2.2.3 Модифікація білків

Модифікація- вплив на структуру білка, що призводить до зміни цілого комплексу фізико-хімічних властивостей.

Модифікація відкриває шлях до цілеспрямованого регулювання функціо­нальних властивостей білкових систем у технології харчових продуктів.

Слід підкреслити, що в технології продукції ресторанного господарства модифікація ФВ білків не поширена, але з позиції сучасних знань використання модифікації дозволить суттєво впливати не тільки на технологічний процес, але й на рецеп туру виробів та їх кінцеву якість.

Виділяють три основних напрямки в регулюванні ФВ харчових білків:

• хімічна модифікація;

• ферментативна модифікація; фізико-хімічна модифікація.

Ці процеси не є контрастними і можуть бути успішно використані ком­плексно

Класичним прикладом вивчення функціональних властивостей і можливо­стей модифікації структури білка є вивчення змін білка колагену та отримання желатину. Колаген має структуру гігантського витягнутого гвинта - спіралі з трьох лівозакручених і скручених поміж собою тяжів. Ця структура значною мірою визначає властивості сполучної тканини м'яса - міцність, еластичність, структуру, індиферентність до води. Нагрівання в початковому режимі руйнує цю унікальну структуру, спіраль розпадається, а окремі тяжі визволяються у формі неуиорядкованих у просторі поліпептидних ланцюгів. Ланцюги здатні під час охолодження знову скручуватися в спіралі та спонтанно збиратися в аг­регати, утворюючи просторову сітку з виникненням гелю. Змінюються і влас­тивості колагену - він стає розчинним у гарячій воді.

Структура природних фібрилярних білків є еталоном під час отримання м'ясоподібних систем із протеїнів рослинного походження. Так само взаємне розміщення молекул желатину в гелях можна розглядати як зразок для інших гелеподібних білкових структур, а також як бажаний технологічний момент, який забезпечує гелеутворення. Тому цікавим в науковому та технологічному плані є розробка методик перетворення білків з іншими струкгурними характе­ристиками, наприклад, глобулярних у фібрилярні.

Білки, що здатні до гелеутворення, повинні мати дуже компактну струк­туру з гнучкими поліпептидними ланцюгами, які можуть взаємодіяти між со­бою та утворювати сітку в просторі. Ця взаємодія, у свою чергу, визначається характером розміщення полярних і неполярних амінокислотних залишків у по­ліпептидних ланцюгах. Як правило, вона здійснюється за рахунок сил побічної валентності - водневих зв'язків, електростатичних та гідрофобних взаємодій - і залежить від умов середовища: рН, концентрації солі, температури. Так, стру­ктура основного молочного білка казеїну забезпечує сприятливі умови для ге­леутворення. Але в звичайних умовах гелеутворення проходить або в сильно- кислому, або в лужному середовищі. Для того, щоб казеїн утворив гель у зоні харчових рН, необхідно провести модифікацію його поліпептидних ланцюгів.

Особливість структури білків пшеничної клейковини забезпечує утворен­ня зчепленої еластичної системи за рахунок виникнення значної кількості між­молекулярних дисульфідних зв'язків, які з'єднують багато поліпептидних лан­цюгів у одну гігантську молекулу. Така структура потрібна для утворення тіста та отримання виробів необхідної якості. Механічні властивості тіста визнача­ються різними параметрами, але передусім - кількістю утворення дисульфідних містків та їх розміщенням. Звідси виникає можливість регулювання хлібопека­рних позитивних якостей клейковини шляхом відновного розщеплення або окислювального замикання дисульфідних зв'язків (рис. 2.3).

Визначення взаємозв'язку між структурою клейковини різних продуктів з пшениці та хлібопекарними позитивними якостями борошна - предмет дослі­джень багатьох вчених різних країн.

Піддаючи природну клейковину відновленню терегульованому повтор­ному окисленню у присутності агентів, які викликають дисоціацію структури природного

білка, наприклад сечовини, вдалось надати клейковині різних рео­логічних властивостей - отримати легкорозчинні, липкі, нееластичні продукти

з білком клейковини, який має середню молекулярну масу, важкорозчинні зче­плені еластичні продукти з властивостями нативної клейковини. Це відкриває принципово нові можливості в розви тку технології клейковини, що важливе не лише для хлібопекарської, а й для інших галузей харчової промисловості.

Наведені приклади підтверджують, що структура білка дуже сильно впливає на його характеристики та, зрештою, визначає функціональні та техно­логічні властивості білковмісних продуктів.

