Звіт про тенденції харчової хімії - Hellwig - 2020 - Новини хімії - Інтернет-бібліотека Wiley
Анотація
У разі окислення білка цікавлять не тільки механізми та продукти реакції, але й те, як вони впливають на функціональні та сенсорні властивості продуктів. Мас-спектрометрія все частіше замінює неспецифічну УФ- та флуоресцентну спектроскопію. А за допомогою цілеспрямованих протеомічних підходів можна визначити не тільки окремі окислені амінокислоти, але й вибірково окислені триптичні пептиди.
Життя в атмосфері кисню приносить із собою небажані окислення, які змінюють структуру та функціональність біомолекул. Ці реакції викликаються активними формами кисню (АФК), які включають супероксидний радикал, пероксид водню та особливо реактивний гідроксильний радикал. У живих клітинах антиоксидантні ферменти, такі як каталаза або супероксиддисмутаза, роблять АФК нешкідливими, завдяки чому існує баланс між утворенням і деградацією АФК. Якщо баланс зміщується на користь утворення АФК, можна говорити про окислювальний стрес. 1)
Їжа потрапляє в умови, що відхиляються від фізіологічної норми з точки зору температури, значення рН або навколишнього середовища. Тому реакції відбуваються при переробці та зберіганні харчових продуктів, багато з яких досі невідомі. Їх знання може допомогти зрозуміти індуковані окисленням функціональні зміни білків. Крім того, таким чином можна розпізнати структурно-ефективні зв’язки.
Виникають радикали
Як і при перекисному окисленні ліпідів, ланцюгові реакції запуску можна визначити для радикального окислення білка, в якому утворюються білкові радикали (рис. 1). 2) У аліфатичних бічних ланцюгах кисень може додаватися до таких радикалів, утворюючи пероксильні радикали, які далі реагують з утворенням гідропероксидів. Під час розмноження радикали можуть переноситися всередині білка. Гідропероксиди стабільні до декількох годин, але в кінцевому підсумку розкладаються до гідроксильних або кетосполук (Рисунок 2).
Гідроксисполуки також утворюються під час окислення ароматичних бічних ланцюгів амінокислот, таких як фенілаланін, тирозин або триптофан. Димеризація білкових радикалів призводить до зшивання. На додаток до радикалів відбувається 2-електронне окиснення, наприклад, на метіоніні, при цьому утворюються сульфоксид метіоніну та сульфон метіоніну (рис. 2). 2) Деякі окислені амінокислоти виникають як проміжні продукти в біохімічно важливих метаболічних шляхах, такі як ароматична амінокислота кінуренін, метаболічний проміжний продукт при розпаді триптофану.
В останні роки робота над окремими продуктами була зосереджена на окислювальному зшиванні, причому такі структури, як продукт зшивання гістидину, показаний на малюнку 2, отримані переважно на основі мас-спектрометричних даних. 3) Синтез та характеристика речовин ще очікують. Крім того, описані нові шляхи реакції, такі як каталітична роль метіоніну в реакціях розщеплення пептидів, в яких група тіоефірів передає окислювальну шкоду білковій магістралі (рис. 3). 4)
Вплив окислення білка на продукти харчування
Їжу, пошкоджену перекисним окисленням ліпідів, можна впізнати за сенсорними властивостями: Вони мають смак згірклого. Продукти окислення білка набагато менш помітні для почуттів, але вони теж можуть змінити аромат. Наприклад, молоко та пиво мають смак світла, коли ці продукти потрапляють під сонячне світло. Фотоокислення метіоніну вивільняє проміжні тіїлові радикали, які можуть димеризуватись до диметилдисульфіду (рис. 4). 5) У пиві леткий 3-метилбут-2-ен-1-тіол може утворюватися після реакції з продуктами розпаду гірких речовин хмелю. 5)
У деяких країнах ЄС, але не в Німеччині, рибу та птицю можна обробляти іонізуючим випромінюванням для їх збереження. Це створює диметилтрисульфід, який утворюється при розщепленні сірковмісних амінокислот. 6) Він видає запах, описаний як "гнильний".
На додаток до аромату, функціональні властивості змінюються внаслідок окислення білка: індуковане окисленням зшивання, головним чином завдяки цистину, зменшує ніжність і соковитість м’язового м’яса. 7)
Ферментативні системи з антиоксидантною дією, як правило, значно менш активні в їжі, ніж у живих системах, або інактивуються обробкою (термічна обробка, зміна рН). Таким чином, білки в оброблених харчових продуктах більш сприйнятливі до окислювальної деградації, ніж у фізіологічних умовах. Для того, щоб придушити перекисне окислення ліпідів, доступні антиоксиданти, які завдяки своїм подібним структурам реагують з АФК так само швидко, як ліпіди та стабілізовані мезомерами радикали. Однак оскільки деякі елементи субструктури білків, такі як тіол або тіоефірні групи, реагують швидше з АФК, ніж переважно жиророзчинні антиоксиданти, 9) антиоксиданти для ліпідів не можуть запобігти окисленню білка.
