CC BY
32
УДК 637.344.8:613(045)
Технологические методы коррекции органолептических свойств гидролизатов сывороточных белков
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
ВНИИ маслоделия и сыроделия - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, г. Углич, Ярославская обл. Реферат
Большую перспективу для использования в качестве белковых компонентов в продуктах функционального питания имеют гидролизаты с высокой степенью гидролиза, которые усваиваются в организме без предварительного переваривания. Главным недостатком гидролизатов с высокой степенью гидролиза является неприятный горький вкус. Была исследована зависимость выраженности горького вкуса гидролизатов сывороточных белков от молекулярно-массового распределения продуктов гидролиза. Большая степень выраженности горького вкуса отмечалась в гидролизатах, имеющих наибольшее содержание фракции пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа, а меньшая выраженность горького вкуса - в гидролизатах, содержащих большую часть азотистых веществ в форме пептидов массой менее 0,5 кДа и свободных аминокислот. Полученные зависимости позволили сделать предположение, что если в гидролизате понизить относительное содержание фракции пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа, то интенсивность горького вкуса гидролизата должна снизиться. Для проверки данной теории были проведены исследования по мембранной фильтрации гидролизатов сывороточных белков с помощью полисульфоновых мембран с порогом отсечения по молекулярной массе 1,5 и 10 кДа. После фильтрации через мембрану с порогом отсечения 1 кДа доля пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа снижалась в 3 раза от их начального содержания в гидролизате. Мембраны с порогом отсечения 5 и 10 кДа в меньшей степени отделяли пептиды с молекулярной массой свыше 1 кДа. Выраженность горького вкуса гидролизатов после мембранной фильтрации снизилась в среднем на 3-4 балла по принятой условной шкале оценки.
Ключевые слова
адсорбционная кинетика, антигенность, белки, гидролиз, вкус гидролизатов, гидролизаты, специальное питание, ультрафильтрация Цитирование
Свириденко Ю.Я., Мягконосов Д.С., Абрамов Д.В., Овчинникова Е.Г. (2019) Технологические методы коррекции органолептических свойств гидролизатов сывороточных белков // Пищевая промышленность, 2019. № 3. С. 18-21.
Technological methods of correction of organoleptic properties of whey protein hydrolyzates
Yu.Ya. Sviridenko, Doctor of Biological Sciences, Professor, Academician of RAS; D.S. Myagkonosov, Candidate of Technical Sciences; D.V. Abramov, Candidate of Biological Sciences; E.G. Ovchinnikovа
All-Russian Scientific Research Institute of Butter and Cheese-making - a branch of the Federal Research Center for Food Systems V.M. Gorbatov RAS, Uglich, Yaroslavl region
Abstracts
Hydrolysates with a high degree of hydrolysis, which are absorbed in a body without prior digestion, have a great potential for using as protein components in functional food. The main disadvantage of hydrolysates with a high degree of hydrolysis is an unpleasant bitter taste. The dependence of bitter taste intensity of whey protein hydrolysates on the molecular-mass distribution of the hydrolysis products was investigated. A greater degree of bitter taste was noted in hydrolysates having the highest content of peptide fractions with a molecular mass above 1 kDa, and a smaller bitter taste expressed in hydrolyzates containing most of the nitrogenous substances in the form of peptides with mass less than 0.5 kDa and free amino acids. The obtained dependences allowed us to assume that if hydrolyzate decreases the relative content of peptides fraction with a molecular mass of more than 1 kDa, then the bitter taste intensity of hydrolyzate should decrease. To check this theory, studies on membrane filtration of whey protein hydrolysates using polysulfone membranes with a cut-off threshold of 1 kDa, 5 kDa and 10 kDa were carried out. After filtration through a membrane with a cut-off threshold of 1 kDa, the proportion of peptides with a molecular mass above 1 kDa decreased by 3 times of their initial content in the hydrolyzate. Membranes with a cut-off threshold of 5 and 10 kDa to a lesser extent separated peptides with a molecular mass greater than 1 kDa. The bitter taste intensity of hydrolysates after membrane filtration decreased by an average of 3-4 points according to the accepted conventional rating scale.
Key words
proteins, hydrolysis, hydrolysates, special nutrition, adsorption kinetics, antigenicity, taste of hydrolysates, ultrafiltration Citation
Sviridenko Yu.Ya., MyagkonosovD.S., AbramovD.V., Ovchinnikovа E.G. (2019) Technological Methods of Correction of organoleptic properties of whey protein hydrolyzates // Food processing industry = Pishhevaya promyshlennost, 2019. № 3. P. 18-21.