Хімічна модифікація здійснюється за рахунок кислотного або лужного гідролізубілків, стабілізації білків шляхом солеутворення, ацилюваннятощо.

Можливості хімічної модифікації пов'язані, насамперед, із регулюванням властивостей харчових продуктів у широкому технологічному спектрі. Це сто­сується деструкції пептидних ланцюгів, гідролізу амідних груп аспарагіну та глутаміну, зміни структури білка шляхом створення нових ковалентних та іон­них зв'язків. Хімічна модифікація допомагає реіулювати гідрофільно- ліпофільний баланс білкової системи шляхом введення за допомогою реагентів додаткових функціональних іруп, змінювати сумарний заряд білка, що в цілому регулює і розширює спектр використання білковмісних продуктів.

Значного поширення ці способи обробки (особливо лужний гідроліз) отримали для солюбілізації білків риби в процесі отримання рибних білкових концентратів. Загальним результатом цього є підвищення розчинності, емуль­гуючої та піноутворюючої здатності.

Інтенсивність процесу гідролізу залежить від багатьох факторів, у тому числі від виду та концентрації лугів та кислот, субстратного співвідношення, температури, часу гідролізу. За багатьох загальних рис цей процес має бути оп- тимізованим відносно до конкретного білка та конкретної сировини.

Результатом повного гідролізу є отримання амінокислот, що й використо­вується у новітніх технологіях. Ступінь гідролізу може бути проконтрольовано та скореговано. Але, поряд з позитивними наслідками гідролізу, виникають і негативні, до яких слід віднести утворення рацематів амінокислот, пептидів з гірким смаком.

Одним із прикладів хімічної модифікації в результаті дії лужного або ки­слого середовища є деструкція характерного для бобових та сої 1І-Б-глобуліну, що в цілому визначає нові функціональні властивості білка — здатність до геле­утворення, більш характерну для гнучких фібрилярних білків, як це притаманне для желатину.

Більшість білків рослинного походження, особливо сої, бобових, соняш­нику, на відмінність від желатину, казеїну або пшеничної клейковини, мають глобулярну структуру. Вони є класичним зразком глобулінів із гідрофобним ядром та гідрофільною поверхнею, яку вкрито шаром гідратаційної води. Особ­ливістю глобулінів рослинного насіння є те, що за структурою вони олігомери, тобто на рівні четвертинної структури складаються з декількох субодиниць, які утримуються в глобулі силами бічної валентності. Як глобулярні за структу­рою, вони не здатні утворювати гелі та імітувати м'ясоподібні системи, але їх властивості можна модифікувати.

Відомі два основних типи глобулярних білків із насіння олійних куль­тур - 11 -Б-глобуліни з молекулярною масою 300 000 Дальтон і 7-8-глобуліни з молекулярною масою 170 000 Дальтон. Компактна структура цих білків надає молекулі кулястої форми. Але за рахунок використання прийомів модифікації їм можна надати волокнистої або гелеподібної структури.

За екстремальних значень рН білки змінюють свою конформацію: збіль­шення однойменного заряду бокових ланцюгів спричиняє електростатичне відштовхування в поліпептидних ланцюгах та між ними, що, як наслідок, при­зводить до розпушення білкової структури. Олігомерні білки рослинного на­сіння ступенево дисоціюють до субодиниць (рис. 2.4). У глобулінів білків сої роз'єднання гідрофобної структури всередині глобули настає за значень рН 12,8. Для інших білків ця критична величина має інше значення. Якщо дисоці- йований розгорнутий білок піддати діалізу проти нейтрального буферного роз­чину високої іонної сили, то стається спонтанне гелеутворення. У цьому випад­ку гелеутворенню сприяє велика іонна сила, яка спричиняє підвищення гідро­фобної взаємодії. Тобто послідовне використання на першому етапі критичного значення рН, а на другому - великої іонної сили значно впливає на структуру білка і викликає гелеутворення.

Диссоціація та денатурація 11-в-глобуліну з рослинного насіння за екстремальних значень водневого показника рН

Цей принцип модифікації властивостей білка знайшов широке впрова­дження в технології струкгурованих продуктів способом прядіння.

Подібним чином можлива зміна структури білка шляхом нагрівання. Роз­пад білка на субодиниці, їх часткове розгортання та агрегація приводить, за оп­тимальних умов, до утворення білкових гелів. Але стабільність отриманих гелів залежить від утворення дисульфідних містків між поліпептидними ланцюгами.

