Białka: Białka na słodko
W obliczu nadmiernej konsumpcji produktów wysokokalorycznych, a w szczególności zawierających znaczące ilości cukrów prostych, i związanych z tym konsekwencji zdrowotnych, postęp technologiczny stale poszukuje naturalnych źródeł alternatywnych substancji słodzących. Według raportu Światowej Organizacji Zdrowia WHO nadmierna konsumpcja produktów wysokoenergetycznych może prowadzić do chorób metabolicznych, hiperlipidemii, otyłości, incydentów sercowo-naczyniowych, cukrzycy, bezalkoholowego stłuszczenia wątroby, a nawet śmierci. Na przestrzeni ostatnich 30 lat liczba osób cierpiących na cukrzycę zwiększyła się o 300%, doprowadzając do śmierci 4 mln ludzi na całym świecie. Z tego względu zainteresowanie przemysłu spożywczego naturalnymi słodzikami o dużej mocy znacznie się zwiększyło, a pole badawcze w zakresie poszukiwania, identyfikacji i charakterystyki naturalnych substancji słodzących stale się rozszerza.
Aktualnie podaje się, że receptory naszych kubków smakowych rozpoznają pięć podstawowych smaków: słodki, słony, gorzki, kwaśny, umami. Komórki smakowe mogą rozróżniać smaki poprzez różne interakcje z dyskretnymi cząsteczkami i jonami. Uczucie smaków słonego i kwaśnego jest indukowane poprzez kanały jonowe w błonie komórkowej. Z kolei smaki słodki, umami i gorzki są rejestrowane poprzez tworzenie wiązań cząsteczek z receptorami sprzężonymi z białkiem G (GPCR) obecnym na błonach komórkowych kubków smakowych. Zgodnie z najnowszymi badaniami zaproponowano, aby tę listę poszerzyć o smak lukrecjowy, skojarzony z chlorkiem amonu.
Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1333/2008 z dnia 16.12.2008 r. w sprawie dodatków do żywności, substancją słodzącą jest substancja stosowana do nadania środkom spożywczym (żywności) słodkiego smaku lub do komponowania słodzików stołowych. Słodzikiem stołowym określa się preparat będący mieszaniną dozwolonych substancji słodzących i innych dodatków do żywności lub składników żywności w celu sprzedaży konsumentowi końcowemu jako zamiennik cukru (sacharozy). Należy przypomnieć, że monosacharydy (glukoza, fruktoza, galaktoza itp.), disacharydy (sacharoza, maltoza, laktoza itp.) oraz oligosacharydy ani środki spożywcze zawierające te substancje i stosowane ze względu na właściwości słodzące nie są zaliczane do grupy dodatków do żywności.
Zainteresowanie substancjami słodzącymi i słodzikami stale rośnie na całym świecie ze względu na korzyści zdrowotne wynikające z oświadczeń żywieniowych dotyczących obniżonej wartości kalorycznej produktu końcowego oraz oświadczeń zdrowotnych związanych z kontrolą masy ciała, przeciwdziałaniem próchnicy czy regulacją poziomu glukozy we krwi. Ze względu na liczne kontrowersyjne doniesienia dotyczące bezpieczeństwa substancji słodzących branża spożywcza zwiększa zainteresowanie substancjami słodzącymi pochodzenia naturalnego. W tej grupie na szczególną uwagę zasługują substancje białkowe i peptydowe naturalnie występujące w różnych gatunków owoców. Wśród substancji tych najczęściej wymieniane są taumatyna, monellina, brazzeina, pentadyna, mabinlina, kurkulina (neokulina) oraz mirakulina. Substancją słodzącą pochodzenia naturalnego jest również lizozym z białka jaja.
Preferencja smaku słodkiego w populacji ludzkiej jest kształtowana już w początkowych okresach żywienia, od pierwszych dni życia. Pierwszy pokarm dziecka, jakim jest colostrum (siara – początkowa frakcja mleka matki tworzona w gruczołach sutkowych po porodzie), programuje naturalnie skłonność do smaku słodkiego. Laktoza (disacharyd), naturalnie obecna w mleku matki, kreując słodki smak mleka, wzbudza u dziecka przyjemne skojarzenia. Te skłonności do preferowania smaku słodkiego pozostają z większością populacji ludzkiej do końca życia. Dlatego nie bez znaczenia jest poszukiwanie w naturze źródeł słodkiego smaku, które zastąpią lub zminimalizują skutki zdrowotne nadmiernego spożycia cukru (sacharozy). Idealny substytut cukru powinien spełniać technologiczne kryteria takie jak: brak niepożądanych posmaków, niski potencjał kaloryczny, brak niepożądanych efektów metabolicznych, stabilny słodki smak i ekonomiczność produkcji.
