Конформация (структура) пептидной цепи упорядочена и уникальна для каждого белка. В особых условиях происходит разрыв большого количества связей, которые стабилизировали пространственную структуру молекулы соединения. В результате разрыва полностью вся молекула (или значительная ее часть) принимает форму беспорядочного клубка. Данный процесс называют "денатурация". Это изменение можно спровоцировать нагреванием от шестидесяти до восьмидесяти градусов. Таким образом, каждая молекула, полученная в результате разрыва, может отличаться по конформации от прочих.
Денатурация белков происходит и под воздействием каких-либо агентов, способных разрушить нековалентные связи. Этот процесс может случиться в щелочных или кислых условиях, на поверхности фазового раздела, под воздействием некоторых (фенолов, спиртов и прочих). Денатурация белка может происходить и под влиянием гуанидин-хлорида или мочевины. Указанные агенты формируют слабые связи (гидрофобные, ионные, водородные) с карбонильными или аминогруппами пептидного остова и с рядом групп аминокислотных радикалов, подменяя имеющиеся в белке собственные внутри молекул. В результате происходит изменение во вторичной и третичной структуре.
Устойчивость к воздействию денатурирующих агентов зависит преимущественно от присутствия в молекуле белкового соединения дисульфидных связей. Ингибитор трипсина имеет три связи S — S. При условии их восстановления денатурация белка происходит без прочих воздействий. Если же впоследствии поместить соединение в условия, где осуществляется окисление SH-групп цистеина и формирование дисульфидных связей, то первоначальная конформация восстановится. При этом наличие даже одной дисульфидной связи существенно увеличивает стабильность в пространственной структуре.
Денатурация белка, как правило, сопровождается понижением его растворимости. Вместе с этим часто формируется осадок. Возникает он в форме "свернувшегося белка". При высокой концентрации соединений в растворе, "свертывание" претерпевает весь раствор, как, например, это случается при варке куриных яиц. При денатурации белок теряет свою биологическую активность. На этом принципе основывается использование (водного фенольного раствора) в качестве антисептического вещества.
Неустойчивость пространственной структуры, высокая вероятность разрушения под воздействием разнообразных агентов значительно затрудняют выделение и исследование белка. Создаются также определенные проблемы при использовании соединений в промышленности и медицине.
Если денатурация белка проводилась путем воздействия высоких температур, то при медленном охлаждении в определенных условиях происходит процесс ренативации - восстановления нативной (исходной) конформации. Этот факт доказывает, что укладка пептидной цепи происходит в соответствии с первичной структурой.
Формирование нативной конформации (исходного расположения) является процессом самопроизвольным. Другими словами, это расположение отвечает минимальному количеству свободной энергии, заключенному в молекуле. Можно в результате сделать вывод, что пространственная структура соединения закодирована в аминокислотной последовательности в пептидных цепях. Это, в свою очередь, означает, что все полипептиды, похожие по чередованию аминокислот (к примеру, миоглобиновые пептидные цепи), будут принимать идентичную конформацию.
Белки могут иметь существенные различия в первичной структуре, даже если практически или абсолютно одинаковы по конформации.
Денатурация – это нарушение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием внешних воздействии.
К числу таких внешних воздействий можно отнести нагревание (тепловая денатурация); встряхивание, взбивание и другие резкие механические воздействия (поверхностная денатурация); высокую концентрацию водородных или гидроксильных ионов (кислотная или щелочная денатурация); интенсивную дегидратацию при сушке и замораживании продуктов и др.
Для технологических процессов производства продукции общественного питания наибольшее практическое значение имеет тепловая денатурация белков. При нагревании белков усиливается тепловое движение атомов и полипептидных цепей в белковых молекулах, в результате чего разрушаются так называемые слабые поперечные связи между полипептидными цепями (например, водородные), а также ослабляются гидрофобные и другие взаимодействия между боковыми цепями. В результате этого изменяется конформация полипептидных цепей в белковой молекуле. У глобулярных белков развертываются белковые глобулы с последующим свертыванием по новому типу; прочные (ковалентные) связи белковой молекулы (пептидные, дисульфидные) при такой перестройке не нарушаются. Тепловую денатурацию фибриллярного белка коллагена можно представить в виде плавления, так как в результате разрушения большого числа поперечных связей между полипептидными цепями фибриллярная структура его исчезает, а коллагеновые волокна превращаются в сплошную стекловидную массу.
