Hvad er alternative proteiner?
Plantebaserede proteiner har været en del af menneskets kost i århundreder. Spiselige frø som bønner, linser, ærter og produkter heraf samt oliefrø som græskar- og solsikkefrø er eksempler på traditionelle proteinkilder [1]. Plantebaseret protein er dog ikke hele billedet på det alternative proteinmarked: Alger, mikroorganismer, dyrket kød og insekter betragtes også som proteinkilder. Det er dog en lang proces at blive et nyt produkt på markedet. Ud over at have passende funktionelle og organoleptiske egenskaber skal enhver erstatning for animalsk protein produceres effektivt for at gøre forarbejdning og formulering mulig [2].
Den øgede brug af alternativt protein drives frem af tre hovedkræfter: 1) bæredygtighed i betragtning af husdyrenes miljøpåvirkning; 2) interesse for sundere kost for at undgå kroniske sygdomme; og 3) bekymring for dyrevelfærd. Konceptet med alternative proteiner er derfor uløseligt forbundet med bæredygtighed og produktionens miljøpåvirkning. Derudover skal der tages hensyn til den kulturelle og sociale adfærd hos hver enkelt befolkning rundt om i verden, når dette koncept etableres [2].
Hvad er proteiner?
Proteiner er ansvarlige for flere forskellige funktioner i en levende celle, herunder transport, struktur, metaboliske og immunologiske aktiviteter. De er makromolekylære strukturer, der er opbygget af en kombination af 21 forskellige α-aminosyrer. Den regelmæssige gentagelse af aminosyresekvensen får disse lange kæder til at vende sig om sig selv og danne proteinernes sekundære struktur. Det rumlige arrangement af de sekundære strukturer vil fremme deres foldning til tertiære (tredimensionelle) strukturer, som derefter kan interagere i et proteinkompleks og danne de kvaternære strukturer. Proteiners funktionelle aktivitet er afhængig af deres tredimensionelle konformation. Men denne komplekse og skrøbelige struktur kan blive beskadiget af mekanisk, kemisk eller termisk StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress. Enhver konformationsændring i proteinstrukturen kaldes denaturering. Afhængigt af, hvordan proteinet behandles, kan denatureringen være fuldstændig og irreversibel.
Udvinding af proteinet fra dets naturlige kilde og rensning af det involverer forskellige mekaniske, termiske og kemiske processer, der kan ødelægge proteinstrukturen. Proteinets tilstand, dvs. naturligt eller denatureret, vil påvirke dets funktionelle egenskaber, såsom opløselighed, emulgering og evne til at danne faste strukturer som geler og fibre, og dermed dets anvendelse i fødevareindustrien som en funktionel ingrediens [3].
Termisk karakterisering af proteiner
Dynamisk scanningskalorimetri (DSC) er blevet anvendt til at undersøge fødevarekomponenters termodynamiske egenskaber, herunder ændringer i entalpi og varmekapacitet, glasovergange og smeltetemperaturer samt den termiske stabilitet af proteiner, kulhydrater og lipider [4, 5]. Med fokus på proteiner gav anvendelsen af klassisk kalorimetri værdifuld information om indflydelsen af koncentration, pH og Ionic styrke på entalpien af proteindenatureringen. Supplerende termogravimetrisk analyse (TGA) kan anvendes til at undersøge vandindholdet (fugt), den termiske stabilitet eller nedbrydningstemperaturen samt mineralkoncentrationen ved at bestemme askeindholdet [6, 7].
