Вопрос 2. Превращения белков в технологическом потоке

Нативная трехмерная структура белков поддерживается разнообразием внутро- и межмолекулярных сил поперечных связей. Любое изменение условий среды в технологических потоках оказывает влияние на нековалентные связи молекулярной структуры и приводит к разрушению четвертичной, третичной, вторичной структуры. Разрушение структуры с потерей биологической активности называется денатурацией – разупорядочение конформации полипептидной цепи без изменения первычной структуры. Протомерный (мономерный) денатурирует с раскручиванием цепи, олигомерный на протомеры с или без изменения их конформации. Большинство белков денатурируют в присутствии сильных минеральный кислот, оснований, нагревании, охлаждении, при обработке ПАВ (додецил сульфатом), мочевиной, солями свинца, серебра, ртути, органическими растворителями. В практке этот факт применяют для выделения из пищевого сырья белков и из готовых продуктов, и для изучения их свойств. Большая часть белков денатурирует при 60-80С, но лактоглобулин молока и нгекоторые ферменты микробов термостабильные. Но степень денатурирующего эффекта температуры зависит от влажности, рН, солевого состава среды, присутствия небелковых соединений. Температура денатурации сои понижается в присутствии жирных кислот, в кислой рН и при высокой влажности, повышается в присутствии сахарозы, крахмала. Факторы, оказывающие влияние на денатурацию, имеют важной значение для регулирования активности ферментов.

При от 40-60С до 100С скорость взаимодействия белков с восстанавливающими сахарами высока, при этом образуются карбонильные соединения и темноокрашенные продукты – мелантоидины. При этом группа NH₂ аминокислот взаимодействует с гликозидными гидроксилами сахаров. Сахароаминные реакции причина не только потемнений, но и уменьшения сухого в-ва, потерь лизина, треонина, снижения биологической ценности, усвояемость. Сахароамминные комплексы не подвергаются гидролизу ферментами пищеварительного тракта. Количество незаменимых аминокислот уменьшается, причина не только взаимодействия их с сахарами, но и взаимодействия в самом белке амино и карбоксильных групп. Эти реакции проходят с образованием внутренних ангидридов, циклических амидов и изопептидных связей. Тепловая денатурация – основной физико-химический процесс при выпечке хлеба и др изделий, стерилизации, пастеризации. Данный вид превращений относится к полезным, т.к. ускоряет переваривание белков в ЖКТ, обуславливает потребительские качества. Но т.к. степень денатурации различна, то и усвояемость может не только улучшаться, но и ухудшаться. Изменяются физико-химические свойство белков.

Если обрабатывать пищу при 100-120С, происходит не денатурация, а разрушение белков с отщиплением функциональных групп, расщиплением пептидных связей и образованием сероводорода, аммиака, углекислого газа, сложных соединений небелковой природы. Идут реакции дезамидирования аспарагиновой и глутаминовой кислоты, дегидротация глицина, это становится причиной образования новых ковалентных связей, образуется 2,5 дикетопиперазин (обжаренные бобы какао). Среди продуктов термического распада белков встречаются соединения, придающие им мутагенные свойства. Мутагены образуются в процессе обжарки в масле, выпечки, копчения в дыму, сушке. Мутагены есть в бульенах, жаренных яйцах, рыбе, птице, свинине, говядине. Некоторое могут вызвать изменения в ДНК наследственные, и воздействие может быть летальным. Продукты пиролиза а.к. такие как Трп-П-1, Трп-П-2 из триптофана, есть из фенилалланина, глу, лизина (500-600С). Другая группа при 200С и ниже в пищевых бульенах. Изменения могут происходить не только при температуре высокой, но и в щелочной среде идут процессы деструкции и изомеризации из Л в Д форму а.к. Присутствие Д-формы понижает усвоение. В сильнощелочных средах и особенно при высоких температурах аргинин превращается орнитин, цитрулин, мочевину, аммиак, цистеин в дегидроаланин с выделением сероводорода. HN-C-C=O

║ ║

O.