В молекулярной перестройке белков при денатурации активная роль принадлежит воде, которая участвует в образовании новой конформационной структуры денатурированного белка. Полностью обезвоженные белки, выделенные в кристаллическом виде, очень устойчивы и не денатурируют даже при длительном нагревании до температуры 100 °С и выше. Денатурирующий эффект внешних воздействий тем сильнее, чем выше гидратация белков и ниже их концентрация в растворе.
Денатурация сопровождается изменениями важнейших свойств белка: потерей биологической активности, видовой специфичности, способности к гидратации (растворению, набуханию); улучшением атакуемости протеолитическими-ферментами (в том числе пищеварительными); повышением реакционной способности белков; агрегированием белковых молекул.
Потеря белками биологической активности в результате их тепловой денатурации приводит к инактивации ферментов, содержащихся в растительных и животных клетках, а также к отмиранию микроорганизмов, попадающих в продукты в процессе их производства, транспортирования и хранения. В целом этот процесс оценивается положительно, так как готовую продукцию при отсутствии ее повторной обсемененности микроорганизмами можно хранить сравнительно продолжительное время (в охлажденном или мороженом виде).
В результате потери белками видовой специфичности пищевая ценность продукта не снижается. В ряде случаев это свойство белков используется для контроля технологического процесса. Например, по изменению окраски хромопротеида мяса – миоглобина с красной на светлокоричневую судят о кулинарной готовности большинства мясных блюд.
Потеря белками способности к гидратации объясняется тем, что при изменении конформации полипептидных цепей на поверхности молекул белка появляются гидрофобные группы, а гидрофильные оказываются блокированными в результате образования внутримолекулярных связей.
Улучшение гидролиза денатурированного белка протеолитическими ферментами, повышение его чувствительности к многим химическим реактивам объясняется тем, что в нативном белке пептидные группы и многие функциональные (реакционноспособные) группы экранированы внешней гидратной оболочкой или находятся внутри белковой глобулы и таким образом защищены от внешних воздействий.
При денатурации указанные группы оказываются на поверхности белковой молекулы.
Агрегирование – это взаимодействие денатурированных молекул белка, в результате которого образуются межмолекулярные связи, как прочные, например, дисульфидные, так и многочисленные слабые.
Следствием агрегирования белковых молекул является образование более крупных частиц. Последствия дальнейшего агрегирования частиц белка различны в зависимости от концентрации белка в растворе. В малоконцентрированных растворах образуются хлопья белка, выпадающие в осадок или всплывающие на поверхность жидкости (часто с образованием пены). Примерами агрегирования такого типа являются выпадение в осадок хлопьев денатурированного лактоальбумина (при кипячении молока), образование хлопьев и пены белков на поверхности мясных и рыбных бульонов. Концентрация белков в этих растворах не превышает 1% .
При денатурации белков в более концентрированных белковых растворах в результате их агрегирования образуется сплошной студень, удерживающий всю содержащуюся в системе воду. Такой тип агрегирования белков наблюдается при тепловой обработке мяса, рыбы, яиц и различных смесей на их основе. Оптимальная концентрация белков, при которой белковые растворы в условиях нагревания образуют сплошной студень, неизвестна. Принимая во внимание, что способность к студнеобразованию у белков зависит от конфигурации (асимметрии) молекул, надо полагать, что для разных белков указанные пределы концентраций различны.
Белки в состоянии более или менее обводненных студней при тепловой денатурации уплотняются, т.е. происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. Студень, подвергнутый нагреванию, как правило, имеет меньшие объем, массу, пластичность, а также повышенную механическую прочность и большую упругость по сравнению с исходным студнем нативных белков. Эти изменения также являются следствием агрегирования молекул денатурированных белков. Реологические характеристики таких уплотненных студней зависят от температуры, рН среды и продолжительности нагревания.
Денатурация белков в студнях, сопровождающаяся их уплотнением и отделением воды, происходит при тепловой обработке мяса, рыбы, варке бобовых, выпечке изделий из теста.
