Hóa sinh thực phẩm

NỘI DUNG MÔN HỌC:Vai trò và phân bố – Acid béo – Phân loại lipid đơn giản, lipid phức tạp – Chuyển hóa sinh hóa, trong bảo quản và chế biến – Sinh tổng hợp – Định tính, định lượng Vitami

HÓA SINH THỰC PHẨM

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC

1 MỤC ĐÍCH:

• Giới thiệu các thành phần hóa học của sinh vật và thực phẩm, một vài phương pháp phân tích

• Các tính chất tĩnh: phân bố, cấu tạo, tính chất

• Các tính chất động: sinh tổng hợp, chuyển hóa sinh học, chuyển hóa trong chế biến và bảo quản

2 TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Hóa sinh công nghiệp – Lê Ngọc Tú và tập thể tác giả

NXB ĐH & THCN, Hà Nội, 1977

[2] Hóa sinh học – Phạm Quốc Thăng

ĐHBK Hà Nội, 1994

[3] Hóa sinh học – Phạm Trân Châu

NXB Giáo Dục, 1997

[4] Hóa học thực phẩm – Lê Ngọc Tú và tập thể tác giả

NXB KH & KT, Hà Nội, 1994

[5] Giáo trình sinh hóa cơ bản – Đồng Thị Thanh Thu

Tủ sách ĐH KHTN, 1999

[6] Giáo trình sinh hóa hiện đại – Ng Tiến Thắng, Nguyễn Đình Huyên

NXB Giáo Dục, 1998

3 PHƯƠNG PHÁP HỌC:

Giảng tại lớp – đọc tài liệu Thi cuối kỳ: Viết – Trắc nghiệm

4 NỘI DUNG MÔN HỌC:

Vai trò và phân bố – Acid béo – Phân loại (lipid đơn giản, lipid phức tạp) – Chuyển hóa (sinh hóa, trong bảo quản và chế biến) – Sinh tổng hợp – Định tính, định lượng

Vitamin – Khoáng – Độc tố

Chlorophyll – Carotenoid – Flavonoid – Màu tạo ra trong quá trình chế biến

Mùi tự nhiên – Mùi tổng hợp – Tổ hợp mùi

Các ký hiệu về phụ gia – Phân loại – Các loại phụ gia tiêu biểu

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

Hóa sinh học là gì?

Hóa sinh học là hóa học của chất sống và sự sống, nghiên cứu thành phần, cấu tạo hóa học và tính chất của các chất sống đồng thời nghiên cứu sự vận động của các chất sống trong quá trình sống

• Chất sống: cơ sở là tế bào, cấu tạo từ một số hợp chất hóa học, có thể

phát triển, sinh sôi nảy nở Tập hợp các tế bào sẽ tạo ra vi sinh vật, thực vật, động vật Con người là một cơ thể sống ở bậc cao nhất

• Quá trình sống : là quá trình trao đổi chất Cơ thể sống sẽ hấp thu các

chất dinh dưỡng từ bên ngoài, chuyển hóa các chất dinh dưỡng đó để phát triển và thải ra môi trường ngoài những sản phẩm thừa của quá trình chuyển hóa

Đối tượng nghiên cứu của Hóa sinh học?

Đối tượng: Sinh vật sống (VSV, TV, ĐV)

Nghiên cứu:

Tĩnh hóa sinh : nghiên cứu thành phần cấu tạo của chất sống

Động hóa sinh: nghiên cứu sự vận động và các quá trình xảy ra trong

cơ thể sống ( quá trình trao đổi chất )

Hóa sinh công nghiệp?

Ứng dụng Hóa sinh học vào quá trình chế biến các sản phẩm có nguồn gốc sinh vật, đặc biệt là trong lĩnh vực thực phẩm

• Phát hiện những nguồn nguyên liệu mới

• Tìm ra các nguyên tắc bảo quản nguyên liệu và thành phẩm

• Đề ra được các qui trình công nghệ sản xuất mới

THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA SINH VẬT

Thành phần nguyên tố ?

