Денатурація білків. Деструкція білків.
Важлива властивість білків - їх здатність до денатурації. Цим поняттям позначають явища, пов'язані з необоротним зміною вторинної, третинної і четвертинної структур білка під впливом нагрівання, кислот, лугів, УФ-променів. іонізуючої радіації, ультразвуку та ін. Іншими словами, денатурація - це необоротне порушення нативної просторової конфігурації білкової молекули, що супроводжується суттєвими змінами біологічних і фізико-хімічних властивостей білків.
Оскільки в освіті вторинної і третинної структур частково беруть участь відносно слабкі зв'язки, фізичний стан білка в значній мірі залежить від температури, pH. присутності солей і інших чинників. Нагрівання, наприклад, викликає розпрямлення поліпептидного ланцюга білкової молекули; деякі хімічні реагенти розривають водневі зв'язку. Зміна pH також обумовлює розрив зв'язків, при цьому виявляється електростатична нестійкість.
Білки під впливом різних фізичних і хімічних факторів втрачають свої початкові (нативні) властивості. Зовні це виражається в їх згортання і випаданні в осад. Прикладом такого явища може служити згортання альбуміну молока при кип'ятінні. Негідролітіческім необоротне порушення нативної структури білка і називається денатурацією. При цьому рвуться в основному водневі зв'язку, змінюється просторова структура білка, проте розриву ковалентних зв'язків в білкової молекулі не відбувається.
Денатурація призводить до розгортання молекули білка, і він переходить в більш-менш разупорядоченності стан (в ньому вже немає ні спіралей, ні шарів, ні інших яких-небудь видів регулярної укладання ланцюга). У денатурованому стані амідні групи пептидного ланцюга утворюють водневі зв'язки з оточуючими їх молекулами води; таких водневих зв'язків значно більше, ніж внутрішньо молекулярних.
Збивання яєчного білка, вершків перетворює їх в піну, що складається з бульбашок повітря, оточених тонкими білковими плівками, утворення яких супроводжується розгортанням поліпептидних ланцюгів в результаті розриву зв'язків при механічному впливі. Таким чином, при утворенні плівок відбувається часткова або повна денатурація білка. Такий вид денатурації називається поверхневої денатурацією білка.
Для кулінарних процесів особливе значення має теплова денатурація білків. Механізм теплової денатурації білків можна розглянути на прикладі глобулярних білків.
Основна молекула глобулярного білка складається з однієї або декількох поліпептидних ланцюгів, складених складками і утворюють клубки. Така структура стабілізується неміцними зв'язками, серед яких велику роль грають водневі зв'язки, що утворюють поперечні містки між паралельними пептидними ланцюгами або їх складками.
При нагріванні білків починається посилений рух поліпептидних ланцюгів або складок, що призводить до розриву нетривких зв'язків між ними. Білок розгортається і набуває незвичайну, неприродну форму, водневі та інші зв'язки встановлюються в невластивих даній молекулі місцях, і конфігурація молекули змінюється. В результаті відбувається розгортання і перегрупування складок, супроводжувані перерозподілом полярних і неполярних груп, причому неполярні радикали концентруються на поверхні глобул, знижуючи їх гідрофільність. При денатурації білки стають нерозчинними і в більшій чи меншій мірі втрачають здатність до набухання.
При теплової денатурації білків активна роль належить воді, яка бере участь в утворенні нової конформаційної структури денатурованого білка. Повністю зневоднені білки не денатурують навіть при тривалому нагріванні. Денатурує ефект зовнішніх впливів тим сильніше, чим вище гідратація білків і нижче їх концентрація в розчині.
При значеннях pH середовища, близьких до ВЕТ білка, відбувається максимальна дегідратація білка. Найбільш повно денатурація здійснюється в ВЕТ білка. Зсув pH в ту чи іншу сторону від ВЕТ білка сприяє підвищенню його термостабільності і ослаблення денатураціонние процесів.
Температура денатурації білків підвищується в присутності інших термостабільних білків і деяких речовин небілкової природи, наприклад сахарози. Це властивість білків використовують, коли при тепловій обробці необхідно підвищення температури суміші (наприклад, при пастеризації морозива, виготовленні яєчно-масляних кремів), не допускаючи розшарування або структуроутворення в білкової колоїдної системі.