Каждый белок имеет определенную температуру денатурации. В пищевых продуктах и полуфабрикатах обычно отмечают низший температурный уровень, при котором начинаются видимые денатурационные изменения наиболее лабильных белков. Например, для белков рыбы эта температура составляет около 30 С, яичного белка – 55 С.
При значениях рН среды, близких к изоэлектрической точке белка, денатурация происходит при более низкой температуре и сопровождается максимальной дегидратацией белка. Смещение рН среды в ту или иную сторону от изоэлектрической точки белка способствует повышению его термостабильности. Так, выделенный из мышечной ткани рыб глобулин X, который имеет изоэлектрическую точку при рН 6,0, в слабокислой среде (рН 6,5) денатурирует при 50 °С, в нейтральной (рН 7,0) – при 80 °С.
Реакция среды влияет и на степень дегидратации белков в студнях при тепловой обработке продуктов. Направленное изменение реакции среды широко используется в технологии для улучшения качества блюд. Так, при припускании птицы, рыбы, тушении мяса, мариновании мяса и рыбы перед жаркой добавляют кислоту, вино или другие кислые приправы для создания кислой среды со значениями рН, лежащими значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. В этих условиях дегидратация белков в студнях снижается и готовый продукт получается более сочным.
В кислой среде набухает коллаген мяса и рыбы, снижается его температура денатурации, ускоряется переход в глютин, в результате чего готовый продукт получается более нежным.
Температура денатурации белков повышается в присутствии других, более термостабильных белков и некоторых веществ небелковой природы, например сахарозы. Это свойство белков используют, когда при тепловой обработке возникает необходимость повысить температуру смеси (например, в целях пастеризации), не допуская денатурации белков. Тепловая денатурация некоторых белков может происходить без видимых изменений белкового раствора, что наблюдается, например, у казеина молока.
Пищевые продукты, доведенные тепловой обработкой до готовности, могут содержать большее или меньшее количество нативных, неденатурированных белков, в том числе некоторых ферментов.
Денатурация белков в технологиях продукции общественного питания должна восприниматься с нескольких позиций. Во-первых, это фактор, который обеспечивает реализацию понятия кулинарная готовность. Во-вторых, фактор, который разрешает или полностью прекратить ферментативную деятельность, или уменьшить ее скорость. В-третьих, фактор, который обеспечивает соблюдение такого важного показателя, как микробиологическая безвредность. В-четвертых, фактор потери белками своих функциональных свойств и своей видовой специфичности. И далее, с денатурацией белковых веществ связаны формирования консистенции, возникновения формы, изменение цвета и др.
Т. е. в результате денатурации белков продукты или белоксодержащие материалы теряют свои функциональные и нативные свойства вследствие воздействия различных факторов, а также денатурационные процессы влияют на обеспечение высокого уровня качества продукции.
Способность белков к денатурации является важным и присущим исключительно белкам свойством. Под денатурацией понимают потерю белками их природных (физико-химических, биологических) свойств в результате изменения их уникальной структуры под влиянием различных факторов. Многие технологические факторы - высокая или низкая температура, различные излучения, значительные изменения pH, ионной силы, изменение коллоидного равновесия, интенсивное механическое воздействие и другие поверхностные эффекты, ферментация, протеолиз, химические вещества и модификация, влияние времени - вызывают денатурацию белков. При этом нарушаются наиболее чувствительные к воздействию четвертичная, третичная и вторичная структуры белков. Первичная, как правило, не затрагивается. Но под влиянием химических факторов - химической модификации, например, ангидридами кислот, окисления, восстановления, пластеиновой реакции, ферментативной модификации - возможно нарушение и на уровне первичной структуры.
Типичным следствием денатурации простых белков является их комплексообразование с другими белками и органическими соединениями, а для олигомеров - распад на субъединицы. Полипептид- ные цепи при денатурации приобретают иную конфигурацию, которая отличается от единственно возможной, присущей нативной молекуле белка: цепи, как правило, разворачиваются таким образом, что на их поверхности скапливается значительное количество гидрофобных групп, из-за чего ухудшается сродство к воде. Появление на поверхности ранее скрытых конформацией белка радикалов или функциональных групп изменяет физико-химические свойства белков.
