Biến đổi protein trong chế biến và bảo quản thực phẩm

Biến đổi protein trong chế biến và bảo quản thực phẩm

Phần một : SƠ LƯỢC VỀ SỰ CHUYỂN HOÁ PROTEIN

TRONG CƠ THỂ

I Thuỷ phân protein

Ở dạ dày nhờ có môi trường HCl và enzim pepsin, protein của thức ăn bị thuỷphân, tạo thành chủ yếu hỗn hợp polipeptit ( còn gọi là pepton)

Ở ruột, nhờ các enzim pepsin, chimotripsin, cacboxipeptiđaza xúc tác cho quátrình thuỷ phân polipeptit thành hỗn hợp các aminoaxit Các aminoaxit sinh ra đượchấp thụ qua thành ruột, theo máu về gan, đi tới các mô và tế bào Một phầnaminoaxit được dùng để tái tổng hợp protein cho cơ thể, phần khác được phân giảiđể cung cấp năng lượng cho cơ thể hoạt động

II.Sự phân giải aminoacid

Trong cơ thể, các aminoaxit bị phân giải qua các phản ứng sau:

1 Phản ứng desamin hoá( loại nhóm amino)

a Phản ứng desamin hoá-oxi hoá

Nhờ xúc tác của enzym, nhóm amino bị loại ra khỏi phân tử aminoacid, tạo thànhcetoacid và amoniac:

b Phản ứng trao đổi nhóm amino.

Nhờ tác dụng xúc tác của enzym aminotranferase

R

NH2

R 2

O

R 1

2 Phản ứng descarboxyl hoá(loại nhóm carboxyl)

Nhờ tác dụng xúc tác của enzym descarboxylase, nhóm carboxyl bị loại khỏiphân tử aminoacid, tạo thành amin hoặc aminoacid (nếu descarboxyl hoá acidmonoamino dicarboxylic)

R CH COOH

NH2

R CH2 NH2 CO2

III Các sản phẩm cuối cùng của sự phân giải aminoacid

Quá trình phân giải aminoaxit tạo ra cetoacid, acid carboxylic và amoniac.Các cetoacid và carboxylic tiếp tục tham gia vào chu trình Krep đã bị oxi hoá thànhcarbonic và nước Như vậy sản phẩm cuối cùng của sự phân giải aminoacid làcarbonic, nước và amoniac Khí carbonic được thải ra ngoài cơ thể, nước tham giavào quá trình trao đổi chung, amoniac(gây độc cho cơ thể) được chuyển hoá thànhnhững chất không hoặc ít độc ( như glutamin, asparagin, ure) bằng các cách sau:

1.Amit hoá các acid monoamino dicarboxylic

Amoniac phản ứng với axit glutamic hoặc axit aspactic, tạo thành glutamin hayasparagin

2.Ure hoá khí carbonic(tổng hợp ure)

Amoniac phản ứng với khí cacbonic tạo thành ure theo một chu trình gồm nhiềuphản ứng, gọi là chu trình ure Phương trình phản ứng tổng quát của chu trình ure:

O

IV Sinh tổng hợp protein

Một phần aminoacid được dùng để tái tổng hợp protein cho cơ thể Quá trình tổnghợp diễn ra chủ yếu trong các riboxom của tế bào, gồm 4 giai đoạn:

1 Giai đoạn hoạt hoá aminoaxit

Xảy ra hai quá trình phản ứng , cả hai phản ứng đều cần enzim aminoaxyl-tARNxúc tác Mỗi aminoacid cần một loại enzym tương ứng, như vậy 21 aminoaxit cần 21enzim khác nhau Nhờ tác dụng của enzym, aminoacid kết hợp với ATP tạo raaminoaxyl-AMP-enzim có khả năng phản ứng cao:

Aminoacid + ATP [Aminoaxyl-AMP-enzym] + PP

Sau đó, aminoaxyl-AMP-enzym tương tác với tARN, tạo ra aminoaxyl-Tarn:[Aminoaxyl-AMP-enzim] + tARN Aminoaxyl-Tarn + AMP + enzym

2 Giai đoạn khởi đầu tổng hợp polypeptide

Nhờ mARN (tức ARN khuôn) bắt đầu xảy ra phản ứng tổng hợp “phức hợp” đầutiên của polypeptide từ aminoacid đã được hoạt hoá

3 Giai đoạn kéo dài chuỗi polipeptit

Nhờ ARN khuôn mẫu, GTP và các yếu tố khác, phân tử aminoaxit thứ hai( đãđược hoạt hoá) tiếp tục gắn vào “phức hợp” đầu tiên(ở giai đoạn hai) Quá trình nàyđược lặp lại với các phân tử aminoacid tiếp theo

4 Giai đoạn kết thúc tổng hợp protein

Sau khi giai đoạn phát triển mạch kết thúc, chuỗi polipeptide vừa được tao thànhvà cả tARN đều tách rời khỏi riboxom

Quá trình sinh tổng hợp protein trong có thể xảy ra qua 4 giai đoạn, nhưng với tốcđộ rất nhanh Thí dụ để tổng hợp một phân tử protein chứa khoảng 300 gốcaminoaxit chỉ mất khoảng 30 giây

Phần hai : BIẾN ĐỔI CỦA PROTEIN TRONG QUÁ TRÌNH

CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN

A- PHẢN ỨNG THUỶ PHÂN

Protein polypeptide peptids peptone acid amin

I Bằng tác nhân hoá học

1.Thuỷ phân bằng acid:

* Thuỷ phân hạn chế các liên kết peptide

- Sẽ làm biến đổi mạch bên của protein như khử nhóm acid của asparagin vàglutamin, khử phospho của phosphsery và phá huỷ các gốc tryptophan.

- Một số protein thực vật sau khi thuỷ phân sẽ tạo thành các sắc tố và các dẫnxuất có mùi thơm của thịt Một số dịch thuỷ phân của các protein nảy được trunghoà bằng xut, lọc và được sử dụng làm tác nhân tạo hương

- Khi đun nóng protein thực vật trong HCl có nồng độ 1-3M, ở 100 0C trong thờigian 10 – 15 h để tăng lượng nitơ phi protein lên ba lần, có thể tăng độ hoà tan lênrất nhiều và do đó làm tăng tính chất bề mặt của gluten lên

* Thuỷ phân hoàn toàn các liên kết peptide

- Dưới tác dụng của acid và ở nhiệt độ cao ( HCl 6N , 100 0C 107 0C, 20 – 72 giờ)protein bị thuỷ phân, không xảy ra hiện tượng racemic hoá

2 Thuỷ phân bằng kiềm:

* Thuỷ phân hạn chế ( đun nóng protein trong NaOH có pH = 11- 12,5 ,

C

0 95

70  , từ 20 phút đến vài giờ)

- Tạo ra những peptide lưỡng cực có các mạch bên kỵ nước và có một nhómcarboxyl có cực ở tận cùng

- Dùng để hoà tan và trích ly các protein ít hoà tan cùa thực vật, của vi sinh vậtvà của cá

* Thuỷ phân hoàn toàn

- Dưới tác dụng của kiềm (NaOH 4 -8N Ba (OH) 214% , đun sôi trong 18- 29giờ) protein bị thuỷ phân , acid amin bị racemic hoá, các oxy acid bị deamin hoá,một phần cystein và cystin bị phá hỏng, arginin phân huỷ thành ornithin và ure Vậytác dụng của kiềm sẽ làm mất giá trị dinh dưỡng của acic amin khi chuyển từ dạng

L sang D

II Bằng enzym

Sử dụng các protease như bromelin, papain, neutrase, tripsine, pepsine…

1 Thuỷ phân hạn chế

*Trong chế biến

- Thủy phân hạn chế và đặc hiệu thường có tác dụng làm đông tụ protein

Ví dụ: dùng chimozin để kết tủa các casein của sữa : chimozin chỉ cắt một liênkết peptide giữa gốc Phe 105 và gốc Met 106 để giải phóng ra một đoạn glucopeptideháo nước và chính nhờ vậy mới xảy ra sự động tụ tiếp theo của phân tử paracaseinat

K kỵ nước

- Thuỷ phân hạn chế để hoà tan protein vì sau khi bị thuỷ phân hạn chế độ hoàtan của protein tăng lên do đã tạo ra được những đơn vị polypeptide bé hơn, háonước hơn và dễ sonvat hoá hơn

+ Thuỷ phân một phần có tác dụng làm cho quá trình trích ly và tinh chế proteinvốn ban đầu kém hoà tan được dễ dàng.

