تولید و ارزیابی آزمایشگاهی پپتیدهای زیست فعال حاصل از هیدرولیز کنجاله سویا با استفاده از اتوکلاو و فرایند تخمیر زیستی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناس‌‌ارشد تغذیه دام ، گروه علوم دامی دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه ارومیه

2 استادیار ، گروه علوم دامی دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه ارومیه

3 استاد، گروه علوم دامی دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه ارومیه

4 گروه تحقیق و توسعه شرکت دانش بنیان کیمیادانش الوند

چکیده

سابقه و هدف: کنجاله سویا به دلیل داشتن محتوای پروتئینی زیاد و توازن نسبتاً مطلوب الگوی اسیدآمینه، به‌طور گسترده‌ای در تولید خوراک دام مورد استفاده قرار می‌گیرد. بااین‌حال، حاوی تعدادی عوامل ضد تغذیه‌ای است که می‌توانند بر هضم و جذب مواد مغذی اثر بگذارند. هیدرولیز کنجاله سویا از طریق تخمیر، می‌تواند یک راه‌حل بهینه برای از بین بردن عوامل ضد تغذیه‌ای و بهبود گوارش‌پذیری مواد مغذی آن باشد. یک ترکیب پروتئینی هیدرولیز شده، مخلوطی از پپتیدها و آمینواسیدهایی است که پپتید زیست فعال نامیده می‌شوند. این پپتیدها پس از رها شدن از زنجیره پروتئینی، فعالیت‌های بیولوژیکی مشخصی را از خود نشان می‌دهند و دارای خواص آنتی‌اکسیدانی، ضد میکروبی، ضد دیابتی و ضد سرطانی نیز هستند. این پژوهش، با هدف تولید پپتیدهای زیست فعال از پروتئین سویا، از طریق تخمیر زیستی توسط باکتری‌های باسیلوس سابتلیس، باسیلوس لیکنیفورمیس، قارچ آسپرژیلوس اورایزا، و هیدرولیز توسط اتوکلاو، انجام پذیرفت. هم‌چنین، ارزیابی منابع پروتئینی جداسازی شده و هیدرولیز شده در شرایط آزمایشگاهی صورت گرفت.
مواد و روش‌ها: کنجاله سویا ابتدا آسیاب شده و سپس از طریق فرایند استخراج قلیایی و رسوب اسیدی، پروتئین آن جداسازی شد. میکروارگانیسم‌ها نیز در محیط کشت اختصاصی، کشت داده شده و سپس به پروتئین جداسازی شده در مرحله قبل، افزوده شدند و فرایند هیدرولیز تخمیری‌ انجام گرفت. هم‌چنین از دستگاه اتوکلاو نیز برای انجام هیدرولیز استفاده شد. منابع پروتئین جداسازی شده و هیدرولیز شده، برای تعیین ارزش تغذیه‌ای همانند مقدار پروتئین خام، ماده آلی، خاکستر، ماده خشک و عصاره اتری بر اساس روش‌ استاندارد مورد ارزیابی قرار گرفتند. آزمون ارزیابی میزان گاز تولیدی در شرایط برون تنی با هدف ارزیابی تأثیر هیدرولیز منابع پروتئینی و تولید منابع پپتیدی بر میزان فعالیت زیستی منابع پروتئینی انجام شد. به‌منظور استفاده از مایع شکمبه برای انجام آزمون تولید گاز در شرایط برون‌تنی، از سه رأس گاو نر بالغ هلشتاین که دارای فیستولای شکمبه‌ای بودند، استفاده شد. درنهایت، داده‌های حاصل از ارزیابی آزمایشگاهی با استفاده از مدل آماری طرح کاملاً تصادفی توسط نرم‌افزار 4/9SAS مورد تجزیه‌وتحلیل آماری قرار گرفتند و مقایسه میانگین‌ها به روش آزمون توکی و در سطح آماری 05/0 انجام شد.
یافته‌ها: نتایج مربوط به تغییرات ترکیب شیمیایی در طی هیدرولیز، نشان داد که تنها افزایش معنی‌دار (05/0>P) در مقدار ماده خشک تیمار آسپرژیلوس اورایزا نسبت به سایر تیمارها دیده شد (28 درصد). هم‌چنین، مشخص شد که میزان تولید پپتیدهای زیست فعال از پروتئین سویا با روش‌های مختلف دارای تفاوت معنی‌دار بود (05/0>P). به‌طوری‌که بیشترین میزان پپتیدهای با وزن مولکولی پایین، توسط باکتری باسیلوس لیکنیفورمیس (483/0 میکروگرم بر میلی‌لیتر) تولید شد. هم‌چنین، نتایج حاصل از روش تولید گاز در شرایط آزمایشگاهی نشان داد که هیدرولیز پروتئین سویا با استفاده از قارچ آسپرژیلوس اورایزا به‌طور معنی‌داری منجر به افزایش میزان گاز تولیدی و بخش قابل تخمیر (به ترتیب 18/318 و 05/421 میلی‌لیتر بر گرم) شد (05/0>P). ازنظر نرخ تولید گاز و انرژی قابل متابولیسم نیز در تیمار اتوکلاو نسبت به سایر تیمارها افزایش معنی‌دار (05/0>P) یافت شد (به ترتیب 027/0درصد و 92/255 کیلوژول بر گرم). ازنظر درصد قابلیت هضم ماده آلی نیز در تیمار باسیلوس سابتلیس نسبت به سایر تیمارها افزایش معنی‌دار (05/0>P) مشاهده شد (10/78درصد).
نتیجه‌گیری: نتایج کلی تحقیق نشان داد که هیدرولیز کنجاله سویا از طریق تخمیر زیستی و هیدرولیز توسط اتوکلاو، میزان تولید پپتیدهای زیست فعال را افزایش داد و باکتری باسیلوس لیکنیفورمیس بیشترین میزان پپتید را تولید کرد. هم‌چنین، تیمار آسپرژیلوس اورایزا نسبت به سایر تیمارها، بیشترین افزایش را در میزان گاز تولیدی و بخش قابل تخمیر ایجاد نمود که نشان دهنده تأثیر مثبت تولید پروتئین هیدرولیز شده با این روش در افزایش فعالیت زیستی پروتئین کنجاله سویا است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Production and In vitro evaluation of bioactive peptides resulting from hydrolysis of soybean meal through autoclave and bio-fermentation process

