C.V.I. 2.6 Hulpstoffen; Toepassing van eiwitten in vleesprodukten

Transcriptie

1 2 HULPSTOFFEN 2.6 TOEPASSING VAN EIWITTEN IN VLEESPRODUKTEN Auteur : dr. G. Wijngaards september 1995 blad 1 van 11

2 INHOUDSOPGAVE 2 1 INLEIDING 3 2 ROL VAN EIW ITTEN IN VLEESPRODUKTEN 3 BEPALING VAN DE TOEPASBAARHEID "Trial and error"-benadering Benadering via functionele eigenschappen (modeltesten) 6 BEPALING VAN FUNCTIONELE EIGENSCHAPPEN 8.1 Oplosbaarheid 8.2 W aterbindende eigenschappen 8.3 Gelvormende eigenschappen 9. Vetbindende eigenschappen 1 5 LITERATUUR 11 blad 2 van 11

3 1 INLEIDING Eiwitten vervullen vaak een belangrijke functie in voedingsmiddelen. Dat kan zijn vanwege hun positieve invloed bij de bereiding, bewaring, verwerking en/of consumptie. Zeker in vleesprodukten is een belangrijke rol voor eiwitten weggelegd. De omschrijving "eiwitten" slaat op een grote groep van macromoleculen die opgebouwd zijn uit ketens van aminozuren. Het onderscheid tussen diverse eiwitten is vaak groot als gevolg van verschillen in: - aminozuursamenstelling; - volgorde van de aminozuren in de keten(s); - grootte en aantal van de aminozuurketens per eiwitmolecuul; - intramoleculaire interacties, zoals disulfide bruggen, electrostatische interacties en hydrofobe interacties; - aanwezigheid van delen van de keten(s) met specifieke kenmerken aan het oppervlak van het molecuul; - aanwezigheid van koolhydraatketens. Ter illustratie zijn enkele gegevens van een aantal eiwitten in tabel 1 gegeven. Tabel 1 Gegevens van enige eiwitten eiwit moleculair gewicht (D) aantal ketens aantal disulfidebruggen insuline (hormoon) lysozym (enzym) myoglobine (spiereiwit) papaïne (enzym) hexokinase (enzym) albumine (rund; bloedcomponent) hemoglobine (bloedcomponent) alkalisch fosfatase (enzym) melkzuurdehydrogenase (enzym) aldolase (spierenzym) -globuline (bloedcomponent) Naast een grote natuurlijke variatie kunnen eiwitten door een fysische, enzymatische of chemische behandeling gemodificeerd worden. Functioneel gezien zijn eiwitten dan ook veelzijdiger dan andere biopolymeren en kunnen eiwitten bij de toepassing in voedingsmiddelen multifunctionele eigenschappen tentoonspreiden. Hierbij gaat het veelal om eigenschappen, zoals oplosbaarheid, waterbindend vermogen, gelering, schuimvorming en emulgering. Deze eigenschappen kunnen in meer of mindere mate afhankelijk zijn van ph, temperatuur, aard en concentratie van zouten, terwijl bij toepassing in voedingsmiddelen ook andere componenten en procescondities van belang kunnen zijn. Er worden verschillende vleesprodukten geproduceerd waaraan, naast de vleesgrondstoffen met de vleeseigen eiwitten, ook ander eiwit bij de bereiding wordt toegevoegd, teneinde de produkteigenschappen te verbeteren en/of de kostprijs te verlagen. Het andere eiwit dient dan geschikte functionele eigenschappen te hebben, terwijl het geen ongewenste neveneffecten op het produkt mag hebben. Welke eigenschappen van eiwitten bij de toepassing in vleesprodukten van belang zijn en op welke wijze inzicht in de toepasbaarheid verkregen kan worden, zal in het eerste deel van deze bijdrage nader toegelicht worden. In het tweede deel zullen enkele methoden voor de screening van functionele eigenschappen van eiwitten beschreven worden. blad 3 van 11

4 2 ROL VAN EIWITTEN IN VLEESPRODUKTEN In het algemeen verloopt de bereiding van vleesprodukten in verschillende fasen, waarbij diverse processen plaatsvinden. Zo zijn bij de bereiding van verkleinde verhitte vleesprodukten de farcebereiding, de deegbereiding en de verhitting (na verpakken) te onderscheiden. Tijdens de farcebereiding worden magere vleesgrondstoffen verkleind in aanwezigheid van voldoende zout voor het (gedeeltelijk) extraheren van myofibrillaire eiwitten. Na toevoeging van de vetrijke grondstoffen wordt verder verkleind en gehomogeniseerd tot de gewenste deeltjesstructuur van het deeg verkregen is. Indien de verkleining van de vetrijke grondstoffen gering is, zal het vet nog grotendeels in de vetcellen aanwezig zijn. Er is dan betrekkelijk weinig vet/eiwit-interactie. Bij een sterke verkleining komt er echter meer vet vrij en is er meer vet/eiwit-interactie. De opgeloste myofibrillaire eiwitten, waarvan myosine de belangrijkste is voor de emulgering van vrij vet, worden bij voorkeur aan het vet/eiwit-grensvlak geabsorbeerd. Hierdoor wordt het vrije vet in de deegmassa gestabiliseerd. Na afvullen van het deeg in een verpakking wordt tijdens de verhitting een stevige gel gevormd als gevolg van eiwit-aggregatie en -denaturatie. Deze gel dient een geschikt netwerk te vormen voor de binding van het water en het vet in het produkt. De mate van eiwitextractie tijdens de farcebereiding en van verkleining van de vetrijke grondstoffen tijdens de deegbereiding is van belang voor het verkrijgen van een homogeen produkt zonder gelei- en vetafscheiding bij de verhitting. Indien de vetdeeltjes onvoldoende zijn gestabiliseerd door eiwit treedt coalescentie van deze deeltjes op. Dit wordt zichtbaar als vetafzetting in het produkt. Hieruit blijkt dat eiwitten in verkleinde vleesprodukten bij de volgende fysisch-chemische processen van groot belang zijn: - waterbinding (eiwit/water interacties); - vetbinding (eiwit/lipide interacties); - gelering (eiwit/eiwit interacties). De essentiële functionele eigenschappen van eiwitten in vleesprodukten kunnen dus omschreven worden in termen van oplosbaarheid, waterbindend vermogen, emulgerend vermogen (emulsiecapaciteit en -stabiliteit) en gelerend vermogen. Afhankelijk van het type vleesprodukt spelen één of meer van deze eigenschappen een belangrijke rol (tabel 2). Tabel 2 Relevantie van functionele eigenschappen van eiwitten in vleesprodukten vleesprodukt waterbindend vermogen emulgerend vermogen gelerend vermogen enkelvoudig grof verkleind sterk verkleind smeerbaar blad van 11

