Введение.
В современной литературе можно выделить следующие тренды в изучении исследуемой проблематики: 1) исследование связи чрезмерного потребления простых сахаров и развития неинфекционных заболеваний; 2) определение и сравнение свойств различных белков, обладающих сладким вкусом, а также механизма воздействия на рецепторы органа чувств человека; 3) проблемы применения сладких белков в индустрии питания, методы их решения.
Как показывает исследования различных источников по данной теме, в настоящее время все больше ученых стали разрабатывать продукцию с повышенными потребительскими свойствами и функциональными ингредиентами. Это связано с повышенным ростом распространения неинфекционных заболеваний, факторами риска развития которых является потребление простых сахаров, свыше медицинской нормы (Barrington, 2019; Chen, 2019; Paglia, 2019; Livingstone, 2022; Souza Cruz, 2020; Stanhope, 2022).
Другие группы ученых изучают воздействие синтетических подсластителей на здоровье человека, так как они также получили распространение среди населения, однако на данный момент нет точных данных об их безопасности в долгосрочной перспективе (Azad, 2017; Pearlman, 2017).
По этим причинам в настоящее время вопрос поиска альтернативных подсластителей является актуальным в разработке изделий с заменой сахара. Перспективным вариантом решения данного вопроса являются сладкие белки. В обзоре показано, что в данный момент только один сладкий белок из известных науке тауматин одобрен к применению как подсластителей и усилитель вкуса в ряде стран; при этом свойства и безопасность других сладких белков мало изучена (Agboola, 2014; Khan, 2018; Farag, 2022).
Помимо вышесказанного проблема применения сладких белков в индустрии питания связана с их низким выходом из растений, в которых они содержались первоначально, а также с низкой стабильностью относительно тепловых воздействий и pH среды, что в значительной степени ограничивает их добавление в кулинарную продукцию и кондитерские изделия, имеющие в своей технологии производства тепловое воздействие. Поэтому ряд ученых разрабатывают методы повышения стабильности сладких белков и модели их масштабного производства путем синтеза из растительного сырья (Leone, 2016; Ezura, 2018; Kaul, 2018; Joseph, 2019; Song, 2020; Kelada, 2021).
Результаты обзора позволят найти возможные пути решения по применению альтернативного заменителя сахара, и, следовательно, разработке продукции с высокими потребительскими свойствами.
Поскольку целью данного обзора является сбор и анализ современной информации о свойствах сладких белков и методах их улучшения для возможности промышленного производства, необходимо ответить на следующие вопросы: Каковы причины поиска альтернативных подсластителей? Какими свойствами обладают сладкие белки и как это влияет на их применение? Каковы методы повышения стабильности структуры и производства сладких белков?
Вопросы, поднимаемые в ходе проведения систематического обзора, являются важными для индустрии питания.
Исследование. Материалы и методы.
Первый этап исследования включает в себя поиск современных источников в базах данных Scopus, Google Scholar и РИНЦ по ключевым словам: sweet proteins, non-nutritious sweeteners, gut microbiota, safety. Было рассмотрено более 60 статей.
На втором этапе были проанализированы аннотации отобранных статей на предмет наличия информации о свойствах сладких белков и методах их улучшения для возможности промышленного производства. Так, были отобраны 31 статьи.
Третий этап включает в себя анализ текстов всех отобранных статей и введение стадии отбора по следующих критериям: статьи, имеющие в себе информацию о влиянии сахарозы и иных подсластителей на организм человека; статьи о свойствах сладких белков; статьи, которые представляют методы производства и повышения стабильности данного сырья.
На четвертом этапе статьи были сгруппированы по тематическим блокам: влияние чрезмерного потребления сахарозы и синтетических подсластителей; информация об основных свойствах сладких белков, в том числе безопасность; проблемы применения и производства сладких белков в индустрии питания.
Результаты и их обсуждение.
Данные проанализированных источников можно разделить по следующим направлениям: 1) причины поиска альтернативных подсластителей; 2) обзор сладких белков и их основных характеристик; 3) получение и улучшение свойств сладких белков.
Причины поиска альтернативных подсластителей.
В настоящее время проблема развития неинфекционных заболеваний является актуальной среди большинства населения планеты. Большое внимание на государственном уровне уделяется профилактики этих заболеваний – снижению факторов риска развития.
Проблема распространения неинфекционных метаболических заболеваний, таких как диабет второго типа, ожирение, фактором риска развития которых является потребление сахара свыше медицинской нормы, является острой для Российской Федерации. Так, эндокринологи ФГБУ «НМИЦ эндокринологии» Дедов, И. И. и другие установили рост численности населения страны с установленным диагнозом диабета в 2,2 раза – с 2,043 млн на 2000 год до 4,58 млн человек на 2019 год. При этом необходимо учитывать, что доля не выявленного диабета второго типа среди населения составляет 54% (Дедов, 2019). Другая группа эндокринологов Алфёрова, В. И. и Мустафина, С. В. исследовали динамику распространения ожирения среди взрослого населения России в течение последних 30 лет. Так, был определен высокий показатель ожирения среди населения, а также его рост заболеваемости – у мужчин с 10,8% в 1993 году до 27,9% в 2017 году, у женщин с 26,4% в 1993 году до 31,8% в 2017 году (Алфёрова, 2022). По данным национального рейтингового агентства в 2022 году рост потребления сахара в России на 20-25% выше, чем в 2021 году. В среднем, 1 человек употребил около 32 кг в год, включая кондитерские изделия, что превышает медицинскую норму на 8 кг (НРА, 2022).
