ПОТЕНЦИАЛ БЕЛКОВ,
ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ БОБОВЫХ КУЛЬТУР,
В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Основано на материале статьи N. Goldstein and R. Reifen, The potential of legume-derived proteins in the food industry, Grain & Oil Science and Technology, 2022
В свете растущего спроса на белок, как новые источники белка, так и существующие устойчивые источники белка (например, бобовые, насекомые, водоросли и культивированное мясо) становятся незаменимыми. Хотя животные белки были широко изучены и широко используются в пищевых системах или являются их частью, прогнозы их негативного воздействия стимулируют исследования других источников белка, таких как бобовые.
Среди растений бобовые считаются жизненно важным источником белка, богаты биологически активными сопутствующими питательными веществами и, как показано, обеспечивают высокий уровень других питательных веществ, таких как растворимые и нерастворимые волокна, калий, магний, фолат, селен и фосфор. Бобовые обладают высокой функциональностью, поэтому новая парадигма заключается в том, что бобовые являются не только источником питания с различным составом, но и хорошо сортируются по функциональности. Действительно, бобовые содержат большинство незаменимых #POPOVER1#аминокислот#/POPOVER#, хотя в целом они испытывают дефицит серосодержащих аминокислот. Бобовые обычно содержат примерно 17%-30% сырого #POPOVER2#протеина#/POPOVER#, 1%-15% #POPOVER3#липидов#/POPOVER# и 60%-65% #POPOVER4#углеводов#/POPOVER#.
Питательные и функциональные свойства бобовых белков (например, #POPOVER5#гелеобразование#/POPOVER#, #POPOVER6#эмульгирование#/POPOVER# и пенообразование) привели к их широкому включению в пищевые продукты с существенной приемлемостью для потребителей. Их изобилие, относительно низкая стоимость, устойчивость, пищевые преимущества, низкая аллергенность и широкая приемлемость делают эти белки подходящими кандидатами для приготовления богатых белком ингредиентов. Предпринимаются попытки производства на основе белков бобовых съедобных упаковочных пленок и уникальных пищевых продуктов, таких как безглютеновая выпечка, аналоги мяса, экструдированные продукты, ферментированные продукты, распространяемые пищевые гели и сбалансированные по питательным веществам белковые закуски.
Тем не менее, включение #POPOVER7#полиненасыщенных жирных кислот#/POPOVER# (ПНЖК), полученных из растительных источников, сопряжено с рядом трудностей. Из-за высокого содержания ненасыщенных жирных кислот жиры становятся жидкими при комнатной температуре, что негативно влияет на свойства продуктов, которые традиционно получают из насыщенных жирных кислот, такие как растекаемость масла, вспенивание взбитых сливок и текстура мороженого. Следовательно, современная стратегия разработки функциональных продуктов питания на основе ПНЖК заключается в добавлении их в продукты питания для увеличения их индивидуального и общего содержания. Основной проблемой в этой стратегии является восприимчивость ПНЖК к окислительным реакциям и изменениям сенсорных свойств и текстуры. Известно, что окисление ненасыщенных жирных кислот в бобовых вызывает нежелательные запахи, главным образом, летучих соединений. Для преодоления этих проблем были изучены различные стратегии, такие как использование #POPOVER8#антиоксидантов#/POPOVER#, методов инкапсуляции и микрогелей.
Функциональность белков включает в себя техно-функциональные свойства, такие как растворимость, гелеобразование и поверхностная активность, которые определяют поведение и эффективность белков в пищевых системах. Благодаря своим исключительным функциональным свойствам, животные белки были широко изучены и широко используются в пищевых системах или являются их частью. Тем не менее, производство животного белка имеет различные негативные последствия. Для того чтобы оценить замену животного белка на бобовый белок, изучаются характеристики бобового белка.
Растворимость
Как правило, белки обладают ограниченной растворимостью в воде. Растворимость является одной из наиболее важных характеристик, поскольку она связана со свойствами эмульгирования, пенообразования и гелеобразования. Эти качества имеют большое значение, поскольку многие продукты питания создаются в виде напитков, эмульсий или пены (например, соусы, салатные заправки, взбитые начинки, обогащенные напитки, продукты энтерального и клинического питания). Следовательно, белки, включенные в эти составы, должны обладать хорошей растворимостью и поверхностно-активными свойствами. Тем не менее, поверхностный заряд и pH системы, а также тип и концентрация солей также влияют на растворимость белка бобовых.
