Ultrasound assisted enzymatic protein hydrolysis by defatted Protaetia brevitarsis larvae powder

يبحث العالم عن طرق جديدة لإطعام سكان العالم المتزايدين دون استنزاف موارد الكوكب. وفي هذا السعي، برزت الحشرات كمرشح مفاجئ لمستقبل الغذاء. فهي تتطلب مساحة أقل بكثير من الأراضي والمياه مقارنة بالماشية التقليدية مثل الأبقار أو الخنازير، وتنتج غازات دفيئة أقل بكثير. ومن بين هذه الحشرات، تبرز يرقات خنفساء الزهور ذات البقع البيضاء، وهي نوع من الخنازير موطنها أجزاء من آسيا، لارتفاع محتواها من البروتين. ومع ذلك، فإن تناول حشرة كاملة، حتى وإن كانت مغذية، يمثل حاجزاً نفسياً للكثير من الناس؛ إذ غالباً ما يكون مظهر الحشرة منفراً. ولجعل هذه الحشرات مستساغة ومفيدة، يتجه العلماء إلى تفكيكها إلى لبناتها الأساسية. وتتضمن هذه العملية، المعروفة باسم التحلل المائي، استخدام الإنزيمات — وهي أدوات بيولوجية تعمل مثل "المقصات الجزيئية" — لتقطيع سلاسل البروتين الطويلة إلى قطع صغيرة عديمة الطعم تسمى "الببتيدات". ويمكن بعد ذلك استخدام هذه القطع كمكونات في أطعمة أخرى، مما يخفي الشكل الأصلي للحشرة مع الاحتفاظ بقوتها الغذائية.

سعى الباحثون في جامعة جيجو الوطنية في كوريا الجنوبية إلى تحسين عملية التفكيك هذه. فقد أرادوا معرفة ما إذا كان هناك تقنية فيزيائية معينة يمكن أن تجعل الإنزيمات تعمل بشكل أفضل وأسرع. والأسلوب الذي اختبروه هو الموجات فوق الصوتية، وهي نفس نوع الموجات الصوتية عالية التردد المستخدمة في التصوير الطبي. ففي الخليط السائل، تخلق هذه الموجات الصوتية فقاعات صغيرة تتشكل ثم تنهار بعنف. ويولد هذا الانهيار قوى محلية شديدة يمكنها تفكيك الهياكل المتماسكة للبروتينات، مما يجعل من السهل على الإنزيمات الوصول إليها وقطعها. أخذ الفريق مسحوقاً منزوع الدهون مصنوعاً من يرقات الخنفساء وأخضع لعملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل إضافة نوعين مختلفين من الإنزيمات، المعروفين باسم "ألكليز" (Alcalase) و"نيوتريز" (Neutrase). وكان هدفهم هو معرف d ما إذا كان هذا المزيج سينتج منتجاً نهائياً أفضل من حيث مدى ذوبانه في الماء، ومدى فعاليته في محاربة الإجهاد التأكسدي الضار في الجسم، ونوع قطع البروتين الصغيرة التي سينتجها.

أظهرت النتائج أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية قد غيرت بالفعل طبيعة الخليط. فقبل تطبيق الموجات الصوتية، كان مسحوق الحشرات ينتج سائلاً داكناً وعكراً مع وجود قطع مرئية لم تختلط تماماً مع الماء. أما بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، فقد أصبح الخليط أكثر تجانساً وعكارة، مما يشير إلى أن الموجات الصوتية قد نجحت في تفتيت الجزيئات الصلبة والمساعدة في انتشارها. وعندما قاس الباحثون العائد النهائي لمسحوق البروتين بعد المعالجة، وجدوا أن كمية المواد المستردة كانت ثابتة بغض النظر عما إذا كان قد تم استخدام الموجات فوق الصوتية أو أي من الإنزيمين تم اختياره. وهذا يشير إلى أنه بينما غيرت الموجات فوق الصوتية الحالة الفيزيائية للخليط، إلا أنها لم تخلق بالضرورة المزيد من البروتين الإجمالي، بل جعلت البروتين الموجود أكثر سهولة في الوصول إليه.