Многие ученые исследуют связь чрезмерного потребления сахара и развития неинфекционных заболеваний. Так, простые сахара при высоком потреблении влияют на микробиом кишечника человека.
Доктора из Китая Zhang, N., Ju, Z. и Zuo, T. изучили роль диеты в формировании микробиома толстого кишечника человека, так как, влияя на метаболизм, иммунную и пищеварительную системы, психическо-эмоциональное состояние, он является основой для здоровья человека. Исследования показали, что изменения в рационе питания могут приводить к изменению кишечной микробиоты вплоть до 57% от изначального состава и соотношения. Многие хронические заболевания, такие как диабет и воспалительные заболевания кишечника, вызываются снижением разнообразия кишечного микробиома, среди причин которого выделяют чрезмерное потребление сахара (Zhang, 2018).
Учеными из Австралии Livingstone, K. M. и Sexton-Dhamu, M. J. была изучена связь рациона питания и вероятностью избыточного веса у молодых людей. Были рассмотрены модели питания 625 испытуемых возрастом от 18 до 30 лет, данные о которых фиксировались с помощью мобильного приложения. Так, были выявлены две наиболее распространённые модели питания: первая характеризовалась потреблением пищевых волокон, вторая – высоким потреблением послащенных сахаром напитков и меньшим потреблением овощей. Испытуемые, придерживающиеся второй высококалорийной диеты, были более склоны к ожирению (Livingstone, 2022). Это же подтверждают авторы мета-анализа по изучению влияния чрезмерного потребления сахара на микробиоту кишечника человека Boles, M. K. и Blog, A. W. Так, при потреблении сахара свыше медицинской нормы повышается рост вредных микроорганизмов в кишечнике человека, что способствует: ухудшению иммунных функций организма; резким перепадам уровня глюкозы; негативным последствиям для психического здоровья человека (хроническая усталость, головные боли, резкие перепады настроения); развитию акне; повышению риска развития диабета 2 типа и синдрома раздраженного кишечника (Boles, 2019).
Главным редактором «European Journal of Paediatric Dentistry» Paglia, L. был проведен мета-анализ исследований по влиянию чрезмерного потребления сахара на организм детей, так как дети подвержены наибольшему риску из-за предпочтения сладкого, которое появляется в раннем возрасте и снижается только в середине подросткового возраста. Была установлена связь между недостаточной продолжительностью и качеством сна у детей и подростков и увеличением массы тела, снижением чувствительности к инсулину, гипергликемией. В настоящее время изучается связь между высоким потреблением сахара в течение длительного периода и синдромом дефицита внимания и гиперактивности (Paglia, 2019).
Повышенное потребление сахара может стать причиной развития неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Так, ученые из Китая Chen, H., Wang, J., Li, Z., Lam, C. W. K., Xiao, Y., Wu, Q. и Zhang, W. провели мета-анализ 12 исследований, в которых приняли участие, в общей сложности, 35 тысяч человек, согласно которому риск развития НАЖБП повышается при высоком (более 7 чашек в неделю), среднем (1-6 чашек в неделю) и низком (менее 1 чашки в неделю) потреблении подслащенных сахаром напитков на 53%, 26% и 14% соответственно (Chen, 2019).
Ученые Souza Cruz, E. M., Bitencourt de Morais, J. M. и Dalto da Rosa, C. V. и другие исследовали долгосрочное влияние приема 40% раствора сахарозы на показатели сыворотки крови и печени у самцов крыс и после сравнивали с теми же показателями у контрольной группы, которая принимала воду без сахарозы. У крыс, получавших раствор сахарозы, отмечалось: появление признаков непереносимости глюкозы и резистентности к инсулину; увеличение массы тела, жировых отложений; повышение уровня холестерина в крови; снижение уровня глутатиона, что характеризует окислительный стресс печени; наличие вакуольных следов и увеличение фиброзной ткани образцов печени (Souza Cruz, 2020).
Повышенное потребление сахара может негативно сказываться и на здоровье полости рта. Ученые из Австралии Barrington, G., Khan, S., Kent, K. и Brennan, D. S. и другие определили связь избыточного веса, кариеса зубов с уровнем потребления сахара. Был проведен двумерный анализ питания людей с избыточным весом и/или кариесом по составу пищи на количество добавленного и общего сахара. Проспективное когортное исследование у детей показало, что люди с повышенным потреблением сахара, скорее всего, будут иметь избыточный вес. Систематический обзор и мета-анализ кариеса зубов и ожирения у детей и подростков показали, что частота возникновения кариеса зубов увеличивается с увеличением массы тела (Barrington, 2019).
По этим причинам исследователи Международной и американской ассоциации стоматологии Sheiham, A. и James, W. P. T. утверждают, что деминерализация эмали зубов вызывается повышением кислотности микросреды, которая наблюдается после принятия в пищу сахарозы, глюкозы и фруктозы. При этом при часто повторяющемся приеме простых сахаров возникает более кариесогенная микрофлора рта. Поэтому авторы предлагают максимальное сокращение потребления простых сахаров как одну из мер профилактики кариеса (Sheiham, 2015).
