Mitä ovat vaihtoehtoiset proteiinit?
Kasvipohjaisia proteiineja on ollut ihmisen ruokavaliossa vuosisatojen ajan. Syötävät siemenet, kuten pavut, linssit, herneet ja niistä saatavat tuotteet sekä öljykasvit, kuten kurpitsan- ja auringonkukansiemenet, ovat esimerkkejä perinteisistä proteiininlähteistä [1]. Kasvipohjainen proteiini ei kuitenkaan ole koko kuva vaihtoehtoisilla proteiinimarkkinoilla: myös levät, mikro-organismit, viljelty liha ja hyönteiset katsotaan proteiininlähteiksi. Uudeksi tuotteeksi tuleminen markkinoilla on kuitenkin pitkä prosessi. Sen lisäksi, että kaikilla eläinperäisen proteiinin korvaavilla tuotteilla on oltava sopivat toiminnalliset ja aistinvaraiset ominaisuudet, ne on myös tuotettava tehokkaasti, jotta niiden jalostus ja formulointi on mahdollista [2].
Vaihtoehtoisten proteiinien käytön lisääntymistä vauhdittaa kolme pääasiallista voimaa: 1) kestävyys, kun otetaan huomioon kotieläinten ympäristövaikutukset, 2) kiinnostus terveellisempään ruokavalioon kroonisten sairauksien välttämiseksi ja 3) huoli eläinten hyvinvoinnista. Vaihtoehtoisten proteiinien käsite liittyy siis olennaisesti kestävyyteen ja tuotannon ympäristövaikutuksiin. Lisäksi tämän käsitteen määrittelyssä on otettava huomioon kunkin maailman väestön kulttuurinen ja sosiaalinen käyttäytyminen [2].
Mitä proteiinit ovat?
Proteiinit vastaavat useista eri toiminnoista elävässä solussa, kuten kuljetuksesta, rakenteesta, aineenvaihdunnasta ja immunologisista toiminnoista. Ne ovat makromolekyylirakenteita, jotka rakentuvat 21 eri α-aminohapon yhdistelmästä. Aminohapposekvenssin säännöllinen toistuminen saa nämä pitkät ketjut kääntymään itsekseen muodostaen proteiinien sekundäärirakenteen. Sekundäärirakenteiden tilallinen sijoittelu suosii niiden taittumista tertiäärirakenteiksi (kolmiulotteisiksi rakenteiksi), jotka voivat sitten vuorovaikuttaa proteiinikompleksissa muodostaen kvaternäärirakenteita. Proteiinien toiminnallinen aktiivisuus riippuu niiden kolmiulotteisesta konformaatiosta. Mekaaninen, kemiallinen tai terminen rasitus voi kuitenkin vahingoittaa tätä monimutkaista ja haurasta rakennetta. Proteiinirakenteen konformaatiomuutosta kutsutaan denaturaatioksi. Riippuen siitä, miten proteiinia käsitellään, denaturaatio voi olla täydellinen ja peruuttamaton.
Proteiinin erottaminen luonnollisesta lähteestään ja puhdistaminen edellyttää erilaisia mekaanisia, lämpö- ja kemiallisia prosesseja, jotka voivat tuhota proteiinin rakenteen. Proteiinin tila eli natiivin tai denaturoidun proteiinin tila vaikuttaa sen toiminnallisiin ominaisuuksiin, kuten liukoisuuteen, emulgoituvuuteen ja kykyyn muodostaa kiinteitä rakenteita, kuten geelejä ja kuituja, ja näin ollen sen käyttöön elintarviketeollisuudessa funktionaalisena ainesosana [3].
Proteiinien terminen karakterisointi
Dynaamista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC) on sovellettu elintarvikkeiden ainesosien termodynaamisten ominaisuuksien tutkimiseen, mukaan lukien entalpian ja lämpökapasiteetin muutokset, lasisiirtymät ja sulamislämpötilat sekä proteiinien, hiilihydraattien ja lipidien LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus [4, 5]. Kun keskitytään proteiineihin, klassisen kalorimetrian soveltaminen antoi arvokasta tietoa konsentraation, pH:n ja Ionic -lujuuden vaikutuksesta proteiinin denaturaation entalpiaan. Täydentävää termogravimetristä analyysia (TGA) voidaan käyttää veden (kosteuden) pitoisuuden, lämpöstabiilisuuden tai hajoamislämpötilan sekä mineraalipitoisuuden tutkimiseen määrittämällä Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus [6, 7].
