Hydrolysaten als functioneel ingrediënt

Van labschaal naar productieschaal

Eiwitten en eiwithydrolysaten zijn al vele jaren onderwerp van onderzoek vanwege hun functionele eigenschappen. De ontwikkeling van een volledig traject voor een hydrolysaat vergt databasescreening, kennis van enzymen en technieken om hydrolysaten te produceren. Dit traject heeft al geleid tot de ontwikkeling van producten met hydrolysaten, maar onderzoek naar de interactie tussen peptides is nodig.

Eiwitten in voedingsmiddelen zijn een belangrijke stikstofron voor het lichaam. Ook zijn ze erg belangrijk voor de structuureigenschappen van voedingsmiddelen. Worden de eiwitten in stukjes geknipt door enzymen – enzymatische hydrolyse –, dan ontstaat er meestal een totaal nieuwe technologische en fysiologische functionaliteit van dit eiwithydrolysaat. Deze rijke bron van peptiden kan een breed scala aan fysiologische eigenschappen bezitten, zoals mineraalbinding, antibacteriële werking, antihypertensie, opioïdenachtige, immuunmodulerende werking en antitrombotische werking.

NIZO food research heef door jarenlange ervaring veel enzymkennis opgebouwd die ingezet wordt om hydrolysaten te kunnen maken. Daarnaast heef het instituut een breed scala aan technologieën in huis om databases te screenen en de peptiden vrij te maken uit intacte eiwitten. Deze technologieën kunnen van labschaal tot productieschaal worden ingezet. Uitgangspunt bij het selecteren van de juiste technologie is altijd de vaststelling waarvoor het hydrolysaat uiteindelijk gaat dienen, zoals bio-activiteit, betere verteerbaarheid of oplosbaarheid.

Datamining

Er zijn inmiddels miljoenen wetenschappelijke artikelen openbaar beschikbaar over eiwitten en eiwithydrolysaten met hun specifeke eigenschappen. Deze hoeveelheid informatie is te groot om simpel te overzien. Daarom gebruikt NIZO een zelfontwikkelde BIO-IT-tool die het mogelijk maakt om in de zelfopgebouwde database te zoeken naar een specifeke bioactiviteit en te beoordelen of bijvoorbeeld deze sequentie wellicht ook in eiwitten uit andere bronnen aanwezig is. Daarnaast kan de tool peptidenpatronen – peptide-profling – van hydrolysaten vergelijken en gebruiken om verschillen in productiebatches van een producent vast te stellen. In fguur 1 is eenzelfde type product van vier verschillende producenten in viervoud onderzocht op twee verschillende kwaliteitsparameters (diferentiationfactor 1 en diferentiationfactor 2). Uiteindelijk kan hiermee een kwaliteitsbeeld worden verkregen in hoeverre bijvoorbeeld een product zowel intern als extern afwijkt van andere producenten.

Screening

Als bekend is waarvoor het hydrolysaat gebruikt gaat worden, moet worden bepaald welke parameters belangrijk zijn voor een optimale hydrolyse, bijvoorbeeld type enzym, enzym/substraatratio, pH tijdens hydrolyse, temperatuur tijdens hydrolyse en hydrolysetijd. Om al deze parameters slim te kunnen testen, maakt NIZO gebruik van een robot waarmee een highthroughput screening (HTS-)systeem kan worden gerealiseerd met 96-deepwellplaten waarin voldoende materiaal aanwezig is om het hydrolyseproces in de tijd te kunnen volgen. Binnen NIZO is ook gewerkt aan een HTS-analysetechniek die het mogelijk maakt om via een spectrofotometrische bepaling de hydrolysegraad te berekenen. Dit alles maakt het mogelijk om in een relatief korte tijd een uitgebrei- de screening van hydrolysecondities en analyses uit te voeren.

