Ultrasound assisted enzymatic protein hydrolysis by defatted Protaetia brevitarsis larvae powder

De wereld is op zoek naar nieuwe manieren om een groeiende populatie te voeden zonder de hulpbronnen van de planeet uit te putten. In deze zoektocht zijn insecten naar voren gekomen als een verrassende kandidaat voor de toekomst van voedsel. Ze vereisen veel minder land en water dan traditioneel vee zoals koeien of varkens, en ze produceren aanzienlijk minder broeikasgassen. Onder deze insecten valt het larvenstadium van de witgespikkelde bloemenkever, een kever die inheems is in delen van Azië, op door de hoge eiwitinhoud. Het eten van een heel insect, zelfs een voedzaam exemplaar, vormt echter een psychologische barrière voor veel mensen; het uiterlijk van een insect is vaak afstotend. Om deze insecten smakelijk en bruikbaar te maken, proberen wetenschappers ze af te breken tot hun fundamentele bouwstenen. Dit proces, bekend als hydrolyse, houdt in dat enzymen — biologische hulpmiddelen die werken als moleculaire scharen — lange eiwitketens in kleine, smaakloze fragmenten genaamd peptiden hakken. Deze fragmenten kunnen vervolgens worden gebruikt als ingrediënten in andere voedingsmiddelen, waardoor de oorspronkelijke vorm van het insect verborgen blijft terwijl de nutritionele kracht behouden blijft.

Onderzoekers aan de Jeju National University in Zuid-Korea zetten zich in om dit afbraakproces te verbeteren. Ze wilden weten of een specifieke fysieke techniek de enzymen beter en sneller kon laten werken. De methode die zij testten is ultrasone geluid, hetzelfde soort hoogfrequente geluidsgolven dat wordt gebruikt bij medische beeldvorming. In een vloeibare mengeling creëren deze geluidsgolven kleine bellen die ontstaan en vervolgens geweldig inklappen. Deze inklapping genereert intense lokale krachten die de strakke structuren van eiwitten uit elkaar kunnen schudden, waardoor ze gemakkelijker bereikbaar en sneller te snijden zijn voor enzymen. Het team nam ontvet de poedervorm van de larven van de kever en onderwierp deze aan deze ultrasone behandeling voordat ze twee verschillende soorten enzymen toevoegden, bekend als Alcalase en Neutrase. Hun doel was om te zien of deze combinatie een beter eindproduct zou opleveren wat betreft de oplosbaarheid in water, de effectiviteit waarmee het schadelijke oxidatieve stress in het lichaam bestrijdt, en het soort minuscule eiwitstukjes dat het creëerde.

De resultaten toonden aan dat de ultrasone behandeling de aard van het mengsel inderdaad veranderde. Voordat de geluidsgolven werden toegepast, creëerde het insectenpoeder een donkere, troebele vloeistof met zichtbare stukjes die niet volledig mengde met het water. Na de ultrasone behandeling werd het mengsel meer uniform en troebel, wat suggereert dat de geluidsgolven de vaste deeltjes succesvol hadden opgebroken en geholpen hadden ze te verspreiden. Wanneer de onderzoekers de uiteindelijke opbrengst van het eiwitpoeder na verwerking maten, ontdekten ze dat de hoeveelheid materiaal die werd teruggewonnen consistent was, ongeacht of er ultrasoon geluid werd gebruikt of welk enzym er werd gekozen. Dit gaf aan dat hoewel de geluidsgolven de fysieke staat van het mengsel veranderden, ze niet noodzakelijkerwijs meer totaal eiwit creëerden, maar eerder het bestaande eiwit toegankelijker maakten.