Изменяются также биологические свойства, то есть белок не может выполнять свои биологические функции: ферменты инактивируются, гемоглобин теряет способность присоединять и переносить кислород, миофибриллярные белки теряют возможность сокращаться и т. д.
Из общих закономерностей денатурации следует, прежде всего, выделить значительное ухудшение гидрофильности и повышения гидрофобности белков. Как известно, за счет гидрофильных групп, которые размещены на поверхности (-СООН, -ОН, -NH2 и др.), белковые молекулы способны связывать значительное количество воды. Поэтому при значительной гидратированности миоглобина обнаружено, что в середине его третичной структуры находится всего четыре молекулы воды, то есть внутренняя структура и компактность миоглобина обусловлены, в основном, гидрофобным взаимодействием. Как следствие, наблюдается изменение взаимодействия белоксодержащих продуктов с водой, в реальных технологических процессах связанное с перераспределением воды. Так, мясо теплокровных животных и рыбы за счет потери гидрофильное™ белками в процессе термообработки теряет часть своей массы, («уваривается», «ужаривается»), для изделий из муки характерна клейстеризация крахмала в процессе термообработки за счет дегидратации белков клейковины.
Известно, что мясо, рыба, яйца (точнее, их белки), термически не обработанные, способны к дополнительной гидратации за счет гидратации белков. Но после термообработки это свойство утрачивается полностью. Очень наглядно изменение сродства белков к воде проявляется на примере термообработки яиц. Белок (материал) яйца представлен, в основном, белками (протеинами), что позволяет его широко использовать в различных модельных и технологических экспериментах. В нативном состоянии белок имеет очень высокое сродство к воде, а также гидратированным продуктам. Это позволяет использовать яйца во всех группах кулинарных изделий как водосвязывающий или формующий компонент. Поэтому яйца сами по себе можно значительно разводить водой (на 50...60%), молоком, растворами, отварами, что широко используется при изготовлении омлетов, яичных полуфабрикатов.
Благодаря воде, достигается высокое сродство яиц к мясным, рыбным, овощным рубленым массам, муке, панировочным смесям, творогу, сахарному сиропу, а также другим смесям, используемым в технологических процессах. Растворимость белков яиц, а значит, и сродство к воде, гидратированным продуктам после денатурации значительно ухудшается. Потеря в результате денатурации такого важного функционального свойства, как способность к гидратации, значительно уменьшает технологические возможности белков яиц, поэтому после термообработки яйца добавляются к рецептурам не как функциональный, а как пассивный рецептурный компонент.
Каждый белок имеет индивидуальную температуру денатурации, точнее, определенный температурный диапазон, в котором он подвергается денатурационным изменениям. В технологии под температурой денатурации понимается нижний уровень диапазона, при котором начинаются видимые денатурационные изменения. Так, для белков рыбы это - около 30, яиц - 55, белков мяса: миогена - 55...60, миоглобина - 60, глобулина - 50, миоальбумина - 45...47, миозина - 45...50, актина - около 55, актомиозина - 42...48, коллагена - около - 55...60 °С.
Наглядным примером того, что денатурация проходит в определенном диапазоне, а не при фиксированной температуре, является изменение коллоидных свойств яиц птицы в процессе термообработки. Несмотря на то, что температурой денатурации белков яиц считается 55 °С, изменение коллоидных свойств проходит в интервале температур 55...95 °С: при температуре 50...55 °С появляется локальное помутнение, при 55...60 °С оно распространяется на весь объем, при 60...65 °С - повышается вязкость; при 65...75 °С - начинается процесс
студнеобразования; при 75...85 °С - образуется гель, сохраняющий форму; при 85...95 °С - растут и достигают максимума упругоэластичные свойства геля.
Рис. 1.4
Белок миоглобин при термообработке переходит в метмиоглобин, т. е. денатурирует, в интервале температур 60...80°С: при температуре 60 °С миоглобин говядины ярко-красный; при 70 - цвет меняется на розовый; в интервале температур 70...80 и выше он приобретает серовато-коричневый цвет, характерный для метмиоглобина. Графически зависимость влияния температуры и времени на денатурацию миоглобина приведены на рис. 1.4. Белок миозин денатурирует в интервале температур 70...80 °С.
