17

План роботи:

Вступ

1. Денатурація білків.

2. Механізми денатурації.

3. Вплив умов середовища на процеси денатурації.

4. Роль денатурації у технологічних процесах.

Висновок

Значення білків у харчуванні

Білки — необхідна складова частина продуктів харчування. Проблема харчового білка стоїть дуже гостро. За даними Міжнародної організації з продо­вольчого та сільского господарства при ООН більше половини людства не отримує з їжею необхідної кількості білків. Нестача їх в їжі викликає тяжке захворювання — квашиоркор.

У процесі травлення білки піддаються гідролізу до амінокислот, які крізь стінки органів ЖКТ всмоктуються у кров. Харчова цінність білків залежить від амінокислотного вмісту, а саме вмісту в них незамінних амінокислот, які не синтезуються в організмах (для людини незамінні триптофан, лейцин, ізолейцин, валін, треонін, лізин, метионін і фенілаланін). В поживному відношенні рослинні білки менш цінні, ніж тваринні; в них менше лізину, метионіну та триптофану і вони важче перетравлюються. Один з шляхів вирішення проблеми — додавання в рослинну їжу синтетичних амінокислот.

Тому вчені виводять но­ві сорта рослин, що містять гени, які відповідають за синтез амінокислот. Перспективне використання для цього методів генної інженерії. Надзвичайно важливе значення має широке впровадження промислового мікробіологічного синтезу, наприклад, вирощування дріжджів на гідролізному етиловому спирті, природному гасі чи нафті. При цьому отримують білково-вітамін­ні концентрати (БВК), які використовують у якості добавок до корму с/г тварин. Дослідження радянських мікробіологів і технологів (Г. К. Скрябін та ін.) по­слугували основою для виробництва БВК у СССР в великих масштабах.

Денатурація білків

Денатурація білків (від лат. de — приставка, що означає відділення, видалення і nature — природа; не плутати з лат. denaturatus — позбавлений природніх властивостей) — термін біологічної хімії, який означає втрату білками їх природніх властивостей (розчинності, гідрофільності і ін.) внаслідок порушення просторової структури їх молекул.

Процес денатурації окремої білкової молекули, який призводить до розпаду її «жорсткої» трьохмірної структури, іноді називають плавленням молекули.

Денатурація білків — складний процес, за якого під дією зовнішніх факторів (температури, механічного впливу, впливу хімічних реагентів та ряду інших факторів) відбувається зміна вторинної, третинної та четвертинної структур білкової макромолекули, тобто її нативної просторової структури. Первинна структура, а значить і хімічний склад білка не змінюється. При денатурації змінюються фізичні властивості білка, зменшується розчинність, здатність до гідратації, втрачається його біологічна активність. Змінюється форма білкової макромолекули, відбувається агрегування. В той же час збільшується активність деяких хімічних груп, полегшується дія на білки протеолітичних ферментів, тому він легше гідролізується.

Здатність білків до денатурації є важливою і притаманною виключно білкам властивістю. Багато технологічних факторів викликають денатурацію: висока чи низька температура, різні випромінювання, значні зміни pH, іонної сили, зміна колоїдної рівноваги, інтенсивна механічна дія та інші поверхневі ефекти, ферментація, протеоліз, хімічні речовини та модифікація, вплив часу. Найбільш чутливі до впливу — вторинна, третинна та четвертинна структури білків. Але під впливом хімічних факторів — хімічної модифікації, наприклад ангідридами кислот, окислювання, відновлення, пластеїнової реакції, ферментативної модифікації — можливе порушення первинної структури. Наслідком денатурації простих білків є їхнє комплексоутворення з іншими білками та органічними сполуками, а для олігомерів — розпад на субодиниці.

Нативна тривимірна структура білків підтримується різноманітністю внутрішньо- і міжмолекулярних сил і поперечних зв'язків. Будь-яка зміна умов середовища в технологічних потоках виробництва харчових продуктів впливає на нековалентні зв'язки молекулярної структури і призводить до руйнування четвертинної, вторинної та третинної структури. Руйнування нативної структури, що супроводжується втратою біологічної активності (ферментативної, гормональної), називають денатурацією. З фізичної точки зору денатурацію розглядають як упорядкування конформації поліпептидного ланцюга без зміни первинної структури. Денатурація олігомерного білка полягає в дисоціації на протомери, що супроводжується або не супроводжується зміною їх конформації.

