Белки

Значение исследований в  области химической модификации  белка, проводимых в связи с регулированием функциональных свойств, заключается  в том, что они позволяют моделировать процессы химической модификации, протекающие  при хранении, переработке и приготовлении  пищевых продуктов, выяснить роль тех  или иных компонентов сложных  пищевых систем при производстве, потреблении пищи и оптимизировать процессы пищевой технологии.

Методы химической модификации  белка не получили пока широкого промышленного  применения, несмотря на их большие  потенциальные возможности. Это, по-видимому, обусловлено прежде всего необходимостью тщательных медико-биологических исследований модифицированных белков и разработки методов контроля процессов модификации  и состава получаемых продуктов. Контроль этих процессов весьма сложен ввиду большого числа реакционноспособных  функциональных групп в молекуле белка и меньшей специфичности  методов химической модификации  по сравнению с ферментативной. Кроме  того, большое значение могут иметь  возможные примеси в препаратах белка и используемых химических реактивах, которые могут сорбироваться  и накапливаться в белке, а  также образовывать токсичные продукты. Существенно также возможное  значительное снижение биологической  ценности белка при его модификации, так как не все образующиеся химические связи гидролизуются в желудочно-кишечном тракте и не все новые продукты модификации могут усваиваться организмом.

Среди биологических методов  оценки биологической ценности наибольшее распространение получило определение  коэффициента эффективности белка (КЭБ), характеризующего отношение привеса  экспериментального животного к  массе потребленного им белка  при кормлении диетическими продуктами стандартной калорийности с 10%-ным  содержанием белка. Результаты определения  КЭБ сравнивают с данными для  контрольной группы животных, получавших в качестве белка казеин или казеин, обогащенный недостающим количеством  метионина. КЭБ эталонного белка-казеина  равен 2,5.

Между показателями биологической  ценности, получаемыми химическими  и биологическими методами, обычно имеется весьма высокая, но не полная корреляция. Это обусловлено тем, что при химической оценке недостаточно учитывается роль второй и последующих  лимитирующих аминокислот, а также  степень переваримости и усвояемости  различных белков. Последняя зависит  как от присутствия в продукте других нутриентов и антипитательных  веществ, например ингибиторов пищеварительных  ферментов, так и от структуры  белка, ее изменений в процессах  выделения белка, получения пищевых  или кормовых продуктов. Кроме того, это обусловлено недостаточным  уровнем знаний о потребностях организма  в аминокислотах на разных стадиях  роста и развития и находится  в зависимости от экологии, эволюционной предыстории организма. Известной  неопределенностью страдают и результаты оценки качества белка биологическими методами, в частности, ввиду различий в метаболизме, скоростях роста  и развития людей и экспериментальных  животных и соответствующих различий потребностей в аминокислотах. Наряду с этим существенна известная  неоднозначность в постановке эксперимента на лабораторных животных. Так, изучение их привеса в зависимости от количества съеденного белка подразумевает, что  наиболее важную задачу питания составляет увеличение массы, а, например, не физическое и умственное развитие, активная деятельность, здоровье, продолжительность жизни организма наряду с его воспроизведением. Ввиду того что практически все отдельно взятые показатели биологической ценности по ряду различных причин ограниченно информативны, для более полной ее характеристики обычно используют набор показателей. 
Обсуждая проблему биологической ценности как критерия качества белка, целесообразно очень кратко остановиться еще на нескольких вопросах. Существенно рассмотреть, во-первых, соотношение между биологической ценностью животных и растительных белков, а также особенности аминокислотного состава растительных белков, как потенциально наиболее крупного источника пищевого белка; во-вторых, приемы повышения биологической ценности, а также ее изменения в процессах выделения и переработки белка в новые формы пищи; в-третьих, роль производства новых форм пищи в связи с повышением биологической ценности белка.

По происхождению белок (растительный, животный или микробиологический) не имеет резких границ по аминокислотному  составу и биологической ценности. Значительная часть растительных белков по этим показателям весьма близка к животным. Это относится, например, к белкам зеленых листьев, бобов  сои, семян других масличных и  бобовых культур, картофеля и  др. Ряд растительных белков, например семян рапса и сока зеленых  листьев, практически не уступает животным белкам по биологической ценности. Кроме того, современная селекция, генетика и агротехника продемонстрировали возможность не только повысить продуктивность растительных культур, прежде всего  зерновых, но также и существенно  улучшить аминокислотный состав растительных белков. Их можно обогатить также  добавками лимитирующих аминокислот. Кроме того, если индивидуальные растительные белки часто несколько уступают животным по биологической ценности, то их смеси могут быть вполне эквивалентными и даже превосходить животные белки  по этому показателю. Существенно, что производство растительных белков в составе различных культур по сравнению с производством животного белка требует в среднем в 10 раз меньше затрат ископаемого топлива, более экономически и экологически выгодно и одновременно позволяет резко расширить объем производства потенциально пищевого белка. Сведения о содержании незаменимых аминокислот в белках семян масличных, бобовых и зерновых культур, а также в ряде изолятов белка и пищевых продуктах приведены в табл. 4 и 5.

