Научно-методические подходы к развитию технологии белковых гидролизатов для специального питания. Часть 2. Функциональные свойства белковых гидролизатов, зависящие от специфичности протеолитических процессов

УДК 542.938

Научно-методические подходы к развитию технологии белковых гидролизатов

для специального питания.

Часть 2. Функциональные свойства белковых гидролизатов, зависящие от специфичности протеолитических процессов

Ю.Я. Свириденко, д-р биол. наук, профессор, академик РАН;

Д. С. Мягконосов, канд. техн. наук; Д. В. Абрамов, канд. биол. наук; Е. Г. Овчинникова

Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия, г. Углич, Ярославская обл.

Гидролиз изменяет физико-химические свойства белков. Чем выше степень гидролиза, тем сильнее изменяются свойства гидролизуемого белкового субстрата. Молекулярно-массовое распределение пептидов в гидролизате, зависящее от специфичности протеолитических процессов, определяет такие свойства гидролизата, как вкус, осмоляль-ность, степень антигенности, адсорбционную кинетику и ряд других важных свойств. При гидролизе белка улучшаются его эмульгирующие, влагосвязывающие свойства и растворимость, что делает его более удобным в использовании в составе пищевых продуктов. Поэтому закономерен интерес к использованию белковых гидролизатов в составе продуктов специального питания, геродиетического питания, диетических продуктов для снижения массы тела [1], продуктов для терапии и лечения желудочно-кишечных заболеваний [2]. Белковые гидролизаты применяются при клиническом лечении пациентов с нарушениями пищеварения, усвоения и аминокислотного метаболизма, при лечении пациентов с расстройствами пищеварения из-за травм, ожогов и ряда других заболеваний [3]. Важная роль отводится гидролизатам в спортивном питании [4]. Прием гидролизатов дает спортсменам преимущества в виде ускоренной регенерации

мышечной ткани и более быстрого восстановления способности организма к нагрузкам [5, 6].

В данной статье дается описание функциональных свойств гидролизатов, зависящих от степени гидролиза и молекулярно-массового распределения продуктов гидролиза.

Эмульгирующие, влагосвязыва-ющие свойства и растворимость.

Небольшой гидролиз, вызывающий расщепление менее 10% пептидных связей, вызывает улучшение эмульгирующих свойств белков [7], что очень важно в дрессингах, спредах и эмульгированных мясных продуктах. Также повышается степень гидратации белков, что важно для очень многих разновидностей пищевых продуктов. Более глубокий гидролиз приводит к потере эмульгирующих свойств, но повышает растворимость продуктов гидролиза, делая их стойкими к осаждению высокими температурами, кислотами и ионам металлов. Поэтому, гидро-лизованные белки часто используются в составе различных напитков (спортивные, энергетические напитки) в силу их способности сохранять растворимость даже в кислой среде и после пастеризации, традиционно используемой для увеличения срока хранения таких напитков [8].

Адсорбционная кинетика гидролизатов. Усвоение белковых веществ в организме происходит

как в виде свободных аминокислот, так и в виде пептидов. Усваиваются только короткие пептиды (главным образом, ди- и трипептиды), причем усвоение пептидов в кишечнике идет более эффективно, чем усвоение свободных аминокислот [9, 10] из-за наличия в кишечнике специфической системы транспорта пептидов, в которой окончательное расщепление пептидов на аминокислоты происходит под действием пептидаз, находящихся в цитоплазме клеток-энтероцитов. Высвобождающиеся при этом аминокислоты переносятся в кровеносную систему.

Поэтому, для использования в рецептурах продуктов специального питания наилучшим образом подходят белковые гидролизаты с высокой степенью гидролиза, состоящие в основном из смеси свободных аминокислот и пептидов с короткой длиной цепи. Такие гидролизаты не требуют переваривания и быстро адсорбируются в организме [3].

Биологически-активные свойства гидролизатов. Сравнительно недавно было открыто перспективное направление по выделению биологически активных пептидов из гидролизатов животных и растительных белков и использованию данных гидролизатов в составе продуктов функционального питания. Биологически активные пептиды -это пептиды, состоящие из находящихся внутри интактных белков аминокислотных последовательностей, способные оказывать влияние на физиологические функции организма: антиоксидантное, противоми-кробное, противогипертоническое, холестерин-понижающее, антитром-бозное и иммуномодулирующее действие [11]. В основном, такие пептиды состоят из 3 - 20 аминокислотных остатков и выделяются из интактных белков при ферментативном гидролизе с помощью специально подобранных протеаз.

Степень антигенности гидро-лизатов. У пациентов, страдающих аллергией на белки, прием белка или частично гидролизованного белка может спровоцировать иммунный ответ организма, сопровождающийся выраженной аллергенной реакцией. Такая непереносимость связана со специфической реакцией организма на определенные последовательности аминокислот (эпитопы), содержащиеся в белках. Гидролиз сопровождается разрушением эпитопов, что снижает степень антигенности

пз -- --\

CD х \

О / \

О / \

jQ /

О /

_0 /

U О /

I /

/

ф /

л ...... .. ... J.............. Порог ощущения горького вкуса

Степень гидролиза, %

Качественная зависимость между интенсивностью горького вкуса гидролизата

и степенью гидролиза [20]

белков [12]. Гидролизаты со сниженной антигенной активностью находят широкое применение в гипо-аллергенных смесях, используемых для питания детей раннего возраста, страдающих непереносимостью белков молока [13].

Van Beresteijn et al [14] установили, что молекулярная масса пептидов гидролизованного сывороточного белка, не вызывающих иммунного ответа организма, составляет менее 3000 - 5000 Да. По данным отечественных ученых, гидролизаты сывороточных белков можно использовать в составе продуктов гипоаллер-генного питания, если совокупная доля антигенов (остаточная антиген-ность) не превышает 10 - 5 - 10 - 6 массы белкового компонента [15].

Для производства гидролизатов наиболее часто используют казеин, белки молочной сыворотки и соевые белки. Поскольку белки молочной сыворотки обладают наибольшей среди всех прочих белков антигенной активностью [16], то, в случае гиперчувствительности к белкам молока, для гипоаллергенного питания рекомендуется применять гидроли-заты на основе растительных белков, чаще всего соевых, а также белков риса и нута. Создание технологии детских гипоаллергенных продуктов на основе белков растительного происхождения позволяет полностью исключить риск аллергенных реакций даже у детей, обладающих сверхчувствительностью к белкам коровьего молока [17].

Осмотические показатели растворов гидролизатов. Осмоляль-ность (осмотическая концентрация) -показатель, характеризующий осмотическое давление жидкостей. Он представляет собой сумму концентраций катионов, анионов и неэлектролитов, т. е. всех кинетически активных частиц в 1 кг воды и выражается в миллимолях. Осмоляльность физиологических жидкостей человеческого тела в нормальном состоянии составляет 280-295мосм / кг. Осмотические характеристики гидролизатов важны как для детского, так и взрослого питания, поскольку оказывают серьезное влияние на усвоение питательных веществ в пищеварительном тракте [13]. При попадании в желудочно-кишечный тракт гипертоническая смесь (имеющая осмоляльность свыше 300 мосм/кг) создает осмотический градиент, который вытягивает воду из организма в просвет кишечника. При этом могут возникать

следующие симптомы: судороги, тошнота, рвота, диарея.

Особенно чувствительны к осмотической нагрузке на кишечник дети раннего возраста, которые являются основными потребителями гипоаллергенных продуктов. При искусственном вскармливании детей раннего возраста с использованием специальных питательных смесей следует соблюдать предосторожности, чтобы не допустить попадания в организм ребенка гипертонического раствора [18]. Данные требования отражены в Техническом регламенте Таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции», где показатель осмоляльности для адаптированных молочных смесей устанавливается на уровне не более 320 мосм / кг [19].