Більшість білків денатуруючих в присутності сильних мінеральних кислот, при нагріванні, охолодженні, обробці поверхнево-активними речовинами (додецилсульфатом), сечовиною, гуанідином, важкими металами (Ag, Pb, Hg) чи органічними розчинниками (етанол, метанол, ацетон). Широке застосування кислот, основ, солей, органічних розчинників передбачається в практиці виділення білків з харчової сировини і готових продуктів при вивченні їх властивостей та структурних особливостей, а також при екстракції і очищенні в технології виділення концентратів і ізолятів. Денатуровані білки зазвичай менш розчинні у воді, так як їх поліпептидні ланцюги настільки сильно переплетені між собою, що ускладнюється доступ молекул розчинника до радикалів залишків амінокислот.

Чинники, що викликають денатурацію білків, мають особливо важливе значення для регулювання активності ферментів. Будь-які дії, спрямовані на стабілізацію вторинної та третинної структури, приводять до підвищення активності ферментів, а ті, які руйнують нативну структуру — до їх інактивації.

У кожного білка індивідуальна температура денатурації. Це певний температурний діапазон, у якому білок піддається денатураційним змінам. У технології харчування це найнижча температура, за якої починаються видимі зміни. Так, для білків риби температура денатурації — близько 30˚С, яєць — 55˚С, білків м’яса: міогену — 55…60˚С, міоглобіну — 60˚С, глобуліну — 50˚С, міоальбуміну — 45…47˚С, міозину — 45…50˚С, актину — близько 55˚С, актоміозину — 42…48˚С, колагену — близько -55…60˚С.

Приклад того, що денатурація проходить у певному діапазоні — зміна колоїдних властивостей яєць птиці у процесі термообробки. Так температурою денатурації білків яєць вважається 55˚С, але зміна колоїдних властивостей проходить у інтервалі температур 55…95˚С: при температурі 50…55˚С утворюється локальне затьмарення; при 55…60˚С — тьмариться весь об’єм; 60…65˚С — підвищується в’язкість; 65…75˚С — починається процес драгле утворення; 75…85˚С — утворюється гель, який утримує форму; 85…95˚С — зростають і досягають максимуму пружно-еластичні властивості драглів.

Білок міоглобін під час термообробки переходить у метміоглобін, тобто денатурує в інтервалі температур 60…80˚С: при температурі 60˚С міоглобін яловичини яскраво-червоний; при 70˚С колір змінюється на рожевий; у інтервалі температур 70…80˚С та вище він набуває сірувато-коричневого кольору, характерного для метміоглобіну. Білок міозин денатурує в інтервалі температур 70…80˚С.

Денатурація білка колагену в технологічній практиці отримала назву зварювання і супроводжується різкою зміною геометричних розмірів: фібрили колагену скорочуються, а товщина їх зростає.

Про хід денатурації білків свідчать непрямі поверхневі ефекти, такі як зміна колоїдного стану, загустіння, драглеутворення, скорочення.

Дуже важливе місце в технології посідає зміна колоїдного стану харчових продуктів, яка отримала назву коагуляції. Коагуляція, залежно від властивостей та концентрації білка, може йти з утворенням кінцевих продуктів з різним агрегатним станом. Температурою коагуляції, або температурною гель-точкою, є та найменша температура, при якій білок змінює свій колоїдний стан.

Досягаючи температурної гель-точки, малоконцентровані за білком системи розшаровуються на дві фази, одна з яких, білкова, агрегує у вигляді локальних флокулятів, плівок, а друга представлена у вигляді води. Незалежно від виду білка, малоконцентровані за білком системи через фізичну нестачу в системі білка не здатні до гелеутворення по всій системі, тому розшарування і синерезис є типовими та об’єктивними етапами денатурації та коагуляції білка. Так поводяться молоко під час кип’ятіння (утворення лактоальбумінових плівок, накипів), яйця, розчинені більше, ніж у 1,6 раза рідиною (водою, молоком), січені м’ясна та рибна маси, надмірно гідратовані, рідке тісто для млинців.

Якщо система висококонцентрована за білком, то денатурація і вид коагуляції здебільшого залежать від виду білка. Такі білкові системи здатні до формоутворення, що реалізовано в багатьох технологічних процесах: отримання виробів з яєць, січених рибних, м’ясних виробів, отримання ковбасних виробів та ін.

Гелеутворення має різний характер залежно від виду білка. Коли білок утворює з водою колоїдний розчин, то в результаті коагуляції він не втрачає вологи, утримуючи її за рахунок іммобілізації. Але в природі таких білків обмаль — це білки яєць, плазми крові, тварин, білки біологічної рідини крилю. У технологічному плані вони досить дефіцитні. Умовно гелі, які утворюються з утриманням вологи, отримали назву ліогелі.

