Tìm hiểu về sự phân giải protein và axit amin các quá trình phân giải protein và các phương pháp thủy phân protein ứng dụng trong thực phẩm, các quá trình phân giải và con đường chuyển hóa riêng của axit amin.
PHÂN GIẢI PROTEIN I Sơ lược phân giải protein Phân giải protein trình phân hủy protein thành polypeptide nhỏ axit amin Nếu không xúc tác, việc phân hủy liên kết peptit chậm, đến hàng trăm năm Quá trình phân giải protein thường xúc tác enzyme tế bào gọi protease, trình phân hủy từ phân tử Độ pH thấp nhiệt độ cao gây q trình phân giải protein mà không cần tới enzyme Sự phân giải protein sinh vật phục vụ cho nhiều mục đích: ví dụ: enzyme tiêu hóa phân hủy protein thực phẩm để cung cấp axit amin cho sinh vật, trình phân giải protein chuỗi polypeptide sau tổng hợp cần thiết cho việc tạo protein có hoạt tính Phân giải protein đóng vai trị quan trọng việc điều chỉnh số trình sinh lý tế bào, ngăn chặn tích tụ protein khơng mong muốn protein bất thường tế bào Do đó, phân giải protein khơng điều hịa gây bệnh[1] điều tác dụng số nọc độc Phân giải protein công cụ quan trọng để nghiên cứu protein phịng thí nghiệm, cơng nghiệp, ví dụ chế biến thực phẩm loại bỏ vết bẩn Q trình phân rã Q trình phân giải prơtêin phức tạp thành axit amin diễn bên tế bào nhờ vi sinh vật tiết prôtêaza môi trường Các axit amin vi sinh vật hấp thụ phân giải tiếp để tạo lượng cho hoạt động sống tế bào Khi môi trường thiếu cacbon thừa nitơ, vi sinh vật khử amin axit amin sử dụng axit hữu làm nguồn cacbon, có amơniac bay Nhờ proteaza vi sinh vật mà protein cá, đậu tương phân giải tạo axit amin, dùng nước muối chiết chứa axit amin ta loại nước mắm, nước chấm A THỦY PHÂN PROTEIN Khái niệm: Thủy phân trình hóa học phân tử bị phân cắt có mặt phân tử nước Một phần phân tử sau cắt tương tác với cation H+ từ phân tử nước, phần khác liên kết với anion OH- cịn lại Q trình phân giải protein: Quá trình xảy với xúc tác enzyme thủy phân protease Trong củ, quả, hạt giai đoạn nảy mầm ; quan tiêu hóa người động vật, thủy phân protein diễn với tốc độ nhanh tạo axit amin Protein thức ăn đưa vào thể người động vật phân giải dày ruột non tạo thành axit amin Một phần axit amin thấm qua thành ruột vào máu đến mô, tế bào để tổng hợp nên protein đặc hiệu tế bào Một phần axit amin ruột non bị vi khuẩn sử dụng làm nguồn thức ăn, chúng phân giải axit amin để tạo thành amin, axit béo, rượu, phenol, hydro sunfua (xem chương biến đổi protein trình bảo quản) Đây chất độc, hấp thu vào máu, đưa tới gan khử độc thải với nước tiểu Sự phân giải protein cách thủy phân đường phổ biến giới Động vật Thực vật Quá trình tiến hành tế bào phần cấu trúc tế bào (trong lizoxom) Tại tập trung nhiều enzim thủy phân, thực biến đổi chất cao phân tử thành chất trao đổi có phân tử nhỏ Trước protein vào q trình dị hóa, chúng bị thủy phân proteaz để tạo thành peptit phân tử nhỏ axit amin Bản chất trình thủy phân protein: trình phá vỡ liên kết peptide có mặt nước Do liên kết peptide liên kết bền, nên trình thủy phân cần có mặt chất xúc tác Các tác nhân xúc tác gồm: • Tác nhân hóa học: acid (HCl) hay base (NaOH) • Tác nhân hóa sinh học: enzyme thủy phân protein (protease) Trong sản xuất thực phẩm, thường dùng phương pháp thủy phân acid hay enzyme hay kết hợp khơng