Денатурация белка коллагена в технологической практике получила название «сваривание» и сопровождается резким изменением геометрических размеров: фибриллы коллагена сокращаются, а толщина их растет. О ходе денатурации белка свидетельствуют косвенные поверхностные эффекты, такие как изменение коллоидного состояния, повышение вязкости, студнеобразо- вание, расслоение, сокращение.
Очень важное место в технологии занимает изменение коллоидного состояния пищевых продуктов, которая получила название коагуляции. Коагуляция, в зависимости от свойств и концентрации белка, может идти с образованием конечных продуктов с различным агрегатным состоянием. Температурой коагуляции, или температурной гель-точкой, является та наименьшая температура, при которой белок меняет свое коллоидное состояние. Достигая температурной гель-точки, малоконцентрированные по белку системы расслаиваются на две фазы, одна из которых, белковая, агрегирует в виде локальных флокулятов, пленок, а вторая представлена в виде воды. Независимо от вида белка, малоконцентрированные по белку системы через физическую недостаточность в системе белка не способны к гелеобразованию по всей системе, поэтому расслоение и синерезис типичные и объективные этапы денатурации и коагуляции белка. Так ведут себя молоко во время кипячения (образование лактоальбуминових пленок, накипи), яйца, растворенные более чем в 1,6 раза жидкостью (водой, молоком), рубленные мясная и рыбная массы, чрезмерно гидратированные, жидкое тесто для блинов.
Если система высококонцентрированная по белку, то денатурация и вид коагуляции основном зависят от вида белка. Такие белковые системы способны к формообразованию, что реализовано во многих технологических процессах: получение изделий из яиц, рубленых рыбных, мясных изделий, колбасных изделий и др. Однако гелеобразование носит различный характер в зависимости от вида белка. Типично, что когда белок образует с водой коллоидный раствор, то в результате коагуляции он не теряет влагу, удерживая ее за счет иммобилизации. Но в природе таких белков мало - это белки яиц, плазмы крови животных, белки биологической жидкости криля. В технологическом плане они достаточно дефицитны. Условно гели, которые образуются с удержанием влаги, получили название лиогели. Если белки достаточно гидратированы, но концентрированные и образуют с водой дисперсию, то, как правило, коагулируя при денатурации, они образуют гели, сохраняющие форму, но характеризуются интенсивным синерезисом. Эти гели условно называются коагелями. Коагели получаются из дисперсии белков мяса, рыбы. Аналогично ведут себя и белки муки, но их объективная потеря влаги скрывается клейстеризацией крахмала.
Образование гелей второго рода при коагуляции и сопутствующие этому процессы - это ключевое технологическое задание: большинство пищевых продуктов формируется благодаря этому процессу. Реализуя способность белка к гелеобразованию, а также регулируя этот процесс, удается управлять качеством конечных продуктов. Так, смешиванием белков, способных образовывать лиогели, с белками, способными образовывать коагели, удается снизить синергетические процессы.
Введением сахарозы и других простых сахаров или растворимых декстринов удается повысить температуру коагуляции белков, т. е. температурно их стабилизировать. Это широко используется в технологии сладких блюд и соусов с использованием яиц. Напротив, использование высоких концентраций соли, спирта и других дегидраторов эту температуру снижает.
Иногда коагуляционные процессы используется для выделения белков. На этом основывается получения сыра, казеина. Соосаждение белков при коагуляции получило название копреципитации, а конечные продукты - копреципитаты. Наиболее важное место копреципитация занимала в технологии извлечения сывороточных белков из молока. Известны яично-молочные копреципитаты и некоторые другие.
Регулированием свойств белков достигается также устойчивость к агрегации. Как правило, удаление pH белоксодержащей системы от изоэлектрической точки повышает устойчивость к агрегации, и наоборот, сближение pH системы с изоэлектрической точкой белков снижает температуру коагуляции. Так, глобулин рыбы, имеющий изоэлектрическую точки при pH 6,0, в слабокислой среде (pH 6,5) денатурирует при 50 °С, в нейтральной (pH 7,0) - при 80. Миофибриллярные белки рыбы и криля, а также соевые белки, модифицированные янтарным ангидридом в интервале пищевых величин pH, коагулируют при температуре в среднем на 20...35 °С выше, чем ^модифицированные.