5 Het gebruik van een ander eiwit bij de bereiding van een vleesprodukt kan aantrekkelijk zijn door: - verbetering van de waterbinding (verminderde gelei-afzet); - vermindering van de vetafzet; - verbetering van de gelvorming en textuur; - verlaging van de kostprijs; - opwaardering van vleesgrondstoffen; - verlaging van het zoutgehalte; - bereiding van nieuwe produkten. In ruime mate beschikbare eiwitten zijn bloedeiwitten, collagenen, caseïnaten, weieiwitten, ei-eiwitten, soja-eiwitten en tarwe-eiwitten. De functionele eigenschappen van deze eiwitten verschillen echter aanzienlijk door verschillen in intrinsieke eigenschappen, iso-elektrisch punt en hydrofobiciteit. Daarnaast zijn er ook variabele factoren die van invloed zijn op hun functionaliteit. Hieronder worden verstaan de bereidingswijze van het eiwit, de samenstelling van het voedingsmiddel en de procesomstandigheden bij de bereiding van het voedingsmiddel. Deze factoren bepalen dat de eigenschappen van hetzelfde eiwit, afhankelijk van de produktiewijze van het eiwit of de verwerkingswijze in een produkt, kunnen verschillen. 3 BEPALING VAN DE TOEPASBAARHEID De grote verschillen in intrinsieke eigenschappen van eiwitten, de mogelijke variaties bij één en hetzelfde eiwit en de invloed van de verwerkingswijze maken uitgebreid onderzoek naar de geschiktheid van een eiwit voor toepassing in vleesprodukten noodzakelijk. In de literatuur vindt men een grote verscheidenheid aan methoden voor het bepalen van functionele eigenschappen en aan onderzoeksmethoden met vleesprodukten. Eenduidigheid over de wijze waarop dergelijk onderzoek uitgevoerd dient te worden noch gestandaardiseerde methoden zijn echter aanwezig. Veelal wordt gekozen voor de meer traditionele "trial and error"-benadering, waarbij het eiwit direkt in een (model)vleesprodukt wordt getest. Soms kiest men voor een benadering via modeltesten voor functionele eigenschappen. 3.1 " Trial and error"-benadering De "trial and error"-benadering om de toepassingsmogelijkheden van een eiwit in een vleesprodukt vast te stellen, kan direkt in een produkt of in een modelprodukt worden uitgevoerd. Een belangrijk aspect van het testen in een (model)-produkt is het vaststellen van de functionaliteit van het eiwit, bepaald in samenhang met de andere bestanddelen. Interacties met andere componenten kunnen plaatsvinden. Bij de bereiding van een modelprodukt worden de receptuur en de procesomstandigheden zo gekozen dat een industriële bereiding zoveel mogelijk wordt nagebootst. Door toevoeging van ander(e) eiwit(ten) kan worden nagegaan wat het effect op produkteigenschappen is, welk eiwit geschikt is voor het bereiken van het gestelde doel en wat de optimale condities voor de toepassing zijn. Resultaten van een vergelijkend onderzoek naar de effecten van toevoeging van wei-eiwit en soja-eiwit op de gelei- en vetafzet van een modelvleesprodukt (gekookte worst) zijn in tabel 3 weergegeven. Deze resultaten laten duidelijk zien dat, afhankelijk van de bereiding van een eiwit en de werkwijze bij de toepassing, verschillende effecten op de