Поява на поверхні білкової молекули після денатурації раніше прихованих радикалів або функціональних груп змінює фізико-хімічні та біологічні властивості білків. В результаті денатурації властивості білків необоротно змінюються.
З прогрітій борошна не можна приготувати тісто, а з вареного м'яса - котлети, так як денатуровані білки не мають здатність до гідратації і утворення в'язких пружно-пластичних мас, придатних для формування напівфабрикатів.
Втрата здатності до гідратації пояснюється втратою білками нативних властивостей, найважливішим з яких є виражена гідрофільність (велику спорідненість до води), і пов'язана зі зміною конформації поліпептидних ланцюгів в білкової молекулі в результаті денатурації.
Набухання і розчинність білків у воді обумовлені наявністю на поверхні білкових молекул великого числа гідрофільних груп (СООН, ВІН, NH2), здатних зв'язувати значну кількість води.
Як уже зазначалося, здатність різних нативних білків харчових продуктів розчинятися в будь-якому розчиннику (воді, розчинах нейтральних солей, слабких розчинах лугів, спирті і ін.) Використовують для поділу або виділення певної білкової фракції (для дослідницьких або харчових цілей). Денатуровані білки такими відмінностями не володіють, вони все одно нерозчинні і не здатні набухати у воді. Виняток з цього загального правила є фібрилярний колаген м'яса і риби, який після теплової денатурації і деструкції до глютину здатний розчинятися в гарячій воді.
В результаті денатурації білки втрачають біологічну активність. У рослинному і тваринному сировину, що використовується на підприємствах громадського харчування, активність більшості білкових речовин зберігається. Так, в результаті діяльності ферментів плоди при зберіганні дозрівають (а іноді і перестигають), картопля і коренеплоди проростають. Особливо наочно діяльність ферментів проявляється в бульбах картоплі при зберіганні їх на світлі: поверхню бульб набуває зелене забарвлення і гіркий смак відповідно в результаті синтезу хлорофілу і освіти отруйного гликозида соланіну.
У сирому м'ясі тканинні ферменти також знаходяться в активному стані, беручи участь в автолизе м'яса (послеубойном дозріванні). Це їх властивість використовують для практичних цілей. Повна інактивація кислої фосфатази відбувається при досягненні температури в геометричному центрі м'ясного виробу 80 ° С, що відповідає температурі пастеризації (відмирання вегетативних форм бактерій). При необхідності перевірити достатність теплової кулінарної обробки м'ясного виробу визначають наявність або відсутність в ньому активної кислої фосфатази.
У нативному білку пептидні групи екрановані зовнішньої гідратної оболонкою або знаходяться всередині білкової глобули і таким чином захищені від зовнішніх впливів. При денатурації білок втрачає гідрадну оболонку, що полегшує доступ травних ферментів шлунково-кишкового тракту до функціональних групах. Білок перетравлюється швидше.
Крім того, іноді інгібіторна функція білка зникає після денатурації. Так, деякі білки яйця негативно впливають на процес травлення: авидин в кишечнику пов'язує біотин (вітамін Н), який бере участь в регуляції нервової системи і нервово-рефлекторної діяльності; овомукоід пригнічує дію трипсину (ферменту підшлункової залози). Саме тому білки сирого яйця не тільки погано перетравлюються, але і частково всмоктуються в неперетравленому вигляді, що може викликати алергію, зменшити засвоюваність інших компонентів їжі і погіршити всмоктування сполук кальцію. При денатурації ці білки втрачають свої антиферментні властивості.
При денатурації білок втрачає гідрадну оболонку, в результаті чого багато функціональні групи і пептидні зв'язку білкової молекули виявляються на поверхні і білок стає більш реакционноспособним.
В результаті теплової денатурації білка відбувається агрегування білкових молекул. Оскільки гидратная оболонка навколо молекули білка порушується, окремі молекули білка з'єднуються між собою в більші частки і вже не можуть триматися в розчині. Починається процес згортання білків, в результаті якого утворюються нові молекулярні зв'язки.