Повышение степени гидролиза приводит к увеличению удельного содержания продуктов гидролиза с низкой молекулярной массой (короткие пептиды и свободные аминокислоты) в гидролизате. В результате увеличивается показатель осмотического давления раствора гидроли-зата. Поэтому у гидролизатов, используемых в рецептурах продуктов гипоаллергенного питания, степень гидролиза должна быть в разумных пределах. Уменьшение гипертонического воздействия на организм облегчает усвоение всех компонентов питательной смеси составленной на основе гидролизата (липидов, углеводов, витаминов и др.).

Вкусовые свойства гидролизатов. Гидролиз порождает горький вкус, что является одной из основных проблем при использовании гидролизатов в составе продуктов специального питания. Гидролизат,

имеющий низкую степень антиген-ности, может оказаться неприемлемым для пациента из-за неприемлемо горького вкуса.

Интенсивность горького вкуса зависит от типа используемых для гидролиза протеаз и степени гидролиза. Matoba and Hata [20] предложили качественную зависимость (модель), связывающую степень гидролиза белка и степень ощущаемой горечи в гидролизате (см. рисунок).

Данная модель отображает тот факт, что при низкой степени гидролиза белка наблюдается низкая степень горечи. Связано это с тем, что при низкой степени гидролиза гидрофобные участки белков, вызывающие горький вкус, скрыты внутри нерасщепленных белковых частиц и горечи не вызывают. С повышением степени гидролиза эти участки выходят наружу, в результате чего степень горечи гидролизата увеличивается. При высокой степени гидролиза горькие гидрофобные пептиды расщепляются на пептиды меньших размеров и свободные аминокислоты. При этом выраженность горького вкуса снижается. Технически горький вкус может быть устранен путем глубокого гидролиза, сопровождающегося расщеплением горьких пептидов, а также путем использования протеолитических ферментов, дающих минимальную степень горечи.

В гидролизатах нежелательны также и другие вкусы и запахи. Термическая обработка, проводимая по завершении гидролиза для инактивации ферментов, может вызвать образование вкусо-ароматических веществ, возникающих под влия ни-ем температуры в результате реак-

ций Майара, Штрекера [21], а также окисления липидов и омыления ли-пидов [22].

Термообработка стимулирует реакцию Майяра, вызывающую превращение альфа-аминокислот в специфические альдегиды, например, 3-метил-бутаналь и метиональ, 2- и 3-Метил-бутаналь предположительно являются главными факторами формирования «солодового» вкуса в гидролизатах сывороточных белков. Они образуются в результате деградации аминокислот с разветвленной боковой цепью: изолей-цина, лейцина и валина [21].

Термообработка вызывает также реакцию Штреккера, которая включает взаимодействие дикарбо-нильных промежуточных продуктов реакции Майара и аминокислот. В результате происходит разрушение аминокислот, образуются летучие продукты (различные альдегиды, пиразины и др.), влияющие на запах гидролизата. Данные соединения вызывают в гидролизатах сывороточных белков появление запаха, характеризуемого как «плесневый», «капустный», «химический» [22, 23].

Помимо возникновения веществ, придающих вкус и запах гидроли-зату, реакции Майара и Штреккера сопровождаются потерей ценных аминокислот (в частности, Ьпизина, Lаргинина и Lгистидина). Конечные продукты реакции Майара (мела-ноиды) ухудшают усвоение белка в организме, а также могут обладать мутагенными свойствами [24].

Выводы. В настоящее время белковые гидролизаты находят широкое применение в составе пищевых продуктов общего и специального назначения. Функциональные свойства гидролизатов в значительной степени зависят от степени гидролиза и молекулярно-массового распределения пептидов в гидролизате.

Гидролизатам, получаемым по традиционной технологии, которая включает последующую термическую инактивацию ферментов, присущ ряд недостатков. К основным из них относятся горький вкус, недостаточное снижение степени антигенности, наличие различных химических соединений, образующихся в результате термической обработки и вызывающих неприятные оттенки вкуса и снижающих биологическую ценность гидролизатов (продукты реакций Штрекера, Майяра и др.).

