TIỂU LUẬN MÔN HỌC CẤU TRÚC THỰC PHẨM

TIỂU LUẬN MÔN HỌC CẤU TRÚC THỰC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & THỰC PHẨM  TIỂU LUẬN MÔN HỌC CẤU TRÚC THỰC PHẨM Đề tài : GEL PROTEIN, CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP TẠO CẤU TRÚC GEL CỦA CÁC PROTEIN TRONG CÁC THỰC PHẨM GIÀU PROTEIN Giáo viên hướng dẫn : GS.TS Lê Ngọc Tú Sinh viên : Nguyễn Văn Bình Lớp : Cao học thực phẩm – 2009 HÀ NỘI – 2009 Lời mở đầu Từ lâu thực phẩm phần thiếu đời sống người Cùng với tính thiết yếu ngành cơng nghiệp thực phẩm đời phát triển với mục đích tạo nên sản phẩm thực phẩm dinh dưỡng, an toàn để phục vụ người Sự phát triển khoa học nói chung khoa học ứng dụng thực phẩm nói riêng cho có hiểu biết sâu sắc hợp phần, cấu trúc, biến đổi trình chế biến sử dụng thực phẩm Mà cấu trúc sản phẩm yếu tố trước tiên tác động lên người tiếp xúc với sản phẩm thực phẩm Trong cấu trúc thực phẩm, cấu trúc gel cấu trúc quen thuộc có nhiều sản phẩm thực phẩm có cấu trúc giị, phomat … Tiểu luận tơi xin trình bày cấu trúc gel phân tích sản phẩm có cấu trúc gel phomat 1.Một số nét chung hình thành gel protein Cần phân biệt tạo gel với tượng khác tương tự, có giảm mức độ phân tán dung dịch protein lien hợp, tập hợp, trùng hợp, kết tủa, kết tụ đông tụ Các phản ứng liên hợp protein thường có quan hệ với biến đổi mức đơn vị mức phân tử phản ứng trùng hợp hố tập hợp hố lại tạo phức hợp có kích thước lớn Sự kết tủa protein lại bao hàm tất phản ứng tập hợp dẫn đến toàn phần toàn độ hoà tan Khi protein khơng bị biến tính giảm lực đẩy tĩnh điện mạch mà dẫn đến phản ứng tập hợp khơng trật tự xảy tượng kết tụ Các phản ứng tập hợp không trật tự xảy biến tính phản ứng tập hợp xáy tương tác protein – protein chiếm ưu so với tương tác protein – dung môi dẫn dến tạo thành khối lớn thô, gọi đông tụ Khi phân tử bị biến tính tự tập hợp lại để tạo thành mạng lưới protein có trật tự tượng gọi tạo gel Khả tạo gel tính chất chức quan trọng nhiều hệ thống protein đóng vai trị chủ yếu việc tạo cấu trúc hình thái sở để chế tạo nhiều sản phẩm thực phẩm Phomat, giò, gel gelatin, đậu phụ, bột nhào làm bánh mì thịt giả từ protein thực vật (được kết cấu cách đùn kéo sợi) sản phẩm có cấu trúc gel) Khả tạo gel protein sử dụng để tạo độ cứng, độ đàn hồi cho số thực phẩm mà để cải biến khả hấp thụ nước, tạo độ dầy, tạo lực liên kết (bán dính) tiểu phần làm bền nhũ tương bọt 2.Điều kiện tạo gel Sự gia nhiệt, đa số trường hợp cần thiết cho trình tạo gel Việc làm lạnh sau cần thiết đơi axit hố nhẹ nhàng có ích Thêm muối (đặc biệt ion canxi) cần, để tăng tốc độ tạo gel goặc để gia tăng độ cứng cho gel Nhiều protein tạo gel khơng cần gia nhiệt mà cần thuỷ phân enzim vừa phải, them đơn giản ion canxi, kiềm hố kèm theo trung hồ đưa pH đến điểm đẳng điện (sản xuất đậu phụ) Nhiều gel tạo từ protein dịch thể (lòng trắng trứng, dịch đậu tương), từ thể protein khơng tan tan phân tán nước muối (collagen, protein tơ cơ, isolate (dịch đậm đặc) đậu tương) phần toàn bị biến tính Như độ hồ tan protein luôn cần thiết cho tạo gel 3.Cơ chế tạo gel Cơ chế tương tác có quan hệ đến việc hình thành mạng protein ba chiều đặc trưng cho gel chưa hoàn toàn rõ Nhiều nghiên cứu đẫ rõ rang cần phải có giai đoạn biến tính giãn mạch xảy trước giai đoạn tương taco trật