Белки семян большинства  обычных сортов зерновых дефицитны  по двум (рис, овес), а чаще по трем и  четырем (пшеница, кукуруза и др.) незаменимым аминокислотам. Первой лимитирующей аминокислотой белка зерновых культур является лизин. Вторые лимитирующие аминокислоты белков зерновых различны для семян различных культур: для пшеницы, риса и ржи — треонин, для кукурузы — триптофан и т. д. В то же время большинство белков зерновых культур богато метионином и цистином, т. е. серосодержащими аминокислотами. Они содержат эти аминокислоты в достаточных или даже больших количествах, чем идеальный эталонный белок ФАО/ВОЗ. Это особенно характерно для белков пшеницы, гречихи и риса.

Белки семян бобовых культур  отличаются лучшей сбалансированностью  по содержаний незаменимых аминокислот  по сравнению с белками злаковых. Для большинства из них первой лимитирующей аминокислотой является сумма серосодержащих аминокислот - метионина и цистина. В то же время ряд из них (белок соевых бобов, фасоли, гороха, люцерны) отличается повышенным содержанием лизина, а  некоторые и триптофана.

Для животных белков дефицит  незаменимых аминокислот выражен  весьма слабо. Некоторым из них (белки  молока, мясных субпродуктов) свойственен  небольшой недостаток серосодержащих аминокислот. В общем же для животных белков, по-видимому, более характерно избыточное содержание ряда незаменимых  аминокислот по сравнению с потребностями  организма.

Из различий аминокислотного  состава растительных белков вытекает возможность повысить их биологическую  ценность в результате смешения и  совместного потребления белков, дополняющих друг друга по аминокислотному  составу. Такая возможность обусловлена  тем, что основным биохимическим  процессом, протекающим в желудочно-кишечном тракте, является гидролиз белков и  других нутриентов. Гидролиз обеспечивает потерю белком и другими нутриентами  видовой и прочей специфичности, а также всасывание и утилизацию пищевых веществ организмом. В конечном счете белок необходим организму не как таковой, а в качестве источника необходимых количеств сбалансированной смеси незаменимых аминокислот и азота, поставляемых в форме, адекватной эволюционно развитым процессам пищеварения. Поэтому биологическая ценность смесей белков растет по мере приближения их аминокислотного состава к идеальному, адекватному потребностям организма. В таких смесях реализуются эффекты взаимного обогащения различных белков, комплементарных друг другу по содержанию лимитирующих аминокислот.

Отметим, что эффекты взаимного  обогащения и повышения биологической  ценности наблюдаются как для  смесей белков, так и для комбинаций пищевых продуктов, содержащих эти  белки. Из особенностей аминокислотного  состава белков зерновых культур  следует их важная роль как источника  серосодержащих аминокислот, которые  дефицитны для большинства других белков, как растительных, так и  животных и микробиологических. Ввиду  того что для аминокислотного  состава белков семян масличных  и бобовых культур в общем  характерен избыток лизина и триптофана наряду с дефицитом серосодержащих аминокислот, эти белки, очевидно, комплементарны по аминокислотному составу белкам зерновых. То же относится и к  ряду животных белков, которые, с одной  стороны, имеют слабовыраженный  дефицит серосодержащих аминокислот (молочный казеин или сумма белков молока), с другой — избыток ряда незаменимых аминокислот, а потому лучше и полнее утилизируются  в смешанных рационах. Возможность  повышения биологической ценности в результате потребления смесей белков с адекватным суммарным аминокислотным составом (принцип взаимного обогащения белков) широко изучается в последние  два десятилетия.

Особенно интересные результаты получены при изучении биологической  ценности смесей белков семян зерновых и бобовых культур, например кукурузно-соевых, пшенично-соевых, пшенично-кукурузно-соевых, кукурузно-бобовых и т. д. Например, смесь, содержащая 80 % риса и 20% бобов (в пересчете на белок), имеет КЭБ,равный 2,4-2,6, а смесь 50% кукурузы и 50 % бобов КЭБ, равный 2,6-2,7, т. е. того же порядка, что и у белков молока (табл. 6). 

Важное значение учета  различий в аминокислотном составе  и содержании лимитирующих аминокислот  при совместном потреблении различных  белков иллюстрируют примеры, приведенные  на рис. 1. Эффекты взаимного обогащения наблюдаются также и в смесях животных и растительных белков. Так, наивысшую биологическую ценность получают для смесей, содержащих 75 % белка молока и 25 % белка пшеницы, а также 36 % белка яиц и 64 % белка  картофеля.

Следует отметить, что эффекты  взаимного обогащения белков исторически  широко используют в практике питания  и технологии получения многих пищевых  продуктов. Примерами могут служить  ферментативные гидролизаты смесей растительных белков, используемые в качестве соусов и приправ.