Якщо білки достатньо гідратовані, але концентровані, і утворюють з водою дисперсію, то, як правило, коагулюючи при денатурації, вони утворюють гелі, які утримують форму, але які характеризуються інтенсивним синерезисом. Ці гелі умовно звуться коагелями. Коагелі отримуються із дисперсії м’яса, риби. Аналогічно поводяться білки борошна, але їх об’єктивна втрата вологи приховується клейстеризацією крохмалю. Утворення гелів другого роду при коагуляції та супровідні їм процеси — це ключове технологічне завдання, оскільки більшість харчових продуктів формуються завдяки цьому процесові. Реалізуючи здатність білка до гелеутворення, а також регулюючи цей процес, удається керувати якістю кінцевих продуктів. Так, змішуванням білків, здатних утворювати ліогелі, з білками, здатними утворювати коагелі, вдається знизити синеретичні процеси.

Введенням сахарози та інших простих цукрів або розчинних декстринів вдається підвищити температуру коагуляції білків, тобто температурно їх стабілізувати, що широко використовується в технології солодких страв і соусів з використанням яєць. Навпаки, використання високих концентрацій солі, спирту та інших дегідраторів цю температуру знижує.

Інколи коагуляційні процеси використовуються для виділення білків. На цьому ґрунтується отримання сиру, казеїну. Співосадження білків при коагуляції отримало назву копреципітації, а кінцеві продукти — копреципітати. Найважливіше місце копреципітація посідала в технології вилучення сироваткових білків з молока. Відомі яєчно-молочні копреципітати та деякі інші.

У денатурації білків значну роль відіграють інші компоненти біологічної системи, у тому числі ліпіди, вуглеводи. Завдяки складній будові та досить високій реакційній здатності функціональних груп білків, вони легко з ними комплексоутворюють сполуки, що значно видозмінюють властивості білків. Як правило, наслідком цього є значне зниження функціональних можливостей білків.

Взаємодія з ліпідами йде кількома шляхами.

По-перше, ця взаємодія може бути за рахунок адсорбції білкових молекул на бімолекулярному шарі ліпідів. Взаємодія може супроводжуватися зміною структури білкових молекул, тобто їх денатурацією.

Другий вид взаємодії між білками та ліпідами йде за рахунок включення білка до складу поверхні бімолекулярного шару, що викликає часткову зміну на рівні четвертинної та третинної структур білка. Наслідком цього є зміна функціональних можливостей білка.

Третій вид взаємодії білків та ліпідів полягає в тому, що за рахунок білка на поверхні мембрани білок повністю змінює четвертинну, третинну, вторинну структури. При цьому поліпептидні ланцюги знаходяться серед полярних груп ліпідів, постійно змінюючи свою форму. Білки зорієнтовані гідрофільними та гідрофобними ділянками до води та жиру. Білки втрачають свою функціональну та технологічну роль, у тому числі й ферменту.

Ліпіди, що мають полярні групи, здатні зв’язуватися з білком електростатичними силами. Так, фосфоліпіди взаємодіють із білком своїми фосфатидними групами і четвертинними атомами азоту (фосфатидилхоліни, фосфатидилетаноламіни), вільні жирні кислоти — своїми карбоксильними групами. Ці ліпіди виявляють спорідненість до амінокислот, які мають групи: -ОН; = NH; -NH₂; =S.

Також можлива взаємодія за рахунок полімеризації.

Взаємодія між білком та ліпідом можлива під впливом різних технологічних факторів, наприклад тепла, вологи.

Міцність зв’язку жирних кислот з білком підвищується зі зростанням їх не насиченості. Подвійні зв’язки жирних кислот підвищують здатність до окислення сульфгідрильних та пептидних зв’язків з виникненням дисульфід них (-S-S-) та азотних (-CO-N-N-CO-) містків.

Особливий характер має взаємодія білків з окисленими ліпідами. При окисленні ліпідів у присутності білків виникає комплекс, який стабілізується за рахунок води.

Білкові речовини харчових продуктів, як колоїди, можуть «старіти» під плином часу, змінюючи при цьому властивості продукту в цілому. Тому довгострокове зберігання харчових продуктів у підприємствах громадського харчування та харчопереробного комплексу в результаті денатурації білків, як правило, призводить до погіршення технологічних властивостей сировини. Тому кулінарна продукція, що отримується з попередньо заморожених м’яса, риби, птиці, суттєво за показниками відрізняється від аналогічних і отриманих зі свіжої сировини.

Денатурація сприяє комплексоутворенню. Так, експериментально доведено, що комплексоутворення між окисленими ліпідами та казеїном у присутності вологи при кімнатній температурі виникає вже по 10…15 хвилинах. Дуже активні до комплексоутворення полярні ліпіди.

Широко відома в технології реакція цукроамінної конденсації, яка лежить у основі термічної денатурації та деструкції білків. Результатом реакції є значна зміна функціональних та технологічних властивостей білків, а також органолептичних показників харчової системи — кольору, смаку, консистенції.