代替タンパク質とは何か？
植物性タンパク質は、何世紀にもわたって人間の食生活に存在してきた。豆類、レンズ豆、エンドウ豆などの食用種子やその製品、カボチャやヒマワリの種などの油糧種子は、伝統的なタンパク質源の一例である[1]。藻類、微生物、培養肉、昆虫などもタンパク質源と考えられている。藻類、微生物、培養肉、昆虫などもタンパク質源として考えられている。動物性タンパク質の代替品となるものは、適切な機能的・有機的特性を持つことに加え、加工・製剤化が可能なように、効率的に生産される必要がある[2]。
代替タンパク質の利用拡大は、3つの主要な力によって推し進められている：1)家畜が環境に与える影響を考慮した持続可能性、2)慢性疾患を避けるための健康的な食生活への関心、3)動物福祉への懸念である。したがって、代替タンパク質の概念は、持続可能性と生産による環境への影響に本質的に関連している。さらに、この概念を確立する際には、世界中の各人口の文化的・社会的行動を尊重しなければならない[2]。
タンパク質とは何か？
タンパク質は、輸送、構造、代謝、免疫活性など、生きた細胞内でさまざまな機能を担っている。タンパク質は21種類のα-アミノ酸が組み合わさってできた高分子構造体である。アミノ酸配列が規則正しく繰り返されることで、これらの長い鎖がそれ自体で折り返し、タンパク質の二次構造を形成する。二次構造の空間的配置は、三次（三次元）構造への折り畳みを促進し、それらはタンパク質複合体の中で相互作用し、四次構造を形成することができる。タンパク質の機能的活性は、その三次元構造に依存している。しかしながら、この複雑で壊れやすい構造は、機械的、化学的、熱的ストレスによって損傷を受ける可能性がある。タンパク質の立体構造が変化することを変性と呼ぶ。タンパク質の処理方法にもよるが、変性は完全で不可逆的な場合もある。
タンパク質を天然源から抽出し、精製するには、タンパク質の構造を破壊する可能性のある様々な機械的、熱的、化学的プロセスを伴う。タンパク質の状態、すなわち天然か変性かは、溶解性、乳化性、ゲルや繊維のような固体構造を形成する能力などの機能的特性に影響し、その結果、機能性成分として食品産業への応用が可能になる[3]。
タンパク質の熱特性評価
動的走査熱量測定（DSC）は、エンタルピーや熱容量の変化、ガラス転移や融解温度、タンパク質、炭水化物、脂質の熱安定性など、食品成分の熱力学的特性を調べるために応用されてきた[4, 5]。タンパク質に焦点を当てると、古典的熱量測定の適用により、タンパク質の変性のエンタルピーに対する濃度、pH、Ionic 強度の影響に関する貴重な情報が得られた。補足的な熱重量分析（TGA）は、水分（湿気）含有量、熱安定性、分解温度、および灰分含有量を決定することによるミネラル濃度を調査するために適用することができる[6, 7]。
本研究では、DSCを用いてヒマワリ種子由来の植物性タンパク質の変性温度を測定した。Helianthus annuus L.はヒマワリの栽培種である。脱皮した種子は、47%から65%の脂質と20%から40%のタンパク質で構成され、主に食用油の原料として使用される。油の抽出条件にもよるが、ヒマワリミールと呼ばれる残りの固形物は、変性したタンパク質のみで、食品や飼料の強化以外に用途はない。今回分析した製品は、生産者の仕様によれば、マイルドに加工され、タンパク質含有量は60％である。この製品は、ベーカリー製品やエマルジョン製剤において、動物性タンパク質の代替品として使用されることを意図している[6]。タンパク質は、最終濃度15%(w/v)*で蒸留水に分散させた。3.75mgのタンパク質を含む25mgの分散液のサンプルを、測定中に発生するわずかな過圧に耐える密閉冷間溶接可能なAl製ルツボ（「低圧ルツボ」とも呼ばれる）で分析した。加熱速度は5K/分、雰囲気は窒素とした。このタンパク質の含水率と熱安定性は、TGAを用いて測定した。10mgの試料を、窒素ガス雰囲気下、酸化アルミニウムの開放るつぼ中で分析した。試験パラメーターを表1にまとめた。
*体積重量
表1：測定条件
| 測定方法 | タンパク質質量 | るつぼ | 加熱速度 | 雰囲気 |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | 酸化アルミニウム(Al2O3), オープン | 5 K/分 | N2(20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | アルミニウム (Al), 低圧 | 5 K/分 | N2(20 ml/min) |
測定結果
図1に熱重量測定を示す。ヒマワリタンパクエキスのDTG曲線は、100℃以下で約5％の初期質量減少ステップを示している。熱分解の開始は206℃で検出された。通常、植物タンパク質の乾燥分離物の水分含量は、タンパク質の供給源によって1.5%から7.6%の間で変化する[7]。水分の存在は、例えばFT-IRなどの発生ガス分析によって確認することができる。Identify さらに、発生ガスのFT-IR分析は、H2O、CO2、NH3（アンモニア）、H2S（硫化水素）、アミド、カルボン酸、一級および二級アミン結合に富む環状化合物など、タンパク質やアミノ酸の熱分解により放出される典型的な物質も分析できる[9]。
タンパク質の変性は、疎水基が水medium にさらされることに起因する吸熱作用である。そのため、DSC曲線に熱吸収ピークが観察されることが多 く、文献ではその最大値を融解/転移温度(Tm)と呼んでいる。タンパク質の特性やmedium の条件により、熱変性は可逆的または不可逆的である[10]。2回目の加熱曲線が1回目の加熱曲線と類似している場合、タンパク質が受けた変性が可逆的であることを示している。
ヒマワリタンパク質のDSC分析は、その変性が91℃から102℃の範囲で起こり、Tmは98.9℃であることを示している（図2の緑色の曲線）。2番目の加熱曲線（紫色）に見られるように、変性プロセスは可逆的ではなく、吸熱効果は見られない。この変性温度範囲は文献値99.7℃[11]に一致する。
結論
本研究では、動物性タンパク質の代替品としてビーガン食品に配合することを目的とした植物性タンパク質の熱的特性評価を行った。乾燥ヒマワリタンパク質抽出物の含水量を測定し、その熱安定性を評価するために熱重量分析を採用した。示差走査熱量測定は、転移温度を調べ、サンプル中のネイティブタンパク質を検出するために利用された。DSCプロファイルから、加工条件はタンパク質を保存するのに十分マイルドであり、機能性食品成分としての使用に適していることが示された。DSCとTGAの組み合わせは、抽出プロセスの効率と抽出されたタンパク質の産業利用の可能性を評価するのに有効であることが証明された。これらの技術は、食品成分の特性評価や、個々の成分や配合物の保存可能期間の予測にも役立つ。