Τι είναι οι εναλλακτικές πρωτεΐνες
Οι πρωτεΐνες φυτικής προέλευσης είναι παρούσες στην ανθρώπινη διατροφή εδώ και αιώνες. Οι βρώσιμοι σπόροι, όπως τα φασόλια, οι φακές, τα μπιζέλια και τα προϊόντα τους, καθώς και οι ελαιούχοι σπόροι, συμπεριλαμβανομένων των κολοκυθόσπορων και των ηλιόσπορων, αποτελούν παραδείγματα παραδοσιακών πηγών πρωτεΐνης [1]. Ωστόσο, η πρωτεΐνη φυτικής προέλευσης δεν αποτελεί την πλήρη εικόνα στην αγορά εναλλακτικών πρωτεϊνών: τα φύκια, οι μικροοργανισμοί, το καλλιεργημένο κρέας και τα έντομα θεωρούνται επίσης πηγές πρωτεΐνης. Ωστόσο, το να γίνει ένα νέο προϊόν στην αγορά είναι μια μακρά διαδικασία. Εκτός από το να έχει τις κατάλληλες λειτουργικές και οργανοληπτικές ιδιότητες, κάθε υποκατάστατο της πρωτεΐνης ζωικής προέλευσης πρέπει να παράγεται αποτελεσματικά, ώστε να είναι εφικτή η επεξεργασία και η τυποποίηση [2].
Η αυξημένη χρήση εναλλακτικών πρωτεϊνών ωθείται από τρεις κύριες δυνάμεις: 1) βιωσιμότητα, δεδομένου του περιβαλλοντικού αντίκτυπου της κτηνοτροφίας, 2) ενδιαφέρον για υιοθέτηση πιο υγιεινών διαιτολογίων προκειμένου να αποφευχθούν χρόνιες ασθένειες και 3) ανησυχίες για την καλή διαβίωση των ζώων. Η έννοια των εναλλακτικών πρωτεϊνών είναι επομένως άρρηκτα συνδεδεμένη με τη βιωσιμότητα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της παραγωγής. Επιπλέον, ο σεβασμός της πολιτιστικής και κοινωνικής συμπεριφοράς κάθε πληθυσμού ανά τον κόσμο πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την καθιέρωση αυτής της έννοιας [2].
Τι είναι οι πρωτεΐνες
Οι πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για πολλές διαφορετικές λειτουργίες μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο, όπως η μεταφορά, η δομή, ο μεταβολισμός και οι ανοσολογικές δραστηριότητες. Είναι μακρομοριακές δομές που δημιουργούνται από το συνδυασμό 21 διαφορετικών α-αμινοξέων. Η τακτική επανάληψη της αλληλουχίας των αμινοξέων θα κάνει αυτές τις μακριές αλυσίδες να γυρίσουν στον εαυτό τους, σχηματίζοντας τη δευτερογενή δομή των πρωτεϊνών. Η χωρική διάταξη των δευτερογενών δομών θα ευνοήσει την αναδίπλωσή τους σε τριτογενείς (τρισδιάστατες) δομές, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να αλληλεπιδράσουν σε ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο, σχηματίζοντας τις τεταρτογενείς δομές. Η λειτουργική δραστηριότητα των πρωτεϊνών εξαρτάται από την τρισδιάστατη διαμόρφωσή τους. Ωστόσο, αυτή η πολύπλοκη και εύθραυστη δομή μπορεί να καταστραφεί από μηχανική, χημική ή θερμική καταπόνηση. Οποιαδήποτε διαμορφωτική αλλαγή στη δομή της πρωτεΐνης ονομάζεται μετουσίωση. Ανάλογα με τον τρόπο επεξεργασίας της πρωτεΐνης, η μετουσίωση μπορεί να είναι πλήρης και μη αναστρέψιμη.
Η εξαγωγή της πρωτεΐνης από τη φυσική της πηγή και ο καθαρισμός της περιλαμβάνει διάφορες μηχανικές, θερμικές και χημικές διεργασίες που μπορούν να καταστρέψουν τη δομή της πρωτεΐνης. Η κατάσταση της πρωτεΐνης, δηλαδή η φυσική ή η μετουσιωμένη, θα επηρεάσει τις λειτουργικές της ιδιότητες, όπως η διαλυτότητα, η γαλακτωματοποίηση και η ικανότητα σχηματισμού στερεών δομών όπως πηκτές και ίνες και, κατά συνέπεια, την εφαρμογή της στη βιομηχανία τροφίμων ως λειτουργικό συστατικό [3].
