Dodatki: Transglutaminaza w produktach mleczarskich

Przetwórstwo mleka jest jedną z najstarszych gałęzi przemysłu spożywczego i od lat udoskonalaną. Przetwarzanie mleka na liczne wyroby, atrakcyjne dla konsumentów zarówno pod względem sensorycznym, żywieniowym, jak i ekonomicznym, wymaga wielu zabiegów, a także nieraz zastosowania dodatków wspomagających przetwarzanie. W ostatnich latach przemysł spożywczy skupia swoje zainteresowanie na wykorzystaniu w tym celu enzymów. Ich ogromną zaletą jest wysoka specyficzność działania, działanie w łagodnych warunkach technologicznych (a co za tym idzie, oszczędzenie walorów biologicznych składników żywności i sensorycznych produktów), możliwość dokładnego kontrolowania przebiegu i hamowania biokatalizowanych reakcji, działanie w małych stężeniach, nietoksyczność wynikającą z naturalnego pochodzenia. Przemysłowe zastosowanie enzymów w procesach przetwarzania żywności nie jest niczym innowacyjnym, ale znaczenie enzymów w technologii żywności znacząco zwiększyło się w chwili opracowania biotechnologicznych metod pozyskiwania preparatów enzymatycznych pochodzenia mikrobiologicznego. A co najważniejsze, enzymy pozwalają ograniczać wykorzystanie wielu dodatków do żywności i ułatwiają produkcję wyrobów z „czystą etykietą”. Obecnie, wykorzystanie enzymów spożywczych jest regulowane na terenie UE Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1332/2008 z 16 grudnia 2008 roku. Rozporządzenie definiuje enzym spożywczy jako produkt otrzymany z roślin, zwierząt lub mikroorganizmów albo produkt z nich pochodzący, w tym otrzymany w procesie fermentacji z wykorzystaniem mikroorganizmów, zawierający jeden lub większą ilość enzymów zdolnych do katalizy określonej reakcji biochemicznej oraz dodawany do żywności w celu spełnienia funkcji technologicznej na jakimkolwiek etapie produkcji, przetwórstwa, przygotowania, obróbki, pakowania, transportu lub przechowywania środków spożywczych. Ten przepis ma na celu ochronę zdrowia konsumenta, poprzez wdrożenie procedury oceny bezpieczeństwa enzymów. Rozporządzenie dopuszcza do stosowania w środkach spożywczych i wprowadzania do obrotu (jako enzymy spożywcze) wyłącznie enzymy spożywcze ujęte we wspólnotowym wykazie enzymów spożywczych. Przytoczone Rozporządzenie UE nie ma zastosowania do kultur bakterii, które są tradycyjnie wykorzystywane w produkcji żywności i które mogą przypadkowo wytwarzać enzymy, lecz nie są wykorzystywane specjalnie do ich produkcji.

Jednym z takich enzymów jest transglutaminaza (TG-aza). Systematyczna nazwa tego enzymu brzmi: glutaminoamino-glutamylotransferaza. Enzym nazywany jest również Factorem XIIIa i fibrynoligazą. Jest to enzym naturalnie występujący w przyrodzie: w wątrobie, tkankach i płynach ustrojowych zwierząt i ludzi, a także w komórkach roślin i mikroorganizmów. Transglutaminaza katalizuje reakcje przenoszenia reszt acylowych obecnych w różnych aminach, aminokwasach, peptydach zawierających lizynę oraz peptydach i różnych polipeptydach zawierających glutaminę. Enzym charakteryzuje się niską specyficznością substratową, dlatego jest doskonałym enzymem do sieciowania białek sojowych, mleka, miozyny oraz żelatyny (wołowej, wieprzowej, drobiowej lub rybiej). W mleku, skuteczność tworzenia wiązań między białkami zależy od dostępności reszt glutaminy i lizyny, pH i temperatury. W wyniku tego następuje tworzenie wiązań krzyżowych w podstawowych aminokwasach białkowych, a poprzez powstałe modyfikacje struktury białek i peptydów oddziałuje na ich fizykochemiczne właściwości. Najlepiej zbadaną i znaną transglutaminazą jest ta występująca w krwi człowieka. Odpowiada ona za sieciowanie cząsteczek białek fibrylarnych i stabilizację powstałych polimerów, dzięki czemu pełni bardzo ważną funkcję w czasie zatrzymywania krwawienia z otwartych ran. Działanie transglutaminazy prowadzi do powstawania kowalencyjnych wiązań sieciujących w wielu białkach spożywczych, m.in. w żelatynie, kazeinie, białkach serwatkowych, białkach soi, białku i żółtku jaja, glutenie. Możliwość wykorzystania transglutaminazy w przemyśle spożywczym jest wielokierunkowa – preparaty tego enzymu są oferowane do sieciowania białek i peptydów w produkcji wyrobów mięsnych i zbożowych, przetworów rybnych, produktów z owoców morza, przetworów z roślin strączkowych, a także produktów mleczarskich (np. preparaty oferowane przez All Taste oraz PMT Trading). Może być ona stosowana również do otrzymywania jadalnych powłok stosowanych do powlekania owoców i warzyw, w celu przedłużenia ich świeżości.

Od początku lat 60. pozyskiwano transglutaminazę głównie z wątroby świnek morskich, choć także w mniejszym stopniu z tkanek ryb. Ówczesna produkcja preparatów TG-azy była skomplikowana i bardzo droga, ze względu na ograniczoną dostępność surowca. Ponadto, transglutaminaza pochodzenia zwierzęcego ma ograniczone zastosowanie, ponieważ wymaga obecności w środowisku jonów wapnia w odpowiednim stężeniu, a nie do wszystkich produktów żywnościowych można dodać sole wapnia. Przełomowy okazał się rok 1989, kiedy wyizolowano i zbadano szczep S-8112 z gatunku Streptoverticillium mobaraense (syn. Streptomyces mobaraensis) mający zdolność do efektywnej syntezy transglutaminazy mikrobiologicznej. Streptomyces są Gram-dodatnimi bakteriami przetrwalnikującymi z rzędu promieniowców, dobrze znanymi ludzkości od szeregu dziesięcioleci. Transglutaminaza syntetyzowana przez te bakterie jest wydzielana do podłoża, dzięki czemu jej pozyskiwanie i oczyszczanie do postaci czystego preparatu jest proste, tanie i nie wymaga dezintegracji komórek bakterii. Z czasem okazało się, że wiele mikroorganizmów wytwarza enzymy sieciujące o potencjalnych możliwościach wykorzystania w przemyśle spożywczym i właściwościach TG-azy. Piśmiennictwo naukowe opisuje transglutaminazy izolowane z innych mikroorganizmów, niektóre o charakterystyce i właściwościach podobnych do enzymu odzwierzęcego, wapniozależnego. Intensywne prace nad biotechnologiczną produkcją preparatów TG-azy pochodzenia mikrobiologicznego oraz optymalizacją parametrów takiej produkcji umożliwiło przemysłowe wykorzystanie właściwości tego enzymu, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji, zwiększeniu dostępności i wydajności procesów, zwiększenie podaży bez uszczerbku dla wartości żywieniowej i sensorycznej nowego produktu. Enzymy syntetyzowane przez rekombinowane szczepy z gatunków Streptoverticillium mobaraense czy Streptoverticillium griseocarneum są identyczne z transglutaminazami pozyskanymi z ryb lub tkanki ssaków, jednak w przeciwieństwie do preparatów enzymatycznych pochodzenia zwierzęcego, ich zasoby są nieograniczone, a aktywność nie zależy od obecności i stężenia jonów wapnia. Transglutaminaza działa w łagodnych warunkach, jest uznana za całkowicie bezpieczny dodatek do żywności i znajduje się na liście GRAS (Generally Recognized As Safe).