Реакционноспособный дегидроаланин конденсируется с остатками лизина, орнитина и цистеина боковых цепей и образует межмолекулярные поперечные связи в белках. В реакцию конденсации могут вступать остатки аргинина, гистидина, треонина, серина, тирозина и триптофана. Питательная ценность белков с новыми поперечными связями ниже, чем у белков с нативной структурой, поэтому их образование нежелательно. Они у крыс стимулируют диарею, облысение. Обработка растворами щелочей широко используется при получении изолятов и концентратов белков. Чем ниже значение рН, температура и время обработки, тем выше содержание незаменимых а.к. в белке. Повышение р-ра с 8,5 до 12,5 при экстракции белка из пшеничных отрубей количество лизина в нем уменьшается на 40%, треонина на 26%, Валина на 24%. Мягкие температурные режимы предохраняют от образования в больших количествах нежелательных аминокислотных фрагментов. Но введение предельно-допустимых количеств лизиноаланина в целях обеспечения безопасности белоксодержащей пищи.

Неблагоприятные погодные условия при созревании зерна, поражение вредителями и микрофлорой, пониженная или повышенная температура при хранении и переработке сырья и полуфабрикатов, механические, физические и химические факторы (перемешивание, гомогенизация, замес, ИК облучение, УЗ, действие солей, СО₂, газообразного азота и этилена) усиливают структурные перестройки белков, которые могут разрушать белково-липидные взаимодействия. Высвобождающиеся липиды, окисляются, портятся, и способны инициировать образование ковалентных меж- и внутримолекулярных связей в белках и новых полимерах. Так остатки тирозина в присутстствии гидропероксидов (LO₂H) могут превращаться в сульфоксиды и сульфоны, остатки цистеина – в сульфиновые, сульфоновые кислоты, остатки триптофана – в гидрокси-β-индолилаланин, и N-формилкинуренин. Все реакции окисления связаны с потерей незаменимых а.к. Окислительная порча белков особенно опасна при переработке масличного и жирового сырья. Торможение реакций можно достигать добавлением антиоксидантов, ферментных препаратов и повышения активности собственных ферментов с целью вывода липидов из взаимодействия с белками.

Использование новых традиционных процессов без глубокого изучения влияния их на молекулярные основы структуры белков, с одной стороны, опасно для здоровья людей, а с другой – не эффективно с точки зрения обеспечения качества пищевыз продуктов. Пример – научно-обоснованное применение вит С для улучшения качества хлеба: Аскорбиновая кислота окисляется кислородом воздуха в дегидроаскорбиновую, тем самым окисляет глутатион, который превращается в окисленный (Г-SH в Г-S-S-Г). Это его предохраняет от взаимодействия с белками клейковины при образовании теста. Сульфгидрильные группы пшеничного белка взаимодействуют друг с другом с образованием дисульфидносвязанных белковых цепей и качество изделий улучшается.

Наряду с окислительными процессами в технологическом потоке предусмотрены и механические, физические воздействия на белки.

Это замес, гомогенизация, ультразвук. На начальных стадиях замеса теста и при измельчении семян зерна наблюдается тепловая агрегация белков, при усиленной механической обработке теста возможна деструкция белков с разрывом дисульфидных и даже пептидных связей.

Агрегирующая и комплексообразующая способность белков пшеницы играет роль в формировании клейковины при отмывании из муки. Параметры агрегации определяют по методу: растворы клейковинных белков смешивают в 0,01н уксусной кислоте и 0,2М натрийфосфатном буфере, содержащем 2М хлорид натрия (рН 5,6). Измеряют оптическую плотность при 350 нм во времени агрегации и рассчитывают коэффициент начального этапа агрегации (К) и показатель агрегации (t₁₀/c)? Характеризующий степень помутнения р-ра в течение 10 мин. Константу начальной скорости агрегации рассчитывают по уравнениям:

К= r/c⁴ и τ= 3^{r t}+ τ³₀

Τ- оптическая плотность раствора при 350нм, r – постоянная, отражающая изменение плотности в первые 1-1,5 мин агрегации, t- время агрегации, τ₀ – оптическая плотность при t=0, с – концентрация белка, %.

Параметры агрегации белков сильных пшениц, характеризующиеся более «плотной» пространственной упаковкой структуры, выше по сравнению со слабыми, имеющими рыхлую организацию молекул. Прцесс образования белковых агрегатов по ходу технологическиго процесса приготовления изделий из муки интенсивнее у крепкой клейковины. Константы агрегации уксуснорастворимых белков, экстрагированных из предварительно отмытой клейковины и теста, выше, чем белков, выделенных из муки. Следовательно, при гидратации белков в ходе технологического процесса, при замесе теста или отмывании клейковины водой, происходят внутро- и (или) межмолекулярные превращения, связанные с изменением структуры молекул, приводящим к снижению агрегирующих свойств последних. Наиболее высокие показатели агрегации у альфа и бета компонентов глиадина, наименее у компонентов. Способность к агрегации возрастает по мере увеличения подвижности полипептидов и уменьшения их молекулярной массы. Очень высокой способностью образовывать надмолекулярные ассоциаты обладают быстроподвижные альфа глиадины с массой 31000.