Для того чтобы более четко  показать значение принципа взаимного  обогащения белков в связи с производством  новых форм пищи, следует остановиться на причинах, ограничивающих его широкое  применение на базе традиционной технологии. Эффекты взаимного обогащения белков и сведения о составе смесей белков с максимальной биологической ценностью, казалось, можно было бы положить в  основу выбора оптимальных по составу  рационов питания, тем самым обеспечивая  резкое повышение биологической  ценности потребляемого белка. Этот путь заключался бы в подборе рационов питания на базе сведений о составе  наличных пищевых продуктов, медико-биологических  рекомендаций для отдельных групп  населения и физиологических  норм питания. На первый взгляд, этот путь прост по организации, не требует  освоения технологии выделения белка  и получения новых форм пищи. Однако этот подход исключительно эффективен для организации стабильных по структуре  рационов кормления животных и лишь в ограниченной степени пригоден для регулирования состава рационов питания людей. В этом отношении  известный вклад может внести общественное питание.

Однако человек в отличие  от сельскохозяйственных животных всегда имеет известную свободу выбора пищи. Для него существенную роль играют внешний вид, консистенция, вкус, запах, цвет и другие аспекты приемлемости и привлекательности пищи. Основная роль в формировании рационов питания  принадлежит не медико-биологическим, а социально-экономическим и социально-культурным факторам. Это ограничивает возможность  ориентации на рационы с максимальной биологической ценностью.

Возможности широкого использования  принципа обогащения белков открывает  новая пищевая технология. Выделение  белков из различных источников позволяет  применять их, во-первых, в качестве небольших функциональных добавок, одновременно повышающих биологическую  ценность традиционных пищевых продуктов; во-вторых, в несравненно большем  объеме путем переработки смесей белков в привлекательные для  потребителя новые формы пищи. Состав новых форм пищи можно выбрать  с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальную биологическую ценность типичного рациона питания, учитывая сезонные и другие колебания, либо ориентировать  на обеспечение максимально возможной  биологической ценности каждой из новых  форм пищи. Во всех случаях важна  организация производства достаточно широкого набора пищевых белков, которые  различались бы между собой по аминокислотному составу более  существенно по сравнению с эталонным  белком. Учитывая, что среди потребляемых белков наиболее широко распространен  дефицит лизина, триптофана, треонина и серосодержащих аминокислот, особенно важное значение имеет производство пищевых белков, которые бы содержали  одну или же несколько из этих незаменимых  аминокислот в избытке по сравнению  с эталонным белком. Итак, широкая  реализация взаимного обогащения белков теснейшим образом связана с  получением новых форм на базе смесей различных пищевых белков, комплементарных  друг другу по аминокислотному составу.

Следует отметить, что этот путь помимо вклада в увеличение ресурсов пищевого белка может также давать значительный экономический эффект при производстве продовольствия.

К незаменимым относятся  те аминокислоты, для которых характерен значительно более сложный путь биосинтеза с более высокими энергетическими  затратами, чем для заменимых  аминокислот, ввиду чего способность  к их биосинтезу была эволюционно  утрачена животными. Результатом подобной эволюции метаболизма и стала  зависимость животных от растений как поставщиков незаменимых аминокислот. По-видимому, аналогичное явление играло также роль и в эволюции биосинтеза растительных белков, благодаря чему, например, зерновые, обедненные лизином, могли получить экологические преимущества в процессе эволюции. Существенно также, что энергетические затраты на биосинтез растениями белка выше, чем на биосинтез крахмала, и ниже, чем на биосинтез липидов. Так, энергия 1 г первичной продукции фотосинтеза (глюкозы) используется растениями для синтеза 0,83 г крахмала, 0,4 г белка и 0,33 г растительного масла. Кроме того, повышение продуктивности растительных культур при производстве зерна обычно сопровождается увеличением выхода преобладающего компонента продукции, которым является крахмал. Следовательно, повышение как выхода, так и биологической ценности суммарного белка семян связано с ростом затрат энергии и возрастающей потребностью в азоте. Эта ситуация отвечает также повышению удельной энергоемкости производства растительной продукции при переходе от зерновых к бобовым и масличным культурам, т. е. по мере увеличения содержания в них белка и липидов. Так, использование 1 г первичной продукции фотосинтеза в метаболизме позволяет получить 0,75 г зерна риса или ячменя, 0,72 г пшеницы, 0,71 г кукурузы, 0,65 г гороха, 0,51 г подсолнечника, 0,5 г соевых бобов и 0,43 г семян рапса. Отсюда следует значение возможности получать новые формы пищи на базе смесей пищевых растительных белков со сбалансированным аминокислотным составом в плане оптимизации структуры сельскохозяйственного производства с позиций энергозатрат и состава рационов питания. Наибольшие возможности при снижении удельных энергозатрат на производство белка и экономии невозобновляемых топливных и других ресурсов при производстве продовольствия имеет получение новых форм мясной и молочной продукции на основе смесей растительных белков с высокой биологической ценностью по сравнению со скармливанием этих белков скоту.