Hidrolizate de proteine în hrana animalelor Producție industrială, peptide bioactive și funcționale
Abstract
fundal
O proteină este o macromoleculă formată de obicei din douăzeci de aminoacizi (AA) diferiți legați prin legături peptidice. Selenoproteinele conțin selenocisteină ca un AA rar, dar nu există selenocisteină liberă în celulele animale. Proteinele sunt o componentă majoră a țesuturilor animale (de exemplu, mușchiul scheletic, glandele mamare, ficatul și intestinul subțire) și produsele (de exemplu, carne, lapte, ou și lână). De exemplu, conținutul de proteine din mușchiul scheletic al bovinelor sau porcinelor în creștere este de aproximativ 70% pe bază de substanță uscată [1]. Astfel, aportul adecvat de proteine alimentare este esențial pentru creșterea maximă, performanța producției și eficiența hranei pentru animale, păsări și pești. După ce au fost consumate într-o masă de către animale, proteinele din ingredientele furajere (de exemplu, făină de sânge, făină de carne și oase, pudră de intestine-mucoasă, făină de pește, făină de soia, făină de arahide și făină de bumbac) sunt hidrolizate în peptide mici - și tri-peptide) și AA libere de către proteaze și oligopeptidaze în intestinul subțire [2]; cu toate acestea, tipurile de peptide rezultate pot varia foarte mult în funcție de condițiile fiziologice ale animalelor și de compoziția dietelor lor. Pentru fabricarea consecventă a peptidelor din proteine din surse animale și vegetale, au fost utilizate metode chimice robuste, enzimatice sau microbiene înainte de hrănire pentru a îmbunătăți calitatea nutrițională a acestora și pentru a reduce factorii anti-nutriționali asociați. Ultimele două metode pot îmbunătăți, de asemenea, solubilitatea, vâscozitatea, emulsificarea și gelificarea peptidelor.
În producția animală, proteinele de înaltă calitate nu sunt hidrolizate ca aditivi furajeri. Numai subprodusele animale, subprodusele fabricii de bere și ingredientele vegetale care conțin factori anti-nutriționali sunt hidrolizate pentru a produce peptide pentru hrana animalelor. Proteazele izolate din diverse surse (inclusiv bacterii, plante și drojdie) sunt utilizate pentru metoda enzimatică, în timp ce microorganismele intacte sunt utilizate pentru cultură în abordarea microbiană. Până în prezent, hidrolizatele de proteine au fost aplicate în domenii atât de diverse precum medicina, nutriția (inclusiv nutriția animalelor) și biotehnologia [5]. Obiectivele majore ale acestui articol sunt de a evidenția tehnicile bazate pe enzime și fermentație pentru prepararea industrială a hidrolizaților de proteine și pentru a discuta despre semnificația nutrițională și funcțională a peptidelor lor bioactive în hrana animalelor.
Definiții ale aminoacizilor, peptidelor și proteinelor
Aminoacizii sunt substanțe organice care conțin atât grupe amino, cât și acizi. Toate AA proteinogenice au o grupă α-amino și, cu excepția glicinei, apar ca izomeri L la animale și furaje. O peptidă este definită ca o moleculă organică formată din două sau mai multe reziduuri AA legate prin legături peptidice [2]. Formarea unei legături peptidice are ca rezultat îndepărtarea unei molecule de apă. În majoritatea peptidelor, legăturile tipice peptidice sunt formate din grupările α-amino și α-carboxil ale AA adiacente. Peptidele pot fi clasificate în funcție de numărul de reziduuri AA. O oligopeptidă este alcătuită din 2 până la 20 de resturi AA. Acei oligopeptide care conțin ≤ 10 reziduuri AA sunt numite oligopeptide mici (sau peptide mici), în timp ce acele oligopeptide care conțin 10-20 reziduuri AA sunt numite oligopeptide mari (sau peptide mari). O peptidă, care conține ≥ 21 reziduuri AA și nu are o structură tridimensională, este denumită polipeptidă [6]. O proteină constă din una sau mai multe polipeptide cu greutate moleculară mare.
