Title
Enzimska modifikacija pšeničnog glutena u cilju smanjenja njegove alergenosti I poboljšanja funkcionalnih svojstava
Creator
Gazikalović, Ivana, 1992-
CONOR:
124709385
Copyright date
2024
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 04.07.2024.
Other responsibilities
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Tehnološko-metalurški fakultet
Alternative title
Enyzmatic modification of wheat gluten in order to decrease its allergenicity and improve its functional properties
Publisher
[I. V. Gazikalović]
Format
[137] str.
description
Tehnološko inženjerstvo - Biohemijsko inženjerstvo i biotehnologija / Technological engineering - Biochemical engineering and biotechnology
Abstract (sr)
Proteini glutena spadaju u visokonutritivno vredne proteine koji čine osnovnu hemijsku građu
zrna žitarica, kao što su pšenica, raž i ječam. Međutim, ovi proteini odlikuju se visokim sadržajem
glutamina i prolamina što ih čini otporne na enzime (Pepsin, Tripsin i Himotripsin) prisutne u
digestivnom traktu ljudi. Kao posledica toga, konzumiranjem proizvoda bogatih glutenom obrazuju
se velike peptidne frakcije koje iniciraju imunogenu reakciju, čineći tako ovaj protein jednim od
najznačajnih prehrambenih alergena. Upravo naveden problem poslužio je kao polazna osnova za
kreiranje cilja ove doktorske disertacije, u kojoj su istraživanja bazirana na primeni enzima kao
biokatalizatora prirodnog porekla i nekonvencionalnih termičkih tretmana, poput mikrotalasnog
zračenja, zarad proizvodnje i modifikacije nealergenih proteina glutena. Generalno, u okviru ove
disertacije pristupilo se definisanju parametara netermičkih postupaka za modifikaciju proteina
glutena iz pšenice kakav je mikrotalasno zračenje pod kontrolisanim uslovima u odgovarajućem
reaktoru, a sve u cilju smanjenja alergenosti, odnosno sadržaja alergenih epitopa glutena. Osim toga,
u cilju smanjenja alergenosti pšeničnog glutena pristupilo se i razvoju biotehnološkog postupka
zasnovanog na primeni proteolitičkih enzima velike specifičnosti. Ovaj postupak je optimizovan uz
pažljivo definisanje svih važnih procesnih parametara, ali je i upotpunjen i/ili dopunjen
kombinovanjem sa mikrotalanim zračenjem. Kao izvor pšeničnog glutena, u okviru eksperimenata,
korišćena su dva supstrata:
• prvi, model protein glutena poreklom iz pšenice (bogat frakcijama glutenina i
gliadina), i
• drugi, komercijalno dostupna sirovina koja se koristi u svakodnevnoj ishrani ljudi,
pšenično belo brašno.
U svakoj fazi eksperimentalnog rada vršena je detaljna karakterizacija modifikovanog
pšeničnog glutena, kako model proteina, tako i pšeničnog brašna. Karaktertizacija je podrazumevala
ispitivanje alergenih svojstava modifikovanih proteina glutena primenom kompetitivnog ELISA testa
koji u sebi sadrži R5 monoklonska antitela. Potom, modifikovan gluten je okarakterisan sa aspekta
tehnološko-funkcionalnih svojstava (penjenje, emulgovanje, površnko naelektrisanje), strukturnih
promena (FTIR analiza, RP-HPLC analiza, SDS-PAGE analiza) i bioaktivnih svojstava
(antioksidativna i antimikrobna aktivnost).
Detaljnije, u prvom delu istraživanja ispitan je uticaj parametara mikrotalasnog zračenja na
strukturu model proteina glutena poreklom iz pšenice, i njihova alergena svojstva. Delovanjem
mikrotalasnog zračenja snage 200 do 800 W, utvrđene su promene u detekciji relativnog sadržaja
alergenog epitopa glutena pomoću odabranog antitela. Poređenjem odabranog mikrotalasnog
tretmana sa konvencionalnim zagrevanjem, ispitan je uticaj i više različitih temperatura kako bi se
bliže odredile promene nastale usled ovih tretmana. Sinergističkim delovanjem enzima kao
biokatalizatora, izvršena je kontrolisana hidroliza model proteina glutena nakon mikrotalasnog
zračenja. Korišćena je komercijalna endopeptidaza Alkalaza kao biokatalizator za reakciju hidrolize
mikrotalasno tretiranog glutena. Primena mikrotalasnog pretretmana snage 200 W pri kontrolisanoj
temperaturi u trajanju od svega 1 min, a u kombinaciji sa enzimskom hidrolizom se pokazala kao
veoma efikasna, jer su proizvedeni hidrolizati proteina glutena ispoljili izuzetno poboljšanje
tehnološko-funkcionalnih svojstava i antioksidativnih aktivnosti u poređenju sa netretiranim
glutenom.