Степень гидратации в значительной мере влияет на денатурацион- ные изменения белка. Вода в определенной степени повышает подвижность белковых цепей и реакционную активность гидрофильных и гидрофобных групп. Поэтому более гидратированные белки денатурируют быстрее, чем сухие. Белки с удаленной влагой, т. е. высушенные, характеризуются широким интервалом термостабильности, в том числе в отношении температур, близких к 100 °С.
Замораживание в реальных белковых системах, которыми являются большинство пищевых продуктов, проходит неравномерно. Сначала замерзают жидкости с меньшей концентрацией растворенных сухих веществ, что сдвигает коллоидное равновесие. Двухфазные белковые системы, то есть белковые гели второго рода, к которым относятся все рыбо- и мясопродукты, замерзают таким образом, что межтканевые жидкости замерзают первыми. Вымораживание растворителя приводит к повышению концентрации сухих веществ, следствием чего является высаливание белков, т. е. их частичная денатурация. Замораживание, по сути дела, выполняет роль водоотводящего агента. За счет этого замороженные гидратированные белки по свойствам отличаются от нативных. Вещества, которые понижают температуру замерзания, получили название криопротекторов, к которым следует отнести сахарозу, соль, глицерин. Глубина денатурации замороженных белковых продуктов повышается с увеличением сроков хранения.
В денатурации белков значительную роль играют другие компоненты биологической системы, в том числе липиды, углеводы. Благодаря сложному строению и достаточно высокой реакционной способности функциональных групп белков, они легко с ними комплексуют с образованием соединений, которые значительно видоизменяют свойства белков. Как правило, следствием этого является значительное снижение функциональных возможностей белков.
Взаимодействие с липидами идет несколькими путями. Во-первых, это взаимодействие может быть за счет адсорбции белковых молекул на бимолекулярном слое липидов. Взаимодействие может сопровождаться изменением структуры белковых молекул, то есть их денатурацией.
Второй вид взаимодействия между белками и липидами которое идет за счет включения белка в состав поверхности бимолекулярного слоя, вызывает частичное изменение на уровне четвертичной и третичной структур белка. Следствием этого является изменение функциональных возможностей белка.
Третий вид взаимодействия белков и липидов заключается в том, что за счет липидов на поверхности мембраны белок полностью меняет четвертичную, третичную, вторичную структуры. При этом полипеп- тидные цепи находятся среди полярных групп липидов, постоянно меняя свою форму. Белки ориентированы гидрофильными и гидрофобными участками к воде и жиру. Белки теряют свою функциональную и технологическую роль, в том числе и ферментную.
Липиды, которые имеют полярные группы, способные связываться с белком электростатическими силами. Так, фосфолипиды взаимодействуют с белком своими фосфатидными группами и четвертичными атомами азота (фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины), свободные жирные кислоты - своими карбоксильными группами. Эти липиды проявляют сродство к аминокислотам, которые имеют группы: -ОН; =NH; -NH 2 ; =S. Также возможно взаимодействие за счет сополимеризации.
Взаимодействие между белком и липидом возможно под влиянием различных технологических факторов, например тепла, влаги.
Прочность связи жирных кислот с белком повышается с ростом их ненасыщенности. Двойные связи жирных кислот повышают способность к окислению сульфгидрильных и пептидных связей с возникновением дисульфидных (-S-S-) и азотных (-CO-N-N-CO-) мостиков.
Особый характер имеет взаимодействие белков с окисленными липидами. При окислении липидов в присутствии белков возникает комплекс, который стабилизируется за счет воды.
Белковые вещества пищевых продуктов, как коллоиды, могут «стареть» с течением времени, изменяя при этом свойства продукта в целом. Поэтому долгосрочное хранение пищевых продуктов в предприятиях общественного питания и пищеперерабатывающего комплекса в результате денатурации белков, как правило, приводит к ухудшению технологических свойств сырья. Поэтому кулинарная продукция, которая получается из замороженных мяса, рыбы, птицы, существенно по показателям отличается от аналогичной но полученной из свежего сырья.
Вообще денатурация, как явление и как процесс, вызывает очень большую заинтересованность специалистов и ученых, поскольку, с одной стороны, представляет значительную проблему, с другой - лежит в основе приготовления пищи.