Можливість солюбілізації білків шляхом солеутвореннявипливає з їх основних властивостей як полімерних амфолітів, здатних до взаємодії з катіо­нами та аніонами. Можливі два види взаємодії - утворення сольових «місточ­ків» та специфічна сорбція іонів на поверхні білка. При цьому утворюються протеїнати, які характеризуються значно більшою розчинністю, порівняно з на- тивними або знесоленими білками.

Ліотролні ряди аніонів та катіонів за впливом на розчинність білків на­ступні:

Са²⁺> М_ё^2н> Ьі⁺> Св⁺> Ыа⁺> К⁺> NH4⁺

БСКГ > СЮ₄" > Г > Ж>₃" > Вг > СІ" > СН₃-СОО" > НР0₄²" >80₄²'>

> ООС-СНОН-СНОН-СОО" > ЧХ)С-СН₂-С(ОН)-СН₂-~СО(У

соон

Зміна розчинності білків пов'язана зі специфічною взаємодією іонів, нас­лідком чого є зміна заряду білка на поверхні молекули та його конформації, які й забезпечують підвищену розчинність та більш високий ступінь гідратації. Пі­двищенню розчинності білка також сприяє зміна іонної сили розчинів.

Утворення протеїнатів широко використовується під час отримання біл­ків із сої (соєві протеїнати), молока (казеїнат та копреципітат натрію). Цей про­цес відомий у отриманні іонітного молока для дитячого харчування.

Найбільш широко із солей-модифікаторів використовують хлорид натрію та неорганічні фосфати. Так, регулюючи здатність м'ясних рецептурних компо­зицій до вологоутримання, використовують хлорид натрію, піро- або триполі- фосфат натрію, які підвищують розчинність міофібрилярних білків. Концептуа­льно фахівці вважають, що дія фосфат- та хлор-аніонів на розчинність міофіб­рилярних білків зводиться, в основному, до електростатичних ефектів. Водно­час відомо, що поліфосфати відносно білків характеризуються антиденатура- ційними, антисептичними, антиокислювальними властивостями, а також ви­ступають у ролі кріопротекторів.

З кожним роком використання протеїнатів у харчовій промисловості та ресторанному господарстві розширюється.

Модифікація білків шляхом ацилюванниоцтовим або сукцинуванняян­тарним ангідридами є одним із найпоширеніших прийомів хімічної модифікації білків. Відповідно до константи дисоціації, ліотропний ряд за зменшенням нук- леофільності функціональних груп бокових ланцюгів амінокислотних залишків наступний:

н₃с—с. \

білок оцтовий ангідрид ацетильований білок

Ці два процеси принципово відрізняються тим, що сполуки, які утворю­ються в результаті взаємодії білка з оцтовим ангідридом, компактні та електро- нейтральні. Реакція з янтарним ангідридом призводить до утворення більш об'ємних негативно заряджених білкових молекул.

Результатом такої модифікації є зрушення ізоелектричної точки білка до більш кислої зони. За дії янтарного ангідриду цей процес більше виражений. Це дає змоіу, навіть за низьких ступенів модифікації, значно покращувати такі тех­нологічні показники, як розчинність, здатність до емульгування та піноугворення.

Вочевидь, що в технологічній практиці ацетильовані та сукциновані білки риби можуть бути використані як вологоутримуюча добавка, а також як емуль­гатор та піноутворювач. Експериментально доведено, що ними можна заміняти яєчний білок, використовувати їх як гелеутворювачі та стабілізатори рецептур­них сумішей.

Підсумовуючи, можна сказати, що в результаті ацилювання в різному сту­пені змінюється сумарний заряд макромолекули, ізоелектрична точка зрушує до кислої зони. Як правило, зменшується спіральність ланцюгів, результатом чого є підвищення гідрофобності. Зростає тенденція до розпаду олігомерів на субоди- ниці, зменшується здатність до полімеризації, наприклад термічної, підвищуєть­ся розчинність у нейтральних та лужних ділянках рН, вологоутримуюча здат­ність, здатність до набухання. Збільшенням гідрофобності пояснюється підви­щення піноутворючої та емульгуючої здатностей.

Значно розширюються можливості використання модифікованих білків. Ацильовані казеїни молока використовуються як емульгатори та стабілізатори емульсій, загущувачі напоїв, соусів, плодових та овочевих пюре. Риб'ячі білки використовується як емульгатори, сполучні речовини та речовини, що утворю­ють гелі під час термообробки.

