Vad är alternativa proteiner?
Växtbaserade proteiner har ingått i människans kost i århundraden. Ätbara frön som bönor, linser, ärtor och produkter från dessa samt oljeväxter som pumpa- och solrosfrön är exempel på traditionella proteinkällor [1]. Växtbaserat protein är dock inte hela bilden av den alternativa proteinmarknaden: alger, mikroorganismer, odlat kött och insekter betraktas också som proteinkällor. Att bli en ny produkt på marknaden är dock en lång process. Förutom att ha lämpliga funktionella och organoleptiska egenskaper måste alla ersättningar för animaliskt protein produceras effektivt, så att bearbetning och formulering blir genomförbar [2].
Den ökade användningen av alternativa proteiner drivs på av tre huvudkrafter: 1) hållbarhet, med tanke på djurens miljöpåverkan, 2) intresse för hälsosammare kosthållning för att undvika kroniska sjukdomar och 3) oro för djurens välbefinnande. Begreppet alternativa proteiner är därför intimt förknippat med hållbarhet och produktionens miljöpåverkan. Dessutom måste respekt för det kulturella och sociala beteendet hos varje befolkning runt om i världen beaktas när detta koncept etableras [2].
Vad är proteiner?
Proteiner ansvarar för flera olika funktioner i en levande cell, bland annat transport, struktur, metaboliska och immunologiska aktiviteter. De är makromolekylära strukturer som är uppbyggda av en kombination av 21 olika α-aminosyror. Den regelbundna upprepningen av aminosyresekvensen gör att dessa långa kedjor vänder sig om sig själva och bildar proteinernas sekundära struktur. Det rumsliga arrangemanget av sekundärstrukturerna kommer att gynna deras vikning till tertiära (tredimensionella) strukturer, som sedan kan interagera i ett proteinkomplex och bilda kvartärstrukturerna. Proteinernas funktionella aktivitet är beroende av deras tridimensionella konformation. Denna komplexa och ömtåliga struktur kan dock skadas av mekanisk, kemisk eller termisk StressSpänning definieras som en kraftnivå som appliceras på ett prov med ett väldefinierat tvärsnitt. (Spänning = kraft/area). Prover med cirkulärt eller rektangulärt tvärsnitt kan komprimeras eller sträckas. Elastiska material som gummi kan sträckas upp till 5 till 10 gånger sin ursprungliga längd.stress. Varje konformationsförändring i proteinstrukturen kallas denaturering. Beroende på hur proteinet bearbetas kan denatureringen vara fullständig och irreversibel.
Att utvinna proteinet från dess naturliga källa och rena det innebär olika mekaniska, termiska och kemiska processer som kan förstöra proteinstrukturen. Proteinets tillstånd, dvs. nativt eller denaturerat, påverkar dess funktionella egenskaper, t.ex. löslighet, emulgering och förmåga att bilda fasta strukturer som geler och fibrer, och därmed dess användning i livsmedelsindustrin som en funktionell ingrediens [3].
Termisk karaktärisering av proteiner
Dynamisk skanningskalorimetri (DSC) har använts för att undersöka de termodynamiska egenskaperna hos livsmedelskomponenter, inklusive förändringar i entalpi och värmekapacitet, GlasomvandlingstemperaturGlasövergången är en av de viktigaste egenskaperna hos amorfa och halvkristallina material, t.ex. oorganiska glas, amorfa metaller, polymerer, läkemedel och livsmedelsingredienser etc., och beskriver det temperaturområde där materialens mekaniska egenskaper ändras från hårda och spröda till mer mjuka, deformerbara eller gummiaktiga.glasövergångar och smälttemperaturer samt den termiska stabiliteten hos proteiner, kolhydrater och lipider [4, 5]. När det gäller proteiner gav tillämpningen av klassisk kalorimetri värdefull information om hur koncentration, pH och Ionic styrka påverkar entalpin i proteindenatureringen. Kompletterande termogravimetrisk analys (TGA) kan användas för att undersöka vattenhalten (fukthalten), den termiska stabiliteten eller sönderdelningstemperaturen, samt mineralkoncentrationen genom att bestämma askhalten [6, 7].
