních (trojrozměrných) struktur, které pak mohou interagovat v proteinovém komplexu a vytvářet kvartérní struktury. Funkční aktivita proteinů závisí na jejich trojrozměrné konformaci. Tato složitá a křehká struktura však může být poškozena mechanickým, chemickým nebo tepelným namáháním. Jakákoli konformační změna struktury proteinu se nazývá denaturace. V závislosti na způsobu zpracování proteinu může být denaturace úplná a nevratná.
Extrakce proteinu z jeho přirozeného zdroje a jeho čištění zahrnuje různé mechanické, tepelné a chemické procesy, které mohou strukturu proteinu zničit. Stav bílkoviny, tj. nativní nebo denaturovaný, ovlivní její funkční vlastnosti, jako je rozpustnost, emulgace a schopnost vytvářet pevné struktury, jako jsou gely a vlákna, a následně její použití v potravinářském průmyslu jako funkční složky [3].
Tepelná charakterizace proteinů
Dynamická skenovací kalorimetrie (DSC) se používá ke zkoumání termodynamických vlastností složek potravin, včetně změn entalpie a tepelné kapacity, skelných přechodů a teplot tání a tepelné stability bílkovin, sacharidů a lipidů [4, 5]. Zaměříme-li se na bílkoviny, aplikace klasické kalorimetrie poskytla cenné informace týkající se vlivu koncentrace, pH a síly Ionic na entalpii denaturace bílkovin. Doplňkovou termogravimetrickou analýzu (TGA) lze použít ke zkoumání obsahu vody (vlhkosti), tepelné stability nebo teploty rozkladu a také koncentrace minerálních látek stanovením obsahu popela [6, 7].
V této studii byla DSC použita k charakterizaci teploty denaturace rostlinného proteinu ze slunečnicových semen. Helianthus annuus L. je kulturní druh slunečnice. Loupané semeno se skládá ze 47 až 65 % lipidů a 20 až 40 % bílkovin, přičemž se používá především jako zdroj jedlého oleje. V závislosti na podmínkách extrakce oleje obsahuje zbývající pevný materiál, nazývaný slunečnicový šrot, pouze denaturované bílkoviny bez jakéhokoli využití kromě obohacování potravinářských výrobků nebo krmiv. Výrobek, který je zde analyzován, byl údajně mírně zpracován a podle údajů výrobce obsahuje 60 % bílkovin. Je určen k použití jako alternativa živočišných bílkovin v pekařských výrobcích a emulzních přípravcích [6]. Protein byl rozptýlen v destilované vodě v konečné koncentraci 15 % (w/v)*. Vzorek o hmotnosti 25 mg disperze obsahující 3,75 mg proteinu byl analyzován v uzavřeném Al kelímku svařovaném za studena, který odolává mírnému přetlaku, k němuž dochází během měření (nazývaný také "nízkotlaký kelímek"). Rychlost zahřívání byla 5 K/min a jako atmosféra byl zvolen dusík. Obsah vody a Tepelná stabilitaMateriál je tepelně stabilní, pokud se vlivem teploty nerozkládá. Jedním ze způsobů, jak určit tepelnou stabilitu látky, je použití termogravimetrického analyzátoru (TGA). tepelná stabilita tohoto proteinu byly stanoveny pomocí TGA. analyzováno bylo 10 mg vzorků v otevřených kelímcích z oxidu hlinitého v atmosféře plynného dusíku. Parametry zkoušky jsou shrnuty v tabulce 1.
*hmotnost na objem
Tabulka 1: Podmínky měření
| Metoda | Hmotnost bílkovin | Kelímek | Rychlost zahřívání | Atmosféra |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Oxid hlinitý (Al2O3), otevřený | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Hliník (Al), nízký tlak | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Výsledky měření
Obrázek 1 ukazuje termogravimetrické měření. Křivka DTG slunečnicového bílkovinného extraktu vykazuje počáteční krok úbytku hmotnosti přibližně 5 % pod 100 °C. Nástup termické degradace byl zjištěn při 206 °C. Pro rostlinné bílkoviny je typické, že obsah vlhkosti v sušených izolátech se pohybuje od 1,5 % do 7,6 % v závislosti na zdroji bílkovin [7]. Přítomnost vody lze potvrdit pomocí analýzy vyvinutých plynů, např. pomocí FT-IR. Kromě toho lze FT-IR analýzou vyvinutých plynů také Identify typické látky uvolněné v důsledku tepelného rozkladu proteinů a aminokyselin, jako jsouH2O,CO2, NH3 (amoniak),H2S(sirovodík) a cyklické sloučeniny bohaté na amidové, karboxylové a primární a sekundární aminové vazby [9].
Denaturace proteinu je endotermický jev, který je výsledkem expozice hydrofobních skupin vůči vodnému prostředí medium. Proto je na DSC křivce často pozorován tepelný absorpční pík, jehož maximum se v literatuře označuje jako teplota tání/přechodu (Tm). V závislosti na vlastnostech proteinu a podmínkách medium může být tepelná denaturace reverzibilní nebo ireverzibilní [10]. Reverzibilitu denaturace lze zjistit prostřednictvím druhého ohřevu DSC analýzy; pokud je křivka druhého ohřevu podobná první, znamená to, že denaturace, kterou protein prošel, byla reverzibilní.
DSC analýza slunečnicového proteinu ukazuje, že k jeho denaturaci dochází v rozmezí 91 °C až 102 °C, přičemž Tm je 98,9 °C (zelená křivka na obrázku 2). Proces denaturace není reverzibilní, jak je patrné z druhé křivky zahřívání (fialová), která nevykazuje žádný endotermický efekt. Teplotní rozsah denaturace je v souladu s literární hodnotou 99,7 °C [11].
Závěr
V této studii byla tepelně charakterizována rostlinná bílkovina určená jako alternativa živočišné bílkoviny pro veganské potraviny. Termogravimetrická analýza byla použita ke stanovení obsahu vody v sušeném slunečnicovém bílkovinném extraktu a k posouzení jeho tepelné stability. Diferenciální skenovací kalorimetrie byla využita ke zkoumání teploty přechodu a k detekci případného nativního proteinu ve vzorku. DSC profil ukázal, že podmínky zpracování byly dostatečně mírné, aby se protein zachoval, a byl tak vhodný pro použití jako funkční složka potravin. Kombinace DSC a TGA se ukázala jako účinná při hodnocení účinnosti procesu extrakce a potenciálu extrahovaného proteinu pro průmyslové využití. Tyto techniky také pomáhají charakterizovat složky potravin a předpovídat trvanlivost jednotlivých složek a receptur.