afzetpercentages van het produkt kunnen worden verkregen. Voor het bereiken van een goede herhaalbaarheid en het kunnen interpreteren van de resultaten zijn onder andere standaardisatie van de vleesgrondstoffen, de additieven, de ingrediënten en de bereidingswijze van groot belang. Heeft men deze factoren goed onder controle, dan levert deze benadering veel praktische informatie op over het gedrag van eiwitten in een vleesprodukt. Wel is het voor anderen dikwijls moeilijk om de resultaten te reproduceren. blad 5 van 11

6 Tabel 3 Gelei- en vetafzet van een modelvleesprodukt (gekookte worst) bij toepassing van wei-eiwit en soja-eiwit toevoeging hoedanigheid gelei-afzet (%) vetafzet (%) geen 16 2 wei-eiwit poeder 9 19 wei-eiwit emulsie wei-eiwit oplossing soja-isolaat oplossing 7 22 soja-concentraat oplossing 9 9 soja-concentraat emulsie De "trial and error"-benadering heeft echter ook nadelen. De verkregen informatie is voornamelijk empirisch en geeft weinig inhoudelijk inzicht in de interacties van het toegevoegde eiwit met andere componenten. De bruikbaarheid van de resultaten is daardoor beperkt, zeker gezien de grote verscheidenheid aan vleesprodukten. Vaak dient de toepassing van een eiwit in een ander produkttype opnieuw afzonderlijk bepaald te worden. 3.2 Benadering via functionele eigenschappen (modeltesten) Functionele eigenschappen van eiwitten kunnen in modeltesten worden bepaald. De meest bekende modeltesten zijn die voor oplosbaarheid, wateropname, gelering, waterbinding, emulsiecapaciteit en -stabiliteit, oppervlakteactiviteit en hydrofobiciteit. Met deze testen worden functionele eigenschappen onder gedefiniëerde en gestandaardiseerde omstandigheden bepaald. De bepaling van functionele eigenschappen van verschillende eiwitten in dergelijke testen heeft verschillende voordelen, zoals: - kleine hoeveelheid eiwit nodig; - geen vleesgrondstoffen nodig; - gebruik van veelal eenvoudige apparatuur; - snelle vergelijking van verschillende eiwitten; - screening van invloed van omstandigheden; - goede evaluatie van resultaten door standaardisatie bij uitvoering; - resultaten kunnen voor toepassingen van eiwit in diverse vleesprodukten en andere voedingsmiddelen worden gebruikt. Een voorbeeld van een resultaat met een modeltest is in figuur 1 gegeven. Dit betreft de gelsterkte van mengsels van plasma-eiwit en wei-eiwit na verhitting bij 8 EC. Deze figuur laat zien dat een oplossing van plasma-eiwit bij ph 6 (ongeveer de ph van veel vleesprodukten) na verhitting een stevige gel vormt, terwijl dit bij wei-eiwit niet het geval is. Worden beide eiwitoplossingen in verschillende verhoudingen gemengd en vervolgens verhit dan worden gels verkregen die aanzienlijk sterker zijn dan op basis van de bijdrage van beide eiwitten zou worden verwacht. Met een modeltest kan op deze wijze worden aangetoond dat er bij een combinatie van deze eiwitten duidelijk sprake is van een synergistisch effect bij gelvorming. Eenzelfde effect kan voor andere combinaties van eiwitten opgaan, terwijl ook het tegengestelde effect eenvoudig met een dergelijke blad 6 van 11

