Ученые-пищевики прокладывают путь к производству новаторских продуктов питания, которые будут востребованы в будущем, а также фармацевтических препаратов с помощью 3D-печати на основе белка засухоустойчивого зерна сорго, который не превратится в комок.
Сорго занимает пятое место среди важнейших зерновых культур в мире, его мировое производство за период 2023–24 гг. составило 58,22 млн метрических тонн. Соединенные Штаты являются ведущим производителем сорго, на долю которого приходится 18 % этого объема.
Зерна сорго в среднем на 9–11 % состоят из белков.
Белки в сорго делятся на четыре основные группы: кафирины (проламины), глютелины, альбумины и глобулины.
Кафирины - это высокогидрофобные белки, которые далее делятся на типы α, β, γ и δ. α-кафирины, которые составляют примерно 80 % от общего числа кафиринов, включают полипептиды с молекулярной массой 23 и 25 кДа (килодальтонов).
Молекулярная масса β-кафиринов составляет от 16 до 20 кДа и составляет 8–13 % от общего количества кафиринов. γ-кафирины с молекулярной массой от 20 до 28 кДа составляют 9–21 % от общего количества кафиринов, в то время как δ-кафирины с молекулярной массой около 13 кДа присутствуют в очень малых количествах.
Как правило, кафирины содержат много глутаминовой кислоты, пролина, лейцина и аланина, но в них мало незаменимых аминокислот, таких как лизин, треонин, триптофан и серосодержащие аминокислоты.
Глютелины, в основном расположенные в эндосперме, составляют 16–35 % запасных белков. В отличие от кафиринов, глютелины содержат мало глутаминовой кислоты, но много лизина.
Альбумины и глобулины, в изобилии содержащиеся в зародыше, составляют 32–35 % запасных белков. Альбумины имеют молекулярную массу 75–100 кДа, в то время как глобулины — около 30 кДа. Как альбумины, так и глобулины богаты незаменимыми аминокислотами, особенно лизином.
Хотя белки сорго хуже усваиваются по сравнению с другими злаковыми зернами, что ограничивает их применение, они обладают значительной пользой для здоровья. Они могут подавлять воспалительные реакции и снижать риск сердечно-сосудистых заболеваний за счет снижения общего уровня холестерина и повышения антиоксидантного потенциала, поскольку содержат уникальные фенольные соединения. Белки сорго использовались в протеиновых батончиках, хлебобулочных изделиях и заменителях мяса и имеют потенциал для низкокалорийных пищевых рецептур. Таким образом, белки сорго являются ценным источником гидрофобных белков для новых технологий обработки пищевых продуктов, таких как 3D-печать.
Кроме того, зерно сорго от сортов, способных расти в контрастных климатических условиях, содержит еще больше оздоровительных и уникальных фенольных соединений. Это также безглютеновое зерно.
3D-печать материалов на основе белков представляет собой передовое достижение в пищевой промышленности с быстро растущим применением в разработке альтернативных пищевых продуктов.
Значительной проблемой в этой области является идентификация биочернил на основе растительных белков с точной пригодностью для печати. Пригодность для печати относится к способности биочернил сохранять свою форму и слои без зазоров (т. е. быть самоподдерживающимися), обеспечивая высокое разрешение и точность формы.
На пригодность для печати влияют несколько факторов, включая формулу биочернил, свойства желатинизации/гелеобразования, реологию, функциональные группы, микроструктуру и термодинамические свойства. Кроме того, параметры печати, такие как температура, давление, размер сопла и скорость печати, имеют решающее значение для достижения оптимальной пригодности.
Различные типы белков, включая соевые, гороховые, кукурузные и яичные, а также другие, такие как коллаген, желатин, кератин и резилин, были исследованы в качестве биочернил, как по отдельности, так и в сочетании с другими белками или гидроколлоидами. До сих пор большинство усилий было направлено на гидрофильные белки, и существует потребность в новых гидрофобных белках, которые в идеале были бы получены из экономически эффективных и устойчивых источников белка для 3D-печати.
Али Убейитогуллари, доцент кафедры пищевой инженерии факультетов пищевой науки, биологической и сельскохозяйственной инженерии Университета Арканзаса, уже показал, что муку сорго можно превратить в «биочернила» для 3D-печати полезного печенья. Следующим шагом, по его словам, станет оптимизация печатных белков сорго для производства новых продуктов питания и лекарств. Например, белки сорго использовались в заменителях мяса и 3D-печати продуктов питания для создания более реалистичных копий говяжьих стейков. Белки из зернового сорго также используются в протеиновых батончиках и выпечке.
Что делает белки сорго особенно полезными для 3D-печати продуктов питания, так это их гидрофобность (способность отталкивать воду), способствующая сцеплению продукта.
Ученый пояснил, что многие пищевые материалы, особенно крахмалы и белки, являются гидрофильными и легко впитывают воду, что ограничивает включение гидрофобных компонентов в рецептуру.
«До сих пор большая часть исследований белков для 3D-печати продуктов питания была сосредоточена на гидрофильных белках, и возникла потребность в новых гидрофобных белках, которые в идеале должны быть получены из экономически эффективных и устойчивых источников белка для 3D-печати», - подчеркивает Убейитогуллари.
В недавно опубликованной работе Убейитогуллари и Сорур Барекат, постдокторант кафедры пищевых наук, показали, что оптимальные результаты 3D-печати с использованием белка зернового сорго достигаются при содержании белка 25% и скорости печати 20 миллиметров в секунду с соплом 0,64 мм. Увеличение концентрации белка до 35% не улучшило пригодность для 3D-печати. Результаты опубликованы вInternational Journal of Biological Macromolecules.
Али Убейитогуллари (слева), доцент кафедры пищевой инженерии факультета пищевой науки, биологической и сельскохозяйственной инженерии, и Сорур Барекат, научный сотрудник факультета пищевой науки, разработали новые 3D-биочернила из белков сорго. Источник: U of A System Division of Agriculture / Paden Johnson.
«Мы показали, что белок сорго можно превратить в новый гель для 3D-печати. Благодаря своей уникальной структуре эти гели можно использовать в пищевой и фармацевтической промышленности в качестве биочернил для инкапсуляции лекарств или в качестве носителя гидрофобных соединений и питательных веществ», - сказал Убейитогуллари.
Барекат была ведущим автором исследования под названием «Максимизация печатных свойств белков сорго: оптимизация гелевой формулы и параметров 3D- печати для разработки новых биочернил». Убейитогуллари, преподаватель Арканзасской сельскохозяйственной экспериментальной станции, исследовательского подразделения Системного отдела сельского хозяйства Университета Арканзаса, был консультантом Барекат. Убейитогуллари также является членом Колледжа сельского хозяйства, продовольствия и наук о жизни Дейла Бамперс в Университете Арканзаса.
Источник: University of Arkansas. Автор: Джон Ловетт.