Specifični netermalni efekat mikrotalasa je imao uticaj na strukturu i alergenost glutena, usled
čijeg dejstva je došlo do unapređenja enzimske hidrolize. Ovo je potvrđeno jer termički tretman
glutena pri potpuno istim uslovima je pokazao drugačiji uticaj na strukturu molekula, na osnovu čega
se može zaključiti da mikrotalasni tretman rezultuje u jedinstvenim modifikacijama proteina. Opšte
je poznato da se usled smanjenja dužine peptidnih lanaca tokom hidrolize menjaju i tehnološkofunkcionalna
svojstva proteina. Emulgujuća stabilnost hidrolizata glutena sa i bez pretretmana
značajno je unapređena u odnosu na sirov gluten, međutim do značajnijeg unapređenja među
uzorcima nije došlo prilikom ispitivanja stabilnosti formirane pene. Antioksidativna svojstva
proizvedenih hidrolizata glutena, pre svega sposobnost neutralizacije radikalskog katjona ABTS˙+ i
DPPH˙ radikala značajno su unapređene u odnosu na polazni uzorak, dok se posebno ističe
sposobnost heliranja jona Fe2+. S tim u vezi, krajnji hidrolizati sa i bez pretretmana pokazuju značajnu
razliku u IC50 vrednostima (mg/ml) prilikom ispitivanja mogućnosti heliranja jona metala. Metodom
dead-end ultrafiltracije, izvršeno je frakcionisanje krajnjih hidrolizata, mikrotalasno pretretiranog i
kontrolnog, na frakcije peptida tačno definsanog opsega molekulskih masa, a u cilju pronalaženja
frakcije sa najizraženijom antioksidativnom aktivnošću. Prilikom ispitivanja sposobnosti inhibicije
ABTS radikalskog katjona, nisu zabeležene značajne razlike među peptidnim frakcijama. Doprinos
peptidne frakcije F3 (3–10 kDa) zabeležen je prilikom testiranja inhibitorne aktivnosti prema DPPH
radikalima. Izmerene vrednosti stepena heliranja jona metala značajno se razlikuju među peptidnim
frakcijama istog uzorka, ali i među uzorcima. Naime, čak 10–25% veće aktivnosti su zabeležene u
slučaju peptidnih frakcija dobijenih od mikrotalasno pretretiranih proteina glutena. Frakcije koje su
se posebno istakle su frakcija 2 sa peptidima molekulske mase 10–30 kDa, frakcija 3 (3–10 kDa) i
frakcija 4 (1–3 kDa).
U drugom delu istraživanja u okviru ove disertacije, kao sirovina za modifikaciju glutena
korišćeno je belo pšenično brašno. Tom prilikom, u cilju modifikacije glutena iz pšeničnog brašna,
ali i samog brašna, istraživana su sprovedena u dva dela. Prvi deo istraživanja je bio baziran na
primeni prethodno usvojenih parametara enzimske hidrolize proteazom Alkalazom mikrotalasno
pretretiranog glutena, dok je naknadno izvršena studija optimizacije postupka hidrolize pšeničnog
brašna u cilju kreiranja valjanog modela koji bi se mogao primeniti u postupku smanjenja alergenih
svojstava glutena iz brašna. S tim u vezi, prilikom hidrolize proteina brašna varirane su različite
koncentracije supstrata u cilju ispitivanja uticaja prisutnih skrobnih materija na sam postupak
hidrolize, a potom i na tehno-funkcionalna svojstva dobijenih hidrolizata glutena. Najveće smanjenje
sadržaja alergenih epitopa glutena zabeleženo je kod uzorka pripremljenog kao 15% (w/w) suspenzija
brašna, pri čemu je razlika u alergenosti među uzorcima potvrđena razlikom i odsustvom proteinskih
traka primenom SDS-PAGE elektroforeze. Emulgujuća svojstva su značajno unapređena postupkom
enzimske hidrolize, dok stabilnost formiranih emulzija nije značajno unapređena. Ispitivanjem
svojstva penjenja zabeležene su značajne razlike među hidrolizatima, pri čemu je interesantno istaći
da se pažljivom kontrolom enzimske hidrolize mogu proizvesti hidrolizati sa dovoljno dugačkim
polipeptidnim lancima koji formiraju dobre i stabilne pene. Visoke vrednosti antioksidativnih
aktivnosti dobijenih hidrolizata proteina pšeničnog brašna potvrđene su u okviru ABTS i helatnog
testa, čineći tako pripremljenje hidrolizate podobne za dalja ispitivanja koja se mogu sprovoditi za
potrebe kreiranja preparata sa unapređenim antioksidativnim svojstvima. Sumarno, ovim delom
istraživanja evidentno je bilo da prirodno prisustvo skrobnih materija u formiranim suspenzijama ne
ometa sam postupak hidrolize, već ga „olakšava“ jer dovodi do sprečavanja formiranja agregata, tj.
usled hidratacije sastavnih delova gliadina i glutetnina prisustvo skrobnih materija ometa formiranje
glutenske mreže čime se olakšava pristup enzima peptidnim vezama i unutrašnjosti supstrata.
