Czym są białka alternatywne?
Białka pochodzenia roślinnego są obecne w diecie człowieka od wieków. Jadalne nasiona, takie jak fasola, soczewica, groch i ich produkty, a także nasiona oleiste, w tym nasiona dyni i słonecznika, są przykładami tradycyjnych źródeł białka [1]. Białko pochodzenia roślinnego nie jest jednak pełnym obrazem rynku białka alternatywnego: algi, mikroorganizmy, mięso hodowlane i owady są również uważane za źródła białka. Stanie się nowym produktem na rynku jest jednak długim procesem. Oprócz posiadania odpowiednich właściwości funkcjonalnych i organoleptycznych, każdy substytut białka pochodzenia zwierzęcego musi być wydajnie produkowany, aby umożliwić przetwarzanie i formułowanie [2].
Zwiększone wykorzystanie alternatywnych białek jest napędzane przez trzy główne siły: 1) zrównoważony rozwój, biorąc pod uwagę wpływ zwierząt gospodarskich na środowisko; 2) zainteresowanie przyjęciem zdrowszej diety w celu uniknięcia chorób przewlekłych; oraz 3) obawy o dobrostan zwierząt. Koncepcja alternatywnych białek jest zatem nierozerwalnie związana ze zrównoważonym rozwojem i wpływem produkcji na środowisko. Ponadto przy ustalaniu tej koncepcji należy wziąć pod uwagę szacunek dla zachowań kulturowych i społecznych każdej populacji na całym świecie [2].
Czym są białka?
Białka są odpowiedzialne za kilka różnych funkcji wewnątrz żywej komórki, w tym transport, strukturę, metabolizm i aktywność immunologiczną. Są to struktury wielkocząsteczkowe zbudowane z kombinacji 21 różnych α-aminokwasów. Regularne powtarzanie sekwencji aminokwasów sprawia, że te długie łańcuchy obracają się, tworząc drugorzędową strukturę białek. Przestrzenne rozmieszczenie struktur drugorzędowych będzie sprzyjać ich fałdowaniu w struktury trzeciorzędowe (trójwymiarowe), które mogą następnie oddziaływać w kompleksie białkowym, tworząc struktury czwartorzędowe. Funkcjonalna aktywność białek zależy od ich trójwymiarowej konformacji. Jednak ta złożona i delikatna struktura może zostać uszkodzona przez naprężenia mechaniczne, chemiczne lub termiczne. Każda zmiana konformacyjna w strukturze białka nazywana jest denaturacją. W zależności od sposobu przetwarzania białka, denaturacja może być całkowita i nieodwracalna.
Ekstrakcja białka z jego naturalnego źródła i jego oczyszczanie obejmuje różne procesy mechaniczne, termiczne i chemiczne, które mogą zniszczyć strukturę białka. Stan białka, tj. natywny lub zdenaturowany, wpłynie na jego właściwości funkcjonalne, takie jak rozpuszczalność, emulgowanie i zdolność do tworzenia stałych struktur, takich jak żele i włókna, a w konsekwencji na jego zastosowanie w przemyśle spożywczym jako składnika funkcjonalnego [3].
Charakterystyka termiczna białek
Dynamiczna kalorymetria skaningowa (DSC) została zastosowana do badania właściwości termodynamicznych składników żywności, w tym zmian entalpii i pojemności cieplnej, przejść szklistych i temperatur topnienia oraz stabilności termicznej białek, węglowodanów i lipidów [4, 5]. Skupiając się na białkach, zastosowanie klasycznej kalorymetrii dostarczyło cennych informacji dotyczących wpływu stężenia, pH i siły Ionic na entalpię denaturacji białka. Uzupełniająca analiza termograwimetryczna (TGA) może być stosowana do badania zawartości wody (wilgoci), stabilności termicznej lub temperatury rozkładu, a także stężenia minerałów poprzez określenie zawartości popiołu [6, 7].
