khả năng biến hình của protein

Biến hình bằng xử lý nhiệt: – Nhiệt có thể làm biến đổi cấu trúc Protein, thủy phân liên kết peptid, thay đổi các acid amin mạch bên và làm ngưng tụ Protein với những phân tử chất khác.T

BIẾN HÌNH PROTEIN:

I Định nghĩa biến hình Protein:

Biến hình Protein tức là dùng các tác nhân lý học, hóa học, hay enzyme học tác động lên Protein nhằm làm thay đổi một phần cấu trúc phân tử do đó các tính chất của nó cũng thay đổi theo

II Các tác nhân làm biến hình Protein:

– Tác nhân vật lý

– Tác nhân hóa học

– Tác nhân sinh học (Tác nhân enzyme hay vi sinh vật)

1 Tác nhân vật lý làm biến hình Protein:

Các biện pháp gia công cơ học có tác dụng làm biến đổi các tính chất chức năng của Protein

– Trường hợp các bột Protein hoặc các Protein cô đặc, việc gia công bằng cách nghiền khô rất quan trọng, tạo cho bột có được bề mặt lớn do đó cải thiện được khả năng hấp thụ nước, khả năng hòa tan, khả năng hấp thụ chất béo và khả năng tạo bọt

– Với các huyền phù Protein hoặc dung dịch Protein thì biện pháp đồng hóa như trong trường hợp đồng hóa sữa là rất có ích

– Trong trường hợp tạo bọt, ở bề mặt liên pha nước/không khí, lực cắt thường làm biến tính bề mặt và tập hợp Protein Chính sự biến tính một phần các Protein mà làm cho bọt bền

– Trong việc tạo hình Protein như quá trình tạo bột nhão, tạo sợi và nấu đùn các lực cơ học cũng đóng vai trò rất quan trọng

b Biến hình bằng xử lý nhiệt:

– Nhiệt có thể làm biến đổi cấu trúc Protein, thủy phân liên kết peptid, thay đổi các acid amin mạch bên và làm ngưng tụ Protein với những phân tử chất khác.Tùy mức độ gia nhiệt mà chất lượng của thực phẩm có thể tốt hơn hoặc kém đi

– xử lý nhiệt các Protein hoặc các thực phẩm chứa Protein trong điều kiện vắng mặt các chất khác, tùy theo cường độ gia nhiệt mà có thể xảy ra các phản ứng khác nhau.Phần lớn các phân tử Protein chỉ giữ được các tính chất sinh học và tính chất chức năng trong một phạm vi nhiệt độ rất thấp

– Khi gia nhiệt vừa phải thì các Protein chỉ bị biến tính

Gia nhiệt vừa phải như biện pháp chần trước khi đóng hộp một số rau quả cũng nhằm làm biến tính và vô họat các enzym (protease, polyphenoloxydaza, lypoxydaza…)

– Gia nhiệt vừa phải, còn có tác dụng làm cho một số thực phẩm giàu colagen, glixinin đậu tương, albumin sẽ dễ dàng tiêu hóa hơn

– Khi gia nhiệt kiểu thanh trùng ở nhiệt độ lớn hơn 110 –115oC các sản phẩm giàu Protein như thịt, cá, sữa sẽ gây phá hủy một phần các gốc Cistin, Cistein để hình thành nên H2S, dimetyl sulfua, acid cisteic và các hợp chất bay hơi khác khiến cho các sản phẩm này có mùi đặc trưng

– Khi gia nhiệt khan các Protein ở nhiệt độ trên 200oC (nhiệt độ đạt được khi rán thịt và cá) thì tryptophan sẽ bị vòng hóa để tạo ra α, β hoặc γ cacbolin:

– Khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao (t > 200oC) các thực phẩm giàu Protein có pH trung tính hoặc khi gia nhiệt các thực phẩm giàu Protein có môi trường kiềm thì sẽ xảy ra:

 Thủy phân các liên kết peptid và đồng phân hóa các gốc acid amin, tạo ra hỗn hợp raxemic do đó làm giảm giá trị dinh dưỡng đi 50%

 Phá hủy một số acid amin:

 Tạo cầu nối đồng hóa trị Gốc DHA được tạo ra do phản ứng loại (khử) β gốc Cistein hoặc phosphoserin:

– Mạch polypeptid có chung gốc lysine, gốc ornitin hoặc gốc Cistein sẽ kết hợp với mạch poly có chứa gốc DHA theo sơ đồ sau:

– Khi xử lý nhiệt thịt hoặc cá ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thanh trùng thì còn tạo ra cầu đồng hóa trị kiểu isopeptid giữa gốc lysine của chuỗi peptid này với gốc glutamic hoặc gốc aspartic của chuỗi peptid khác:

Về phương diện dinh dưỡng, việc tạo ra cầu đồng hóa trị isopeptid trong cùng một phân tử hoặc giữa các phân tử sẽ làm giảm độ tiêu hóa của N, giảm

hệ số sử dụng Protein và giá trị sinh học của Protein Hơn nữa do hiệu ứng không gian các cầu đồng hóa trị (glutaminlizyl hoặc aspartyl-lizyl) sẽ ngăn cản không cho các protease đến được vùng đặc hiệu để thủy phân do đó làm cho quá trình tiêu hóa protein bị chậm lại

2 Tác nhân hóa học làm biến hình Protein:

– Khi đưa pH đến acid hoặc kiềm

– Khi đưa pH đến kiềm

– Riêng đối với các Protein của đậu tương nếu kiềm hóa đến pH = 10 –12 rồi tiếp đến trung hòa để tạo cho Protein có độ giãn mạch sâu sắc, sau đó làm khô bằng sấy phun thì Protein thu được sẽ có khả năng tạo gel ngay khi được tái hydrat hóa ở nhiệt độ bình thường

– Khi đưa Protein đến pH thích hợp nếu có mặt các ion đa hóa trị hoặc một

số chất đa điện ly thì sẽ làm tăng khả năng tạo các cầu nối ion giữa các phân tử Protein

– Đưa pH của Protein đến điểm đẳng điện để gây cho Protein tập hợp thuận nghịch nhưng không làm giãn mạch bất thuận nghịch Protein là cách đơn giản

để tách và làm sạch Protein

b Xử lý bằng dung môi phân cực:

– Các Protein có thể bị biến hình khi được xử lý bằng các dung môi có độ phân cực khác nhau Các biện pháp xử lý bằng dung môi này thường làm phơi

bày các vùng kỵ nước mà vốn trước đó đã bị che khuất, do đó sẽ làm cho Protein tập hợp và kết tủa không thuận nghịch (ở pH trung tính hoặc đẳng điện)

- Quá trình kết tủa Protein bởi dung môi có thể dùng để tạo gel

– Các hợp chất như ure và các muối của guanidin khi ở dung dịch đậm đặc (4-8M) có tác dụng phá hủy liên kết hydro do đó làm cho Protein bị biến hình

c Gắn vào Protein các nhóm chức :

– Nếu làm thay đổi các nhóm bên của Protein có thể làm thay đổi độ có cực hay làm thay đổi sự tích điện của Protein Phân tử Protein lúc này có thể cuộn lại, giãn ra và (hoặc) tập hợp với những phân tử Protein khác

– Khi gắn vào Protein các nhóm cacboxyl ion hóa sẽ tạo cho Protein lực đẩy tĩnh điện do đó bị phân ly, giãn mạch dễ dàng Ngoài ra, khi đưa các nhóm ion này vào sẽ làm cho khả năng hấp thụ nước và độ bền nhiệt của Protein tốt hơn đặc biệt là làm tăng độ nhạy của Protein khi kết tủa với ion

Ca2+

– Khi đưa các nhóm phosphat hoặc sulfat vào gluten sẽ làm tăng khả năng hấp thụ nước, khả năng tạo gel và khả năng tạo màng

– Các tác nhân họat động bề mặt như natri dodexylsunfat khi được gắn vào Protein sẽ làm giãn mạch và biến hình Protein

– Các chất tẩy rửa dạng anion có tác dụng làm cho Protein tích điện âm (khi ở pH gần trung tính) do đó làm tăng lực đẩy bên trong và làm biến hình Protein

d Tạo ra cầu đồng hóa trị:

– Khi gắn bằng đồng hóa trị các polyol vào Protein sẽ làm tăng độ có cực

và độ hòa tan và Protein không bị kết tủa khi gia nhiệt

– Có thể làm cho Protein kỵ nước bằng cách đưa vào Protein các nhóm không cực.Người ta cũng có thể dùng các chất phản ứng nhị chức kiểu như andehyd malonic, aldehyd glutaric hoặc formaldehid trung hợp hóa (paraformandehid) để khâu (bằng đồng hóa trị) các nhóm ε–NH2 của gốc lysine ở trong Protein lại với nhau Phản ứng kiểu này thường làm giảm tính hòa tan và độ tiêu hóa của Protein:

– Có thể tạo ra các cầu disulfua bằng phản ứng oxy hóa vừa phải các nhóm tiol khi có mặt không khí, bromat hoặc enzyme oxy hóa Các phản ứng này được dùng hằng ngày trong công nghệ làm bánh mì để cải thiện tính chất nhớt dẻo của gluten

– Cũng có thể gắn đồng hóa trị các acid amin nhất là các acid amin không thể thay thế vào Protein để tăng giá trị dinh dưỡng của Protein Chẳng hạn gắn methionin vào Protein đậu nành, so với việc bổ sung methionin tự do thì

có một số ưu điểm sau:

 Không có mùi của methionin

 Methionin không bị mất do khuyếch tán hoặc bị mất trong quá trình tạo sợi

 Methionin không bị phân hủy trong dạ cỏ của động vật nhai lại

 Bảo vệ được các nhóm ε–NH2 và α-NH2 dính líu vào phản ứng Maillard

Methionin, lysine hoặc tryptophan có thể được gắn vào nhóm ε–

NH2 của lysine hay vào nhóm α-NH2 cuối hoặc các nhóm cacboxyl của acid glutamic và aspartic

– Cũng có thể gắn acid amin vào Protein bằng cách gia nhiệt trực tiếp Protein với các N-cacboxyanhidric

Bằng cách trùng hợp hóa từ N-cacboxianhidric methionin có thể ghép các chuỗi polymethionin với chiều dài khác nhau lên các nhóm ε–NH2 của Protein

e Thủy phân hạn chế:

– Thủy phân hạn chế các liên kết peptid, chẳng hạn đun nóng Protein thực vật trong HCl có nồng độ 1-3 M, ở 100oC trong thời gian từ 10 – 15h để tăng lượng nitơ phi Protein lên ba lần, có thể làm tăng độ hòa tan lên rất nhiều và

do đó làm tăng các tính chất bề mặt của gluten lên

– Thủy phân bằng acid, nói chung, sẽ làm biến đổi các mạch bên của Protein, chẳng hạn sẽ khử gốc amid của asparagin và glutamin, khử phospho của phosphoserin và phá hủy các gốc tryptophan.Sự thủy phân bằng acid thường qua nhiều phản ứng phức tạp để rồi tạo thành các sắc tố và dẫn suất

có mùi thơm của thịt

– Sự thủy phân hạn chế các liên kết peptid cũng có thể thu được bằng cách đun nóng các Protein trong môi trường kiềm Chẳng hạn đun nóng Protein trong NaOH có pH = 11 –12,5 và ở nhiệt độ 70 –90o trong thời gian từ 20 phút đến vài giờ Phương pháp khử trừơng hợp này có thể dùng để hòa tan và trích ly các Protein ít hòa tan của thực vật, của vi sinh vật và của cá

3 Tác nhân sinh học làm biến hình Protein:

a Các enzyme thủy phân Protein (Protease):

Các enzyme thủy phân Protein thường có tên gọi là protease, protease, peptidase hay C-N-hydrodase Enzyme protease phân cắt liên kết peptid giữa các L- axid amin:

Phản ứng thủy phân không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài và cân bằng phản ứng sẽ chuyển dịch về phía trái

Một số Protease thường sử dụng trong biến hình Protein:

 Papain: (EC.3.4.22.2)

 Pepsin (EC.3.4.4.1)

 Trypsin: (EC.3.4.21.4)

 Subtilisin: (EC.3.4.4.16)

–

 Colagenase :(EC.3.4.24.3)

b Vai trò protease trong biến hình protein: [2]

– Các protease có thể xúc tác phản ứng phân cắt các liên kết peptid cũng như phản ứng tổng hợp ra các liên kết peptid mới

– Phức acyl-enzyme trung gian được tạo ra do sự phân cắt liên kết peptid có thể bị tấn công nucleophil bởi một nhóm amin để tân tạo ra một liên kết peptid mới hoặc bởi phân tử nước để giải phóng ra một chuỗi ngắn hơn

– Khi liên kết peptid bị thuỷ phân thì sẽ dẫn tới các hậu quả sau:

•Tăng số lượng nhóm có cực -NH3 và COO- và do đó tăng độ háo nước của sản phẩm

•Giảm khối lượng phân tử của các chuỗi polypeptid

•Cấu hình phân tử cũng có thể bị thay đổi

– Ngược lại, khi liên kết peptid được tân tạo thì sẽ làm giảm số nhóm có cực, do đó làm giảm theo độ háo nước và làm tăng khối lượng phân tử cũng như làm biến đổi cấu hình phân tử của protein

– Protein bị biến hình bởi protease có thể bằng phản ứng khử trùng hợp hoặc bằng phản ứng trùng hợp

III Ứng dụng biến hình protein trong công nghiệp:

1 Biến hình colagen và làm mềm thịt

– Colagen là protein hình sợi của thịt.Có cấu trúc gồm nhiều sợi xoắn ốc và liên kết lại thành một khối sợi

− Colagen có một độ bền và độ cứng nhất định là do các liên kết chéo trong nội phân tử và giữa các phân tử (liên kết hydro, liên kết disunfua, liên kết aldol, liên kết ester và liên kết isopeptid,…) Số lượng các liên kết nội và ngoại phân tử này sẽ tăng lên ở trong thịt của các động vật già

– colagenase là enzyme sử dụng rất tốt trong làm mềm thịt Phương pháp này được ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ thực phẩm sản xuất đồ hộp

2 Khả năng tạo bột nhão:

3 Khả năng tạo bọt:

Bọt thực phẩm là hệ phân tán của các bóng bọt trong một pha liên tục là chất lỏng hoặc chất nửa rắn, có chứa một chất hoạt động bề mặt hoà tan Các loại kem ướp lạnh, bọt bia, bánh mì,…là những bọt thực phẩm

Trong sản xuất bia, sự tạo bọt là một trong những tính chất quan trọng của bia

− Công thức của kẹo mềm phải có chất tạo bọt để kẹo xốp, thường dùng lòng trắng trứng gà

4 Khả năng tạo gel của protein [4]

– Có thể nói thực phẩm như giò lụa, giò cá, phomat, bánh mì, …là những sản phẩm có kết cấu bộ khung từ gel protein

– Đông tụ sữa là quá trình quan trọng nhất trong sản xuất phomat

Quá trình này được minh họa theo sơ đồ sau:

Đường + Mật + tinh bột

+Nước Sirô

Nấu

Đánh trộn

Tạo hình

Đóng gói và bảo quản

Đánh bông xốp

5 Khả năng cố định mùi: [1]

– Protein có thể cố định được các chất có mùi khác nhau Các chất có mùi là những chất bay hơi, protein có thể hấp phụ vật lý hoặc hấp phụ hoá học các chất có mùi qua tương tác Van der Waals hoặc qua liên kết đồng hoá trị là liên kết tĩnh điện

– Nhũ tương là hệ phân tán của hai chất lỏng không trộn lẫn nhau được, trong đó một chất lỏng ở dưới dạng những giọt nhỏ của pha bị phân tán, còn chất kia ở dưới dạng pha phân tán liên tục

– Nhiều sản phẩm thực phẩm là những nhũ tương như: sữa, kem, bơ, phomat nóng chảy, lòng đỏ trứng, thịt nghiền nhỏ để làm xúc xích…