dùng kiềm Bởi vì, sử dụng dụng kiềm xảy tượng racemic hóa làm giảm giá trị dinh dưỡng acid amine Hiện nay, trình thủy phân protein ứng dụng rộng rãi vào trình sản xuất thực phẩm sản xuất nước tương, sản phẩm lên men 4 Một số phương pháp thủy phân protein ứng dụng công nghệ thực phẩm: Phương pháp hóa học Đây phương pháp thủy phân protein xúc tác acid mạnh (HCl, H 2SO4) hay kiềm mạnh (NaOH) nhiệt độ cao để cắt đứt liên kết peptide Quá trình cắt đứt tất liên kết peptide protein chất, đồng thời phá hủy số acid amine + Phương pháp acid Dùng HCl nồng độ – 10N, nhiệt độ (100 – 180 oC), thời gian thủy phân từ 24 – 48 Sau trình thủy phân, dung dịch trung hịa đến pH 6,5 – Do sử dụng acid nồng độ cao nhiệt độ thủy phân cao nên số acid amine bị phá hủy Tryptophan bị phá hủy hoàn toàn, acid amine serine threonine bị phá hủy phần Asparagine, glutamine bị chuyển thành dạng acid, hầu hết vitamin bị phá hủy Bên cạnh đó, muối hình thành q trình trung hịa nên kết sản phẩm có hàm lượng muối đáng kể Ngồi ra, chi phí lượng thiết bị cao phải chịu nhiệt chống acid ăn mòn, bên cạnh đó, mức độ độc hại cao gây ô nhiễm môi trường, sinh độc tố 3-MCPD, 1,3-DCP Thực tế, phương pháp sử dụng nhiều thời gian thủy phân nhanh, hiệu suất cao từ 85 – 90%, mùi vị sản phẩm thơm ngon Sau qui trình sản xuất nước tương theo phương pháp acid + Phương pháp kiềm Sử dụng NaOH nồng độ từ – 8N, nhiệt độ 100 – 110 oC, thời gian 24 – 48 Đối với phương pháp này, tryptophan bảo toàn xảy tượng racemic hóa làm giảm giá trị dinh dưỡng, tạo lysineolanine làm giảm lysine thành phần nên phương pháp sử dụng cơng nghiệp Phương pháp hóa sinh học + Phương pháp vi sinh Đây trình thủy phân protein nhờ xúc tác enzyme từ vi sinh vật Các enzyme tạo từ việc nuôi cấy vi sinh vật mơi trường riêng sau đưa vào ngun liệu giàu đạm sản xuất nước tương tận dụng enzyme có sẵn nguyên liệu ban đầu sản xuất nước mắm Thành phần thu dung dịch bao gồm protein, pepton, peptide acid amine Phương pháp có hiệu suất thủy phân thấp, thời gian thủy phân kéo dài (thường – tháng) + Phương pháp enzyme Đây phương pháp thủy phân protein điều kiện ơn hịa khơng u cầu nhiệt độ cao (thường 40 – 50oC) Sử dụng nguồn enzyme từ chế phẩm enzyme thương mại, kết hợp nhiều loại enzyme với để tăng hiệu suất thủy phân như: protease, cellulase, amylase Phương pháp hạn chế sử dụng hóa chất nên làm biến đổi acid amine, sản phẩm an toàn giá trị dinh dưỡng không giảm nhiều, hiệu suất tối đa đạt 70% Không giống phương pháp acid, enzyme thủy phân liên kết peptide thường có tính đặc hiệu Ví dụ: papain cắt liên kết peptide chuỗi gần kề với arginine, lysine phenylalanine; pepsin cắt chuỗi có phenylalanine leucine tham gia liên kết Trong phương pháp này, enzyme protease đóng vai trị thủy phân Chúng phân cắt liên kết peptide theo hai cách (exopeptidase endopeptidase) Vì vậy, tùy theo yêu cầu sản phẩm cuối cùng, mà lựa chọn enzyme phù hợp Phương pháp kết hợp Để khắc phục nhược điểm phương pháp hóa học phương pháp enzyme đồng thời bổ sung ưu điểm cho người ta thường kết hợp hai phương pháp với Có thể thủy phân enzyme trước thủy phân acid hay ngược lại Việc kết hợp giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại, giảm nhiễm mơi trường, rút ngắn thời gian sản xuất B PHÂN GIẢI CÁC AXIT AMIN