Composizione e proprietà dei Aquafaba: acqua recuperata da ceci commercialmente in scatola

Riepilogo

Aquafaba è un succo viscoso da ceci in scatola che, quando viene agitata vigorosamente, produce una spuma bianca relativamente stabile o schiuma. L'obiettivo primario della ricerca è quello di identificare i componenti del aquafaba che contribuiscono viscosifying/ispessimento proprietà mediante risonanza magnetica nucleare (NMR), ultrafiltrazione, elettroforesi e peptide mass fingerprinting.

Abstract

Ceci e altri legumi sono comunemente venduti come prodotti in scatola imballati in una soluzione di spessa o di una salamoia. Questa soluzione ha recentemente dimostrata di produrre emulsioni e schiume stabile e può agire come addensante. Recentemente l'interesse in questo prodotto sono stata migliorata attraverso internet cui si propone che questa soluzione, ora chiamata aquafaba da una comunità in crescita, può essere utilizzato un sostituto per la proteina dell'uovo e latte. Come aquafaba è sia nuovo e sviluppato da una comunità basata su internet poco è conosciuto della sua composizione o proprietà. Aquafaba è stato recuperato da 10 prodotti commerciali ceci in scatola e correlazioni tra aquafaba composizione, densità, viscosità e proprietà schiumatura sono state studiate. Proton NMR è stato usato per caratterizzare la composizione di aquafaba prima e dopo ultrafiltrazione attraverso membrane con diverso peso molecolare cut off (MWCOs 3, 10, o 50 kDa). Un protocollo per l'elettroforesi e peptide mass fingerprinting inoltre è presentata. Tali metodi ha fornito preziose informazioni per quanto riguarda i componenti responsabili della aquafaba proprietà funzionali. Queste informazioni permetteranno lo sviluppo di pratiche per la produzione di prodotti standard commerciale aquafaba e possono aiutare i consumatori a selezionare prodotti di utilità superiore o coerente.

Introduzione

Sempre più si stanno sviluppando prodotti vegetariani che imitano le proprietà della carne, latte e uova. Le proprietà funzionali di impulsi sono importanti nella loro attuale impiego in applicazioni alimentari e loro proprietà stanno esplorande nello sviluppo delle sostituzioni per le proteine animali. Ad esempio, vendite di latticini alternative erano $ 8,8 miliardi USD nel 2015 e questo mercato è in rapida crescita. Questo mercato è destinato a crescere a $ 35,06 miliardi entro il 2024. Inoltre, la tendenza al rialzo della domanda di sostituti del latte vegetale è, in parte, un risultato di problemi di salute dei consumatori per quanto riguarda il colesterolo, antibiotici e ormoni della crescita spesso utilizzati nella produzione di latte¹. Allo stesso modo, proteine vegetali e idrocolloide uovo replacer mercati sono in rapida espansione e un tasso di crescita annuo composto del 5,8% è previsto per questi materiali per i prossimi 8 anni con un fatturato di $ 1,5 miliardi USD previsto nel 2026². Un numero crescente di consumatori preferisca fonti proteiche vegano, allergene ridotto diete e ridotto impatto ambientale per i prodotti alimentari. Domanda per i prodotti basati su impulsi, soprattutto da Favino, ceci e lenticchie sono in costante crescita a causa l'elevato contenuto proteico, fibra dietetica e basso contenuto di grassi saturi contenuti di impulsi³. Legumi contengono anche sostanze fitochimiche con attività biologica potenzialmente benefico⁴.

Entità commerciali, gli scienziati e gli individui privati hanno adottato approcci diversi per comunicare che le qualità di ceci basate sostituzioni di uovo e latte. Gugger et al. ⁵ prodotto un prodotto del latte da granuli di amido ad alta tra cui adzuki bean e ceci. Nel loro metodi descritti i fautori tentarono di mostrare che il loro prodotto è unico e diverso da "aquafaba"⁶. In un altro approccio commerciale chiarito da Tetrick et al. ⁷ un vegetale sostituto d'uovo è stato sviluppato. La domanda di brevetto descrive metodi di combinazione di farina di impulso con addensanti noti che emulano la funzione di bianco d'uovo nei materiali al forno. Formule tipiche includono farina di impulso di 80-90% e additivi di ispessimento del 10-20%.