Ученые из Канады Khan, T. A., Tayyiba, M. и Agarwal, A. и другие исследовали связь зарегистрированного потребления общего количества сахарозы, фруктозы с частотой сердечно-сосудистых заболеваний и смертностью по данным временного промежутка с 1980 по 2018 года. Исследование показало, что потребление простых сахаров в пределах медицинской нормы не связаны с частотой сердечно-сосудистых заболеваний, однако чрезмерное потребление влияет на данные показатели (Khan, 2019).
Это же утверждает ученый Stanhope, K. L., определивший, что потребление 10% простых сахаров от суточной калорийности полезнее, чем потребление 25% (Stanhope, 2022).
Принимая во внимание все негативные последствия чрезмерного потребления сахара, Всемирная организация здравоохранения разработала и приняла «Руководство программы СИНДИ по питанию», главной целью которой является профилактика неинфекционных заболеваний. Авторы призывают снизить потребление рафинированного сахара, ссылаясь на его вредность. Так, с сахаром не должно поступать более 10% суточной калорийности (Всемирная организация здравоохранения, 2000).
Активный рост потребления сахара, как фактор развития некоторых неинфекционных заболеваний, свидетельствует о необходимости разработки кулинарной продукции и кондитерских изделий с заменой сахара для повышения их потребительских свойств.
В качестве сахарозаменителей на данный момент распространены искусственные подсластители. К низкокалорийным пептидным подсластителям синтетического происхождения относят аспартам, адвантам, неотам и алитам. При этом нет однозначных данных об их влиянии за организм человека в долгосрочной перспективе.
Ученые из США Pearlman, M., Obert, J. и Casey, L. провели мета-анализ последних исследований по влиянию искусственных подсластителей на здоровье человека, и пришли к выводу, что их потребление влияет на микробиом кишечника, снижает чувство сытости и нарушает гомеостаз глюкозы (Pearlman, 2017).
Другая группа ученых Azad, M. B., Abou-Setta, A. M., Chauhan, B. F., Rabbani, R., Lys, J. и Copstein, L., проанализировав 30 когортных исследований 405907 участников в течение 10 лет, пришла к выводу, что частый прием непитательных подсластителей связан с увеличением веса, развитием метаболического синдрома и сердечно-сосудистых заболеваний (Azad, 2017). Поэтому необходимо искать альтернативные подсластители естественного происхождения и пути их использования в пищевой промышленности. Среди них наибольший интерес вызывают сладкие белки.
Обзор сладких белков и их основных характеристик.
Сладкие белки – это белки растительного происхождения, отличительным свойством которых является сладость, в тысячи раз преобладающая над относительной сладостью сахарозы. Некоторые из сладких белков, помимо сладкого вкуса, обладают функцией изменять и усиливать вкус, что позволяет использовать их в качестве вкусовых усилителей.
Так как они в тысячи раз слаще сахарозы, для замены сахара в кулинарной продукции или кондитерском изделии сладких белков требуется незначительное количество, что позволяет достичь низкой калорийности такой продукции и изделий.
Сладкое восприятие большинства сладких белков раскрывается иначе, чем у сахарозы – сладкий вкус приходит медленнее, имеет долгое послевкусие, возможны привкусы. Хотя сладкие белки и являются перспективной заменой сахарозы, лишь малая часть из них доказала свою безопасность и была разрешена в качестве подсластители или усилителей вкуса.
К сладким белкам относятся: миракулин, куркулин, браззеин, тауматин, монеллин, мабинлин, пентадин, лизоцим яичного белка. Ниже были рассмотрены их основные характеристики, данные разными группами ученых Agboola, D. A., Fawibe, O. O., Ogunyale, O. G., Ajiboye, A. A., Farag, M. A., Rezk, M. M., Elashal, M. H., El-Araby, M., Khalifa, S. A., ElSeedi, H. R., Khan, R., и Aroulmoji, V.
Миракулин – это белок, извлеченный из плодов Synsepalum dulcificum. Данный белок не обладает сладким вкусом, однако вкусовые рецепторы после его воздействия в течение часа воспринимают кислый вкус как сладкий. На данный момент механизм изменения вкуса неизвестен, среди предположений можно выделить способность белка изменять структуру вкусовых клеток на языке, в следствие чего рецепторы сладкого активируются органическими кислотами. За счет своих свойств миракулин можно использовать в качестве подсластителя в кислых продуктах. Миракулин обладает низкой устойчивостью: при температуре выше 100 °C теряет биологическую активность; при рН среды ниже 3 и выше 12 его свойства пропадают. Куркулин был выделен в 1990 году из плодов растения Curculigo latifolia. Данный белок обладает сладким вкусом и способен менять кислый вкус на сладкий. Белок куркулин также не устойчив: нагревание свыше 50 °C и рН среды ниже 3 и выше 11 способствуют его денатурации.
Браззеин был выделен из плодов Pentadiplandra brazzeana Baillon. Белок слаще сахарозы в 500-2000 раз. Сладость этого белка по органолептическим признакам близка к сахарозе. Браззеин является одним из самых термостабильных сладких белков – белок денатурирует только после 2 часов нагревания при температуре 98 °C. Белок стабилен при рН среды от 2,5 до 8. Хорошо растворим в воде. Благодаря своим нативным свойствам браззеин является перспективным подсластителем.
