Білет № 11
Основні фізико-хімічні та технологічні властивості білків.
Сепарування рідкої сировини: теоретичні основи процесу, основне устаткування.
Основні поняття про функціональне харчування.
Основні фізико-хімічні та технологічні властивості білків.
Основні фізико-хімічні властивості білків.
Амфотерність білків.
а-Амінокислоти, які є мономерами білка, у водних розчинах при нейтральних рН існують переважно у вигляді диполярних іонів (цвітер-іонів), у яких аміногрупи протоновані (-Ш,), а карбоксильні групи дисоційовані (-СОСГ). Іонізація молекул амінокислот залежить від рН розчину:
Таким чином амфолітна природа білка базується на кількості кислих і основних груп в бічних ланцюгах і їх розподілі, так як у загальному випадку кінцеві аміно- і карбоксильні групи вносять дуже малий внесок у сумарний заряд молекули. Залежно від рН розчину молекули білка несуть позитивний (в кислій області) або негативний (у лужній області) надмірний заряд, причому в обох випадках гідратація й розчинність зростають.
Незалежно від знаку заряду вирішальний фактор, що визначає гідратацію, — різниця між сумами зарядів на молекулі білка. Стан, коли білкова молекула являє собою цвітеріон, тобто позитивні і негативні заряди в молекулі взаємно врівноважені (сумарний заряд молекули дорівнює нулю) називається ізоелектричною точкою білка. В ізоелектричному стані розчинність і гідратація мінімальні, відсутній рух в електричному полі. Ізоелектрична точка може бути визначена з кривій титрування, що відбиває сумарний стан іонізації молекули. У разі глобулярних білків групи, які іонізовано, переважно локалізовані на поверхні молекули. Групи, які знаходяться всередині або приймають участь в утворенні водневих зв'язків, можуть бути зареєстровані титруванням після денатурації. Крім того, ізоелектрична точка може бути встановлена шляхом визначення мінімуму розчинності у різних буферних розчинах, електрофорезі при різних рН і деякими іншими методами. У білків, що містять багато лужних амінокислот, ізоелектричні точки знаходяться в лужний, а у багатих амінодикарбоновими кислотами білків — в кислій області рН.
Розчинність білківє змінною величиною і залежить від кількості полярних і аполярних груп і їх розташування по молекули. Як правило, білки, розчинні тільки в строго полярних розчинниках, таких, як вода, гліцерин, формамід, диметилформамід або мурашина кислота. На розчинність білків впливає декілька факторів:
1) рН розчину. Чим ближче рН до ізоелектричної точки, тим менше розчинність;
2) природа розчинника. Чим нижче діелектрична проникність тим менше розчинність;
3) концентрація електроліту (іонна сила розчину). Білки з яскраво вираженим асиметричних розподілом заряду, як, наприклад, сироваткові глобуліни, вимагають для розчинення або стабілізації розчину певної концентрації солі. Цей сольовий ефект заснований на зниження асоціації або агрегації білкових молекул, викликаному приєднанням низькомолекулярних протиіонів. Результатом є підвищена гідратація і поліпшення розчинності білка, його дисоціація при цьому утруднена.Висолювання, яке приводить до осадження білків, засноване на зниження гідратації білка за рахунок гідратації іонами електроліту. Так як для різних білків необхідна різна концентрація електроліту, яка приводить до осаджування, висолювання відноситься до важливих і зручних методів грубого фракціонування білків.
4) структурні особливості молекули білка. Глобулярні білки більш розчинні ніж фібрилярні.
Денатурація — це будь-які викликані фізичними та хімічними впливами зміни, які при збереженні первинної структури білка супроводжуються більшою або меншою зміною його фізико- хімічних та біологічних індивідуальних властивостей. При денатурації послаблюються гідрофобні взаємодії, розриваються водневі зв'язки, а в присутності відновників і дисульфідні зв'язки. Денатурація з розривом невалентних зв'язків зазвичай оборотна. Шляхом утворення нових невалентних зв'язків, а також завдяки взаємодії з денатуруючою речовиною нова конформація стабілізується. Виникає метастабільний стан, який при відновленні умов може повернутися до нативної конформації (ренатурація).
