Hydrolyzed proteins: availability, bioactivity, safety, applications in feed production

Texto integral

Введение.

Биоактивные пептиды представляют собой специфические фрагменты белков, которые неактивны в исходном белке и становятся биологически активными при высвобождении из белка в результате гидролиза in vitro, кишечного пищеварения in vivo или микробной ферментации (Jakubczyk A et al., 2020). Они представляют собой последовательности от 2 до 20 аминокислот, которые после высвобождения улучшают свойства корма и приносят пользу здоровью животных (Karami Z and Akbari-Adergani B, 2019).

Биоактивные пептиды, используемые в качестве антимикробных пептидов и антиоксидантов для консервации кормов, могут ингибировать окисление липидов, удаляя свободные радикалы, взаимодействуя с ионами металлов (Durand E et al., 2021), существенно подавлять рост и размножение микроорганизмов, разрушая их клеточные мембраны или воздействуя на внутриклеточные компоненты (Chelliah R et al., 2021). Кроме того, антимикробные пептиды можно классифицировать на основе биологической активности, например, антибактериальные, противовирусные, противогрибковые, противопротозойные, противопара-зитарные (Kamal I et al., 2023).

Гидролизат сои широко используется в современном кормлении животных в качестве альтернативы рыбной муке благодаря богатству незаменимыми аминокислотами и эффективности гидролиза соевого белка. Было доказано, что он содержит до 60 % свободных аминокислот (от массы гидролизуемой белковой смеси) и короткие пептиды с массой не более 3 кДа, что делает гидролаз сои богатым источником легкоусвояемого белка (Муранова Т.А. и др., 2019). Кроме того, было обнаружено, что использование гидролизата белка в кормлении животных и птицы способствует повышению показателей белкового обмена, а также максимальному проявлению их генетического потенциала продуктивности (Курбанова М.Г. и Генералова Н.А., 2011).

Цель исследования.

Анализ существующих на сегодняшний день литературных данных о концепции использования гидролизованных белков в качестве потенциальной кормовой добавки в рационах сельскохозяйственных животных.

Материалы и методы исследования.

Поиск и анализ литературы проводился с использованием интернет-ресурсов: РИНЦ – https://www.elibrary.ru, ScienceDirect – https://www.sciencedirect.com, PubMed – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/, Google Scholar (Google Академия) – https://scholar.google.ru/ за период 2000-2024 гг.

Результаты исследования и их обсуждение.

Биодоступность биоактивных пептидов или протеингидролаз. Процесс гидролиза белка требует использования протеолитических ферментов для гидролизации, а затем очистки пептидов и определения их аминокислотной последовательности, что является дорогостоящим процессом, поэтому нелогично осуществлять его, не гарантируя, что эти пептиды попадут в кровоток полностью и в неискаженном виде. То есть необходимо обеспечить условия, при которых активные пептиды абсорбируются без потери свойств в определённых участках тонкого кишечника, при этом успешно преодолевая воздействие пищеварительного тракта животного, его пищеварительных ферментов, кислую среду желудка и щелочную среду в других частях пищеварительного тракта, что важно для обеспечения желаемого биологического эффекта пептидов в организме животного. Поэтому во многих исследованиях изучался термин «биодоступность активных пептидов», под которым следует понимать процент пептидов, потребляемых животными, которые попадают в кровоток через желудочно-кишечный тракт (Udenigwe CC et al., 2021).

Имеются исследования, подтверждающие пероральный перенос пептидов, потребляемых с пищей, в кровоток, когда абсорбция пептидов происходит через слизистую оболочку полости рта путём пассивной диффузии, например, пероральное всасывание инсулина, который представляет собой пептидный гормон (Drucker DJ, 2020). Однако механизм переноса до сих пор не обнаружен (Verma S et al., 2021). С другой стороны, большая часть пептидов всасывается в тощей кишке, как и остальные питательные вещества (в том числе жирные кислоты, моно- и олигосахариды, витамины и минералы), которые проникают через стенку кишечника и достигают большого круга кровообращения. Существует четыре способа транспортировки пептидов через кишечник: парацеллюлярная диффузия, трансклеточная пассивная диффузия, трансцитоз и транспорт, опосредованный переносчиками (Amigo L and Hernandez-Ledesma B, 2020). Чтобы улучшить доступность биоактивных пептидов и обеспечить их правильное всасывание слизистой оболочкой кишечника можно использовать следующие стратегии:

1.Технология химической модификации биоактивных пептидов. Одной из основных стратегий улучшения проницаемости мембран является циклизация линейных полипептидных цепей, поскольку макроциклические пептиды с их большой поверхностью лучше прилипают к кишечной мембране (Dougherty PG et al., 2019);

2. Технологии доставки. Естественный транспорт через кишечный барьер ограничен транспортёрами, присутствующими в эпителии. Использование усилителей кишечной абсорбции обеспечивает создание новых путей для соединений с низким профилем проникновения (например, микро-/наночастицы, гидрогели, биоконъюгаты (Sanchez-Navarro M et al., 2016; Ibrahim YHY et al., 2020; Luo Z et al., 2021).
3. Технологии защиты гидролизованных белков и биоактивных пептидов. С целью повышения биодоступности используются несколько методов защиты, которые, в свою очередь, делятся на два типа: нанокапсулирование и микрокапсулирование.

Нанокапсуляция производится распылительной сушкой либо электронапылением – методы липидных систем доставки, методы электропрядения, методы электрораспыления и т. д. (Chadha S, 2021). Методы распылительной сушки и электронапыления являются наиболее применимыми методами инкапсулирования биоактивных пептидов (Berraquero-Garcia C et al., 2023).

Технология микроинкапсуляции позволяет эффективно решать трудности с сохранением активных пептидов и повысить уровень их использования. Защитными покрытиями для инкапсуляции активных пептидов являются следующие полимерные материалы: природные, модифицированные и синтетические. По сравнению с природными полимерами синтетические и модифицированные демонстрируют более высокую скорость внедрения пептидов и механическую прочность (Li M et al., 2023). Одним из важнейших условий успеха процесса инкапсулирования является то, что биоактивные пептиды сохраняют свою активность до тех пор, пока не достигнут органа-мишени, где и проявят свою активность (Amigo L and Hernandez-Ledesma B, 2020);

4. Смешивание гидролизованных белковых добавок в объёме кормосмеси.

Инкапсулирование гидролизованных белков и активных пептидов недостаточно для повышения их доступности на кишечном уровне, поэтому необходимо учитывать размер капсул и обеспечивать их однородное распределение в комбикорме, поскольку равномерность их размещения обеспечивает одинаковую пищевую ценность корма во всём его объёме (Шахов В.А. и др., 2021). Наноразмер компонентов помогает им легко проникать сквозь мембраны клеток кишечника, но процесс равномерного распределения этих наночастиц в объёме кормовой смеси очень сложен. В связи с этим была разработана новая конструкция оборудования для смешивания компонентов комбикормов с наночастицами, что позволило гомогенизировать их распределение в массе кормовой смеси (Самосюк В.В. и Шахов В.А., 2023).

Инкапсулирование биологически активных пептидов и гидролизованных белков не только направлено на повышение их доступности на уровне тонкого кишечника, но и преодолевает трудности прямого их использования, связанные со свойствами биологически активных пептидов и гидролизованных белков, а именно, физическая и химическая нестабильность, а также влажность и горечь (Sarabandi K et al., 2020).

Биоактивность гидролизованных белков. Биологическая активность пептидов варьируется в зависимости от аминокислотной последовательности пептида, которая, в свою очередь, варьируется в зависимости от фермента, используемого для гидролиза исходного белка. В таблице 1 представлена различная биоактивность пептидов при гидролизе β-лактоглобулина в зависимости от используемого фермента.

Таблица 1. Различная биоактивность пептидов при гидролизе β-лактоглобулина в зависимости от используемого фермента

Table 1. Different bioactivity of peptides in β-lactoglobulin hydrolysis depending on the enzyme used

Из таблицы 1 видно, что пептиды, несущие в своей последовательности гистидин, глутаминовую кислоту, пролин, тирозин, цистеин, метионин или фенилаланин – это пептиды с антиоксидантными свойствами. Также многими исследователями отмечается, что при гидролизе молочных белков наблюдается выработка биологически активных пептидов, обладающих противомикробными свойствами. Таким образом, перспективным является использование гидролизата этих белков в консервировании кормов.

