Ultrasound assisted enzymatic protein hydrolysis by defatted Protaetia brevitarsis larvae powder

Die Welt sucht nach neuen Wegen, um eine wachsende Bevölkerung zu ernähren, ohne die Ressourcen des Planeten zu erschöpfen. Bei dieser Suche sind Insekten als überraschende Kandidaten für die Zukunft der Ernährung in den Fokus gerückt. Sie benötigen weit weniger Land und Wasser als herkömmliches Vieh wie Kühe oder Schweine und produzieren deutlich weniger Treibhausgase. Unter diesen Insekten stechen die Larven des weißpunktigen Blütenkäfers, eines in Teilen Asiens heimischen Käfers, aufgrund ihres hohen Proteingehalts hervor. Das Essen eines ganzen Insekts, selbst eines nahrhaften, stellt jedoch für viele Menschen eine psychologische Barriere dar; das Aussehen eines Käfers ist oft abstoßend. Um diese Insekten schmackhaft und nützlich zu machen, versuchen Wissenschaftler, sie in ihre grundlegenden Bausteine zu zerlegen. Dieser Prozess, bekannt als Hydrolyse, beinhaltet den Einsatz von Enzymen – biologischen Werkzeugen, die wie molekulare Scheren wirken – um lange Proteinketten in winzige, geschmacklose Fragmente namens Peptide zu zerschneiden. Diese Fragmente können dann als Inhaltsstoffe in anderen Lebensmitteln verwendet werden, wodurch die ursprüngliche Form des Insekts verborgen bleibt, während seine Nährkraft erhalten bleibt.

Forscher der Jeju National University in Südkorea setzten sich zum Ziel, diesen Abbauprozess zu verbessern. Sie wollten wissen, ob eine spezifische physikalische Technik die Enzyme besser und schneller arbeiten lassen könnte. Die Methode, die sie testeten, ist Ultraschall, die gleiche Art von hochfrequenten Schallwellen, die auch in der medizinischen Bildgebung verwendet wird. In einer Flüssigkeitsmischung erzeugen diese Schallwellen winzige Blasen, die sich bilden und dann heftig kollabieren. Dieser Kollaps erzeugt intensive lokale Kräfte, die die engen Strukturen der Proteine aufschütteln können, wodurch sie für die Enzyme leichter erreichbar und zuschneidbar werden. Das Team nahm entfettetes Pulver aus den Larven des Käfers und unterzog es dieser Ultraschallbehandlung, bevor sie zwei verschiedene Arten von Enzymen, bekannt als Alcalase und Neutrase, hinzufügte. Ihr Ziel war es zu sehen, ob diese Kombination ein besseres Endprodukt in Bezug auf die Löslichkeit in Wasser, die Effektivität bei der Bekämpfung von oxidativem Stress im Körper und die Art der entstandenen winzigen Proteinfragmente liefert.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Ultraschallbehandlung die Natur der Mischung tatsächlich veränderte. Vor der Anwendung der Schallwellen erzeugte das Insektenpulver eine dunkle, trübe Flüssigkeit mit sichtbaren Klumpen, die sich nicht vollständig mit dem Wasser vermischte. Nach der Ultraschallbehandlung wurde die Mischung gleichmäßiger und trüb, was darauf hindeutete, dass die Schallwellen die festen Partikel erfolgreich aufgebrochen und ihnen geholfen hatten, sich zu verteilen. Als die Forscher die endgültige Ausbeute des Proteinpulvers nach der Verarbeitung maßen, stellten sie fest, dass die Menge des gewonnenen Materials unabhängig davon, ob Ultraschall verwendet wurde oder welches Enzym gewählt wurde, konsistent war. Dies deutete darauf hin, dass die Schallwellen zwar den physikalischen Zustand der Mischung veränderten, aber nicht unbedingt mehr Gesamtprotein erzeugten, sondern vielmehr das vorhandene Protein zugänglicher machten.