К числу современных направлений развития науки пищевых технологий относится создание продуктов функционального питания [1]. Важной составной частью продуктов функционального питания являются белковые компоненты, которые являются строительным материалом для тканей организма, а также выполняют ряд других функций.
Большую перспективу для использования в качестве белковых компонентов имеют гидролизаты белков. Белковые гидролизаты представляют собой смесь, состоящую из пептидов с разной длиной цепи, и свободных аминокислот, образующуюся в результате расщепления белков.
Гидролиз улучшает функциональные свойства белков: снижает вязкость, улучшает эмульгирующие и пенообразующие свойства их растворов, а также их усвоение в организме. В зависимости от степени расщепления белковых молекул в гидролизате различают «гидролизаты с низкой степенью гидролиза», или «частичные гидролизаты», и «гидролизаты с высокой степенью гидролиза» [2].
Недостатки гидролизатов с низкой степенью гидролиза связаны с наличием остатков нерасщепленного белка. Это достаточно высокая остаточная антигенность и необходимость в дополнительном переваривании организмом перед усвоением. Скорость усвоения гидролизатов с низкой степенью гидролиза не превышает скорости усвоения исходного нерасщепленного белка [3, 4].
Гидролизаты с высокой степенью гидролиза в основном состоят из свободных аминокислот и короткоцепочечных ди- и трипептидов, которые всасываются сквозь стенку кишечника без предварительного переваривания [5]. В гидролиза-тах с высокой степенью гидролиза также содержится некоторое количество пептидов из 4 и более аминокислот. Такие пептиды быстро расщепляются ферментами кишечного сока и ферментами кишечной стенки на более короткие фрагменты, которые затем впитываются в кишечнике. Остаточная антигенность в гидролизатах с высокой степенью гидролиза практически полностью отсутствует, что делает такие гидролизаты незаменимым компонентом в составе гипоаллергенных продуктов питания, в том числе детского питания [6].
Для примера на рис. 1 приведены графики молекулярно-массового распределения продуктов гидролиза в ферментативных гидролизатах сывороточных белков с низкой и высокой степенью гидролиза.
Главным недостатком гидролизатов с высокой степенью гидролиза является неприятный вкус (горький, терпкий и др. оттенки), который придают ему образующиеся в результате гидролиза низкомолекулярные азотистые соединения (пептиды и свободные аминокислоты). Поэтому при безусловной перспективности применения гидролизатов с глубокой степе-
нью гидролиза для целей специального питания их использование осуществляется в основном в виде добавок в рецептуры продуктов функционального питания в небольших количествах, из-за неприемлемого вкуса [7].
Во ВНИИМС, в рамках работы по разработке технологии гидролизатов для специального питания, были проведены исследования по оптимизации технологии производства гидролизатов с высокой степенью гидролиза, направленные на улучшение их вкусовых свойств.
Для изготовления гидролизатов использовали сывороточные белки в нативной и денатурированной форме. В качестве источника нативных белков использовали концентрат сывороточных белков, полученный методом ультрафильтрации «LEDOR MO 80 Т» (производитель Hochdorf Swiss Nutrition AG, Швейцария). В качестве источника денатурированных сывороточных белков использовали альбумин молочный по ГОСТ Р 53493-2009 «Альбумин молочный. технические условия».
Для гидролиза использовали следующие ферментные препараты:
- «Панкреатин» из поджелудочных желез КРС (ABC Farmaceutici S. p. A., Италия);
- «Панкреатин» из поджелудочных желез свиней (Sichuan Biosyn Pharmaceutical Co., КНР);
- Flavourzyme 500 MG (Novozymes A/S, Дания);
- Protamex (Novozymes A/S, Дания).
Всего было изготовлено 10 вариантов
гидролизатов из разных источников сывороточных белков с применением разных композиций ферментов. В полученных гидролизатах был исследован качественный состав продуктов гидролиза через определение молекулярно-массового распределения продуктов гидролиза. Также была дана оценка степени выраженности горького вкуса полученных гидролизатов.
молекулярно-массовое распределение определяли методом гель-фильтрации высокого разрешения с использованием колонки Superose 12 (GE Healthcare). Количественную оценку выраженности горького вкуса гидролизатов проводили по условной 5-балльной шкале (сильно выраженному горькому вкусу соответствовала оценка 5 баллов, нейтральному вкусу, с полным отсутствием горечи -оценка 0 баллов).