Θερμικός χαρακτηρισμός πρωτεϊνών
Η δυναμική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) έχει εφαρμοστεί για τη διερεύνηση των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των συστατικών των τροφίμων, συμπεριλαμβανομένων των μεταβολών της ενθαλπίας και της θερμοχωρητικότητας, των θερμοκρασιών υαλώδους μετάβασης και τήξης, καθώς και της θερμικής σταθερότητας των πρωτεϊνών, των υδατανθράκων και των λιπιδίων [4, 5]. Εστιάζοντας στις πρωτεΐνες, η εφαρμογή της κλασικής θερμιδομετρίας παρείχε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση της συγκέντρωσης, του pH και της ισχύος Ionic στην ενθαλπία της μετουσίωσης της πρωτεΐνης. Η συμπληρωματική θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) μπορεί να εφαρμοστεί για τη διερεύνηση της περιεκτικότητας σε νερό (υγρασία), της θερμικής σταθερότητας ή της θερμοκρασίας αποσύνθεσης, καθώς και της συγκέντρωσης ανόργανων συστατικών με τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε τέφρα [6, 7].
Στην παρούσα μελέτη, η DSC χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό της θερμοκρασίας μετουσίωσης μιας φυτικής πρωτεΐνης από ηλιόσπορους. Το Helianthus annuus L. είναι το καλλιεργούμενο είδος ηλίανθου. Ο αποφλοιωμένος σπόρος αποτελείται από 47% έως 65% λιπίδια και 20% έως 40% πρωτεΐνες, ενώ χρησιμοποιείται κυρίως ως πηγή βρώσιμου ελαίου. Ανάλογα με τις συνθήκες εκχύλισης του ελαίου, το εναπομένον στερεό υλικό, το οποίο ονομάζεται ηλιαλεύρι, έχει μόνο μετουσιωμένη πρωτεΐνη χωρίς καμία εφαρμογή εκτός από τον εμπλουτισμό τροφίμων ή ζωοτροφών. Το προϊόν που αναλύεται εδώ ισχυρίζεται ότι έχει υποστεί ήπια επεξεργασία και έχει περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες 60%, σύμφωνα με τις προδιαγραφές που έδωσε ο παραγωγός. Προορίζεται να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στη ζωική πρωτεΐνη σε προϊόντα αρτοποιίας και παρασκευάσματα γαλακτώματος [6]. Η πρωτεΐνη διασκορπίστηκε σε απεσταγμένο νερό σε τελική συγκέντρωση 15% (w/v)*. Μια μάζα δείγματος 25 mg διασποράς, που περιείχε 3,75 mg πρωτεΐνης, αναλύθηκε σε ένα κλειστό χωνευτήρι από Al που συγκολλάται εν ψυχρώ και μπορεί να αντέξει μια μικρή υπερπίεση που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της μέτρησης (επίσης αποκαλούμενο "χωνευτήρι χαμηλής πίεσης"). Ο ρυθμός θέρμανσης ήταν 5 K/min και ως ατμόσφαιρα επιλέχθηκε το άζωτο. Η περιεκτικότητα σε νερό και η θερμική σταθερότητα αυτής της πρωτεΐνης προσδιορίστηκαν με τη χρήση TGA. 10 mg δειγμάτων αναλύθηκαν σε ανοικτά χωνευτήρια οξειδίου του αλουμινίου υπό ατμόσφαιρα αερίου αζώτου. Οι παράμετροι της δοκιμής συνοψίζονται στον πίνακα 1.