Pierwsze wzmianki literaturowe o słodkim białku datuje się na 1972 r. i dotyczą izolatu z owoców Thaumatococcus daniellii (gatunek rośliny z rodziny marantowatych), z których pozyskuje się taumatynę. Substancja ta została zidentyfikowana w 1968 r. Jest polipeptydem składającym się z 207 aminokwasów, które tworzą pięć różnych wariantów – I, II, A, B i C. W ostatnich latach przy zastosowaniu rolnictwa molekularnego pozyskano taumatynę z nasion transgenicznej rośliny z gatunku Nicotiana benthamiana (bliskiej krewnej tytoniu). Taumatyna jest uznana za substancję bezpieczną i została dopuszczona do stosowania do słodzenia żywności w wielu krajach. W unijnym rejestrze dodatków do żywności jest wpisana pod numerem E 957. Głównymi funkcjami technologicznymi taumatyny są nadawanie słodyczy oraz wzmacnianie smaku. Taumatyna wykazuje do 1600 razy większą słodycz w porównaniu do sacharozy, jednak jej odczucie jest opóźnione w percepcji smaku. W dawkach powyżej 3–5 mg/l taumatyna odczuwalna jest w postaci chłodnego smaku z nutą lukrecji. Poprawia odczucie pełności smaku w ustach, co uzasadnia jej zastosowanie w produktach niskotłuszczowych. Dodatkowo pomaga zamaskować gorzki niepożądany posmak jonów sodu, żelaza i potasu. Stabilność właściwości słodzących taumatyny jest zachowana nawet przy zastosowaniu wysokiej temperatury (powyżej 100°C), w zakresie pH między 2 i 8. Tak wysoka stabilność jest warunkowana obecnością mostków disiarczkowych w strukturze łańcucha polipeptydowego. Taumatyna wykazuje wysoką rozpuszczalność zarówno w roztworach wodnych, jak również w rozpuszczalnikach polarnych pod warunkiem zawartości wody na poziomie co najmniej 20%. W olejach taumatyna wymaga emulgowania. W branży spożywczej wykorzystuje się ją głównie jako dodatek do gum do żucia, nabiału, karm i pasz dla zwierząt.
Monellina jest kolejnym słodkim białkiem (patrz tabela), które może być skutecznie wykorzystywane jako zamiennik sacharozy. Jest izolowana z owoców lub liści Dioscereophyllum cumminsii (rośliny z tropikalnych lasów deszczowych) i wykazuje 3000 razy intensywniejszą słodycz niż sacharoza. Monellina jest kulistym białkiem złożonym z dwóch łańcuchów polipeptydowych A i B, zawierających odpowiednio 44 i 50 reszt aminokwasowych. Słabe siły oddziaływania między łańcuchami powodują, że struktura białka ulega nieodwracalnej denaturacji w temperaturze powyżej 50oC i w efekcie traci ono słodki smak. Zastosowanie monelliny jest ograniczone także ze względu na jej niską stabilność i tendencje do agregacji przy neutralnym pH środowiska. Aktualnie trwają prace nad zwiększeniem stabilności cech technologicznych tego białka – podejmowane są próby tworzenia modyfikacji w zakresie połączeń łańcuchów polipeptydowych. Trwają również badania nad potwierdzeniem bezpieczeństwa stosowania monelliny do żywności.
Brazzeina została wyizolowana w 1994 r. z miąższu nasion owoców krzewu Pentadiplandra brazzeana rosnącego w afrykańskich lasach tropikalnych. Wykazano, że jest ona najmniejszym białkiem termostabilnym o intensywnym słodkim smaku. Składa się z pojedynczego polipeptydu o 54 resztach aminokwasowych. Aktualnie udało się pozyskać cztery modyfikacje białek brazzeiny, które wykazują intensywniejsze cechy technologiczne w porównaniu do cząsteczek natywnych. Percepcja słodyczy jest ponad 2000 razy intensywniejsza w porównaniu do sacharozy. Właściwości słodzące utrzymują się w temperaturze 80oC przez 4 godziny w zakresie pH od 2,5 do 8. Cechuje się dobrą rozpuszczalnością (do 50 mg/ml) i smakiem zbliżonym w ogólnym odczuciu do sacharozy. W kompozycji z innymi substancjami smakowymi, takimi jak stewiozydy, acesulfam-K czy aspartam, niweluje uboczne posmaki tych słodzików. Praktyczne zastosowanie białek brazzeiny wymaga jeszcze zatwierdzenia pod względem bezpieczeństwa stosowania, co jest aktualnie w fazie badań naukowych.
