Hogyan lehet fenntartható módon előállítani az élelmiszereket, miközben kielégítjük a növekvő keresletet és nem okozunk további károkat a környezetben? A válasz egy része a lucerna zöld levelének használatában rejlenhet.

enzim

Írta: Youngmi Kim, a progresszív takarmányozásért - Wisconsini Egyetem - River Falls

Mi (konkrétan) ösztönözte ezt a kutatási projektet?
A mezőgazdaság technológiai fejlődése és korszerűsítése lehetővé tette a mezőgazdasági termelés gyorsabb növekedését, mint a népesség múltbeli növekedése. De a világ most új fenyegetésekkel és összetett problémákkal néz szembe, amelyek innovatív megoldásokat igényelnek: gyorsan változó globális éghajlat, növekvő energia- és élelmiszerigénnyel párosulva. Az előrejelzések szerint a világ népessége 2050-re 2,5 milliárd emberrel nő.

Az ENSZ Élelmezési és Mezőgazdasági Szervezete (FAO) azt tervezi, hogy a globális élelmiszer- és takarmánytermelésnek 25–70 százalékkal kell növekednie, hogy megfeleljen több mint 10 milliárd ember étrendi igényeinek. Átlagosan az emberek gazdagabbak lesznek, mint a mai emberek, ami nemcsak a teljes kalóriafogyasztás növekedését, hanem az állati eredetű fehérje iránti nagyobb keresletet is magában foglalja. Az állati eredetű fehérjék előállítása lényegesen több erőforrást igényel, mint a klímaváltozáshoz szorosan kapcsolódó növényi eredetű fehérjék, például a szárazföldi, a víz- és a fosszilis tüzelőanyagok.

A kutatás abból a meglehetősen tág kérdésből nőtt ki, amelyet régóta szem előtt tartottam: "Hogyan tudunk fenntartható módon előállítani ételt, miközben kielégítjük a növekvő keresletet és anélkül, hogy további károkat okoznánk a környezetnek?" Erre sokféle megközelítés és megoldás lehet. A kihívás sürgős; de különösen érdekeltek az alternatív fehérjék, különösen a növényi eredetű fehérjék.

Az egyik olyan kutatás, amelyen a Purdue Egyetemen kutatómérnökként dolgoztam, a desztilláló szemek értékének növelésére összpontosult komponensek (fehérjék, rostok, olajok) kivonásával és más vegyi anyagokká és anyagokká történő átalakításával. A kukorica és etanol közötti folyamat melléktermékei a desztillációs szemcsék, amelyek magas fehérjetartalmat tartalmaznak, és általában állatállatok fehérjefoglalásaként használják. A projekt ötletet vetett fel egy alternatív növényi forrás kutatására emberi fogyasztásra.

Míg a múltban a vizsgálatok elsősorban a tejsavó- vagy szójaalapú fehérjékre összpontosítottak, a leveles zöldet széles körben figyelmen kívül hagyták, mint emberi fogyasztásra alkalmas fehérjeforrást. A lucernalevél az egyik legfontosabb nyers levélfehérje-forrás a magas nyersfehérje-tartalom (260 gramm/kilogramm szárazanyag vagy 2600 kilogramm fehérje/hektár) és az aminosav-összetétel kiegyensúlyozott aránya miatt, amely összhangban áll felnőtt aminosav, amelyet a FAO ajánlott. A lucernafehérjék emberi fogyasztásra való alkalmazását azonban korlátozták olyan nemkívánatos érzékszervi tulajdonságok, mint a szín, az aroma és az állag.

Vizsgálatom fő célja enzimek kombinációjának felhasználása nemcsak a lucerna levelek fehérjekivonási képességének növelésére, hanem az extrahált lucerna fehérjék oldhatóságának és érzékszervi tulajdonságainak javítására is, antioxidáns peptidekké hidrolizálva. Az antioxidáns peptidek kis molekulatömegű polipeptidek, amelyek 2-20 aminosavmaradékot tartalmaznak, és amelyek különböző fiziológiai funkciókat mutatnak be. A lucerna leveleiből előállított antioxidáns peptidek funkcionális élelmiszerekként, táplálékgyógyszerként, étrend-kiegészítőként és gyógyszerek alkotórészeiként használhatók.

