DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1404538
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38873563
تاريخ النشر: 2024-05-30
المؤلف: Guillermo Santos‐Sánchez وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروتينات في نظم الغذاء
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة أهمية البروتين كمغذٍ أساسي معقد وتحديات تقييم جودته الغذائية من خلال تقييمات الهضم. تعتمد الطرق التقليدية، مثل درجة الأحماض الأمينية الأساسية القابلة للهضم (DIAAS)، على الدراسات الحية، والتي تكون مكلفة وصعبة من الناحية الأخلاقية. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لطرق هضم سريعة وقابلة للتكرار في المختبر يمكن التحقق منها مقابل بيانات حية. تسلط المراجعة الضوء على التحديات التي تواجه الطرق المختبرية، بما في ذلك الصعوبة في محاكاة عملية الهضم بدقة والقيود في تقييم الأحماض الأمينية المتاحة حيوياً ومساهمات النيتروجين الذاتية. يُلاحظ أن بروتوكول الهضم المتناغم دولياً لشبكة INFOGEST يتمتع بإمكانية تكرار واعدة بين المختبرات، خاصة للمنتجات الألبانية، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقق عبر مجموعة أوسع من مصادر الغذاء.
في الختام، بينما تم تطوير عدة نماذج لهضم البروتين في المختبر على مدى العقود الأربعة الماضية وتظهر إمكانات كبدائل للاختبارات الحيوانية، إلا أنها لا تزال تفتقر إلى الثقة اللازمة للتطبيق الروتيني بسبب التباينات في بعض الركائز. قد لا تعكس الطبيعة الثابتة لهذه النماذج الظروف المتنوعة لمصفوفات الغذاء بشكل كافٍ، مما يتطلب تعديلات للركائز المحددة، مثل عزل البروتين أو تلك التي تحتوي على محتوى منخفض من البروتين. تهدف الجهود المستمرة، بما في ذلك التعاون بين INFOGEST وشبكة UNGAP، إلى تحسين ظروف المختبر بناءً على بيانات جديدة من الدراسات الحية. تؤكد الفقرة على أهمية التحقق من صحة هذه الطرق عبر مختبرات مختلفة لتعزيز القابلية للتكرار والموثوقية، مع تطوير مبادرات تدريبية وموارد لدعم هذا الهدف.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم للبروتين كمغذٍ أساسي في التغذية البشرية، مع التأكيد على ضرورته في توفير الأحماض الأمينية الأساسية والنيتروجين. توضح مفهوم جودة البروتين الغذائية، التي تحددها قابلية هضم البروتينات وامتصاص الأحماض الأمينية والببتيدات في الجهاز الهضمي. تشمل العوامل التي تؤثر على قابلية هضم البروتين تركيب الأحماض الأمينية، والخصائص الهيكلية، والتعديلات بعد الترجمة، ووجود السكريات المتعددة غير القابلة للهضم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تعزز تقنيات معالجة الطعام أو تقلل من قابلية هضم البروتين، مما يتطلب تقييمًا شاملاً لجودة البروتين.
تسلط الورقة الضوء على الانتقال من درجة الأحماض الأمينية القابلة للهضم المصححة (PDCAAS) إلى درجة الأحماض الأمينية الأساسية القابلة للهضم (DIAAS) كقياس أكثر دقة لجودة البروتين، مما يعكس قابلية هضم الأحماض الأمينية في اللفائفي النهائي. ومع ذلك، فإن الاعتماد على الاختبارات الحيوانية والبشرية لهذه التقييمات يقدم تحديات أخلاقية وعملية، مما يثير الطلب على طرق سريعة في المختبر لتقييم قابلية هضم البروتين. على الرغم من التقدم في تقنيات المختبر، لا يزال التحقق مقابل البيانات الحية غير كافٍ، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتعزيز موثوقية هذه الطرق لتقييم جودة البروتين بشكل روتيني.
طرق
تعتمد الطرق القائمة على قياس درجة الحموضة لتقييم قابلية هضم البروتين على العلاقة بين درجة التحلل والتغيرات في درجة الحموضة أثناء هضم البروتين. كان Hsu وآخرون من الرواد في طريقة ثلاثية الإنزيم (التربسين، الكيموتربسين، والبيبتيداز)، حيث أظهروا علاقة قوية (r = 0.90) بين انخفاض درجة الحموضة بعد 10 دقائق من الهضم وقيم نسبة كفاءة البروتين (PER) في الجرذان لمختلف الحميات البشرية. كانت التعديلات اللاحقة، مثل طريقة الأربعة إنزيمات التي قدمها Satterlee وآخرون، تهدف إلى تحسين الدقة ولكن كشفت أن السعات العازلة العالية لبعض المواد الغذائية يمكن أن تحرف النتائج. على الرغم من هذه التحديات، أظهرت طريقة انخفاض درجة الحموضة قابلية تكرار عالية وقدرة تنبؤية لقابلية هضم البروتين، خاصة في الركائز النباتية، على الرغم من أن لديها قيودًا في تقييم البروتينات الحيوانية بدقة بسبب تأثيرات العزل المتفاوتة.