Тауматин – собирательный термин, относящийся к некоторым белкам семейства тауматинов, которые обладают сладким вкусом и способностью изменять вкус. Белки были выделены из плодов Thaumatococcus daniellii Bennett. Восприятие сладости, вызванное белком тауматином, медленное, долго сохраняется, оставляет лакричное послевкусие при высоких концентрациях. Тауматин хорошо растворим в воде, устойчив к нагреванию даже при температуре 100 °C и стабилен при рН от 2,5 до 5.
В 2020 году была доказана безопасность белка тауматина, синтезируемого из растения Nicotiana. Так, тауматин – единственный сладкий белок, одобренный для применения в качестве подсластителя в ряде стран. Белок тауматин применяется в качестве добавки в жевательную резинку, молочные продукты, корма для домашних животных.
Монеллин – белок, полученный из плодов и листьев растения Dioscoreophyllum cumminsii. Белок в 100 000 раз слаще сахарозы в молярном пересчете и в 3000 раз – по весу. Белок монеллин денатурирует при температуре выше 50 °C и в кислой среде.
Мабинлин получают из Capparis masaikai. Белок слаще сахарозы в 400 раз по весу. Считается самым термостабильным сладким белком. Мабинлин-2 остается биологически активным после 48-часовой инкубации при температуре кипения, мабинлин-3 и -4 – в течение 1 часа при 80 °C.
Пентадин – это белок, выделенный из мякоти семян Pentadiplandra brazzeana. Пентадин слаще сахарозы в 500 раз по весу. Белок можно использовать для маскировки горького послевкусия. Обладает высокой термической стабильностью – не теряет сладкого вкуса при воздействии температуры 100 °C в течение 5 часов. В качестве подсластителя можно использоваться лизоцим яичного белка. Его сладость в 200 раз выше, чем у некоторых сладких белков. При этом его достаточно легко получить и белок обладает высокой термостабильностью – выдерживает температуру 95 °C в течение 18 часов. Данный белок обладает ферментативной и антибактериальной активностью. Не смотря на высокие свойства лизоцима, использование его в качестве подсластителя ограничено из-за его терпкости и послевкусия (Agboola, 2014; Farag, 2022; Khan, 2018).
До сих пор остается открытым вопрос взаимосвязи структуры сладкого белка и их биологической активности, что ведет к ограничению их использования.
Группа ученых из Китая Zhao, X., Wang, C., Zheng, Y. и Liu, B. изучили вопрос взаимосвязи активности сладких белков с их строением. Было установлено, что белки, обладающие сладким вкусом, при поступлении в организм человека связывают и активируют рецепторы сладкого вкуса T1R2 / T1R3, запуская последовательность сигнальных реакций, что вызывает ощущение сладости.
Авторы исследовали с помощью дифракции рентгеновских лучей структуры миракулина, монеллина, тауматина, мабинлина, пентадина, куркулина, браззеина. Было установлено, что эти белки, выполняя одинаковую функции, не обладают структурным сходством. Поэтому для каждого белка, обладающим сладким вкусом, необходимо рассматривать причину их биологической активности в частном порядке.
Ученые выдвигают теорию о влиянии сил внутримолекулярного взаимодействия на сладость белков, однако еще не сообщалось о их прямом нахождении. Силы их внутримолекулярного взаимодействия также имеют решающее значение в обеспечении их стабильности – сладкие белки, обладающие наибольшей стабильностью, имеют несколько внутримолекулярных дисульфидных связей. При исследовании мутаций сладких белков с повышенной стабильностью, были обнаружены новые водородные связи, что и объясняет улучшение стабильности измененных белков (Zhao, 2021).
Были рассмотрены исследования по влиянию сладких белков на организм человека с целью определения их безопасности. В настоящее время эта тема мало изучена, что не дает точного представления как о пользе сладких белков, так и об их безопасности для здоровья человека.
Ученые из Австралии Conlon, M. A. и Bird, A. R. рассмотрели вопрос влияния белков, в том числе обладающих сладким вкусом, на микробиом кишечника человека. Так, содержание умеренного количества белка в диете может способствовать снижению веса у людей с избыточным весом (Conlon, 2014).
Другая группа ученых Farag, M. A., Rezk, M. M. и Elashal, M. H. исследовали введение сладкого белка тауматина в рацион крыс в различных дозах 0,3%, 1,0% и 3,0%. По результатам исследования, у исследуемой группы отсутствовали неблагоприятные воздействия на массу тела, потребление пищи и воды (Farag, 2022).
Группа ученых Rogers, P. J., Hogenkamp, P. S., de Graaf, C., Higgs, S., Lluch, A., Ness, A. R. и Mela, D. J. провела мета-анализ данных исследований по влиянию различных сахарозаменителей на организм человека и некоторых лабораторных животных. Согласно этому анализу, ученые сделали заключение о отсутствии неблагоприятного воздействия от потребления сладких белков на организм человека (Rogers, 2016).
Группа ученых Lynch, B., Wang, T., Vo, T., Tafazoli, S. и Ryder, J. изучили безопасность и риск использования белка браззеин в качестве подсластителя следующим образом: аллергенность in silico, генотоксичность in vitro и 90-дневное введение в рацион крыс различного уровня сладкого белка. Согласно исследованию, браззеин, вводимый в рацион крыс в количестве потенциального уровня потребления – 3 мг/кг массы тела в день, не имел побочных эффектов вплоть до максимально испытанной дозы – 978 и 985 мг/кг массы тела в день у мужчин и женщин соответственно; не обладал аллергенностью и генотоксичностью (Lynch, 2023).