Ví dụ: isolat protein đậu nành khi bị thuỷ phân ở mức độ 3% hay 8% (pH= 3 hoặc5,5) thì độ hoà tan sẽ có giá trị tương ứng là 10% hoặc 50-80%

+ Thuỷ phân từng phần làm cho protein có độ hoà tan tốt hơn ở tất cả giá trị pH

vì lúc này protein không tự tạo ra được các tập hợp lớn nay cả ở pH đẳng điện Đượcứng dụng để làm giàu lượng protein cho các đồ uống có vị chua ( acid hoá) và có xửlý nhiệt

- Thuỷ phân từng phần cũng được dùng để cải tiến các tính chất nhũ hoá và tạobọt của các protein bị biến tính nhiệt Do tăng độ hoà tan làm cho sự khuếch tán củaprotein đến bề mặt liên pha không khí/ nước và dầu/ nước được dễ dàng Tuy nhiênkhi mức độ thuỷ phân vượt quá 3 - 5% thì độ nhớt và chiều dày của của màng mỏngprotein được hấp thụ là không đủ để làm bền các nhũ tương và các bọt

* Trong bảo quản

- Sự thủy phân thường giải phóng ra các peptide có dính các gốc leuxin hoặcphenylalanin có vị đắng nên làm giảm tính cảm quan của sản phẩm

2.Thuỷ phân hoàn toàn : thuỷ phân hoàn toàn protein thành các acid amin Tạo

ra các sản như nước mắm , tạo ra nguồn acid amin không thay thế để bổ sung vàocác loại thực phẩm có nguồn protein kém hoặc không hoàn hảo

B- PHẢN ỨNG OXY HOÁ KHỬ

Khi bảo quản các thực phẩm giàu protein thường xảy ra hiện tượng ôi thối làmmất giá trị dinh dưỡng của thực phẩm Nguyên nhân là do tác dụng của các enzymcó trong thực phẩm và vi sinh vật xâm nhập từ môi trường ngoài

Phản ứng này tạo thành các amin khác nhau Từ lysin tạo thành cacdaverin, từhystidin tạo thành hystamin , là những chất độc.

III.Phản ứng khử amin khử cacboxyl

IV Phản ứng tạo thành mercaptan

Thường xảy ra đối với các acid amin chứa lưu huỳnh như cystein, cystine,methionin

V.Phản ứng tạo scatol, indol, cresol, phenol

Trong quá trình hoạt động sống các vi sinh vật gây thối rữa thường gặp trongđường ruột và trong quá trình cất giữ protein các acid amin vòng chuyển hoá thànhcác sản phẩm độc như :scartol, indol, cresol, phenol

- Phản ứng tạo thành cresol, phenol:

- Phản ứng tạo scatol, indol

CH2 - COOH

+ H2O + CO2

Axit indolaxetic

H N

CH2 - COOH

+ CO2

H N

CH3

Scatol

H N

CH3

+ O2

H N

+ H2O + CO2

Indol

VI.Phản ứng tạo di-trimethylamin từ các lipoprotein

Phần lipid sau khi tách từ lipoprotein sẽ bị chuyển hoá thành các di-trimethylamin

VII Phản ứng tạo thành phosphin

Xảy ra với phosphoprotein và nuleoprotein Nguồn tạo thành phosphin là các acidphosphoric có trong protein được giải phóng khi bị phân huỷ :

C – SỰ BIẾN TÍNH PROTEIN

I.Các biện pháp vật lý:

1 Gia công cơ học:

- Nghiền khô bột protein hay protein cô đặc nhằm tạo bề mặt lớn, tăng khả nănghoà tan, hấp thụ nước, hấp thụ chất béo, tạo bọt

- Đồng hóa các huyền phù hay dung dịch protein (của sữa): do lực cắt mạnh làmnát vụn các tập hợp protein (micelle) thành các dưới đơn vị nên tăng khả năng nhũhóa

- Tạo bọt: lực cắt làm biến tính bề mặt và tập hợp protein

- Tạo bột nhão, tạo sợi, nấu đùn: lực cắt làm các phân tử protein sắp xếp lại, traođổi các cầu disulfur, tân tạo mạng lưới protein Động tác kéo vuốt, nhào trộn nhiềulần làm cho mạng protein, nhất là xoắn α bị phá hủy

* Gia nhiệt vừa phải: protein chỉ bị biến tính.