Przeznaczone dla przemysłu spożywczego preparaty transglutaminazy (np. oferowane przez All Taste oraz PMT Trading) są otrzymywane w warunkach zapewniających wysoką aktywność enzymu oraz czystość chemiczną i mikrobiologiczną preparatów. Stosowane technologie pozyskiwania oraz oczyszczania TG-azy pozwalają na produkcję preparatów stabilnych w długim okresie przydatności do ich użycia, doskonałej rozpuszczalności i użycie nośnika(-ów) przyjaznego produkcji spożywczej (np. laktozy lub dekstrozy). Białko i peptydy zmodyfikowane lub łączone po nowemu przy użyciu transglutaminazy zmieniają swoje podstawowe cechy: rozpuszczalność, elastyczność i sprężystość. Dzięki tym przemianom w mikrostrukturze białek TG-aza wpływa na teksturę i konsystencję produktu, zdolność do zatrzymywania w nim wody, a także zmienia wartość odżywczą i zdrowotną, w tym w pewnym zakresie koncentrację związków wywołujących reakcje alergiczne u ludzi uczulonych. Praktycznie, transglutaminaza posiada ogromny potencjał zastosowania w przemyśle spożywczym. Jest wykorzystywana do otrzymywania żeli usieciowanych z różnych białek, m.in. białek jaja kurzego, kazeinowych, zbożowych czy sojowych o właściwościach żelujących lub teksturotwórczych. Otrzymane żele są bardziej elastyczne, a jednocześnie wytrzymalsze, niż te otrzymane na drodze kwasowej lub termicznej. Preparaty TG-azy mogą również znaleźć zastosowanie do poprawienia cech funkcjonalnych białek mleka. Dla przykładu, kazeina zmodyfikowana TG-azą znajduje zastosowanie jako substytut tłuszczu (kazeina modyfikowana tym enzymem może być stosowana jako zamiennik tłuszczu m.in. w przetworach mięsnych, zaś zmodyfikowane enzymatycznie białka serwatkowe mogą być używane do kapsułkowania).

Magdalena Mikler

Prokurent w firmie All Taste

Zainteresowanie mleczarzy transglutaminazą z roku na rok rośnie, nawet małe mleczarnie przekonały się do zakupu transglutaminazy – głównie do produkcji twarogu.

Rynki wschodnie, jak i europejskie kraje coraz częściej używają transglutaminazy do produkcji jogurtu. Trwają intensywne próby nad wprowadzeniem transglutaminazy do produkcji lodów w polskich zakładach.

Według mleczarzy stosowanie transglutaminazy przynosi wiele korzyści. W przypadku jogurtów są to: ulepszenie struktury – bardziej kremowa konsystencja, ograniczenie synerezy, możliwość wyeliminowania karagenów, żelatyny lub skrobi, a także brak konieczności deklarowania na etykiecie. Natomiast korzyści ze stosowania transglutaminazy do produkcji twarogów to: poprawa wydajności do 20%, zmniejszenie synerezy, uzyskanie lepszej struktury ziarna, umożliwienie ograniczenia suchej masy, zmniejszenie kosztów, poprawa właściwości organoleptycznych oraz brak konieczności deklarowania na etykiecie. Ze stosowania transglutaminazy najbardziej zadowoleni są producenci twarogu i jogurtu, ponieważ przynosi im to największe korzyści.

Podczas aplikowania transglutaminazy istotne jest, aby preparat rozpuścić w mleku w proporcjach 1:4, przed aplikacją w wybranym produkcie. Zastosowanie naszego preparatu enzymatycznego nie wymaga zmian procesu. Preparat dodajemy po pasteryzacji, a następnie dodawane są kultury. Dalszy proces pozostaje bez zmian.

W mleku surowym białkiem najbardziej podatnym na działanie transglutaminazy jest kappa-kazeina. Sieciowanie kazeiny przez ten enzym jest nieodwracalne. Globularne białka serwatkowe ulegają tworzeniu wiązań katalizowanych przez ten enzym dopiero po uprzedniej obróbce termicznej i rozerwaniu wiązań disiarczkowych. Użycie enzymu zwiększa wydajność produkcji serów kwasowych, zarówno tych twarogowych, jak i serków kwasowo-podpuszczkowych, w których TG-aza ogranicza m.in. synerezę serwatki podczas chłodniczego przechowywania. Stosowanie preparatów TG-azy oferowane na krajowym rynku (przez np. firmy All Taste oraz PMT Trading) nie wymaga zmiany procesu technologicznego otrzymywania twarogów. Pozwalają na zwiększenie wydatku twarogu o 20%, uzyskanie lepszej struktury ziarna serowarskiego, opóźnienie wydzielenia serum, korzystnie wpływają na właściwości organoleptyczne finalnego produktu, a co najważniejsze pozwalają na ograniczenie kosztów produkcji. W produkcji serów topionych użycie TG-azy umożliwia ograniczenie dodatku białek oraz stosowania dodatkowych substancji teksturotwórczych i stabilizujących, w tym hydrokoloidowych.