I Sơ lược axit amin : Axit amin loại hợp chất hữu tạp chức mà phân tử có chứa nhóm chức amin (nhóm amino, - NH2) lẫn nhóm chức axit (nhóm cacboxyl, - COOH) Acid amin thành phần cấu tạo nên protein cần cho sống Vai trò axit amin thể: nguyên liệu trình tổng hợp protein hợp chất có hoạt tính sinh học khác nhau, ngồi cịn dùng làm nguồn lượng • Ở thể người, động vật: Các acid amin hấp thu ruột, chuyên đến gan đê tổng hợp abumin huyết tương, phần xa vào mơ tế bào để tổng hợp nên protein đặc hiệu Một phần acid amin ruột non số vi khuẩn phân giải thành amin, acid béo, rượu, phenol, indol, hydro sunfua số hợp chất khác Một phần nhỏ bị oxi hóa đến giải phóng lượng cung cấp cho trình trao đổi chất thể Cơ thể động vật bậc cao phân giải tích cực axit amin ngoại sinh nội sinh, trình tân tạo protein thể • Ở thực vật: Acid amin dùng để tổng hợp protein => Những biến đổi acid amin thể người, động vật, thực vật diễn theo nhiều cách, chủ yếu phản ứng theo nhóm COOH, nhóm NH2, theo gốc R acid amin chuyên hóa chung Ở thực vật bậc cao, trao đổi axxit amin phức tạp ngồi 20 axit amin có thành phần protein gặp nhiều axit amin khác Phần lớn thực vật trạng thái sinh trưởng không ngừng, trao đổi axit amin xảy theo chiều hướng tổng hợp chủ yếu II Quá trình phân giải axit amin Sự phân giải axit amin bao gồm: • Loại nhóm amin • Loại nhóm cacboxil chuyển hóa theo gốc R Trong tế bào sống, axit amin chuyển hóa theo hướng sau : Khử amin : Khử amin tách nhóm NH2 khỏi axit amin Là phản ứng phân giải axit amin thành NH3 sản phẩm tương ứng Trong thể có kiểu khử amin khử amin thủy phân, khử amin khử, khử amin nội phân tử khử amin oxy hóa • Khử amin thủy phân tạo oxy axit • Khử amin khử (hydro) • Khử amin nội phân tử : • Khử amin - oxi hóa: Trong cách khử q trình khử amin-oxi hóa xảy thường xuyên tế bào, sản phẩm tạo thành ceto acid, ceto acid tiếp tục bị khử cacboxyl tạo thành axit béo, axit béo bị phân giải theo hướng β oxy hóa để giải phóng lượng axetyl CoA, axetyl CoA sử dụng để tổng hợp axit béo Các ceto acid tham gia kết hợp với axit amin để tạo axit amin Khử carboxyl Sự loại carboxyl amino acid cách phân giải amino acid phổ biến nhờ decarboxylase xúc tác (chứa CoE pyridoxalphosphat (B6)) Sản phẩm tạo amin • Gốc R axit amin có cấu tạo hóa học khác nên biến đổi liên quan đến gốc R đa dạng vô phong phú Trong tế bào sống, chuyển hóa axit amin lên quan đến gốc R quan trọng biến đổi axit amin thành axit amin khác Ví dụ: Phản ứng oxy hóa gơc phenylalanin thành tyrosin… • Một số phản ứng liên quan đến gốc R Các đường chuyển hóa riêng axit amin: Tất đường hướng chuyển hóa axit amin dẫn đến sản phẩm cuối thành viên chu trình Krebs ... khỏi axit amin Là phản ứng phân giải axit amin thành NH3 sản phẩm tương ứng Trong thể có kiểu khử amin khử amin thủy phân, khử amin khử, khử amin nội phân tử khử amin oxy hóa • Khử amin thủy phân. .. trình phân giải axit amin Sự phân giải axit amin bao gồm: • Loại nhóm amin • Loại nhóm cacboxil chuyển hóa theo gốc R Trong tế bào sống, axit amin chuyển hóa theo hướng sau : Khử amin : Khử amin. .. sinh vật khử amin axit amin sử dụng axit hữu làm nguồn cacbon, có amơniac bay Nhờ proteaza vi sinh vật mà protein cá, đậu tương phân giải tạo axit amin, dùng nước muối chiết chứa axit amin ta loại