NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアによる低温殺菌中のタンパク質変性の予測

熱殺菌においてタンパク質の変性が重要な理由

低温殺菌は最も重要な食品加工技術のひとつで、微生物の安全性を高め、賞味期限を延ばす。熱処理は穏やかに行われるように設計されているが、温度に敏感な成分、特にタンパク質に影響を与えることは避けられない。タンパク質は、溶解性、ゲル化、乳化などの重要な機能特性を提供するため、高品質の食品素材を開発するためには、タンパク質が熱にどのように反応するかを理解することが不可欠である。タンパク質の変性は、前述の特性に影響を与える可能性がある。

伝統的な低温殺菌技術は、温度や時間によって大きく異なる。バッチ処理またはLTLT（低温・長時間）処理では、数分間かけてゆっくりと製品を加熱するのに対し、HTST（高温・短時間）処理、ウルトラ低温殺菌、UHT（超高温殺菌）では、食品を数秒間高温にさらす。それぞれの方法によって、微生物制御と製品品質のバランスが異なる。しかしながら、過度の加熱はタンパク質の変性、栄養価の損失、食感や外観の変化を引き起こす可能性がある。高圧処理やパルス電界などの非加熱代替法が出現しているにもかかわらず、多くの産業分野では熱殺菌が依然として主流である。その結果、タンパク質に対する熱効果を評価し、最適化できる予測ツールの価値がますます高まっている。

DSC曲線から動力学モデルへ：熱によるタンパク質の変化を予測する

NETZSCH Kinetics Neoは、温度依存性反応をモデル化するために設計された強力なソフトウェア・プラットフォームである。NETZSCH 熱分析装置からのデータを動力学的に解析することで、このソフトウェアは複雑な反応経路のモデルフリーおよびモデルベースの記述を構築することができます。タンパク質の変性研究においては、単にDSC曲線を観察するだけでなく、特定の温度プロファイル下でタンパク質がどのように展開するかを明らかにする正確な速度論モデルを開発することができる。これらのモデルを用いて、実際の処理条件下での変性の程度を予測することができる。

最近のアプリケーションノートでは、示差走査熱量測定（DSC）を用いて酵母タンパク質分散液を分析し、その熱挙動を明らかにした。最初の加熱サイクルでは、タンパク質は44℃から78℃の間で幅広い変性を示した。2回目の加熱サイクルでは熱的な影響は見られず、変性が不可逆的であることが確認された。このプロセスの速度論を確立するために、いくつかの加熱速度で測定を行った。Kinetics Neo ソフトウェアを使って、これらのデータセットを評価したところ、モデルを用いないフリードマン解析と3段階のモデルに基づくアプローチの両方を用いて、優れた一致が見られた。

熱による変性の研究に不可欠な気泡と細胞構造を示す、熱分析下の酵母タンパク質分散液。 — 図：酵母タンパク質

Kinetics Neo シミュレーションによる低温殺菌プロセスの最適化

速度論的パラメーターを設定した後 Kinetics Neoを用いて、一般的な低温殺菌条件下でのタンパク質の変性をシミュレートした。その結果、それぞれの方法には大きな違いがあることがわかった。バッチ低温殺菌では、処理時間が完全に経過する前にほぼ完全に変性した。対照的に、UHT処理では急速かつ広範囲な変換が起こった（1秒後には、本来のタンパク質の約10％しか残っていない）。HTSTはよりマイルドであったが、それでもタンパク質含量のかなりの部分に影響を与えた。超低温殺菌は、非常に短い暴露時間によって全体的な変性が制限されたため、ネイティブタンパク質の大部分を保存できた唯一の方法であった。

この研究は、動態モデリングがいかに低温殺菌戦略の最適化をサポートできるかを明らかにしている。NETZSCH Kinetics Neo を用いることで、食品メーカーはタンパク質の機能性を維持する処理ウィンドウをIdentify できるようになり、実験の負担を軽減し、熱処理に対してより制御されたアプローチをとることができる。その結果、製品の品質と開発効率の両方を向上させるデータ駆動型のプロセス設計アプローチが実現します。