نویسندگان [English]

  • Vahid Yekani 1
  • Hamed Khalilvandi Behryzyar 2
  • Rasoul Pirmohammadi 3
  • Maryam Donyadoust 4
1 Department of Animal Science, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Urmia University
3 Department of Animal Science, Urmia University
4 Research and Development Department, Kimiya Danesh Alvand Knowledge-Based Company, Iran
چکیده [English]

Background and purpose: Soybean meal is widely used in animal feed production due to its high protein content and relatively good amino acid pattern balance. However, soybean meal contains several anti-nutritional agents that can affect the digestion and absorption of nutrients. To overcome these limitations, pre-processing of soybean meal through fermentation can be an optimal solution to eliminate anti-nutritional agents and improve the digestibility of nutrients. During fermentation, proteolytic enzymes produced by the microbial population hydrolyze proteins into free peptides and amino acids. This study aimed to produce bioactive peptides from soybean meal by fermentation by Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Aspergillus oryzea, and hydrolysis by autoclave. Also, isolated and hydrolyzed protein sources were evaluated under in vitro conditions.
Materials and Methods: Soybean meal was first ground and then its protein was extracted through alkaline extraction and acid precipitation. Microorganisms were cultured in a specific culture medium and after growing in the liquid culture medium, they were added to the isolated protein and the fermentation hydrolysis process was performed on the isolated protein. The autoclave was used to perform the hydrolysis process by autoclave. The isolated and hydrolyzed protein sources were evaluated according to the standard methods to determine the nutritional value such as the amount of crude protein, organic matter, ash, dry matter, and ether extract. In vitro gas production test was performed to assessed effects of hydrolysis methods and hydrolysis extent on biological functionality of protein sources. To use ruminal fluid to perform the gas production test under in vitro conditions, three adult Holstein bulls with ruminal fistula were used. Finally, the data that were obtained from laboratory evaluation were statistically analyzed using a completely randomized design statistical model and the data were analyzed by SAS 9.4 software and GLM PROC command, and the means were compared by Tukey test method at the statistical level of 0.05.
Results: The results of production and evaluation of isolated and hydrolyzed protein sources showed that during hydrolysis, minor changes were made in the chemical composition, but all four hydrolysis treatments increased the production of low molecular weight peptides. Also, it was found that the production of bioactive peptides from soybean meal by different methods has different efficiencies. The highest amount of low molecular weight peptides was produced by Bacillus licheniformis (0.483 μg / ml). Also, autoclave treatment led to the breaking of weak chemical bonds and increased production of small peptides. Also, the results of in vitro gas production method showed that hydrolysis of soybean meal by using A. oryzea increased the amount of gas production and the fermentable part (159.09 and 210.52, respectively).
Conclusion: The general results of the study showed that hydrolysis of soybean meal through bio-fermentation and hydrolysis by autoclave increased the production of bioactive peptides and Bacillus licheniformis produced the highest amount of peptides. Also, Aspergillus oryzea treatment compared to other treatments showed the greatest improvement in the amount of gas production and fermentable part.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Autoclave
  • Bioactive peptide
  • Fermentation hydrolysis
  • Isolated protein
  • Soybean meal

مراجع

  1. Akdeniz, N., Sahin, S. and Sumnu, G. 2006. Functionality of batters containing different gums for deep-fat frying of carrot slices. Journal of Food Engineering, 75: 522-526.
  2. Akinfemi, A. 2010. Nutritive value and in vitro gas production of fungal treated maize cobs. African Journal of Food, Agriculture, Nutrition and Development, 10(8): 25-38.
  3. Albert, S. and Mittal, G. S. 2002. Comparative evaluation of edible coatings to reduce fat uptake in a deep-fried cereal product. Food Research International, 35(5): 445-458.‏
  4. Alibhai, Z., Mondor, M., Moresoli, C., Ippersiel, D. and Lamarche, F. 2006. Production of soy protein concentrates/isolates: traditional and membrane technologies. Desalination, 191(1-3): 351-358.
  5. Ansia, I. and Drackley, J. K. 2020. Graduate student literature review: The past and future of soy protein in calf nutrition. Journal of Dairy Science.
  6. AOAC .2000. Official Methods of Analysis.17th ed. Gaithersburg, M.D., USA, Association of Official Analytical Chemists International.
  7. Begum, M. F. and Absar, N. 2009. Purification and characterization of intracellular cellulase from Aspergillus oryzae ITCC-4857.01. Mycobiology, 37(2): 121-127.
  8. Blayo, C., Vidcoq, O., Lazennec, F. and Dumay, E. 2016. Effects of high pressure processing (hydrostatic high pressure and ultra-high pressure homogenisation) on whey protein native state and susceptibility to tryptic hydrolysis at atmospheric pressure. Food Research International, 79: 40-53.
  9. Boye, J., Zare, F. and Pletch, A. 2010. Pulse proteins: Processing, characterization, functional properties and applications in food and feed. J. Food Research International 43: 414–431.
  10. Chancharoonpong, C., Hsieh, P.-C. and Sheu, S.-C. 2012. Effect of different combinations of soybean and wheat bran on enzyme production from Aspergillus oryzae S. APCBEE Procedia, 2: 68-72.
  11. Cho, S. Y. and Rhee, C. 2004. Mechanical properties and water vapor permeability of edible films made from fractionated soy proteins with ultrafiltration. LWT-Food Science and Technology, 37(8): 833-839.‏
  12. Cho, Y. S., Kim, S. K., Chang, B. A. and Jae, Y. J. 2011. Preparation, characterization and antioxidant properties of gallic acid-grafted-chitosans. Carbohydrate Polymers, 83: 1617-1622.
  13. Chou, C.-C. and Ling, M.-Y. 1998. Biochemical changes in soy sauce prepared with extruded and traditional raw materials. Food Research International, 31(6): 487-492.
  14. Clegg, M. T., Gaut, B. S., Learn, G. H. and Morton, B. R. 1994. Rates and patterns of chloroplast DNA evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 91(15), 6795-6801.
  15. Dos Santos Aguilar, J. G. and Sato, H. H. 2018. Microbial proteases: Production and application in obtaining protein hydrolysates. Food Research International, 103: 253-262.
  16. Feng, J., Liu, X., Xu, Z. R., Liu, Y. Y. and Lu, Y. P. 2007. Effects of Aspergillus oryzae 3.042 fermented soybean meal on growth performance and plasma biochemical parameters in broilers. Animal Feed Science and Technology, 134(3-4): 235-242.
  17. Gatlin, D.M., Barrows, F.T., Brown, P., Dabrowski, K., Gaylord, T.G., Hardy, R.W., Herman, E., Hu, G., Krogdahl, Å., Nelson, R., Overturf, K., Rust, M., Sealey, W., Skonberg, D., J Souza, E., Stone, D., Wilson, R. and Wurtele, E. 2007. Expanding the utilization of sustainable plant products in aquafeeds: a review. Aquacultur Research, 38: 551-579.
  18. Gonzalez de Mejia, E., Vasconez, M., de Lumen, B. O. and Nelson, R. 2004. Lunasin concentration in different soybean genotypes, commercial soy protein, and isoflavone products. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52: 5882-5887.
  19. Hajieghrari, B. and Farrokhi, N. 2020. Investigation on the Conserved MicroRNA Genes in Higher Plants. Plant Molecular Biology Reporter, 1-14.