Гидрофобные компоненты на поверхности белка препятствуют его растворимости, в то время как заряд на поверхности белка способствует растворимости. Это явление было ранее продемонстрировано для гороха, фасоли фава, нута и почечных бобов.
Низкая растворимость в воде часто может быть улучшена с помощью физических, химических или ферментативных подходов, а некоторые методы уже могут быть частью производственных процессов. Эти методы улучшают растворимость, что повышает потенциал применения многих белков. Например, более высокая растворимость и поверхностный заряд изолятов белка гороха наблюдались при экстракции методом #POPOVER9#изоэлектрической#/POPOVER# преципитации по сравнению с солевой #POPOVER10#экстракцией#/POPOVER# и методами #POPOVER11#ультрафильтрации#/POPOVER#. Эти процессы также могут вызывать новые функциональные свойства, такие как стабилизация пены и эмульсий и изменение структуры и текстуры. Хотя значительная часть рецептурных продуктов питания требует растворимых белков, плохо растворимые белки все еще могут использоваться в таких продуктах, как аналоги мяса, хлебобулочные изделия, сухие завтраки и белковые батончики.
Способность к эмульгированию
Способность к эмульгированию также имеет решающее
значение для включения белка в пищевые системы. Способность белка стабилизировать эмульсию считается одним из наиболее важных функциональных свойств, определяющих эффективность применения в пищевых продуктах, таких как измельченное мясо, биточки, тесто, отбеливатели для кофе/чая, мороженое, супы, торты, майонез и т.д. Эмульсия может быть определена как #POPOVER12#дисперсия#/POPOVER# или #POPOVER13#суспензия#/POPOVER# двух несмешивающихся жидкостей, в которой одна жидкость диспергирована в непрерывной фазе другой жидкости. В пищевых продуктах эмульсии обычно бывают типа "масло в воде", например, молоко и майонез, или "вода в масле", например, масло и маргарин. Эмульсии #POPOVER14#термодинамически нестабильны#/POPOVER# из-за повышенного межфазного поверхностного натяжения. Со временем эмульсии типа "масло в воде" подвержены явлениям кремообразования, #POPOVER15#флокуляции#/POPOVER# и коалесценции, поскольку система пытается стабилизироваться. Белки могут стабилизировать эмульсию благодаря своей способности адсорбироваться на границе раздела фаз и минимизировать межфазное натяжение между двумя фазами. Эта способность определяется несколькими факторами, включая растворимость и гидрофобность, которые считаются основополагающими для стабилизации. Кроме того, добавление белков способствует повышению стабильности эмульсии за счет увеличения вязкости непрерывной фазы, что снижает скорость движения капель масла.
По сравнению с молочными белками, растительные белки образуют относительно более толстый межфазный слой на границе раздела масло/вода из-за большего размера молекул и структурных ограничений. Кроме того, было обнаружено, что некоторые растительные белки способствуют высокой стабильности эмульсий, которые они стабилизируют, по сравнению с молочными белками, препятствуя коалесценции капель при нагревании и в присутствии соли. Тем не менее, некоторые исследования показали, что по сравнению с молочными белками, бобовые белки, особенно соевые, более подвержены #POPOVER16#агрегации#/POPOVER# с течением времени при изменениях окружающей среды. Однако термически обработанные соевые и гороховые белки показали сопоставимые размеры частиц с β-лактоглобулином и коммерческим эмульгатором Tween-20, хотя изолят горохового белка оказался лучшим эмульгатором, с меньшим размером капель эмульсии и лучшими характеристиками пенообразователя, по сравнению с изолятом соевого белка.
Структура растительного белка и его способность разворачиваться при адсорбции на границе раздела фаз может представлять потенциал для образования белковых частиц на границах раздела фаз, что обеспечивает повышенную стабильность эмульсии, например, эмульсии, стабилизированные нано- или микрочастицами. Например, полученные из чечевицы белковые концентраты и изоляты показали хорошие результаты в качестве эмульгаторов в салатных заправках, заменителей яиц при производстве обогащенной белком выпечки, стабилизаторов для наноэмульсионных систем, инкапсулирующих агентов, противомикробных пленок и использования в производстве нановолокон. Мука из нута, гороха, сои, чечевицы и фава-бобов показала лучшую эмульсионную активность и стабильность по сравнению с пшеничной, ячменной и овсяной мукой, предположительно из-за более высокого содержания белка. В другом исследовании эмульсии "масло в воде" были сформированы с использованием оливкового масла и изолятов белка чечевицы и сравнивались с животными белками. Эмульгирующие свойства изолятов белка чечевицы были сопоставимы с изолятами сывороточного белка и казеинатом натрия при низких и нейтральных значениях pH.
