Селективное разделение сывороточных белков для производства йодированной пищевой добавки

Сухие молочные продукты. Молочные белки, концентраты, изоляты 

Введение. Пищевая индустрия предлагает множество продуктов и добавок, обогащенных йодом (молочная, мясная продукция, а также биологически-активные добавки) [1-3]. Однако, несмотря на масштабную работу ВОЗ (начи- ная с 1994 г.) по борьбе с дефицитом йода во всем мире посредством внедрения программы всеобщего йодирования поваренной соли, проблема йоддефицитных состояний все еще не решена для ряда стран (Мадагаскар, Россия, Норвегия и др.) [4-7]. Для решения данного вопроса необходимо разрабатывать новые решения алиментарного спектра, позволяющие эффективно осуществлять профилактику и терапию йододефицитов.

Одним из перспективных носителей йода является α-лактальбумин, что обусловлено рядом факторов:

•  в состав его полипептидной цепи входит перечень аминокислот, способных связать йод (пролин, гистидин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, тирозин, фенилаланин, аргинин и др.) [8];

•  формирует связи с цинком, участвующим в метаболизме йода в организме, повышая тем самым эффективность усвоения эссенциального микро-элемента [9];

•  является наименее аллергенным среди всех молочных белков, что позволяет использовать его в составе специализированного питания [10, 11].

Кроме того, обогащение сывороточного белка эссенциальными микро-нутриентами позволит расширить направления переработки молочной сыворотки, объемы производства которой с каждым годом увеличиваются (в период 2014-2020 гг. рост составил 35%) [12].

Создание новой пищевой добавки на основе альбумина требует его выделения из матрицы сыворотки, которое можно осуществить с применением мембранных технологий, хроматографии [13], направленного гидролиза одной из фракций, селективного осаждения при изменении значений температуры и рН, внесения солей-дестабилизаторов белковой молекулы [14] и другое. Для выполнения работы наиболее простым и доступным способом изоляции одной из белковых фракций является изменение физических параметров среды (температура, рН).

Таким образом, разработка технологии йодированной пищевой добавки на основе α-лактальбумина является актуальным направлением исследований.

Цель – определить оптимальные условия выделения α-лактальбумина из системы сывороточных белков.

Задачи: изучить комплексное влияние массовой доли белка в модельной системе, значения активной кислотности, температуры, а также продолжительности выдержки при заданных условиях на процесс изолирования фракций.

Объекты и методы. Для определения оптимальных условий селективного разделения сывороточных белков приготовлены модельные системы, содержащие 1, 3 и 5% белка. Модельные системы подвергались нагреванию при температурах 45, 65 и 85°С и значениях рН 3, 6 и 9. Данные условия обработки выбраны на основе литературных данных об изоэлектрических точках и температурах осаждения β-лактоглобулина и α-лактальбумина. β-лактоглобулин теряет свою устойчивость и осаждается при рН 5,13 в температурном диапазоне 60- 85°С, а при рН 8,0 и аналогичном тепловом воздействии способен изменять свою структуру и образовывать гель [15]. Для α-лактальбумина изоэлектрическая точка составляет 4,2-4,5 ед. рН, при этом температура его осаждения зависит от уровня декальцинирования белка, которая обуславливает степень его устойчивости [13, 16]. Продолжительность выдержки модельных систем при заданных условиях среды составила 30, 75 и 120 минут. План эксперимента создан с использованием программного обеспечения Statistica 10.

Определение оптимальных условий разделения сывороточных белков осуществляли посредством измерения для каждой таргетной точки массовой до- ли белка в супернатанте после центрифугирования методом Кьельдаля по ГОСТ 34454-2018 с применением автоматического анализатора Kjeltec2400 (Foss Electric, Дания). Помимо этого для каждого образца проведено электрофоретическое разделение фугатов в денатурирующих условиях в полиакриламидном геле с применением камеры вертикального электрофореза (BioRad, США).

Результаты. На основании статистической матрицы, разработанной с учетом изменения рН, температуры (Т), массовой доли белка (м.д.б.) и продолжительности выдержки (t), проведен 81 эксперимент. Для каждого образца проведены измерения м.д.б. в супернатанте и электрофоретическое разделение белковых фракций в полиакриламидном геле.

Выявлено, что для модельных систем с массовой долей белка 5% при нагревании до температуры 85°С и рН 3 и 6 (образцы под номерами 1 и 9 на рисунке 1), а также при 65°С и рН 3 (образец под номером 3 на рисунке 2) характерно выпадение осадка в течение 30 минут, обусловленное воздействием высокой температуры и низкой кислотности среды. При этом для образцов, полученных при температуре 85°С, прослеживается снижение содержания альбумина в супернатанте, о чем свидетельствуют результаты электрофореза (рисунок 1), а также значительное уменьшение м.д.б. относительно начальной концентрации – на 64% и на 35,6% для рН 3 и 6 соответственно. Для образца, полученного при 65°С и рН 3, снижение м.д.б. (на 12,8% относительно начальной концентрации) и содержания альбумина (рисунок 2) в супернатанте изменилось незначительно.

Представленные данные не позволяют охарактеризовать модельные системы и параметры их обработки как эффективные с точки зрения селективного разделения фракций сывороточных белков, поскольку низкое значение м.д.б. в супернатанте предполагает частичный переход β-лактоглобулина в осадок.

Совокупные результаты исследования модельных матриц отражают снижение количества α-лактальбумина в образцах с массовой долей белка 3%, выдержанных в течение 120 минут при 65°С и рН 3 (образец под номером 4 на рисунке 2), а также при 85°С и рН 6 (образец под номером 1 на рисунке 3). Сни- жение м.д.б. в супернатанте для модельных систем составило 21,3 и 29%. При этом приблизительный расчет доли альбумина по интенсивности окраски геля показал, что в осадок переходит примерно 50% альбумина при 65°С и рН 3. Для образцов, полученных при 85°С, снижение концентрации альбумина в супернатанте составило примерно 84% от начальной концентрации. Исходя из полученных данных, можно выделить режим обработки матрикса сывороточных белков при 85°С и рН 6 в течение 120 минут оптимальным для выделения α- лактальбумина.

Модельные системы с м.д.б. 1% по результатам проведенных исследований показали отсутствие разделения белковых фракций, поскольку количество белка в супернатанте для каждой точки не снижалась. Данную особенность систем с низким содержанием белка описали авторы [14], отмечая неэффективное изолирование сывороточных белков.

Заключение. В исследовании представлены данные о влиянии массовой доли белка, температуры, значения активной кислотности, продолжительности выдержки матрикса сывороточных белков на эффективность селективного разделения фракций. В результатах отражены оптимальные параметры среды, соответствующие обработке молочной сыворотки с массовой долей белка 3% при 85°С и рН 6 в течение 120 минут, которые снижают содержание белка в супернатанте относительно начальной концентрации на 29%, а начальное содержание альбумина – примерно на 84%. Выделение альбумина из молочной сыво- ротки позволит разработать технологию йодированной пищевой добавки, кото- рую можно применять в производстве специализированного питания для детей и людей с аллергией на молочный белок.

Благодарность: Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда No 24-26-00220.

Источник: Стратегия развития АПК России на основе рационального использования региональных генетических и сырьевых ресурсов: материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Волгоград, 6-7 июня 2024 г. / Под общ. ред. акад. РАН И.Ф. Горлова. – Волгоград: ООО «СФЕРА», 2024; 151-156стр.