I denne undersøgelse blev DSC brugt til at karakterisere denatureringstemperaturen for et plantebaseret protein fra solsikkefrø. Helianthus annuus L. er den dyrkede solsikkeart. De afskallede frø består af mellem 47 % og 65 % lipider og mellem 20 % og 40 % protein og bruges primært som kilde til spiselig olie. Afhængigt af olieudvindingsbetingelserne vil det resterende faste materiale, kaldet solsikkemel, kun indeholde denatureret protein uden nogen anden anvendelse end berigelse af fødevarer eller dyrefoder. Det produkt, der analyseres her, hævdes at være mildt forarbejdet og har et proteinindhold på 60 % i henhold til producentens specifikationer. Det er beregnet til at blive brugt som et alternativ til animalsk protein i bageriprodukter og emulsionspræparater [6]. Proteinet blev dispergeret i destilleret vand i en endelig koncentration på 15 % (w/v)*. En prøvemasse på 25 mg dispersion, der indeholdt 3,75 mg protein, blev analyseret i en lukket koldsvejsbar Al-digel, der kan modstå et let overtryk, der opstår under målingen (også kaldet "lavtryksdigel"). Opvarmningshastigheden var 5 K/min, og nitrogen blev valgt som atmosfære. Vandindholdet og den termiske stabilitet af dette protein blev bestemt ved hjælp af TGA. 10 mg prøver blev analyseret i åbne aluminiumoxiddigler under en nitrogengasatmosfære. Testparametrene er opsummeret i tabel 1.
*vægt pr. volumen
Tabel 1: Målebetingelser
| Metode | Proteinmasse | Digel | Opvarmningshastighed | Atmosfære |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Aluminiumoxid (Al2O3), åben | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Aluminium (Al), lavt tryk | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Resultater af målinger
Figur 1 viser den termogravimetriske måling. DTG-kurven for solsikkeproteinekstraktet udviser et indledende massetab på ca. 5 % under 100 °C. Begyndelsen på den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning blev registreret ved 206 °C. Typisk for planteprotein varierer fugtindholdet i de tørrede isolater fra 1,5 % til 7,6 %, afhængigt af proteinkilden [7]. Tilstedeværelsen af vand kan bekræftes via udviklet gasanalyse, f.eks. FT-IR. Derudover kan FT-IR-analyse af de udviklede gasser også Identify typiske stoffer, der frigives på grund af den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af proteiner og aminosyrer, såsomH2O,CO2, NH3 (ammoniak),H2S(hydrogensulfid) og cykliske forbindelser, der er rige på amid-, carboxylsyre- og primære og sekundære aminbindinger [9].
Denaturering af et protein er en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm effekt, der skyldes, at de hydrofobe grupper udsættes for vand medium. Derfor ses der ofte en varmeabsorptionsspids i DSC-kurven, og dens maksimum kaldes i litteraturen for smelte-/overgangstemperaturen (Tm). Afhængigt af proteinets egenskaber og betingelserne på medium kan den termiske denaturering være reversibel eller irreversibel [10]. Denatureringens reversibilitet kan ses via den anden opvarmning i en DSC-analyse; hvis den anden opvarmningskurve ligner den første, indikerer dette, at denatureringen, som proteinet gennemgik, var reversibel.
DSC-analysen af solsikkeprotein viser, at denatureringen sker i området 91 °C til 102 °C, med Tm på 98,9 °C (grøn kurve i figur 2). Denatureringsprocessen er ikke reversibel, som det kan ses i den anden varmekurve (lilla), der ikke viser nogen EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm effekt. Temperaturområdet for denatureringen er i overensstemmelse med litteraturværdien på 99,7 °C [11].
Konklusion
I denne undersøgelse blev et plantebaseret protein, der er tænkt som et alternativ til animalsk protein til veganske fødevareformuleringer, karakteriseret termisk. Termogravimetrisk analyse blev anvendt til at bestemme vandindholdet i det tørrede solsikkeproteinekstrakt og vurdere dets termiske stabilitet. Differentialscanningskalorimetri blev brugt til at undersøge overgangstemperaturen og opdage eventuelle native proteiner i prøven. DSC-profilen viste, at forarbejdningsbetingelserne var milde nok til at bevare proteinet, hvilket gør det egnet til brug som en funktionel fødevareingrediens. Kombinationen af DSC og TGA viste sig at være effektiv til at evaluere effektiviteten af ekstraktionsprocessen og det ekstraherede proteins potentiale til industriel brug. Disse teknikker hjælper også med at karakterisere fødevarekomponenter og forudsige holdbarheden af individuelle ingredienser og formuleringer.