على النقيض من ذلك، تتضمن الطرق القائمة على ترسيب البروتين قياس المواد غير القابلة للذوبان بعد الهضم لربط قابلية الهضم بالذوبانية في المختبر. تم استبدال الطرق المبكرة ذات الخطوة الواحدة ببروتوكولات أكثر دقة من خطوتين، مثل البيبسين يليه هضم سائل الأمعاء الدقيقة، مما حسن العلاقات مع قابلية الهضم الحية. أظهرت التعديلات الحديثة باستخدام حمض السلفوساليسيليك للترسيب دقة أعلى مقارنة بطرق انخفاض درجة الحموضة، خاصة في تقييمات قابلية هضم براز الكلاب. علاوة على ذلك، ظهرت طرق الترشيح الفائق والغسيل الكلوي لإزالة المنتجات ذات الوزن الجزيئي المنخفض باستمرار أثناء الهضم، مما يقلل من تثبيط الإنزيم. أظهرت هذه الأساليب علاقات واعدة مع قابلية هضم البروتين في اللفائفي عبر مصادر غذائية متنوعة، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة بشأن قابلية التكرار والخصوصية لأجهزة الترشيح الفائق. بشكل عام، بينما توفر هذه الطرق في المختبر رؤى قيمة حول قابلية هضم البروتين، إلا أنها تتطلب مزيدًا من التحسين لتعزيز دقتها التنبؤية وقابليتها للتطبيق عبر أنواع الغذاء المتنوعة.
مناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على التعقيدات والتحديات المرتبطة بمحاكاة الهضم الحي، خاصة فيما يتعلق بقابلية هضم البروتين. على مدى العقود الأربعة الماضية، تم بذل جهود كبيرة لتطوير نماذج في المختبر لتقييم قابلية هضم البروتين، وهو أمر ضروري للتقييم الغذائي وتقييم الحساسية. ومع ذلك، فإن الطبيعة متعددة الأوجه للهضم البشري – المتأثرة بالقوى الميكانيكية، والتنظيم الهرموني، وتفاعلات الميكروبيوتا – تجعل المحاكاة الدقيقة في المختبر صعبة. بينما يمكن تكرار بعض الظروف، مثل نشاط الإنزيم ودرجة الحموضة، تظل عوامل حاسمة أخرى صعبة التكرار، مما يؤدي إلى احتمالية عدم الدقة في تقييمات القابلية للهضم.
تتوسع الفقرة في توضيح المنهجيات المستخدمة لتعريف الفئات القابلة للهضم، المتاحة حيوياً، أو القابلة للامتصاص من البروتين، مشيرة إلى أن تقنيات مختبرية متنوعة، بما في ذلك طرق الغسيل الكلوي وطرق قياس درجة الحموضة، لها قيود بسبب حساسيتها لتأثيرات عزل مكونات الطعام. يتم مناقشة الطرق التحليلية لت quantifying البروتين والأحماض الأمينية، مثل طرق كيلدال ودوماس، مع التأكيد على الحاجة إلى عوامل تحويل دقيقة من النيتروجين إلى البروتين لتجنب تقدير محتوى البروتين بشكل مفرط. بالإضافة إلى ذلك، يتم تناول تأثير معالجة الطعام على توفر الأحماض الأمينية، خاصة بالنسبة لليسين، مما يبرز ضرورة تحسين الطرق لتقييم جودة البروتين بدقة. تختتم الورقة بالتأكيد على أهمية توحيد بروتوكولات هضم البروتين في المختبر، مثل بروتوكول INFOGEST، لتعزيز القابلية للتكرار وقابلية المقارنة للنتائج عبر الدراسات.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1404538
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38873563
Publication Date: 2024-05-30
Author(s): Guillermo Santos‐Sánchez et al.
Primary Topic: Proteins in Food Systems
Overview
The section discusses the significance of protein as a crucial macronutrient and the complexities involved in evaluating its nutritional quality through digestibility assessments. Traditional methods, such as the Digestible Indispensable Amino Acid Score (DIAAS), rely on in vivo studies, which are costly and ethically challenging. Consequently, there is a pressing need for rapid and reproducible in vitro digestion methods that can be validated against in vivo data. The review highlights the challenges faced by in vitro methods, including the difficulty in accurately simulating the digestive process and the limitations in assessing bioavailable amino acids and endogenous nitrogen contributions. The INFOGEST network’s internationally harmonized digestion protocol is noted for its promising inter-laboratory reproducibility, particularly for dairy products, although further validation across a broader range of food sources is necessary.