Peer-reviewed letteratura inoltre indica la funzionalità possibile con ceci e ha dimostrato che le frazioni di proteina albumina ottenute da farina di ceci kabuli e desi hanno emulsificazione buona proprietà. Hanno anche trovato un effetto significativo dell'origine di ceci l'albumina resa e prestazioni⁸.

Dopo la relazione iniziale di internet che descrive "aquafaba" dallo chef francese Joël Roessel, un movimento open source sta mostrando l'utilità di aquafaba come un sostituto del bianco d'uovo e proteina della latteria in molte applicazioni dell'alimento. Ci sono molte pagine Web altamente visitate e i video di YouTube che mostra l'incorporazione di aquafaba in alimenti che emulano le qualità di ghiaccio crema, meringa, formaggio, maionese, uova strapazzate e panna montata. Maggior parte dei pionieri fornendo applicazioni open source aquafaba (ricette) ottenere il loro materiale di sforzare i ceci in scatola e utilizzando il liquido nelle loro ricette. Questi individui sono per la maggior parte scienziati non addestrati. Sezioni di video commenti indicano che gli intervistati hanno copiato le ricette e alcuni non sono riusciti a replicare i successi dei sostenitori aquafaba.

Tutti i tre approcci (aziendale, scientifico e open source) per sviluppare sostituti dell'uovo e latte hanno merito ma mancano una dimensione importante. Applicata scienziati, scienziati di base e gli individui promulgando prodotti basati su impulsi hanno caratterizzato in modo incompleto e standardizzata loro materiale in ingresso. Standardizzazione di un prodotto per un uso specifico è una normale pratica industriale. Cultivar di ceci non sono state standardizzate per aquafaba qualità e industriale conserviere pratiche sono standardizzate per produrre coerenti ceci non aquafaba.

Basato su studi di altre materie prime, è prevedibile che sia genotipo e ambiente contribuirà alla qualità di impulso aquafaba. È noto che sia genotipo e ambiente influiscono kabuli ceci conserviera proprietà⁹. In genere, effetti genotipici sono grandi tra specie affini e più piccole all'interno di membri di una specie. Variazione nelle proprietà fisiche e chimiche può essere minimizzato attraverso la conservazione di identità che consente la selezione di cultivar con proprietà desiderate. Effetti ambientali possono anche essere grandi e sono gestiti dalla valutazione di qualità e fusione a prestazioni standard nello specifico test¹⁰.

Ci sono molte cultivar geneticamente distinte di cece in produzione commerciale. Per alcuni esempi, il centro di sviluppo delle colture Università di Saskatchewan, una fonte importante di germoplasma commerciale ceci, ha rilasciato 23 cultivar di ceci dal 1980 di cui 6 sono attualmente raccomandato per la coltivazione in Canada. Mentre manoscritti scientifici descrivono spesso la cultivar utilizzata in uno studio, i brevetti e le pagine internet che sono state intervistate non hanno indicato la cultivar utilizzata o la provenienza dei ceci. La standardizzazione delle cultivar e manipolazione potrebbe aiutare gli utenti a aumentare il loro successo nell'utilizzo di ceci, ma questa informazione non è disponibile sui prodotti di ceci in scatola.

L'obiettivo di questa ricerca è quello di determinare i componenti aquafaba che contribuiscono proprietà schiumogeno. Qui, sono state confrontate le proprietà reologiche del aquafaba da marchi commerciali ceci e le proprietà chimiche sono state studiate da NMR, elettroforesi e peptide mass fingerprinting. A nostra conoscenza, questo è la prima ricerca che descrive la composizione chimica e le proprietà funzionali dei componenti viscosifier aquafaba.

Protocollo

Separazione di Aquafaba da ceci

1. Ottenere lattine di ceci da negozi alimentari locali e Apri con un manuale Apri di latta.
2. Lattine di etichetta dalla alla J.
3. Ceci separati da aquafaba utilizzando un acciaio inossidabile a maglie setaccio della cucina e pesano i ceci separati e aquafaba.

Ottenere un campione di rappresentante di ceci e Aquafaba per l'analisi chimica.

