Превращение белков в технологических процессах

Денатурация - сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов происходит изменение нативной пространственной структуры белковой макромолекулы. Такими внешними факторами являются температура, механическое воздействие, химические реагенты. Первичная структура и химический состав белка при этом не изменяются. При денатурации изменяются физические свойства белка: снижается растворимость, способность к гидратации, теряется его биологическая активность. Меняется форма белковой молекулы, происходит агрегирование. В тоже время увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белок протеолитических ферментов.

В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белка. Степень тепловой денатурации зависит от температуры, продолжительности нагрева, влажности. Сушка зерна, бланширование растительного сырья, выпечка хлеба, варка мяса, рыбы, кипячение молока сопровождается тепловой денатурацией белка.

Данный вид превращений относится к полезным, т. к. он ускоряет переваривание белков в желудочно-кишечном тракте человека и обуславливает потребительские свойства пищевых продуктов (текстуру, внешний вид, органолептические свойства). В связи с тем, что степень денатурации белка может быть различной, то и усвояемость полимеров может не только улучшаться, но и ухудшаться.

Термическая обработка белоксодержащей пищи при 100-120⁰ C и более приводит не к денатурации, а к разрушению (деструкции) макромолекул белка с отщеплением функциональных групп, расщеплением пептидных связей и образованием сероводорода, аммиака, углекислого газа и ряда более сложных соединений небелковой природы. Среди продуктов термического распада белка встречаются соединения, придающие им мутагенные свойства. Термически индуцированные мутагены образуются в белоксодержащей пище в процессе ее обжаривания в масле, выпечки, копчения в дыму и сушки. Мутагены содержатся в бульонах, жареной говядине, свинине, птице, яйцах, копченой и вяленой рыбе. Некоторые из них вызывают наследственные изменения в ДНК, и их воздействие на здоровье человека может быть, от незначительного до летального.

Некоторые особенности имеет денатурация белков в растворах.

Если мы имеем дело с белковыми растворами (производство напитков, молока), то денатурация начинается с дегидратациибелковой молекулы и перехода ее в состояние суспензоида, т. е. происходит превращение гидрофильного золя в гидрофобный. Денатурированные белки удерживаются в суспендированном состоянии благодаря собственным электрическим зарядам, которые не позволяют сближаться отдельным молекулам белка. Денатурация растворов внешне характеризуется появлением мути. Когда силы молекулярного притяжения преодолевают силы электростатического отталкивания мицелл, дегидратированные мицеллы слипаются и образуют крупные хлопья, наступает вторая стадия - собственно коагуляция. Денатурация в растворах имеет обратимый характер, может происходить при любом значении pH. Коагуляция - необратимый процесс, легче всего протекает вблизи изоэлектрической точки.

Денатурацию белков в растворах вызывает нагревание, действие кислот, щелочей, ионов тяжелых металлов, органических растворителей и т. д. Коагуляция белка является важным процессом, способствующим повышению стойкости напитков. Наиболее интенсивно она идет на стадии кипячения сусла, тепловой обработки вина, на стадии разваривания в производстве спирта. При производстве кисломолочной продукции наблюдается кислотная коагуляция казеиновых фракций белков молока. Эти же белки свертываются под действием сычужного фермента, используемого при производстве творога и сыров.

Гидролиз белков под действием ферментов. Важное значение в технологии имеет расщепление белков под действием соответствующих ферментов на пептиды и, в конечном счёте, на аминокислоты.

RCONHR^/ + H₂O ^{протеаза} RCOOH + H₂NR^/

пептидная

связь

R, R^/ - остатки аминокислот, ди- или полипептидов.

При замесе теста в нем ограниченно идет протеолиз белка под действием протеаз муки. С одной стороны, этот процесс оказывает большое влияние на разжижение теста, расслабление его структуры и, в конечном итоге,. на форму и расплываемость готового хлебного изделия. С другой стороны, протеолиз дает в тесте некоторое количество аминокислот, которые играют важную роль в образовании цвета корочки хлеба.

Процесс гидролиза белка происходит при созревании мяса, сыра, положительно влияя на его вкус, запах, усваиваемость организмом.

