Förutsägelse av proteindenaturering under pastörisering med NETZSCH Kinetics Neo Software

Varför proteindenaturering spelar roll vid termisk pastörisering

Pastörisering är en av de viktigaste processteknikerna för livsmedel, eftersom den ger mikrobiell säkerhet och förlänger hållbarheten. Även om värmebehandlingar är utformade för att vara skonsamma påverkar de oundvikligen temperaturkänsliga komponenter, framför allt proteiner. Eftersom proteiner har viktiga funktionella egenskaper, t.ex. löslighet, gelering och emulgering, är det viktigt att förstå hur de reagerar på värme för att kunna utveckla högkvalitativa livsmedelsingredienser. Denaturering av proteiner kan påverka de nämnda egenskaperna.

Traditionella pastöriseringstekniker varierar kraftigt i temperatur och varaktighet. Batch- eller LTLT-behandlingar (låg temperatur, lång tid) värmer långsamt upp produkter under flera minuter, medan HTST-processer (hög temperatur, kort tid), ultrapastörisering och UHT (ultrahög temperatur) utsätter livsmedel för högre temperaturer under några sekunder. Varje metod ger en annan balans mellan mikrobiell kontroll och produktkvalitet. Alltför hög värme kan dock leda till proteindenaturering, förlust av näringsvärde och förändringar i konsistens eller utseende. Trots framväxten av icke-termiska alternativ, såsom högtrycksbehandling och pulserande elektriska fält, är termisk pastörisering fortfarande dominerande inom många industrisektorer. Följaktligen blir prediktiva verktyg som kan utvärdera och optimera termiska effekter på proteiner alltmer värdefulla.

Från DSC-kurvor till kinetiska modeller: Förutsägelse av värmeinducerade proteinförändringar

NETZSCH Kinetics Neoär en kraftfull mjukvaruplattform som är utformad för att modellera temperaturberoende reaktioner. Genom kinetisk analys av data från NETZSCH instrument för termisk analys kan programvaran konstruera både modellfria och modellbaserade beskrivningar av komplexa reaktionsvägar. För studier av proteindenaturering innebär detta att forskare kan gå längre än att bara observera DSC-kurvor och istället utveckla exakta kinetiska modeller som avslöjar hur proteiner utvecklas under specifika temperaturprofiler. Dessa modeller kan sedan användas för att förutsäga denatureringens omfattning under verkliga bearbetningsförhållanden.

I en nyligen publicerad applikationsnot analyserade vi jästproteindispersioner med hjälp av DSC ( Differential Scanning Calorimetry) för att fastställa deras termiska beteende. Under den första uppvärmningscykeln uppvisade proteinet en bred denaturering mellan 44°C och 78°C. En andra uppvärmningscykel gav inga termiska effekter, vilket bekräftar att denatureringen är irreversibel. För att fastställa kinetiken i denna process utförde vi mätningar vid flera uppvärmningshastigheter. Med hjälp av programvaran Kinetics Neo utvärderade vi dessa dataset och fann utmärkt överensstämmelse med både den modellfria Friedman-analysen och det modellbaserade tillvägagångssättet i tre steg.

Jästproteindispersion under termisk analys, vilket visar bubblor och cellulära strukturer som är viktiga för att studera värmeinducerad denaturering. — Bild: Jästprotein

Optimering av pastöriseringsprocesser med Kinetics Neo Simuleringar

Efter att ha fastställt de kinetiska parametrarna, Kinetics Neo användes för att simulera proteindenaturering under typiska pastöriseringsförhållanden. Förutsägelserna avslöjade betydande skillnader mellan metoderna. Batchpastörisering ledde till nästan fullständig denaturering långt innan hela behandlingstiden hade löpt ut. Däremot orsakade UHT-behandlingen en snabb och omfattande omvandling (efter 1 s återstod endast ca 10 % av det ursprungliga proteinet). HTST var mildare, men påverkade ändå en betydande del av proteininnehållet. Ultrapastörisering var den enda metod som bevarade det mesta av det nativa proteinet eftersom den mycket korta exponeringstiden begränsade den totala denatureringen.

Detta arbete belyser hur kinetisk modellering kan stödja optimeringen av pastöriseringsstrategier. Genom att använda NETZSCH Kinetics Neo kan livsmedelstillverkare Identify processfönster som bibehåller proteinets funktionalitet, minska arbetsbelastningen för experiment och använda en mer kontrollerad metod för termisk behandling. Resultatet är ett datadrivet tillvägagångssätt för att utforma processer som förbättrar både produktkvaliteten och utvecklingseffektiviteten.