4. Selezionare casualmente dieci ceci dopo avere svuotato il aquafaba per determinare il contenuto di umidità.
5. Mettere i ceci selezionati in una latta essiccazione e calore a 100 ± 2 ° C per 16-18 ore in un forno di essiccazione.
6. Dopo l'essiccazione, macinare i ceci in polvere per un ulteriore uso (ad es. proteine e carbonio analisi del contenuto).
7. Freeze aquafaba e aquafaba schiuma da ciascuna fonte a-20 ° C e poi asciugare in un congelamento essiccatore. Il aquafaba secco verrà utilizzato per la determinazione del contenuto di azoto e di carbonio.

Proprietà funzionali Aquafaba

8. Determinare aquafaba viscosità a 25 ° C, utilizzando una Coppa shell n ° 2.
   1. Immergere la Coppa shell all'aquafaba.
   2. Registrare il tempo necessario per svuotare la tazza¹¹. Quando la Coppa è stata sollevata dalla aquafaba e fermata quando si ferma il flusso lasciando la Coppa, viene avviato un timer.
   3. La viscosità di aquafaba può essere accertata da un grafico fornito con la Coppa che riguarda la viscosità e il tempo di drenaggio.
9. Capacità di schiumatura
   1. La soluzione di aquafaba (100 mL) si fondono in una ciotola in acciaio inox con un mixer a mano alle impostazione di velocità di 10 per 2 min.
   2. Registrare il volume di schiuma immediatamente dopo il mescolamento 100 mL della soluzione di aquafaba come V_f100 posizionando la schiuma in un misurino graduato.
   3. Lasciare la schiuma riposare e asciugare nel tempo per osservare la stabilità della schiuma e ottenere un campione di schiuma secca.

Parametri di colore del seme di ceci

10. Selezionare casualmente semi di ceci da ogni possibile per la determinazione del colore.
11. Calibrare il colorimetro di laboratorio Hunter utilizzando standard bianco, nero e riferimento prima di misurazioni.
12. I valori delle coordinate di colore sono determinati dal CIE Lab sistema¹², tra cui la L (positivo rappresenta bianco e 0 rappresenta scuro), un (positivo è rosso e negativo è verde) e b (positivo è giallo e negativo è blu) in con luce del giorno 65° in triplice copia.

Proteina e contenuto di carbonio

13. Determinare contenuto proteico e carbonio dalla combustione usando un analizzatore elementare¹³. Contenuto proteico è stimato come contenuto di azoto moltiplicato per 6,25¹⁴.

Contenuto di umidità

14. Determinare contenuto di umidità del seme e aquafaba di riscaldamento campioni a 100 ± 2 ° C per 16-18 ore in un forno asciugatura¹⁵.

Spettrometria di NMR

15. Preparazione del campione
    1. Prima della spettrometria, centrifugare i campioni aquafaba a 9200 × g per 10 min. Dopo la centrifugazione, passare il surnatante attraverso un filtro per siringa 0,45 µm (filtro per siringa 25 mm con membrana in politetrafluoroetilene (PTFE)). Trasferire il campione di aquafaba (0,4 mL) in un NMR tubo wuth 50 mg aggiunto ossido di deuterio all'interno e soggetto del campione per analisi NMR.
    2. Per l'esempio di schiuma secca precedentemente descritto, il campione (25 mg) è in ossido di deuterio (500 mg) e la soluzione è sottoposto ad analisi NMR.
    3. Posizionare tutti i campioni per ¹³C-NMR e ¹H-NMR in tubi con un massimo di 5 mm NMR. Aggiungere ossido di deuterio e 3-(trimetilsilile) sale di sodio acido propionico-2,2,3,3-d₄ (TMSP) ad ogni provetta NMR per fornire un segnale di blocco solvente e agire come standard interno, rispettivamente.
16. Condizioni di NMR
    1. Acquisire spettri NMR protonica con 500 MHz NMR o simile ad alto campo spettrometro RMN) con almeno 16 scansioni al spettro usando un acqua soppressione programma come lo spin gradiente di campo doppia pulsazione eco proton NMR (DPFGSE-NMR) impulso sequenza¹⁶.
    2. Regolare lo spostamento spettrale per posizionare il picco TMSP a 0 ppm, quindi utilizzare il software di integrazione per determinare la quantità relativa di composti presenti.

