Аминокислоты, пептиды и белки, получение и применение в продуктах функционального питания

Методы ферментативного гидролиза являются более мягкими и щадящими по сравнению с химическими, благодаря чему их широко применяют в производстве. Гидролиз проходит в зонах рН, соответствующих максимум активности ферментов: чаще в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде, иногда в щелочных или кислых условиях. Оптимум температур соответствует 35-50оС; у некоторых ферментов этот порог может подниматься до 60, но не более 80оС.

Ферменты, расщепляющие белки, называют протеолитическими, или протеазами (протеиназами); гидролизующие полипептиды (пептиды) - пептидазами.

Ферменты, в отличие от кислот и щелочей, действуют только на определенные группы соединений. В частности протеолитические ферменты расщепляют только белки и пептиды или, кроме того, их производные, в основном эфиры аминокислот.

Для гидролиза белков в практических условиях используют, как правило, не индивидуальные протеазы, а их комплексы: ферментные системы животных протеаз – фарш поджелудочной железы крупнорогатого скота или свиней, ткани желудка, сухие ферментные препараты на их основе, мультиферментные системы микробных протеаз [4].

Химический синтез

Химический синтез позволяет получить только рацемат, разделение которого чрезвычайно сложно. Этим методом получают преимущественно глицин. Простейшие аминокислоты можно получать аминолизом α-галоидкарбоновых кислот, например аланин – обработкой хлорпропионовой кислоты очень большим избытком аммиака, чтобы подавить побочную реакцию образования иминодикарбоновой кислоты:

Синтез, предложенный еще в прошлом веке А.Штеккером, основан на реакции альдегида R – CHO с цианидом калия и солями аммония, причем последние можно заменять мочевиной. таким способом  в промышленности синтезируют D, L-метионин, исходя из β-метилтиопропионового альдегида, в свою очередь образующегося по реакции акролеина и метилмеркаптана.

Как бы ни протекал химический синтез, он приводит к образованию смеси строго одинаковых количеств L- и D-изомеров аминокислоты – к её рацемату [11].

Ферментативный синтез

Этот способ имеет ряд преимуществ, в частности, конечный продукт отличается высокой концентрацией и чистотой, нет опасности заражения в ходе реакции посторонними микроорганизмами, в результате синтеза образуются только природные изомеры, имеется возможность осуществления непрерывных технологических процессов.

Основными источниками ферментов являются микроорганизмы.

Ферментативный синтез позволяет получить L-аминокислоты, но дорог, в настоящее время во многих странах разработан метод ферментативного разделения рацемата аминокислот, полученных химическим синтезом. Практически удобны способы получения аминокислот путем катализируемого специфическими ферментами превращения соединений – предшественников. При этом фермент обеспечивает стереоизберательность реакции, образование только одного, как правило, L-изомера. Широко распространен синтез L-аспарагиновой кислоты путем присоединения аммиака к фумаровой кислоте, который катализируется аспартазой или микробными клетками, содержащими этот фермент [14].

Поскольку аспартаза, заключенная в полиакриламидный гель, относительно быстро теряет исходную активность, иммобилизации подвергают микробные клетки, обладающие аспартазной активностью. Хорошим продуцентом аспартазы признаны штаммы Escherichia coli, клетки которой фиксируются в полиакриламидном геле.

Для получения L-фенилаланина применяют реакцию коричной кислоты и аммиака, катализируемую фенилаланинаммиаклиазой:

Ферментативный метод используется также при синтезе L-аланина декарбоксилированием L-аспарагиновой кислоты с помошью Pseudomonas dacunhae [14].

Микробиологический синтез

Микробиологический синтез – настоящее время весьма перспективный и экономически выгодный способ получения многих аминокислот.

Этот метод дает возможность получать L-аминокислоты в больших количествах из простого сырья – отходов сахарной промышленности, крахмала, ацетата и т.д. Микробиологический способ синтеза основан на способности многих микроорганизмов накапливать в среде значительные количества аминокислот. Среди микроорганизмов, получиыших оценку как потенциальные продуценты глутаминовой кислоты, обнаружено много бактерий, ряд дрожжей и других грибов. Большинство обследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают α-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. Строгой корреляции между видовой принадлежностью микроорганизмов и способностью их накапливать аминокислоты нет.

Несмотря на широкое распространение микроорганизмов, накапливающих аминокислоты в процессе роста, продуцентов, обеспечивающих экономически выгодные выходы этих продуктов, не так много. Получают их обычно путем применения различных мутагенных факторов. Продуцент должен аккумулировать преимущественно одну аминокислоту. Одновременное присутствие нескольких аминокислот, особенно если они близки по своим физико-химическим свойствам, затрудняет их выделение и очистку. Ауксотрофные мутанты микроорганизмов, лишенные в результате действия мутагенов, ряда ферментных систем, признаны наиболее ценными продуцентами. Блокада у таких мутантов соответствующих реакций в цепи обмена веществ приводит к сверхсинтезу одного из метаболитов [4].

Наиболее распространенные продуценты аминокислот - граммположительные бесспоровые бактерии, относимые к родам Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium и некоторым другим, но точное таксономическое положение большинства из них определить трудно.

Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании E.coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium [14].