Die signifikantesten Veränderungen zeigten sich in den chemischen und funktionellen Eigenschaften der resultierenden Flüssigkeit. Der Prozess des Abbaus der Proteine senkte natürlicherweise den pH-Wert der Lösung, wodurch sie saurer wurde, was ein Standardergebnis dieser Art von Reaktion ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Proteine abgebaut wurden, variierte jedoch stark zwischen den beiden Enzymen. Das Enzym Alcalase arbeitete viel schneller und erreichte seine maximale Schnelleffizienz in nur einer halben Stunde, während das andere Enzym, Neutrase, viel länger brauchte, um einen ähnlichen Grad des Abbaus zu erreichen. Als die Forscher die Kombination aus der Ultraschallvorbehandlung und den Enzymen untersuchten, stellten sie fest, dass die Schallwellen den Enzymen halfen, zu Beginn des Prozesses etwas schneller zu arbeiten. Dies lag daran, dass der Ulbrazoll die engen Falten der Proteinstrukturen bereits gelockert hatte, wodurch die Schnittstellen vor Beginn der Reaktion für die Enzyme exponiert wurden.

In Bezug auf die gesundheitlichen Vorteile konzentrierte sich die Studie auf die antioxidativen Eigenschaften der resultierenden Flüssigkeit. Antioxidantien sind Substanzen, die schädliche Moleküle im Körper neutralisieren können, welche Zellen schädigen. Die Forscher testeten die Fähigkeit der Flüssigkeit, drei verschiedene Arten dieser schädlichen Moleküle zu neutralisieren. Sie fanden heraus, dass die durch das Alcalase-Enzym erzeugte Flüssigkeit besonders effektiv beim Abfangen zweier dieser Typen war und dabei besser abschnitt als die mit Neutrase hergestellte Flüssigkeit. Interessanterweise steigerte die alleinige Ultraschallbehandlung die antioxidative Kraft des Endprodukts nicht dramatisch über das hinaus, was die Enzyme allein erreicht hatten. Dies deutet darauf hin, dass die Enzyme die primären Treiber der gesundheitlichen Vorteile sind und der Ultraschall hauptsächlich dazu dient, den Prozess zu beschleunigen und die Qualität des Ausgangsmaterials zu verbessern. Die Flüssigkeit zeigte auch eine starke Fähigkeit, Wasserstoffperoxid, ein häufiges Oxidationsmittel, zu neutralisieren, insbesondere wenn Ultraschall vor dem enzymatischen Schritt eingesetzt wurde.

Die physische Beschaffenheit des Endprodukts änderte sich ebenfalls in einer Weise, die für die Lebensmittelherstellung nützlich sein könnte. Die Forscher maßen, wie Wasser mit einer dünnen Schicht des getrockneten Proteinpulvers interagierte. Sie fanden heraus, dass sich das Wasser auf der hydrolysierten Proteinoberfläche viel leichter ausbreitete als auf dem unverarbeiteten Pulver. Das bedeutet, dass das Protein hydrophiler, also wasserliebender, geworden war. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Herstellung von Emulsionen, also Mischungen aus Öl und Wasser, die sich normalerweise trennen würden, wie etwa in Salatdressings oder cremigen Saucen. Der Abbau der Proteine in kleinere Stücke schuf eine Oberfläche, die Wasser und Öl effektiver zusammenhalten konnte, was darauf hindeutet, dass diese aus Insekten gewonnenen Inhaltsstoffe als natürliche Stabilisatoren in verschiedenen Lebensmittelprodukten dienen könnten.

Schließlich analysierte das Team die nährstoffielle Zusammensetzung der Flüssigkeit, um zu sehen, welche Arten von Aminosäuren – den Bausteinen des Proteins – vorhanden waren. Sie fanden heraus, dass der Prozess erfolgreich eine große Vielfalt an essenziellen Aminosäuren freisetzte, die der menschliche Körper nicht selbst herstellen kann und die er über die Nahrung aufnehmen muss. Die Flüssigkeit war reich an spezifischen Aminosäuren, die für das Muskelwachstum und die Energiegewinnung bekannt sind. Die Studie bestätigte, dass mit zunehmender Zeit, die die Enzyme arbeiten durften, auch mehr dieser vorteilhaften Komponenten freigesetzt wurden. Die Kombination aus Ultraschall und enzymatischer Hydrolyse erwies sich als effizienter Weg, um die Larven des Käfers in eine hochwertige, wasserlösliche Zutat zu verwandeln, die reich an Nährstoffen ist und in der Lage ist, Zellen vor Schäden zu schützen. Dieser Ansatz bietet einen vielversprechenden Weg, um ein nachhaltiges, aber visuell wenig ansprechendes Insekt in eine vielseitige und gesunde Lebensmittelzutat zu verwandeln, die leicht in die menschliche Ernährung integriert werden kann.