بخشی از مقاله
چکیده
الیاف پروتئینی نوع خاصی از توده پروتئینی هستند که عموما از پروتئینهای کروی بهدست میآیند. این تودهها طولی حدود 1 میکرومتر و قطری بین 1 تا 10 نانومتر دارند، بدینترتیب بسیار ناهمسانگرد هستند. این نوع ساختار رشتهای میتوانند کاربردهای متعددی در صنایع غذایی داشته باشند. زیرا با افزودن آنها به فرآوردههای غذایی، ضمن افزایش محتوای پروتئین محصول نهایی، خواص فیزیکی مختلفی نظیر ویسکوزیته، رفتار جریان و ژلهای شدن را میتوان بهبود بخشید. باتوجه به مشکلات سوءتغذیه ناشی از فقر پروتئینی و اهمیت توسعه اجزاء غذایی فراسودمند که بتوانند خواص بافتی محصول غذایی را بهبود بخشند، استفاده از اجزای غذایی برپایه پروتئینها برای بهبود خواص عملگرای و بافتی محصول نهایی بسیار حائز اهمیت است.
درهمینراستا، الیاف پروتئینی را میتوان برای بهبود بافت محصولات غذایی با پروتئین زیاد - بیش از - %10 استفاده کرد. استفاده از این فرمولاسیونهای غذایی با محتوای پروتئینی زیاد سریعا باعث ایجاد احساس سیری میشود و بنابراین استفاده از آنها در رژیمهای لاغری بسیار موثر بوده و باعث کاهش وزن مصرفکننده میشود. همچنین برای تهیه محصولات غذایی مخصوص سالمندان و ورزشکاران که نیاز به پروتئین زیاد در رژیمعذایی خود بهمنظور تقویت باقت عضلانی دارند، بسیار موثر است. ازطرفی جایگزین کردن پلیساکاریدها با الیاف پروتئین میتواند علاوه بر افزایش محتوای پروتئین محصول نهایی، باعث ارتقاء کیفی، بافتی و تکنولوژیکی این محصولات در مفایسه با فرآوردههای مشابه شود. ضمن اینکه از منابع پروتئین بدست آمده از پسماندها نیز میتوان استفاده مطلوب کرد و مشکلات ناشی از سوء تغذیه پروتئینی را نیز برطرف نمود.
کلمات کلیدی: ژلهای شدن، غذاهای فراسودمند، غیرهمسانگرد، نانوالیاف پروتئین، ویسکوزیته،
مقدمه
پروتئینها علاوه بر ارزش تغذیهای بالا، بهدلیل خواص عملگرای منحصر بهفردخود نظیر توانایی تشکیل ژل، حلالیت، ایجاد امولسیون، تشکیل فیلم، جذب آب و ایجاد ویسکوزیته کاربردهای مختلفی در صنایعغذایی دارند و در بسیاری از موارد بهصورت مواد اولیه تشکیلدهنده موادغذایی در صنعت استفاده میشوند. باتغییر pH، قدرت یونی، غلظت پروتئین، نیروهای برشی و فشار میتوان ساختارهای الیاف مانندی از پروتئینها بامنشا گیاهی یا حیوانی تهیه کرد. ساختار رشتهای در انواع مختلف موادغذایی دیده میشوند. موادغذایی حاوی پلیساکاریدها نظیر زانتان، ساختار مارپیچی ژلاتین، کاراگینان و شبکههای پروتئینی با رشتههای باریک از این دسته از مواد هستند. این ساختارهای رشتهای باعث افزایش ویسکوزیته، تشکیل ژل، پایداری کف و امولسیون میشوند. میزان فعالیت آنها بهشدت به توزیع طول الیاف، نسبت طول به قطر و اتصال آنها به سایر ترکیبات در مادهغذایی بستگی دارد.
آرایش و قرارگرفتن پروتئینها و پپتیدها بهشکل الیاف از جنبههای تحقیقاتی مختلف مورد توجه بودهاست. در علوم پزشکی، ساختار آمیلوئیدفیبریل عامل بسیاری از بیمارهای سیستم عصبی است. در علم مواد برای ساخت موادی نظیر نانوسیمهای فلزی، نانولولهها و پوششهای نانومتری، داربستهای سهبعدی پپتیدی و انتقالدهتده مواد زیستفعال استفاده میشوند. بسیاری از پروتئینهای خوراکی نظیر پروتئین تخممرغ، سویا و شیر ساختارهای الیافمانند تشکیل میدهند - Dunstan, et al., 2009; Munialo, et al.,. - 2014; Akkermans, et al., 2007 ; Veerman et al., 2003پروتئینهای آبپنیر برای تولید الیاف بسیار مطالعه شدهاند. - Akkermans et al., 2008; Bolder et al., 2012; Dunstan et al., 2009 - پروتئین آبپنیر پسماند تولید پنیر و کازئین است و بیشتر از نظر ارزشتغذیهای و خواص عملگرا مورد توجه بودهاست.
