Исследование гидролизатов белков молока на наличие низкомолекулярной фракции пептидов. Биоактивность, основные условия получения, влияние пептидов на физико-химические показатели кефира. Рационализация условий получения низкомолекулярных пептидов.
Аннотация к работе
УДК 637.04 получение низкомолекулярных пептидов молока и исследование их иммуностимулирующей активности Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, Санкт-Петербург, РоссияИсследованы гидролизаты белков молока на наличие низкомолекулярной фракции пептидов, показана биоактивность, рационализированы условия получения, выявлено влияние пептидов на физико-химические показатели кефира Ключевые слова: ПЕПТИДЫ, ГИДРОЛИЗ БЕЛКОВ МОЛОКА, МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ, КУМЫС, КЕФИР OBTAINING LOW MOLECULAR WEIGHT PEPTIDES OF MILK AND ANALYSIS OF THEIR IMMUNODEFENCE BOOSTING ACTIVITY Milk protein hydrolysates are analyzed for the presence of low molecular weight fractions of peptides.При получении НМП использовались: обезжиренное коровье молоко (массовая доля жира не более 0.05%), ферментный препарат «Панкреатин» производства ЗАО «Фармпроект», хлороформ, культуры молочнокислых бактерий Streptococcus lactis, Lactobacillus acidophilus, а также естественные симбиотические закваски кумысная и кефирная из коллекции микроорганизмов кафедры технологии молока и пищевой биотехнологии СПБГУНИПТ. Молекулярно-массовое распределение (ММР) продуктов расщепления белков молока анализировали методом эксклюзионной аналитической гель-проникающей хроматографии на колонках с Sephadex G-75-medium и G-50-medium. Линейные области частных калибровочных кривых для Sephadex G-75-medium (y=-0,0546x 5,8857, стандартная ошибка 0,0349, коэффициент корреляции 0,9951) и G-50-medium (y=-0,0727x 6,3127, стандартная ошибка 0,2045, коэффициент корреляции: 0,9624) представлены на рисунках 1 и 2 соответственно. Первая часть экспериментов была направлена на рационализацию условий получения НМП расщеплением белков молока посредством ферментного препарата «Панкреатин»: фермент-субстратное соотношение (ФСС), продолжительность и температура ферментации, РН молока. В следующей серии экспериментов были исследовано 4 образца, представляющие собой обезжиренное пастеризованное при 87±2 °С в течение 20 мин, сквашенное: Str. thermophilus (образец 1) , Lbc. acidophilus(образец 2), а также кефирной (образец 3) и кумысной (образец 4) закваской.
Введение
Около пятидесяти лет назад было установлено, что пептиды экзогенного происхождения молекулярной массой 1500-5500 Да, зашифрованные в аминокислотной последовательности некоторых пищевых белков могут оказывать влияние на координацию функций многоклеточных организмов. В результате многолетних исследований показано, что факторы пептидной природы, получаемые в процессе гидролиза белков молока являются одними из наиболее физиологически активных, воздействуя на пищеварительную, иммунную, сердечно-сосудистую и нервную системы [1].
Цель работы
Рационализация условий получения низкомолекулярных пептидов (НМП) 1500-5000 Да протеолизом белков молока препаратом «Панкреатин»; исследование образцов кисломолочных продуктов на наличие НМП; определение влияния НМП на иммунный статус организма; изучение влияния НМП на физико-химические показатели кисломолочного напитка смешанного брожения.
Материалы и методы пептид белок молоко низкомолекулярный
При получении НМП использовались: обезжиренное коровье молоко (массовая доля жира не более 0.05%), ферментный препарат «Панкреатин» производства ЗАО «Фармпроект», хлороформ, культуры молочнокислых бактерий Streptococcus lactis, Lactobacillus acidophilus, а также естественные симбиотические закваски кумысная и кефирная из коллекции микроорганизмов кафедры технологии молока и пищевой биотехнологии СПБГУНИПТ. Выработка образцов кисломолочных продуктов проводилась при общепринятых продолжительности и температуре сквашивания, в случае продуктов смешанного брожения также присутствовала стадия созревания.
Молекулярно-массовое распределение (ММР) продуктов расщепления белков молока анализировали методом эксклюзионной аналитической гель-проникающей хроматографии на колонках с Sephadex G-75-medium и G-50-medium. Вариант элюирования - изократический, размеры аналитической колонки 0,5?0.015 м, элюент 0.15 М раствор хлорида натрия, скорость пропускания 20 мл\ч перистальтическим насосом LKB Bromma 2132. Линейные области частных калибровочных кривых для Sephadex G-75-medium (y=-0,0546x 5,8857, стандартная ошибка 0,0349, коэффициент корреляции 0,9951) и G-50-medium (y=-0,0727x 6,3127, стандартная ошибка 0,2045, коэффициент корреляции: 0,9624) представлены на рисунках 1 и 2 соответственно. Математическая обработка экспериментальных данных проводилась с использованием пакетов программ MS Office 2010, CURVEEXPERT 1.4.
