Функциональные свойства белков

Лекция 5. Функциональные свойства и превращения белков в технологическом потоке

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

2. Превращения в технологическом потоке.

3. Методы определения качества и количесва белков в продуктах.

Вопрос 1. Растительные белки находят применение в производстве пищевых продуктов в качестве ингредиентов питательной, технологической и ле­чебно-профилактической значимости благодаря присущим им уникаль­ным функциональным свойствам. Понятие «функциональ­ные свойства белков» впервые ввели Серкл и Джонсон в 1962 г. Под фун­кциональными свойствами понимают физико-химические характерис­тики белков, определяющие их поведение при переработке в пищевые продукты и обеспечивающие определенную структуру, технологические и потребительские свойства (В. Толстогузов, 1987).

К наиболее важным функциональным свойствам белков относятся растворимость, водосвязывающая и жиросвязывающая способность, спо­собность стабилизировать дисперсные системы (эмульсии, пены, суспен­зии), образовывать гели, пленкообразующая способность, адгезионные и реологические свойства (вязкость, эластичность), способность к пря­дению и текстурированию.

Белки с высокими функциональными свойствами хорошо растворя­ются в воде, образуют прочные гели, стабильные эмульсии и пены; бел­ки с низкими функциональными свойствами не набухают в воде, не спо­собны образовывать вязкие, эластичные массы, гели, не стабилизируют пены и эмульсии. Некоторые известные белки не попадают под указан­ные выше закономерности. Так, белки пшеничной клейковины, несмотря на низкую растворимость в воде (2—5%), образуют структурные коллоидные системы — гели, которые вьщерживают нагревание, замораживание и сушку, а белки из отрубей и тритикале с растворимостью 10-20% обладают высокими жироэмульгирующими и пенообразующими свойствами. Отклонения от указанных выше закономерностей объясняются| трудностью создания в экспериментах при оценке функциональна свойств стандартных условий, так как белки имеют разные оптимальные значения свойств, а модельные системы не учитывают многофункциональность и взаимодействие белков с другими компонентами пиши (з пидами, углеводами и т. д.). Поэтому признано, что функциональные свойства белков должны выражаться не только в численных значен! но и в профилях зависимостей от технологических или других факторо! Данный подход в оценке функциональных свойств нашел отражение в применении для белков нового термина — «технофункциональные»| включающего особенности технологических процессов при производ­стве, хранении и потреблении пищевых продуктов. При этом функциональные свойства белков оцениваются для конкретных пищевых систем в рамках выбранного направления путем сравнения их со свойствами тра­диционных или других известных белков.

Растворимость, являясь первичным показателем оценки фун­кциональных свойств белков, характеризуется коэффициентами КРА и КДБ. В первом случае определяют количество азота, во втором — коли чество белка, перешедшего в раствор (в процентах от общего содержания его в продукте). Специфическая последовательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях, неравномерное расположение гидрофобных и гидрофильных групп на поверхности белков, наличие или отсутствие спирализованных участков обуславливают особенности фун­кциональных свойств. Растворимость в наибольшей степени зависит от присутствия нековалентных взаимодействий: гидрофобных, электростатических и водородных связей (см. Строение пептидов и белков). При рассмотрении гидрофобных взаимодействий белков различают среднюю и относительную (поверхностную) гидрофобность. Под средней гидро-фобностью понимают энергию стабилизации, приходящуюся на одну неполярную боковую группу при связывании ее внутри глобулы белковой молекулы, под относительной — степень гидрофобного взаимодействия неполярных остатков аминокислот, расположенных на поверхности глобул. Последний вид гидрофобности оценивается по связыванию с липидами и углеводами, распределению белков в двухфазных водных систе­мах, содержащих полимеры с разной гидрофобностыо, и т.д. За счет от­носительной гидрофобности осуществляется взаимодействие с липида-ми и формируется четвертичная структура белков. Чем ниже относи­тельная гидрофобность белков (то есть ниже взаимодействие между глобулами и выше сила отталкивания), тем выше взаимодействие их с моле­кулами растворителя, следовательно выше растворимость.