7 test kan worden vastgesteld. Inzicht in die effecten kan van belang zijn voor het bereiken van bepaalde resultaten of het oplossen van bepaalde problemen bij de toepassing van andere eiwitten in vleesprodukten. Hetzelfde geldt in meer of mindere mate voor resultaten van modeltesten met betrekking tot andere functionele eigenschappen. Naast de genoemde voordelen zijn er echter ook nadelen aan de benadering via de bepaling van de functionaliteit. Deze hebben vooral betrekking op het ontbreken van ingrediënten en procesomstandigheden, zoals die bij de bereiding van vleesprodukten van toepassing zijn. Daardoor kunnen de resultaten met modeltesten van beperkte waarde zijn voor de voorspelling van het gedrag van een eiwit in een produkt. Er zijn evenwel veel resultaten die het nut van de benadering met modeltesten duidelijk aantonen. Figuur 1 Gelsterkte van mengsels van plasma-eiwit en wei-eiwit na verhitting (8 % totaal eiwit, ph 6, 1 uur 8 EC) 5 Mengsels Som van afzonderlijke gelsterkten % wei-eiwit van totaal eiwit blad 7 van 11

8 BEPALING VAN FUNCTIONELE EIGENSCHAPPEN Inzicht in de functionaliteit van eiwitten en de invloed van bepaalde componenten daarop is snel en relatief eenvoudig te verkrijgen in modeltesten. De opzet van een aantal van deze testen zal hierna worden beschreven. Bij de toepassing van deze testen is het vooral belangrijk dat de werkwijze gestandaardiseerd wordt uitgevoerd..1 Oplosbaarheid Doorgaans is een goede oplosbaarheid een eerste voorwaarde voor een goede functionaliteit van een eiwit, omdat diverse functionele eigenschappen verband houden met eiwit-water interacties. Door bepaling van de oplosbaarheid wordt tevens inzicht verkregen in kenmerken als dispergeerbaarheid, viscositeit van de eiwitoplossing, uitzakgedrag, schuimvorming bij heftig roeren en zoutgevoeligheid. De bepaling van de oplosbaarheid van een eiwit kan worden gebaseerd op de "Nitrogen Solubility Index" (NSI). Hiertoe wordt ongeveer 2 gram eiwit nauwkeurig afgewogen. Al roerend (magneetroerder) wordt de afgewogen hoeveelheid langzaam toegevoegd aan circa 16 ml vloeistof, waarin de oplosbaarheid bepaald moet worden (bijvoorbeeld een buffer- of zoutoplossing). Deze vloeistof heeft een temperatuur van 3 EC. Met,5 M HCl of,5 M NaOH wordt de gewenste ph bijgesteld, waarna enkele druppels antischuim worden toegevoegd en de vloeistof gedurende 2 uur wordt geroerd bij 3 EC. Vervolgens wordt de oplossing c.q. suspensie kwantitatief overgespoeld in een 2 ml maatkolf en aangevuld met vloeistof waarin de oplosbaarheid moet worden bepaald. Na homogeniseren en het meten van de ph (ter controle van een eventueel verloop) wordt de oplossing gedurende 3 minuten bij 1. x g gecentrifugeerd. In het supernatant wordt daarna het stikstofgehalte volgens Kjeldahl bepaald. Op basis van het stikstofgehalte van het betreffende eiwit wordt het percentage oplosbare stikstof (NSI) berekend..2 Waterbindende eigenschappen Eiwitten zijn in het algemeen niet functioneel in afwezigheid van een waterfase. Hydratatie is dan ook vaak een essentiële stap in het tonen van andere functionele eigenschappen van eiwitten. De termen waterbinding, wateropname, waterabsorptie en wateradsorptie worden in de literatuur door elkaar gebruikt voor de hoeveelheid water die een eiwit kan opnemen. Binding van water door eiwit kan op diverse manieren worden bepaald. Hierbij kan worden gewerkt met waterdamp of met vloeistof, terwijl naast de hoeveelheid water ook de snelheid van wateropname wel wordt bepaald. Met betrekking tot de waterbinding van eiwitten in vleesprodukten wordt de spontane wateropname door eiwitten relevant geacht. De spontane waterbinding door eiwitpreparaten kan worden bepaald met een apparaat volgens Baumann (figuur 2). Het principe komt neer op de bepaling van de hoeveelheid vloeistof die in een gesloten systeem door een bekende hoeveelheid eiwit (poeder) op een met een papierfilter (Whatman no. 1, diameter 5 cm) afgedekt glasfilter (G2, diameter,8 cm) wordt opgenomen. Het glasfilter met het papierfilter is via een trechtervormig buisje verbonden met een spiraalvormige pipet (1,5 ml) met maatverdeling (,1 ml). Het geheel is met vloeistof (bufferoplossing met gewenste ph en zoutconcentratie) gevuld. Het apparaatje is verbonden met een circulatiewaterbad, zodat de wateropname bij een gewenste, constante temperatuur kan worden bepaald. blad 8 van 11

9 Figuur 2 Apparaat volgens Baumann voor bepaling van wateropname De wateropname wordt gevolgd aan de hand van de meniscusstand in de pipet en afgelezen wanneer geen water meer wordt opgenomen. Door de hoeveelheid opgenomen water tijdens de bepaling te registreren kan tevens inzicht worden verkregen in de snelheid van wateropname..3 Gelvormende eigenschappen Eiwitten dragen vaak in belangrijke mate bij aan de netwerkstructuur en de consistentie van allerlei levensmiddelen, vooral als een verhittingsstap (gelering van eiwit door hittedenaturatie) deel uitmaakt van het bereidingsproces. Naast eiwitten spelen ook polysacchariden, vetten en andere componenten een belangrijke rol in de structuurvorming. Talrijke methoden kunnen worden toegepast om de gelvormende eigenschappen van eiwitten te bepalen. Interessante aspecten van gelvormende eigenschappen zijn gelsterkte, geleerduur en synereseverschijnselen (samentrekking van een gel onder vochtuittreding). De meest gangbare parameter voor de gelering is de gelsterkte na blad 9 van 11