Денатурация способствует комплексообразованию. Так, экспериментально доказано, что комплексообразование между окисленными липидами и казеином в присутствии влаги при комнатной температуре возникает уже через 10... 15 минут. Очень активные комплексообразо- ватели - полярные липиды.
Широко известна в технологии реакция сахароаминной конденсации, которая лежит в основе термической денатурации и деструкции белков. Результатом реакции является значительное изменение функциональных и технологических свойств белков, а также органолептических показателей пищевой системы - цвета, вкуса, консистенции.
Как уже отмечалось выше, денатурация играет ключевую роль в технологии продукции общественного питания. Очень важно сознательно оперировать такими понятиями, как факторы денатурации, стабильность белковой системы, степень денатурации, которые, с одной стороны, предопределяют параметры технологического процесса, а с другой - характеризуют состояние белковой системы, ее функциональные возможности и технологические показатели. К денатурации следует относиться не только как к следствию технологического процесса, а также как к показателю, который обусловливает этот процесс. Из-за того, что белковые вещества в технологических процессах следует рассматривать не как пассивные вещества, а как активные функциональные компоненты, очень важна информация о нативнисти белковых веществ и степени их денатурации. Действительно, кроме биологической ценности, технологическая ценность белков в первую очередь оценивается их функциональными показателями, такими как сродство к воде и степень гидратации, способность растворяться, быть стабильными в растворе и обусловливать определенные структурно-механические свойства, выполнять роль поверхностно-активного вещества - быть эмульгатором, стабилизатором, пенообразователем, снижать поверхностное натяжение воды, быть термолабильным или термостабильным структурообразователем и др. Все эти показатели обусловлены свойствами нативных, неденатури- рованных белков. Поэтому такое понятие, как степень денатурации, оцениваемое по реальным технологическим показателям, например по эмульгирующим или пенообразующим способностям, в отношении нативного белка играет очень большую роль в организации технологического процесса, выборе концентраций веществ, гидромодуля, температурных параметров и др. Все это одновременно должно быть сопряжено с такими нормативными показателями, которые характеризуют показатели стабильности белковых систем, например: растворимость (сухое молоко, яичный порошок), гидратация (высушенные мясо, рыба, пассерованная в различных режимах мука, тесто, образованное при контролируемом заваривании), показатели взаимозаменяемости продуктов (яичный порошок - на яйца свежие, молоко сухое - на молоко свежее и др.).
Нужно одновременно оценивать и физиологическую роль денатурации. Потеря белком в процессе денатурации своей биохимической индивидуальности в целом облегчает переваривание готовых продуктов. Поэтому усвоение денатурированных белков, как правило, проходит более эффективно, чем нативных. Это также касается инактивации белков-ингибиторов, например в семенах масличных культур. Эти белки выполняют в растениях защитную функцию, но в значительной мере влияют на пищеварение человека, существенно уменьшая функцию трипсина и химотрипсина. Денатурация, как технологический фактор, значительно снижает влияние этих белков. Но известно, что усвоение зависит от степени денатурации. Так, белково-углеводные комплексы, образующиеся при реакции меланоидинообразования в отношении белка оцениваются как денатурация, усваиваются хуже рецептурных компонентов. А продукты более глубоких стадий меланоидинообразования способны в определенной степени негативно влиять на пищеварение.
Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые, так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. Белки активно вступают в химические реакции. Это свойство связано с тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные функциональные группы, способные реагировать с другими веществами. Белки обладают большим сродством к воде, то есть они гидрофильны. Разная растворимость в воде. Растворимые белки образуют коллоидные растворы. Гидролиз - под действием растворов минеральных кислот или ферментов происходит разрушение первичной структуры белка и образование смеси аминокислот.
Денатурация – утрата белковой молекулы структурной организации (вторичного, третичного, четвертичного). Может быть вызвана изменением температуры, обезвоживанием, облучением, изменением рН среды и др. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая денатурация не затрагивает первичную структуру. При необратимой денатурации разрушается первичная структура. Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нормальных условий среды полностью воссоздается и структура белка - ренатурация.
Функции белков в клетке.