tự protein – protein tập hợp phân tử Khi protein bị biến tính cấu trúc bậc cao bị phá huỷ, liên kết phần tử bị đứt, nhóm bên axit amin trước ẩn phía xuất Các mạch polypeptit bị duỗi ra, gần nhau, tiếp xúc với liên kết lại với thành mạng lưới không gian ba chiều mà vị trí tiếp xúc mạch lạ nút Các phần cịn lại hình thành mạng lưới khơng gian vơ định hình, rắn, có chứa đầy pha phân tán nước Khi nồng độ tăng khả gel hố tăng số vị trí tiếp xúc để tạo nút mạng lưới tăng lên Nồng độ protein lớn hạt tiếp xúc trực tiếp không qua lớp của môi trường phân tán khối gel dề vị trí đặc biệt đầu mút, góc cạnh yếu tố bền dễ bị dễ tạo nút mạng lưới Các nút mạng lưới tạo tương tác nhóm ưa béo Khi nhóm gần nhau, tương tác với hình thành lien kết ưa béo, lúc phân tử nước bao quanh chúng bị đẩy chúng có khuynh hướng tụ lại Tương tác ưa béo tăng cường tăng nhiệt độ, làm mạch polypeptit sít lại với làm cho khối gel cứng Nút mạng lưới tạo lien kết hydro nhóm peptit với nhau, nhóm – OH serin, treonin tirozin với nhóm – COOH glutamic aspactic Nhiệt độ thấp liên kết hydro tăng cường củng cố có điều kiện để tạo nhiều cầu hydro Liên kết hydro liên kết yếu, tạo độ linh động phân tử nhau, làm cho gel có độ dẻo định Các mắt lưới gel gelatin chủ yếu liên kết hydro Khi gia nhiệt liên kết hydro bị đứt gel nóng chảy Khi để nguội liên kết tái hợp gel lại hình thành Tham gia tạo nút lưới gelcũng liên kết tĩnh điện, liên kết cầu nối nhóm tĩnh điện ngược dấu liên kết nhóm tĩnh điện dấu qua ion đa hoá trị ion canxi chẳng hạn Các mắt lưới cịn liên kết đisulfua taon nên Trong trường hợp tạo cho gel có tính bất thuận nghịch nhiệt, bền Một số protein có chất khác tạo gel đun nóng đồng thời (sự đồng tạo gel) Các protein tạo gel cách cho tương tác với chất đồng tạo gel polysacarit, làm thành cầu nối hạt gel tạo có độ cứng độ đàn hồi cao Cũng them chất alginate hay pectinat tích điện âm vào gelatin tích điện dương để tạo tương tác ion không đặc hiệu chuỗi peptit tao cho gel có nhiệt độ nóng chảy cao (80oC) Người ta thường thêm caraghenat polysulfat (tích điện âm) vào sữa (pH sữa) để tạo ion tương tác đặc hiệu với vùng tích điện dương casein K Vì mà mixen casein chứa gel caraghenat Khối gel tạo thành chứa lượng lớn nước phía Nhiều gel chứa tới 98% nước Ngồi lớp nước hydrat hố liên kết chặt chẽ với nhóm có cực chuỗi protein, cịn co nước dạng dng mơi tự Người ta nhận thấy, nước bị nhốt có tính chất giống nước dung dịch muối lỗngđược giữ lực vật lý, khơng thể bị đầy cách dễ dàng Có thể tạo gel tạo bẫy để nhốt nước Hoặc lỗ mạng lưới protein giữ nước dạng mao quản Khi từ dung dịch nước protein, giai đoạn đầu q trình tạo gel nhiệt sau (phương trình (II.1)): 1/ Phân li thuận nghịch cấu trúc bậc bốn thành đơn vị monomer; 2/ Biến tính khơng thuận nghịch cấu trúc bậc hai ba (sự giãn mạch phần): (PN)n ↔ nPN → nPD (II.1) Trong PN – protein tự nhiên; PD – Protein bị biến tính; n - số biết Người ta thấy, trạng thái gel cuối tương ứng với tập hợp protein phần bị biến tính (PD)x , (x < n) nên phương trình (II.2) (II.3): xPN (PN)x đun nóng xPN (PD)x đun nóng xPD đun nóng (PD)x đun nóng làm lạnh Phần đầu phương trình (II.2) phản ứng kết tụ, phần thứ hai phương trình (II.2) phản ứng đơng tụ khơ Trong điều kiện thuận lợi cho biến tính cho tập hợp (protein