– Nhũ tương là hệ thống không bền nhiệt động Để làm cho nhũ tương bền, người ta dùng các chất khử nhũ hoá:

 Cho các chất điện ly vô cơ vào

 Hoặc thêm các chất hoạt động bề mặt có cấu trúc lưỡng cực

 Hoặc thêm những chất cao phân tử hoà tan được trong pha liên tục

– Trước đây, Plastein lần đầu tiên được sử dụng để đặt tên cho sản phẩm kết tủa thu được khi cho renin vào dịch thuỷ phân hạn chế của fibrin Ngày nay, Plastein được định nghĩa là một gel protein được tạo ra khi thêm một endopeptidase vào một dung dịch đã cô đặc của protein thuỷ phân và không hoà tan được trong dung dịch acid tricloaxetic 10% Phản ứng tạo ra plastein được gọi là phản ứng plastein

– Dưới tác dụng của protease, các peptid được xếp lại thành plastein theo sơ đồ sau:

– Các điều kiện cần cho phản ứng plastein :

 Các peptid phải có khối lượng phân tử giữa 500 và 2000 Dal và phải

có nồng độ trên 10%

 pH của phản ứng là giữa 4 và 7

 Độ háo nước của các cơ chất peptid có vai trò rất quan trọng: hiệu suất plastein thu được sẽ cực đại khi tỷ lệ peptid háo nước/peptid kỵ nước bằng 0.5

– Phản ứng plastein thường bao gồm hai giai đoạn:

 Thuỷ phân hạn chế protein ở nồng độ thấp (<= 5%) đến các peptid có khối lượng phân tử xác định

 Tái tổng hợp bằng một protease (có thể cùng một protease hoặc khác với protease ở giai đoạn một) để tạo thành plastein

b Ứng dụng phản ứng plastein:

– Sử dụng phản ứng plastein cho phép làm giảm thiểu hoặc thậm chí loại trừ vị đắng của các peptid tạo thành từ dịch thuỷ phân protein đậu tương (Fujimaki và cộng sự, 1970)

– Tuy nhiên, công nghệ của phản ứng plastein là khả năng cải biến các tính chất dinh dưỡng của protein

– Sử dụng phản ứng plastein còn cho phép cải thiện tính lưỡng tính của protein thực phẩm bằng cách cài gắn các ester của acid amin kỵ nước vào trong các protein háo nước

– Người ta thực hiện theo sơ đồ phản ứng plastein hai giai đoạn hoặc một giai đoạn:

+Trong phản ứng plastein hai giai đoạn thì giai đoạn thuỷ phân và giai đoạn tổng hợp có thể được xúc tác bởi cùng một protease hoặc bởi hai protease khác nhau

Protein đậu tương

(nồng độ thấp)

thuỷ phân bằng pepsin (pH 1,6; 370C; 12h)

Oligopeptit (trung hoà tới pH 7 cô đặc chân

không tới nồng độ xác định)

Bổ sung este của axitamin Tái tổng hợp bằng papain

(pH 6; 370C; 24h)

Oligopeptit (nồng độ cao)

Plasein đã

được bổ sung axitamin

– Điều kiện để cài gắn methionin bằng phản ứng hai giai đoạn là:

• Nồng độ oligopeptid: 20%

• Nồng độ papain sử dụng: 1%

• Ester metylmethionin: 5%

• pH: 6, nhiệt độ 37oC, thời gian 24h

– Trong phản ứng plastein một giai đoạn thì phản ứng thuỷ phân và phản ứng tổng hợp đều xảy ra đồng thời

– Sơ đồ phản ứng một giai đoạn để chế tác plastein từ protein đậu tương:

– Đầu tiên papain tác dụng với phân tử protein tạo thành sản phẩm trung gian peptidyl-papain Sau đó là phản ứng amin-phân bởi

H-Met-O-Et (ester của methionin) để tạo thành sản phẩm được gắn methionin vào đấu cuối cacbon

Protein đậu tương (nồng độ cao) Papain

H – (peptit) – O – papain

H – Met – O – Et

H – (pepsin) – Met – O - Et