- Các độc tố có bản chất protein thực phẩm (enterodoxin của Staphylococusaureces) hay các chất kìm hãm enzym tiêu hóa (antitrypsin Kunitz và Bowman tronghạt đậu tương) trong nguyên liệu sẽ mất độc tính

- Chần hoặc nấu (khi đóng hộp rau quả) làm vô hoạt các enzin (protein,polyphenoloxidase, lypoxydase) vốn tạo ra màu sắc, mùi vị xấu và giảm hàm lượngprotein của thực phẩm

- Các protein như glyxinin đậu tương, ovalbumin, colagen cũng dễ tiêu hóa hơn

do mạch peptide duỗi ra, để lộ các gốc acid amin tạo điều kiện tác dụng thuận lợicho protease

* Gia nhiệt trên 100 0 C: xảy ra phản ứng khí amin Tuy không ảnh hưởng

đến giá trị dinh dưỡng nhưng sự xuất hiện lại các nhóm carboxyl làm thay đổi pI vàcác tính chất của protein

* Gia nhiệt kiểu thanh trùng ở nhiệt độ trên 110 – 115 0 C: một phần các

gốc cystein trong thịt, cá, sữa bị phá huỷ tạo thành H2S, acid cysteic, dimethylsulfurvà các hợp chất bay hơi khác làm cho sản phẩm có mùi đặc trưng

* Gia nhiệt khan trên 200 0 C (khi rán thịt, cá): Tryptophan bị vòng hóa tạo

ra  ,  ,  - carbolin:

N H

R

R

N H

NH2

CH3

R

N H

α- carbolin β- carbolin γ- carbolin ( R = H hay CH 3) ( R = H hay CH 3) ( R = H hay CH 3)

* Gia nhiệt ở nhiệt độ cao trên 200 0 C ở pH trung tính hay kiềm:

- Thủy phân liên kết peptide và đồng phân hóa các gốc acid amin tạo hỗn hợpracemic Đồng phân D làm giảm giá trị dinh dưỡng 50%, giảm độ tiêu hóa củaprotein (các liên kết peptide chứa D – acid amin khó bị thuỷ phân hơn), có thể gâyđộc tỷ lệ với lượng được hấp thu qua màng chắn ruột

- Phá huỷ một số acid amin: arginin chuyển thành ornitin, ure, citrulin vàamoniac, cystein chuyển thành dehydroalanin Trong môi trường kiềm: serin,threonin và lysin bị phá huỷ.

- Tạo cầu nối đồng hóa trị lysinoalanin, ornitinoalanin, lantionin giữa gốcdehydroalanin (DHA) ở mạch peptide này với gốc lysin, ornitin, cystein ở mạchpeptide khác

Gốc DHA tạo ra do phản ứng loại (khử)  gốc cystein hoặc phosphoserin:

CH2X

CH2C

O + X-

CH2S

CO (CH2)4

NH CH (CH2)3

CH CO NH

CH CO

CH2NH

cầu lysinoalanin cầu ornitinalanin cầu lationin

Protein chứa cầu đồng hóa trị kiểu này thường bị giảm giá trị dinh dưỡng Có thểdùng NH3 để hạn chế tạo các cầu nối, tuy nhiên việc xử lý kiềm và xử lý nhiệt vừaphải chỉ tạo ra lượng rất nhỏ lysinoanilin và đồng đẳng của nó.

* Xử lý nhiệt thịt hoặc cá ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thanh trùng còn tạo cầu

đồng hóa trị kiểu isopeptide giữa gốc lysin ở mạch peptide này và gốc glutamic hayaspartic ở mạch peptide khác

CH C O

(CH2)4

HN

NH CO (CH2)2 CH

C O NH

cầu isopeptide

Về mặt dinh dưỡng: giảm độ tiêu hóa, hệ số sử dụng và giá trị sinh học củaprotein Mặt khác do hiệu ứng không gian của các cấu glutamil – lysyl hay aspartyl– lysyl làm chậm quá trình tiêu hóa

b Gia nhiệt có pH :

- Gần pH: dung dịch protein đậm đặc sẽ tạo gel Nếu đun nóng kéo dài, một sốgel sẽ bị phá huỷ

- Khi có mặt các cation, đặc biệt là Ca2+ thuận lợi cho sự tập hợp, nhiệt độ tạo gelsẽ giảm, nhất là khi các nhóm carboxyl bị ion hóa ở pH > pI Ca2+ còn làm cứng cácgel đã hình thành do nhiệt (gel đậu phụ)

c Ở nhiệt độ thấp :