Elettroforesi

Nota: Per questo passaggio, aquafaba che ha reso la schiuma più stabile (marca H) è stato selezionato. Questo marchio non contiene sale.

17. Preparazione del campione
    1. Introdurre aquafaba per il bacino superiore di tre centrifughe rigenerato cellulosa ultrafiltrazione dispositivi ogni con diverso peso molecolare cut off (MWCOs) di 3, 10 o 50 kDa.
    2. Posizionare le unità filtro centrifugo in una centrifuga adatta a 4 ° C e centrifugare a 3900 × g per 2 h per ottenere frazioni di surnatante e retentato. Le frazioni di supernatante sono state usate per ¹H-NMR analisi di molecole più piccole in assenza di più alto peso molecolare (MW) specie. La frazione di retentato membrana 3 kDa era usata per separazione elettroforetica, come si è creduto che questa membrana avrebbe mantenuto la maggior parte delle proteine.
    3. Stimare il contenuto di proteina di entrambi surnatante e retenate usando un metodo modificato di Bradford utilizzando albumina di siero bovino come una norma¹⁷.
    4. I campioni delle frazioni surnatante e retentato in provette Eppendorf e sottoporre queste frazioni a scuotimento ad una frequenza di 25 a s (10 min) in un agitatore adatto¹⁸. Osservare la soluzione agitata per determinare se una schiuma è formata da agitazione.
    5. Sciogliere il retentato aggiungendo 2,0 mL di acqua distillata al dispositivo di ultrafiltrazione per un secondo trattamento di centrifugazione ottenere diafilteration. Esporre l'apparecchio di ultrafiltrazione ad una seconda centrifugazione a 4 ° C e 3900 × g per 2 h.
    6. Mescolare il retentato (0,025 g) con 1 mL di 0,02 M Tris-HCl pH 7.4 o tampone fosfato salino (PBS) pH 7.4 per dissolvere le proteine.
    7. Centrifugare la miscela a 21000 x g per 1 min.
    8. Utilizzare il surnatante per determinare il contenuto di proteine usando il Bradford modificate come indicato in precedenza.
18. Separazione elettroforetica
    Nota: Il retentato di membrana MWCO 3 kDa (descritto sopra) viene sottoposto a separazione elettroforetica tramite elettroforesi del gel di sodio dodecil solfato-poliacrilammide (SDS-PAGE).
    1. Preparare il gel di poliacrilammide usando un gel di risoluzione del poliacrilammide di 15% e un gel d'impilamento del poliacrilammide di 5%.
    2. Applicare un campione di 20 µ g proteina a una corsia del gel e PageRuler Prestained proteina scaletta con una gamma di 10-170 kDa a una corsia separata del gel di poliacrilammide.
    3. Sottoporre i gel a una corrente elettrica in un sistema di mini-proteine Tetra cella come modificato da Laemmli (1970)¹⁹. Per elettroforesi in condizioni operative, gel colorazione e decolorante Segui Ratanapariyanuch et al. (2012) ²⁰.

Peptide Mass Fingerprinting

Nota: Tagliare bande dal gel SDS-PAGE di 3 retentato di kDa (MWs di circa 8, 10, 13, 14, 15, 20, 22, 31, 37, 55 e 100 kDa) per digestione della tripsina secondo Ratanapariyanuch et al. (2012) ²⁰ ed eseguire l'analisi spettrale di massa.