De meest significante veranderingen verschenen in de chemische en functionele eigenschappen van de resulterende vloeistof. Het proces van het afbreken van de eiwitten verlaagde de pH van de oplossing van nature, waardoor deze zuurder werd, wat een standaarduitkomst is van dit type reactie. De snelheid waarmee de eiwitten werden afgebroken varieerde echter sterk tussen de twee enzymen. Het enzym Alcalase werkte veel sneller en bereikte zijn maximale snij-efficiëntie in slechts een half uur, terwijl het andere enzym, Neutrase, veel langer nodig had om een vergelijkbaar niveau van afbraak te bereiken. Wanneer de onderzoekers de combinatie van de ultrasone voorbehandeling met de enzymen testten, ontdekten ze dat de geluidsgolven de enzymen hielpen om zelfs iets sneller aan het werk te gaan aan het begin van het proces. Dit kwam omdat de ultrasone behandeling de strakke vouwen van de eiwitstructuren al had versoepeld, waardoor de snijplaatsen voor de enzymen werden blootgesteld voordat de reactie zelfs begon.

Wat betreft de gezondheidsvoordelen richtte de studie zich op de antioxidant eigenschappen van de resulterende vloeistof. Antioxidanten zijn stoffen die schadelijke moleculen in het lichaam kunnen neutraliseren die cellen beschadigen. De onderzoekers testten het vermogen van de vloeistof om drie verschillende typen van deze schadelijke moleculen te neutraliseren. Ze vonden dat de vloeistof geproduceerd door het Alcalase-enzym bijzonder effectief was in het wegvangen van twee van deze typen, en beter presteerde dan de vloeistof gemaakt met Neutrase. Interessant genoeg zorgde de ultrasone behandeling alleen niet voor een drastische verhoging van de antioxidantkracht van het eindproduct boven wat de enzymen op hun eigen kunnen hadden bereikt. Dit suggereert dat de enzymen de primaire drijfveren zijn van de gezondheidsvoordelen, en dat de ultrasone behandeling hoofdzakelijk dient om het proces te versnellen en de kwaliteit van het startmateriaal te verbeteren. De vloeistof vertoonde ook een sterk vermogen om waterstofperoxide te neutraliseren, een veelvoorkomend oxiderend agens, vooral wanneer ultrasoon geluid werd gebruikt vóór de enzymatische stap.

De fysieke aard van het eindproduct veranderde ook op een manier die nuttig zou kunnen zijn voor de voedingsmiddelenproductie. De onderzoekers maten hoe water reageerde met een dunne laag van het gedroogde eiwitpoeder. Ze ontdekten dat het water veel gemakkelijker over het oppervlak van het gehydrolyseerde eiwit verspreidde dan over het onbewerkte poeder. Dit betekent dat het eiwit hydrofieler, oftewel waterminnender, is geworden. Deze eigenschap is cruciaal voor het maken van emulsies, wat mengsels zijn van olie en water die normaal gesproken zouden scheiden, zoals in saladedressings of romige sauzen. De afbraak van de eiwitten in kleinere stukjes creëerde een oppervlak dat water en olie effectiever bij elkaar kon houden, wat suggereert dat deze insect-afgeleide ingrediënten als natuurlijke stabilisatoren in diverse voedingsmiddelen kunnen dienen.

Ten slotte analyseerde het team de nutritionele samenstelling van de vloeistof om te zien welke aminozuren, de bouwstenen van eiwit, aanwezig waren. Ze vonden dat het proces succesvol een grote verscheidenheid aan essentiële aminozuren vrijgaf, die het menselijk lichaam niet zelf kan aanmaken en die men via voeding moet binnenkrijgen. De vloeistof was rijk aan specifieke aminozuren die bekend staan om hun ondersteuning van spiergroei en energieproductie. De studie bevestigde dat hoe langer de enzymen mochten werken, hoe meer van deze begunstigende componenten werden vrijgegeven. De combinatie van ultrasoon geluid en enzymatische hydrolyse bleek een efficiënte manier om de larven van de kever te transformeren in een hoogwaardig, wateroplosbaar ingrediënt dat rijk is aan voedingsstoffen en in staat is cellen te beschermen tegen schade. Deze aanpak biedt een veelbelovend pad om een duurzaam maar visueel on aantrekkelijk insect te transformeren in een veelzijdig en gezond voedingsingrediënt dat gemakkelijk in het menselijk dieet geïntegreerd kan worden.