Cele patru ordine ale structurilor proteice. O proteină are (1): o structură primară (secvența AA-urilor de-a lungul lanțului polipeptidic;) (2) o structură secundară (conformația coloanei vertebrale a polipeptidei); (3) o structură terțiară (dispunerea tridimensională a proteinei) și (4) o structură cuaternară (dispunerea spațială a subunităților polipeptidice). Secvența primară de AA într-o proteină determină structurile sale secundare, terțiare și cuaternare, precum și funcțiile sale biologice
Acidul tricloracetic (TCA; concentrația finală de 5%) sau acidul percloric (PCA; concentrația finală de 0,2 mol/L) pot precipita pe deplin proteine, dar nu peptide, din țesuturile animale, celule, plasmă și alte fluide fiziologice, rumen, fluide alantoice, amniotice, lumen intestinale și digestive) [9, 10]. Etanolul (concentrația finală de 80%) poate precipita în mod eficient atât proteine, cât și acizi nucleici din soluții apoase [11]. Această metodă poate fi utilă pentru îndepărtarea compușilor anorganici solubili în apă (de exemplu, aluminiu) din hidrolizați de proteine. De remarcat, acid tungstic 1% poate precipita atât proteine, cât și peptide cu ≥ 4 reziduuri AA [10]. Astfel, PCA sau TCA pot fi utilizate împreună cu acidul tungstic pentru a distinge peptidele mici și mari.
Producția industrială de hidrolizați de proteine
Considerații generale despre hidroliza proteinelor
Proceduri generale pentru producerea de peptide din proteine animale și vegetale. Peptidele (inclusiv peptidele bioactive) pot fi produse din proteine prezente în produsele de origine animală (inclusiv subproduse) sau din materialul furajelor de origine vegetală (de exemplu, soia și grâul) prin hidroliză chimică, enzimatică sau microbiană. Este posibil să fie necesar ca aceste proceduri generale să fie modificate pentru producția de peptide, în funcție de sursele de proteine și specificațiile produsului
Gradul de hidroliză
Hidrolizatele de proteine includ AA libere, peptide mici și peptide mari. Proporțiile acestor produse variază în funcție de sursele de proteine, de calitatea apei, de tipul de proteaze și de speciile de microbi. Gradul de hidroliză, adică măsura în care proteina este hidrolizată, este măsurat prin numărul de legături peptidice scindate, împărțit la numărul total de legături peptidice dintr-o proteină și înmulțit cu 100 [3]. Numărul de legături peptidice clivate se măsoară prin moli de AA libere plus moli de peptide solubile în TCA sau PCA. Datorită lipsei de standarde pentru toate peptidele generate de hidroliza proteinelor, este dificil din punct de vedere tehnic să cuantificăm peptidele eliberate din surse de proteine animale, vegetale sau microbiene. Procentul de AA sub formă liberă sau sub formă de peptidă se calculează după cum urmează:
Atunci când catabolismul AA este limitat (ca în hidroliza enzimatică), procentul AA în peptide este calculat ca (AA total în AA fără proteine)/AA total în proteine x 100%. Cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC) este utilizată pe scară largă pentru determinarea AA-urilor libere [12]. HPLC și alte tehnici analitice (de exemplu, spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară, ionizarea prin matrice a ionizării cu laser prin spectrometrie de masă de zbor, cartografierea peptidelor și cromatografia cu schimb de ioni) sunt adesea folosite pentru a caracteriza peptidele din hidrolizate de proteine [13, 14]. Când sunt disponibile standarde, HPLC poate fi utilizat pentru a analiza peptidele.
Metode pentru hidroliza proteinelor
Hidroliza acidă a proteinelor
Hidroliza acidă a unei proteine (gelatină) la o temperatură ridicată a fost raportată pentru prima dată de chimistul francez H. Braconnot în 1920. Se stabilește acum că hidroliza completă a unei proteine în 6 mol/L HCl are loc la 110 ° C timp de 24 de ore [12]. O perioadă de timp mult mai scurtă (de exemplu, 2 până la 6 ore) este utilizată pentru a produce peptide [3]. După hidroliză, produsul este evaporat, pasteurizat și uscat prin pulverizare. Majoritatea hidrolizaților de proteine acide sunt folosiți ca agenți de îmbunătățire a aromei (de exemplu, produse aromatizante, cum ar fi proteine vegetale hidrolizate) [5]. Metoda de hidroliză acidă a unei proteine oferă avantajul unui cost redus. Cu toate acestea, acest proces are ca rezultat distrugerea completă a triptofanului, pierderea parțială a metioninei și conversia glutaminei în glutamat și a asparaginei în aspartat [5].