Методом решения указанных проблем может быть очистка продуктов гидролиза путем фильтрации на се-

лективных мембранах (ультрафильтрация гидролизата). Это позволяет очистить гидролизат от остатков негидролизованного белка и крупных пептидов, содержащих не разрушенные антигенные последовательности и имеющих горький вкус, а также от ферментов, используемых для гидролиза. Поскольку масса ферментов, используемых для коммерческого производства гидроли-затов, составляет от 20 до 100 кДа, для целей очистки применяют мембраны с порогом отсечения по молекулярной массе 20 кДа и ниже [25]. В отдельных случаях при необходимости очистки гидролизата от крупных пептидов используют мембраны с порогом отсечения ниже 10 кДа и еще ниже. В результате отпадает необходимость в жесткой температурной обработке гидролизата для инактивации ферментов и перевода остатков интактного белка в нерастворимую форму. Применением мембранной фильтрации для очистки от посторонних примесей можно добиться получения высококачественного гидролизата, не имеющего дефектов вкуса и не содержащего нежелательных веществ, снижающих его биологическую ценность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Thomson, R.L. Protein hydrolysates and tissue repair / R. L. Thomson, J. D. Buckley // Nutrition Research Reviews. - 2011. - № 24. - P. 191 - 197.

2. Ziegler, F. Efficiency of enteral nitrogen support in surgical patients: small peptides v non-degraded proteins/F. Ziegler [et al] // Gut. - 1990. -№ 31. - P. 1277 - 1283.

3. Clemente, A. Enzymatic protein hydrolysates in human nutrition/A. Clemente // Trends in Food Science & Technology. - 2000. - № 11. -P. 254 - 262.

4. Protein hydrolysates in sports nutrition [Электронныйресурс] // Nutrition & Metabolism. - 2009. -№ 6 (38) [Офиц. сайт]. URL: http://nutritionandmetabolism. biomedcentral.com/ articles/10.1186/17 43-7075-6-38.

5. Van Loon, L.J. C. Application of protein or protein hydrolysates to improve post-exercise recovery/L.J. C. van Loon // International Journal of Sport Nutrition and Exercise Metabolism. - 2007. - № 17. -P. 104 - 117.

6. Manninen, A.H. Protein Hydrolysates in Sports and Exercise: A Brief Review/ A. H. Manninen // J Sports Sci Med. - 2004. - № 3 (2). - P. 60 - 63.

7. Mutilangi, W. Functional properties of hydrolysates from proteolysis of heat denatured whey protein isolate/W. Mutilangi, D. Panyam, A. Kilara // Journal of Food Science. - 1996. - № 61 (2). - P. 270 - 275.

8. Jeewanthi, R. K. C. Improved Functional Characteristics of Whey Protein Hydrolysates in Food Industry/R. K. C. Jeewanthi, N.-K. Lee, H.-D. Paik // Korean J. Food Sci.An. -2015. - № 35 (3). - P. 350 - 359.

9. Grimble, G. K. Effect of peptide chain length on absorption of egg protein hydrolysates in the normal human jejunum/G.K. Grimble [et al] // Gastroenterology. - 1987. - № 92. -P. 136 - 142.

10. Siemensma, A.D. The importance of peptide lengths in hypoallergenic infant formulas/ A. D. Siemensma, W.J. Weijer, H.J. Bak // Trends Food Sci. Technol. -1993. - № 4. - P. 16 - 21.

11. Rutherfurd-Markwick, K. Bioactive peptides derived from food/K. Rutherfurd-Markwick, P. Moughan // Journal of AOAC International. - 2005. - № 88 (3). -P. 955 - 966.

12. Cordle, C. Control of food allergies using protein hydrolysates/C. Cordle // Food Technol. - 1994. - № 48 (10). -P. 72 - 76.

13. Mahmoud, M. Enzymatic hydrolysis of casein: effect of degree of hydrolysis on antigenicity and physical properties/ M. Mahmoud, W. Malone, C. Cordle // J Food Sci. - 1992. - № 57 (5). - P. 1223 - 1229.