I denna studie användes DSC för att karakterisera denatureringstemperaturen för ett växtbaserat protein från solrosfrön. Helianthus annuus L. är den odlade solrosarten. Det skalade fröet består av mellan 47% och 65% lipider och mellan 20% och 40% protein, och används främst som en källa till ätlig olja. Beroende på oljeutvinningsförhållandena kommer det återstående fasta materialet, som kallas solrosmjöl, endast att innehålla denaturerat protein utan någon annan tillämpning än berikning av livsmedelsprodukter eller djurfoder. Den produkt som analyseras här uppges ha genomgått en mild bearbetning och ha en proteinhalt på 60 % enligt tillverkarens specifikationer. Den är avsedd att användas som ett alternativ till animaliskt protein i bageriprodukter och emulsionsberedningar [6]. Proteinet dispergerades i destillerat vatten till en slutlig koncentration på 15% (w/v)*. En provmassa på 25 mg dispersion, innehållande 3,75 mg protein, analyserades i en sluten kallsvetsbar Al-degel som kan motstå ett lätt övertryck som uppstår under mätningen (även kallad "lågtrycksdegel"). Uppvärmningshastigheten var 5 K/min och kväve valdes som atmosfär. Vatteninnehållet och den termiska stabiliteten hos detta protein bestämdes med hjälp av TGA. 10 mg av proverna analyserades i öppna aluminiumoxiddeglar under en kvävgasatmosfär. Testparametrarna sammanfattas i tabell 1.
*vikt per volym
Tabell 1: Mätförhållanden
| Metod för mätning | Proteinmassa | Smältdegel | Uppvärmningshastighet | Atmosfär |
|---|---|---|---|---|
| TGA | 10 mg | Aluminiumoxid (Al2O3), öppen | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
| DSC | 3.75 mg | Aluminium (Al), lågt tryck | 5 K/min | N2 (20 ml/min) |
Resultat av mätning
Figur 1 visar den termogravimetriska mätningen. DTG-kurvan för solrosproteinextraktet uppvisar en initial massförlust på ca 5% under 100°C. Den termiska nedbrytningens början upptäcktes vid 206°C. Typiskt för växtprotein är att fuktinnehållet i de torkade isolaten varierar från 1,5 % till 7,6 %, beroende på proteinkällan [7]. Förekomsten av vatten kan bekräftas via utvecklad gasanalys, t.ex. FT-IR. Dessutom kan FT-IR-analys av de utvecklade gaserna också Identify typiska ämnen som frigörs på grund av den termiska nedbrytningen av proteiner och aminosyror, såsomH2O,CO2, NH3 (ammoniak),H2S(vätesulfid) och cykliska föreningar rika på amid-, karboxylsyra- och primära och sekundära aminbindningar [9].
Denaturering av ett protein är en endotermisk effekt som beror på att de hydrofoba grupperna exponeras för vatten medium. Därför observeras ofta en värmeabsorptionstopp i DSC-kurvan, och dess maximum kallas i litteraturen för smält-/övergångstemperaturen (Tm). Beroende på proteinets egenskaper och förhållandena i medium kan den termiska denatureringen vara reversibel eller irreversibel [10]. Denatureringens reversibilitet kan ses via den andra uppvärmningen i en DSC-analys; om den andra uppvärmningskurvan liknar den första indikerar detta att denatureringen som genomgick av proteinet var reversibel.
DSC-analysen av solrosprotein visar att dess denaturering sker i intervallet 91°C till 102°C, med Tm vid 98,9°C (grön kurva i figur 2). Denatureringsprocessen är inte reversibel, vilket kan ses i den andra värmekurvan (lila), som inte visar någon endotermisk effekt. Temperaturintervallet för denatureringen överensstämmer med litteraturvärdet 99,7°C [11].
Slutsats
I denna studie karakteriserades ett växtbaserat protein som är avsett som ett alternativ till animaliskt protein för veganska livsmedelsformuleringar termiskt. Termogravimetrisk analys användes för att bestämma vattenhalten i det torkade solrosproteinextraktet och bedöma dess termiska stabilitet. Differentiell skanningskalorimetri användes för att undersöka övergångstemperaturen och upptäcka eventuellt nativt protein i provet. DSC-profilen indikerade att processförhållandena var tillräckligt milda för att bevara proteinet, vilket gör det lämpligt att använda som en funktionell livsmedelsingrediens. Kombinationen av DSC och TGA visade sig vara effektiv när det gällde att utvärdera extraktionsprocessens effektivitet och det extraherade proteinets potential för industriell användning. Dessa tekniker hjälper också till att karakterisera livsmedelskomponenter och förutsäga hållbarheten för enskilda ingredienser och formuleringar.