В качестве детектора использовали проточный спектрофотометр LKB Bromma 2138 Uvicord S при длине волны 230 нм, которая является наиболее специфической для белков и пептидов, чувствительность 0.5. Данный этап экспериментов проводился на базе лабораторий №9 (синтеза пептидов и полимерных микросфер) и №5 (природных полимеров) ИВС РАН.
Клинические исследования проводились на линейных белых крысах 21 дневного возраста с первоначальным весом 84±3 г. Для каждой кратности эксперимента использовались животные одного помета. Учет величины антимикробных свойств сыворотки крови (БАСК) проводили фотоэлектронефелометрическим способом по методу О.В. Смирновой и Т.А. Кузьминой. Показатель лизоцимной активности сыворотки крови (ЛАСК) определяли фотоэлектроколориметрическим методом по А.Г. Дорофейчуку [2]. Определение фагоцитарной активности (ФА) лейкоцитов in vitro проводили по методу Е.А. Коста и М.И. Стенко (1947) [3]. Данный этап экспериментов проводился на базе кафедры физиологии СПБГАВМ.
Обсуждение результатов
Первая часть экспериментов была направлена на рационализацию условий получения НМП расщеплением белков молока посредством ферментного препарата «Панкреатин»: фермент-субстратное соотношение (ФСС), продолжительность и температура ферментации, РН молока.
Установлено, что увеличение массы вносимого фермента от 0.01% до 0.4% от массы ферментируемой смеси позволяет повысить выход НМП до 75-77% (рис. 1), дальнейшее увеличение данного показателя не рационально, т.к. приводит к избыточному накоплению потенциально аллергенных материалов ферментного препарата в гидролизате, а также к удорожанию процесса.
При изучении влияние продолжительности ферментации выявлено, что накопление НМП происходит в течение 22-26 часов, причем, в первые 4-5 часов термостатирования пептидный профиль полученных гидролизатов претерпевает наиболее значительные изменения, что выражается в увеличении содержания искомой фракции приблизительно до 75-76%, в то время как дальнейшее ведение процесса несущественно повышает данный показатель (78-79%).
Ввиду того, что в состав «Панкреатина» входят протеолитические ферменты трипсин и химотрипсин с различными температурными и РН оптимумами (37 °С, 7.7-8.1 и 50 °С, 7.9-9.1 соответственно) необходима рационализация процесса по данным показателям. Установлено, что при 42-44 °С достигается предельное накопление НМП 72-74%, дальнейшее повышение температуры термостатирования приводит к значительному снижению выхода искомой фракции, с преобладанием практически не подвергшихся гидролизу белков молока - гидролизатов молекулярной массой 16-106 КДА (рис. 3).
На основании анализа биохимической кинетики показано, что РН-статирование обезжиренного молока оказывает значительное влияние. Так, при РН молока 5.0 содержание фракции НМП составляет 23-24% от общего содержания веществ пептидной природы в гидролизате и продолжает увеличиваться до максимальных при данных условиях 75-76% при РН 7.5-7.8. Необходимо отметить, что предпочтителен способ получения НМП без РН-статирования, т.к. при значениях РН 7.1-7.3, что соответствует собственному значению РН, обезжиренного молока выход НМП составляет 72-74%, что незначительно отличается от вышеприведенных показателей. Кроме того, катионы натрия, накапливающиеся в процессе добавления гидроксида натрия вероятно способны негативно сказаться на органолептических показателях и биологической ценности в дальнейшем.
Анализ литературы по проблеме микробиального гидролиза белков молока с целью получения биоактивных пептидов показал, что в данной области достаточно активно занимаются за рубежом [2-4]. Публикации отечественных исследователей по выделению и изучению биоактивных пептидов из белков молока, гидролизованного культурами молочнокислых бактерий, практически отсутствуют.
На наш взгляд проблему получения и использования биоактивных пептидов молока можно решить за счет традиционных кисломолочных продуктов. В этой связи актуально провести мониторинг молочных продуктов по вопросу содержания НМП, обладающих биологической активностью.
В следующей серии экспериментов были исследовано 4 образца, представляющие собой обезжиренное пастеризованное при 87±2 °С в течение 20 мин, сквашенное: Str. thermophilus (образец 1) , Lbc. acidophilus(образец 2), а также кефирной (образец 3) и кумысной (образец 4) закваской.
