Właściwości płynnych suplementów diety zawierających białka serwatkowe dla osób aktywnych fizycznie

Transkrypt

1 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

2 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 może poprawić regenerację, funkcje immunologiczne oraz wzrost i utrzymanie beztłuszczowej tkanki mięśniowej. Odpowiednia pora 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

3 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

4 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 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

5 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 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 Protein and Exercise Recovery. Phys Sportsmed, 37, ) Campbell B., Kreider R. B., Ziegenfuss T., La Bounty P., Roberts M., Burke D., Landis J., Lopez H., Antonio J 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 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 Leucine supplementation and intensive training. Sports Med, 27,

7 5) Kimball S.R., Jefferson L.S 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 Whey protein concentrate production by continuous ultrafiltration: operability under constant operating conditions. J Memb Sci, 290, ) Madureira A. R., Pereira C. I., Gomes A. M P., Pintado M. E., Malcata F. X Bovine whey proteins overview on their main biological properties. Food Res Int, 40, ) Marshall K Therapeutic applications of whey protein. Altern Med Rev, 9, ) Beucler J., Drake M., Foegeding E Design of a beverage from whey permeate. J Food Sci, 70, S ) Katsanos C. S., Kobayashi H. Sheffielsd-Moore M., Aarsland A., Wolfe R. R 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-E ) Dissanayake M., Vasiljevic T Composition and functionality of whey protein concentrates available on the Australian market. Aust J Dairy Technol, 64, ) Pescuma M., Hébert E.M., Mozzi F., Font de Valdez G Functional fermented whey-based beverage using lactic acid bacteria. Int J Food Microbiol, 141, ) Akalin A.S., Gönç S., Ünal G., Fenderya S Effect of fructooligosaccharide and whey protein concentrate on the viability of starter cultures in reduce-fat probiotic yogurt during storage. J Food Sci, 72, ) La Clair C. E., Etzel M. R Turbidity and protein aggregation in whey protein beverages. J Food Sci, 74,