W niniejszym badaniu DSC wykorzystano do scharakteryzowania temperatury denaturacji białka roślinnego z nasion słonecznika. Helianthus annuus L. jest uprawianym gatunkiem słonecznika. Obłuszczone nasiona składają się z od 47% do 65% lipidów i od 20% do 40% białka, wykorzystywanego głównie jako źródło oleju jadalnego. W zależności od warunków ekstrakcji oleju, pozostały materiał stały, zwany śrutą słonecznikową, będzie zawierał tylko zdenaturowane białko bez żadnego zastosowania poza wzbogacaniem produktów spożywczych lub pasz dla zwierząt. Analizowany tutaj produkt został rzekomo łagodnie przetworzony i ma zawartość białka 60%, zgodnie ze specyfikacjami podanymi przez producenta. Jest on przeznaczony do stosowania jako alternatywa dla białka zwierzęcego w produktach piekarniczych i preparatach emulsyjnych [6]. Białko zostało zdyspergowane w wodzie destylowanej w końcowym stężeniu 15% (w/v)*. Próbkę o masie 25 mg dyspersji, zawierającą 3,75 mg białka, analizowano w zamkniętym, spawanym na zimno tyglu aluminiowym, który może wytrzymać niewielkie nadciśnienie występujące podczas pomiaru (zwanym również "tyglem niskociśnieniowym"). Szybkość ogrzewania wynosiła 5 K/min, a jako atmosferę wybrano azot. Zawartość wody i stabilność termiczną tego białka określono za pomocą TGA. analizowano 10 mg próbek w otwartych tyglach z tlenku glinu w atmosferze azotu. Parametry testu podsumowano w tabeli 1.
*masa na objętość
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Metoda | Masa białka | Tygiel | Szybkość ogrzewania | Atmosfera |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Tlenek glinu (Al2O3), otwarty | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Aluminium (Al), niskie ciśnienie | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Wyniki pomiarów
Rysunek 1 przedstawia pomiar termograwimetryczny. Krzywa DTG ekstraktu białka słonecznika wykazuje początkowy etap utraty masy o około 5% poniżej 100°C. Początek degradacji termicznej wykryto w temperaturze 206°C. Zazwyczaj w przypadku białek roślinnych zawartość wilgoci w wysuszonych izolatach waha się od 1,5% do 7,6%, w zależności od źródła białka [7]. Obecność wody można potwierdzić za pomocą analizy gazów, np. FT-IR. Ponadto analiza FT-IR uwolnionych gazów może również Identify typowe substancje uwalniane w wyniku rozkładu termicznego białek i aminokwasów, takie jakH2O,CO2, NH3 (amoniak),H2S(siarkowodór) oraz związki cykliczne bogate w wiązania amidowe, karboksylowe oraz pierwszorzędowe i drugorzędowe aminy [9].
Denaturacja białka jest efektem endotermicznym wynikającym z ekspozycji grup hydrofobowych na działanie wody medium. Dlatego na krzywej DSC często obserwuje się pik absorpcji ciepła, a jego maksimum jest określane w literaturze jako Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia/przejścia (Tm). W zależności od charakterystyki białka i warunków medium, denaturacja termiczna może być odwracalna lub nieodwracalna [10]. Odwracalność denaturacji można zaobserwować poprzez drugie ogrzewanie analizy DSC; jeśli druga krzywa ogrzewania jest podobna do pierwszej, oznacza to, że denaturacja, której uległo białko, była odwracalna.
Analiza DSC białka słonecznika pokazuje, że jego denaturacja zachodzi w zakresie od 91°C do 102°C, z Tm na poziomie 98,9°C (zielona krzywa na rysunku 2). Proces denaturacji nie jest odwracalny, co widać na drugiej krzywej ogrzewania (fioletowej), która nie wykazuje żadnego efektu endotermicznego. Zakres temperatur denaturacji jest zgodny z wartością literaturową 99,7°C [11].
Wnioski
W niniejszym badaniu scharakteryzowano termicznie białko roślinne przeznaczone jako alternatywa dla białka zwierzęcego w wegańskich preparatach spożywczych. Analiza termograwimetryczna została wykorzystana do określenia zawartości wody w suszonym ekstrakcie białka słonecznika i oceny jego stabilności termicznej. Różnicowa kalorymetria skaningowa została wykorzystana do zbadania temperatury przejścia i wykrycia natywnego białka w próbce. Profil DSC wskazał, że warunki przetwarzania były wystarczająco łagodne, aby zachować białko, dzięki czemu nadaje się ono do stosowania jako funkcjonalny składnik żywności. Połączenie DSC i TGA okazało się skuteczne w ocenie wydajności procesu ekstrakcji i potencjału wyekstrahowanego białka do zastosowań przemysłowych. Techniki te pomagają również scharakteryzować składniki żywności i przewidzieć okres przydatności do spożycia poszczególnych składników i preparatów.