Взаємодія денатурованих молекул білка в розчинах і гелях протікає по-різному. У слабоконцентрірованних білкових розчинах при тепловій денатурації агрегація молекул білка відбувається шляхом утворення міжмолекулярних зв'язків як міцних, наприклад дисульфідних, так і слабких (але численних) - водневих. В результаті утворюються великі частки. Подальша агрегація частинок призводить до розшарування колоїдної системи, утворення пластівців білка, що випадають в осад або спливаючих на поверхню рідини, часто з утворенням піни (наприклад, випадання в осад пластівців денатурованого лактоальбумін при кип'ятінні молока; освіту пластівців і піни з денатуруючих білків на поверхні м'ясних і рибних бульйонів). Концентрація білків у таких розчинах не перевищує 1%.
У більш концентрованих білкових розчинах при денатурації білків утворюється суцільний гель, що утримує всю воду, що міститься в колоїдної системі. В результаті агрегації денатурованих молекул білка утворюється структурована білкова система. Денатурація білків в концентрованих розчинах з утворенням суцільного гелю відбувається при тепловій обробці м'яса, риби (білки саркоплазми), курячих яєць і різних сумішей на їх основі. Точні концентрації білків, при яких їх розчини в результаті нагрівання утворюють суцільний гель, невідомі. З огляду на, що здатність до гелеутворення у білків залежить від конфігурації (асиметрії) молекул і характеру утворюються при цьому міжмолекулярних зв'язків, треба думати, що для різних білків зазначені концентрації різні.
Наприклад, для приготування омлетів до яєчного меланжу додають 38. 75% молока. Нижні межі відносяться до омлетів смаженим, верхні - до варених на пару. Для приготування омлетів з яєчного білка, що використовуються в дієтичному харчуванні, молоко додають в кількості 40% незалежно від способу теплової обробки, так як в білку яйця концентрація білків значно нижче, ніж в жовтку.
Деякі білки, що представляють собою більш-менш обводнені гелі, при денатурації ущільнюються, в результаті чого відбувається їх дегідратація з відділенням рідини в навколишнє середовище. Білковий гель, що піддався нагрівання, як правило, характеризується меншим обсягом, масою, пластичністю, підвищеною механічною міцністю і більшою пружністю в порівнянні з вихідним гелем нативних білків. Подібні зміни білків спостерігаються при тепловій обробці м'яса, риби (білки міофібрил), варінні круп, бобових, макаронних виробів, випічці виробів з тіста.
Гелями і холодці називаються твердообразноє нетекучим структуровані системи, що утворилися в результаті дії молекулярних сил зчеплення між колоїдними частинками або макромолекулами полімерів. Осередки просторових сіток гелів і холодців зазвичай заповнені розчинником.
Таким чином, гелі є колоїдні системи або розчини високомолекулярних сполук (ВМС), що втратили плинність через виникнення в них певних внутрішніх структур у вигляді просторового сітчастого каркаса, осередки якого заповнені дисперсійним середовищем. Оскільки укладена в осередках дисперсійнаСереда при цьому втрачає свою рухливість, її називають іммобілізованою.
Гелі вельми широко поширені в природі: до них відносяться багато будівельних матеріалів (бетони, цементи, глинисті суспензії), грунти, деякі мінерали (агат, опал), різні харчові продукти (борошно, тісто, хліб, желе, мармелад, холодець), желатин , каучук, тканини живих організмів і багато інших матеріалів живої та неживої природи.
Залежно від концентрації дисперсійного середовища гелі прийнято поділяти на ліогелі, коагелі і ксерогелі (аерогелі).
Багаті рідиною гелі, що містять мало сухої речовини (до 1-2%), називають діогелямі. До типових діогелям відносяться кисіль, холодець (холодець), кисле молоко, розчини мив і ін.
Бідні рідиною або зовсім сухі гелі називаються ксерогель. Прикладами ксерогелей можуть служити сухий листової желатин, столярний клей в плитках, крохмаль, каучук. До складних ксерогель відносять багато харчових продуктів (борошно, сухарі, печиво). Високопористі ксерогелі називають також аерогель, оскільки в них дисперсійним середовищем служить повітря. До аерогель відносять багато сорбенти (силікагель), тверді каталізатори хімічних реакцій.
Залежно від природи дисперсної фази і за здатністю до набухання прийнято розрізняти гелі тендітні і еластичні. Еластичні гелі ми будемо називати холодцем.