ظهرت التغييرات الأكثر أهمية في الخصائص الكيميائية والوظيفية للسائل الناتج. أدت عملية تفكيك البروتينات طبيعياً إلى خفض الرقم الهيدروجيني (pH) للمحلول، مما جعله أكثر حمضية، وهو نتيجة قياسية لهذا النوع من التفاعل. ومع ذلك، تباينت السرعة التي تفككت بها البروتينات بشكل كبير بين الإنزيمين؛ فقد عمل إنزيم "ألكليز" بشكل أسرع بكثير، حيث وصل إلى أقصى كفاءة قطع له في نصف ساعة فقط، بينما استغرق الإنزيم الآخر "نيوتريز" وقتاً أطول بكثير لتحقيق مستوى مماثل من التفكك. وعندما دمج الباحثون المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية مع الإنزيمات، وجدوا أن الموجات فوق الصوتية ساعدت الإنزيمات على بدء العمل بشكل أسرع قليلاً في بداية العملية. وذلك لأن الموجات فوق الصوتية كانت قد قامت بالفعل بإرخاء الطيات الضيقة لهياكل البروتين، مما عرض مواقع القطع للإنزيمات قبل بدء التفاعل.

من حيث الفوائد الصحية، ركزت الدراسة على خصائص مضادات الأكسدة للسائل الناتج. ومضادات الأكسدة هي مواد يمكنها تحييد الجزيئات الضارة في الجسم التي تسبب تلف الخلايا. واختبر الباحثون قدرة السائل على تحييد ثلاثة أنواع مختلفة من هذه الجزيئات الضارة. ووجدوا أن السائل الناتج عن إنزيم "ألكليز" كان فعالاً بشكل خاص في التخلص من نوعين من هذه الأنواع، حيث تفوق في أدائه على السائل المصنوع من "نيوتريز". ومن المثير للاهتمام أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية وحدها لم ترفع قوة مضادات الأكسدة للمنتج النهائي بشكل كبير بما يتجاوز ما حققته الإنزيمات بمفردها. وهذا يشير إلى أن الإنزيمات هي المحرك الرئيسي للفوائد الصحية، وأن الموجات فوق الصوتية تعمل أساساً على تسريع العملية وتحسين جودة المادة الأولية. كما أظهر السائل قدرة قوية على تحييد بيروكسيد الهيدروجين، وهو عامل مؤكسد شائع، خاصة عند استخدام الموجات فوق الصوتية قبل الخطوة الإنزيمية.

تغيرت الطبيعة الفيزيائية للمنتج النهائي أيضاً بطريقة يمكن أن تكون مفيدة في تصنيع الأغذية. فقد قاس الباحثون كيفية تفاعل الماء مع طبقة رقيقة من مسحوق البروتين المجفف، ووجدوا أن الماء انتشر بسهولة أكبر بكثير على سطح البروتين المتحلل مائياً مقارنة بالمسحوق غير المعالج. وهذا يعني أن البروتين أصبح أكثر "ألفة للماء" (hydrophilic)، أو محباً للماء. وهذه الخاصية حاسمة لصنع المستحلبات، وهي الخلطات التي تجمع بين الزيت والماء والتي تنفصل عادةً، مثل تتبيلات السلطة أو الصلصات الكريمية. إن تفكيك البروتينات إلى قطع أصغر خلق سطحاً يمكنه الاحتفاظ بالماء والزيت معاً بشكل أكثر فعالية، مما يشير إلى أن هذه المكونات المشتقة من الحشرات يمكن أن تعمل كمثبتات طبيعية في مختلف المنتجات الغذائية.

أخيراً، حلل الفريق التركيبة الغذائية للسائل لمعرفة نوع الأحماض الأمينية، وهي لبنات بناء البروتين، الموجودة فيه. ووجدوا أن العملية نجحت في إطلاق مجموعة واسعة من الأحماض الأمينية الأساسية، التي لا يستطيع جسم الإنسان صنعها بمفرده ويجب أن يحصل عليها من الطعام. كان السائل غنياً بأحماض أمينية محددة معروفة بدعم نمو العضلات وإنتاج الطاقة. وأكدت الدراسة أنه كلما سُمح للإنزيمات بالعمل لفترة أطول، زاد إطلاق هذه المكونات المفيدة. لقد أثبت الجمع بين الموجات فوق الصوتية والتحلل الإنزيمي أنه وسيلة فعالة لتحويل يرقات الخنفساء إلى مكون عالي الجودة، قابل للذوبان في الماء، وغني بالعناصر الغذائية وقادر على حماية الخلايا من التلف. ويقدم هذا النهج مساراً واعداً لتحويل حشرة مستدامة ولكنها غير جذابة بصرياً إلى مكون غذائي متعدد الاستخدامات وصحي يمكن دمجه بسهولة في النظام الغذائي البشري.