In conclusion, while several in vitro digestion models have been developed over the past four decades and show potential as alternatives to animal trials, they still lack the confidence needed for routine application due to discrepancies in certain substrates. The static nature of these models may not adequately replicate the diverse conditions of food matrices, necessitating adaptations for specific substrates, such as protein isolates or those with low protein content. Ongoing efforts, including collaborations between INFOGEST and the UNGAP network, aim to refine in vitro conditions based on new in vivo data. The section emphasizes the importance of validating these methods across various laboratories to enhance reproducibility and reliability, with training initiatives and resources being developed to support this goal.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of protein as a macronutrient in human nutrition, emphasizing its necessity for providing essential amino acids and nitrogen. It outlines the concept of protein nutritional quality, which is determined by the digestibility of proteins and the absorption of amino acids and peptides in the gastrointestinal tract. Factors influencing protein digestibility include amino acid composition, structural characteristics, post-translational modifications, and the presence of non-digestible polysaccharides. Additionally, food processing techniques can either enhance or diminish protein digestibility, necessitating a comprehensive evaluation of protein quality.
The paper highlights the transition from the Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score (PDCAAS) to the Digestible Indispensable Amino Acid Score (DIAAS) as a more accurate measure of protein quality, reflecting amino acid digestibility at the terminal ileum. However, the reliance on animal and human testing for these evaluations presents ethical and practical challenges, prompting a demand for rapid in vitro methods to assess protein digestibility. Despite advancements in in vitro techniques, validation against in vivo data remains insufficient, underscoring the need for further research to enhance the reliability of these methods for routine protein quality assessment.
Methods
The methods based on pH measurement for evaluating protein digestibility rely on the correlation between the degree of hydrolysis and changes in pH during protein digestion. Hsu et al. pioneered a three-enzyme method (trypsin, chymotrypsin, and peptidase), demonstrating a strong correlation (r = 0.90) between the pH drop after 10 minutes of digestion and in vivo protein efficiency ratio (PER) values in rats for various human diets. Subsequent modifications, such as the four-enzyme method by Satterlee et al., aimed to enhance accuracy but revealed that high buffering capacities of certain food substances could skew results. Despite these challenges, the pH-drop method has shown high reproducibility and predictive capability for protein digestibility, particularly in plant-based substrates, although it has limitations in accurately assessing animal proteins due to varying buffering effects.
In contrast, methods based on protein precipitation involve measuring insolubilized material post-digestion to relate digestibility to in vitro solubility. Early one-step methods were replaced by more accurate two-step protocols, such as pepsin followed by jejunal fluid digestion, which improved correlations with in vivo digestibility. Recent adaptations using sulphosalicylic acid for precipitation have demonstrated higher accuracy compared to pH-drop methods, particularly in dog fecal digestibility assessments. Furthermore, ultrafiltration and dialysis methods have emerged to continuously remove low-molecular-weight products during digestion, thereby minimizing enzyme inhibition. These approaches have shown promising correlations with ileal protein digestibility across various food sources, although challenges remain regarding the reproducibility and specificity of ultrafiltration devices. Overall, while these in vitro methods provide valuable insights into protein digestibility, they require further optimization to enhance their predictive accuracy and applicability across diverse food types.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the complexities and challenges associated with simulating in vivo digestion, particularly regarding protein digestibility. Over the past four decades, significant efforts have been made to develop in vitro models to assess protein digestibility, which is essential for nutritional evaluation and allergenicity assessment. However, the multifaceted nature of human digestion—affected by mechanical forces, hormonal regulation, and microbiota interactions—renders accurate in vitro simulation difficult. While certain conditions, such as enzyme activity and pH, can be replicated, other critical factors remain challenging to reproduce, leading to potential inaccuracies in digestibility assessments.
The section further elaborates on the methodologies used to define digestible, bioavailable, or absorbable protein fractions, noting that various in vitro techniques, including dialysis and pH-stat methods, have limitations due to their susceptibility to food component buffering. Analytical methods for quantifying protein and amino acids, such as the Kjeldahl and Dumas methods, are discussed, emphasizing the need for accurate nitrogen-to-protein conversion factors to avoid overestimating protein content. Additionally, the impact of food processing on amino acid availability, particularly for lysine, is addressed, highlighting the necessity for improved methods to assess protein quality accurately. The paper concludes by underscoring the importance of standardizing in vitro digestion protocols, such as the INFOGEST protocol, to enhance reproducibility and comparability of results across studies.