Вклад электростатических сил в растворимость белков зависит от рН сре­ды и присутствия солей. При рН, соответствующем ИЭТ, белки имеют наи­меньшую растворимость, так как суммарный заряд на их молекулах равен нулю и частицы лишены способности отталкиваться за счет электростати­ческих взаимодействий с молекулами растворителя. В кислой или щелоч­ной среде, наоборот, обеспечивается взаимодействие противоположно заря­женных ионов растворителя (Н⁺ или ОН- соответственно) с поверхностями белковых частиц, заряженных положительно в кислой среде и отрицательно в щелочной, а значит и переход белков в раствор. В кислой среде белок имеет положительный заряд на аминогруппах вследствие подавления диссоциа­ции карбоксильных (—СООН) групп, в щелочной — отрицательный заряд у карбоксильных групп за счет подавления диссоциации (-NHj) групп.

Зависимость растворимости белков от концентрации солей носит нелинейный характер. При добавлении небольших количеств солей рас­творимость увеличивается, так как ионы препятствуют электростатичес­кому взаимодействию боковых групп белка между собой. Высокие кон­центрации солей, снижающие гидратацию полипептидных цепей, наобо­рот, усиливают гидрофобные белок-белковые взаимодействия и вызыва­ют выпадение белка в осадок (высаливание). Использование в качестве растворителя воды, разбавленных растворов солей, щелочей и водноспиртовых растворов обеспечивает перевод гетерогенных смесей в ра­створ, соответственно, альбуминов, глобулинов, глютелинов и проламинов и получение белковых фракций, различающихся по аминокислот­ному составу, молекулярным массам и функциональным свойствам.

Различия в растворимости белков пищевого сырья лежат в основе тех­нологических процессов выделения изолятов и концентратов и имеют непосредственное отношение к качеству многих пищевых продуктов. Важное значение растворимость белков имеет для повышения качества пищевых продуктов, в производстве которых предусмотрен их гидролиз (автолиз) и денатурация (начальные технологические стадии, сушка и хра­нение). Потеря растворимости, как правило, сопровождается изменени­ем и других важных функциональных свойств, что в значительной мере отражается на качестве продуктов и степени перевариваемое™ белка в желудочно-кишечном тракте. Особые требования к растворимости бел­ков предъявляются при использовании последних в производстве напит­ков, хлебных, мучных кондитерских и макаронных изделий. В напитках применяются белки с высокой растворимостью, в изделиях из муки — с низкой. Применение белков с чрезмерно высокой растворимостью в со­ставе хлебопекарных улучшителей отрицательно отражается на эластичновязкоупругих свойствах теста. Незначительное количество растворимого белка должно содержаться в текстурированных формах белка, зерновых продуктах, приготовленных высокотемпературной экструзией, макаронных изделиях.

Свойства белковых суспензий. При использовании белков в качестве обогатителей, наполнителей (разбавителей), функционых ингредиентов и аналогов мясных и рыбных изделий большое значение имеют такие свойства белковых суспензий: ограниченная степень набухания и размер частиц, водо- и жиросвязывающая способность, адгезионные свойства, значение рН и буферная емкость, образование вязко-упругоэластичных масс и гелей.

Водосвязывающая способность характеризуется адсорбцией воды при участии гидрофильных остатков аминокислот, жиросвязывающая — адсорбцией жира за счет гидрофобных остатков. При невысокой влажности гидрофильные группы, взаимодействуя с молекулами воды, образуют мономолекулярный слой, при высокой — вокруг глобул белка формируется многослойная структура с одновременным проникновением воды во впадины и выступы. Общее количество воды и жир на поверхности достигает 0,2—0,4 г на 1 г белков.

Способность белков удерживать жир и воду зависит не только от особенностей аминокислотного состава и структуры, но и от фракционного состава, способа обработки, рН среды, температуры и присутствия углеводов, липидов и других белков. В пшеничном тесте при добавлении со­евого белка или пшеничной клейковины водопоглотительная способность положительно коррелирует с количеством нерастворимой фракции белков и отрицательно — с содержанием растворимой. Высокая cnoсобность белков удерживать воду в пищевых продуктах (мясных, хлебо­булочных и т.д.) повышает выход последних, удлиняет сроки хранения и улучшает текстуру. Денатурированные белки имеют пониженную водо-связывающую способность, и их применение отрицательно сказывается на качестве хлеба. Высокая жироудерживающая способность белков обес­печивает нежную и однородную текстуру изделий, исключает отделение жира, сморщивание изделий, уменьшает потери при варке и жарении.