Пептиды, освобождённые под действием кислотности желудка от исходного белка, благодаря своей ионной природе связываются с такими минералами, как кальций и фосфор (Sun X et al., 2020), что увеличивает абсорбцию этих минералов. Например, когда белок льняного семени гидролизуется ферментом алкалазой, в результате гидролиза образуются гидрофобные и положительно заряженные аминокислоты, которые связываются с металлами, что способствует образованию пептидно-минерального комплекса (Zaky AA et al., 2022). Было опубликовано множество статей о создании и характеристике биоактивных пептидов с противомикробными, противовоспалительными, антигипертензивными, противоожирительными и антиоксидантными свойствами. Кроме того, многим исследователям удалось синтетически производить пептиды с ранее упомянутыми характеристиками. (Durand E et al., 2021; Garcia-Casas VE et al., 2022; Zaky AA et al., 2022).

Безопасность применения гидролизованных белков в кормах. Известно, что токсичность пептидов может возникнуть во время предварительной обработки или экстракции исходного белка, поскольку возможно образование нежелательных производных, таких как лизиноаланин, D-аминокислоты или биогенные амины, которые оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье (Liu L et al., 2020). Также рацемизация аминокислот, модификация пептидов, включая образование изопептидных связей, и реакция Майяра могут происходить во время экстракции белка, его предварительной обработки и приготовления пептидов (Liu L et al., 2020).

Безопасность гидролизованного белка определяется тем, что для питания животного фактически используется исходный белок, безопасность которого была проверена. Метод гидролиза также влияет на качество получаемых в результате пептидов. Например, метод ферментативного гидролиза считается более безопасным по сравнению с химическим гидролизом. Многие исследования рекомендуют получать гидролизаты белков путём ферментативного гидролиза из-за его положительного влияния на пищеварение у животных (Прокофьева А.А. и др., 2023). Также необходимо обратить внимание на тип ферментов, используемых при ферментативном гидролизе, так как попадание этих ферментов в организм животного с кормом может вызвать их активацию внутри организма из-за наличия подходящей кислотности и температурных условий, именно поэтому рекомендуется использовать пищевые ферменты. Обычно применяются различные типы протеаз животного, растительного, грибкового или бактериального происхождения (Костылева Е.В. и др., 2023). Например, в России выпускают ферментный препарат Протосубтилин (ОАО «Сиббиофарм», Россия) – препарат субтилизина BPN’ и металлопротеазы на основе штамма B. subtilis, предназначенный для применения в кормопроизводстве (Костылева Е.В. и др., 2023).

Применение гидролизованных белков при производстве кормов. Использование гидролизованных белков в кормах направлено на повышение процента легкоусвояемых белков, использование свойств пептидов, образующихся в результате гидролиза (таких как антиоксидантная и антимикробная активность), сохранение корма и повышение поедаемости нетрадиционных кормов, таких, например, как отходы маслобойной промышленности, при их использовании уровень загрязнения окружающей среды снижается. Среди наиболее важных протеингидролаз, которые использовались при приготовлении кормов, отметим следующие:

1. Гидролизат дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Недостаток белка в растительных ингредиентах кормов побудил исследователей восполнить его дефицит за счёт кормовых добавок с высоким содержанием белка и лёгкой усвояемостью. Использование добавок гидролизованного белка из Saccharomyces cerevisiae (4 % гидролизованного белка сухих пивных дрожжей) в рационе поросят-отъёмышей помогло ускорить набор веса и увеличить потребление корма (Boontiam W et al., 2022), где гидролизованные дрожжи содержали 41,84 % сырого белка от сухой массы. Добавление гидролизата дрожжей Saccharomyces cerevisiae в рацион в дозировках 50-150 мг/кг корма оказало положительное влияние на показатели роста, параметры сыворотки крови, относительную массу органов, характеристики тушки, качество мяса и антиоксидантную способность бройлеров (Wang T et al., 2022).
2. Гидролизат дрожжей Yarrowia lipolytica. На основании свойств Yarrowia lipolytica белковые гидролизаты из этих дрожжей считаются кормовой добавкой для животных, они имеют высокую пищевую ценность, сравнимую и в некоторых отношениях превосходящую таковую у пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Они обеспечивают животных ценными минералами, витаминами, высококачественными белками, содержание которых может достигать до 60 % от сухой массы, при этом большую часть этих белков составляют незаменимые аминокислоты. Дрожжи Yarrowia lipolytica являются источником полиненасыщенных жирных кислот, безопасных для использования в кормах для животных (Patsios SI et al., 2020). Многие исследования подтверждают, что эти дрожжи приводят: а) к увеличению прироста живой массы; б) к улучшению коэффициента конверсии корма; в) к положительному влиянию на микрофлору кишечника; г) к стимуляции антиоксидантных механизмов и иммунной системы; д) к стимулированию эритропоэтических процессов и е) к повышению метаболического статуса животных (Patsios SI et al., 2020).
3. Гидролизат агропромышленных отходов. Вторичное сырьё, получаемое попутно в агропромышленной сфере, считается очень хорошим источником белка и биологически активных пептидов. Эти отходы делятся на два вида: полевые отходы, такие как стебли, листья и корни сельскохозяйственных культур, и отходы последующих промышленных процессов, например, шроты, образующиеся в результате прессования масличных культур.

Кукурузный белок был идентифицирован как важный источник биоактивных пептидов. Такие пептиды могут высвобождаться при гидролизе, вызванном протеолитическими ферментами (нейтраза и алкалаза) или микробной ферментацией (Li G et al., 2019).

Соевый белок имеет высокую пищевую ценность, поскольку содержит незаменимые аминокислоты. Но зерно сои также содержит антипитательные вещества, его сложно использовать непосредственно в кормах для животных без предварительной обработки. Гидролизаты, полученные из сои, обладают биологическими функциями, которые имеют пищевое и терапевтическое применение. Добавление гидролизата соевого белка в корм курам-несушкам вызывает повышение яйценоскости с увеличением массы яиц и оказывает антистрессовое действие (Ежелев А.В. и др., 2019). С другой стороны, гидролизат соевого белка стимулирует секрецию аноректического гормона и ингибирует потребление корма свиньями (Wang T et al., 2022). Доказано, что ферментация соевого шрота бактериями (Bacillus subtilis) значительно увеличила содержание растворимого белка с 6,3 % до 22,8 %, что является важной стратегией для повышения ценности сырья, используемого в кормах для моногастричных животных (Filipe D et al., 2023).

Основной проблемой включения подсолнечного шрота в рацион бройлеров является высокое содержание клетчатки в подсолнечном шроте, что может отрицательно сказаться на показателях роста. Гидролизат подсолнечного шрота применяется для повышения использования клетчатки моногастричными животными (птица и свиньи). Помимо того, биоактивные пептиды, полученные в результате гидролиза белка подсолнечника, продемонстрировали противо-воспалительный и иммуностимулирующий эффекты. Различные белки и аминокислоты потенциально могут применяться при приготовлении кормов для животных (Egea MB et al., 2021).

По сравнению с сырыми семенами хлопка гидролизаты семян хлопка содержат меньший процент госсипола, который является антипитательным веществом. В исследовании на телятах после отъёма гидролизат семян хлопка добавляли в разных пропорциях. Результаты показали, что добавление этой кормовой добавки в небольшой норме (2 или 4 %) не влияло на потребление корма или средний суточный прирост живой массы, но в то же время оказывало антиоксидантное и противомикробное действие. Однако при концентрации 6 % наблюдался отрицательный эффект: потребление корма снизилось на 18 %. Это объяснялось вкусом пептидов в кормовой добавке (Dolatkhah B et al., 2020).

При переработке злаковых культур на крахмал в виде отходов образуется большие количества дешёвого белка. Основным белком в этих отходах является глютен, который служит незаменимым сырьём при производстве кормов для животноводства и рыбоводства. Ферментативный гидролиз глютена даёт возможность расширить область применения глютена (Костылева Е.В. и др., 2023).

В таблице 2 представлены наиболее важные гидролизаты вторичного сырья растительного происхождения, используемые в кормах для животных, показана их биологическая активность.