mang điện tích lứn pH thấp cao, lực ion yếu, có mặt số ion, có mặt tác nhân phân ly như: ure, guanidin, chất tẩy rửa) đun nóng làm xảy phản ứng theo phương trình (II.3) Giai đoạn tập hợp chậm so với giai đoạn biến tính có điều kiện để mạch polypeptit giãn mạch phần, có trật tự, đồng đều, trơn, trương mạnh, đàn hồi suốt; gel bền, không bị co tách dịch Ngược lại gel tạo thành từ tiểu phần protein có tập hợp thơ đục, đàn hồi đặc biệt không bền (gel bị co dễ chảy dịch) Sự giãn mạch phân tử protein làm xuất nhóm phản ứng nhóm kỵ nước (ưa béo) protein hình cầu Do tương tác kỵ nước protein – protein thuận lợi nguyên nhân việc tạo tập hợp liên tục Các protein có khối lượng phân tử cao có tỷ lệ phần trăm axit amin kỵ nước cao tạo gel có mạng lưới Khi nhiệt độ cao tương tác ưa béo thuận lợi hình thành liên kết hydro lại dễ dàng làm lạnh Sự gia nhiệt làm phơi bày nhóm – SH bên trong, xúc tiến việc hình thành trao đổi cầu đisulfua Khi có mặt nhiều nhóm – SH –S-S - tăng cường hệ thống mạng phân tử gel tạo bền với nhiệt Các cầu canxi lam cho gel có độ cứng độ bền tốt Vùng pH thuận lợi cho tạo gel mở rộng với tăng nồng độ protein Vì nồng độ protein cao liên kết ưa béo liên kết đisulfua có điều kiện để tạo thành bù trừ lại lực đẩy tĩnh điện cảm ứng vốn protein tích điện cao sinh Ở điểm đẳng điện vắng mặt lực đẩy nên gel tạo ta phồng, ngậm nước cứng Các protein có tỷ lệ axit amin ưa béo cao (trên 31,5% số phân tử) hemoglobin, ovalbumin, có vùng pH tạo gel thay đổi phụ thuộc vào nồng độ protein Trái lại protein có phần trăm axit amin ưa béo thấp (22÷31%) γ - globulin, serumalbumin, gelatin protein đậu tương… lại không thay đổi pH tạo gel nồng độ protein thay đổi 4.Tính chất tạo gel số potein thực phẩm Protein vân Khả tạo gel nhiệt protein miofibril (tơ cơ) thịt cá sở kết cấu nhiều sản phẩm thực phẩm Do tạo mạng lưới gel nên protein tác nhân gắn kết thịt “tái tạo”, loại giò, tác nhân làm bền nhũ tương xúc xích, tác nhân làm mịn đàn hồi kamaboko Tính chất lưu biến đặc trưng sản phẩm có tính cao cấp phụ thuộc vào chất độ tươi nguồn protein (protein đưa chế biến phải khơng bị biến tính nhiệt, lạnh, khơng bị proteolizơ), có mặt muối trung tính điều kiện gia nhiệt để tạo gel Protein sữa Khả đông tụ mixen casein sử dụng chế biến loại phomat sản phẩm khác từ sữa Sự đông tụ thường khởi đầu tác dụng proteolitic chimozin casein K thiết phải có ion canxi có nhiệt độ cao 15oC Axit hố sữa pH đẳng nhiệt casein làm cho sữa đông tụ Khi pH > mixen casein (và caseinat) bền với nhiệt, gia nhiệt sữa phải tới 20 đến 60 ph nhiệt độ 140 oC làm chúng đông tụ Protein trứng Các protein lòng trắng trứng coi tác nhân tạo gel tác nhân gắn kết tốt Conalbumin ovalbumin (pI = 4,6) bị biến tính 57÷65 oC 72÷84oC, nồng độ protein 5% tạo gel khoảng pH rộng (từ đến 11) Khả tạo gel polysaccarit Khi để nguội hồ tinh bột phân tử tương tác với xếp lại cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều Để tạo gel dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải hồ hoá để chuyển tinh bột thành trạng thái hồ tan sau để nguội trạng thái yên tĩnh Khác với gel protein, gel tinh bột có liên kết hydro tham gia Liên kết hydro nối trực tiếp mạch polyglucozit lại với gián tiếp qua cầu phân tử nước Vì tinh bột chứa amilopectin amiloza nên