Naknadnom optimizacijom postupka hidrolize pšeničnog brašna analiziran je uticaj procesnih
parametara: pH, temperature, enzim/supstrat (E/S) odnosa i količine supstrata na stepen hidrolize,
alergena svojstva i antioksidativne aktivnosti. Analizom dobijenog modela baziranog na 29
eksperimentalnih tačaka u okviru metode odzivnih površina, zaključeno je da najveći uticaj na tok
hidrolize imaju pH, E/S odnos i količina supstrata (S), dok su alergena svojstva direktno bila
uslovljena sa pH i temperaturom procesa. Antioksidativna aktivnost zavisi najviše od primenjenog
pH tokom hidrolize i enzim/supstrat odnosa, dok na heliranje dodatno utiče i količina unetog
supstrata.
Kako bi se ispitala mogućnost još intenzivnije modifikacije pšeničnog glutena, ali i primene
enzimskog preparata Pronaze (endo- i egopeptidazna aktvnost), prevashodno u svrhu smanjenja
alergenih svojstava, istraživanja su nastavljena u tom smeru. S obzirom na slabu dostupnost
literaturnih podataka u vezi delovanja ovog enzima na gluten, ova eksperimentalna postavka je
izvedena u cilju teorijskog ispitivanja mogućnosti primene Pronaze kao još jednog preparata kojim
bi se smanjila alergena svojstva glutena. Naime, sa povećanjem postignutog stepena hidrolize
zabeleženo je smanjenje alergenih svojstava, unapređene su emulgujuće aktivnosti, dok je kapacitet
i stabilnost penjenja obrnuto zavistan od postignutog stepena hidrolize. Suprotno tome, najveći
kapacitet i stabilnost penjenja pokazao je uzorak hidrolizata sa najmanjim stepenom hidrolize, usled
prisustva polipeptidnih lanaca srednjh molekulskih masa. SDS-PAGE elektroforezom potvrđeno je
odsustvo frakcija glutena velikih molekulskih masa (> 50 kDa). Dodatno, razlike i u antioksidativnim
svojstvima proizvedenih hidrolizata bile su očigledne. Naime, svi uzorci su pokazali određeni nivo
antioksidativne aktivnosti, pri čemu se u odnosu na hidrolizate dobijene Alkalazom, ističe smanjena
aktivnost hidrolizata prema jonima Fe2+.
Dobijeni hidrolizat pšeničnog brašna sa najnižim relativnim sadržajem glutena iskorišćen je
kako bi se ispitao njegov uticaj na reološke osobine bezglutenskog brašna, heljdinog integralnog
brašna, na Miksolabu. Naime dodatkom hidrolizata postignuta je promena reoloških osobina u vidu
smanjenja slabljenja glutenske mreže tačnije propadanja proteinske strukture tokom zagrevanja.
Dodatak hidrolizata uticao je i na promenu u aktivnosti amilaza, kao i na retrogradaciju skroba u
poslednjoj fazi analize.
Sveobuhvatno, sumiranjem rezultata dobijenih tokom istraživanja sprovedenih za potrebe
izrade ove disertacije utvrđeno je da se primenom Alkalaze i Pronaze može efikasno i do određene
mere smanjiti prisustvo alergenih epitopa u sirovom glutenu koji izazivaju imuni odogovor u
osetljivim grupama populacije. Primena mikrotalasnog pretretmana dovodi do strukturnih promena
koje su zabeležene u sekundarnoj strukturi proteina glutena, a dodatno pozitivno pospešuju dalji tok
enzimske hidrolize. Tokom hidrolize proteina pšeničnog brašna, ustanovljeno je da prisustvo
skrobnih granula olakšava postupak enzimske hidrolize jer skrobne granule direktno sprečavaju
formiranje proteinskih agregata. Dobijeni hidrolizati proteina pšeničnog brašna se mogu smatrati
hidrolizatima bogatim antioksidativnim peptidima, sa unapređenim određenim funkcionalnim
svojstvima i smanjenom alergenošću. Stoga, na osnovu svega izloženog moguće je modifikovane
proteine glutena uzeti u razmatranje prilikom kreiranja novih proizvoda sa smanjenim alergenim
svojstvima. Finalno, kao doprinos istraživanjima u okviru ove disertacije može se pripisati i
ekonomičnost mikrotalasnog pretretmana kao i postupka hidrolize u prisustvu skrobnih materija, jer
primenom ovakvih postupaka moguće je izvršiti određeni nivo uštede tokom postupka proizvodnje
modifikovanih proizvoda glutena sa smanjenim sadržajem alergenih epitopa (~ 20 ppm).