W mlecznych napojach fermentowanych i śmietanie użycie enzymu poprawia strukturę i teksturę skrzepu. Jogurty otrzymane z mleka poddanego sieciowaniu przez transglutaminazę mają gładszą, bardziej kremową i bielszą konsystencję, ich skrzep jest bardziej oporny na obróbkę mechaniczną, zaś finalny produkt cechuje się nawet łagodniejszym w odbiorze smakiem. Enzymatyczna modyfikacja białek mleka poprawia ich właściwości emulgujące. Ponadto, dodatek enzymu do mleka przed fermentacją modyfikuje zwięzłość i twardość skrzepu, a także jego spoistość i lepkość. Zwiększają się właściwości emulgujące białek mleka, zaś zdolność serwatki do synerezy podczas przechowywania zmniejsza się o 80%. Istnieje również możliwość zmniejszenia ilości stosowanych substancji zagęszczających i/lub stabilizujących (lub całkowitej rezygnacji z ich użycia) oraz przejęcia ich funkcji przez użyty enzym, szczególnie w wyrobach o obniżonej zawartości tłuszczu.

Andrzej Salamon

Prezes Zarządu PMT Trading

Transglutaminaza (EC 2.3.2.13) należy do klasy transferaz i katalizuje reakcje przeniesienia acylu, w których donorem jest grupa γ-karboksyamidowa reszty glutaminy, a akceptorami mogą być pierwszorzędowe grupy aminowe w różnych związkach.

Stosowanie transglutaminazy w produkcji wyrobów mleczarskich jest nowym kierunkiem wykorzystania tego enzymu. W przemyśle mleczarskim stosowany jest dopiero od kilku lat i jako novum prowokuje w środowisku emocje i dyskusje. Wszelkie nowości, wprowadzane w różnorodnych aspektach funkcjonowania człowieka, zwykle budzą obawy i tylko część osób nowinki akceptuje w pełni. To również dotyczy aplikacji transglutaminazy w przetwórstwie mleka. Wobec tego konieczna jest popularyzacja wiedzy na temat funkcji, zakresu możliwości, warunków i bezpieczeństwa jej stosowania.

Największe zainteresowanie producentów wzbudza możliwość stosowania transglutaminazy w produkcji serów, głównie twarogu. Korzyści związane ze stosowania translutanminazy wynikają z faktu, że kazeina i białka serwatkowe są dobrymi substratami reakcji katalizowanej przez transglutaminazę. Pełniejsze wykorzystanie białek mleka poprzez zwiększenie retencji białek serwatkowych o 10-20%, prowadzi do wzrostu wydatku produkcji serów, a także zwiększenia ich wartości żywieniowej. Modyfikacja białek mleka przy udziale transglutaminazy umożliwia poprawę właściwości fizykochemicznych i organoleptycznych produktów mleczarskich. Jest jedną z metod obniżania alergenności białek mleka. Stosując transglutaminazę producenci mogą ubogacić swoją ofertę o nowe produkty wysokiej jakości i jednocześnie zyskać dodatkowe korzyści ekonomiczne.

Transglutaminaza w półprodukcie oraz produkcie finalnym nie spełnia żadnej funkcji technologicznej. Preparat tego enzymu jest substancją pomocniczą w przetwórstwie mleka i zgodnie z przepisami dotyczącymi znakowania nie musi być wymieniany w składzie produktu.

Aktywność transglutaminazy i efekty jej działania w technologii mleczarskiej zależą od stężenia enzymu, ilości substratu, tj. grup biorących udział w reakcji ich łączenia, a ich dostępność warunkuje wysoka temperatura pasteryzacji. Kolejnym ważnym parametrem jest temperatura i kwasowość mleka. Maksimum aktywności transglutaminaza wykazuje przy pH 6-7 i temp. 50°C. W trakcie procesu technologicznego transglutaminaza może być inaktywowana wskutek denaturacji termicznej bądź kwasowej.