Для установления зависимости выраженности горького вкуса гидролизатов от содержания в них отдельных азотистых фракций были построены регрессионные зависимости степени горечи (в баллах) от процентной доли содержания отдельных азотистых фракций в гидролизатах (рис. 2, 3 и 4).
Сравнительно невысокий коэффициент корреляции полученных регрессионных зависимостей (R2<0,7) объясняется грубой градацией при балльной оценке вкуса, а также недостаточно большим числом исследованных образцов (n=10). Поэтому представленные регрессионные уравнения нельзя использовать для предсказания значения балльной оценки горького вкуса от доли площади пика отдельной азотистой фракции, но по ним можно судить об общей тенденции зависимости горького вкуса от формы молекулярно-массового распределения в гидролизате. Полученная тенденция показывает, что содержащие большую долю высокомолекулярных фракций образцы гидролизатов имеют более горький вкус.
Из графиков видно, что в гидролизатах, имеющих большее содержание фракции пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа, отмечается большая степень выраженности горького вкуса (рис. 2). И, наоборот, в гидролизатах, содержащих большую часть азотистых веществ в форме пептидов массой менее 0,5 кДа и сво-
Рис. 1. Молекулярно-массовое распределение азотистых фракций в концентрате и гидролизатах сывороточных белков с разной глубиной гидролиза, полученных ферментативным гидролизом. В красных линиях - концентрат сывороточных белков, в синих линиях - гидролизаты: А. Гидролизат сывороточных белков с низкой степенью гидролиза. Б. Гидролизат сывороточных белков с высокой степенью гидролиза.
5,0
■1 .и
■ ■;
с :;.() Л': 2,0 I ■:
1,0 (■т
0,0
у = 15,532*-2,1848 R1 = 0,6123
ООО
10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%
Содержание азотистой фракции массой свыше 1 кДа, %
Рис. 2. Зависимость балльной оценки горького вкуса гидролизата от содержания в гидролизате фракции пептидов массой свыше 1 кДа
4,5 3,5 .'Л
. 1.0 0,0
у = -10,ЭЗх + 5,7042 R1 = 0,0744
20% 25% 30% 35% 40%
Содержание азотистой фракции массой от 0,5 до 1 кДа, % Рис. 3. Зависимость балльной оценки горького вкуса гидролизата от содержания в гидролизате фракции пептидов массой от 0,5 до 1 кДа
Изменение содержания азотистых фракций в гидролизате после ультрафильтрации в сравнении с исходным содержанием
Содержание азотистой фракции, %
Селективность мембраны Пептиды массой менее 0,5 кДа и свободные аминокислоты Пептиды массой от 0,5 кДа до 1 кДа Пептиды массой свыше 1 кДа
Исходный гидролизат 50% 26% 24%
10 кДа 54% 29% 17%
5 кДа 55% 29% 16%
1 кДа 60% 32% 8%
4,5
с;
та 3,5
ю
S 3,0
>ч
§г,0
Q.
21,5
та
I 1.0
°0,5 0,0
у = -10,135« + 5,8422 R1 = 0,3305
О о
о*
10% 20% 30% 40% 50% 60%
Содержание азотистой фракции массой менее 0,5 кДа, % Рис. 4. Зависимость балльной оценки горького вкуса гидролизата от содержания в гидролизате фракции пептидов массой менее 0,5 кДа и фракции свободных аминокислот
бодных аминокислот, отмечается меньшая выраженность горького вкуса (рис. 4). Изменение содержания продуктов гидролиза с молекулярной массой от 0,5 до 1 кДа не влияет на изменение степени горечи гидролизата (рис. 3).
Полученные данные хорошо согласуются с теорией образования горького вкуса в гидролизатах, выдвинутой Matoba and Hata [8], согласно которой источником горького вкуса в гидролизатах являются гидрофобные пептиды с большим молекулярным весом. С повышением степени гидролиза «горькие» пептиды расще-
пляются на пептиды меньших размеров и свободные аминокислоты, и степень горечи снижается.
