Artykuł naukowy

Agnieszka Dylewska
Opiekun naukowy: prof. dr hab. Stanisław Mleko
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
Wydział Nauk o Żywności i Biotechnologii,
Katedra Biotechnologii, Żywienia Człowieka i Towaroznawstwa Żywności
Zakład Technologii Mleka i Hydrokoloidów
Właściwości płynnych suplementów diety zawierających białka serwatkowe
dla osób aktywnych fizycznie
Streszczenie:
Osoby
aktywne
fizycznie
wykazują
coraz
większe
zainteresowanie
suplementami diety na bazie białek pochodzących z serwatki. Korzystny skład
aminokwasowy predysponuje koncentrat białek serwatkowych (WPC) jako produkt
wykazujący szereg właściwości prozdrowotnych. Istnieje wiele badań wskazujących na
stymulację syntezy białek mięśniowych, głównie dzięki obecności w składzie WPC
rozgałęzionych aminokwasów egzogennych. Coraz większa akceptacja WPC na rynku
suplementów wiąże się z nowymi wyzwaniami stojącymi przed producentami. Napoje
z dodatkiem białek serwatkowych wykazują stosunkowo niską rozpuszczalność, a w
konsekwencji mętnienie gotowego produktu. W związku z tym bardzo istotne są analizy nad
polepszeniem właściwości fizykochemicznych WPC w roztworze wodnym m. in. przez
dodatek szczepów bakterii mlecznych. Ponadto dodatek innych składników obecnych na
rynku suplementów może znacznie wzbogacić jakość gotowego produktu oraz wpłynąć na
poprawę jago smaku, a co za tym idzie zapewnić wyższą akceptowalność ze strony
konsumentów.
Słowa kluczowe: koncentrat białek serwatkowych (WPC), suplementy diety, rozpuszczalność
Wstęp
Białka obecne w produktach żywnościowych są niezbędne do wzrostu, naprawy
uszkodzonych komórek tkanek czy syntezy hormonów. Są również odpowiedzialne za
różnorodną aktywność metaboliczną. Spośród wielu dostępnych źródeł białka, białko
zwierzęce charakteryzuje się obecnością wszystkich niezbędnych dla organizmu człowieka
aminokwasów. Białko zwierzęce jest uznawane w związku z tym jako białko kompletne w
przeciwieństwie do białka roślinnego, które nie posiada wszystkich niezbędnych
aminokwasów.
1
Zapotrzebowanie na białko
Osoby regularnie wykonujące ćwiczenia fizyczne wymagają większej ilości białka niż
osoby prowadzące siedzący tryb życia (1,4 – 2 g/kg/dzień). W większości przypadków ta
dawka może być osiągnięta poprzez regularną i zróżnicowaną dietę. Jednakże najnowsze
badania wskazują, iż spożywanie białek czy aminokwasów przed, w trakcie i po ćwiczeniach
fizycznych
i
może
utrzymanie
poprawić
beztłuszczowej
regenerację,
tkanki
funkcje
mięśniowej.
immunologiczne
Odpowiednia
oraz
pora
wzrost
spożycia
i przyjmowana dawka białka wpływają korzystnie na sportowców uprawiających różne
dziedziny sportu, m. in. ćwiczenia wytrzymałościowe czy ćwiczenia siłowe [1].
Obecnie, dzienne rekomendowane spożycie białka dla zdrowej dorosłej osoby wynosi
0,8 g/kg masy ciała dziennie. Dawka ta wynika z indywidualnych różnic w metabolizmie
białek czy różnicach w wartości biologicznej białka. Osoby uprawiające ćwiczenia fizyczne
powinny zwracać szczególną uwagę na jakość białka, podaż energii, podaż cukru, sposób
i częstotliwość ćwiczeń czy porę spożycia. Obliczono, iż spożycie białka na poziomie
0,8g/kg/dzień spełnia zapotrzebowanie 97,5% zdrowych mężczyzn i kobiet w wieku 19 lat
i powyżej. Nie jest to dawka wystarczająca do procesów utlenienia w czasie ćwiczeń, jak
również dawka ta nie jest wystarczająca do zwiększania beztłuszczowej tkanki mięśniowej
czy do regeneracji uszkodzonych przez ćwiczenia mięśni. Wykazano także, iż występuje
ryzyko przy spożywaniu niewystarczającej ilości białka u osób aktywnych fizycznie; brak
równowagi azotowej w organizmie zwiększa katabolizm i powoduje osłabienie regeneracji po
odbyciu ćwiczeń [2].