14. Van Beresteijn, E.C. Molecular Mass Distribution, Immunological Properties and Nutritive Value of Whey Protein Hydrolysates/E. C. van Beresteijn [et al] // Journal of Food Protection. - 1994. -№ 57 (7). - P. 619 - 625.

15. Боровик, Т.Э. Профилактика пищевой аллергии у детей первого года жизни./Т.Э. Боровик [и др.] // Тезисы докладов научно-практической конференции «Питание здорового и больного ребенка. Современные аспекты». -Красноярск, 2003. - С. 17 - 19.

16. Ragno, V. Allergenicity of Milk Protein Hydrolysates Formulae in Children with Cow's Milk Substitutes/V. Ragno [et al] // Eur J. Pediatr. - 1993. - № 152. -P. 760 - 762.

17. Clemente, A. Development and Production of Hypoallergenic Protein Hydrolysates for Use in Infant Formulas/A. Clemente, S.J. Chambers // Food Allergy and Intolerance. - 2000. -№ 1. - P. 175 - 190.

18. Tomarelli, R. M. Osmolality, osmolarity, and renal solute load of infant formulas/R.M. Tomarelli // J Pediatr. -1976. - № 88. - P. 454 - 456.

19. ТР ТС 033/ 2013 «О безопасности молока и молочной продукции». -Минск: БелГИСС, 2013. - 92 с.

20. Matoba, T. Relationship between bitterness of peptides and their chemical structures/T. Matoba, T. Hata // Agric Biol Ghem. - 1972. - № 36. - P. 1423 - 1431.

21. Van Boekei, M. Formation of flavour compounds in the Maillard reaction/M. van Boekel // Biotechnology Advances. -2006. - № 24 (2). - P. 230 - 233.

22. Leksrisompong, P. P. Characterization of Flavor of Whey Protein Hydrolysat es/ P. P. Leksrisompong, R. E. Miracle, M.-A. Drake // J. Agric. Food Chem. -2010. - № 58 (10). -Р. 6318 - 6327.

23. Шидловская, В. П. Органолепти-ческие свойства молока и молочных продуктов. Справочник. - М.: Колос, 2000. - 280 с.

24. Kitts, D.D. Effect of glucose-lysine Maillard reaction products on bacterial

and mammalian cell mutagenesis / D. D. Kitts [et al] // J. Agric. Food Chem. - 1993. - № 41 (12). - P. 2353 -2358.

25. Chiang, W.-D. Functional properties of soy protein hydrolysate produced from a continuous membrane reactor system / W.-D. Chiang, C.-J. Shih, Y.-H. Chu // Food Chemistry. - 1999. - № 65. -P. 189 - 194.

Научно-методические подходы к развитию технологии белковых гидролизатов для специального питания. Часть 2. Функциональные свойства белковых гидролизатов, зависящие от специфичности протеолитических процессов

Ключевые слова

адсорбционная кинетика; антигенность; белки; биологически-активные свойства; гидролиз; гидролизаты; специальное питание; ультрафильтрация

Реферат

В настоящее время, белковые гидролизаты находят широкое применение в составе пищевых продуктов общего и специального назначения. Функциональные свойства гидролизатов в значительной степени зависят от степени гидролиза и молекулярно-массового распределения пептидов в гидролизате. В статье на основе анализа литературных источников дается обзор наиболее важных свойств гидролизатов. Вид сырья, используемого для производства гидролизата, а также глубина и специфичность гидролиза определяют функциональные и биологические свойства гидролизатов. Так, умеренный гидролиз используется для получения продуктов с высокими эмульгирующими и влагоу-держивающими способностями. Гидролизаты с высокой степенью гидролиза имеют высокую растворимость и устойчивость к осаждению содержащихся в них белковых веществ солями металлов, кислотами и температурой. Гидролизаты широко применяются в рецептурах специального (спортивного, лечебного и детского) питания. Они лучше усваиваются организмом, так как белковые вещества содержатся в них в виде коротких пептидов или свободных аминокислот. Для детского питания также необходимо отсутствие в гидролизатах антигенных последовательностей аминокислот (эпитопов), расщепляемых в процессе гидролиза. Важное требование - приемлемый вкус гидролизатов. Основным пороком, возникающим в результате гидролиза белков, является горький вкус. Однако этот недостаток может быть устранен путем глубокого гидролиза, сопровождающегося расщеплением горьких пептидов, а также подбором протеолитических ферментов, дающих минимальную степень горечи. Другие вкусовые пороки гидролизатов связаны с термообработкой гидролизатов, сопровождающейся появлением продуктов реакций Майара и Штрек-кера, а также реакций окисления и омыления липидов. Данные вещества не только ухудшают вкус гидролизата, но и снижают его биологическую ценность. Технологическим решением проблемы возникновения нежелательных веществ может быть применение методов мембранной фильтрации для отделения гидролизата от фермента. Мембранная фильтрация гидролизата позволяет также избавиться от остатков негидролизованных белков и крупных пептидов, что повышает степень антигенности гидролизата.