Гниение белка

Под действием гнилостных бактерий распад белка идет значительно глубже, аминокислоты разрушаются до аммиака, азота и белковых ядов - индола, скатола, меркаптана. Этот процесс называется гниением белков.

Гнилостные бактерии бывают аэробные и анаэробные. Последние встречаются в мясных и рыбных консервах с нарушенным режимом стерилизации. Примером может служить палочка бутулинус, выделяющая сильнейший токсин (микробный яд).

При наличии в молоке гнилостных бактерий и микрококков - происходит распад белков молока и появляется неприятный горький привкус.

Превращения аминокислот

Реакция меланоидинообразования.

При температуре от 40-60⁰C до 100⁰C со значительной скоростью протекает взаимодействие белков или продуктов их гидролиза (полипептидов, аминокислот) с восстанавливающими сахарами, сопровождающееся образованием карбонильных соединений и темно-окрашенных продуктов - меланоидинов.

t⁰

Аминокислота + Восстанавливающий сахар Меланоидины.

Эта реакция является причиной не только потемнения пищевых продуктов, появления приятного, свойственного им запаха и вкуса, но и уменьшения в них сухого вещества и потерь незаменимых аминокислот (лизина, треонина). Реакция меланоидинообразования является причиной получения окрашенной корки хлеба при выпечке, цвета топленого молока, цвета темного солода при сушке и т. д.

Химизм реакции и факторы, на неё влияющие рассматриваются в теме «Углеводы».

Образование меланинов. При окислении аминокислоты тирозина кислородом воздуха под действием фермента полифенолоксидазы образуются темноокрашенные соединения меланины. Темный цвет ржаного хлеба, потемнение макарон в процессе сушки, потемнение разрезанных овощей и фруктов (картофель, яблоко) связаны именно с этим процессом.

Тирозин + O₂ ^{полифенолоксидаза} Меланины.

Механизм реакции до конца не изучен, известны лишь первые этапы синтеза меланинов. Свободные аминокислоты, образовавшиеся при гидролизе белка, могут подвергаться самостоятельному распаду.

Дезаминирование и декарбоксилирование аминокислот. В зависимости от условий прохождения эти реакции могут привести к образованию из аминокислот большого количества безазотистых соединений. Эти процессы идут при производстве напитков, сыров и способствуют образованию специфического аромата и вкуса. Так, в результате восстановительного дезаминирования аминокислот, образуются жирные кислоты:

+2H⁺

R - CH - COOH R - CH₂ - COOH + NH₃

NH₂

Гидролитическое дезаминирование аминокислот вызывает образование оксикислот:

+H₂O

R - CH - COOH R - CH - COOH + NH₃

NH₂ OH

При окислительном дезаминировании аминокислот, возникают кетокислоты:

O

+1/2 O₂

R - CH - COOH R - C - COOH + NH₃

NH₂

В данном случае реакция идет в два этапа через образование иминокислоты:

-2H

R - CH - COOH R - C - COOH

NH₂ NH

иминокислота

NH +H₂O

R - C - COOH R - CO - COOH + NH₃

В результате последующего декарбоксилирования из кетокислоты может образоваться альдегид:

-CO₂

R - CO - COOH R - CHO + CO₂

Аминокислоты принимают участие в образовании сивушных спиртов:

-CO₂ -NH₂

H₂C - NH₂ R - CH₂OH

+H₂O

R

амин спирт

2R - CH - COOH

-NH₂ -CO₂

NH₂ R - CH - COOH R - CH₂OH

+H₂O

OH

оксикислота спирт

Ферменты

Ферментами называются сложные биологические катализаторы белковой природы, изменяющие скорость химической реакции. Молекула фермента может состоять только из белка или из белковой и небелковой частей. Небелковая часть называется кофактором или простетической группой. Белковая часть молекулы фермента может быть построена из одной или нескольких полипептидных цепей, образующих сложные комплексы. Кофакторы имеют небольшую молекулярную массу и являются активным центром ферментов. Ими могут быть производные витаминов, нуклеотидов, или ионы металлов.

Механизм действия ферментов состоит в образовании комплекса между ферментом и субстратом, который вступает в химическую реакцию, после чего образовавшийся комплекс фермента с продуктом распадается до исходного фермента и продукта.

