При жарке, выпечке, запекании, приготовлении на гриле и во фритюре в процессе термической обработки пищи образуются различные токсичные соединения. Наиболее распространенным из них является акриламид – вещество, которое может обладать канцерогенными и нейротоксическими свойствами. Превышение допустимого уровня его потребления с продуктами, подвергшимися термической обработке, увеличивает вероятность развития онкологических заболеваний. Наибольшее количество акриламида выявляется в чипсах, обжаренном кофе, картофеле фри, выпечке и различных снеках. Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН разработали метод уменьшения содержания акриламида в продуктах, приготовленных с использованием термических воздействий, для повышения их безопасности, который продемонстрировал высокую эффективность в лабораторных исследованиях. Они сообщили о результатах своей работы в статье, опубликованной в журнале Foods.
Реакция Майяра играет важную роль в пищевой химии. Она происходит между аминокислотами и редуцирующими сахарами при нагревании. Эта реакция обуславливает образование хрустящей и привлекательной корочки при жарке и выпечке, а также придает термически обработанным продуктам характерный аромат, существенно влияя на их вкусовые качества. Однако, у этой реакции есть и негативные аспекты. Реакция Майяра является источником некоторых токсичных соединений, включая акриламид – потенциальный канцероген, который образуется главным образом из аспарагина и сахаров при температуре выше 120 оC.
Специалисты из ФИЦ Биотехнологии РАН и Института биомедицинской химии им. Ореховича разработали предложение по применению фермента, полученного из микроорганизма Thermococcus sibiricus, который за счет расщепления аспарагина блокирует образование акриламида в пище.
«В ходе исследования мы оценили потенциал гипертермофильного фермента – L-аспарагиназы из Thermococcus sibiricus – эффективно снижать содержание акриламида в пище. В процессе протекания реакции Майяра акриламид образуется при высоких температурах в результате взаимодействия между аминокислотой аспарагином и редуцирующими сахарами. Есть два подхода, чтобы предотвратить его образование. Первый заключается в том, чтобы создать такие условия, которые неблагоприятны для протекания реакции Майяра. Второй связан с воздействием на содержание исходных соединений для синтеза акриламида. Первая стратегия имеет очень много ограничений: реакция Майяра, протекающая при термической обработке пищи, придает ей вкус, аппетитный вид и аромат, который мы любим, к которому мы привыкли и вряд ли готовы отказаться. В своей работе, используя второй подход, мы попробовали блокировать синтез акриламида в пище с помощью гипертермофильного фермента, расщепляющего аспарагин до аспарагиновой кислоты и аммиака» , — по словам ведущего автора работы, кандидата биологических наук Марии Думиной, научного сотрудника группы генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН.
Thermococcus sibiricus — микроорганизм, полученный из нефтяного месторождения в Западной Сибири. Он обладает способностью к росту при повышенных температурах, достигающих 80 оС. В настоящее время представители рода Thermococcus считаются одними из самых перспективных экстремофильных микроорганизмов с прикладной точки зрения. Они являются источником важных для биотехнологии ферментов, проявляющих высокую активность и стабильность в широком диапазоне условий. Именно возможность применения в высокотемпературных процессах и стабильность стали определяющими при выборе для исследований L-аспарагиназы из микроорганизма Thermococcus sibiricus.
Исследователи экспрессировали ген L-аспарагиназы Thermococcus sibiricus в клетках быстро растущей в лабораторных условиях бактерии Escherichia coli (кишечной палочки). Анализ полученного фермента выявил его высокую активность при температуре 90 оС, и поддерживать ее стабильность на протяжении длительного периода. Для оценки возможности использования фермента в целях уменьшения содержания акриламида в пище, был проведен эксперимент с использованием упрощенной системы. «Лабораторный образец», включающий глюкозно-фруктозный сироп, аспарагин и крахмал, служащий заменой муки, выпекали в специальных силиконовых формочках при 190 оВ опытные образцы добавляли фермент, в то время как контрольные образцы не подвергались ферментации.
Использование термостабильной L-аспарагиназы при приготовлении выпекаемых образцов привело к уменьшению содержания акриламида на 98,9% по сравнению с контрольными показателями, снизив его концентрацию до 3,52–3,76 µг/кг. Фермент из Thermococcus sibiricus эффективно снижал содержание акриламида при его синтезе не только из L-формы аспарагина (основного субстрата фермента), но и из его D-формы. Следует отметить, что L-аспарагиназа не влияла на синтез меланоидинов, также образуемых в реакции Майяра, поэтому аромат и привлекательный золотисто-коричневатый цвет выпечки остались неизменными.
«Эффективность фермента была оценена на упрощенной пищевой системе. Этот подход позволяет анализировать влияние различных параметров его использования – концентрации, температуры, времени обработки и их сочетаний – для достижения максимальной эффективности в снижении содержания акриламида. Полученные данные являются основой для последующих исследований термофильной L-аспарагиназы», — пояснил соавтор исследования, младший научный сотрудник группы генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН, Станислав Калинин.
На сегодняшний день обработка L-аспарагиназой является одним из наиболее результативных методов уменьшения содержания акриламида в пищевых продуктах. Этот подход может быть использован для широкого спектра продуктов и различных способов тепловой обработки, включая выпекание, жарку и стерилизацию. Особый интерес для применения представляют термостабильные L-аспарагиназы. В связи с этим, исследования фермента продолжаются, теперь уже с использованием реальных продуктов, и ученые надеются на дальнейшие успехи.
Пресс-служба ФИЦ Биотехнологии РАН предоставила информацию и фотографии