10 verhitting (onder gestandaardiseerde omstandigheden) van een eiwitoplossing of een mengsel van eiwitten. De gelvorming kan visueel worden waargenomen en de gelsterkte kan door middel van een viscositeitsmeting, een penetratiemeting of een niet-destructieve reologische meting worden bepaald. Daartoe wordt in het algemeen een eiwitoplossing/dispersie in water of een buffer (al of niet met toegevoegd zout) gemaakt. Na controle van de ph worden enkele buizen met eenzelfde diameter tot een gelijke hoogte met de oplossing/dispersie gevuld, met een stop afgesloten en in een waterbad verhit (bijvoorbeeld bij 8 EC). Na de verhitting (gedurende een vaste of variabele tijd) worden de buizen direct in een waterbad van bijvoorbeeld 2 EC gekoeld. Na minimaal 16 uur koelen worden de gelsterkte-eigenschappen met daarvoor geschikte apparatuur gemeten. Voor deze meting kan een keuze worden gemaakt uit een grote verscheidenheid aan apparatuur.. Vetbindende eigenschappen Veel vleesprodukten hebben een meer of minder complexe emulsiestructuur. Bij de vorming en de stabilisatie ervan spelen eiwitten een belangrijke rol vanwege hun eigenschap aan het olie/watergrensvlak een eiwitfilm te kunnen vormen. Dit vermogen verschilt echter per eiwit en daarom wordt de bepaling van emulgerende eigenschappen vaak uitgevoerd. Daarbij wordt meestal onderscheid gemaakt tussen: - het emulgerend vermogen: de hoeveelheid olie of vet die door een hoeveelheid eiwit kan worden geëmulgeerd voordat een olie/water emulsie omslaat in een water/olie emulsie; - de emulsiestabiliteit: het vermogen om een emulsie te vormen die onveranderd blijft tijdens een bepaalde tijd/temperatuurbehandeling. Ook voor deze vetbindende eigenschappen worden vele bepalingsmethoden gebruikt. De bepaling van het emulgerend vermogen is een van de meest toegepaste methoden voor de karakterisering van emulgerende eigenschappen van eiwitten. De resultaten van deze bepaling lopen echter sterk uiteen door de manier waarop de emulsie wordt bereid. Dit betekent dat alleen binnen één werkwijze de resultaten van verschillende eiwitten mogen worden vergeleken. Een werkwijze voor de bepaling van emulgerende eigenschappen van een eiwit gericht op toepassing in vleesprodukten kan er als volgt uit zien. Eén deel eiwit wordt in een cutter gemengd met delen koud water, waarna delen koud vet (of olie) worden toegevoegd en gecutterd tot een emulsie. De eindtemperatuur mag maximaal 12 EC bedragen (koud-gemaakte emulsie). De emulsie wordt afgevuld in blikjes en - na een nacht doorkoelen beoordeeld op vetafscheiding (emulgeeractiviteit); - verhit, gekoeld en beoordeeld op vetafscheiding (emulsiestabiliteit) en consistentie. Door bij dezelfde procedure aan het eind van het cutterproces 2% zout toe te voegen kan de invloed van zout worden vastgesteld. Ook kan een emulsie bij een verhoogde temperatuur worden bereid (warm-gemaakte emulsie). Bij dergelijke emulsies kan meestal een 1:8:8 verhouding worden gekozen. Hierbij worden zodanig warm water en voorgebroeid spek gebruikt, dat de eindtemperatuur bij het cutteren nog op ongeveer EC ligt. Een eenvoudige laboratoriummethode kan de volgende opzet hebben: - bereid 5 ml van een 1% eiwitoplossing/dispersie in water of buffer met een gewenste zoutconcentratie; - breng 1 ml over in een 5 ml bekerglas; - meng met een mixer (bijvoorbeeld een Silverson mixer) bij een snelheid van 3 RPM en voeg met een peristaltische pomp soja-olie toe (2 ml/min) tot stremming optreedt. De benodigde hoeveelheid soja-olie fungeert als maatstaf voor de emulsiecapaciteit van het eiwit. blad 1 van 11

11 5 LITERATUUR 1 Acton, J.C., Ziegler, G.R. & Burge, D.L. Jr. Functionality of muscle constituents in the processing of comminuted meat products Critical Reviews in Food Science and Technology 18 (1983)2, Baumann, H. Apparatur nach Baumann zur Bestimmung der Flüssigkeitsaufname von pulvrigen Substanzen Fette Seifen Antrichmittel 68(1966), Hayakawa, S. & Nakai, S. Relationship of hydrophobicity and net charge to the solubility of milk and soy proteins Journal of Food Science 5(1985), Hermansson, A.-M. Functional properties of proteins for foods. Swelling. Lebensm. Wiss. und Techn. 5(1972), Hermansson, A.-M. Functional properties of proteins for foods. Water vapour sorption. J. Food Techn. 12(1977), Kinsella, J.E. Functional properties of proteins in foods: a survey. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 7(1976), Kinsella, J.E. Relationships between structure and functional properties of food proteins in Food Proteins. In: Food Proteins, Fox, P.F. & Condon, J.J. Applied Science Publishers, Ltd., 1982, Nitrogen Solubity Index (NSI): AACC-method, blad 11 van 11