Перетворення білків у технологічних процесах харчових технологій

Будь-які зміни умов середовища в технологічних процесах виробництва харчових продуктів виливають на нековалентні зв’язки макромолекул білка і призводять до змін четвертинної, третинної і вторинної структури. Під дією технологічних факторів білки можуть утворювати ізоляти та приймати участь в реакціях, зокрема біохімічних.

Основні перетворення білків полягають у їх денатурації, гідролізі, утворенні токсичних елементів тощо

Денатурація – це руйнування нативної структури білків, яке супроводжується втратою біологічної активності (ферментативної, гормональної). З фізичної точки зору – це деструкція білкової молекули без зміни первинної структури.

Денатурація білків відбувається при нагріванні, охолодженні, обробці сильними кислотами і лугами, органічними розчинниками, ПАР (додецилсульфатом), сечовиною, важкими металами (Аg, Рb, Hg), а також може бути механічна денатурація при обробленні тиском.

Більшість білків денатуруються при температурі 60 – 80^оС. Але є й термостабільні білки – а-лактоглобулін молока, а-амілаза деяких бактерій. За однакової температури ступінь денатурації білків залежить від вологості середовища, рН, солевого складу, присутності небілкових сполук. Наприклад, температура денатурації білків сої та соняшника суттєво знижується в присутності жирних кислот, в кислому і вологому середовищі, але зростає в присутності крохмалю і сахарози,

Теплова денатурація білків є одним з основних процесів під час випікання хліба (спричинює утворення м’якушки), печива, сухарів, отримання екструдатів та сухих сніданків, варіння та жарення м’яса, риби.

Денатуровані білки мають нижчу розчинність, гіршу водозв’язувальну здатність, але краще засвоюються і таким чином впливають на харчову цінність продуктів.

Проте ступінь денатурації може бути різним, дуже глубоким (навіть може проявлятись у повній зміні розміщення пептидних ланцюгів з утворенням нових ковалентних -S-S- зв’язків).Тому засвоюваність може не тільки покращуватися, але й погіршуватись.

Механічна денатурація має місце при пресуванні сирих макаронних виробів. Під час пресування створюється тиск 5 – 7 МПа до 12 – 20 МПа, тісто може суттєво нагріватись. Механічна та теплова денатурація призводить до зниження міцності макаронних виробів.

Термічна обробка білків при температурі від 40 – 60 ^оС до 100 ^оС призводить не лише до денатурації, а й прискорює небажані термічні перетворення білків. До них відносять реакцію меланоїдиноутворення – реакцію взаємодії білків з відновлюваними сахарами (реакція Майяра), яка супроводжується утворенням карбонільних сполук і темнозабарвлених продуктів меланоїдинів. Суть реакції полягає у взаємодії амінної -NH₂ групи амінокислот з глікозидними гідроксилами сахарів.

Меланоїдини є забарвлюючими та ароматутворюючими речовинами. Проте цей процес має і негативне значення, оскільки зменшує вміст сухих речовин у продукті. Крім того, меланоїдини знижують біологічну цінність виробів, тому що зменшується вміст амінокислот, а сахароамінні комплекси не гідролізуються перетравлювальними ферментами.

Термічна обробка білоквмісних продуктів при температурі 100 – 120 ^оС призводить до руйнування макромолекул білка з розщепленням пептидних зв’язків і утворенням Н₂S, NH₂, CO₂, диметилсульфіда CH₃-S-CH₃ та інших сполук небілкової природи.

Серед продуктів термічного розщеплення білків зустрічаються сполуки, що мають мутагенні властивості, деякі з них викликають спадкові зміни в ДНК, їх вплив на організм може бути дуже важким, аж до летального.

Мутагенні сполуки утворюються під час жарення свинини, яловичини, птиці, в бульйонах, під час коптіння та в’ялення риби, при температурі 200 – 600 ^оС.