На основании полученных данных было сделано предположение, что изменение соотношения отдельных азотистых фракций в составе гидролизата связано с изменением вкуса гидролизата. Если в «горьком» гидролизате понизить относительное содержание фракции пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа, интенсивность горького вкуса гидролизата должна
снизиться. На практике для такой операции может быть использовано разделение гидролизатов на ультрафильтрационных мембранах [9, 10]. После прохождения гидролизата через мембрану будет получен фильтрат с уменьшенным содержанием пептидов массой свыше 1 кДа.
Для проверки выдвинутой теории были проведены лабораторные испытания
Рис. 5. Молекулярно-массовое распределение азотистых фракций в исходном гидролизате и в фильтратах, полученных при ультрафильтрации гидролизата на мембранах с порогом отсечения по молекулярной массе 1 кДа, 5 кДа и 10 кДа
по мембранной фильтрации гидролизатов сывороточных белков, полученных на предыдущей стадии опытов, с помощью полисульфоновых мембран фирмы Sartorius с порогом отсечения по молекулярной массе 1 кДа, 5 кДа и 10 кДа. Фильтрация проводилась на модуле «тупиковой» фильтрации (Sartorius, ФРГ) с эффективной площадью фильтрации 0,005 м2.
Графики молекулярно-массового распределения азотистых фракций гидро-лизата, полученного гидролизом молочного альбумина комплексом ферментов («Панкреатин» из поджелудочных желез КРС + Protamex + Flavourzyme 500 MG), и фильтратов, полученных на исследованных мембранах с разной селективностью по молекулярной массе, приведены на рис. 5.
Красные линии - гидролизат до мембранной фильтрации; синие линии -фильтраты, полученные на мембранах с разным порогом отсечения.
В таблице приведены данные по содержанию отдельных азотистых фракций в фильтратах, полученных на мембранах с разной пропускной способностью.
Было установлено, что чем меньше размер пор используемой мембраны, тем меньшее количество высокомолекулярных фракций переходит в фильтрат. среди изученных мембран с разной пропускной способностью наибольшую эффективность по отделению фракций пептидов с массой более 1 кДа показали мембраны с порогом отсечения по молекулярной массе 1 кДа. Как следует из табл. 1, после прохождения через мембрану с пропускной способностью 1 кДа доля пептидов с молекулярной массой свыше 1 кДа снижается в 3 раза от их начального содержания в гидролизате. Мембраны на 5 и 10 кДа в меньшей степени отделяют пептиды с молекулярной массой свыше 1 кДа. Доля пептидов с массой свыше 1 кДа в фильтрате после пропускания через мембраны с указанной селективностью снижается приблизительно на 1 / 3 от их содержания в гидролизате до фильтрации.
Выраженность горького вкуса гидро-лизатов после мембранной фильтрации снизилась в среднем на 3-4 балла по принятой условной шкале оценки.
Из полученных данных следует, что ультрафильтрация гидролизата способствует снижению горького вкуса, присущего исходному гидролизату. Вместе с этим ультрафильтрация только частично устраняет
горький вкус в профильтрованном гидролизате, так как мембранная фильтрация позволяет отделять большую часть, но не все пептиды, обладающие горьким вкусом. Также в результате фильтрации в гидролизате возрастает доля коротких пептидов и свободных аминокислот, что приводит к повышению показателя осмоляльности гидролизата и снижению его биологической ценности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тутельян, В.А. Научные основы здорового питания/В.А. Тутельян, А.И. Вялков, А.Н. Разумов - М.: Панорама, 2010. - 816 с.
2. United States Department of Agriculture Food Safety and Inspection Service. Labeling and Consumer Protection. Proprietary Mixture Suppliers and Manufacturers Questions and Answers (March 17, 1995). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: // www.fsis.usda.gov/OPPDE/1arc/Ingredients/ PMC_QA. htm#PR0TEIN%20HYDR0LYSATES свободный. - Заглавие с экрана.
3. Power, O. Human insulinotropic response to oral ingestion of native and hydrolysed whey protein/O. Power, A. Hallihan, P. Jakeman // Amino Acids. - 2009. - № 37 (2). - P. 333-339.
4. Ciaessens, M. Glucagon and insulin responses after ingestion of different amounts of intact and hydrolysed proteins/M. Claessens, W.H. Saris, M.A. van Baak // British Journal of Nutrition. - 2008. - № 100 (1). - P. 61-69.
5. Grlmbte, G.K. The significance of peptides in clinical nutrition/G.K. Grimble // Annual Review of Nutrition. - 1994. - № 14. - P. 419-47.