Tässä tutkimuksessa DSC:tä käytettiin auringonkukansiemenistä saadun kasvipohjaisen proteiinin denaturointilämpötilan karakterisointiin. Helianthus annuus L. on viljelty auringonkukkalaji. Kuoritut siemenet koostuvat 47-65 prosenttia lipideistä ja 20-40 prosenttia proteiineista, ja niitä käytetään ensisijaisesti ruokaöljyn lähteenä. Öljyn uuttamisolosuhteista riippuen jäljelle jäävä kiinteä aines, jota kutsutaan auringonkukkajauhoksi, sisältää vain denaturoitua proteiinia, jota ei voida käyttää elintarvikkeiden tai rehun täydentämisen lisäksi. Tässä analysoidun tuotteen väitetään olleen lievästi käsitelty, ja sen proteiinipitoisuus on tuottajan antamien tietojen mukaan 60 prosenttia. Se on tarkoitettu käytettäväksi vaihtoehtona eläinproteiinille leipomotuotteissa ja emulsiovalmisteissa [6]. Proteiini dispergoitiin tislattuun veteen 15 prosentin (w/v)* loppupitoisuutena. Näytemassa, joka oli 25 mg dispersiota ja joka sisälsi 3,75 mg proteiinia, analysoitiin suljetussa kylmähitsauskelpoisessa Al-astiassa, joka kestää mittauksen aikana esiintyvän pienen ylipaineen (kutsutaan myös "matalapaine-astiaksi"). Lämmitysnopeus oli 5 K/min ja ilmakehäksi valittiin typpi. Tämän proteiinin vesipitoisuus ja LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus määritettiin TGA:lla. 10 mg näytteitä analysoitiin avoimissa alumiinioksidiupokkaissa typpikaasuatmosfäärissä. Testiparametrit on esitetty taulukossa 1.
*paino tilavuutta kohti
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Menetelmä | Proteiinin massa | Upokas | Lämmitysnopeus | Ilmakehä |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Alumiinioksidi (Al2O3), avattu | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Alumiini (Al), matalapaine | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Mittaustulokset
Kuvassa 1 esitetään termogravimetrinen mittaus. Auringonkukan proteiiniuutteen DTG-käyrässä on aluksi noin 5 prosentin massahäviö alle 100 °C:n lämpötilassa. Termisen hajoamisen alkaminen havaittiin 206 °C:ssa. Kasviproteiinille tyypillisesti kuivattujen isolaattien kosteuspitoisuus vaihtelee 1,5 prosentista 7,6 prosenttiin proteiinin lähteestä riippuen [7]. Veden esiintyminen voidaan varmistaa kehittyneellä kaasuanalyysillä, esim. FT-IR:llä. Lisäksi kehittyneiden kaasujen FT-IR-analyysi voi myös Identify tyypillisiä aineita, jotka vapautuvat proteiinien ja aminohappojen lämpöhajoamisen seurauksena, kutenH2O,CO2, NH3 (ammoniakki),H2S(rikkivety) ja sykliset yhdisteet, joissa on runsaasti amidi-, karboksyylihappo- sekä primaarisia ja sekundaarisia amiinisidoksia [9].
Proteiinin denaturoituminen on EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus, joka johtuu hydrofobisten ryhmien altistumisesta vesipitoiselle medium. Tämän vuoksi DSC-käyrässä havaitaan usein lämpöabsorptiopiikki, jonka maksimiin viitataan kirjallisuudessa sulamis-/siirtymislämpötilana (Tm). Proteiinin ominaisuuksista ja medium olosuhteista riippuen lämpödenaturaatio voi olla palautuvaa tai palautumatonta [10]. Denaturaation palautuvuus voidaan todeta DSC-analyysin toisen lämmityksen avulla; jos toinen lämmityskäyrä on samanlainen kuin ensimmäinen, tämä osoittaa, että proteiinin läpikäymä denaturaatio oli palautuva.
Auringonkukkaproteiinin DSC-analyysi osoittaa, että sen denaturoituminen tapahtuu 91 °C:n ja 102 °C:n välillä, ja Tm on 98,9 °C (vihreä käyrä kuvassa 2). Denaturaatioprosessi ei ole palautuva, kuten voidaan nähdä toisesta lämmityskäyrästä (violetti), jossa ei ole endotermistä vaikutusta. Denaturaation lämpötila-alue on kirjallisuuden arvon 99,7 °C mukainen [11].
Päätelmä
Tässä tutkimuksessa luonnehdittiin lämpöominaisuuksiltaan kasvipohjaista proteiinia, joka on tarkoitettu vegaanisten elintarvikkeiden valmistuksessa käytettäväksi eläinproteiinin vaihtoehdoksi. Kuivatun auringonkukan proteiiniuutteen vesipitoisuuden määrittämiseksi ja sen lämpöstabiilisuuden arvioimiseksi käytettiin termogravimetrista analyysia. Differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa käytettiin siirtymislämpötilan tutkimiseen ja näytteen mahdollisen natiiviproteiinin havaitsemiseen. DSC-profiili osoitti, että käsittelyolosuhteet olivat riittävän mietoja proteiinin säilyttämiseksi, joten se soveltuu käytettäväksi funktionaalisena elintarvikeainesosana. DSC:n ja TGA:n yhdistelmä osoittautui tehokkaaksi arvioitaessa uuttoprosessin tehokkuutta ja uutetun proteiinin mahdollisuuksia teolliseen käyttöön. Nämä tekniikat auttavat myös luonnehtimaan elintarvikkeiden komponentteja ja ennustamaan yksittäisten ainesosien ja valmisteiden säilyvyyttä.