При довільному дисульфидному обміні, неспецифічному окисленні і при утворенні ковалентних зв'язків іншого виду денатурація незворотна. Перехід від нативного стану з мінімальною енергією до невпорядкованою денатурованої форми супро воджується збільшенням ентропії. Але, звичайно, одночасно підвищується впорядкованість навколишніх молекул води, оскільки відбувається додаткова гідратація вивільнюваних гідрофобних груп бічних ланцюгів, так що цей ефект в значній мірі компенсується. При денатурації змінюються і інші властивості білкової молекули: зменшуються розчинність і здатність кристалізуватися з-за появи додаткових груп, здатних до іонізації, шляхом розгортання пептидних ланцюгів; зміщується ізоелектрична точка; підвищується в'язкість; збільшується з-за звільнення фенольних гідроксильних груп поглинання в УФ-області. Змінюються також біологічні властивості білків, в більшості випадків вони зовсім втрачаються, ферменти інактивуються, гемоглобін стає нездатним приєднувати та переносити кисень, міофібрилярні білки втрачають можливість скорочуватися і т. ін. До факторів, які приводять до денатурації білка відносяться:
1. Хімічні фактори. Хімічна денатурація досягається насамперед за допомогою з'єднань, які розривають водневі зв'язки (розчин сечовини 6—8 моль/дм3, розчин гідрохлориду гуанідіна 4 моль/дм3), обробкою кислотами і лугами (рН<3, рН>9), а також впливом поверхнево-активних речовин, наприклад, 1 %-ним розчином додецилсульфату натрію. Чутливість окремих білків до денатуруючих засобів різна.
2. Фізичні фактори. Фізично денатурація може бути викликана механічними (сильне перемішування, струшування) або фізичними впливами (нагрівання, ультрафіолетове, рентгенівське і радіоактивне опромінення, обробка ультразвуком і абсорбція на межі розділу).Теплова денатурація в початковій стадії може бути оборотною. На наступній стадії неконтрольована агрегація веде до утворення неупорядкованого клубка.
Молекулярна маса.
Молекулярні маси білків, що складаються з одного поліпептидного ланцюга, лежать в інтервалі від 10 000 до 100 000, для більшості многоланцюгових (олігомерних) білків — від 50 000 до багатьох мільйонів. Для визначення молекулярної маси і одночасно форми молекули підходять різні фізико-хімічні методи, які можна підрозділити на кінетичні і рівноважні. Кінетичні методи засновані на оцінці процесу перенесення частинок, наприклад визначення в'язкості, вимірювання швидкості седиментації і дифузії в ультра- центрифузі і визначення електрофоретичне і гель-хроматографічне. При рівноважних методах розчин білка знаходиться в термодинамічно рівноважному стані. До рівноважних методів належать вимірювання світлорозсіювання і осмотичного тиску, а також метод малокутового рентгенівського розсіювання. Внаслідок схильності багатьох білків до агрегації або дисоціації на субодиниці в залежності від концентрації визначення молекулярних мас є проблематичним, та інтерпретація результатів різних фізико-хімічних методів стає неоднозначною. Зазвичай сумують значення для різних фракцій і потім ділять отриману на кількість частинок в розчині.
Основні технологічні властивості білків.
Білки тваринного походження, такі як білки молока (казеїни), яєць і м'яса, широко використовуються у виробництві продуктів. Ці білки є сумішшю з декількох білків з широким спектром фізико- хімічних властивостей, і вони здатні виконувати кілька функцій. Наприклад, яєчний білок володіє декількома функціональними (технологічними) можливостями, такими, як гелеутворення, емульгуюча здатність, піноутворення, вологоутримуюча здатність, коагуляція при нагріванні, що робить білок незамінним для виробництва багатьох харчових продуктів. Рослинні білки (наприклад, білки сої й інших бобових і олійних), а також інші білки, як, наприклад, сироваткові білки, використовуються в обмеженому ступені у звичайних харчових продуктів. Хоча ці білки є також сумішшю декількох білків, вони не підходять для приготування більшості харчових продуктів, так як білки тваринного походження.
Розчинність та гідратація
Розчинність білків залежить від багатьох факторів, в першу чергу від технологічних параметрів одержання білків. Цей показник використовують одним із перших показників якості харчових білків. Кількісно розчинність білків оцінюють за коефіцієнтом розчинного азоту (КРА) та коефіцієнтом дисперсності білку (КДБ).
Гідратація — процес зв’язування води сухими речовинами або структурою продукту. Процес гідратації належить до складних колоїдних процесів. Розчинність білків або білковмісних речовин також є різновидом гідратації, але розчини як харчова система з певними характеристиками, не охоплюють увесь спектр білкових речовин, їх агрегатний та колоїдний стан, які здатні до гідратації.