gel tinh bột có vùng kết tinh vùng vơ định hình Tham gia vào vùng kết tinh có phân tử amiloza đoản mạch amilopectin kết dính với Cấu trúc nhiều nhánh mà chủ yếu nhánh bên phân tử amilopectin cản trở dàn phẳng kết tinh Vùng kết tinh vừa nằm hạt trương vừa nằm dung dịch nước hạt tạo độ bền độ đàn tính gel Phần đại phân tử Am AP nối vào mixen kết tinh nằm phần vô định hình mixen tạo cho gel áp suất định không bị phá huỷ chừng mực đáng kể áp suất số lượng tương đối phân tử phần vơ định hình định Các tinh bột vừa chứa Am AP nên có khuynh hướng tạo gel nồng độ tương đối thấp Chỉ có tinh bột khoai tây khả hơn, hàm lượng Am cao trước hết độ dài bất thường mức độ phân nhánh yếu Am cản trở uốn thẳng để tạo cấu trúc mixen Các tinh bột giàu amilopectin tinh bột ngô nếp, có độ phân nhánh cao thường cản trở tạo gel nồng độ thấp nồng độ cao (khoảng 30%) tạo gel Tinh bột đồng tạo gel với protein Nhờ tương tác mà khả giữ nước, độ cứng độ đàn hồi gel protein tốt Gel từ tinh bột giàu Am thường cứng đàn hối Gel hỗn hợp Một hỗn hợp hai cao phân tử (tạo gel không tạo gel được) số trường hợp tạo nên tượng hiệp trịư (synergy) dẫn đến tính chất lưu biến khác nhau, dẫn đến sưn tạo gel Trong hợp phần minh riêng rẽ khơng có khả tạo gel Các tương tác thường đưa đến cấu trúc hoắc đưa đến thay kinh tế Có kiểu mạng lưới tạo ra: • mạng lưới tạo thâm nhập lẫn mạng lưới riêng poly saccarid • mạng lưới tạo tương kị (incompatibility) lẫn với tách riêng pha tạo gel riêng cho poly saccarid • mạng lưới tạo tạo vùng nối kết hợp Chẳng hạn, tồn tương tác caraghenan caroube ứng dụng công nghiệp Các gel thu có tính chất lưu biến bị thay đổi có mặt caroube Cũng thu gel với hỗn hợp caraghenan kappa galactomanan nồng độ caraghenan thấp nồng độ mà tạo gel Gơmxanhthan caroube đứng khơng tạo gel mà có tính chất làm dày Nhưng hỗn hợp polyme gia nhiệt làm lạnh tạo gel đàn hồi Các tương tác alginat – pectin, caraghenan – protein sữa ví dụ tính hiệp trợ polyme Gel đặc biệt Gel trở nên phức tạp “nhốt” vào tiểu phần khác nhau: bọt khí, giọt chất béo đường Khi đưa vào tiểu phần làm biến đổi tính chất lưu biến gel Việc tăng cường khn dương tính hay âm tính (ví dụ: cấu trúc có khí xốp bánh gatơ) Các tính chất lưu biến gel thường phụ thuộc vào tính chất gel cấu thành khn, tính chất hình dạng, tính chất biến dạng phần thể tích tiếu phần mối quan hệ lẫn khuôn – tiểu phần Gel tinh bột gel thuộc kiểu 8.Ví dụ với sản phẩm thực phẩm có cấu trúc gel Có nhiều sản phẩm thực phẩm có cấu trúc gel, sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu khác thịt, cá, sữa, … làm cho sản phẩm tăng cao khả hấp thụ thể, tính chất cảm quan, … Một sản phẩm điển hình sản phẩm có cấu trúc gel sản phẩm phomat từ nguyên liệu sữa Trong sản xuất phomat chia thành giai đoạn: giai đoạn 1: bao gồm tất trình từ sữa nguyên liệu đến tạo thành phomat giai đoạn 2: q trình chín sinh học (repening, curning) giai đoạn liên quan với chặt chẽ Q trình chín sinh học phụ thuộc khơng vào điều kiện, q trình ngâm chín mà cịn phụ thuộc vào điều kiện kết tủa casein renin, xử lý hạt mát, … Có thể nói q trình chín phomat sớm, từ lúc đông tụ Tuy nhiên, biến đổi sinh hóa sâu sắc thành phần sữa mà kết tạo mùi vị đặc trưng cho sản phẩm phomat chủ yếu xảy giai đoạn Ở giai đoạn 1, đông tụ sữa