E + S ES P + E

Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату. Их отличает огромная сила каталитического действия и высокая лабильность. Эффективность действия ферментов зависит от ряда факторов: температуры (оптимальная температура 30-50⁰C); специфических веществ - активаторов и ингибиторов; pH среды.

Известно около 3 тысяч различных ферментов. По современной классификации их делят на 6 классов:

1. Оксидоредуктазы - катализуют окисление и восстановление химических веществ. Например, липоксигеназа окисляет кислородом воздуха ненасыщенные жирные кислоты и их сложные эфиры. Может являться причиной прогоркания муки и крупы. Полифенолоксидаза окисляет кислородом воздуха аминокислоту тирозин с образованием темноокрашенных соединений - меланинов.

2. Трансферазы - катализуют перенос различных групп от одной молекулы к другой.

3. Гидролазы - катализуют гидролитическое расщепление сложных органических соединений.

Карбогидразы - катализируют гидролиз полисахаридов (амилазы, α - глюкозидаза (мальтаза), β - фруктофуранозидаза (сахараза) и др.).

Протеазы - катализируют гидролиз белковых веществ (протеиназы и пептидазы).

Липазы - катализируют гидролиз липидов.

4. Лиазы - катализируют отщепление от субстратов негидролитическим путем определенных групп.

5. Изомеразы - катализируют структурные изменения в пределах одной молекулы.

6. Лигазы (синтетазы) - катализируют образование связей C-O, C-S, C-N, C-C.

Наибольшее значение в технологии имеют ферменты гидролазы и оксидоредуктазы. Ферментные препараты широко используются в отраслях пищевой промышленности, что позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход и экономить ценное пищевое сырье.

2. 5 Методы определения белков

Обычно количество белка в продуктах рассчитывают по белковому азоту. Количество азота чаще всего определяют по методу Кьельдаля, являющегося для биологических объектов арбитражным.

Метод Кьельдаля основан на минерализации навески продукта при нагревании с кислотой в присутствии индикаторов.

NH₂

R - CH + H₂SO₄ CO₂ + SO₂ + H₂O + NH₃

COOH

2NH₃ + H₂SO₄ (NH₄)₂SO₄

На следующей стадии раствор сульфата обрабатывается раствором щелочи, при этом аммиак освобождается и улавливается титрованным раствором кислоты. Избыток серной кислоты оттитровывается щелочью NaOH.

Методом Кьельдаля определяют количество общего азота в продукте. Условность метода в том, что не весь азот в пищевых продуктах находится в форме белка.

Существуют также методы определения белка по их способности поглощать особые краски.

Биуретовый метод. Биуретову реакцию дают полипептидные связи. Производное мочевины биурет, образует в щелочном растворе CuSO₄ окрашенные комплексные соединения. Интенсивность окрашивания пропорциональна содержанию пептидных связей. Этот метод является не только качественной реакцией на белок, но можно с его помощью определить и количество белка в продукте.

Для определения аминокислотного состава белка используют методы:

1) Ионообменной хроматографии на колонках;

2) Газожидкостной хроматографии;

3) Жидкостной хроматографии высокого давления

и другие.

Контрольные вопросы:

1. Какие уровни организации структуры присущи белковой молекуле и, какими связями они поддерживаются?

2. Какова роль белков в питании человека? Что такое азотистый баланс и, какие его виды могут наблюдаться в организме?

3. Что включают в себя понятия пищевая и биологическая ценность белков? Как определяется биологическая ценность белков?

4. Какова специфическая роль отдельных аминокислот в организме?

5. Перечислите основные функциональные свойства белков. Какова их роль в технологических процессах производства пищевых продуктов?

6. Какие превращения претерпевают белки в технологических процессах? Охарактеризуйте их.

7. Каким превращениям могут подвергаться аминокислоты в технологических процессах? Как это влияет на качество пищевых продуктов?

8. Какие методы качественного и количественного определения белков Вы знаете?

УГЛЕВОДЫ

3.1 Классификация, строение и свойства углеводов.

3.2 Углеводы как компоненты пищи.

3.3 Функции углеводов в пищевых продуктах и их превращения в технологических процессах.

3.4 Методы определения углеводов.