6. Siemensma, A.D. The importance of peptide lengths in hypoaUergenic infant formulas/ A.D. Siemensma, W.J. Weijer, H.J. Bak // Trends in Food Science and Technology. - 1993. - № 4. - P. 16-21.
7. Pedrosa, M. Palatability of hydrolysates and other substitution formulas for cow's milk-allergic children a comparative study of taste, smell, and texture evaluated by healthy volunteers / M. Pedrosa [et al] // Journal Investigational Allergology and Clinical Immunology. - 2006. - № 16 (6). -P. 351-356.
8. Matoba, T. Relationship between bitterness of peptides and their chemical structures/T. Matoba, T. Hata // Agricultural and Biological Ghemistry. - 1972. - № 36. -P. 1423-1431.
9. Nau, F. Selective separation of tryptic beta-casein peptides through ultrafiltration membranes: influence of ionic interactions/F. Nau [et al] // Biotechnology and Bioengineering. - 1995. - № 46 (3). -P. 246-253.
10. Guadix, A. Production of whey protein hydrolysates with reduced aUergenicity in a stable membrane reactor / A. Guadix, F. Camacho, E. M. Guadix // Journal of Food Engineering. - 2006. - № 72. - P. 398-405.
REFERENCES
1. Tutel'jan, V.A. Nauchnye osnovy zdorovogo pitanija/V.A. Tutel'jan, A.I. Vjalkov, A.N. Razu-mov - M.: Panorama, 2010. - 816 s.
2. United States Department of Agriculture Food Safety and Inspection Service. Labeling and Consumer Protection. Proprietary Mixture Suppliers and Manufacturers Questions and Answers (March 17, 1995). [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: https: //www.fsis.usda.gov/OPPDE/1arc/ In-gredients/PMC_QA. htm#PR0TEIN%20HYDR0-LYSATES svobodnyj. - Zaglavie s jekrana.
3. Power, O. Human insulinotropic response to oral ingestion of native and hydrolysed whey protein/O. Power, A. Hallihan, P. Jake-man // Amino Acids. - 2009. - № 37 (2). -P. 333-339.
4. Claessens, M. Glucagon and insulin responses after ingestion of different amounts of intact and hydrolysed proteins/M. Claessens, W.H. Saris, M. A. van Baak // British Journal of Nutrition. - 2008. - № 100 (1). - P. 61-69.
5. Grimble, G. K. The significance of peptides in clinical nutrition/ G. K. Grimble // Annual Review of Nutrition. - 1994. - № 14. -P. 419-47.
6. Siemensma, A. D. The importance of peptide lengths in hypoallergenic infant formulas/ A. D. Siemensma, W.J. Weijer, H.J. Bak // Trends in Food Science and Technology. - 1993. - № 4. - P. 16-21.
7. Pedrosa, M. Palatability of hydrolysates and other substitution formulas for cow's milk-allergic children a comparative study of taste, smell, and texture evaluated by healthy volun-teers/M. Pedrosa [et al] // Journal Investigational Allergology and Clinical Immunology. -2006. - № 16 (6). - P. 351-356.
8. Matoba, T. Relationship between bitterness of peptides and their chemical structures/T. Matoba, T. Hata // Agricultural and Biological Ghemistry. - 1972. - № 36. -P. 1423-1431.
9. Nau, F. Selective separation of tryptic beta-casein peptides through ultrafiltration membranes: influence of ionic interactions/F. Nau [et al] // Biotechnology and Bioengineering. -1995. - № 46 (3). - P. 246-253.
10. Guadix, A. Production of whey protein hydrolysates with reduced allergenicity in a stable membrane reactor/A. Guadix, F. Camacho, E.M. Guadix // Journal of Food Engineering. - 2006. - № 72. - P. 398-405.
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
ВНИИ маслоделия и сыроделия - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 152613, Ярославская обл., г. Углич, Красноармейский б-р, д. 19, [email protected]
Authors
Sviridenko Yuri Yacovlevich, Doctor of Biological Sciences, Professor, Academician of RAS;
Myagkonosov Dmitry Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Abramov Dmitry Vasil'evich, Candidate of Biological Sciences, Ovchinnikovа Elena Grigor'evna
All-Russian Scientific Research Institute of Butter and Cheese-making -a branch of the Federal Research Center for Food Systems V.M. Gorbatov RAS, 19 Krasnoarmeiski boulevard, Uglich, Yaroslavl region, 152613, [email protected]