Tymczasem z miąższu nasion owoców krzewu Pentadiplandra brazzeana wyizolowano kolejne słodkie białko – pentadynę. Charakteryzuje się ona 500 razy wyższym poziomem słodyczy w porównaniu do sacharozy. Słodki smak jest stabilny dzięki mostkom siarczkowym w strukturze białka nawet po termicznej denaturacji pod wpływem działania temperatury 100°C przez 5 godzin. Ta cecha wyróżnia pentadynę spośród innych słodkich białek, między innymi taumatyny i brazzeiny. Wykazano, że pentadyna maskuje gorzki posmak sacharyny. Trwają badania mające na celu opracowanie technologii zwiększającej wydajność produkcji tego białka, a także potwierdzenie bezpieczeństwa jego stosowania.
Słodkie białka nazywane mabinlinami wyizolowano z nasion rośliny Capparis masaikai rosnącej w chińskiej prowincji Yunnan. Białka te zbudowane są z podwójnych łańcuchów polipeptydowych A i B, które zawierają odpowiednio 33 i 72 reszty aminokwasowe. Grupa tych białek występuje w czterech izoformach (I, II, III i IV), a ich słodycz jest 400 razy intensywniejsza w porównaniu do sacharozy. Najbardziej stabilna jest mabinlina II ze względu na cztery mostki disiarczkowe zlokalizowane pomiędzy łańcuchami aminokwasowymi. Stabilność termiczna z zachowaniem właściwości słodzących tego białka została potwierdzona w temperaturze wrzenia przez 48 godzin.
Kolejnym białkiem o słodkim smaku, pochodzącym z rośliny Curculigo latifolia rosnącej w Malezji, jest kurkulina, złożona ze 114 reszt aminokwasowych. Odczucie słodkiego smaku dla tego białka jest 550 razy intensywniejsze niż w przypadku sacharozy. Jego stabilność termiczna została potwierdzona do temperatury 50°C przez 1 godzinę w zakresie pH 3–11. Obecnie opracowywane są modyfikacje strukturalne białka w celu utworzenia wewnątrzłańcuchowego wiązania disiarczkowego, pozwalającego na zwiększenie stabilności termicznej kurkuliny C.
W 1988 r. wyizolowano mirakulinę, słodkie białko pozyskane z krzewu Synsepalum dulcificum (synsepal słodki) pochodzącego z Afryki Zachodniej. Mirakulina jest glikoproteiną o pojedynczym łańcuchu zawierającym 191 reszt aminokwasowych. Białko to wykazuje 400 000 razy większe odczucie słodkiego smaku w porównaniu do sacharozy. Ponadto jego spożycie powoduje zmianę smaku kwaśnego na słodki, a wrażenie to utrzymuje się przez godzinę od konsumpcji.
Oprócz wymienionych słodkich białek pochodzenia roślinnego należy wymienić również lizozym pozyskiwany z białka jaja. Lizozym jest pojedynczym łańcuchem złożonym ze 129 reszt aminokwasowych. Odczucie smaku słodkiego jest w jego przypadku 200 razy intensywniejsze w porównaniu do taumatyny i monelliny. Ponadto wykazuje on dużą stabilność termiczną do temperatury 95°C przez 18 godzin. Pierwotne wykorzystanie lizozymu w technologii żywności związane było i jest z jego potencjałem bakteriostatycznym. Wykorzystanie tego białka jako potencjalnego słodzika jest ograniczone ze względu na wprowadzanie posmaku cierpkiego do produktu końcowego.
Mechanizm percepcji smaku słodkiego w jamie ustnej po spożyciu słodkich białek jest aktualnie intensywnie analizowanym problemem badawczym. Jest on o tyle intrygujący, że dotyczy dużych cząsteczek chemicznych o złożonych strukturach, podatnych na destabilizację. Jednym z najczęściej opisywanych mechanizmów aktywacji receptorów smaku słodkiego kubków smakowych jamy ustnej jest model klinowy. Według tego modelu białko dopasowuje się do wnęki receptora podczas tworzenia kompleksu indukującego odczucie smaku.
Wykorzystanie słodkich białek i peptydów jest potencjałem w walce z żywieniowozależnymi chorobami cywilizacyjnymi. Pozwalają one kontrolować masę ciała poprzez hormonalną regulację uczucia sytości, tym samym wspomagając proces odchudzania i niwelując zdrowotne konsekwencje otyłości. Podobnie jak większość białek, słodkie białka podlegają rozkładowi na poszczególne aminokwasy. Niemniej jednak nadal potrzebne są badania nad wpływem białek słodzących na profil mikroflory jelit i ogólne bezpieczeństwo spożywcze. Wyniki tych badań pozwolą na ostateczne ugruntowanie związku spożycia słodkich białek ze zdrowiem konsumenta.
