Proteiinien denaturoitumisen ennustaminen pastöroinnin aikana NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistolla

Miksi proteiinien denaturaatiolla on merkitystä lämpöpastöroinnissa?

Pastörointi on yksi tärkeimmistä elintarvikkeiden käsittelytekniikoista, joka takaa mikrobiturvallisuuden ja pidentää säilyvyyttä. Vaikka lämpökäsittelyt on suunniteltu hellävaraisiksi, ne vaikuttavat väistämättä lämpötilaherkkiin komponentteihin, erityisesti proteiineihin. Koska proteiinit tuottavat elintärkeitä toiminnallisia ominaisuuksia, kuten liukoisuutta, hyytelöitymistä ja emulgoitumista, on tärkeää ymmärtää, miten ne reagoivat lämpöön, jotta voidaan kehittää korkealaatuisia elintarvikkeiden ainesosia. Proteiinien denaturoituminen voi vaikuttaa mainittuihin ominaisuuksiin.

Perinteiset pastörointitekniikat vaihtelevat suuresti lämpötilan ja keston suhteen. Erä- tai LTLT-käsittelyissä (matalalämpötilakäsittely, pitkäaikainen käsittely) tuotteita kuumennetaan hitaasti useiden minuuttien ajan, kun taas HTST-prosessit (korkealämpötilakäsittely, lyhytkestoinen käsittely), ultrapastörointi ja UHT-käsittelyt (ultrakorkea lämpötila) altistavat elintarvikkeet korkeammille lämpötiloille muutamien sekuntien ajan. Kukin menetelmä tarjoaa erilaisen tasapainon mikrobien hallinnan ja tuotteen laadun välillä. Liiallinen kuumuus voi kuitenkin johtaa proteiinien denaturoitumiseen, ravintoarvon menettämiseen ja muutoksiin koostumuksessa tai ulkonäössä. Huolimatta muiden kuin termisten vaihtoehtojen, kuten korkeapainekäsittelyn ja pulssitettujen sähkökenttien, kehittymisestä, lämpöpastörointi on edelleen vallitseva menetelmä monilla teollisuudenaloilla. Näin ollen ennustustyökalut, joilla voidaan arvioida ja optimoida lämpövaikutuksia proteiineihin, ovat yhä arvokkaampia.

DSC-käyristä kineettisiin malleihin: Lämmön aiheuttamien proteiinimuutosten ennustaminen

NETZSCH Kinetics Neoon tehokas ohjelmistoalusta, joka on suunniteltu lämpötilasta riippuvien reaktioiden mallintamiseen. Ohjelmistolla voidaan rakentaa sekä mallittomia että mallipohjaisia kuvauksia monimutkaisista reaktioreiteistä analysoimalla NETZSCH -lämpöanalyysilaitteista saatuja tietoja kineettisesti. Proteiinien denaturointitutkimuksissa tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden siirtyä pelkkää DSC-käyrien tarkkailua pidemmälle ja kehittää sen sijaan tarkkoja kineettisiä malleja, jotka paljastavat, miten proteiinit purkautuvat tietyissä lämpötilaprofiileissa. Näiden mallien avulla voidaan sitten ennustaa denaturaation laajuus todellisissa käsittelyolosuhteissa.

Tuoreessa sovellusmuistiossa analysoimme hiivaproteiinidispersioita käyttämällä DSC:tä ( Differential Scanning Calorimetry) niiden lämpökäyttäytymisen määrittämiseksi. Ensimmäisen lämmityssyklin aikana proteiinissa ilmeni laaja denaturaatiotapahtuma 44 °C:n ja 78 °C:n välillä. Toinen lämmityssykli ei tuottanut lämpövaikutuksia, mikä vahvisti denaturaation peruuttamattomuuden. Tämän prosessin kinetiikan määrittämiseksi suoritimme mittauksia useilla lämmitysnopeuksilla. Arvioimme nämä tietokokonaisuudet Kinetics Neo -ohjelmiston avulla ja havaitsimme erinomaisen yhdenmukaisuuden sekä mallittoman Friedman-analyysin että kolmivaiheisen mallipohjaisen lähestymistavan avulla.

Hiivaproteiinien dispersio lämpöanalyysin aikana, jossa näkyvät kuplat ja solurakenteet, jotka ovat olennaisia lämpöindusoidun denaturaation tutkimisessa. — Kuva: Hiivaproteiini

Pastörointiprosessien optimointi Kinetics Neo simulaatioiden avulla

Kineettisten parametrien määrittämisen jälkeen, Kinetics Neo simuloitiin proteiinien denaturaatiota tyypillisissä pastörointiolosuhteissa. Ennusteet paljastivat merkittäviä eroja menetelmien välillä. Eräpastörointi johti lähes täydelliseen denaturoitumiseen paljon ennen kuin koko käsittelyaika oli kulunut. Sitä vastoin UHT-käsittely aiheutti nopean ja laajan muuntumisen (1 s:n kuluttua natiivista proteiinista on jäljellä vain noin 10 %). HTST-käsittely oli lievempi, mutta se vaikutti silti merkittävään osaan proteiinipitoisuudesta. Ultrapastörointi oli ainoa menetelmä, joka säilytti suurimman osan natiivista proteiinista, koska hyvin lyhyt altistusaika rajoitti yleistä denaturoitumista.

Tämä työ korostaa, miten kineettinen mallintaminen voi tukea pastörointistrategioiden optimointia. Käyttämällä NETZSCH Kinetics Neo , elintarvikevalmistajat voivat Identify prosessointi-ikkunoita, jotka säilyttävät proteiinien toiminnallisuuden, vähentää kokeiden työmäärää ja omaksua hallitumman lähestymistavan lämpökäsittelyyn. Tuloksena on tietoon perustuva lähestymistapa prosessien suunnitteluun, joka parantaa sekä tuotteiden laatua että kehityksen tehokkuutta.

.