Hydrolizaty białek: Produkcja i zastosowanie enzymatycznych hydrolizatów białek mleka

Przetwórstwo żywności polega na przetwarzaniu surowców poprzez zastosowanie kontrolowanych procesów technologicznych, w wyniku których otrzymujemy bezpieczne produkty spożywcze o określonych właściwościach odżywczych, sensorycznych i funkcjonalnych. Niektóre operacje technologiczne mogą nadawać przetworzonej żywności zupełnie nowe właściwości, kształtujące się w wyniku zastosowanego procesu. Na rynku obserwuje się rozwój technologii, które pozwalają na takie przetworzenie żywności, które prowadzi do pozyskania składników o określonych, specyficznych właściwościach prozdrowotnych i funkcjonalnych. Jedną z takich technologii jest hydroliza enzymatyczna, szeroko stosowana w przetwórstwie mleka. Hydrolizaty białek mleka wzbudzają duże zainteresowanie ze względu na różnorodność, unikalne właściwości, wysoką wartość odżywczą i obecność bioaktywnych peptydów.

Hydrolizaty białkowe określa się jako mieszaniny polipeptydów, oligopeptydów i aminokwasów, które są wytwarzane ze źródeł białkowych przy użyciu hydrolizy. Hydrolizę przeprowadza się przy użyciu enzymów proteolitycznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością lub odpowiednich kwasów i zasad. Najbardziej preferowane jest jednak stosowanie hydrolizy enzymatycznej, ponieważ proces prowadzony z wykorzystaniem kwasów i zasad jest trudniejszy do kontrolowania i może skutkować uszkodzeniem struktury niektórych aminokwasów i obniżeniem wartości biologicznej białka. W porównaniu z hydrolizą kwasową lub zasadową enzymatyczna hydroliza białek przy użyciu selektywnych enzymów (proteaz) może być dość dobrze kontrolowana i prowadzona w umiarkowanych warunkach pH (6-8) i temperatury (40-60°C), co powoduje niewiele niepożądanych reakcji ubocznych lub nie powoduje ich wcale. Enzymatyczna hydroliza białek jest ponadto przystępną cenowo technologią wytwarzania produktów o wysokiej wartości odżywczej. Proces ten jest stosunkowo szybki i wykazuje wysoką specyficzność, ponieważ enzymy mogą działać na określone wiązania występujące w białkach.

Głównymi białkami mleka, które przemysłowo poddaje się hydrolizie enzymatycznej, są kazeina i białka serwatkowe. Kazeina składa się z kilku frakcji, w tym m.in. kazeiny alfa-S1, alfa-S2, beta- i kappa-kazeiny. Serwatka zawiera beta-laktoglobulinę, alfa-laktoalbuminę i kilka mniejszych białek, takich jak enzymy i immunoglobuliny. Nie bez znaczenia pozostają niektóre peptydy białek mleka, które cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na wykazywanie pozytywnego wpływu na fizjologię i metabolizm człowieka. Peptydy te pozostają nieaktywne, będąc częścią białek mleka, i zostają aktywowane w wyniku uwolnienia ich ze struktury białkowej, np. w wyniku zastosowania hydrolizy enzymatycznej. Uwolnione peptydy mogą oddziaływać z wybranymi receptorami i regulować funkcje organizmu, w tym działanie układu sercowo-naczyniowego, trawiennego, endokrynnego, immunologicznego i neurologicznego. Wśród najważniejszych bioaktywnych peptydów mleka, które mogą być uwalniane z kazeiny i białek serwatkowych, można wyróżnić peptydy:

• przeciwbakteryjne, 
• immunomodulujące, 
• przeciwutleniające,
• przeciwnadciśnieniowe,
• przeciwzakrzepowe,
• opioidowe. 

Proces hydrolizy prowadzi do zniszczenia pierwotnej struktury białka mleka i rozdzielenia go na mniejsze elementy, co wpływa na zmniejszenie jego masy cząsteczkowej, a także modyfikację struktury przestrzennej i hydrofobowości. Skutkuje to zmianami we właściwościach funkcjonalnych białek, które zależą od:

• rodzaju zastosowanego enzymu, 
• stopnia hydrolizy, 
• rodzaju białka poddawanego procesowi, 
• zastosowania wstępnej obróbki cieplnej mleka, 
• wartości pH.

Hydrolizaty białek mleka bogate w peptydy o małej masie cząsteczkowej (zwłaszcza di- i tripeptydy), mają wysoką wartość odżywczą i terapeutyczną, podczas gdy hydrolizaty o dużej masie cząsteczkowej (ponad 20 reszt aminokwasowych) – a co za tym idzie niższym poziomie hydrolizy – są stosowane w przemyśle spożywczym ze względu na lepsze właściwości funkcjonalne. Hydroliza jest najczęściej stosowana w celu poprawy właściwości reologicznych, modyfikacji właściwości sensorycznych, a także w celu ulepszenia właściwości funkcjonalnych białek. Po procesie otrzymuje się produkty różniące się od białek, z których powstały, pod względem rozpuszczalności, lepkości, zdolności do żelowania, emulgowania, pienienia i stabilizowania emulsji. Oczekuje się wzrostu rozpuszczalności i spadku lepkości białek mleka w miarę postępu hydrolizy. Ponadto zmniejsza się zdolność białka do tworzenia żelu, zmniejsza się stabilność wytwarzanej z nich piany i zwiększa się stabilność termiczna. Hydrolizaty białek mleka są ponadto lepiej wchłaniane w jelitach i są mniej alergenne w porównaniu z nienaruszonymi białkami. Stąd ich szerokie zastosowanie w hipoalergicznych preparatach dla niemowląt, produktach dla sportowców i preparatach dojelitowych.