Агрегирующая способность связана с особенностями а.к. состава. Глиадины обладают более высокой способностью, если содержат меньше заряженных групп, а ŵ-глиадины, богатые пролином и фенилаланином и много полярных групп– низкую способность.Поэтому они взаимодействуют хорошо с липидами. Эти комплексообразование обуславливают газоудерживающую способность теста за счет водородных связей..

В агрегации молекул клейковины с другими компонентами муки в технологических процессах помимо водорожных связей принимают участие гидрофобные, ионно-электростатические и дисульфидные.

Способность белков к образованию высоко агрегированных и надмолекулярных комплексов зависит от рН, ионной силы и состава среды. С повышением рН 4-9,1 агрегация злаковых повышается. Чем больше концентрация нейтральных солей, тем агрегирующая способность белков выше. Поэтому дозировка поваренной соли может регулировать процесс и разрушать макромолекул клейковинного белка в состоянии пространственно-организованной структуры теста при производстве хлеба. Присутствие ПАВ анионного в кислой среде, когда молекулы имеют положительный заряд повышает агрегацию, катионные ПАВ и нейтральные детергенты влияют взависимости от рН среды. В целом агрегирующая способность представлена в виде суммы множества взаимодействий, способствующих или препятствующих процессу.

∑А= ∆А_н + ∆А_г + ∆А_и + ∆А_а + ∆Ад + ∆А_в

∆Ан – набухания (гидратации)

∆Аг – гидрофобных взаимодействий

∆А_и – агрегация за счет ионно-электростатических сил

∆Аа – изменения регулярных структур

∆Ад – содержания дисульфидных связей

∆Ав – водородных связей

Степень того или иного фактора в изменении агрегативного состояния белков, а с ним и реологических свойств теста и качество хлеба, зависит от исходных физико-химических свойств и структурных особенностей белков муки, технологических факторов процесса (температуры, степени механического воздействия, рН среды…).

Оргамное значение для изменения свойств и агрегативного состояния белков в ходе технологического процесса приготовления теста имеет дисульфидно-сульфгидрильный обмен:

P₁S-SP₂ + P₃SH + P₁S-SP₃ + P₂SH. Считают, что лабильность дисульфидных связей обеспечивает образование новых прочных молекулярных связей и релаксацию (ослабление) напряжения структур клейковины при замесе теста. Сильная мука с крепкой клейковиной требует больше времени замеса, т.к. больше дисульфидных связей и меньше SH-групп.

В процессе созревания муки при ее отлежке, а также под влиянием окислителей типа броматов, улучшение реологических свойств клейковины объясняется увеличением содержания S-S связей и уменьшением SH-групп. В присутствии восстанавливающих агентов (сульфид натрия) реологические свойства клейковины ухудшаются, как это имеет место в прорастающем зерне, пораженном клопами-черепашками.

Процессы образования или распада S-S связей в созревающем зерне пшеницы протекают при участии специфических ферментов тиол-дисульфидного обмена: тиол-кислородоксидоредуктаза и тиол-протеиндисульфидредуктаза. Направленное регулирование активностей ферментов при приготовлении теста действенный прием для обеспечения технологических свойств муки.

В результате действия протеолитических ферментов в технологическом потоке белковые вещества претерпевают также изменения.На стадии солодоращения (пиво) в эндосперме ячменя гидролиз глобулина, альбумина, проламина, глютелина с накоплением пептидов и а.к.. В результате в зерне накапливается растворимая коагулируемая аминная форма азота. При прорастании зерна фракции белков расщепляются до а.к. под действие эндопептидаз и экзопептидаз. Технологические режимы проращивания зерна предусматривают оптимальные рН, температуры для действия гидролитических ферментов для обеспечения накопления низкомолекулярных азотистых соединений для питания дрожжей.

Итак, при технологической схеме не протекают сильные процессы гидролиза, а слабые процессы пептидации могут быть. Изменения структуры белков в процессе тестоприготовления органичиваются как правило, дезагрегацией молекул и изменением высших уровней ее организации.