Одна из важнейших функций белков в клетке - строительная : белки участвуют в образовании всех клеточных мембран в органоидах клетки, а также внеклеточных структур. Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Все биологические катализаторы - ферменты - вещества белковой природы. Они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Фермент катализирует только одну реакцию, т.е. он узкоспецифичен. Высокая специфичность ферментативных реакций обусловлена тем, что пространственная конфигурация активного центра фермента, т.е. участка белка, который связывает какую-либо молекулу, точно соответствует конфигурации этой молекулы. Двигательная функция организма обеспечивается сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у животных. Транспортная функция белков заключается в присоединения химических элементов (например, кислорода) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела. При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах - лейкоцитах - образуются особые белки - антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества. В этом выражается защитная функция белков. Белки служат и одним из источников энергии в клетке, т. е, выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.
Ферменты. Основные свойства ферментативных процессов.
Ферменты, или энзимы - обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов.Все реакции с участием ферментов протекают, в основном, в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Однако максимальная активность каждого отдельного фермента проявляется при строго определенных значениях pH. Для действия большинства ферментов теплокровных животных наиболее благоприятной температурой является 37-40С. У растений при температуре ниже 0С. Действие ферментов полностью не прекращается, хотя жизнедеятельность растений при этом резко снижается. Ферментативные процессы, как правило, не могут протекать при температуре выше 70С, так как ферменты, как и всякие белки подвержены тепловой денатурации (разрушению структуры).
Строение ферментов.
В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:
1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата (Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е)) и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.
В свою очередь в активном центре выделяют два участка:
якорный (контактный, связывающий, адсорбционный центр) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.
2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество. Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.
Денатурация – это процесс нарушения высших уровней организации белковой молекулы (вторичного, третичного, четвертичного) под действием различных факторов.
При этом полипептидная цепь разворачивается и находится в растворе в развернутом виде или в виде беспорядочного клубка.
При денатурации утрачивается гидратная оболочка и белок выпадает в осадок и при этом утрачивает нативные свойства.
Денатурацию вызывают физические факторы: температура, давление, механические воздействия, ультразвуковые и ионизирующие излучения; химические факторы: кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды, соли тяжелых металлов.
Различают 2 вида денатурации:
- Обратимая денатурация – ренатурация или ренактивация – это процесс, при котором денатурированный белок, после удаления денатурирующих веществ вновь самоорганизуется в исходную структуру с восстановлением биологической активности.
- необратимая денатурация – это процесс, при котором биологическая активность не восстанавливается после удаления денатурирующих агентов.
Свойства денатурированных белков.
1. Увеличение числа реактивных или функциональных групп по сравнению с нативной молекулой белка (это группы COOH, NH 2 , SH, OH, группы боковых радикалов аминокислот).
2. Уменьшение растворимости и осаждение белка (связано с потерей гидратной оболочки), развертыванием молекулы белка, с «обнаружением» гидрофобных радикалов и нейтрализации зарядов полярных групп.
3. Изменение конфигурации молекулы белка.
4. Потеря биологической активности, вызванная нарушением нативной структуры.
5. Более легкое расщепление протеолитическими ферментами по сравнению с нативным белком – переход компактной нативной структуры в развернутую рыхлую форму облегчает доступ ферментов к пептидным связям белка, которые они разрушают.
Ферментные методы гидролиза основаны на избирательности действия протеолитических ферментов расщепляющих пептидные связи между определенными аминокислотами.
Пепсин расщепляет связи, образованные остатками фенилаланина, тирозина и глутаминовой кислоты.
Трипсин расщепляет связи между аргинином и лизином.
Химотрипсин гидролизует связи триптофана, тирозина и фенилаланина.
Гидрофобные взаимодействия, а также ионные и водородные связи относятся к числу слабых, тк энергия их лишь ненамного превосходит энергию теплового движения атомов при комнатной температуре(т е уже при данной температуре возможен разрыв связей).
Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи.
Однако, белки состоят из огромного числа атомов, находящихся в постоянном (броуновском) движении, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи, которые обычно не нарушают общую структуру белка и его функции. Следовательно, белки обладают конформационной лабильностью – склонностью к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических средств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом. Конформационные изменения играют роль огромную в функционировании белков в клетке живой.
