Kinetics Neo:低温殺菌によるタンパク質の変性予測

低温殺菌

低温殺菌は、主に食品の微生物負荷と酵素活性を低下させ、食中毒のリスクを最小限に抑え、食品の保存期間を延ばすことを目的とした、制御された非殺菌の保存プロセスである。低温殺菌は、高圧処理（HPP）やパルス電場（PEF）などの非加熱殺菌技術を用いて行うことができる。これらの技術は、より新鮮で加工度の低い食品に対する需要の高まりに対応するため、近年開発されたものである[1]。

しかし、従来の低温殺菌法では、食品に一定時間、穏やかな熱を加える。加えられる熱は、製品の有機的特性、栄養的特性、機能的特性の大部分を保持しつつ、病原性微生物や腐敗物質を不活性化するのに十分でなければならない。Classic 熱殺菌法には以下のようなものがある[2]：

1. バッチ（Vat）または低温長時間（LTLT）：65℃で30分間加熱。
2. 高温短時間（HTST）：72℃で15秒間加熱。
3. 超低温殺菌：89～100℃で1秒間加熱。
4. 超高温殺菌：138℃で2秒間加熱。

例えば、水分蒸発やメイラード反応^1による色の変化、栄養価の部分的損失、タンパク質の変性などである。低温殺菌された製品が食品の機能性成分として利用される場合、これらのうち最後のものは極めて重要である。タンパク質の変性は、溶解性、乳化能力、ゲル化特性に影響を与える可能性がある。したがって、低温殺菌技術の選択は、微生物の安全性と、食品の望ましい官能的、栄養的、機能的品質とのバランスをとる必要がある。

Kinetics Neo は、温度に依存する化学プロセスの動力学解析に特化したソフトウェアツールです。これらのプロセスには、質量、エンタルピー、分解、結晶化などの現象が含まれます。このソフトウェアは、モデルフリーとモデルベースの両方の速度論解析をサポートしています。

モデルベースのアプローチでは、Kinetics Neo は個々の反応ステップの詳細な特性解析を可能にし、活性化エネルギー、反応次数、およびプロセス全体に対する各ステップの定量的寄与などの重要な動力学パラメータを提供します。この包括的な解析により、未測定または実験的にアクセスできない温度プロファイル下での反応挙動の正確な予測が容易になります。以下に述べるように、異なる温度に一定時間さらされることによるタンパク質の変性度（ここでは変換と呼ぶ）の予測も含まれる。

¹メイラード反応は、遊離アミノ基が糖などの還元性化合物と反応する非酵素的褐変反応である。メイラード反応は、様々な調理工程において、褐変と風味の発現に関与する。

https://flexikon.doccheck.com/de/Maillard-Reaktion#:~:text=The%20Maillard%2Dreaction%20describes%20a,flavours%20during%20

タンパク質の変性予測

酵母タンパク質抽出に対する低温殺菌の影響を、DSC 300Caliris とNETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアを用いて調べた。

酵母タンパク質を最終濃度15%(w/v⁾2の蒸留水に分散させた。3.75mgのタンパク質に相当する25mgの分散液のサンプルを、窒素ガス雰囲気下、^低圧3アルミニウムるつぼ中で、0℃から140℃の間で5K/分の加熱速度で分析した。酵母タンパク質の変性は、図1の最初の加熱曲線（緑色）に示すように、44℃から78℃の範囲で起こる。吸熱効果はブロードで、2つの極大を示し、タンパク質の抽出で予想されるように、試料がタンパク質の混合物であることを示している。2番目の加熱曲線（黒）は、熱効果がないことを示しており、これは変性が不可逆的であることを示している。

加熱速度に対する変性の依存性から、NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアの助けを借りてプロセスを評価することができる。この目的のため、5K/分、20K/分、50K/分という異なる加熱速度でDSC曲線を取得した。最良の適合を見つけるために、いくつかの異なる速度論とモデルを試した。最良の結果は、フリードマン分析と3段階速度論モデルの2つで、相関係数はそれぞれ0.9988と0.9989であった；図2を参照。

²体積あたりの^重量
3低圧るつぼはアルミニウム製で、測定中に発生する可能性のあるわずかな過圧に耐える。

得られたDSCの結果は、文献[2]に記載されている4つの異なる低温殺菌温度スキームにおけるタンパク質変性の予測に使用された。予測、フリードマン分析（図示せず）、および以下の図2に示す3段階速度論モデルによると、試験した4種類の低温殺菌法のうち3種類はこの製品に適用できない。

バッチ（Vat）法では、3分間の加熱で90％の変換が起こるが、これは推奨される時間全体の10％に過ぎない。UHT法もまた厳しすぎる。138℃で1秒後、ネイティブタンパク質の総含有量はわずか10%である。HTST法では、それでも全タンパク質の27％が変性してしまう。

超低温殺菌だけが、許容できる変換率をもたらす：95℃で1秒後の変換率は7%である。

結果の検証

等温条件下での変性挙動を予測するために、Kinetics Neo によって計算された速度論モデルを検証するために、25mg、タンパク質3.75mgの酵母タンパク質サンプルを65℃に加熱し、その後20分間等温に保った。図4は、測定によって決定された吸熱効果と予測によって決定された吸熱効果を比較したものである(Kinetics Neo)。この比較は、2つの曲線がよく一致し、したがって計算の信頼性が高いことを示している。

結論

Kinetics Neo は、熱処理中の試料の実験的挙動を正確に表現する数学的モデルを開発する機会を提供します。このアプローチにより、最も有望な温度プロファイルを特定するプロセスが簡素化され、時間のかかる試行錯誤法が不要になります。