- Protein có tỷ lệ acid amin kỵ nước / háo nước cao dễ bị biến tính ở nhiệt độthấp

- Ở nhiệt độ lạnh đông, một số protein sẽ tập hợp và kết tủa

Ví dụ: actomiosin của cá bị cứng giảm khả năng giữ nước, micelle casein trongsữa bị kết tủa, lòng đỏ trứng bị đặc và tạo gel; sự chảy dịch của gel sau khi bảo quảnvà làm tan giá là do tăng tương tác protein – protein ở điều kiện lạnh đông

d Sấy, phơi :

Protein sẽ có độ xốp cao khi khử nước nhanh chóng dưới dạng hơi bằng cách lấythăng hoa hay sấy phun Vì khi đó chỉ tạo sự tập trung tối thiểu các tiểu phần cũngnhư sự di chuyển tối thiểu các muối và glucid đến bề mặt sấy

II Các biện pháp hóa học:

- Ở pH thích hợp và có các ion đa hóa trị hay chất đa điện ly sẽ tăng khả năng tạocầu nối ion giữa các phân tử protein.

Ví dụ:

° Ở pH trung tính hay kiềm, Ca2+ và các chất tạo phức liên kết các nhómcarboxyl hay phosphoseryl tạo các calci proteinat đều tan và dễ tạo gel khi đunnóng Trong sản xuất phomat nóng chảy (75-1050C), thêm 3% phụ gia polyphosphatlàm giảm kích thước micelle casein (do lấy Ca2+), tăng tương tác kỵ nước giữa siêumicelle và lipid nên làm bền các nhũ tương hóa

° Thịt muối bằng polyphosphat vàNaCl giữ nước tốt do sự phân ly proteinvà tạo phức với Ca2+

2 Xử lý bằng dung môi:

- Mục đích khử các phospholipid, nước, muối vô cơ, glucid hòa tan khi chuẩn bịcác protein

- Xử lý bằng dung môi có độ phân cực khác nhau thường để lộ vùng kỵ nước màtrước đó bị che khuất làm cho protein kết tủa không thuận nghịch (ở pH trung tínhhay pI) Phục hồi tính tan bằng cách dùng hỗn hợp nước và dung môi có cực (etanol,iso propanol)

Ví dụ: kết tủa protein bằng dung môi có thể tạo gel: Dung dịch 8% protein đậunành tạo gel với etanol 20%, nếu nồng độ etanol > 40% sẽ gây kết tủa protein dotương tác protein – protein chiếm ưu thế so với protein – nước.

3 Gắn vào protein các nhóm chức:

- Thay đổi độ có cực của protein dẫn đến thay đổi khả năng tương tác của proteinvới các chất khác

- Gắn vào protein các nhóm cacboxyl ion hóa được tạo lực đẩy tĩnh điện, protein

bị phân ly, giãn mạch, thay đổi tính tan (cả ở pI)

Ứng dụng:

+ Trích ly các protein từ vi sinh vật hay thực vật

+ Tăng khả năng hấp thụ nước và độ bền nhiệt, tăng độ nhạy khi kết tủabởi Ca2+

+ Tăng khả năng tạo gel của protein cá

+ Tăng khả năng tạo nhũ và tạo bọt

- Đưa các nhóm phosphat hay sulphat vào gluten: tăng khả năng hấp thụ nước,tạo gel, tạo măng

- Gắn vào protein các chất hoạt động bề mặt (natri dodecylsulfat): có vai trò nhưchất đệm giữa vùng kỵ nước của protein và môi trường háo nước phá hủy tương tác

kỵ nước, làm giãn mạch và biến tính protein

- Các chất tẩy rửa dạng anion làm cho protein tích điện âm (ở pH gần trung tính),làm tăng lực đẩy bên trong và biến tính protein

4 Tạo cầu đồng hóa trị:

- Tạo protein kỵ nước nhờ đưa vào protein các nhóm không cực (acyl hóa khử hayalkyl hóa khử nhóm  -NH2, thiol hay hydroxyl)

Mức độ kỵ nước phụ thuộc bản chất acid amin hay acid béo sử dụng (mạch dàihay ngắn) và tỷ lệ phản ứng

Ví dụ: Sự acetyl hóa

° Tăng tính nhũ hóa của protein sữa và glycinin đậu nành (do phân tử trởnên rất lưỡng cực)

° Giảm tính hấp thụ nước của protein đậu nành