Токсичні сполуки білків утворюються при термічній обробці вище 200 ^оС за рахунок реакції ізомеризації амінокислот із L-форми в D-форму. Такі ж перетворення можливі при нижчій температурі, але в лужному середовищі.

Руйнування природних білково-ліпідних комплексів також є небажаними, оскільки ліпіди, що звільняються, можуть підлягати окисленню і здатні ініціювати окисні ланцюгові реакції білків, які призводять до зменшення амінокислот.

Гідроліз. Білки підлягають хімічному (під дією кислот та лугів) та біохімічному (ферментативному) гідролізу. Кислотний та лужний гідроліз білків здійснюється при кип’ятінні з міцними кислотами та лугами. Кислотний та лужний гідроліз здійснюється в технологіях отримання білкових концентратів та ізолятів для переведення білків у розчинний з наступним виділенням білків з розчину шляхом висолюванням. Підвищення кислотності тіста веде до часткової пептизації білків, тобто переходу їх у водорозчинний стан. Це може бути небажаним у разі перероблення борошна зі зниженими технологічними властивостями.

Ферментативний гідроліз білків здійснюється під дією протеаз, ферментів, які каталізують розрив пептидних зв’язків. Протеази поділяються на:

• пептидази, які діють на пептидні зв’язки поліпептидів, гідролізуючи їх з утворенням амінокислот (екзопептидази);

• протеїнази (папаїн, пепсин, трипсин), які діють на пептидні зв’язки білків, при цьому вони розщеплюють молекули білка на більш дрібні фрагменти, тобто під дією протеїназ відбувається лише деструкція білкової молекули (ендопептидази).

За більш пізньою класифікацією ці ферменти поділяються на екзопеп-тидази та ендопептидази, що відповідає пептидазам та протеїназам. Змінилось також уявлення про механізм дії цих ферментів, а саме: вважається, що екзопептидази не можуть гідролізувати в середині молекули, а діють з карбоксильного чи з амінного кінця білкової молекули, відщеплюючи послідовно по одній молекулі амінокислоти.

Пептидази мають кислотний оптимум рН_опт = 8 – 9, тому вони в тісті мало утворюють амінокислот.

Рослинні протеїнази є кількох типів: кислі з рН_оп = 3,7 – 4,0; нейтральні з рН_оп = 6,5 – 7,0; та лужні з рН_оп>8. Найбільшої уваги заслуговують нейтральні протеїнази, оскільки вони в декілька разів активніші кислих протеїназ і в умовах тіста суттєво впливають на білки клейковини. В дозрілому зерні пшениці нейтральні протеїнази та їх білкові інгібітори утворюють неактивний комплекс, зв’язаний з клейковиною. Співвідношення активності протеїназ у зерні та їх інгібіторів визначає стабільність білкового комплексу, його поведінку під час тістоприготування. До активаторів кислих протеїназ відносяться глютатіон та цистеін, але нейтральні протеїнази не активуються глютатіоном та цистеїном. Нейтральні протеїнази знижують свою активність в присутності хлориду натрію, фенольних сполук, меланоїдинів. У залежності від активності протеїназ і стану клейковинного комплексу можна змінювати кількість та стадію внесення солі і цим самим впливати на активність протеолізу. Наприклад, під час перероблення борошна зі слабкого клейковиною її треба вносити якомога раніше наприклад, сіль в опару і в трохи більшій кількості, а у разі надмірно міцної клейковини сіль потрібно вносити на більш пізніх стадіях.

Ферментативний гідроліз білків має важливе значення в інших харчових технологіях.

Пепсин (кисла протеїназа) використовується для зсідання згурджування (рос. свёртывание) казеїну молока і для розчинення білкової мутності у вині.

Реннін (схожий до пепсина) міститься в соці четвертого відділу шлунка телят, являє собою дуже потужну протеїназу, яка здійснює зсідання згур-джування молока.

Поряд з рослинними та тваринними протеазами у харчових технологіях широко застосовуються протеази мікробного походження (грибні та бактеріальні).