Istnieje wiele badań analizujących wpływ spożycia białek serwatkowych na organizm
człowieka. Sportowcy bardzo często usiłują utrzymać ilość tkanki mięśniowej obniżając przy
tym zawartość tkanki tłuszczowej w swoim organizmie. Przeprowadzono badania płynnych
suplementów m. in. z dodatkiem białek serwatkowych na spadek tkanki tłuszczowej oraz
spadek masy ciała u osób otyłych. Osoby poddane badaniu dwukrotnie w ciągu dnia
spożywały dany suplement łącznie przez okres 12 tygodni. Naukowcy zaobserwowali dużo
wyższy spadek tkanki tłuszczowej w porównaniu z grupą kontrolną jak również wyższe
utrzymanie poziomu tkanki mięśniowej [3].
2
Otrzymywanie WPC
Na rynku białko serwatkowe występuje głownie w postaci proszku. Pochodzenie
białka czy sposoby jego oczyszczania w trakcie otrzymywania produktu mogą wpłynąć na
biodostępność aminokwasów [2].
Aminokwasy rozgałęzione (leucyna, izoleucyna i walina) stanowią około jednej
trzeciej szkieletowych białek mięśniowych [4]. Literatura coraz częściej donosi, iż leucyna
odgrywa największą rolę w stymulacji syntezy tych białek [5].
Białka serwatkowe otrzymuje się w procesie ultrafiltracji. Oddziela się je od laktozy
i składników mineralnych w związku z różnicą w wielkości cząstek. Retentat z białkami jest
suszony w suszarkach rozpyłowych w celu otrzymania koncentratu białek serwatkowych
(WPC) w zakresie stężeń 35-80% [6].
Skład białek serwatkowych
Białka serwatkowe zawierają β-laktoglobulinę, α-laktoalbuminę, immunoglobuliny,
albuminę surowicy bydlęcej, laktoferynę, laktoperoksydazę, glikomakropeptyd oraz inne
składniki występujące w mniejszej ilości [7, 8].
β-laktoglobulina stanowi 58% wszystkich białek serwatkowych. Wyizolowana
β-laktoglobulina wykazuje niską rozpuszczalność i niską siłę jonową. Istotna jest zawartość
cysteiny w tym białku, która wpływa na syntezę glutationu.
α-laktoalbumina jest drugim pod względem ilościowym białkiem występującym w
serwatce (20%). Białko to przyczynia się do obniżania ryzyka występowania niektórych
nowotworów – ogranicza podział komórkowy po inkubacji jelitowych linii komórkowych
ssaków. Wykazano również wpływ antyproliferacyjny α-laktoalbuminy na linie komórek raka
gruczołowego jelita grubego.
Immunoglobuliny stanowią złożoną grupę, której elementy są produkowane przez
limfocyty B. Są bardzo istotnym składnikiem białek serwatkowych nie tylko ze względu na
pełnienie funkcji immunologicznych. Białka te są obecne w surowicy i płynach
fizjologicznych wszystkich ssaków. Niektóre z nich działają jako receptory, inne jako
przeciwciała uwalniane do krwi i limfy. Immunoglobuliny to albo monomery albo polimery
cząsteczek zbudowanych z czterech łańcuchów [7].
Albumina surowicy bydlęcej to białko stanowiące około 10-15% wszystkich białek
serwatkowych. Jest źródłem niezbędnych aminokwasów egzogennych, jednak występuje
niewiele dostępnych informacji na temat potencjalnych zdolności terapeutycznych tego białka
[8]. Jedną z ważnych właściwości albuminy surowicy bydlęcej jest zdolność do hamowania
3
wzrostu nowotworu. Wiążąc się z kwasami tłuszczowymi, które są magazynowane
w organizmie jako tłuszcze bierze udział w syntezie lipidów będących częścią zewnętrzną
i wewnętrzną wszystkich błon komórkowych [7].
Laktoferyna to glikoproteinowy monomer chelatujący żelazo, o wadze 80 000 kDa, do
którego doczepione są dwie grupy węglowodanowe. Występuje w organizmie człowieka jako
białko wydzielnicze – syntetyzowana m.in. przez komórki nabłonka gruczołowego znajduje
się w mleku, ślinie, łzach czy soku trzustkowym. Wykazuje właściwości przeciwbakteryjne
i przeciwwirusowe. Właściwości antybakteryjne mają związek z właściwością chelatowania
żelaza, co powoduje inaktywację mikroorganizmów albo poprzez spowodowanie braku ich
dostępności lub też przez bezpośrednie wiązanie do ich błon komórkowych. Działanie
bakteriobójcze tego białka obejmuje również inne mikroorganizmy, nie tylko te, które
wymagają żelaza do funkcjonowania. Laktoferyna może spowodować uszkodzenie błony
zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych [7].