Известно, что некоторые белки растительного происхождения обладают противоопухолевыми свойствами. В настоящее время некоторые ученые изучают наличие данного свойства у представителей сладких белков и их использование как противоопухолевый препарат.
Так, ученые Poursalim, M., Shasaltaneh, M. D., Jafarian, V. и Salehabadi, H. утверждают, что сладкий белок браззеин обладает противоопухолевой активностью, что подтверждает их исследование с применением молекулярной динамики (Poursalim, 2022).
Таким образом, сладкие белки обладают недостаточной теоретической базой и нуждаются в дальнейшем изучении, особенно в вопросах безопасности и аллергенности. Как показали некоторые источники, сладкие белки не оказывают неблагоприятного влияния на организм человека и животных. Однако необходимо провести больше исследований для разрешения их применения в качестве подсластителей и/или усилителей вкуса.
Большинство сладких белков, известных науке, имеют низкую стабильность относительно температуры и pH среды. Это в значительной степени ограничивает их применение в индустрии питания. Поэтому необходимо более глубокое изучение связи структуры сладких белков и их биологической активностью для повышения стабильности белков.
Получение и улучшение свойств сладких белков.
Сладкие белки – это перспективная альтернатива обычным подсластителям. Однако такие свойства, как низкая термостабильность, трудность получения ограничивают их использование в промышленных масштабах.
Ученые Song, X., Yi, Y., Liu, L., He, M., Deng, S., Tian, H. и Gao, X. разработали новый метод повышения термостабильности белка монеллина путем добавления между двумя полипептидными цепями бета-шпильку, отвечающую за термостабильность. Полученный белок показал более высокие значения стабильности – исходный сладкий белок денатурирует при температуре выше 50 °C, полученный – при температуре 96 °C (Song, 2020).
Ученые из Китайского сельскохозяйственного университета Tang, N., Liu, J. и Cheng, Y. изучили опыт исследований мутагенеза отдельных аминокислот для улучшения термической стабильности сладкий белков. Они определили, что существующие технологии мутагенеза имеют множество недостатков – являются трудоемкими, дорогостоящими и не отличаются стабильностью результата. При этом некоторые мутации улучшают термостабильность, но снижают сладость образца.
Поэтому учеными была предложен метод мутагенеза сладких белков с использованием биофизических расчетов. Данный подход обеспечивает стабильный молекулярный механизм возможных мутаций, а также менее дорогостоящий и трудоемкий. Процесс мутагенеза заключался в переводе отрицательно заряженных остатков аминокислоты в неотрицательно заряженные, что способствовало улучшению термостабильности (Tang, 2021).
Учеными Leone, S., Pica, A., Merlino, A., Sannino, F., Temussi, P. A. и Picone, D. были разработаны методы молекулярного дизайна для повышения стабильности и сладости белка монеллина. Основываясь на анализе поверхностных электростатических потенциалов, группа ученых разработала новую стабильную версию белка и определила структуру с помощью рентгеновской кристаллографии. Также было проведено исследование, подтверждающее воздействие полученного белка на рецепторы сладкого вкуса человека (Leone, 2016).
Методы повышения стабильности сладкого белка, основанные на предварительных биофизических расчетах, позволяют получать стабильный результат более термоустойчивых сладких белков, сохраняющих свои показатели сладости. Данные результаты улучшенных белков позволяют расширить их применение в пищевой промышленности.
Растения, в которых естественном образом содержатся сладкие белки, невозможно использовать для массового производства, так как, помимо высоких требований к условиям внешней среды, они обладают низкой плодопродуктивностью. Поэтому учеными рассматриваются иные пути производства сладких белков.
Группой ученых Joseph, J. A., Akkermans, S., Nimmegeers, P. и Van Impe, J. F. были рассмотрены основные методы производства сладких белков, основывающиеся на экспрессии. В качестве систем экспрессии могут выступать бактерии, дрожжи, плесневые грибки, трансгенные растения. Большинство из этих методов имеют значительные недостатки, которые препятствуют промышленному производству: низкий выход белка, выход белка, не обладающего сладким вкусом, нестабильный результат, возможность аллергических реакций. На данный момент наиболее перспективным является метод синтеза сладких белков в трансгенных растениях, так как есть возможность масштабного производства, соответствующего требованиям экономичности и безопасности (Joseph, 2019).
Учеными Firsov, A. P., Pushin, A. S. и Dolgov, S. V. были рассмотрены методы производства сладкого белка тауматина. Так, было установлено несколько успешных попыток получения тауматина I путем экспрессии белка в трангенные растения. При этом данный метод не позволяет получить тауматин II по причине сложности сохранения правильной конформации для обеспечения выполнения поставленной функции. Поэтому был предложен метод получение рекомбинантного белка тауматин II в экспрессионных системах на основе дрожжей Saccharomyces cerevisiae и нитевидных грибов Aspergillus oryzae; максимальное накопление тауматина составляло 140 и 150 мг/л культуральной среды соответственно (Firsov, 2018). Ученые из США Kelada, K., Tuse, D., Gleba, Y., McDonald, K. и Nandi, S. разработали проект крупномасштабного (50 тонн в год) производства тауматина II (дальше – тауматин) с использованием нескольких различных платформ молекулярного земледелия, что позволяет снизить затраты на производство, увеличить объемы производимых сладких белков, стабилизировать результат.