При микробиологическом синтезе аминокислот широкое распространение в качестве компонентов сред для культивирования продуцентов имеют поверхностно активные вещества, биотин и некоторые антибиотики. Биотин содержат многие растительные продукты, часто входящие в состав ферментационных сред. Наиболее богата биотином меласса, являющаяся во многих случаях одним из основных ингридиентов производственных сред, но избыток биотина отрицательно сказывается на накоплении глутаминовой кислоты. Количество биотина в среде должно быть минимально. Одна из функций биотина сводится к синтезу ненасышенных жирных кислот, снижающих проницаемость клеточной мембраны для глутаминовой кислоты, а в ряде случаев биотин оказывается фактором регулирующим процесс биосинтеза: один и тот же микроорганизм  при  низких концентрациях биотина может накапливать глутаминовую кислоту, а при высоких – лизин [4].

С целью повышения проницаемости микроорганизмов рекомендуется вводить в среды некоторые антибиотики, в частности калиевую соль бензилпенициллина.

Повышение степени проницаемости клеточной стенки также возможно при введении в среды поверхностно активных веществ, это вызывает интенсивную утечку из клеток аминокислот [14].

1.5 Применение белков, пептидов, аминокислот в пищевой промышленности

В настоящее время белкам, пептидам, аминокислотам обращаются для решения разных задач: для получения пищевых продуктов, расширения ассортимента кормов, изготовления биологических препаратов, питательных сред и т.д.

Уникальные свойства белков, пептидов и аминокислот: высокая растворимость, термостабильность, в том числе способность выдерживать температуры пастеризации, низкая вязкость при высоких концентрациях – позволяют использовать их для создания пищевых продуктов: белковых напитков, коктейлей. Подобные продукты производятся фирмами MD Foods (гидролизаты казеина и сывороточных белков), Novo Nordisk (гидролизаты белков сои), отечественной фирмой Дисо (на основе белков сои) и др.

Диетическое питание с использованием белков, пептидов и аминокислот назначают для поддержания баланса азота в период роста, физиологических нагрузок (младенчества, беременности) или заболеваний. Так, аминокислоты и пептиды входят в состав медицинских диет при хронических заболеваниях желудочно-кишечного тракта (гастроинтестинальных панкреатитах) и после оперативного удаления части кишечника (при синдроме «короткой кишки»). Они составляют основу для питания гипоаллергических детей, реагирующих на такие продукты, как коровье молоко, яйца, арахис. Как сбалансированный комплекс аминокислот и пептидов, быстро всасываемых и не требующих для своего усвоения энергетических затрат организма, пептиды и аминокислоты показали высокую эффективность при использовании в диетах для спортсменов: в виде тонизирующих напитков для спортсменов используются белковые коктейли с соками [15].

Для детского питания используют преимущественно гидролизаты казеина, белков сыворотки молока и сои. Помимо этих источников с пищевыми целями гидролизуют желатин, рис, картофель, рыбу, яичный альбумин.

Первое поколение продуктов для детей, основанное на гидролизатах казеина, характеризовалось более чем 70%-ным содержанием аминокислот и длиной пептидов не выше 8 аминокислотных остатков. Пищевая продукция первого поколения заполняла рынок в течение 40 лет. Второе поколение представляли собой гидролизаты концентратов белков сыворотки молока (СБМ), которые имели уже 40-60% свободных аминокислот и пептиды длиной 12 аминокислотных остатков, эти продукты продавались в течение последующих десяти лет. Третье поколение гидролизатов получило распространение только в последние годы и характеризуется содержанием свободных аминокислот менее чем 20% и пептидов до 15 аминокислот длиной [16].

Применение соевых белков способствует снижению уровня холестерина в крови, поэтому их целесообразно использовать в рационе людей с избыточным весом, а также людей страдающих непереносимостью молочных продуктов. Для производства пищевых добавок используются соевая мука (содержит 40-50% белка), соевый концентрат (65-75%) и соевый изолят (свыше 85%).

Пептиды и аминокислоты широко используются в парентеральном питании. Установлено, что включение Gln-содержащих пептидов Ala-Gln и Glu-Gln в парентеральное питание позволяет избежать нарушений вовремя стрессовых ситуаций и при недостаточном питании; обогащенное Glu-Gln парентеральное  питание предупреждает атрофию лимфоидной ткани тонкой кишки; парентеральное питание, обогащенное дипептидом Ala-Gln, у хирургических больных после операций на органах брюшной полости способствует нормализации азотистого баланса, восстановления общего количества лимфоцитов в перефирической крови, обеспечивает кишечную проницаемость и абсорбцию [17].

Пептидная диета также оказывает благотворное действие на работу печени. Последствиями нарушения работы печени могут быть снижение иммунной функции, эффективности переработки эндогенных продуктов обмена веществ и способности организма к синтезу жизненно важных белков. Имеющиеся на сегодня данные свидетельствуют о том, что пептидная диета более эффективно поддерживает работу печени и, следовательно, способствует синтезу белков [18].

При использовании белков, пептидов и аминокислот в качестве радиопрофилактических и радиопротекторных средств снижается тяжесть лучевой болезни. Отмечено так же их влияние на иммунологическую реактивность организма [17].

***

Проведен аналитический обзор литературы касающейся проблемы получения белков, пептидов, аминоислот и их применения в продуктах функционального питания.

В литературных источниках достаточно полно рассмотрены источники получения белков, пептидов, аминокислот, способы их получения. Особенно много внимания на данный момент уделяется микробиологическим и химическим способам синтеза. Поднимается проблема применения нетрадиционных источников для получения белка.

2 Патентные исследования

Поиск проводится по отечественному патентному фонду библиотеки КГТУ и национальной библиотеки Республики Татарстан.

Глубина поиска 10 лет.

Источником информации является официальный бюллетень РФ «Изобретения».

Классификационные индексы предмета поиска определяются по Международной Патентной Классификации МПК:

Целью патентных исследований является анализ применимости прогрессивных решений в курсовой работе.

Таблица 1 – Список охранных документов