Laktoperoksydaza jako ważny enzym obecny w serwatce występuje w ilości
0,25-0,5% wszystkich białek serwatkowych. Laktoperoksydaza ma zdolność do katalizowania
pewnych związków, włączając tu redukcję nadtlenku wodoru. Podczas pasteryzacji enzym ten
nie jest inaktywowany, co świadczy o jego stabilności.
Glikomakropeptyd występuje w serwatce na poziomie 10-15%. Jest obecny tylko w
przypadku użycia chymozyny w produkcji serów. Glikomakropeptyd jest bogaty w
aminokwasy rozgałęzione. Jako jedno z nielicznie występujących naturalnie białek nie
zawiera fenyloalaniny, co jest istotne dla osób chorych na fenyloketonurię [8].
Rozpuszczalność WPC w wodzie
Napoje przeznaczone dla sportowców powinny zapewniać odpowiednią
hydratację i wzrost wyników sportowych [9]. Odpowiednia absorpcja aminokwasów jest
również istotnym zagadnieniem mającym wpływ na efektywność suplementacji. Skład
aminokwasowy białek serwatkowych (szczególnie zawartość izoleucyny, leucyny i waliny)
oraz jego wartość biologiczna klasyfikują suplementy białkowe jako bardzo wartościowe
produkty przynoszące szybkie rezultaty powodujące stymulację białek mięśniowych, a co za
tym idzie wzrost masy mięśniowej [10]. Jednakże, równie istotną właściwością WPC poza
składem jest również jego rozpuszczalność, która przekłada się bezpośrednio na poziom
absorpcji białka w organizmie. Dissanayake i Vasiljevic [11] przeprowadzili badania na 8
komercyjnych koncentratach białek serwatkowych produkowanych na rynku australijskim w
celu
określenia
związku
pomiędzy
ich
składem
chemicznym
a
właściwościami
4
funkcjonalnymi. Określając rozpuszczalność 5%-owych proszków w pH 7 wykazali wartości
rozpuszczalności w zależności od rodzaju próbki na poziomie od 66,9±2,3 % do 86,5±4,4 %.
Białka serwatkowe w ich naturalnym stanie są bardzo wrażliwe na denaturację termiczną.
Obniżenie rozpuszczalności WPC oraz jak również różnice w wartościach rozpuszczalności
mogą być wynikiem częściowej denaturacji białka z powodu różnych technik przetwarzania
związanych z ogrzewaniem czy też suszeniem w procesie produkcyjnym. Nawet częściowa
denaturacja białka podczas przetwarzania może powodować flokulację i precypitację w czasie
przechowywania, co może negatywnie wpływać na cechy sensoryczne produktów. WPC
może być również modyfikowany w trakcie produkcji w celu zmiany właściwości.
Naukowcy badali również średnicę cząstek w celu określenia stopnia denaturacji
białka. Mniejsze cząstki rozpuszczają się szybciej, więc powodowały zwiększenie
rozpuszczalności.
Wpływ obecności kultur bakteryjnych na właściwości WPC
Właściwości płynnych suplementów na bazie koncentratu białek serwatkowych
zostały również przebadane przez Pescuma i in. [12]. β-laktoglobulina jako jedno z białek
serwatkowych jest składnikiem alergennym. Wykazano, iż bakterie kwasu mlekowego, jako
mikroorganizmy szeroko stosowane w produkcji mlecznych produktów fermentowanych są
zdolne m. in. do hydrolizy β-laktoglobuliny. W związku z tym usiłowano stworzyć napój na
bazie 35% koncentratu białek serwatkowych oraz bakterii kwasu mlekowego w celu
obniżenia zawartości alergenu oraz uwolnienia niezbędnych aminokwasów. Badania
wykazały, iż wszystkie przebadane szczepy bakteryjne były zdolne do degradacji
β-laktoglobuliny na poziomie 41-85% po 12 godzinach inkubacji. Fermentacja WPC z
udziałem bakterii kwasu mlekowego może być więc ciekawym rozwiązaniem w produkcji
napojów o wysokiej wartości odżywczej.
Przechowywanie napojów z dodatkiem białek serwatkowych
Alkalin i in. [13] wykazali, iż suplementacja mleka fermentowanego koncentratem
białek
serwatkowych
miała
pozytywny
wpływ
na
przeżywalność
L.acidophilus
i Bifidobacterium w trakcie przechowywania prawdopodobnie w związku z wyższą
zdolnością buforowania białek serwatkowych w porównaniu do kazeiny, a przez co
zapobieganiu ponownego zakwaszania produktu w trakcie okresu przechowalniczego.
Inni naukowcy zaobserowali wzrost zmętnienia napojów mlecznych zawierających
białka serwatkowe w trakcie przechowywania. Napoje poddawane były obróbce cieplnej
i zawierały 12,5 g/l białek serwatkowych (pH 4). Napoje były przechowywane przez
5
6 tygodni w odmiennych warunkach temperaturowych, tj. 22 ± 1°C, 35 ± 1°C lub 40 ± 1°C.