Megközelítésünk célja egy olyan enzimkeverék kifejlesztése, amely hatékonyan fellazíthatja és kiteszi a sejtfal mátrixait, hogy a lehető legkisebb enzimdózis mellett javítsa a fehérje-extrakciós képességet a következő lépésekben. Az enzimterhelés minimalizálása fontos követelmény a teljes feldolgozási költségek csökkentése érdekében, mivel az enzimek költsége gyakran a biológiai feldolgozás fő költségtényezője.

Milyen kihívások történtek és milyen előrelépés történt a vizsgálat megkezdése óta?
Mivel a kutatás hivatalosan 2019 májusában kezdődött, jelenleg a projekt kezdeti szakaszában vagyunk, főleg a friss lucerna levelek betakarítására és a minták előkészítésére koncentrálunk a tanulmány számára. Ebben a tanulmányban a szárított levelek helyett a friss levelekből nyerünk ki fehérjét. Míg a szárított leveleket könnyebb szállítani és tárolni, mint a friss leveleket, a szárított levelek fehérjének kivonása keményebb vegyszereket vagy reakciókörülményeket igényel, mint a friss levelek, ami negatívan befolyásolhatja a fehérjék minőségét aminosav-profilban és emészthetőség szempontjából.

A fehérjék labilisabbak a növényi sejtek többi komponenséhez képest. Egyes aminosavak, mint például a lizin, a cisztein és a glicin, különösen érzékenyek a szélsőséges pH-ra és magas hőmérsékletre, és ilyen körülmények között visszafordíthatatlanul károsodhatnak. Ezért a friss levelekből jobb minőségű fehérjekoncentrátumok nyerhetők, mint a száraz biomasszából.

Ezenkívül az enzimkezelésre alkalmazott enyhe körülmények kedvezőek az extrahált fehérjék minőségének megőrzéséhez. A kihívás az volt, hogy a friss leveleket 1 milliméternél kisebb részecskékké őröljék, miközben minimalizálják a növényi szövetkomponensek veszteségét vagy károsodását. A folyékony nitrogén felhasználása az őrlési folyamat során lehetővé teszi a fehérje minőségének megőrzését a lucerna levelében. Noha ezt nehéz lehet nagyszabású rendszerben alkalmazni, a fent említett minta-előkészítési folyamatra szükség van a kutatási lépésekben a takarmány-alapanyagok külső és belső variációinak minimalizálása érdekében, és lehetővé teszi számunkra, hogy tudományosan értékeljük az enzimkeverékek fehérjetermelés és a kivont fehérjék ebből eredő aminosav-profilja.

Az enzimek optimális kombinációjának meghatározása, amely maximalizálja a lucerna levelek fehérjekivonási képességét, kritikus része ennek a tanulmánynak. Számos kereskedelmi forgalomban kapható enzimkeverék áll rendelkezésre, amelyek növényi sejtfal szénhidrátjait célozzák meg különféle ipari alkalmazásokhoz. Azonban gyakran kihívást jelent egy olyan termék megtalálása, amely tartalmazza az összes szükséges enzimet, amely a növényi anyagokban található különböző típusú és típusú szénhidrátokat célozza meg.

A különféle alkalmazásokhoz használt kereskedelmi sejtek, például az üzemanyagok vagy más biotermékek cukrának előállítása fermentáció útján, főleg enzimeket tartalmaznak, amelyek lebontják a cellulózt, és gyakran hiányoznak a xilán és a pektin lebontásához szükséges egyéb enzimatikus aktivitások, a vegyület másik két fő alkotóeleme. növényi sejtfal mátrix. Ennek a kutatásnak a fő kihívása az lesz, hogy a kereskedelemben kapható enzimtermékekből optimális enzimkeveréket állítson elő, amely tartalmazza a lucernalevelek hatékony lebontásához szükséges enzimatikus aktivitásokat. Jelenleg öt különböző enzimet azonosítottunk és szereztünk be, amelyeket tovább vizsgálunk és összekeverünk a fehérjék lucernából történő kivonására.

Mikor számíthatnak a termelők a végeredmények megtekintésére?
A vizsgálat 2020. április 30-án fejeződik be. A kísérletek nagy része ez év végéig fejeződik be, az adatelemzés és a jelentés pedig 2020 áprilisában fejeződik be.