Ферментативна модифікація білківвключає:

• ферментативний гідроліз;

• пластеїнова реакція.

Ферментативна модифікація білків дозволяє цілеспрямовано змінювати структуру білка в різних напрямках. Завдяки частковому ферментативному гід­ролізу білка можна досягти підвищення розчинності, емульгуючої здатності, стимулювати здатність білка до ціноутворення, стабілізації пін та емульсій. За идяки специфічності ферментів, перетворення такого роду, переважно, зачіпає іільки певні ділянки або групи білкової молекули. Досить важливо, що біль­шість ферментативних процесів проходить у водному середовищі та, як прави­ло, за фізіолог ічних умов. Однак не всі ферментативні реакції білків мають зна­чення для харчової технології.

Найбільш ефективний метод підвищення розчинності білка - ферменга- іивний гідроліз.Але визначено, що високий ступінь гідролізу білка тваринно­го походження під дією таких ферментів (протеїназ), як пепсин, папаїн, протеї- наза, на тлі підвищення його розчинності супроводжується підсиленням нако­пичення пептидів гідрофобного характеру.

Незважаючи на складність управління ферментативними процесами, вони мають певну перспективу, бо не призводять до втрат харчової цінності, не погі­ршують засвоєння білків.

Особливий ефект досягається за поєднання ферментативного процесу та хімічної модифікації, наприклад сукцинування.

Ферменги-гідролізатори риб'ячого білка, які характеризуються високою піноутворюючою здатністю, у результаті сукцинування втрачають характерний рибний смак, що дозволяє їх використовувати у виробництві кондитерської продукції, морозива. Висока розчинність цих білків дозволяє їх застосовувати у виготовленні напоїв.

Значні перспективи дає наново відкрита пластеїнова реакція- зворот­ний процес ферментативного розщеплення, коли під дією протеолітичних фер­ментів наново утворюються пентидні зв'язки. За допомогою цієї реакції мож­ливо відтворити із часткових гідролізатів білків поліпептидні ланцюги з моле­кулярною масою близько 3000 Дальтон. Японським вченим вдалось застосува­ти цю реакцію для підвищення біологічної цінності та функціональних власти­востей білків.

Завдяки тому, що окремі амінокислоти, у тому числі й незамінні, здатні ре- аіувати у формі ефірів, їх можна цілеспрямовано вбудовувати в білки. Що біль­шою є гідрофобність, то швидше амінокислота включається до складу білка або пептиду. За швидкістю вбудови амінокислоти розміщені в такому порядку: ала­нін < тирозин < метіонін < лейцин < фенілаланін < триптофан.

Швидкість реакції можна підвищити, подовжуючи алкільний ланцюг ефі­рної групи. Це дуже важливе для менше г ідрофобних амінокислот, таких як лі­зин та глутамінова кислота.

Вбудовуючи триптофан, лізин та метіонін у зеїн - білок кукурудзи, який характеризується низькою харчовою цінністю, вдалося отримати пластеїн з ви­сокою біологічною цінністю.

Біологічна цінність соєвих білків низька через незначну кількість сірко­вмісних білків. Шляхом часткового гідролізу цього білка пепсином, змішування його з частковим гідролізатом кератину шерсті, багатим на сірковмісні аміно­кислоти, і наступної пластеїнової реакції під впливом нагарази (протеази Васіїия киЬиІій) отримують пластеїн з харчовою цінністю, близькою до казеїну.

Дуже цікавими є властивості пластеїнів, що отримані завдяки вклю­ченню глутамінової кислоти. По-перше, глутамінові кислоти, які отримано з

соєвих білків, розчинні за будь-яких значень рН і стійкі до термічної коагуляції. По-друге, вони отримали визначений смак термообробленош м'яса, що є харак­терним для глутамінату натрію.

Великі перспективи нластеїнова реакція має для вилучення небажаних амі­нокислот. До останніх можна зарахувати також і фенілаланін, присутність якого в їжі викликає тяжкі відхилення у хворих на фенілкегонурію. Частковий фермента­тивний гідроліз пепсином, вилучення фенілаланінових пептидів гель-фільтрацією і наступний пластеїновий синтез у присутності етилових ефірів тирозину та трип­тофану під дією рослинної протеази папаїну приводить до отримання мластеїнів, вільних від фенілаланіну, але збалансованих за рештою амінокислот.