Trong cơ thể sống chỉ có mặt khoảng 30 trong số 100 nguyên tố đã biếtPhân tử lượng đa số là nhỏ, trong đó 4 nguyên tố chủ yếu là C, H, O, N

Các nguyên tố đa lượng:

Hàm lượng lớn hơn 10-5 [%], chiếm khoảng 99% trọng lượng cơ thể

C, H, O, N, S, P ,Cl, Ca, Na, K, Mg, Fe, Zn

Nguyên tố vi lượng: hàm lượng trong khoảng 10-8 - 10-5 [%]

Cu, Co, Mo, B, F, Cr, I, Mn, Al, Si, Sn, Ni

Nguyên tố siêu vi lượng: hàm lượng nhỏ hơn 10-8 [%]

Hg, Au, U, Ra, Se, Vd

Thành phần hóa học của chất sống?

Nước: chiếm 60 – 80 % trọng lượng cơ thể

Chất khô: Chiếm 20 – 40 % trọng lượng cơ thể

Chất khô hòa tan và chất khô không hòa tan

[1] Nguyên tố vi lượng, siêu vi lượng

[2] Hợp chất vô cơ:

 Chiếm 2 – 6% chất khô

 Dạng muối Ca2+, Na+, K+, Cl-, PO43-; Dạng acid như HCl (ở dạ dày)

 Chức năng: tạo cấu trúc cơ thể sống và điều hòa các hoạt động sống

Calci, phosphor, Mg: tạo khung xương

Fluor: tạo ngà răng, men răng

Kẽm: có ảnh hưởng đến hormon Insulin của tuyến giáp trạng.

[3] Hợp chất hữu cơ: protein, lipid, glucid, enzym, vitamin, hormon,…

CHƯƠNG 1: NƯỚC

I VAI TRÒ CỦA NƯỚC

1 Vai trò của nước trong cơ thể :

 Tham gia vào thành phần cấu trúc của tế bào: Nguyên sinh chất

 Dung môi hòa tan các chất và là môi trường để xảy ra các phản ứng hóa sinh

 Tham gia phản ứng thủy phân, phản ứng hydrat hóa, phản ứng oxy hóa khử sinh học

 Vận chuyển các chất dinh dưỡng đến các cơ quan cần thiết

 Điều hòa thân nhiệt và ổn định nhiệt cho cơ thể

 Ổn định pH trung tính

 Bảo vệ:

+ Bảo vệ các tế bào, mô, các cơ quan, khớp xương nhờ phần đệm nước ở các gian bào, dịch bào và giữa các tế bào có tác dụng tránh các va chạm cơ học

+ Qua sự trao đổi mà cơ thể sẽ đào thải được các chất dư thừa, cặn bã, chất độc và vi sinh vật có hại ra khỏi cơ thể

2 Vai trò của nước trong sản xuất thực phẩm :

• Thành phần chính của hầu hết các nguyên liệu trong sản xuất TP

• Dùng để xử lý nguyên liệu: nhào rửa, làm sạch, vận chuyển, đốt nóng, làm lạnh các thiết bị, là chất tải nhiệt trong nồi 2 vỏ, nồi thanh trùng, nồi hấp

• Tạo sản phẩm, xử lý sản phẩm:

 Thành phần chính của sản phẩm (bia, nước giải khát,…)

 Nước tham gia phản ứng tạo sản phẩm (phản ứng thuỷ phân,…)

 Nước tăng cường quá trình sinh học (lên men, nẩy mầm,…)

 Nước góp phần tăng chất lượng sản phẩm (độ bóng, độ dai, độ mịn,…)

Thành phần nước của các loại nguyên liệu khác nhau

Thịt, cá Thịt heo, nguyên liệu, phần nạc

Thịt bò, nguyên liệu, Thịt gà, các loại, không có daCá, phần thịt

53 – 60

50 – 7074

65 – 81Trái

cây Các loại quả mọng, anh đào, lêTáo, đào, cam, bưởi

Đại hoàng, dâu, cà chua

80 – 8590

90 – 95Rau Avocado, chuối, đậu Hà Lan

Củ cải đường, broccoli, cà rốt, khoai tâyMăng tây, đậu, cải bắp, bông cải, rau diếp