Ступінь гідратації (г води гідратації/г білка) різна. Це 0,22 для овальбуміну (в сульфаті амонію), 0,06 для едестіну (в сульфаті амонію), 0,8 для Р-лактоглобуліну і 0,3 для гемоглобіну.
Залежно від співвідношення біополімеру і води, а також від функціонального стану біополімеру, вода, яка бере участь у гідратації, відносно до біополімеру може бути охарактеризована як вільна або зв’язана, або одночасно зв'язана у певній частині та вільна в іншій частині.
Слід підкреслити, що стан вільної та зв’язаної води не має різкої межі та залежить від методу його визначення. Однак зв'язана вода взаємодіє з біполімерами, реагуючи на їхні властивості.
Структурно вільна вода здатна утворювати льодоподібну тетрамерну структуру, де кожна молекула оточена чотирма іншими. Утворення упорядкованої структури пояснюється можливостями утворювати водневі зв'язки.
Для зв’язаної вологи розрізняють наступні форми зв'язку:
1. Хімічний— коли вода стає частиною молекули речовини і може бути видалена тільки в результаті нагрівання до температур більших за 100°С або за хімічної взаємодії. Це досить міцний зв'язок. Прикладом такого зв'язку може бути вода кристалогідратів. Вода відносно до білків бере участь у реакції гідролізу та окислення;
2. Фізико-хімічний— коли вода утримується іонізованими групами, або молекулярним силовим полем, або за рахунок осмотичних сил (вода набрякання).
Набряканнябілків у процесі гідратації має вибірковий характер стосовно розчинника. У зв'язку з тим, що білки містять у своєму складі полярні групи, набрякають вони у полярних розчинниках — воді, спиртах, а також в водних розчинах різної концентрації, розчинах карбонових кислот, лугів, розчинах електролітів.
На ступінь та кінетику набрякання білкових речовин у відповідному до властивостей білка розчиннику впливають різні фактори: температура, тиск, величина рН середовища, присутність у розчині сторонніх речовин, особливо електролітів, та їх концентрація, ступінь подрібнення білкових речовин та така величина, як «вік» полімеру.
Згідно з принципами Ле-Шательє, швидкість набрякання білкових речовин у воді з підвищенням температури та тиску збільшується, а ступінь найбільшого набрякання зменшується.
Величина рН для всіх білків та білковмісних харчових продуктів є ключовою з позиції їхньої гідратації. Ця залежність також повністю пов'язана з набряканням систем.
Мінімальним набряканням та найбільшою здатністю до агрегації характеризуються білки в ізоелектричній точці. Оскільки заряд білкових речовин при цьому мінімальний, мінімальним є і ступінь гідратації білкових іонів. При зсуві величини рН від ізоелектричної точки заряд на білковій молекул збільшується, що приводить до міцелоутворення білків за присутності води.
На швидкість набрякання дуже впливає ступінь подрібнення. Зі збільшенням ступеня подрібнення до певних величин швидкість набрякання та гідратації білкових систем збільшується, оскільки збільшується поверхня контакту високомолекулярних речовин та води.
Суттєву роль у гідратації білкових молекул відіграє іонна та молекулярна адсорбція, що пов'язано з присутністю в білках полярних груп. При цьому вільні полярні групи забезпечують іонну адсорбцію, а зв'язані — молекулярну. Вільні полярні групи білка (карбоксильні, гідроксильні) утворюють на білковій молекулі полярні центри, дисоціюють у розчинах, набувають заряду, навколо якого і орієнтуються диполі води. Вода орієнтується пошарово навколо заряджених центрів білкової молекули, утворюючи гідратну оболонку. Такий вид гідратації білкової молекули зветься іонною адсорбцією. У багатьох випадках від іонної адсорбції залежить стабільність колоїду білка. Перший шар навколо полярних центрів — це орієнтовані нерухомі молекули, які міцно зв'язані з білком. Енергія зв'язку інших шарів води значно зменшується з віддаленням від центру міцели. Вологу першого шару називають зв'язаною, гідратаційною, вологою молекулярної адсорбції; решти шарів — вологою полімолекулярної адсорбції, яка за деяких певних умов не відрізняється від вільної. Зв'язана волога за своїми властивостями відрізняється від вільної — вона не замерзає, не є розчинником, не випарюється під час висушування. Її діелектрична постійна наближається до діелектричної постійної льоду.
У зв'язаних групах (пептидних групах головних поліпептидних ланцюгів, гідроксильних, сульфгідрильних) заряд виникає за рахунок зміщення спільної пари електронів до одного з атомів, що є причиною виникнення різниці потенціалів і, як наслідок, орієнтації диполів води. Така адсорбція зветься молекулярною. Величина молекулярної адсорбції постійна для кожного білка.
Адсорбційна водаутримується біля білка полярних груп не лише за рахунок електростатичного притягання, а також за рахунок утворення водневих зв'язків. Різні полярні групи утримують біля себе різну кількість диполів води: пептидна — 2, гідроксил та аміногрупи — по 3, карбоксильні — 4. За рахунок цього величина мономолекулярної адсорбції досягає 4—10 % на сухий залишок білка.
Гідратація складається з двох стадій. Перша стадія гідратації є екзотермічним процесом та полягає в міцелоутворенні. При цьому навколо іонізованих полярних груп утворюються сольватні оболонки.
Вода утримується за рахунок водневих зв'язків. У ході подальшої гідратації тепловий ефект набрякання прогресивно зменшується. Це зумовлено тим, що молекули води, які вкривають гідратною оболонкою електронегативні групи колоїдів, після насичення водневих зв'язків починають утримуватися силами електростатичного тяжіння. Сили електростатичного тяжіння обернено пропорційні квадрату відстані, за рахунок чого вода в периферійних шарах водяних оболонок утримується вже такими малими силами, що може бути видалена дією невеликих зовнішніх тисків. Під час набрякання молекули води розміщуються між молекулами білкового колоїду, розсувають їх, що зменшує силу взаємодії між ними та опір проникненню нових молекул води. В технології це виявляється наступним чином: більше гідратовані системи гідратуються швидше, а ніж менше гідратовані.
Водночас, при нарощуванні гідратної товщини проходить швидке зменшення сил притягання води, і процес набрякання сам собою гальмується.
Таким чином, не вся маса води, яка зв'язується з колоїдом, утримується однаково міцно. Це дає підставу вважати частину води, яка утримується силами меншими за прийняту величину, вільною водою, а більшими силами — зв'язаною. Часто вважають, що вода, яка замерзає при температурі до -15 °С — вільна, тоді як решта, що замерзає при нижчих температурах — зв'язана.
Піноутворення та емульгування.
Важлива функціональна властивість — здатність стабілізувати дисперсні системи (емульсії, суспензії). Білки широко використовують для одержання стабільних харчових емульсій і пін (морозиво, креми, кондитерські вироби). В таких дисперсних системах білки відіграють подвійну функцію — емульгаторів (за рахунок поверхневої активності) та стабілізаторів (збільшують в'язкість дисперсійного середовища).
Піноутворююча здатністьрізна для різних білків. Сироватковий альбумін добре утворює піни, яєчний альбумін гірше. В той же час яєчний білок, який є сумішшю протеїнів, збивається особливо добре. У цьому випадку для полегшення утворення піни необхідні глобуліни. Овамуцін стабілізує піну, яєчний альбумін і кональбумін дозволяють утримати її під час термічної коагуляції.
Піни — це дисперсії газів в рідинах. Білки стабілізують піни шляхом формування гнучкою, щільної плівки навколо бульбашок газу. Під час взаємодії білки адсорбуються на поверхні за допомогою гідрофобних частин, це супроводжується частковим розгортанням молекули (поверхнева денатурація). Зменшення поверхневого натягу, викликане адсорбцією білка сприяє формуванню нових поверхонь і, таким чином, нових газових бульбашок.
Чим швидше білкова молекула може проникати в поверхню і чим легше вона денатурує, тим більше піноутворення. Ці характеристики, у свою чергу, залежать від молекулярної маси, гідрофобності поверхні, і стабільності конформації молекули білка.
Піни руйнуються тому що великі бульбашки газу ростуть за рахунок більш дрібних бульбашок. Плівка білка протидіє цьому. Тому стабільність піни залежить від міцності білкової плівки і її проникності для газів. Міцність плівки залежить від адсорбованої кількості білка і здібності адсорбованих молекул до асоціації. Поверхнева денатурація загалом звільняє додаткові амінокислоти бічних ланцюжків, які можуть увійти в міжмолекулярну взаємодію. Чим сильніше поперечні зшивання, тим більш стабільна плівка. Таким чином найменшу можливий заряд ланцюга, сприяє асоціації, рН системи має лежати в діапазоні ізоелектричної точки білків, які беруть участь у формування плівки.