PMT Trading w Łodzi i Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie są właścicielami polskich, europejskich i euroazjatyckich patentów dotyczących sposobu wytwarzania: sera twarogowego, jogurtu, kefiru i miksów tłuszczowych o obniżonej zawartości tłuszczu, z dodatkiem transglutaminazy.

Możliwości enzymatycznej modyfikacji produktów białkowych znajdują zastosowanie również w otrzymywaniu nowych produktów, w tym analogów i substytutów produktów mleczarskich. Warto zwrócić uwagę na te możliwości, zważywszy na obecne tendencje na rynku spożywczym, dążące do łączenia białek zwierzęcych i roślinnych, w tym np. białek mleka z białkami roślin strączkowych. Modyfikacje właściwości reologicznych takich układów mieszanych białek stwarza potencjał do otrzymywania innowacyjnych produktów, którymi branża mleczarska powinna zainteresować się.

Przytoczone powyżej Rozporządzenie (WE) nr 1332/2008 w sprawie enzymów spożywczych reguluje nie tylko stosowanie enzymów i ich preparatów, ale wprowadza także zasady etykietowania enzymów spożywczych i spożywczych preparatów enzymatycznych, zarówno tych nieprzeznaczonych do sprzedaży konsumentowi końcowemu, jak i przeznaczonych do sprzedaży konsumentowi końcowemu. Zgodnie z tymi zapisami prawnymi enzymy i ich preparaty są traktowane jak inne składniki produktów żywnościowych i w ich przypadku znajdują zastosowanie przepisy dotyczące znakowania środków spożywczych. Wymieniając użyty enzym w składzie produktu spożywczego należy podać jego nazwę i zasadniczą funkcję technologiczną (biorąc pod uwagę te rodzaje funkcji pełnionych przez dodatki do żywności w środkach spożywczych, które są wymienione w Załączniku I do Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1333/2008 z 16 grudnia 2008 r. w sprawie dodatków do żywności). Należy zauważyć, że nie wszystkie enzymy i ich preparaty są uznawane za dodatki do żywności, a więc nie wymagają deklaracji obecności w składzie produktu. Za składniki nie są uważane enzymy, które są zastosowane jako środki pomocnicze w przetwarzaniu i nie pełnią funkcji technologicznej w finalnym produkcie oraz enzymy, których obecność w produkcie spożywczym wynika wyłącznie z faktu, że były obecne w jednym lub w większej liczby składników tego produktu spożywczego, także pod warunkiem że nie pełnią one żadnej funkcji technologicznej w gotowym produkcie. W przypadku stosowania transglutaminazy można mieć do czynienia z obydwoma przypadkami – enzym może być użyty jako substancja pomocnicza (nie musi być wówczas wymieniana na etykiecie produktu) albo może pełnić funkcję technologiczną w końcowym produkcie, np. strukturotwórczą (i wtedy będzie wymagać znakowania tak jak inne substancje dodatkowe). A co najważniejsze, zastosowanie transglutaminazy nie może wprowadzać konsumenta w błąd co do składu finalnego produktu, jak i jakości użytych surowców. Z tego ostatniego powodu organy kontroli urzędowej dysponują metodami jakościowego wykrywania obecności użycia transglutaminazy i jej preparatów w produktach żywnościowych takich jak na przykład mięso, przetwory mięsne, jogurty, czy sery. Dla przykładu, testy immunoenzymatyczne Elisa są w stanie wykryć do 0,6 ng TG-azy w 1 ml lub 1 g badanej próby. Wykrywanie TG-azy za pomocą testu Elisa opiera się na dwóch komercyjnie dostępnych przeciwciałach specyficznych dla transglutaminazy mikrobiologicznej, połączonych z kanapkowym testem Elisa. Znane są również metody wykrywania obecności TG-azy z użyciem chromatografii cieczowej i spektrometrii masowej tandemowej (LC-MS/MS) i wysokiej dokładności LC o wysokiej rozdzielczości MS (HRAM MS). Można także wykorzystać reakcję łańcuchową polimerazy (PCR) w celu potwierdzenia pochodzenia mikrobiologicznego wykrytej TG-azy.