renin quan trọng nhất, trình tạo cấu trúc gel cho sản phẩm Kết q trình đơng tụ tạo thành canxi paracaseinat - dạng gel (curd) Các quện sữa có cấu trúc gel phụ thuộc vào số lượng hoạt độ renin, tác nhân tạo gel enzym, phụ thuộc vào lượng ion Ca 2+ sữa pH sữa Quá trình xảy tạo cấu trúc gel sau: Trong thành phần nguyên liệu sữa có protein casein thành phần tạo gel, casein có nhiều loại: casein αs1, casein αs2, casein β, casein K chủ yếu casein K tạo cấu trúc gel Khi casein K bị tác dụng enzym renin enzym phân cắt liên kết peptit gốc Phe105 Met106 để giải phóng đầu cuối Nitơ ưa béo (từ gốc đến gốc 105) gọi paracasein K đầu cuối Cacbon háo nước (từ gốc 106 đến gốc 169) có chứa gốc photphoril glucozil Trong đoạn từ gốc 106 đến gốc 169 caseinoglucopeptit hoà tan đoạn từ gốc đến gốc 105 paracasein K không tan đoạn liên kết với mixen gốc tạo tập hợp (đông tụ tạo gel) Sự tạo gel tác nhân enzym, giải thích theo chế tạo gel sau: tác dụng enzym renin phân cắt liên kết peptit gốc Phe105 Met106 casein sữa để giải phóng phần paracasein K caseinoglucopeptit, caseinoglucopeptit phần hòa tan bị loại bỏ, loại bỏ mà làm giảm điện tích bề mặt mixen gần 1/3 làm giảm lực đẩy tĩnh điện mixen Bề mặt mixen trở nên ưa béo chiếm ưu paracasein K làm mixen liên hợp lại với dễ dàng Các tương tác ion xảy phần tích điện (+) paracasein K phần tích điện (-) casein αs1, casein αs2 casein β Các cầu canxi photphat thiết lập mixen, sụ tạo gel hiểu kết tạo thành “cầu canxi” phân tử paracasein K Do đó, thấy ngồi enzym renin ion Ca 2+ (dùng muối CaCl2) có vai trị khơng thể thiếu việc tạo thành gel (đông tụ casein) Sau tạo cấu trúc gel quện sữa, người ta tiến hành tiếp công đoạn cắt quện sữa thành miếng nhỏ để tách whey; ép thành bánh; nén phomat để hạt kết dính thành khối tạo hình dạng xác định cho khối phomat; muối phomat tạo vị tạo điều kiện cho chủng vi sinh vật có lợi hoạt động; ủ chín phomat tạo tính chất cảm quan cho sản phẩm, cuối cơng đoạn đóng gói bảo quản, sản phẩm phomat thành phẩm, coi sản phẩm sữa bổ dưỡng Tài liêu tham khảo • Lê Ngọc Tú (chủ biên), Bùi Đức Hợi, Lưu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng Thị Thu, Nguyễn Trọng Cẩn – Hóa học thực phẩm – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội – 2003 • Lê Ngọc Tú (chủ biên), Lưu Duẩn, Đặng Thị Thu, Lê Thị Cúc, Lâm Xuân Thanh, Phạm Thu Thủy – Biến hình sinh học sản phẩm từ hạt – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội – 2000 • Lâm Xuân Thanh – Giáo trình cơng nghệ sản phẩm sữa – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội – 2006 • Lê Văn Hồng – Cá thịt chế biến công nghiệp – Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội – 2004 ... sản phẩm thực phẩm Trong cấu trúc thực phẩm, cấu trúc gel cấu trúc quen thuộc có nhiều sản phẩm thực phẩm có cấu trúc giị, phomat … Tiểu luận tơi xin trình bày cấu trúc gel phân tích sản phẩm. .. Sự phát triển khoa học nói chung khoa học ứng dụng thực phẩm nói riêng cho có hiểu biết sâu sắc hợp phần, cấu trúc, biến đổi trình chế biến sử dụng thực phẩm Mà cấu trúc sản phẩm yếu tố trước... tạo cấu trúc hình thái sở để chế tạo nhiều sản phẩm thực phẩm Phomat, giò, gel gelatin, đậu phụ, bột nhào làm bánh mì thịt giả từ protein thực vật (được kết cấu cách đùn kéo sợi) sản phẩm có cấu