Opracowanie technologii stabilizacji laktoferyny jonami żelaza w procesie wysokowydajnego suszenia rozpyłowego

Jak zachować aktywność biologiczną laktoferyny podczas obróbki technologicznej?

Laktoferyna to białko mleka o udowodnionych właściwościach wspomagających odporność i leczenie infekcji. Z tych względów stosowana jest jako suplement diety oraz dodawana jest do mieszanek mlecznych dla niemowląt. Jednak obróbka technologiczna wyizolowanej z mleka krowiego laktoferyny powoduje, że traci ona swoją aktywność biologiczną – jak każde białko łatwo ulega denaturacji m.in. wskutek działania wysokiej temperatury. Dr Oleksandra Pryshchepa z Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu znalazła sposób na to, jak zachować aktywność biologiczną laktoferyny podczas procesu wysokowydajnego suszenia rozpyłowego. To metoda znacznie tańsza od liofilizacji, a przez to bardziej atrakcyjna dla przedstawicieli przemysłu. W ramach projektu Proof of Concept finansowanego z Funduszy Europejskich dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG) przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej badaczka z Torunia dopracowuje technologię stabilizacji laktoferyny.

Laktoferyna jest białkiem naturalnie wytwarzanym przez organizm człowieka. To jedno z najważniejszych białek funkcjonalnych, o dużym potencjale terapeutycznym. Wykazuje właściwości przeciwbakteryjne (poprzez wiązanie żelaza, które jest niezbędne do wzrostu bakterii, ogranicza ich namnażanie) i przeciwwirusowe (zakłóca zdolność wirusów do wiązania się z komórkami gospodarza). Ponadto wspiera rozwój mikrobiomu jelitowego oraz układu odpornościowego, przez co jest szczególnie istotna u małych dzieci, a także reguluje absorpcję żelaza i pomaga w jego przyswajaniu w jelicie, co jest szczególnie ważne dla osób z niedokrwistością z niedoboru żelaza. Naturalnie laktoferyna występuje m.in. w ślinie, płynie mózgowo-rdzeniowym, żółci, a przede wszystkim – w ludzkim mleku. Nieco mniejsze ilości laktoferyny są obecne w mleku krowim, a co ważne – laktoferyna ludzka i laktoferyna bydlęca wykazują duże podobieństwo do siebie. Dlatego do produkcji suplementów diety i żywności medycznej używa się tej drugiej. Laktoferyna uważana jest za substancję dobrze tolerowaną i bezpieczną, która bardzo rzadko powoduje działania niepożądane.

„Kluczowym wyzwaniem przy obróbce technologicznej wyizolowanej z mleka krowiego laktorefyny, poddawanej takim procesom jak liofilizacja czy suszenie rozpyłowe, jest zachowanie jej biologicznej aktywności. W wyniku działania wysokich temperatur dochodzi bowiem do denaturacji białka, czyli nieodwracalnego zniszczenia jego struktury przestrzennej, co powoduje utratę funkcji biologicznych. Laktoferyna pozostaje składnikiem odżywczym, ale nie wykazuje już tych właściwości, za które ją najbardziej cenimy. Wiemy jednak, że laktoferyna występuje w dwóch postaciach, różniących się podatnością na denaturację. Apolaktoferyną (czyli postać niezwiązana z żelazem) ulega denaturacji już w temperaturze ok. 60°C, natomiast hololaktoferyna (czyli postać związana z żelazem) wykazuje większą stabilność, nawet w temperaturze ok. 90°C. Oznacza to, że związanie z żelazem stabilizuje laktoferynę. Stąd nasz pomysł, aby nie tylko wysycić istniejące miejsca wiążące żelazo w naturalnie nienasyconej laktoferynie, ale również wyindukować w cząsteczce laktoferyny więcej miejsc wiążących żelazo, aby mocniej wypełnić ją jonami żelaza i w ten sposób zwiększyć jej odporność na wysokie temperatury w procesach technologicznych” – mówi dr Oleksandra Pryshchepa. Badaczka wykazała już, że tworzenie nowych miejsc wiążących żelazo w cząsteczce laktoferyny jest możliwe, gdy podda się ją działaniu soli, np. cytrynianu, który nie jest związkiem toksycznym.

Prowadzone badania nad tworzeniem nowych miejsc wiążących żelazo otwierają nowe możliwości w projektowaniu stabilnych form laktoferyny, które mogą zostać szerzej wykorzystywane w przemyśle żywnościowym, farmaceutycznym i medycznym. Dzięki takiej stabilizacji będzie można laktoferynę poddawać bardziej wymagającym procesom technologicznym, takim jak suszenie rozpyłowe, bez utraty jej aktywności biologicznej.

„Suszenie rozpyłowe jest znacznie tańsze niż liofilizacja i dlatego jest preferowaną metodą w wielu procesach przemysłowych, zwłaszcza w przypadku produkcji na dużą skalę. Niemniej jednak, wyzwaniem w suszeniu rozpyłowym jest utrzymanie aktywności biologicznej białek, takich jak laktoferyna, ze względu na stosowane wyższe temperatury i większe ryzyko denaturacji. Jeśli nasza metoda stabilizacji laktoferyny jonami żelaza okaże się skuteczna, pozwoli na zachowanie porównywalnego poziomu aktywności biologicznej w tej tańszej technologii, co będzie bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem dla producentów” – zaznacza dr Pryshchepa.

Dr Oleksandra Pryshchepa w roku 2023 uzyskała stopień doktora nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie nauk chemicznych na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Wcześniej ukończyła studia magisterskie na kierunku chemia kosmetyczna na UMK oraz studia magisterskie na kierunku chemia na Narodowym Uniwersytecie „Akademia Kijowsko-Mohylańska” w Kijowie. Obecnie jest zatrudniona na stanowisku adiunkta w Interdyscyplinarnym Centrum Nowoczesnych Technologii UMK w Toruniu, gdzie realizuje zadania w ramach projektów badawczych z NCN, NCBiR i FNP. Posiada doświadczenie pracy w laboratoriach badawczych i przemysłowych zarówno w Polsce, jak i za granicą, m.in. w Ukrainie, Hiszpanii i Norwegii. Jej dorobek obejmuje udział w licznych konferencjach naukowych oraz współpracę z otoczeniem gospodarczym, w tym przemysłem mleczarskim. Jest autorką licznych publikacji w renomowanych czasopismach naukowych, a jej badania koncentrują się na metodach izolacji i modyfikacji białek mleka, ze szczególnym uwzględnieniem laktoferyny; badaniach dotyczących modyfikacji białek d-metalami i związkami niskocząsteczkowymi oraz tworzenie nano-biokompozytów na bazie białek i krzemionki o potencjalnym zastosowaniu w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym.