Élelmiszerkémiai trendjelentés - Hellwig - 2020 - Kémiai hírek - Wiley Online Könyvtár
Absztrakt
A fehérjeoxidáció esetén nemcsak a mechanizmusok és a reakciótermékek érdekelnek, hanem az is, hogy miként befolyásolják az ételek funkcionális és érzékszervi tulajdonságait. A tömegspektrometria egyre inkább felváltja a nem specifikus UV és fluoreszcencia spektroszkópiát. A célzott proteomikai megközelítésekkel nemcsak az egyes oxidált aminosavakat lehet meghatározni, hanem a szelektíven oxidált triptikus peptideket is.
Az oxigén atmoszférában élés nem kívánt oxidációkat eredményez, amelyek megváltoztatják a biomolekulák szerkezetét és funkcionalitását. Ezeket a reakciókat reaktív oxigénfajok (ROS) váltják ki, amelyek magukban foglalják a szuperoxid gyököt, a hidrogén-peroxidot és a különösen reaktív hidroxil gyököt. Az élő sejtekben az antioxidáns enzimek, például a kataláz vagy a szuperoxid-diszmutáz a ROS-t ártalmatlanná teszik, így egyensúly áll fenn az ROS képződése és lebomlása között. Ha az egyensúly elmozdul a ROS kialakulása mellett, akkor oxidatív stresszről beszélünk. 1)
Az étel olyan körülményeknek van kitéve, amelyek eltérnek a fiziológiai normától a hőmérséklet, a pH-érték vagy a környező közeg szempontjából. Ezért az élelmiszerek feldolgozásában és tárolásában reakciók lépnek fel, amelyek közül sok még ismeretlen. Ezek ismerete segíthet megérteni az oxidáció által kiváltott funkcionális változásokat a fehérjékben. Ezenkívül a szerkezet-hatás összefüggések felismerhetők így.
Radikálisok merülnek fel
A lipidperoxidációhoz hasonlóan a láncindítási reakciók is meghatározhatók a radikális fehérje oxidációhoz, amelyben fehérjgyökök képződnek (1. ábra). 2) Alifás oldalláncokban az oxigén hozzáadódhat az ilyen gyökökhöz, peroxicsoportokat képezve, amelyek tovább reagálva hidroperoxidokat képeznek. A szaporítás során a gyökök átkerülhetnek a fehérjébe. A hidroperoxidok akár néhány órán át is stabilak, de végül hidroxi- vagy keto-vegyületekké bomlanak le (2. ábra).
A hidroxivegyületek aromás aminosav oldalláncok oxidációja során is képződnek, például fenilalaninban, tirozinban vagy triptofánban. A fehérjgyökök dimerizációja térhálósodáshoz vezet. A gyökök mellett 2-elektron oxidáció megy végbe, például metioninon, metionin-szulfoxid és metionin-szulfon képződésével (2. ábra). 2) Egyes oxidált aminosavak köztitermékekként fordulnak elő a biokémiailag releváns anyagcsere útvonalakban, például az aromás aminosav kinurenin, a metabolikus köztitermék a triptofán lebontásában.
Az elmúlt években az egyes termékeken végzett munka az oxidáció által indukált térhálósításra összpontosított, és olyan struktúrák, mint a hisztidin térhálósító termékei, amelyek a 2. ábrán láthatóak, elsősorban tömegspektrometriai adatokból származnak. 3) Az anyagok szintézise és jellemzése még várat magára. Ezenkívül új reakcióutakat írnak le, például a metionin katalitikus szerepét a peptidhasítási reakciókban, amelyekben a tioétercsoport oxidatív károsodást közvetít a fehérje gerincén (3. ábra). 4)
A fehérje oxidációjának hatása az élelmiszerekben
A lipidperoxidáció által károsított ételeket érzéki tulajdonságaik alapján ismerhetjük fel: avas ízűek. A fehérje oxidációs termékek sokkal kevésbé érzékelhetőek az érzékek számára, de ezek is megváltoztathatják az aromát. Például a tej és a sör könnyű ízű, ha ezeket az ételeket napfény éri. A metionin fotooxidációja révén tiilcsoportok szabadulnak fel köztitermékként, amelyek dimerizálódhatnak dimetil-diszulfiddá (4. ábra). 5) A sörben az illékony 3-metil-but-2-én-1-tiol képződhet komló keserű anyagok bomlástermékeivel történő reakció után. 5)
Egyes EU-országokban, de Németországban nem, a halakat és a baromfit konzerválás céljából ionizáló sugárzással kezelhetik. Ez dimetil-triszulfidot hoz létre, amely a kéntartalmú aminosavak lebontásakor keletkezik. 6) "rothadt" szagot áraszt.