Abstract (en)
Gluten proteins belong to highly nutritionally valuable proteins that make up the basic
chemical structure of cereal grains, such as wheat, rye and barley. However, these proteins are
characterized by a high content of glutamine and prolamin, which makes them resistant to enzymes
(Pepsin, Trypsin and Chymotrypsin) present in the human digestive tract. As a consequence, by
consuming products rich in gluten proteins, large peptide fractions are formed that initiate an
immunogenic reaction, thus making gluten proteins one of the most important food allergens. The
problem just mentioned served as the starting point for creating the goal of this doctoral dissertation,
in which research is based on the application of enzymes as biocatalysts of natural origin and
unconventional thermal treatments, such as microwave radiation, for the production and modification
of non-allergenic gluten proteins. In general, within the framework of this dissertation, the parameters
of non-thermal procedures for the modification of wheat gluten protein, such as microwave radiation
under controlled conditions in a suitable reactor, were defined, all with the aim of reducing
allergenicity, i.e. the content of allergenic gluten epitopes. In addition, in order to reduce the
allergenicity of wheat gluten, the development of a biotechnological procedure based on the
application of highly specific proteolytic enzymes was also undertaken. This procedure was
optimized with careful definition of all important process parameters, but it was also completed and/or
supplemented by combining it with microwave radiation. As a source of wheat gluten, two substrates
were used in the experiments:
• the first, a model of gluten protein originating from wheat (rich in glutenin and gliadin
fractions), and
• the second, a commercially available raw material used in the daily diet of people, wheat
white flour.
In each phase of the experimental work, a detailed characterization of the modified wheat
gluten, both the protein model and wheat flour, was carried out. The characterization involved testing
the allergenic properties of modified gluten proteins using a competitive ELISA test that contains R5
monoclonal antibodies. Then, modified gluten was characterized from the spectrum of technologicalfunctional
properties (foaming, emulsification, surface charge), structural changes (FTIR analysis,
RP-HPLC analysis, SDS-PAGE analysis) and bioactive properties (antioxidant and antimicrobial
activity).
In detail, in the first part of the research, the influence of microwave radiation parameters on
the structure of model gluten proteins originating from wheat, their allergenic properties, was
examined. By the action of microwave radiation with a power of 200 to 800 W, changes in the
detection of the relative content of toxic gluten epitopes using the selected antibody were determined.
By comparing the selected microwave treatment with conventional heating, the influence of several
different temperatures was examined in order to more closely determine the changes caused by these
treatments. Through the synergistic action of enzymes as biocatalysts, a controlled hydrolysis of the
gluten protein model was performed after microwave irradiation. Commercial endopeptidase
Alcalase was used as a biocatalyst for the hydrolysis reaction of microwave-treated gluten. The
application of microwave pretreatment with a power of 200 W at a controlled temperature lasting
only 1 min, and in combination with enzymatic hydrolysis, proved to be very effective, because the
produced gluten protein hydrolysates showed an exceptional improvement in technologicalfunctional
and antioxidant activities compared to untreated gluten.
The specific non-thermal effect of microwaves had an impact on the structure and
allergenicity of gluten, which resulted in the improvement of enzymatic hydrolysis. This has been
confirmed because the thermal treatment of gluten under completely identical conditions has shown
a different impact on the molecular structure, from which it can be concluded that microwave
treatment results in unique protein modifications. It is generally known that due to the reduction in
the length of peptide chains during hydrolysis, the technological and functional properties of proteins
also change. The emulsifying stability of gluten hydrolysate with and without pretreatment was
significantly improved compared to raw gluten, however, no significant improvement was noted
among the samples when testing the stability of the formed foam. The antioxidant properties of the
produced gluten hydrolysates, above all the ability to neutralize the radical cation ABTS˙+ and the
DPPH˙ radical, were significantly improved in comparison to the original sample, while the ability
to chelate Fe2+ ions is particularly noteworthy. In this regard, the final hydrolysates with and without
pretreatment show a significant difference in IC50 values (mg/ml) when examining the possibility of
metal ion chelation. Using the dead-end ultrafiltration method, fractionation of the final hydrolysates,
microwave pretreated and the control, was performed into peptide fractions with a precisely defined
range of molecular masses, with the aim of finding the fraction with the most pronounced antioxidant
activity. When testing the ability to inhibit the ABTS radical cation, no significant differences were
noted among the peptide fractions. The contribution of the peptide fraction F3 (3–10 kDa) was
recorded when testing the inhibitory activity against DPPH radicals. The measured values of the
degree of chelation of metal ions differ significantly among the peptide fractions of the same sample,
but also between samples. Namely, even 10–25% higher activities were recorded in the case of
peptide fractions obtained from microwave pretreated gluten proteins. Fractions that stood out in
particular were fraction 2 with peptides of molecular weight 10–30 kDa, fraction 3 (3–10 kDa) and
fraction 4 (1–3 kDa).
In the second part of the research within this dissertation, white wheat flour was used as a raw
material for gluten modification. Therefore, in order to modify the gluten from wheat flour, as well
as the flour itself, research was carried out in two parts. The first part of the research was based on
the application of previously adopted parameters of enzymatic hydrolysis with protease Alcalase of
microwave-pretreated gluten, while a subsequent study was carried out on the optimization of the
wheat flour hydrolysis procedure in order to create a valid model that could be applied in the process
of reducing the allergenic properties of gluten protein from flour. In this regard, during the hydrolysis
of flour, different concentrations of the substrate were varied in order to examine the influence of the
present starchy substances on the hydrolysis process itself, and then on the techno-functional
properties of the obtained gluten hydrolysates. The greatest reduction in the content of allergenic
epitopes of gluten was recorded in the sample prepared as a 15% (w/w) flour suspension, where the
difference in allergenicity between the samples was confirmed by the difference and absence of
protein bands using SDS-PAGE electrophoresis. The emulsifying properties were significantly
improved by the enzymatic hydrolysis procedure, while the stability of the formed emulsions was not
significantly improved. Upon examining the foaming properties, significant differences were noted
between the hydrolysates, revealing that careful control of enzymatic hydrolysis can yield
hydrolysates containing sufficiently long polypeptide chains that form good and stable foams can be
produced. The high values of antioxidant activity of the obtained wheat flour hydrolysate were
confirmed with the ABTS and chelation test, thus making the preparation of the hydrolysate suitable
for further tests that can be carried out for the purposes of creating preparations with improved
antioxidant properties. In summary, in this part of the research, it was evident that the natural presence
of starchy substances in the formed suspensions does not hinder the hydrolysis process itself, but
"facilitates" it because it leads to the prevention of the formation of aggregates, i.e. due to the
hydration of the components of gliadin and glutenin, the presence of starchy substances hinders the
formation of the gluten network, which facilitates the access of enzymes to peptide bonds and the
interior of the substrate. Subsequent optimization of the wheat flour hydrolysis procedure analyzed
the influence of process parameters: pH, temperature, enzyme/substrate (E/S) ratio and amount of
substrate on the degree of hydrolysis, allergenic properties and antioxidant activity. By analyzing the
obtained model based on 29 experimental points within the response surface method, it was concluded
that pH, E/S ratio and the amount of substrate (S) have the greatest influence on the hydrolysis
process, while the allergenic properties were directly conditioned by the pH and temperature of the
process. The antioxidant activity depends mostly on the applied pH during hydrolysis and the
enzyme/substrate ratio, while chelation is additionally influenced by the amount of introduced
substrate.
In order to examine the possibility of even more intensive modification of wheat gluten, but
also of the application of the Pronase enzyme preparation (endo- and exopeptidase activity), primarily
for the purpose of reducing allergenic properties, research was continued in that direction.
Considering the poor availability of literature data regarding the action of this enzyme on gluten, this
experimental setup was carried out in order to theoretically test the possibility of applying Pronase as
another preparation that would reduce the allergenic properties of gluten. Namely, with an increase
in the achieved degree of hydrolysis, a decrease in allergenic properties was noted, emulsifying
activities improved, while the capacity and stability of foaming are inversely dependent on the
achieved degree of hydrolysis. On the contrary, the hydrolysate sample with the lowest degree of
hydrolysis exhibited the highest foaming capacity and stability, due to the presence of polypeptide
chains with smaller molecular masses. SDS-PAGE electrophoresis confirmed the absence of gluten
fractions with large molecular masses (> 50 kDa). Additionally, differences in the antioxidant
properties of the produced hydrolysates were also evident. Namely, all the samples showed a certain
level of antioxidant activity, where in relation to the hydrolysates obtained by Alcalase, the reduced
activities of the hydrolysates towards Fe2+ ions stand out.
The obtained hydrolysate of white wheat flour with the lowest relative gluten content was
used to examine its influence on the rheological properties of gluten-free flour, whole buckwheat
flour, on Mixolab. Namely, with the addition of hydrolysate, a change in rheological properties was
achieved in the form of a reduction in the weakening of the gluten network, more precisely, the
deterioration of the protein structure during heating. The addition of the hydrolysate also affected the
change in amylase activity, as well as the retrogradation of starch in the last phase of the analysis.
Overall, summarizing the results obtained during the research conducted for the purposes of
this dissertation, it was established that the use of Alcalase and Pronase can effectively, to a certain
extent, reduce the presence of allergenic epitopes in raw gluten, which trigger an immune response
in sensitive population groups. The application of microwave pretreatment leads to structural changes
that are recorded in the secondary structure of the gluten protein, and additionally positively promotes
the further course of enzymatic hydrolysis. During the hydrolysis of wheat flour, it was established
that the presence of starch granules facilitates the enzymatic hydrolysis process because the starch
granules directly prevent the formation of protein aggregates. The resulting wheat flour hydrolysates
can be considered as hydrolysates rich in antioxidant peptides, with improved specific functional
properties and reduced allergenicity. Therefore, based on everything presented, it is possible to take
modified gluten proteins into consideration when creating new products with reduced allergenic
properties. Finally, as a contribution to the research within this dissertation, the economy of
microwave pretreatment as well as the hydrolysis procedure in the presence of starch substances can
be attributed, because by applying such procedures it is possible to make a certain level of savings
during the production process of modified gluten products with a reduced content of allergenic
epitopes (~ 20 ppm).
Authors Key words
pšenični gluten, pšenično brašno, mikrotalasno zračenje, enzimska hidroliza,
alergenost, funkcionalna svojstva, antioksidativna svojstva
Authors Key words
wheat gluten, wheat flour, microwave radiation, enzymatic hydrolysis,
allergenicity, functional properties, antioxidant properties
Classification
664.236:577.15(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
Proteini glutena spadaju u visokonutritivno vredne proteine koji čine osnovnu hemijsku građu
zrna žitarica, kao što su pšenica, raž i ječam. Međutim, ovi proteini odlikuju se visokim sadržajem
glutamina i prolamina što ih čini otporne na enzime (Pepsin, Tripsin i Himotripsin) prisutne u
digestivnom traktu ljudi. Kao posledica toga, konzumiranjem proizvoda bogatih glutenom obrazuju
se velike peptidne frakcije koje iniciraju imunogenu reakciju, čineći tako ovaj protein jednim od
najznačajnih prehrambenih alergena. Upravo naveden problem poslužio je kao polazna osnova za
kreiranje cilja ove doktorske disertacije, u kojoj su istraživanja bazirana na primeni enzima kao
biokatalizatora prirodnog porekla i nekonvencionalnih termičkih tretmana, poput mikrotalasnog
zračenja, zarad proizvodnje i modifikacije nealergenih proteina glutena. Generalno, u okviru ove
disertacije pristupilo se definisanju parametara netermičkih postupaka za modifikaciju proteina
glutena iz pšenice kakav je mikrotalasno zračenje pod kontrolisanim uslovima u odgovarajućem
reaktoru, a sve u cilju smanjenja alergenosti, odnosno sadržaja alergenih epitopa glutena. Osim toga,
u cilju smanjenja alergenosti pšeničnog glutena pristupilo se i razvoju biotehnološkog postupka
zasnovanog na primeni proteolitičkih enzima velike specifičnosti. Ovaj postupak je optimizovan uz
pažljivo definisanje svih važnih procesnih parametara, ali je i upotpunjen i/ili dopunjen
kombinovanjem sa mikrotalanim zračenjem. Kao izvor pšeničnog glutena, u okviru eksperimenata,
korišćena su dva supstrata:
• prvi, model protein glutena poreklom iz pšenice (bogat frakcijama glutenina i
gliadina), i
• drugi, komercijalno dostupna sirovina koja se koristi u svakodnevnoj ishrani ljudi,
pšenično belo brašno.
U svakoj fazi eksperimentalnog rada vršena je detaljna karakterizacija modifikovanog
pšeničnog glutena, kako model proteina, tako i pšeničnog brašna. Karaktertizacija je podrazumevala
ispitivanje alergenih svojstava modifikovanih proteina glutena primenom kompetitivnog ELISA testa
koji u sebi sadrži R5 monoklonska antitela. Potom, modifikovan gluten je okarakterisan sa aspekta
tehnološko-funkcionalnih svojstava (penjenje, emulgovanje, površnko naelektrisanje), strukturnih
promena (FTIR analiza, RP-HPLC analiza, SDS-PAGE analiza) i bioaktivnih svojstava
(antioksidativna i antimikrobna aktivnost).
Detaljnije, u prvom delu istraživanja ispitan je uticaj parametara mikrotalasnog zračenja na
strukturu model proteina glutena poreklom iz pšenice, i njihova alergena svojstva. Delovanjem
mikrotalasnog zračenja snage 200 do 800 W, utvrđene su promene u detekciji relativnog sadržaja
alergenog epitopa glutena pomoću odabranog antitela. Poređenjem odabranog mikrotalasnog
tretmana sa konvencionalnim zagrevanjem, ispitan je uticaj i više različitih temperatura kako bi se
bliže odredile promene nastale usled ovih tretmana. Sinergističkim delovanjem enzima kao
biokatalizatora, izvršena je kontrolisana hidroliza model proteina glutena nakon mikrotalasnog
zračenja. Korišćena je komercijalna endopeptidaza Alkalaza kao biokatalizator za reakciju hidrolize
mikrotalasno tretiranog glutena. Primena mikrotalasnog pretretmana snage 200 W pri kontrolisanoj
temperaturi u trajanju od svega 1 min, a u kombinaciji sa enzimskom hidrolizom se pokazala kao
veoma efikasna, jer su proizvedeni hidrolizati proteina glutena ispoljili izuzetno poboljšanje
tehnološko-funkcionalnih svojstava i antioksidativnih aktivnosti u poređenju sa netretiranim
glutenom.
Specifični netermalni efekat mikrotalasa je imao uticaj na strukturu i alergenost glutena, usled
čijeg dejstva je došlo do unapređenja enzimske hidrolize. Ovo je potvrđeno jer termički tretman
glutena pri potpuno istim uslovima je pokazao drugačiji uticaj na strukturu molekula, na osnovu čega
se može zaključiti da mikrotalasni tretman rezultuje u jedinstvenim modifikacijama proteina. Opšte
je poznato da se usled smanjenja dužine peptidnih lanaca tokom hidrolize menjaju i tehnološkofunkcionalna
svojstva proteina. Emulgujuća stabilnost hidrolizata glutena sa i bez pretretmana
značajno je unapređena u odnosu na sirov gluten, međutim do značajnijeg unapređenja među
uzorcima nije došlo prilikom ispitivanja stabilnosti formirane pene. Antioksidativna svojstva
proizvedenih hidrolizata glutena, pre svega sposobnost neutralizacije radikalskog katjona ABTS˙+ i
DPPH˙ radikala značajno su unapređene u odnosu na polazni uzorak, dok se posebno ističe
sposobnost heliranja jona Fe2+. S tim u vezi, krajnji hidrolizati sa i bez pretretmana pokazuju značajnu
razliku u IC50 vrednostima (mg/ml) prilikom ispitivanja mogućnosti heliranja jona metala. Metodom
dead-end ultrafiltracije, izvršeno je frakcionisanje krajnjih hidrolizata, mikrotalasno pretretiranog i
kontrolnog, na frakcije peptida tačno definsanog opsega molekulskih masa, a u cilju pronalaženja
frakcije sa najizraženijom antioksidativnom aktivnošću. Prilikom ispitivanja sposobnosti inhibicije
ABTS radikalskog katjona, nisu zabeležene značajne razlike među peptidnim frakcijama. Doprinos
peptidne frakcije F3 (3–10 kDa) zabeležen je prilikom testiranja inhibitorne aktivnosti prema DPPH
radikalima. Izmerene vrednosti stepena heliranja jona metala značajno se razlikuju među peptidnim
frakcijama istog uzorka, ali i među uzorcima. Naime, čak 10–25% veće aktivnosti su zabeležene u
slučaju peptidnih frakcija dobijenih od mikrotalasno pretretiranih proteina glutena. Frakcije koje su
se posebno istakle su frakcija 2 sa peptidima molekulske mase 10–30 kDa, frakcija 3 (3–10 kDa) i
frakcija 4 (1–3 kDa).
U drugom delu istraživanja u okviru ove disertacije, kao sirovina za modifikaciju glutena
korišćeno je belo pšenično brašno. Tom prilikom, u cilju modifikacije glutena iz pšeničnog brašna,
ali i samog brašna, istraživana su sprovedena u dva dela. Prvi deo istraživanja je bio baziran na
primeni prethodno usvojenih parametara enzimske hidrolize proteazom Alkalazom mikrotalasno
pretretiranog glutena, dok je naknadno izvršena studija optimizacije postupka hidrolize pšeničnog
brašna u cilju kreiranja valjanog modela koji bi se mogao primeniti u postupku smanjenja alergenih
svojstava glutena iz brašna. S tim u vezi, prilikom hidrolize proteina brašna varirane su različite
koncentracije supstrata u cilju ispitivanja uticaja prisutnih skrobnih materija na sam postupak
hidrolize, a potom i na tehno-funkcionalna svojstva dobijenih hidrolizata glutena. Najveće smanjenje
sadržaja alergenih epitopa glutena zabeleženo je kod uzorka pripremljenog kao 15% (w/w) suspenzija
brašna, pri čemu je razlika u alergenosti među uzorcima potvrđena razlikom i odsustvom proteinskih
traka primenom SDS-PAGE elektroforeze. Emulgujuća svojstva su značajno unapređena postupkom
enzimske hidrolize, dok stabilnost formiranih emulzija nije značajno unapređena. Ispitivanjem
svojstva penjenja zabeležene su značajne razlike među hidrolizatima, pri čemu je interesantno istaći
da se pažljivom kontrolom enzimske hidrolize mogu proizvesti hidrolizati sa dovoljno dugačkim
polipeptidnim lancima koji formiraju dobre i stabilne pene. Visoke vrednosti antioksidativnih
aktivnosti dobijenih hidrolizata proteina pšeničnog brašna potvrđene su u okviru ABTS i helatnog
testa, čineći tako pripremljenje hidrolizate podobne za dalja ispitivanja koja se mogu sprovoditi za
potrebe kreiranja preparata sa unapređenim antioksidativnim svojstvima. Sumarno, ovim delom
istraživanja evidentno je bilo da prirodno prisustvo skrobnih materija u formiranim suspenzijama ne
ometa sam postupak hidrolize, već ga „olakšava“ jer dovodi do sprečavanja formiranja agregata, tj.
usled hidratacije sastavnih delova gliadina i glutetnina prisustvo skrobnih materija ometa formiranje
glutenske mreže čime se olakšava pristup enzima peptidnim vezama i unutrašnjosti supstrata.
Naknadnom optimizacijom postupka hidrolize pšeničnog brašna analiziran je uticaj procesnih
parametara: pH, temperature, enzim/supstrat (E/S) odnosa i količine supstrata na stepen hidrolize,
alergena svojstva i antioksidativne aktivnosti. Analizom dobijenog modela baziranog na 29
eksperimentalnih tačaka u okviru metode odzivnih površina, zaključeno je da najveći uticaj na tok
hidrolize imaju pH, E/S odnos i količina supstrata (S), dok su alergena svojstva direktno bila
uslovljena sa pH i temperaturom procesa. Antioksidativna aktivnost zavisi najviše od primenjenog
pH tokom hidrolize i enzim/supstrat odnosa, dok na heliranje dodatno utiče i količina unetog
supstrata.
Kako bi se ispitala mogućnost još intenzivnije modifikacije pšeničnog glutena, ali i primene
enzimskog preparata Pronaze (endo- i egopeptidazna aktvnost), prevashodno u svrhu smanjenja
alergenih svojstava, istraživanja su nastavljena u tom smeru. S obzirom na slabu dostupnost
literaturnih podataka u vezi delovanja ovog enzima na gluten, ova eksperimentalna postavka je
izvedena u cilju teorijskog ispitivanja mogućnosti primene Pronaze kao još jednog preparata kojim
bi se smanjila alergena svojstva glutena. Naime, sa povećanjem postignutog stepena hidrolize
zabeleženo je smanjenje alergenih svojstava, unapređene su emulgujuće aktivnosti, dok je kapacitet
i stabilnost penjenja obrnuto zavistan od postignutog stepena hidrolize. Suprotno tome, najveći
kapacitet i stabilnost penjenja pokazao je uzorak hidrolizata sa najmanjim stepenom hidrolize, usled
prisustva polipeptidnih lanaca srednjh molekulskih masa. SDS-PAGE elektroforezom potvrđeno je
odsustvo frakcija glutena velikih molekulskih masa (> 50 kDa). Dodatno, razlike i u antioksidativnim
svojstvima proizvedenih hidrolizata bile su očigledne. Naime, svi uzorci su pokazali određeni nivo
antioksidativne aktivnosti, pri čemu se u odnosu na hidrolizate dobijene Alkalazom, ističe smanjena
aktivnost hidrolizata prema jonima Fe2+.
Dobijeni hidrolizat pšeničnog brašna sa najnižim relativnim sadržajem glutena iskorišćen je
kako bi se ispitao njegov uticaj na reološke osobine bezglutenskog brašna, heljdinog integralnog
brašna, na Miksolabu. Naime dodatkom hidrolizata postignuta je promena reoloških osobina u vidu
smanjenja slabljenja glutenske mreže tačnije propadanja proteinske strukture tokom zagrevanja.
Dodatak hidrolizata uticao je i na promenu u aktivnosti amilaza, kao i na retrogradaciju skroba u
poslednjoj fazi analize.
Sveobuhvatno, sumiranjem rezultata dobijenih tokom istraživanja sprovedenih za potrebe
izrade ove disertacije utvrđeno je da se primenom Alkalaze i Pronaze može efikasno i do određene
mere smanjiti prisustvo alergenih epitopa u sirovom glutenu koji izazivaju imuni odogovor u
osetljivim grupama populacije. Primena mikrotalasnog pretretmana dovodi do strukturnih promena
koje su zabeležene u sekundarnoj strukturi proteina glutena, a dodatno pozitivno pospešuju dalji tok
enzimske hidrolize. Tokom hidrolize proteina pšeničnog brašna, ustanovljeno je da prisustvo
skrobnih granula olakšava postupak enzimske hidrolize jer skrobne granule direktno sprečavaju
formiranje proteinskih agregata. Dobijeni hidrolizati proteina pšeničnog brašna se mogu smatrati
hidrolizatima bogatim antioksidativnim peptidima, sa unapređenim određenim funkcionalnim
svojstvima i smanjenom alergenošću. Stoga, na osnovu svega izloženog moguće je modifikovane
proteine glutena uzeti u razmatranje prilikom kreiranja novih proizvoda sa smanjenim alergenim
svojstvima. Finalno, kao doprinos istraživanjima u okviru ove disertacije može se pripisati i
ekonomičnost mikrotalasnog pretretmana kao i postupka hidrolize u prisustvu skrobnih materija, jer
primenom ovakvih postupaka moguće je izvršiti određeni nivo uštede tokom postupka proizvodnje
modifikovanih proizvoda glutena sa smanjenim sadržajem alergenih epitopa (~ 20 ppm).
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.