Таблица 2. Гидролизаты агропромышленных отходов, используемых в кормах для животных, и биоактивность их пептидов

Table 2. Hydrolysates of agro-industrial wastes used in animal feed and the bioactivity of their peptides

В качестве вторичных материальных ресурсов, используемых для кормления животных, можно рассмотреть продукты переработки ржи. Так как в её аминокислотном составе содержится большое количество лизина и триптофана, вторичное сырьё ржи очень многообещающее для получения аминокислот, а именно L-лизина – незаменимой аминокислоты, в чистом виде являющейся высокоэффективной кормовой добавкой (Прокофьева А.А. и др., 2023).

4.Гидролизаты отходов пищевой промышленности. В связи со значительным увеличением населения мира уровень развития пищевой промышленности существенно возрос, при этом количество отходов, образующихся в отрасли, значительно увеличилось. Ежегодно предприятия пищевой промышленности, такие как заводы по производству соков, чипсов, мяса, кондитерских изделий и фруктов, а также рестораны и отели производят огромное количество органических отходов.

Накапливающиеся отходы промышленной переработки мясных продуктов и тушек животных содержат скоропортящиеся белки, которые могут создавать серьёзные неудобства для населения из-за неприятного запаха (Zainal Arifin MA et al., 2023). Кроме того, они включают компоненты, которые невозможно использовать в их естественном виде, например, перья и кости.

В процессе гидролиза эти отходы превращаются в легкоусвояемые белковые вещества, богатые аминокислотами, необходимыми для здоровья животных.

Так, только рыбоперерабатывающая промышленность производит более 60 % побочных продуктов в виде отходов. Их также можно переработать с помощью ферментативного гидролиза. Гидролизаты рыбного белка обладают многочисленными биологическими свойствами, в том числе антиоксидантными, антимикробными, антикаогулянтными, а также свойством связывать кальций (Idowu AT et al., 2021).

Установлено, что при включении гидролизатов отходов тушек норок в качестве кормовой добавки в рацион бычков с возраста 4-6 месяцев наблюдается снижение содержания лейкоцитов и повышение до физиологического уровня процентного содержания в лейкограмме лимфоцитов, также была отмеченаа нормализация показателей резервной щёлочности. Механизм этого процесса объясняется увеличением синтеза пропионовой кислоты в рубце в активизации процесса неогликогинеза (Денисенко В.Н. и др., 2022).

Из-за высокой стоимости кормов для аквакультуры некоторые из основных компонентов корма для рыб заменяются альтернативными источниками белка, такими как гидролизаты белков животного происхождения (Кошак Ж.В. и др., 2024).

Также стоит отметить возможность сочетания белковых гидролизатов растительного происхождения с гидролизатами белков животного происхождения для получения кормовой добавки с высокой биологической эффективностью. Так, в рацион молоди карпа был введён растительно-рыбный гидролизат в соотношении одной части рыбных отходов и двух частей рапсового жмыха или соевого шрота с целью увеличения продуктивности рыбы (Кошак Ж.В. и др., 2024).

Заключение.

Использование процесса гидролиза при приготовлении кормов имеет питательную перспективу, так как белковые гидролизаты обеспечивают организм животного легкоусвояемыми и биоактивными пептидами, а также специфическими аминокислотами, с другой стороны, гидролиз удаляет антипитательные вещества из растительного сырья, и придаёт корму приятный вкус. С экономической точки зрения пептиды, полученные из белкового гидролизата, увеличивают сроки хранения кормов и расширяют сырьевую базу, используемую в комбикормовой промышленности, поскольку позволяют использовать нетрадиционное сырьё, такое как отходы маслобойной, мясной и сельскохозяйственной промышленности. Применение гидролизованных белков считается перспективным направлением производства функциональных кормов и кормовых добавок на основе переработки промышленных отходов, избавляя таким образом окружающую среду от загрязнения. 

Sobre autores

Maisoon Shaaban

Autor responsável pela correspondência
Email: maisoon.a.shaaban@mail.ru
ORCID ID: 0000-0001-5000-741X

Cand. Sci (Biology), senior Researcher

Bibliografia

Arquivos suplementares