Было смоделировано 3 схемы молекулярного земледелия: экспрессия тауматина в листьях N. Tabacum в открытом грунте; вертикальное земледелие в помещении с использованием Nicotiana benthamiana; экспрессия тауматина в листовой ткани продовольственных культур Beta vulgaris, Spinacia oleracea или Lactuca sativa в открытом грунте. Общая схема выращивания до переработки выглядит следующим образом: посев трансгенных семян, орошение 4%-ным раствором этанола для синтеза и накопления тауматина в растениях, сбор урожая, транспортировка на перерабатывающее предприятие. Переработка биомассы растительного сырья включает в себя следующие этапы: измельчение, смешивание с экстракционным ацетатным буфером для осаждения растительных белковхозяев, не стабильных при низких значениях рН, осветление с помощью фильтрующих мембран, повторное орошение ацетатным буфером, нагрев растительного экстракта до 60°C в течение 60 минут, фильтрация для улавливания осажденных при нагревании белков, выпаривание.
Для удаления никотина и других пиридиновых алкалоидов сырье подвергается ультрафильтрации. Процесс переработки сырья шпината имеет более упрощенный вид: смешивание сырья с горячей водой, нагрев в течение 1 часа при температуре 65°C, выпаривание, фильтрация. Ученые определили, что наиболее перспективным и экономически выгодным методом является выращивание в полевых условиях трансгенного N. tabacum (Kelada, 2021). Группой ученых из Японии Ezura, H. и Hiwasa-Tanase, K. была предложена схема массового производства сладкого белка миракулина в трансгенных помидорах и листьях салата. Был предложен метод экспрессии рекомбинантного миракулина в трансгенные помидоры и листья салата, определены условия закрытой системы для выращивания и метод извлечения сладкого белка из растений. Данный метод позволяет получать стабильный результат в промышленных масштабах (Ezura, 2018).
Группой ученых Kaul, T., Reddy, C. S. и Pandey, S. были предложены возможные методы синтеза сладкого белка монеллина с помощью бактериальных, дрожжевых систем и трансгенных растений. Был определен наиболее эффективный и стабильный метод – синтез в трансгенных фруктах, который значительно улучшает их вкус и качество (Kaul, 2018). Таким образом, в настоящее время существуют и разрабатываются новые способы улучшения стабильности сладких белков, которые позволят расширить их применение в рецептурах кулинарной продукции и кондитерских изделий. Промышленное производство сладких белков пока сильно ограничено, однако ученые предлагают несколько методов их синтеза с помощью бактериальных, дрожжевых систем и растений. Так как все эти методы имеют недостатки, которые ограничивают их внедрение, был определен наиболее перспективный, экономически выгодный и стабильный метод – синтез сладких белков путем молекулярного земледелия.
Выводы.
В данном обзоре нами были представлены факторы развития некоторых неинфекционных заболеваний, одним из которых является потребление сахара свыше медицинской нормы. Это говорит о необходимости разработки кулинарной продукции и кондитерских изделий с заменой сахара для повышения их потребительских свойств. Сладкие белки, как подсластители, вызывают наибольший интерес.
Был дан перечень сладких белков, известных науке, с краткой характеристикой их сладости и стабильности относительно температурного воздействия и pH среды. Так, сладкие белки обладают различной степенью сладости относительно сахарозы – белок пентадин в 500 раз слаще сахарозы по массе, в то время как монеллин – в 3000 раз. Данные белки имеют различную термическую стабильность – от крайне низкой, как у куркулина и монеллина, до достаточно высокой, как у браззеина и мабинлина. Низкая термическая стабильность значительно ограничивает применение сладких белков в пищевой промышленности. Было определено, что вопрос безопасности сладких белков и их воздействие на организм человека мало исследован и нуждается в дальнейшей изучении.
Были охарактеризованы способы улучшения свойств сладких белков для расширения применения в индустрии питания. Были представлены методы промышленного производства, имеющие недостатки в виде нестабильного результата, высоких затрат, что ограничивает их внедрение. Наиболее эффективным методом был определен синтез сладких белков из растительного сырья.
Таким образом, анализ баз данных Scopus, Google Scholar и РИНЦ говорит об актуальности и необходимости дальнейших исследований вопроса применения сладких белков и их безопасности.
Литература
1. Алфёрова, В. И. Распространенность ожирения во взрослой популяции Российской Федерации (обзор литературы) / В. И. Алфёрова, С. В. Мустафина. – Текст : электронный // Ожирение и метаболизм. – 2022. – Т. 19. – № 1. – С. 96–105. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rasprostranennost-ozhireniya-vo-vzrosloy-populyatsii-rossiyskoyfederatsii-obzor-literatury (дата обращения: 12.01.2023).
2. Атлас регистра сахарного диабета Российской Федерации. Статус 2018 г. / И. И. Дедов, М. В. Шестакова, О. К. Викулова [и др.] – Текст : электронный // Сахарный диабет. – 2019. – Т. 22. – № S2-2. – С. 4–61. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41436743 (дата обращения: 12.01.2023). – Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.
3. Dolce Vita: сахарная отрасль России в 2022 году. // Национальное Рейтинговое Агентство : официальный сайт. – 2022. – URL: https://www.ra-national.ru/analitika/dolce-vitasaharnaja-otrasl-rossii-v-2022-godu/ (дата обращения: 12.01.2023).
4. Botanical and protein sweeteners / D. A. Agboola, O. O. Fawibe, O. G. Ogunyale, A. A. Ajiboye. – Text : electronic // Journal of Advanced Laboratory Research in Biology. – 2014. – V. 5. – № 4. – P. 169–187. – URL: https://files.core.ac.uk/pdf/645/201583674.pdf (дата обращения: 9.11.2022).
5. Nonnutritive sweeteners and cardiometabolic health: a systematic review and metaanalysis of randomized controlled trials and prospective cohort studies / M. B. Azad, A. M. AbouSetta, B. F. Chauhan [et al.] – Text : electronic // Canadian Medical Association Journal. – 2017. – V. 189. – № 28. – P. 929–939. – URL: https://www.cmaj.ca/content/189/28/E929.short (дата обращения: 11.11.2022).
6. Obesity, dietary sugar and dental caries in Australian adults / G. Barrington, S. Khan, K. Kent [et al.] – Text : electronic // International dental journal. – 2019. – V. 69. – № 5. – P. 383–391. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020653920323054 (дата обращения: 05.01.2023).
7. Boles, M. K. 5 ways sugar can harm your health / M. K. Boles, A. W. Blog. – Text : electronic // Allied Wellness. – 2019. – URL: https://alliedwellness.com.au/5-ways-sugar-can-harmyour-health/ (дата обращения: 10.01.2023).
8. Consumption of sugar-sweetened beverages has a dose-dependent effect on the risk of non-alcoholic fatty liver disease: an updated systematic review and dose-response meta-analysis / H. Chen, J. Wang, Z. Li [et al.] – Text : electronic // International journal of environmental research and public health. – 2019. – V. 16. – № 12. – P. 2192. – URL: https://www.mdpi.com/1660-4601/16/12/2192 (дата обращения: 10.01.2023).
9. Conlon, M. A. The impact of diet and lifestyle on gut microbiota and human health / M. A. Conlon, A. R. Bird. – Text : electronic // Nutrients. – 2014. – V. 7. – № 1. – P. 17–44. – URL: https://www.mdpi.com/2072-6643/7/1/17 (дата обращения: 10.01.2023).
10. Ezura, H. Mass production of the taste-modifying protein miraculin in transgenic plants / H. Ezura, K. Hiwasa-Tanase. – Text : electronic // Sweeteners. Pharmacology, Biotechnology, and Applications. – 2018. – P. 167–185. – URL: http://ndl.ethernet.edu.et/bitstream/123456789/75917/1/2018_Book_Sweeteners.pdf (дата обращения: 15.01.2023).
11. An updated multifaceted overview of sweet proteins and dipeptides as sugar substitutes; the chemistry, health benefits, gut interactions, and safety / M. A. Farag, M. M. Rezk, M. H. Elashal [et al.] – Text : electronic // Food Research International. – 2022. – P. 111853. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963996922009115 (дата обращения: 24.11.2022).
12. Firsov, A. P. Transgenic plants as producers of supersweet protein thaumatin II / A. P. Firsov, A. S. Pushin, S. V. Dolgov. – Text : electronic // Sweeteners. Pharmacology, Biotechnology, and Applications. – 2018. – P. 185–211. – URL: http://ndl.ethernet.edu.et/bitstream/123456789/75917/1/2018_Book_Sweeteners.pdf (дата обращения: 15.01.2022).
13. Bioproduction of the recombinant sweet protein thaumatin: Current state of the art and perspectives / J. A. Joseph, S. Akkermans, P. Nimmegeers, J. F. Van Impe. – Text : electronic // Frontiers in microbiology. – 2019. – V. 10. – P. 695. – URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.00695/full (дата обращения: 08.11.2022).
14. Kaul, T. Transgenics with monellin / T. Kaul, C. S. Reddy, S. Pandey. – Text : electronic // Sweeteners. Pharmacology, Biotechnology, and Applications. – 2018. – P. 211–222. –URL: http://ndl.ethernet.edu.et/bitstream/123456789/75917/1/2018_Book_Sweeteners.pdf (дата обращения: 09.11.2022).
15. Process simulation and techno-economic analysis of large-scale bioproduction of sweet protein thaumatin II / K. D. Kelada, D. Tuse, Y. Gleba. – Text : electronic // Foods. – 2021. –V. 10. – № 4. – P. 838. – URL: https://www.mdpi.com/2304-8158/10/4/838 (дата обращения: 10.11.2022).
16. Khan, R. Low calorie high-intensity sweeteners / R. Khan, V. Aroulmoji. – Text : electronic // International journal of advanced Science and Engineering. – 2018. – V. 5. – № 2. – P. 934–947. – URL: https://hal.science/hal-03093639/ (дата обращения: 11.01.2023).
17. Relation of total sugars, sucrose, fructose, and added sugars with the risk of cardiovascular disease: a systematic review and dose-response meta-analysis of prospective cohort studies / T. A. Khan, M. Tayyiba, A. Agarwal [et al.] – Text : electronic // Mayo Clinic Proceedings. – 2019. – V. 94. – № 12. – P. 2399–2414. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025619619306147 (дата обращения: 07.01.2023).
18. Sweeter and stronger: enhancing sweetness and stability of the single chain monellin MNEI through molecular design / S. Leone, A. Pica, A. Merlino [et al.] – Text : electronic // Scientific reports. – 2016. – V. 6. – № 1. – P. 1–10. – URL: https://www.nature.com/articles/srep34045 (дата обращения: 11.01.2023).
19. Energy-dense dietary patterns high in free sugars and saturated fat and associations with obesity in young adults / K. M. Livingstone, M. J. Sexton-Dhamu, F. J. Pendergast [et al.] – Text : electronic // European journal of nutrition. – 2022. – V. 61. – № 3. – P. 1595–1607. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s00394-021-02758-y (дата обращения: 11.01.2023).
20. Safety evaluation of oubli fruit sweet protein (brazzein) derived from K omagataella phaffii, intended for use as a sweetener in food and beverages / B. Lynch, T. Wang, T. Vo [et al.] –Text : electronic // Toxicology Research and Application. – 2023. – V. 7. – URL: https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/23978473231151258 (дата обращения: 01.02.2023).
21. Masuda, T. Sweet-Tasting Protein Thaumatin: Physical and Chemical Properties / T. Masuda. – Text : electronic // Sweeteners. Pharmacology, Biotechnology, and Applications. – 2018. – P. 493–525. – URL: http://ndl.ethernet.edu.et/bitstream/123456789/75917/1/2018_Book_Sweeteners.pdf (датаобращения: 15.01.2023).
22. Paglia, L. The sweet danger of added sugars / L. Paglia. – Text : electronic // European Journal of Paediatric Dentistry. – 2019. – V. 20. – P. 89. – URL: https://www.ejpd.eu/pdf/EJPD_2019_20_2_1.pdf (дата обращения: 12.11.2022).
23. Pearlman, M. The association between artificial sweeteners and obesity / M. Pearlman, J. Obert, L. Casey. – Text : electronic // Current gastroenterology reports. – 2017. – V. 19. – № 12. –P. 1–8. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s11894-017-0602-9 (дата обращения: 23.12.2022).
24. The novel anti-cancer feature of Brazzein through activating of hTLR5 by integration of biological evaluation: molecular docking and molecular dynamics simulation / M. Poursalim, M. D. Shasaltaneh, V. Jafarian, H. Salehabadi. – Text : electronic // Scientific Reports. – 2022. – V. 12. – № 1. – URL: https://www.nature.com/articles/s41598-022-26487-2 (дата обращения: 23.01.2023).
25. Does low-energy sweetener consumption affect energy intake and body weight? A systematic review, including meta-analyses, of the evidence from human and animal studies / P. J. Rogers, P. S. Hogenkamp, C. de Graaf [et al.] – Text : electronic // International Journal of Obesity. – 2016. – V. 40. – № 3. – P. 381–394. – URL: https://www.nature.com/articles/ijo2015177 (дата обращения: 25.01.2023).
26. Sheiham, A. Diet and dental caries: the pivotal role of free sugars reemphasized / A. Sheiham, W. P. T. James. – Text : electronic // Journal of dental research. – 2015. – V. 94. – № 10. –P. 1341–1347. – URL: https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0022034515590377?journalCode=jdrb (дата обращения: 11.12.2022).109
27. Design and development of a high temperature stable sweet protein base on monellin / X. Song, Y. Yi, L. Liu [et al.] – Text : electronic // Process Biochemistry. – 2020. – V. 89. – P. 29–36. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359511318316878 (дата обращения: 11.12.2022).
28. Long-term sucrose solution consumption causes metabolic alterations and affects hepatic oxidative stress in Wistar rats / E. M. Souza Cruz, J. M. Bitencourt de Morais, C. V. Dalto da Rosa [et al.] – Text : electronic // Biology open. – 2020. – V. 9. – № 3. – URL: https://journals.biologists.com/bio/article/9/3/bio047282/222748/Long-term-sucrose-solutionconsumption-causes (дата обращения: 11.12.2022).
29. Stanhope, K. L. Guidelines to lower intake of added sugar are necessary and justified / K. L. Stanhope. – Text : electronic // Nature Reviews Cardiology. – 2022. – V. 19. – № 9. – P. 569–570. – URL: https://www.nature.com/articles/s41569-022-00750-5 (дата обращения: 29.11.2022).
30. Tang, N. Potential improvement of the thermal stability of sweet-tasting proteins by structural calculations / N. Tang, J. Liu, Y. Cheng. – Text : electronic // Food Chemistry. – 2021. –V. 345 – P. 128750. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814620326121 (дата обращения: 25.11.2022).
31. CINDI dietary guide / World Health Organization. – Text : electronic // World Health Organization. – 2000. – № EUR/00/5018028. – URL: https://apps.who.int/iris/handle/10665/108342 (дата обращения: 12.01.2023).
32. Zhang, N. Time for food: The impact of diet on gut microbiota and human health / N. Zhang, Z. Ju, T. Zuo. – Text : electronic // Nutrition. – 2018. – V. 51. – P. 80–85. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0899900718300212 (дата обращения: 22.11.2022).
33. New insight into the structure-activity relationship of sweet-tasting proteins: Protein sector and its role for sweet properties / X. Zhao, C. Wang, Y. Zheng, B. Liu. – Text : electronic // Frontiers in Nutrition. – 2021. – V. 310. – URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnut.2021.691368/full (дата обращения: 22.11.2022).
Суханова Н.В.1,*, Скаев Б.Р.1,2, Панченко В.К.1, Рубан Н.В., к.т.н.1, Суворов О.А., д.т.н.1
1 ФГБОУ ВО «Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)», Москва
2 ГАПОУ МОК им. В. Талалихина, Москва * ninasukhanova4@gmail.com