Через низькі сенсорні ефекти окислення білка порівняно з перекисним окисленням ліпідів, ці реакції можуть бути корисними: Індуковані окисленням реакції зшивання, небажані в м'ясних продуктах, мають емульсійну та гелестабілізуючу дію в таких продуктах, як йогурт. Наприклад, окислення білка покращує структуру веганських та вегетаріанських продуктів на основі білків. 10)
Окислення білка: розщеплюється і опрацьовується
Даних про концентрації продуктів окислення білка в їжі мало. Протягом декількох років зростає інтерес до окремих окислених амінокислот та груп речовин у продуктах харчування, переважно із застосуванням методів аналізу окислення білків in vivo. Наразі окремі структури здебільшого реєстрували лише з невеликою кількістю зразків. 11,12) Для надійних оцінок впливу необхідно розширення бази даних.
Метод обробки є визначальним для інформативної цінності аналізів окислення білка. Для того, щоб проаналізувати окремі окислені амінокислоти, необхідно видалити їх із білкової збірки шляхом гідролізу (рис. 5). Зазвичай це робиться за допомогою ферментативного або солянокислого гідролізу.
Особливо при застосуванні методів з фізіологічної хімії до аналізів харчових продуктів, методи для відповідних матриць повинні бути перевірені. Це особливо важко при дослідженні продуктів харчування з сильно розбіжними впливами матриці. Наприклад, харчові білки, які переробляються при високих температурах і лужних значеннях рН, мають тенденцію до ковалентного зшивання. Тут ферментативні гідролізи досягають своїх меж.
Деякі продукти окислення не є кислотостійкими, тому стандартні процеси, такі як гідроліз соляної кислоти, не підходять для цих продуктів. Гідроліз соляної кислоти може ввести в оману продукти її реакції, такі як метіонін сульфоксид з метіоніну.
Виміряйте білкові карбоніли
У минулому карбоніли білків визначали, не враховуючи в достатній мірі межі їх аналізу. Визначення карбонілів білка базується на реакції 2,4 - динітрофенілгідразину (DNPH) з карбонільними групами на білок; це в основному продукти алізин та γ - глутамілсеміальдегід (рис. 2, с. 55). 13) Вирішальна перевага аналізу карбонілювання: Не потрібно гідролізувати білок, який може спричинити артефакти. Однак в аналіз включаються лише розчинні білки, а аналіз карбонілювання охоплює лише деякі зміни, що відбуваються в білках внаслідок окислення. Не всі окислені амінокислоти насправді мають карбонільну структуру (рисунок 2).
Тому автори останніх публікацій все частіше реєструють окремі окислені амінокислоти в їжі. 11,14) Загальний вміст окремих амінокислот визначають після гідролізу білка та визначають окремі окислені бічні ланцюги, які легко окислюються.
Як показує аналіз окремих окислених амінокислот, метіонінсульфоксид є домінуючою окисленою амінокислотою в продуктах харчування; Окислення метіоніну в фізіологічних умовах значно нижче. 11.14)
До трьох чвертей залишків метіоніну в продуктах харчування та кормах можуть бути окислені. 2.12) У фізіологічних умовах метіонінсульфоксидредуктази зменшують накопичення метіонінсульфоксиду. Імовірно через такі ферменти та через умови, яким харчові білки піддаються під час переробки, спектр окислених амінокислот у їжі суттєво відрізняється від спектру живих систем.
Протеоміка
Іншим способом аналізу окремих сполук є використання методів, заснованих на протеоміці. Білки ферментативно гідролізуються до пептидів, наприклад, з трипсином, відокремлюють рідинною хроматографією та ідентифікують за допомогою мас-спектрометрії з високою роздільною здатністю. Ступінь окиснення пептидів можна визначити за допомогою біоінформатичного програмного забезпечення для оцінки, а також положення окислення і, отже, окрему окислену амінокислоту в спектрах фрагментації. 15)
Цей спосіб в основному застосовується для молока, молочних продуктів, м’яса та м’ясних продуктів. Показано, що спектр окислених амінокислот у їжі значно більший, ніж визначено раніше після тотального гідролізу білків. 15)
Остання редокс-протеоміка поєднує маркування карбонільних груп та селективне виділення продуктів реакції з використанням мас-спектрометричних методів з високою роздільною здатністю. Крім того, окислення окремих білків можна виявити, якщо їх спочатку розділити електрофоретично, а потім перенести на мембрану, використовуючи техніку Вестерн-блот. Там вони вступають у реакцію з динітрофенілгідразином, і отримані зв’язані з білками гідразони можуть бути виявлені візуально або імунохімічно.
Вплив на людину
Як і у випадку з багатьма хімічними реакціями в їжі, окиснення білків також обговорюється щодо того, чи несе він ризик для здоров’я. Деякі вчені стверджують, що потрапляння продуктів окислення білка з їжею є "тихою загрозою здоров’ю людини". 18)
Окислені дієтичні білки можуть бути недостатньо засвоюваними і можуть перенести людям окислювальну шкоду. 2.18) Для того, щоб встановити тут структурно-активні взаємозв'язки, необхідно з'ясувати, наскільки люди зазнають впливу окремих окислених білків та амінокислот. Сюди повинні входити реакції окислення, які відбуваються лише в травному тракті.