  20. Hanafi, M.A., Hashim, S.N., Chay, S.Y., Ebrahimpour, A., Zarei, M., Muhammad, K., Abdul- Hamid, A. and Saari, N. 2018. High angiotensin-I converting enzyme (ACE) inhibitory activity of Alcalase-digested green soybean (Glycine max) hydrolysates. Food Research International, 106: 589-597.
  21. Hernandez-Ledesma, B., Hsieh, C. C. and de Lumen, B. O. 2009. Lunasin, a novel seed peptide for cancer prevention. Peptides, 30: 426-430.
  22. Hou, Y., Wu, Z., Dai, Z., Wang, G. and Wu, G. 2017. Protein hydrolysates in animal nutrition: Industrial production, bioactive peptides, and functional significance. Journal of Animal Science and Biotechnology, 8(1): 1-13.‏
  23. Jacobsen, H. J., Kousoulaki, K., Sandberg, A. S., Carlsson, N. G., Ahlstrøm, Ø. and Oterhals, Å. 2018. Enzyme pre-treatment of soybean meal: Effects on non-starch carbohydrates, protein, phytic acid, and saponin biotransformation and digestibility in mink (Neovison vison). Animal Feed Science and Technology, 236: 1-13.
  24. Kim, M. Y., Jang, G.Y., Oh, N.S., Baek, S.Y., Lee, S.H., Kim, K.M. and Jeong, H.S. 2017. Characteristics and in vitro anti-inflammatory activities of protein extracts from pre-germinated black soybean [Glycine max (L.)] treated with high hydrostatic pressure. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 43: 84-91.
  25. J. M. 1997. Edible protein films and coating .In Damodaran, Food Protein and their Application, 529-544.
  26. Kupski, L., de Carvalho Silvello, M. A., Fontes, M. R. V., Lima, T. S., Treichel, H. and Badiale Furlong, E. 2015. R. oryzae Cellulases: A new approach to degrading lignocellulosic material. Journal of Food Biochemistry, 39(2): 129-138.
  27. Kwon, D.Y., Hong, S.M., Ahn, I.S., Kim, M.J., Yang, H.J. and Park, S. 2011. Isoflavonoids and peptides from meju, long-term fermented soybeans, increase insulin sensitivity and exert insulinotropic effects in vitro. Nutrition, 27: 244-252.
  28. Kwon, D.Y., James, W.D., III, Kim, H.J. and Park, S. 2010. Antidiabetic effects of fermented soybean products on type 2 diabetes. Nutrition Research, 30: 1-13.
  29. Li, J., Zhou, R.L., Ren, Z.Q., Fan, Y.W., Hu, S.B., Zhuo, C.F. and Deng, Z. Y. 2019. Improvement of protein quality and degradation of allergen in soybean meal fermented by Neurospora crassa. Lwt, 101: 220-228.
  30. Lozano-Ojalvo, D., Pérez-Rodríguez, L., Pablos-Tanarro, A., López-Fandiño, R. and Molina, E. 2017. Pepsin treatment of whey proteins under high pressure produces hypoallergenic hydrolysates. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 43: 154-162.
  31. Lule, V.K., Garg, S., Pophaly, S.D., Hitesh, and Tomar, S. K. 2015. Potential health benefits of lunasin: a multifaceted soy-derived bioactive peptide. Journal of Food Science, 80: 485-494.
  32. Menke, K.H. 1988. Estimation of the energetic feed value obtained from chemical analysis and in vitro gas production using rumen fluid. Animal Research and Development, 28: 7-55.
  33. Menke, K.H., Raab, L., Salewski, A., Steingass, H., Fritz, D. and Schneider, W. 1979. The estimation of the digestibility and metabolizable energy content of ruminant feedingstuffs from the gas production when they are incubated with rumen liquor in vitro. The Journal of Agricultural Science, 93(1): 217-222.
  34. Nasehi, M., Torbatinejad, N.M., Zerehdaran, S. and Safaie, A. R. 2017. Effect of solid-state fermentation by oyster mushroom (Pleurotus Florida) on nutritive value of some agro by-products. Journal of Applied Animal Research, 45(1): 221-226.
  35. Osho, S.O., Xiao, W.W. and Adeola, O. 2019. “Response of broiler chickens to dietary soybean bioactive peptide and coccidia challenge.” Poultry Science, 98(11): 5669-5678.
  36. Parrado, J., Rodriguez–Morgado, B., Tejada, M., Hernandez, T. and Garcia, C. 2014. Proteomic analysis of enzyme production by Bacillus licheniformis using different feather wastes as the sole fermentation media. Enzyme and Microbial Technology, 57: 1-7.