Selectie en opschaling

Na grote aantallen varianten met de robot te hebben gescreend, kan aan de hand van analysedata, zoals hydrolysegraad, een selectie worden gemaakt van de best presterende enzymen. Hiermee wordt vervolgens op een grotere schaal dezelfde hydrolyse (circa 500 mL) ingezet onder food-grade condities. Deze hoeveel materiaal maakt het mogelijk om, naast analytische analyses, het product ook sensorisch te beoordelen. Een veel voorkomende afwijking van hydrolysaten is de bittersmaak die ontstaat door de vorming van veelal hydrofobe – watervrezende – peptiden. Er worden steeds meer enzymen gevonden die in staat zijn om deze bittersmaak (deels) weg te halen of te maskeren.

Semiproductieschaal

Naar aanleiding van de screening (onder meer enzymen, hydrolyseconditie) en sensorische evaluatie, worden er een of twee condities gekozen waarmee op grotere schaal (400-10.000 L) een hydrolysaat wordt gemaakt. Dit geef de mogelijkheid om te beoordelen of het veronderstelde proces naar productieschaal is te brengen.

Hierbij spelen dosering, fltratiemogelijkheden, concentreren en drogen een rol. Al deze procesunits hebben hun specifeke eigenschappen en moeten getest worden op bijvoorbeeld microbiologische stabiliteit, vervuiling, reiniging en capaciteit.

Case DSM

Een aantal jaren geleden heef NIZO food research DSM geholpen om een sportdrank – PeptoPro – te ontwikkelen. De werkzame stof in deze sportdrank is een eiwithydrolysaat van melkeiwitten. De leucine-rijke

Universiteit van Maastricht, liet zien dat sporters inderdaad beter presteren na het consumeren van deze sportdrank.

Case Newtricious

Naast de hydrolyse van melkeiwitten wordt ook veel onderzoek verricht naar andere eiwitbronnen, zoals plantaardige eiwitten en ei-eiwitten. Hydrolysaten van ei-eiwitten bevatten, naast technologische functionele eigenschappen ook vele fysiologische eigenschappen. Samen met Newtricious in Oirlo en Food & Biobased Research Wageningen heef NIZO een ei-eiwit hydrolysaat –NewtriFlow – ontwikkeld dat peptiden bevat met een diversiteit aan bioactiviteit. De bioactiviteit richt zich met name op angiotensin-converting enzyme (ACE)- en dipeptidylpeptidase 4 (DPP-4)-remmende activiteiten. Het hydrolysaat is, na uitvoerige labproducties en analyses, op grotere schaal geproduceerd. Het is gebruikt om klinische studies uit te voeren. De eerste resultaten laten zien dat het hydrolysaat een positief efect heef op de elasticiteit van de bloedvaatwand en glucosewaarden in het bloed.

Fundamenteel onderzoek

melkeiwitten worden gehydrolyseerd met specifeke enzymen en dit hydrolysaat bevat peptiden die de productie van insuline verhogen. Insuline zorgt er op haar beurt weer voor dat het transport van glucose van het bloed naar de spiercellen wordt ondersteund. Het formuleren van het hydrolysaat tot een uiteindelijke sportdrank werd uitgevoerd met behulp van de bij NIZO aanwezige kennis van favour-profling en analyses. Onafankelijk onderzoek bij het Nutrim,

Om nog meer interessante eigenschappen van hydrolysaten voor voedingsdoeleinden te ontdekken, is fundamenteel onderzoek naar de optimalisatie en opschaling van het hydrolyse- en downstreamproces nodig. Hierbij is kennis van elk specifek procesonderdeel noodzakelijk om tot een efciënte productontwikkeling te komen. Zeker op het gebied van hoe peptiden werken – interactiemodulerende activiteit – is nog veel onduidelijk en moet daarom nog veel onderzoek worden gedaan. Als duidelijk wordt welke specifeke peptiden in een hydrolysaat uiteindelijk (bio)actief zijn, kan beter worden geanticipeerd op eventuele obstakels in het productieproces.

• HANS KOSTERS •

H. Kosters is projectmanager Protein Technology bij NIZO food research, hans.kosters@nizo.com