19. Digestione in-gel
    1. De-macchia le bande due volte immergendo in 100 µ l di 200mm bicarbonato di ammonio (NH₄HCO₃) a 50% acetonitrile (ACN) e incubare a 30 ° C per 20 min.
    2. Dopo il completamento della de-macchiatura, trattare i campioni di gel con ACN (100 µ l) per 10 min e poi a secco sotto vuoto, utilizzando un centrifugo evaporatore sotto vuoto, per 15 min a temperatura ambiente.
    3. Immergere i campioni secchi gel in 100 µ l di 10 mM dithiothreitol (DTT) in soluzione di 100mm NH₄HCO₃ e incubare a 56 ° C per 1 h.
    4. Rimuovere l'eccesso riducendo nel buffer e sostituirlo con 100 µ l alchilanti buffer [100mm iodoacetamide in acqua di grado di spettrometria di massa (MS)].
    5. Incubare i campioni di gel a temperatura ambiente al buio per 30 min.
    6. Campioni di lavaggio gel due volte con 200 mM NH₄HCO₃ (100 µ l), riducono i gel di immergendole in ACN (100 µ l), ri-gonfiare i gel con 200 mM NH₄HCO₃ (100 µ l) e compattare ancora trattando con ACN (100 µ l).
    7. Drenare il ACN e asciugare i campioni di gel sotto vuoto in un centrifugo evaporatore sottovuoto per 15 min.
    8. Ri-gonfiare campioni secchi gel usando 20 µ l di tampone di tripsina (50 tripsina ng / µ l in mM 1:1,200 NH₄HCO₃: soluzione di riserva di tripsina) seguita dalla aggiunta di 30 µ l di 200mm NH₄HCO₃ a ciascun campione.
    9. Incubare i campioni su un Thermomixer durante la notte a 30 ° C con agitazione a 300 giri/min.
    10. Fermare la reazione di digestione della tripsina aggiungendo 1/10 dell'acido trifluoracetic 1% volume finale (volume della miscela dopo il passaggio 8) ed estrarre i peptidi triptici da campioni di gel usando 100 µ l di acido trifluoracetic 0,1% a 60% ACN e a secco sotto vuoto utilizzando una centrifuga evaporatore sottovuoto.
    11. Negozio di peptidi triptici a-80 ° C prima dell'analisi di spettrometria di massa.
20. Spettrometria di massa
    1. Ricostituire i peptidi triptici aggiungendo 12 µ l di acqua di grado MS: ACN: acido formico (97:3:0.1, v/v) e poi vortice per 1 o 2 min sciogliere i peptidi.
    2. Centrifugare la soluzione risultante a 18.000 g per 10 min a 4 ° C.
    3. Trasferire aliquote della soluzione (10 µ l) fiale di MS per l'analisi di liquido cromatografia-spettrometria di massa (LC-MS/MS) su uno spettrometro di massa quadrupole time-of-flight (QTOF) dotato di uno strumento di cromatografia liquida e un'interfaccia di LC-MS.
    4. Eseguire la separazione cromatografica peptide utilizzando un HPLC-Chip ad alta capacità: costituito da una colonna di arricchimento nL 360 e una colonna analitica di 75 µm × 150 mm, sia imballato con C18-A, 180 Å, fase stazionaria di 3 µm.
    5. Caricare i campioni sulla colonna di arricchimento con acido formico 0,1% in acqua con una portata di 2.0 µ l/min.
    6. Trasferire i campioni dalla colonna di arricchimento nella colonna analitica.
    7. Condizioni di separazione del peptide sono: un sistema solvente gradiente lineare composto solvente un (acido formico 0,1% in acqua) e solvente B (0,1% acido formico in ACN). Sfumatura lineare comincia con solvente B che aumenta a solvente B oltre 50 min 25% al 3%. Successivamente il solvente B aumenta da 25 a 90% su 10 min a una portata di 0,3 µ l/min.
    8. Acquisire dati spettrali di massa electrospray di ioni positivi usando una capillare tensione impostata a 1900 V, lo ione frammento fissato a 360 V e l'essiccazione gas (azoto) a 225 ° C con una portata di 12,0 L/min.
    9. Raccogliere risultati spettrale in un intervallo di massa di 250-1700 (massa/carica; m/z) a una velocità di scansione di 8 dati raccogliere MS/MS di spettri/s. sopra una gamma di 50-1700 m/z e una larghezza di isolamento set di 1,3 unità di massa atomica. Selezionare gli ioni precursore più intensi di top 20 per ogni analisi MS per tandem MS con un'esclusione attivo 0,25 min.
21. Identificazione della proteina
    1. Convertire i dati spettrali in un formato di dati di massa/carica utilizzando Software di analisi qualitativa di Agilent MassHunter.
    2. Elaborare i dati nel database UniProt Cicer arietinum (ceci), utilizzando SpectrumMill come il motore di ricerca del database.
    3. Includere i parametri di ricerca come un errore di massa di frammento di 50 ppm, un errore di massa padre di 20ppm, tripsina clivaggio specificità e carbamidomethyl come una modificazione fissa della cisteina.