  37. Peñas, E., Prestamo, G., Polo, F. and Gomez, R. 2006. Enzymatic proteolysis, under high pressure of soybean whey: Analysis of peptides and the allergen Gly m 1 in the hydrolysates. Food Chemistry, 99(3): 569-573.
  38. Pirota, R., Tonelotto, M., Delabona, P., Fonseca, R., Paixão, D., Baleeiro, F., Bertucci-Neto, V. and Farinas, C. 2016. Bioprocess developments for cellulase production by aspergillus oryzae cultivated under solid-state fermentation. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 33: 21-31.
  39. Rashad, M.M., Mahmoud, A.E., Abdou, H.M. and Nooman, M.U. 2011. Improvement of nutritional Quality andantioxidant activities of yeas tfermented soybean curd residue. African Journal of Biotechnology, 10: 5504–5513.
  40. Ren, H., Liu, H., Endo, H., Takagi, Y. and Hayashi, T. 2006. Anti-mutagenic and antioxidative activities found in Chinese traditional soybean fermented products furu. Food Chemistry, 95: 71-76.
  41. Sangronis, E., Rodríguez, M., Cava, R. and Torres, A. 2006. Protein quality of germinated Phaseolus vulgaris. European Food Research and Technology, 222(1-2): 144.
  42. Sanjukta, S. and Rai, A. K. 2016. Production of bioactive peptides during soybean fermentation and their potential health benefits. Trends in Food Science and Technology, 50: 1-10.
  43. Sanjukta, S., Rai, A.K., Muhammed, A., Jeyaram, K. and Talukdar, N.C. 2015. Enhancement of antioxidant properties of two soybean varieties of Sikkim Himalayan region by proteolytic Bacillus subtilis fermentation. Journal of Functional Foods, 14: 650-658.
  44. Selling, G. W., Hojilla-Evangelista, M. P., Evangelista, R. L., Isbell, T., Price, N. and Doll, K. M. 2013. Extraction of proteins from pennycress seeds and press cake. Industrial Crops and Products, 41: 113-119.
  45. Theodorou, M. K., Williams, B. A., Dhanoa, M. S., McAllan, A. B. and France, J. 1994. A simple gas production method using a pressure transducer to determine the fermentation kinetics of ruminant feeds. Animal Feed Science and Technology, 48(3-4): 185-197.‏
  46. Tian, H., Guo, G., Fu, X., Yao, Y., Yuan, L. and Xiang, A. 2018. Fabrication, properties and applications of soy-protein-based materials: A review. International Journal of Biological Macromolecules, 120: 475-490.
  47. Tsai, T. Y., Chu, L. H., Lee, C. L. and Pan, T. M. 2009. Atherosclerosis-preventing activity of lactic acid bacteria-fermented milk-soymilk supplemented with Momordica charantia. Journal of Agricultural Food Chemistry, 57: 2065-2071.
  48. Watanabe, N., Fujimoto, K. and Aoki, H. 2007. Antioxidant activities of the watersoluble fraction in tempeh-like fermented soybean (GABA-tempeh). International Journal of Food Science and Nutrition, 58: 577-587.
  49. Yang, H. J., Kwon, D. Y., Kim, M. J., Kang, S. and Park, S. 2012. Meju, unsalted soybeans fermented with Bacillus subtilis and Aspergilus oryzae, potentiates insulinotropic actions and improves hepatic insulin sensitivity in diabetic rats. Nutrition and Metabolism, 9(1): 37.
  50. Yin, H., Jia, F. and Huang, J. 2019. The variation of two extracellular enzymes and soybean meal bitterness during solid-state fermentation of Bacillus subtilis. Grain and Oil Science and Technology, 2(2): 39-43.
  51. Yuan, L., Chang, J., Yin, Q., Lu, M., Di, Y., Wang, P., Lu, F. 2017. Fermented soybean meal improves the growth performance, nutrient digestibility, and microbial flora in piglets. Animal Nutrition, 3(1): 19–24.
  52. Zhang, Y., Dai, B., Deng, Y. and Zhao, Y. 2016. In vitro anti-inflammatory and antioxidant activities and protein quality of high hydrostatic pressure treated squids (Todarodes pacificus). Food chemistry, 203: 258-266.
  53. Zhao, Y., Sun-Waterhouse, D., Zhao, M., Zhao, Q., Qiu, C. and Su, G. 2018. Effects of solid-state fermentation and proteolytic hydrolysis on defatted soybean meal. LWT, 97: 496-502.
نشریه پژوهش‌ در نشخوار کنندگان
دوره 9، شماره 4
اسفند 1400
صفحه 1-18

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار