Πρόβλεψη της μετουσίωσης πρωτεϊνών κατά την παστερίωση με το λογισμικό NETZSCH Kinetics Neo

Γιατί η μετουσίωση των πρωτεϊνών έχει σημασία στη θερμική παστερίωση

Η παστερίωση είναι μία από τις σημαντικότερες τεχνολογίες επεξεργασίας τροφίμων, παρέχοντας μικροβιακή ασφάλεια και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής στο ράφι. Αν και οι θερμικές επεξεργασίες έχουν σχεδιαστεί για να είναι ήπιες, επηρεάζουν αναπόφευκτα τα ευαίσθητα στη θερμοκρασία συστατικά, κυρίως τις πρωτεΐνες. Δεδομένου ότι οι πρωτεΐνες παρέχουν ζωτικές λειτουργικές ιδιότητες, όπως η διαλυτότητα, η ζελατινοποίηση και η γαλακτωματοποίηση, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς αντιδρούν στη θερμότητα, προκειμένου να αναπτύξουμε υψηλής ποιότητας συστατικά τροφίμων. Η μετουσίωση των πρωτεϊνών μπορεί να επηρεάσει τις προαναφερθείσες ιδιότητες.

Οι παραδοσιακές τεχνικές παστερίωσης ποικίλλουν ευρέως ως προς τη θερμοκρασία και τη διάρκεια. Οι διεργασίες παρτίδας ή LTLT (χαμηλής θερμοκρασίας, μακράς διάρκειας) θερμαίνουν αργά τα προϊόντα επί αρκετά λεπτά, ενώ οι διεργασίες HTST (υψηλής θερμοκρασίας, μικρής διάρκειας), η υπερπαστερίωση και η UHT (υπερυψηλής θερμοκρασίας) εκθέτουν τα τρόφιμα σε υψηλότερες θερμοκρασίες για μερικά δευτερόλεπτα. Κάθε μέθοδος παρέχει διαφορετική ισορροπία μεταξύ του μικροβιακού ελέγχου και της ποιότητας του προϊόντος. Ωστόσο, η υπερβολική θερμότητα μπορεί να οδηγήσει σε μετουσίωση των πρωτεϊνών, απώλεια της θρεπτικής αξίας και αλλαγές στην υφή ή την εμφάνιση. Παρά την εμφάνιση μη θερμικών εναλλακτικών λύσεων, όπως η επεξεργασία υπό υψηλή πίεση και τα παλμικά ηλεκτρικά πεδία, η θερμική παστερίωση παραμένει κυρίαρχη σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς. Κατά συνέπεια, τα εργαλεία πρόβλεψης που μπορούν να αξιολογήσουν και να βελτιστοποιήσουν τις θερμικές επιδράσεις στις πρωτεΐνες αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη αξία.

Από τις καμπύλες DSC στα κινητικά μοντέλα: Προβλέποντας αλλαγές πρωτεϊνών που προκαλούνται από τη θερμότητα

NETZSCH Kinetics Neoείναι μια ισχυρή πλατφόρμα λογισμικού που έχει σχεδιαστεί για τη μοντελοποίηση αντιδράσεων που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Μέσω της κινητικής ανάλυσης δεδομένων από όργανα θερμικής ανάλυσης NETZSCH, το λογισμικό μπορεί να κατασκευάσει τόσο περιγραφές χωρίς μοντέλο όσο και περιγραφές με βάση το μοντέλο πολύπλοκων αντιδράσεων. Για μελέτες μετουσίωσης πρωτεϊνών, αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να προχωρήσουν πέρα από την απλή παρατήρηση των καμπυλών DSC και αντ' αυτού να αναπτύξουν ακριβή κινητικά μοντέλα που αποκαλύπτουν πώς οι πρωτεΐνες ξεδιπλώνονται κάτω από συγκεκριμένα προφίλ θερμοκρασίας. Αυτά τα μοντέλα μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της έκτασης της μετουσίωσης υπό πραγματικές συνθήκες επεξεργασίας.

Σε ένα πρόσφατο σημείωμα εφαρμογής, αναλύσαμε διασπορές πρωτεϊνών ζύμης χρησιμοποιώντας διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, DSC, για να προσδιορίσουμε τη θερμική τους συμπεριφορά. Κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου θέρμανσης, η πρωτεΐνη παρουσίασε ένα ευρύ γεγονός μετουσίωσης μεταξύ 44°C και 78°C. Ένας δεύτερος κύκλος θέρμανσης δεν παρήγαγε κανένα θερμικό αποτέλεσμα, επιβεβαιώνοντας τη μη αναστρεψιμότητα της μετουσίωσης. Για να καθορίσουμε την κινητική αυτής της διαδικασίας, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις σε διάφορους ρυθμούς θέρμανσης. Μέσω του λογισμικού Kinetics Neo, αξιολογήσαμε αυτά τα σύνολα δεδομένων και διαπιστώσαμε εξαιρετική συμφωνία τόσο με την ανάλυση Friedman χωρίς μοντέλο όσο και με την προσέγγιση τριών βημάτων με βάση το μοντέλο.

Διασπορά πρωτεϊνών ζύμης υπό θερμική ανάλυση, όπου παρουσιάζονται φυσαλίδες και κυτταρικές δομές απαραίτητες για τη μελέτη της μετουσίωσης που προκαλείται από τη θερμότητα. — Σχήμα: Πρωτεΐνη ζύμης

Βελτιστοποίηση διεργασιών παστερίωσης με προσομοιώσεις Kinetics Neo

Μετά τον καθορισμό των κινητικών παραμέτρων, Kinetics Neo χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της μετουσίωσης των πρωτεϊνών υπό τυπικές συνθήκες παστερίωσης. Οι προβλέψεις αποκάλυψαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των μεθόδων. Η παστερίωση κατά παρτίδες οδήγησε σε σχεδόν πλήρη μετουσίωση πολύ πριν παρέλθει ο πλήρης χρόνος επεξεργασίας. Αντίθετα, η επεξεργασία UHT προκάλεσε ταχεία και εκτεταμένη μετατροπή (μετά από 1 s έχουν απομείνει μόνο περίπου 10 % της εγγενούς πρωτεΐνης). Η επεξεργασία HTST ήταν ηπιότερη, ωστόσο εξακολουθούσε να επηρεάζει σημαντικό μέρος της περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες. Η υπερπαστερίωση ήταν η μόνη μέθοδος που διατήρησε το μεγαλύτερο μέρος της εγγενούς πρωτεΐνης, επειδή ο πολύ σύντομος χρόνος έκθεσης περιόρισε τη συνολική μετουσίωση.

Η εργασία αυτή αναδεικνύει τον τρόπο με τον οποίο η κινητική μοντελοποίηση μπορεί να υποστηρίξει τη βελτιστοποίηση των στρατηγικών παστερίωσης. Με τη χρήση του NETZSCH Kinetics Neo , οι κατασκευαστές τροφίμων μπορούν να Identify παράθυρα επεξεργασίας που διατηρούν τη λειτουργικότητα των πρωτεϊνών, να μειώσουν τον φόρτο εργασίας των πειραμάτων και να ακολουθήσουν μια πιο ελεγχόμενη προσέγγιση στη θερμική επεξεργασία. Το αποτέλεσμα είναι μια προσέγγιση με βάση τα δεδομένα για το σχεδιασμό διεργασιών που βελτιώνει τόσο την ποιότητα του προϊόντος όσο και την αποτελεσματικότητα της ανάπτυξης.