Analizowano ich stopień zmętnienia, rozpuszczalność białek i ich agregację. Naukowcy
wykazali, iż zmętnienie napojów wzrosło, natomiast zmniejszyła się rozpuszczalność białek
w związku z tworzeniem agregatów w trakcie przechowywania. Wzrost temperatury
przechowalniczej powodował wzrost szybkości tego procesu. Agregacja białek nastąpiła
w próbkach filtrowanych i nie poddanych filtracji. Z kolei w filtrowanych próbkach nie
powstał osad, natomiast pojawił się on w napoju niepoddanym filtracji [14].
Podsumowanie:
Powyższe
analizy
wskazują,
iż
zarówno
temperatura
przechowalnicza, jak i dodatek kultur bakteryjnych wpływają znacznie na stabilność napojów
zawierających WPC w czasie przechowywania. Niższa temperatura przechowywania sprzyja
wydłużeniu okresu przydatności do spożycia produktów. Dodatek szczepów bakteryjnych
może
mieć
wpływ
na
obniżanie
właściwości
alergennych
β-laktoglobuliny.
Poza tym dodatek kultur bakteryjnych do napojów na bazie WPC może również wydłużać ich
żywotność dzięki zdolnościom buforowym białek serwatkowych. Zagadnienie trwałości
napojów zawierających białka serwatkowe nie jest jeszcze dostatecznie zbadane i wymaga
kolejnych analiz obejmujących przede wszystkim przebadanie mikroflory bakteryjnej obecnej
w produktach w celu oszacowania ich okresu przydatności do spożycia. Ciekawym
zagadnieniem byłoby otrzymanie napojów zawierających koncentrat białek serwatkowych
o wyższych wskaźnikach rozpuszczalności w porównaniu do obecnie występujących
produktów rynkowych.
Bibliografia:
1) Kreider R. B., Campbell B. 2009. Protein and Exercise Recovery. Phys Sportsmed, 37,
13-21.
2) Campbell B., Kreider R. B., Ziegenfuss T., La Bounty P., Roberts M., Burke D.,
Landis J., Lopez H., Antonio J. 2007. International Society of Sports Nutrition
position stand: protein and exercise. J Int Soc Sports Nutr, 4:8.
3) Frestedt J. L., Zenk J. L., Kuskowski M. A., Ward L. S., Bastian E.D. 2008. A wheyprotein supplement increases fat loss and spares lean muscle in obese subjects:
a randomized human clinical study. Nutr Metab, 5:8.
4) Mero A. 1999. Leucine supplementation and intensive training. Sports Med, 27,347358.
6
5) Kimball S.R., Jefferson L.S. 2006. Signaling pathways and molecular mechanisms
through which branched-chain amino acids mediate translational control of protein
synthesis. J Nutr, 136, 227S-31S.
6) Yee W. K., Wiley D. E., Bao J. 2007. Whey protein concentrate production by
continuous ultrafiltration: operability under constant operating conditions. J Memb
Sci, 290, 125-137.
7) Madureira A. R., Pereira C. I., Gomes A. M P., Pintado M. E., Malcata F. X. 2007.
Bovine whey proteins – overview on their main biological properties. Food Res Int,
40, 1197-1211.
8) Marshall K. 2004. Therapeutic applications of whey protein. Altern Med Rev, 9, 136156.
9) Beucler J., Drake M., Foegeding E. 2005. Design of a beverage from whey permeate. J
Food Sci, 70, S277–85.
10) Katsanos C. S., Kobayashi H. Sheffielsd-Moore M., Aarsland A., Wolfe R. R. 2006. A
high proportion of leucine is required for optimal stimulation of the rate of muscle
protein synthesis by essential aminoacids in the elderly. Am J Physiol Endocrinol
Metab, 291, E381-E387.
11) Dissanayake M., Vasiljevic T. 2009. Composition and functionality of whey protein
concentrates available on the Australian market. Aust J Dairy Technol, 64, 164-170.
12) Pescuma M., Hébert E.M., Mozzi F., Font de Valdez G. 2010. Functional fermented
whey-based beverage using lactic acid bacteria. Int J Food Microbiol, 141, 73-81.
13) Akalin A.S., Gönç S., Ünal G., Fenderya S. 2007. Effect of fructooligosaccharide and
whey protein concentrate on the viability of starter cultures in reduce-fat probiotic
yogurt during storage. J Food Sci, 72, 222–227.
14) La Clair C. E., Etzel M. R. 2009. Turbidity and protein aggregation in whey protein
beverages. J Food Sci, 74, 526-535.
7