الیاف پروتئین در اثر حرارتدهی محلول ایزوله پروتئین آبپنیر در 80درجه سلسیوس بهمدت چندین ساعت در 2pH بهطور برگشت-ناپذیری تشکیل میشوند. الیاف در شرایط مختلفی نظیر افزودن اوره و یا آنزیم نیز بهدست میآیند. ایزوله پروتئین آبپنیر حدود %60 بتالاکتوگلوبولین دارد، که تنها پروتئین کروی در آبپنیر است که میتواند در شرایط اسیدی و در 2pH تولید نانوالیاف کند. سایر پروتئینها نظیر آلفالاکتالبومین و سرم آلبومین گاوی در شرایط دیگری تولید الیاف میکنند. با استفاده از الکترواسپینیگ نیز الیاف از پروتئین آبپنیر بهدستآمدهاست . - Sullivan, et al., 2014 - بنابراین برای استفاده بهینه از نانوالیاف پروتئین در صنعت باید اطلاعات کافی از ویژگیها و نحوه تولید آن داشت. در این مقاله ابتدا روش تولید نانوالیاف و ویژگیهای آن بررسی میشود و در ادامه به برخی از کاربردهای آن در صنایعغذایی اشاره میشود.
تولید نانوالیاف
باحرارت دادن محلول بتالاکتوگلوبولین بهمدت طولانی در pHهای پایین میتوان نانوالیاف بهدست آورد. اگر غلظت پروتئین زیاد باشد - حدود 5تا8 درصد وزنی - شبکه منظم ژل تشکیل میشود. ژل بهدست آمده در این شرایط شفاف است زیرا در شرایط pH پایین و قدرت یونی کم، دافعه الکتروستاتیک قوی است و مولکول پروتئین که بسیار از نقطه ایزوالکتریک خود دور است، بار الکتریکیزیادی دارد. در این شرایط بهدلیل دافعه الکتروستاتیک امکان تشکیل توده پروتئینی بیشکل نیست و برعکس ساختارهای خطی منظمی تشکیل میشوند. این الیاف بسیار باریک هستند و نمیتوانند نور را پراکنده کنند، در نتیجه محلول ژل آنها شفاف است. بنابراین در غلظت پروتئین %5 یا بیشتر، محلول پروتئین ژل حرارتی تشکیل میدهد . - Rao et al., 2009 -
برای تهیه نانوالیاف، محلول پروتئین در pH پایین و دمای حدود 80درجه بهمدت چندین ساعت حرارت داده میشود. در این شرایط بسته یه قدرت یونی ساختارهای خطی میلهایشکل سفتی بهطول چندین میکرومتر تشکیل میشوند. در مدت تشکیل الیاف در pHپایین صفحات بین مولکولی ایجاد میشوند. شکل1 اثر pH را بر ساختار پروتئین نشان میدهد.فرآیند تشکیل الیاف معمولا با مکانیسم هستهگذاری و رشد توصیف میشود. در این مکانیسم، در ابتدا هسته تشکیل میشود که مرحله با سرعت محدود در تشکیل فیبریل است. در ادامه فاز رشد است و رشد الیاف از هسته تشکیل شده، آغاز میشود. مدلی پیشنهاد شدهاست که مرحله فعالسازی قبل از هستهگذاری و مرحله پایانی بعد از فاز رشد وجود دارد. در این مکانیسم چهار مرحلهای، مرحله هیدرولیز بتالاکتوگلوبولین در pH اسیدی و در دمای بالا نیز درنظر گرفتهشدهاست.
در مرحله فعالسازی، مونومرهای بتالاکتوگلوبولین اولیه بوسیله تغییر ماهیت حرارتی در pH پایین فعال میشوند و این مونومرهای فعال در مرحله هستهگذاری تشکیل هسته میدهند. مرحله پایانی پس از فاز رشد پیشنهاد میشود که در آن مونومرها در اثر حرارتدهی طولانی در pH پایین غیرفعال میشوند و تشکیل فیبریل را متوقف میکنند . - Bolder et al., 2012 ; Bolder et al., 2007 - اخیرا مشخص شدهاست که مرحله هیدرولیز اسیدی نقش مهمتری در تشکیل فیبریل دارد. تحقیقات نشان دادهاست که فیبریلهای بتالاکتوگلوبولین از پپتیدهایی تشکیل شدهاند که حاصل از شکستن پیوندهای قبل و بعد از اسیدآمینه آسپارتیکاسیددر مولکول بتالاکتوگلوبولین هستند. این پیوندهای پپتیدی خاص در اثر هیدرولیز اسیدی در دمای 80 درجه میشکنند ولی از طریق هیدرولیز آنزیمیAspN نیز بهدست میآید. این آنزیم هم همان پیوندی را که در اثر هیدرولیز اسیدی شکسته میشود را میشکند. در هر دو روش پپتیدهای بهدست آمده بلوک ساختمانی برای ساخت الیاف پروتئین هستند . - Akkermans et al., 2008 - تقش مهم هیدرولیز قبلا در مورد لیزوزیم