Авторы

Свириденко Юрий Яковлевич, д-р биол. наук, профессор, академик РАН,

Мягконосов Дмитрий Сергеевич, канд. техн. наук, Абрамов Дмитрий Васильевич, канд. биол. наук, Овчинникова Елена Григорьевна Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия, 152613, Ярославская обл., г. Углич, Красноармейский бульвар, д. 19, uglich-cheese@mail.ru

Theoretical and practical aspects of development technology of manufacturing protein hydrolyzates for special nutrition use. Part 2. Functional properties of protein hydrolysates that depend on the specificity of proteolytic processes

Key words

adsorption kinetics; antigenicity; proteins; biological activity properties; hydrolysis; hydrolysates; special nutrition; ultrafiltration

Abstracts

Presently, protein hydrolysates are enjoying wide application as components in food products for general and special nutritional use. The functional properties of hydrolysates depend by far on the degree of hydrolysis and the molecular mass distribution of peptides in the hydrolysate. Based on analysis of the literature, the paper offers a review of the properties of hydrolysates that are critical for use in compositions of products for general and special nutritional use. Type of raw material used for hydrolysate production and the depth and specificity of hydrolysis determine the functional and biological properties of the hydrolysates. Thus, moderate hydrolysis is used to produce products with high emulsifying and water-retaining capacity. Hydrolysates with a high degree of hydrolysis have a high solubility and resistance to the deposition of contained in these substances protein by the metal salts, acids and temperature. The hydrolysates are widely used in the formula of special (sports, medical and baby) nutrition. This is because of better digestion of the hydrolyzed protein substances found in hydrolysates as short peptides and free amino acids. It is also important for the baby food that the hydrolysates don't contain antigenic amino acid sequences (epitopes) cleavable by hydrolysis. An important requirement to the hydrolysates produced for human consumption is acceptable taste. The primary defect resulting from the proteins hydrolysis is a bitter taste. The bitter taste can be eliminated by deeper hydrolysis, accompanied by cleavage of bitter peptides, as well as the selection of proteolytic enzymes that provide a minimum degree of bitterness. Other flavor defects are associated with carried heat treatment of hydrolysates accompanied by the products appearance of the Maillard reaction, Strecker and lipid oxidation and saponification. These substances not only worsen the taste of the hydrolysate, but also reduce its bioavailability. The technological solution of the problem of unwanted substances may be the use of membrane filtration techniques for the hydrolysate separation from the enzyme. Membrane filtration of the hydrolyzate also allows getting rid of the remnants of non-hydrolyzed proteins and large peptides that increase the antigenicity of the hydrolysate.

Authors

Sviridenko Yuriy Yakovlevich, Doctor Of Biological Sciences, Professor, Academician,

Myagkonosov Dmitriy Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Abramov Dmitriy Vasilievich, Candidate Of Biological Sciences, Ovchinnikova Elene Grigorievna,

All-Russian research Institute of butter-making and cheese-making, Krasnoarmeyskaya Bulvar, D. 19, Uglich, Yaroslavl region., 152613, uglich-cheese@mail.ru