Wybór enzymów do wytwarzania hydrolizatów białkowych, warunków i stopnia hydrolizy zależy od docelowych zastosowań otrzymanych produktów. Produkty te są zwykle klasyfikowane według stopnia hydrolizy jako hydrolizaty częściowe i ekstensywne. Częściowa (ograniczona) hydroliza białek ma na celu poprawę ich właściwości funkcjonalnych, podczas gdy białka ekstensywnie zhydrolizowane znajdują zastosowanie głównie w żywieniu standardowym i klinicznym. Enzymy stosowane w hydrolizie mogą być pochodzenia:

• zwierzęcego (np. pepsyna, trypsyna, chymotrypsyna i pankreatyna), 
• roślinnego (np. papaina, bromelina i ficyna),
• mikrobiologicznego (np. marki handlowe: neutrase, alcalase, substilisin, protamex, aromazyme, cornolase).

Enzymy do hydrolizy są stosowane pojedynczo lub w postaci mieszanin. Dotychczas najczęściej stosowane były enzymy żołądkowo-jelitowe (np. pepsyna, trypsyna, chymotrypsyna), co wynika z dobrego poznania ich właściwości i udowodnionej stabilności (np. w przewodzie pokarmowym człowieka). Globalizacja produkcji i handlu żywnością, a także rozwój produktów prozdrowotnych prowadzą jednak do stopniowego przejścia na stosowanie enzymów odpowiadających wymaganiom Halal, koszerności i statusowi wegetarian/wegan. Preparaty enzymatyczne, które są zgodne z powyższymi klasyfikacjami, odpowiadają preparatom pochodzenia mikrobiologicznego i roślinnego. Mogą być również stosowane do hydrolizy białek mleka, pod warunkiem że wykazują optymalne warunki działania (pH, temperatura itp.), zbliżone do enzymów pochodzenia zwierzęcego.

Proces przemysłowego pozyskiwania hydrolizatów białkowych został znacznie ulepszony na przestrzeni lat ze względu na rosnące zapotrzebowanie na tego typu produkty. Można go prowadzić na trzy sposoby:

1. Hydroliza w reaktorach okresowych, która polega na bezpośrednim dodaniu wybranego enzymu do roztworu białka w celu wywołania hydrolizy w optymalnych dla aktywności enzymu warunkach, aż do momentu osiągnięcia pożądanego stopnia hydrolizy. Stopień hydrolizy dokładnie monitoruje się za pomocą pomiarów pH i w odpowiednim momencie reakcję zatrzymuje się, stosując kombinację pH, temperatury i czasu lub specyficzne inhibitory enzymów. Sposób ten jest stosowanym na skalę przemysłową procesem wytwarzania hydrolizatów białkowych ze względu na swoją prostotę. Ma jednak kilka wad:
• enzym jest używany tylko jeden raz (ze względu na wysoki koszt wielu enzymów ekonomia procesu może ograniczać ich szerokie zastosowanie przemysłowe),
• możliwe są trudności w kontrolowaniu produktów hydrolizy (czas i warunki reakcji mają duży wpływ na rodzaj i stężenie produktów hydrolizy),
• inaktywowany enzym pozostaje w produkcie reakcji, co może zwiększać alergenne właściwości hydrolizatów,
• istnieje ryzyko wywołania niepożądanych zmian w hydrolizatach białek podczas obróbki wysoką temperaturą w celu inaktywacji enzymu.
2. Wykorzystanie bioreaktora membranowego, który może służyć do ciągłej hydrolizy i oddzielania wybranych jej produktów. Naczynie reakcyjne jest połączone z układem membranowym w obiegu zamkniętym. Do roztworu białka dodawany jest enzym/enzymy i po początkowym czasie inkubacji zawartość naczynia jest przepuszczana przez membrany, które umożliwiają selektywne rozdzielanie produktów hydrolizy w zależności od ich masy cząsteczkowej. Enzym, niezhydrolizowane białko i duże produkty hydrolizy są zatrzymywane poprzez membranę, zawracane do naczynia reakcyjnego i dalej biorą udział w hydrolizie. 
3. Prowadzenie ciągłej hydrolizy poprzez osadzenie enzymu na matrycy. Roztwór białka przepuszcza się przez matrycę z unieruchomionym enzymem, a otrzymany produkt jest rozdzielany z wykorzystaniem filtracji membranowej. Sposób ten umożliwia skuteczny, tani i szybki proces rozdziału, z wielokrotnym wykorzystaniem enzymu.