13 – 14

16 -17

Thành phần nước của các loại sản phẩm khác nhau

Bia

Rượu

Sữa tiệt trùng

Sữa bột

Nước trái cây

Quả nước đường

80 – 90

40 – 50

15 – 40

16 – 180

Bánh mìBánh trung thuBiscuit

Mì sợi khô

Mì ăn liềnBún tươiBột ngũ cốcHạt cà phê rangMật ong

II CẤU TẠO PHÂN TỬ NƯỚC

1 Dạng đơn phân

Công thức phân tử : H2O

2 Liên kết Hydro

Liên kết Hydro là liên kết của 2 phân tử bất kỳ qua nguyên tử H

A H + B - (X, B là các nguyên tử có độ âm điện cao F, Cl, N,…)

3 Liên hợp phân tử nước

Công thức: [H 2O]n (n = 1,2,3,4,…) do liên kết hydro giữa các phân tử nước.

[H2O]5 một phân tử nước có thể gắn với tối đa 4 phân tử nước khác tạo nên cấu trúc tứ diện

4 Trạng thái tồn tại của nước

Lỏng: Trong khoảng nhiệt độ 0 – 100oC

Quá trình hydrat hóa dehydrat hóa cùng diễn ra

Khí: Ở 100oC nước chuyển sang trạng thái khí ở dạng đơn phân

Rắn: Tại điểm đông đặc (0o) nước đông đặc lại thành nước đá

Mỗi phân tử H2O đều liên kết với 4 phân tử H2O khác tạo nên cấu trúc tinh thể của nước đá: tứ diện đều và cấu trúc rỗng

5 Các kiểu liên kết của nước trong thực phẩm

Liên kết hóa học: chiếm khoảng 4-6% lượng nước.

Liên kết ion : Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH –

Liên kết phân tử: Do cấu trúc phân tử , tạo ra các liên kết với các

phân tử nước (CuSO4.5H2O, Na2HPO4.12H2O,…)

Liên kết hóa lý : chiếm khoảng 10 - 25% tổng lượng nước trong vật liệu

Nước hấp phụ: Các chất sống đa số là đại phân tử sinh học, có trường

lực phân tử lớn hơn nước nên dễ hấp phụ nước trên bề mặt phân tử hình thành một lớp nước hydrat hóa

Nước thẩm thấu kết cấu: nước sẽ thẩm thấu vào các lỗ hổng trên mạng

gel, lấp đầy chúng

Liên kết vật lý: nước tự do, chiếm 70 - 80% tổng hàm lượng nước

Nước trong mao quản: Do chênh lệch áp suất thủy tĩnh nước tự do bên

ngoài sẽ bị hút vào các ống mao dẫn

Nưóc thấm ướt bề mặt: Nước cơ học, là lượng nước dư bao phủ toàn bộ

bề mặt vật liệu

III HOẠT TÍNH NƯỚC (aw : water activity)

P0 : áp suất hơi bão hòa của dung môi nước nguyên chất

P : áp suất hơi riêng phần của nước trong dung dịch, vật thể ẩm

n : số phân tử gam chất hòa tan

N : số phân tử gam dung môi

Biểu thức Raoult để tính hoạt tính nước sẽ là :

n N

N P

Độ ẩm: (W, %): hàm lượng nước tự do có trong thực phẩm

(đo bằng phương pháp sấy tới khối lượng không đổi)

Liên hệ giữa hoạt

tính nước và tốc độ

hư hỏng nguyên

liệu, sản phẩm

Các phương pháp giảm hoạt tính nước để bảo quản thực phẩm:

• Dòng khí có độ ẩm tương đối xác định đi qua vật liệu cần điều chỉnh aw

• Sấy, dùng nhiệt độ để làm bay hơi nước

• Bổ sung các chất có khả năng hydrat hóa cao như glucid, protein,…

IV ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ

Định nghĩa

Đường đẳng nhiệt hấp phụ là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa hàm ẩm (lượng nước được giữ trong thực phẩm) và hoạt tính nước ở điều kiện cân bằng và ở một nhiệt độ nhất định

aw = 0 – 0.2: nước tồn tại ở dạng liên kết, Lượng

nước này chiếm khoảng 3 – 10% khối lượng mẫu

aw = 0.2 – 0.8: nước ở dạng hấp phụ, thẩm thấu,

hydrat hóa

aw > 0.8: nước trong mao quản (aw=0.9) và nước tự do thấm ướt (aw>0.9) Lượng ẩm có thể lên tới 50%

Hiện tượng trễ hấp phụ

• Đường cong trễ hấp phụ biểu diễn sự biến đổi của hàm ẩm trong quá trình khử nước vật liệu ẩm (sấy)

• Sự trễ hấp phụ chỉ xảy ra trong các vùng liên kết yếu Nguyên nhân do nước ở các mao quản khó bay hơi hơn

• Các vật thể khác nhau thì có đường cong trễ hấp phụ khác nhau, do đường kính mao quản khác nhau

Đặc điểm của đường đẳng nhiệt hấp phụ

• Thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ càng tăng thì đường cong ĐNHP càng thấp vì hàm ẩm của nguyên liệu càng thấp.

Các đường cong ĐNHP của khoai tây tại những nhiệt độ khác nhau: 0 – 20 –

40 – 60 – 80 – 100 oC

Tác dụng đường cong ĐNHP

Đường ĐNHP của các loại nguyên liệu khác nhau

• Cho biết trước sự biến đổi của sản phẩm trong quá trình xử lý chế biến hay bảo quản (tách ẩm khi sấy, hút ẩm khi bảo quản, tái làm ẩm, thay đổi nhiệt độ,…)

• Có thể lường trước về mức độ hư hỏng

2 Nguồn Protein

− Động vật: Lượng protein chiếm 70 % chất khô

→ Phổ biến là thịt các gia súc, gia cầm, cá, tôm, trứng, sữa

→ Động vật khác như cua, cáy, tép, các động vật thân mềm

→ Phế thải lò mổ: tiết và xương

− Thực vật: Hạt các loại đậu, đặc biệt là đậu nành (25 -35%)

Các loại bèo hoa dâu, tảo, nấm

Hàm lượng protein trong một số nguyên liệu động vật và thực vật.

II CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ TÍNH CHẤT CỦA PROTEIN

1 Thành phần nguyên tố:

Các nguyên tố khác: P, Fe, Zn, Cu, Mn, Ca

2 Đơn vị cấu trúc cơ sở của protein – Acid Amin:

• Acid amin là dẫn xuất của acid carboxylic trong đó hydro được thay

thế bằng nhóm amin ở vị trí  hay  Các acid amin chỉ khác nhau gốc R

• Chỉ có 22 loại  - acid amin trong hơn 100 loại acid amin đã được

biết đến tham gia vào cấu trúc protein

• Sự khác nhau về thành phần và trình tự sẵp xếp của các acid amin đã dẫn đến sự đa dạng về cấu tạo của protein (1012 lọai protein)

• Tồn tại chủ yếu dạng ion lưỡng cực trong dung dịch pH = 7

NH3+COO-

Phân loại acid amin:

a Phân loại theo cấu tạo hóa học:

Nhóm1: Monoamino Monocarboxylic, có 7 acid amin mạch thẳng

Nhóm 2: Diamino Monocarboxylic, có 2 acid amin

Nhóm 3: Monoamino Dicarboxylic, có 2 acid amin

Nhóm 4: Amid của các acid amin Dicarboxylic

Nhóm 5: Acid amin chứa S, có 3 acid amin

Nhóm 6: Acid amin dị vòng, có 4 acid amin

Nhóm 7: Acid amin nhân thơm, có 2 acid amin

b Phân loại theo khả năng phân ly

phân cực

AsparticGlutamic

AspGlu

ArgininLysinHistidin

ArgLysHis

AlaninPhenilalaninGlycin

LeucinIsoleucinMethioninProlinTriptophanValin

Oxyprolin

AlaPheGlyLeuIleuMetProTryValOpro

c Phân loại theo khả năng tổng hợp của cơ thể:

Acid amin thay thế: Acid amin mà cơ thể có thể tổng hợp được.Acid amin không thay thế: Acid amin mà cơ thể không tự tổng hợp được,

phải bổ sung đều đặn

Người lớn: 8 acid amin KTT – Val, Leu, Ileu, Thr, Met, Phe, Try, Lys.

Trẻ em: 8 acid amin trên + Arg, His.

stt Acid amin Nhu cầu, g/ngày stt Acid amin Nhu cầu, g/ngày

6789

LysinTryptophanPhenylalaninHistidin

5,21,14,42,0

5 Methionin 3,0 10 Arginin 2,0

Tính chất của acid amin:

Tính chất vật lý:

− Tinh thể , màu trắng, bền ở nhiệt độ 20-250

− Đa số đều có vị ngọt, (glutamate Na bột ngọt, Asp, Lys)

− Tan khá tốt trong nước, mức độ tan có khác nhau

Độ hòa tan của một số acid amin trong nước [g/100g nước]

Acid amin Nhiệt độ [ o C]

0,114

L-Glutamic acid 0,341 0,843 2,186 5,553 14,00Glycine 14,18 24,99 39,10 54,39 67,17

L-Hydroxyproline 28,86 36,11 45,18 51,67

L-Leucine 2,270 2,19 2,66 3,823 5,638L-Methionine 1,818 3,381 6,070 10,52 17,60

0,10 5

0,24 4

0,56 5

N

H2

COOH (L.a.acid)

C* NH2R

H COOH

(D.a.acid)

− Tính bền với acid, base :

→ Dưới tác dụng của acid: không xảy ra hiện tượng racemic hóa, chuyển từ dạng L sang D

→ Dưới tác dụng của kiềm: acid amin bị racemic hóa, mất giá trị dinh dưỡng của acid amin.

Tính chất hóa lý:

• Trong môi trường acid (H+) sự phân ly nhóm -COOH sẽ bị kìm hãm, phân tử acid amin tích điện (+) , tác dụng như một base

• Trong môi trường kiềm (dư -OH- ), sự phân ly nhóm -NH2 bị kìm hãm, phân tử acid amin tích điện (-) , tác dụng như một acid

Mỗi acid amin sẽ tồn tại một pH ở đó phân tử acid amin sẽ trung hòa về

điện, được gọi là điểm đẳng điện (pI), khi đó tổng điện tích (-) và (+) sẽ

bằng không

Điểm đẳng điện của một số acid amin

GlycinHistidin4-hydroxyprolinIsoleucin

LeucinLysinMethionin

6,07,55,76,06,09,65,7

ProlinSerinThreoninTryptophanTyrosinValin

β-Alanin

6,35,75,65,95,76,06,9

Glutamic 3,2 Phenylalnin 5,5

Tính chất hóa học:

[1] Phản ứng với acid Nitrơ HNO2

Đo lượng Nitơ thoát ra, có thể định lượng a amin (ph pháp Van-Slyke)

[2] Phản ứng với Formol (formaldehyd)

Phức Ruheman (xanh tím)

[4] Tạo phức với kim loại nặng:

Tác dụng với kim loại nặng, nhất là kim loại hóa trị II tạo ra muối nội phức, đặc biệt với Cu tạo màu đặc trưng

O

H

O O

+ 2H O2

Các kiểu liên kết hóa học của acid amin :

Liên kết peptid:

Gốc –COOH của acid amin này sẽ kết hợp với gốc α-NH2 của acid amin khác, loại đi một phân tử nước Phương trình biểu diễn như sau:

Những sản phẩm này được gọi chung là peptid

Tùy độ dài và số liên kết peptid ta có pepton, peptid, polypeptid,…

Liên kết thứ cấp:

(1)Liên kết Hydro :

Liên kết này là liên kết yếu, không bền (8-12 kj/mol).Số lượng liên kết này rất lớn

(2)Liên kết Disulphua (cầu–S-S-)

• Liên kết đồng hóa trị

• Rất bền vững (300 kj/mol)

(3)liên kết ion ( liên kết muối)

• Liên kết tĩnh điện, tạo bởi các gốc phân cực, mang điện tích (+), (-) có trong phân tử protein : OH-, NH3+ , COO-, …

• Khá bền (>160 kj/mol)

(4)Liên kết lỵ nước: (Liên kết Val der Walls)

• Giữa các nhóm kỵ nước ( -CH3, -C2H5 , -C6H5)

• Không bền (4-8.5 kj/mol))

3 Cấu trúc phân tử của Protein:

Cấu trúc bậc I

• Chuỗi polypeptid tạo thành do các acid amin liên kết với nhau bằng liên kết peptid Cấu trúc bậc I là cấu trúc mạch thẳng

• Vì tất cả gốc R1, R2 ,… Rn đều ở mạch bên nên chiều dài của chuỗi protein không phụ thuộc tính chất của các acid amin mà phụ thuộc vào số lượng acid amin

Cấu trúc bậc II

• Các acid amin tự nhiên đều chứa C bất đối nên có khả năng quay tự do quanh mối liên kết của C*, do đó mạch polypeptid có khuynh hướng hình thành cấu trúc xoắn

• Cấu trúc xoắn này được ổn định nhờ vô số các liên kết hydro giữa gốc –C=O của acid amin này với gốc –N-H của acid amin thứ ba đứng sau nó Số lượng liên kết hydro rất lớn Do đó tuy là liên kết yếu nhưng vẫn giúp cho cấu trúc xoắn bền vững

• Cấu trúc bậc hai là cấu trúc điển hình của các protein dạng sợi: keratin (tóc), collagen (da, xương), không tan trong nước

O

H

Cấu trúc xoắn α

 Một chuỗi polypeptid có hình xoắn ốc giống như lò xo

 Mỗi vòng xoắn có 3.6 gốc acid amin (18 gốc tạo 5 vòng xoắn) Mỗi acid amin mhư một bậc thang cao 1.5 A0 ( 1 A0 = 10 -10 µm)

 Có thể có xoắn α phải và xoắn α trái (cùng và ngược chiều kim đ hồ)

 Rất bền, có số liên kết hydro tối đa, cứ mỗi nhóm -CO-NH- tạo được

2 liên kết hydro

Gấp nếp β

 Từ nhiều chuỗi polypeptid, có dạng như một tờ giấy gấp nếp

 Các mạch duỗi ra và tạo liên kết hydro giữa các nhóm của các chuỗi polypeptid khác nhau

Cấu trúc bậc III

• Các chuỗi xoắn bậc II tiếp tục gấp khúc tạo cấu trúc bậc III dạng cầu

• Liên kết chủ yếu: lk cầu –S-S-, lk kỵ nước Val derWalls, lk ester, lk tĩnh điện, lk hydro

• Đa số các protein có cấu trúc bậc III đều hòa tan trong nước Các gốc kỵ nước đều cuộn vào trong còn các gốc ưa nước thì phân bố đều đặn ở mặt cầu bên ngoài

Cấu trúc bậc IV

• Do các liên kết ngang giữa các tiểu đơn vị (cấu trúc cầu bậc III): liên kết hydro, Van derWalls, liên kết tĩnh điện ,

• Phân tử Hb được cấu tạo từ 4 tiểu đơn vị: 2 mạch α và 2 mạch β M=

64500 Trong phân tử có sự tham gia của 1 nguyên tử Fe, giữ vai trò vận chuyển OØ trong máu và tạo sắc tố đỏ cho máu

• Hoạt tính sinh học của protein thường chỉ thể hiện ở những cấu trúc bậc cao (III, IV) Khi bị thay đổi cấu trúc không gian, chức năng sinh học của protein sẽ bị ảnh hưởng