Жироэмульгирующая и пенообразующая способности белков широко используются в практике получения жировых эмульсий и пен. Присутствие в одной белковой цепи гидрофобных и гид­рофильных группировок обеспечивает распределение молекул опреде­ленным образом на границе раздела фаз вода—масло и вода—газ. Ориен­тация гидрофильных групп белка к воде, а гидрофобных — к маслу на границе раздела фаз в виде прочного адсорбционного слоя снижает по­верхностное натяжение в дисперсных системах и делает их агрегативно устойчивыми и одновременно вязкими. Наиболее широко распростра­нены пищевые эмульсии «масло в воде» (м/в) и «вода в масле» (в/м), называемые, соответственно, прямыми и обратными. В производстве но­вых форм белковой пищи большое значение приобрели и эмульсии «вода в воде» (в/в). Все виды эмульсий с белком получают механическим дис­пергированием одной жидкости в другой при помощи мешалок, гомоге­низаторов, обеспечивающих в поле сил сдвига деформацию дисперси­онной среды с образованием мелких частиц. Эмульгирующие свойства белков оценивают по эмульгирующей способности, эмульгирующей ем­кости, стабильности эмульсий и т.д., описание которых можно найти в специальной литературе.

Пены (дисперсные системы с газообразной фазой и жидкой или твердой средой) получают механическим распределением воздуха в рас­творе белка путем взбивания или за счет вскипания воды, понижения давления, обеспечения химических и микробиологических процессов в белоксодержащих пищевых системах. Так, беЛки клейковины образуют пену в хлебном тесте под действием диоксида углерода при брожении, а в кондитерском — за счет химических разрыхлителей при выделении ам­миака и диоксида углерода. Пенообразующие свойства белков характе­ризуются пенообразующей способностью и стабильностью пены. Пер­вый показатель измеряется объемом пены, отнесенным к массе белка, второй — периодом ее полураспада, то есть временем, необходимым для разрушения половины объема пены. Оба показателя зависят от рН сре­ды, концентрации белка, солей, температуры, присутствия липидов, са­харозы, пищевых волокон, фракционного состава и строения белков. Для качества некоторых пищевых продуктов большое значение имеет размер пузырьков пен, который также зависит от технологических и других фак­торов. Глютенин пшеницы, например, образует пузырьки пены с боль­шим размером, чем глиадин. После расщепления дисульфидных связей в глиадине и целой клейковине размер пузырьков не изменяется, в то время как у глютенина он уменьшается.

На основе жироэмульгирующих свойств растительные и животные белки применяются в производстве хлебобулочных, мучных кондитерс­ких изделий, низкокалорийных маргаринов, майонезов, паст, мясных продуктов, а пенообразующие свойства являются основой производства сбивных кондитерских изделий (бисквитов, десертов, кремов и т. д.). Спо­собность белковых суспензий к сцеплению с поверхностями металла, пластмасс, картона, бумаги (адгезия) важна в процессах транспортиров­ки, обработки, формования и упаковки тестовых, творожных, сырных, конфетных масс, мясных и рыбных фаршей, текстуратов белка и новых форм белковой пищи (аналогов).

Гелеобразующие свойства белков характеризуются спо­собностью их коллоидного раствора из свободно диспергированного состояния переходить в связнодисперсное (с образованием систем, обладающих свойствами твердых тел). Упругие свойства геля, обусловленные образованием пространственной сетки взаимодействующих молекул белка, зависят от минимальной его концентрации, при котором наступает гелеобразование (гель-точки), от рН, от присутствия др белков, солей, полисахаридов. Белок как гелеобразователь должен разовывать гели в широком диапазоне рН, ионной силы, при минимальной концентрации и с необходимыми физико-химическими е ствами. К последним относятся прочность, твердость, эластичн тиксотропия (способность обратимо переходить в текучее состо при механической обработке и вновь образовывать нетекучий гель после снятия нагрузки), температура размягчения и плавления, степень набухания, способность к синерезису (отделение дисперсионной среды с сокращением объема геля), сорбция красителей и ароматических веществ и т.д. К подобного рода «универсальным» гелеобразователям относится желатин, позволяющий в широких пределах обеспечить регулирование химического состава и биологическую ценность пищевых продуктов.

Различают наполненные, смешанные, комплексные, анизотропные гели и ксерогели. Наполненные гели содержат другие белки в суспедированном или растворенном виде, смешанные состоят из пространных сеток с разными видами белков, у комплексных гелей роль гелеобразователя выполняют комплексы белков с другими соединениями. Отличительной особенностью анизотропных гелей является наличие в составе ориентированных молекул белка, а ксерогелей (сухих гелей) возможность хранения их в течение длительного времени.