Рисунок 5. Хроматограмма образца 1 Рисунок 6. Хроматограмма образца 2
Рисунок 7. Хроматограмма образца 3 Рисунок 8. Хроматограмма образца 4
Из представленных рисунков, наибольшее количественное содержание фракции НМП наблюдается в образце 4, также следует отметить отсутствие областей перекрывания пиков с близлежащей высокомолекулярной фракцией, другими словами, не происходит накопление веществ пептидной природы с промежуточными молекулярными массами, способными осложнить процесс последующей очистки НМП. Высота и ширина пиков свидетельствуют о высокой эффективности и достаточной селективности подобранной колонки в данном случае.
В образцах 1, 2, 3 относительно небольшое образование НМП на фоне более широкого спектра гидролизатов по молекулярной массе, четко прослеживается накопление пептидов молекулярной массой 3,2-4,4 КДА, 16,3-29 КДА и 96-100 КДА.
В биологическом эксперименте использовалась очищенная методом препаративной гель-хроматографии на колонке с гелем Sephadex G-75 и лиофильно высушенная фракция НМП полученная в результате гидролиза молока «Панкреатином». Препарат вводили перорально в виде 1% раствора из расчета 2,5 мг на животное.
Таблица 2 - ФА нейтрофилов крови подопытных животных
Показатель Интактная группа животных, % Опытная группа животных, %
*m-ошибка средней арифметической, **t-критерий достоверности
Из данных таблицы 1 следует, что фагоцитарный индекс увеличился в 1,3 раз, фагоцитарная активность повышается на 14,9%, фагоцитарное число увеличилось в 1,4 раза, что говорит о повышении функциональной активности фагоцитирующей клетки.
Таблица 3 - Показатели ЛАСК и БАСК подопытных животных
Показатель Ед. изм. Интактная группа животных Опытная группа животных
На заключительном этапе экспериментов было исследовано влияние добавки НМП на титруемую и активную кислотность кефира в процессе сквашивания. Масса вносимой добавки 2,5% от объема заквашиваемой смеси, внесение более 7% НМП приводит к ухудшению органолептических характеристик вследствие появления горьковатого привкуса. Было подготовлено 3 образца: контрольный; с добавлением 2,5% НМП; с добавлением 2,5% НМП, предварительно обработанного при температуре 87±2 °С в течение 15 мин. Гель-хроматография фракций НМП до и после тепловой обработки не показала значительных различий.
Последний образец был подготовлен для выявления возможного воздействия остаточного количества ферментного препарата на динамику кислотонакопления. Заквашивание и сквашивание образцов проводили при 25±1 °С.
На рисунках видно, что кислотонакопление в опытных образцах происходит более динамично, начиная с 5-5,5 ч, до этого момента значительных отличий не наблюдается. Следует отметить, что добавление НМП несколько снижает начальное значение РН заквашенного молока на 0,48-0,48 и на протяжении всего процесса данный показатель у опытных образцов ниже по сравнению с контрольным.
Добавка, не прошедшая предварительную тепловую обработку вызывает наибольшее кислотонакопление, а также образование творожистого сгустка, не характерного для кефира.
Интенсификация процесса сквашивания молока в опытных образцах, по-видимому, связана с наличием во фракции НМП продуктов ферментативного гидролиза молекулярной массой менее 1,5 КДА. которые необходимы для биосинтеза собственных белков лактобактерий, способные проходить через клеточную стенку и мембрану против градиента концентрации [4].
Вывод
- наибольшее количество НМП образуется в результате гидролиза белков молока ферментным препаратом «Панкреатин»;
- определены рациональные условия ферментативного гидролиза (без использования РН-статирования, температура и продолжительность ферментации 43±1 °С и 4 ч соответственно, ФСС 1?25);
- в образцах кисломолочных продуктов также происходит накопление НМП, но большая часть представлена пептидами с молекулярной массой более 16 КДА
- препарат НМП обладает иммуностимулирующей активностью, повышая показатели БАСК и ЛАСК на 18,7% и 15,4% соответственно.
Список литературы
1. Rowan, A.M., Haggarty, N.W., and Ram, S. 2005. Milk bioactives: discovery and proof of concept. Australian Journal of Dairy Technology 60: 114-120.
2. Хаитов Р.М. Аллергология и иммунология. Национальное руководство. -М.: ГЭОТАР-Медиа. - 2009. - 636 с.
3. Ярилин А.А. Иммунология. М.: ГЭОТАР-Медиа. - 2010. - 752 с.
4. Гудков А.В. "Сыроделие: Технологические, биологические и физико-химические аспекты". - М.: ДЕЛИ принт. - 2004. - 804 с.