Risultati

Ogni lattina di ceci è etichettato per indicare gli ingredienti aggiunti durante industria conserviera. Ingredienti inclusi acqua, ceci, sale e acido di Disodio etilendiammino tetraacetico (EDTA). Inoltre, due lattine sono stati etichettati come "possono contenere cloruro di calcio". Sono stati osservati tre distinti fodera colori; bianco, chiaro giallo e metallico (tabella 1).

...

Discussione

In questa ricerca, abbiamo trovato che aquafaba di ceci da diverse fonti commerciali produce schiume che variano in proprietà (volume e stabilità della schiuma) e la composizione chimica. C'era una correlazione positiva tra aquafaba viscosità e contenuto di umidità. Aumento di volume di schiuma (V_f100) non è stato collegato a questi parametri. Additivi come sale e disodio EDTA potrebbe sopprimere la viscosità e stabilità di schiuma come aquafaba da ceci in scatola con questi additivi hanno una viscosit?...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Freeze Dryer
Stoppering Tray Dryer	Labconco Inc.	7948040
Mixer
Stainless steel hand mixer	Loblaws	PC2200MR
Viscosity Measurement
Shell cup No. 2	Norcross Corp.
Color Measurement
Colorflex HunterLab spectrophotometer	Hunter Associates Laboratory Inc.
Protein and Carbon Contents
Elemental analyzer	LECO Corp.	CN628
NMR Spectrometry
Spectrafuge 24D	Labnet International Inc.
Syringe filters	VWR International	CA28145-497	25 mm, with 0.45 µm PTFE membrane
Deuterium oxide	Cambridge Isotope Laboratories Inc.	7789-20-0
3-(trimethylsilyl)propionic-2,2,3,3-d4 acid sodium salt	Sigma-Aldrich	169913-1G
Bruker Avance 500 MHz NMR spectrometer	Bruker BioSpin
TopSpin 3.2 software	Bruker BioSpin GmbH
Electrophoresis
Regenerated cellulose membrane	Millipore Corp.		3, 10, 50 kDa (MWCO)
Centrifugal filter unit	Millipore Corp.
Benchtop centrifuge	Allegra X-22R, Beckman Coulter Canada Inc.
Mixer Mill MM 300  bead mill	F. Kurt Retsch GmbH & Co. KG
Eppendorf centrifuge 5417C	Eppendorf
Phosphate buffered saline, pH 7.4	Sigma-Aldrich	P3813-10PAK
Tris-HCl buffer pH 7.4	Sigma-Aldrich	T6789-10PAK
PageRuler Prestained Protein Ladder	Fisher Scientific
Mini-Protein Tetra Cell system	BioRad
Peptide Mass Fingerprinting
Thermo-Savant SpeedVac	BioSurplus		Centrifugal vacuum evaporator
Trypsin buffer			20 µL trypsin in 1 mM hydrochloric acid and 200 mM NH4HCO3
Iodoacetamide	Sigma-Aldrich	I1149-5 g
Trifluoroacetic acid	Fluka	BB360P050
Acetonitrile	Fisher Scientific	L14734
Formic acid	Sigma-Aldrich	33015-500mL
Mass spectrometry vial	Agilent Technologies Canada Ltd.
Agilent 6550 iFunnel quadrupole time-of-flight mass spectrometer	Agilent Technologies Canada Ltd.		Agilent 1260 series LC instrument and Agilent Chip Cube LC-MS interface
HPLC-Chip II: G4240-62030 Polaris-HR-Chip_3C18			360 nL enrichment column and 75 µm × 150 mm analytical column, both packed with Polaris C18-A, 180Å, 3 µm stationary phase.
Agilent MassHunter Qualitative Analysis Software	Agilent Technologies Canada Ltd.
SpectrumMill data extractors	Agilent Technologies Canada Ltd.