Вязко-эластично-упругие свойства. Отличительным свойством некоторых пищевых белков является низкий уровень полярности функциональных групп. Молекулы воды, окружая частицы ков, отталкиваются, а молекулы белков, наоборот, агрегируются с образованием комплексов с присущими им реологическими свойства (вязкость, эластичность, упругость). Наиболее выраженным комплексом таких свойств обладают белки пшеничной клейковины, обуславливающие текстуру хлеба и создающие непрерывную фазу в изделиях с наполнителями (зерно, отруби, изюм). За свойство упругости и эластичности белков ответственность несет глютениновая фракция белков.

С целью обеспечения стабильности технологического процесса, шения качества и расширения ассортимента пищевых изделий осуществляют регулирование функциональных свойств. Функциональные свойства белков определяются их структурой. Например, вязкость и гелеобразующие свойства соотносятся с размером и формой молекул водосвязывающая способность, пенообразующие и эмульгирующие свойства коррелируют с соотношением на поверхности полярных и гидрофобных групп. Все факторы, которые изменяют структуру белков, вызы­вают и регулирование (модификацию) их свойств.

Регулирование функциональных свойств белков достигается измене­нием условий их выделения, сушки, физическими, физико-химическими воздействиями, ферментативной и химической модификацией. Парамет­ры обработки могут изменять аминокислотный и фракционный состав белков, вызывать денатурацию, агрегацию или взаимодействие с други­ми компонентами (липидами» углеводами).

Наиболее широко используемыми методами регулирования функцио­нальных свойств являются физико-химические и ферментативные. К фи­зико-химическим методам относятся перевод белков перед сушкой в раствор кислот, щелочей, оснований — с целью изменения заряда или ионного со­става, тепловая денатурация и т.д. При этом у белков улучшаются функцио­нальные свойства: повышается растворимость, гелеобразующая, жироэмуль-гирующая способность, способность к текстурированию и прядению.

Функциональные свойства белков улучшаются и за счет обработки их веществами липидной (лецитин, стеароил-2-лактилат натрия или каль­ция, моно- и диацилглицерины), углеводной (пектины, альгинаты, каррагинаны, камеди) или иной природы (поливалентные металлы).

Реакционные группы белков взаимодействуют с различными типами соединений с образованием при этом композитных формул. Последние усиливают процессы водопоглощения, эмульгирования жира, гелеобра-зования, структурирования и тем самым улучшают качество готовых из­делий.

Хорошо изучено взаимодействие белков с заряженными полисахари­дами, приводящее к получению нерастворимых электростатических ком­плексов. При этом наблюдается фазовое расслоение системы. Регулиро­вание функциональных свойств белков в составе суспензии достигается добавлением в состав пищевых дисперсных систем, например мясных фаршей, анионных полисахаридов (пектаты, альгинаты, карбоксиметил-целлюлоза) или применением последних на стадии осаждения белка из растворов. Комплексообразование белков с полисахаридами эффектив­но и для избирательного фракционирования белковых компонентов за счет сорбции их как при одноименных, так и разноименных зарядах с молекулами анионов.

Комплексы белок—анионный полисахарид имеют большую набухае-мость, хорошую водоудерживающую способность и более высокие по­верхностно-активные свойства. В присутствии, например, пектина и кар-рагинана эмульсионная емкость и стабильность жировой эмульсии с ка-зеинатом натрия повышаются (Э. Токаев, И. Рогов и др., 1982). Образо­вание комплекса белок—анионный полисахарид (КМЦ, гуммиарабик и др.) с казеином, глобулинами сои обеспечивает и получение более стабильных пен при более высокой массовой доли белка в них(В. Толстогузов, Е. Браудо и др., 1985).

При образовании комплексов белка с анионными полисахаридами большая роль отводится взаимодействию положительно заряженных групп белка с отрицательно заряженными группами полисахаридов, а также образованию гидрофобных взаимодействий и водородных связей между комплексообразователями. При формировании таких комплексов иногда изменяется вторичная структура белка.

Ферментативная модификация функциональных свойств белков ществляется с использованием ферментов (табл. 2.14) растительного, микробного или животного происхождения. Преимуществом таких методов являются мягкие режимы выделения белков, сохранение биологической ценности и возможность регулирования глубины той или иной реакции. К недостаткам методов относится ограничение процессов модификации из-за высокой степени специфичности ферментов.