Az aroma mellett a funkcionális tulajdonságok megváltoznak a fehérje oxidációja révén: Az oxidáció okozta térhálósodás, elsősorban a cisztin miatt, csökkenti az izomhús érzékenységét és lédússágát. 7)
Az antioxidáns hatású enzimatikus rendszerek általában sokkal kevésbé aktívak az ételekben, mint az élő rendszerekben, vagy inaktiválódnak feldolgozással (hőkezelés, pH-változások). Így a feldolgozott élelmiszerekben található fehérjék hajlamosabbak az oxidatív lebomlásra, mint fiziológiai körülmények között. A lipidperoxidáció gátlásához antioxidánsok állnak rendelkezésre, amelyek hasonló felépítésüknek köszönhetően ugyanolyan gyorsan reagálnak az ROS-szal, mint a lipidek, és mezomer-stabilizált gyököket képeznek. Mivel azonban a fehérjék némelyik alépítményeleme, például a tiol- vagy tioétercsoportok, gyorsabban reagálnak a ROS-szal, mint a többnyire zsírban oldódó antioxidánsok, 9) a lipidek antioxidánsai nem tudják megakadályozni a fehérje oxidációját.
A fehérjeoxidáció alacsony érzékszervi hatása miatt a lipidperoxidációhoz képest ezek a reakciók hasznosak lehetnek: Az oxidáció által kiváltott térhálósító reakciók, amelyek nem kívánatosak a húskészítményekben, emulziót és gélstabilizáló hatást fejtenek ki olyan ételekben, mint a joghurt. Például a fehérjeoxidáció javítja a vegán és vegetáriánus fehérje alapú termékek textúráját. 10)
Fehérje oxidáció: bomlik le és dolgozzon fel
Kevés adat áll rendelkezésre a fehérje oxidációs termékek élelmiszer-koncentrációiról. Néhány éve egyre nagyobb érdeklődés mutatkozik az egyes élelmiszerben oxidált aminosavak és anyagcsoportok iránt, főként a fehérje oxidációjának in vivo elemzéséből származó módszereket alkalmazva. Eddig az egyedi struktúrákat többnyire csak kis számú mintával rögzítették. 11,12) Az adatbázis kibővítése szükséges a megbízható expozíciós becslésekhez.
A feldolgozási módszer meghatározó a fehérjeoxidáció elemzésének informatív értéke szempontjából. Az egyes oxidált aminosavak elemzéséhez hidrolízissel el kell távolítani őket a fehérje összeállításból (5. ábra). Ezt általában enzimatikus vagy sósav-hidrolízissel végezzük.
Különösen a fiziológiai kémiai módszerektől az élelmiszer-elemzésekig alkalmazva kell érvényesíteni a megfelelő mátrixok módszereit. Ez különösen nehéz, ha erősen eltérő mátrixhatásokkal rendelkező ételeket vizsgálunk. Például a magas hőmérsékleten és lúgos pH-értékekkel feldolgozott élelmiszerfehérjék általában kovalensen kereszteződnek. Itt az enzimatikus hidrolízisek elérik a határaikat.
Néhány oxidációs termék nem savas, ezért a szokásos eljárások, például a sósav-hidrolízis, nem alkalmasak ezekre a termékekre. A sósav hidrolízise félrevezetheti reakciótermékeit, például a metioninból származó metionin-szulfoxidot.
Mérjük meg a fehérje karbonilokat
Korábban a fehérje-karbonil-csoportokat anélkül határozták meg, hogy kielégítően figyelembe vették volna elemzésük határait. A fehérje-karbonilok meghatározása a 2,4-dinitrofenil-hidrazin (DNPH) és a fehérje karbonilcsoportjainak reakcióján alapul, ezek elsősorban az alizin és a γ-glutamilszemialdehid termékei (2. ábra, 55. o.). 13) A karbonilezés elemzésének meghatározó előnye: nem szükséges a fehérje hidrolizálása, amely artefaktumokat okozhat. Az elemzésbe azonban csak az oldható fehérjék tartoznak, és a karbonilezési elemzés csak azokat a változásokat fedi le, amelyek a fehérjékben előfordulnak az oxidáció következtében. Valójában nem minden oxidált aminosavnak van karbonilszerkezete (2. ábra).
A legújabb publikációk szerzői ezért egyre inkább rögzítik az egyes oxidált aminosavakat az ételekben. 11,14) Az egyes aminosavak teljes tartalmát a fehérje hidrolízise után határozzuk meg, és azonosítsuk az egyedi oxidált oldalláncokat, amelyek könnyen oxidálhatók.
Amint az egyes oxidált aminosavak elemzése mutatja, a metionin-szulfoxid a domináns oxidált aminosav az élelmiszerekben; A metionin oxidációja fiziológiai körülmények között lényegesen alacsonyabb. 11.14)
Az élelmiszerekben és takarmányokban található metionin-maradékok legfeljebb háromnegyede oxidálható. 2.12) Fiziológiai körülmények között a metionin-szulfoxid-reduktázok csökkentik a metionin-szulfoxid felhalmozódását. Feltehetően ilyen enzimek és az élelmiszerfehérjéknek a feldolgozás során kitett körülményei miatt az élelmiszerekben az oxidált aminosavak spektruma jelentősen eltér az élő rendszerek spektrumától.
Proteomika
Az egyes vegyületek elemzésének másik módja a proteomika-alapú módszerek alkalmazása. A fehérjéket enzimatikusan peptidekké hidrolizáljuk, például tripszinnel, folyadékkromatográfiával elválasztjuk és nagyfelbontású tömegspektrometriával azonosítjuk. A peptidek oxidációjának mértéke meghatározható bioinformatikai kiértékelő szoftver segítségével, valamint az oxidáció helyzete és ezáltal az egyes oxidált aminosavak a fragmentációs spektrumokban. 15)
Ezt a módszert leginkább tej, tejtermékek, hús és húskészítmények esetében alkalmazzák. Kimutatták, hogy az élelmiszerekben az oxidált aminosavak spektruma lényegesen nagyobb, mint azt a fehérjék teljes hidrolízise után korábban meghatározták. 15)
A redox proteomika legújabb fejleményei egyesítik a karbonilcsoportok jelölését és a reakciótermékek szelektív izolálását nagy felbontású tömegspektrometriás módszerekkel. 16,17) Ezenkívül az egyes fehérjék oxidációja detektálható, ha először elektroforetikusan elválasztják őket, majd a Western blot technikával membránra viszik át. Ezután dinitrofenilhidrazinnal reagáltatják őket, és a keletkező fehérjéhez kötött hidrazonok vizuálisan vagy immunkémiai úton kimutathatók.
Emberre gyakorolt hatások
Mint az élelmiszerek számos kémiai reakciója, a fehérje oxidációja is vitatott arról, hogy vajon jelent-e egészségügyi kockázatot. Egyes tudósok azt állítják, hogy a fehérje oxidációs termékek táplálékból történő bevitele "csendes veszélyt jelent az emberi egészségre". 18)
Az oxidált étkezési fehérjék nem feltétlenül emészthetők, és oxidatív károsodásokat hordozhatnak az emberekben. 2.18) A szerkezet-aktivitás összefüggések itt történő megállapításához meg kell deríteni, hogy az emberek mennyire vannak kitéve az egyes oxidált fehérjéknek és aminosavaknak. Ennek tartalmaznia kell az oxidációs reakciókat, amelyek csak az emésztőrendszerben játszódnak le.