*βάρος ανά όγκο
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Μέθοδος | Μάζα πρωτεΐνης | Χωνευτήρι | Ρυθµός θέρµανσης | Ατµόσφαιρα |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Οξείδιο του αργιλίου (Al2O3), ανοικτό | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Αλουμίνιο (Al), χαμηλή πίεση | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η θερμοβαρυμετρική μέτρηση. Η καμπύλη DTG του πρωτεϊνικού εκχυλίσματος ηλίανθου παρουσιάζει ένα αρχικό βήμα απώλειας μάζας περίπου 5% κάτω από τους 100°C. Η έναρξη της θερμικής αποικοδόμησης ανιχνεύθηκε στους 206°C. Συνήθως για τις φυτικές πρωτεΐνες, η περιεκτικότητα σε υγρασία των αποξηραμένων απομονωμένων προϊόντων κυμαίνεται από 1,5% έως 7,6%, ανάλογα με την πηγή της πρωτεΐνης [7]. Η παρουσία νερού μπορεί να επιβεβαιωθεί μέσω ανάλυσης εξελιγμένων αερίων, π.χ. FT-IR. Επιπλέον, η ανάλυση FT-IR των εξελιγμένων αερίων μπορεί επίσης να Identify τυπικές ουσίες που απελευθερώνονται λόγω της θερμικής αποσύνθεσης των πρωτεϊνών και των αμινοξέων, όπωςH2O,CO2, NH3 (αμμωνία),H2S(υδρόθειο) και κυκλικές ενώσεις πλούσιες σε αμιδικούς, καρβοξυλικούς οξικούς και πρωτογενείς και δευτερογενείς αμυνικούς δεσμούς [9].
Η μετουσίωση μιας πρωτεΐνης είναι ένα ενδόθερμο αποτέλεσμα που προκύπτει από την έκθεση των υδρόφοβων ομάδων στο υδατικό medium. Ως εκ τούτου, στην καμπύλη DSC παρατηρείται συχνά μια κορυφή απορρόφησης θερμότητας και το μέγιστό της αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως θερμοκρασία τήξης/μετάβασης (Tm). Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της πρωτεΐνης και τις συνθήκες της medium, η θερμική μετουσίωση μπορεί να είναι αντιστρεπτή ή μη αντιστρεπτή [10]. Η αντιστρεψιμότητα της μετουσίωσης μπορεί να διαπιστωθεί μέσω της δεύτερης θέρμανσης μιας ανάλυσης DSC- εάν η δεύτερη καμπύλη θέρμανσης είναι παρόμοια με την πρώτη, αυτό υποδηλώνει ότι η μετουσίωση που υπέστη η πρωτεΐνη ήταν αντιστρεπτή.
Η ανάλυση DSC της πρωτεΐνης του ηλίανθου δείχνει ότι η μετουσίωσή της συμβαίνει στην περιοχή 91°C έως 102°C, με Tm στους 98,9°C (πράσινη καμπύλη στο σχήμα 2). Η διαδικασία της μετουσίωσης δεν είναι αντιστρεπτή, όπως φαίνεται στη δεύτερη καμπύλη θέρμανσης (μοβ), η οποία δεν παρουσιάζει καμία ενδόθερμη επίδραση. Το θερμοκρασιακό εύρος της μετουσίωσης είναι σύμφωνο με τη βιβλιογραφική τιμή των 99,7°C [11].
Συμπέρασμα
Στην παρούσα μελέτη, μια πρωτεΐνη φυτικής προέλευσης που προορίζεται ως εναλλακτική λύση στη ζωική πρωτεΐνη για χορτοφαγικά σκευάσματα τροφίμων χαρακτηρίστηκε θερμικά. Χρησιμοποιήθηκε θερμοβαρυμετρική ανάλυση για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε νερό του αποξηραμένου εκχυλίσματος πρωτεΐνης ηλίανθου και την αξιολόγηση της θερμικής σταθερότητάς του. Η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση της θερμοκρασίας μετάβασης και την ανίχνευση τυχόν εγγενών πρωτεϊνών στο δείγμα. Το προφίλ DSC έδειξε ότι οι συνθήκες επεξεργασίας ήταν αρκετά ήπιες ώστε να διατηρηθεί η πρωτεΐνη, καθιστώντας την κατάλληλη για χρήση ως λειτουργικό συστατικό τροφίμων. Ο συνδυασμός DSC και TGA αποδείχθηκε αποτελεσματικός στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας εκχύλισης και της δυνατότητας της εκχυλισμένης πρωτεΐνης για βιομηχανική χρήση. Οι τεχνικές αυτές βοηθούν επίσης στον χαρακτηρισμό των συστατικών των τροφίμων και στην πρόβλεψη της διάρκειας ζωής μεμονωμένων συστατικών και σκευασμάτων.