Таблица 2.14. Методы ферментативной модификации белков [К. Швенке, 2000]

Реакция	Фермент	Реагарующие функ­циональные группы	Структурные эффекты <к
Протеолиз	Протеиназы	Специфическое	Уменьшение моле-
		расщепление	кулярной массы,
		пептидных связей	гидрофилизация
Пластеиновая	Протеиназы	Пептидные связи,	Транспептидация
реакция		-NH2 и -СООН	после ферментатив­ного расщеплениярасщепления
Гликозилирование	Трансглутаминаза	-Glu-CO-NH,	Гидрофилизация
Фосфорилироваие	Протеинкиназы	-ОН	Тоже ь
Дезамидирование	Пептидоглутамин-азы, трансглута-миназы	-Glu-CO-NH2	««й
Сшивание	Трансглутаминазы,	-Glu-CO-NH2	Стабилизация.*,
	пероксидаза,	Туг	структуры
	полифенолоксидаза	Туг	.. ■'■>!

Из ферментативных методов модификации наибольшее распростране­ние получил метод ограниченного ферментативного протеолиза. С его использованием для замены яичного альбумина выпускают пенообразующие модифицированные белки: гидролизаты изолята и гидролизаты муки.

При ограниченном протеолизе, например, легумина кормовых бобов под влиянием трипсина — фермента пищеварительного тракта — расщепляются пептидные связи только а-цепей, тогда как бетта-цепи остаются незатронутыми. И только в ходе дальнейшего глубокого протеолиза 6-цепи 11S белка расщепляются на пептиды.

Гидролитический распад гидрофильных а-цепей приводит к пониже­нию молекулярной массы с 340 до 240 кДа и к возрастанию степени гидрофобности «Обрубка» —легумина Т. Молекулы белка становятся более компактными, сферическими и с высокой термодинамической стабиль­ностью (Браудо Е. Е., 1997). При этом улучшаются эмульгирующие и пенообразующие свойства белков.

Аналогичная взаимосвязь между особенностями структуры 1 IS гло­булинов, подвергнувшихся ограниченному протеолизу, и функциональ­ными свойствами существует и у гороха и у сои. Разница заключается в молекулярных массах легумина Т — 230-260 кДа.

Определенный интерес представляют реакции ферментативного син­теза белков из пептидов (пластеиновый синтез), которые целесообразно применять для введения в состав белков незаменимых аминокислот или их производных (эфиров) с целью улучшения растворимости, поверхно­стно-активных свойств и биологической ценности:

Гидролиз Пептиды концентра- Концентрат _Синтез

Белок ----- > с молекулярной -- ► пептидов --- ► Пластеин

протеаза ~ -» <чл тт рование,-_{л ЛП}п/\ фермент

^F массой 3—20 кД (30—40%)

Важнейшие химические методы модификации функциональных свойств приведены в табл. 2.15. Из этих методов широко известны приемы дезаминирования аминогрупп янтарным или уксусным (ацетилирование) ангидридами и фосфорилирования.

СХЕМЫ сукцинирования и ацетилирования. Эта модификация приводит к повышению суммарного отрицательного заряда молекулы из-за ковалентного присоединения остатков янтарной и уксусной кислот к έ-группам остатков лизина. Степень ацилирования возрастает за счет гидроксильных групп серина, треонина, тирозина.

Электростатическое отталкивание одноименно заряженных групп приводит к структурным изменениям в белках и даже распаду 11S белков на субъединицы и развертыванию их глобулярной структуры. Подобные структурные изменения характерны для 11S глобулинов семян арахиса, рапса, подсолнечника, гороха и кормовых бобов.

Благодаря изменению пространственной структуры и заряда молекул белков усиливаются гидрофобные свойства, следовательно, улучшаются эмульгирующие и пенообразующие, изменяются растворимость и гелеобразующие. Полипептидные цепи формируют гели при меньших значениях концентрации, рН и температуры, чем нативные белковые глобулы. С возрастанием степени модификации прочность гелей уменьшается, поэтому для ацетилированных белков целесообразна средняя степень модификации.

Сукцинированные и ацетилированные легумины при определенной степени модификации образуют эмульсии «масло в воде» высокой степени устойчивости. Фосфорилирование растительных белков с примениением хлорокиси фосфора приводит к улучшению растворимости, эмульгирующих и пенообразующих свойств и способности к гелеобразованию. Стабилизация структуры геля способствуют ковалентные сшивки модифицированных белков.