Фізико-хімічна модифікаціябілкових систем включає наступні види:

• комплексоутворення з природними біополімерами (білками, полі­сахаридами тощо), а також із мономерними сполуками (вуглеводами, ліпідами);

• механічну дію різного роду;

• термічну дію тощо.

Комплексоутворенняза типом білок-білкова взаємодіязнайшло практи­чне впровадження ще раніше, аніж виникло наукове тлумачення цього явища. Так, було визначено, що спільне сушіння білків різної природи - риб'ячих та зернових - не лише приводить до отримання високоцінних білкових сумішей, а зберігає і високі функціональні властивості перших. Як зернові добавки до риб­ного фаршу може бути використано борошно пшениці, рису або інше борошно в кількості від 10% до 30%.

Добавка рослинних білків до м'ясних напівфабрикатів завдяки комплек- соутворенню забезпечує мінімальну втрату вологоутримуючої здатності під час термообробки.

Високими функціональними властивостями характеризуються кон'югати білків та вуглеводів, що традиційно використовується в технологічних проце­сах. Гак, здатність сахарози підвищувати температуру коаіуляції білків яєць широко використовується в технології солодких страв, кондитерських виробів. Давно відома здатність вуглеводів стабілізувати білки тваринного походження проти дії як низько-, так і високотемпературної денатурації. З'ясовано, що го­мологічний ряд сахаридів за антиденатураційною дію відносно до риб'ячих бі­лків наступний: мальтоза > сорбіт > сахароза > мальтит > глюкоза > лактиг.

Під час спільного висушування риб'ячих білків з моноцукрами утворю­ються комплекси, які характеризуються високою розчинністю. Розчинність од­ночасно залежить від природи цукрів та їх концентрації в рибному фарші. За впливом на розчинність продукту з риб'ячим білком найбільшою ефективністю характеризується глюкоза, менше впливові сахароза, фруктоза. Аналогічно ста­білізують риб'ячі білки гліцерин та модифікований крохмаль. За функціональ­ними властивостями відновлені рибні фарші з добавками, близькими до свіжо­виготовлених. Але вони потенційно можуть втратити харчову цінність унаслі­док реакції Майара.

Така стабілізуюча дія цукрів неспецифічна тільки відносно до риб'ячих білків. Виявлено, що введення глюко-дельта-лактону стабілізує м'ясні фарші.

Відомі також методи підвищення функціональних показників, особливо «сили» клейковини борошна, під час комплексоутворення білків борошна з ки­слими

полісахаридами, такими, як похідні пектину, а також за присутності кса- нтану (0,1. ..0,5%).

Поряд з нуклеотидами, білки від денатурації захищають також ліпіди - разом вони здатні до комплексоутворення. Природу цього явища остаточно не з'ясовано. Проте білки в білково-жирових емульсіях підлягають денатурації значно меншою мірою, що використовується під час виготовлення фаршевих ковбасних виробів.

Механічна діятакож має певну роль у модифікації властивостей білко­вих речовин. Так, інтенсивність помолу, спосіб і ступінь помолу є ключовими, за інших рівних умов, у визначенні якості пшеничного борошна.

Встановленням певних режимів термічноїдії регулюють деякі функціо­нальні властивості м'ясних систем, зокрема вологоутримуючу здатність, ніж­ність, соковитість виробів, що пояснюється частковим або повним руйнуванням окремих складових міофіламентів.

Тривалістю та параметрами термічної обробки регулюють показники яко­сті молочного сиру. Одночасне проведення механічного перемішування в сере­довищі сироватки призводить до утворення «казеїнового зерна», яке суттєво за органолептичними показниками відрізняється від сиру, отриманого термокис- лотною коагуляцією, але без перемішування.

Високий ступінь подрібнення м'ясних та рибних фаршів, особливо на ко­лоїдних млинах, призводить до механічної деградації саркомерів міофібрил, на­слідком чого є підвищення вологоутримуючої здатності та розчинності.

Часткова термічна коагуляція риб'ячих білків або термічне заварювання борошна, наслідком чого є часткова денатурація клейковини, змінюють коге­зію, дозволяють регулювати формуючу здатність та органолептичні показники харчових систем.

Можна припустити, що з-поміж способів фізико-хімічної модифікації найбільш перспективним є комплексоутворення, оскільки воно не має очевид­них недоліків, що характерні для хімічної та ферментативної модифікацій.