Загалом, ідеальний піноутворюючий і піностабілізуючий білок характеризується низькою молекулярною вагою, високою гідрофобністю поверхні, гарною розчинністю, невеликим чистим заряд і легко піддається денатурації.
Піни, стабілізовані білками, руйнуються ліпідами, органічними розчинниками, наприклад, вищими спиртами, які за своєю гідрофобності витісняють білки з поверхні газових бульбашок, проте самі не в змозі формувати стабільні плівки. Навіть низькі концентрації яєчного жовтка, наприклад, запобігають піноутвореиню яєчного білка.
Піноутворюючі і піностабілізуючі характеристики білка можуть бути поліпшені шляхом хімічної і фізичної модифікації. Так, частковий ферментативний гідроліз призводить до меншої, більш швидкої дифузії молекул, кращою розчинності і звільняє гідрофобні групи. До недоліків цієї модифікації відноситься в цілому більш низька стабільність плівки і зменшення теплового коагуляції.
Також можливе поліпшенняі шляхом введення заряджених або нейтральних груп і часткової теплової денатурації (в т.ч. сироваткових білків).
Піноутворююча властивість білків характеризують об'ємом або висотою стовпчика одержаної піни, що стабілізується одиницею маси білку.
Емульсії— дисперсні системи, які складаються з однією або більше незмішуваних рідин. Вони стабілізуються емульгаторами, сполуками, які утворюють поверхневі плівки, і, таким чином, запобігають розшаровуванню рідин. З-за їх амфолітної природи, білки можуть стабілізувати емульсії жиру у воді, наприклад, молоко. Цю властивість використовують у великих масштабах при виробництві харчових продуктів.
Адсорбція білка на поверхні олійною краплі термодинамічно вигідна, тому що гідрофобні амінокислотні залишки орієнтуються в сторону протилежну сітці водневих зв'язків навколишніх молекул води. Крім того, контакт білків з краплею олії призводить до витіснення молекул води з гідрофобної області поверхні розділу масло-вода. Таким чином, емульгуюча здатність білка залежить від швидкості, з якою він може проникати в поверхню і від здатності деформувати його молекулу під впливом поверхневого натягу (денатурації).
Швидкість дифузії залежить від температури і молекулярної маси, які, у свою чергу, впливають на рН і іонну силу. Здатність до адсорбції залежить від наявності гідрофільних і гідрофобних груп і, таким чином, від амінокислотного складу, а також від рН, іонної сили і температури. Конформаційна стійкість залежить від амінокислотного складу, молекулярної маси і внутрішньо-молекулярних дисульфідних зв'язків. Таким чином, білок з максимальною емульгуючою здатністю має відносно низьку молекулярну вагу, збалансований амінокислотний склад, гарну розчинність у воді, добре розвинену гідрофобну поверхню, і відносно стабільну конформацію. Молекула β-казеїну відповідає цим вимогам з-за слабо вираженої вторинної структури обумовленої відсутністю -SН груп.
Розчинність і емульгуюча здатність ряду білків можуть бути поліпшені обмеженим ферментативним гідролізом.
Емульгуючу властивість характеризують відношенням максимальної кількості емульгованого жиру до кількості білків у розчині.
Гелеутворення.
Гелі це дисперсні системи, що складаються принаймні з двох компонентів, один з яких утворює безперервну тривимірну макромолекулярну сітку, яка виступає в ролі каркасу, порожнечі в якій заповнені низькомолекулярним розчинником шар середовищем.
Прикладом полімерної сітки є желатин. Формування тривимірної сітки здійснюється через агрегування неупорядкованих волокнистих молекул в частково впорядковані структури, наприклад утворюється подвійна спіраль. Характерним для гелів є низькі концентрації полімеру (~1 %), а також прозорість і ніжність текстури. Причиною гелеутворення може бути певне значення рН, додавання певних іонів, або нагрівання/охолодження. Оскільки агрегування відбувається в основному через внутрішньо- молекулярні водневі зв'язки, які легко руйнуються при нагріванні, полімерні сітки термооборотні, тобто гелі формуються коли розчин остигає, і вони плавляться знову, коли він нагрівається.
Гелеутворююча здатність білків характеризується значенням критичної концентрації, тобто мінімальною концентрацією білків в системі, при якій відбувається утворення гелю. Пружні властивості гелю залежать концентрації білка, рН, присутності інших білків, солей і полісахаридів.