Пенообразование
Пена часто встречается в таких пищевых системах, как
суфле, муссы, квасной хлеб, взбитые кремы и меренги. Эти пищевые системы основаны на захвате воздуха, который образуется белковыми пленками. Помимо придания пене тела, воздушные ячейки способствуют рассеиванию ароматизаторов и улучшают ощущения во рту и легкость. Хотя исследования пены на основе бобовых культур все еще отсутствуют, было обнаружено, что мука из бобовых культур дает большее количество пены, чем мука из зерновых культур, что, возможно, связано со следующими факторами более высоким содержанием общего белка и растворимых белков альбуминового и глобулинового типа в бобовой муке, которые обеспечивают большую диффузию к границе раздела фаз. Бобовый белок из чечевицы показал высокую пенообразующую способность при всех уровнях pH, причем эта способность была выше, чем у соевого и горохового белков при аналогичных диапазонах pH. Была продемонстрирована положительная связь между пенообразующими свойствами и поверхностным зарядом и растворимостью белковых изолятов из многочисленных линий почечных бобов и полевого гороха. Кроме того, было высказано предположение, что более высокий заряд на белках почечных бобов и гороха может ослабить гидрофобное взаимодействие и увеличить растворимость белков, позволяя им быстрее распространяться на границе раздела воздух-вода, инкапсулируя частицы воздуха и, таким образом, увеличивая пенообразование.
Желирование
Гелеобразование является важным функциональным свойством, поскольку оно используется для изменения текстуры пищи в вязких продуктах, таких как пудинги, супы и гели. Более того, тофу и хлебное тесто являются примерами применения растительных белков, которые образуют гели или сети при определенных условиях.
Белковый гель определяется как трехмерная и четко определенная сеть, собранная из белковых молекул, внедренных в водный растворитель. Гелеобразование белков может быть вызвано с помощью тепловой обработки, изменения рН, добавления соли, приложения давления или сдвига с одним или несколькими растворителями. Большинство гелей пищевых белков образуется при тепловой обработке, однако чрезмерное нагревание белков при высоких температурах (выше 100 °C) может привести к разрушению пептидных связей, что может препятствовать гелеобразованию. Температура гелеобразования белков бобовых обычно зависит от термостабильности белка и выше, чем температура денатурации, поскольку денатурация является предпосылкой для гелеобразования, вызванного нагреванием. Например, было обнаружено, что температура гелеобразования изолята белка бобов почек выше, чем изолята гороха полевого, вероятно, из-за более высокой относительной доли β-листов, которые способствуют термостабильности.
Основная трудность использования растительных глобулинов для гелеобразования заключается в их ограниченной растворимости и склонности к агрегации во время экстракции. Однако процесс термоиндуцированного гелеобразования растительных глобулинов аналогичен процессу гелеобразования глобулинов молочных продуктов. Глобулины люпина образуют более слабые гели, чем глобулины гороха при одинаковой концентрации, что связано с большей температурной стабильностью и склонностью к образованию внутримолекулярных агрегатов при нагревании. Гороховый белок образовал стабильную гелевую сеть при кислом pH, в то время как при щелочном pH гель демонстрировал вязкость. Также было обнаружено, что соево-белковый тофу, индуцированный кислотой, дает более высокую прочность геля, чем тофу, индуцированный солью. Однако повышенная прочность геля приводила к большим синерезисам, чем пониженная прочность геля (как показано на примере тофу, индуцированного солью).
Бобовые культуры играют важную роль в погоне за альтернативными белками. Они обладают необычайно высоким содержанием белка по сравнению с другими растениями, содержат большинство незаменимых аминокислот, богаты питательными веществами и биологически активными сопутствующими нутриентами. Поэтому белки, полученные из бобовых, дают возможность заменить некоторые существующие белки из животных источников. Белки, полученные из бобовых, распространены в изобилии, относительно недороги, устойчивы, не вызывают аллергии и широко приемлемы. Их технико-функциональные характеристики делают возможным их использование в различных пищевых системах и приложениях, как в натуральном, так и в модифицированном виде. Некоторые пищевые продукты на основе белков, полученных из бобовых, уже доступны на рынке.