Đề tài Biến đổi protein trong chế biến và bảo quản thực phẩm

Phần một : SƠ LƯỢC VỀ SỰ CHUYỂN HOÁ PROTEIN TRONG CƠ THỂ I. Thuỷ phân protein Ở dạ dày nhờ có môi trường HCl và enzim pepsin, protein của thức ăn bị thuỷ phân, tạo thành chủ yếu hỗn hợp polipeptit ( còn gọi là pepton). Ở ruột, nhờ các enzim pepsin, chimotripsin, cacboxipeptiđaza xúc tác cho quá trình thuỷ phân polipeptit thành hỗn hợp các aminoaxit. Các aminoaxit sinh ra được hấp thụ qua thành ruột, theo máu về gan, đi tới các mô và tế bào. Một phần aminoaxit được dùng để tái tổng hợp protein cho cơ thể, phần khác được phân giải để cung cấp năng lượng cho cơ thể hoạt động. II.Sự phân giải aminoacid Trong cơ thể, các aminoaxit bị phân giải qua các phản ứng sau: 1. Phản ứng desamin hoá( loại nhóm amino) a. Phản ứng desamin hoá-oxi hoá. Nhờ xúc tác của enzym, nhóm amino bị loại ra khỏi phân tử aminoacid, tạo thành cetoacid và amoniac: b. Phản ứng trao đổi nhóm amino. Nhờ tác dụng xúc tác của enzym aminotranferase 2. Phản ứng descarboxyl hoá(loại nhóm carboxyl) Nhờ tác dụng xúc tác của enzym descarboxylase, nhóm carboxyl bị loại khỏi phân tử aminoacid, tạo thành amin hoặc aminoacid (nếu descarboxyl hoá acid monoamino dicarboxylic) III. Các sản phẩm cuối cùng của sự phân giải aminoacid Quá trình phân giải aminoaxit tạo ra cetoacid, acid carboxylic và amoniac. Các cetoacid và carboxylic tiếp tục tham gia vào chu trình Krep đã bị oxi hoá thành carbonic và nước . Như vậy sản phẩm cuối cùng của sự phân giải aminoacid là carbonic, nước và amoniac. Khí carbonic được thải ra ngoài cơ thể, nước tham gia vào quá trình trao đổi chung, amoniac(gây độc cho cơ thể) được chuyển hoá thành những chất không hoặc ít độc ( như glutamin, asparagin, ure) bằng các cách sau: 1.Amit hoá các acid monoamino dicarboxylic Amoniac phản ứng với axit glutamic hoặc axit aspactic, tạo thành glutamin hay asparagin. Thí dụ: 2.Ure hoá khí carbonic(tổng hợp ure) Amoniac phản ứng với khí cacbonic tạo thành ure theo một chu trình gồm nhiều phản ứng, gọi là chu trình ure. Phương trình phản ứng tổng quát của chu trình ure: IV. Sinh tổng hợp protein Một phần aminoacid được dùng để tái tổng hợp protein cho cơ thể. Quá trình tổng hợp diễn ra chủ yếu trong các riboxom của tế bào, gồm 4 giai đoạn: 1. Giai đoạn hoạt hoá aminoaxit Xảy ra hai quá trình phản ứng , cả hai phản ứng đều cần enzim aminoaxyl-tARN xúc tác. Mỗi aminoacid cần một loại enzym tương ứng, như vậy 21 aminoaxit cần 21 enzim khác nhau. Nhờ tác dụng của enzym, aminoacid kết hợp với ATP tạo ra aminoaxyl-AMP-enzim có khả năng phản ứng cao: Aminoacid + ATP [Aminoaxyl-AMP-enzym] + PP Sau đó, aminoaxyl-AMP-enzym tương tác với tARN, tạo ra aminoaxyl-Tarn: [Aminoaxyl-AMP-enzim] + tARN Aminoaxyl-Tarn + AMP + enzym 2. Giai đoạn khởi đầu tổng hợp polypeptide Nhờ mARN (tức ARN khuôn) bắt đầu xảy ra phản ứng tổng hợp “phức hợp” đầu tiên của polypeptide từ aminoacid đã được hoạt hoá. 3. Giai đoạn kéo dài chuỗi polipeptit Nhờ ARN khuôn mẫu, GTP và các yếu tố khác, phân tử aminoaxit thứ hai( đã được hoạt hoá) tiếp tục gắn vào “phức hợp” đầu tiên(ở giai đoạn hai). Quá trình này được lặp lại với các phân tử aminoacid tiếp theo. 4. Giai đoạn kết thúc tổng hợp protein Sau khi giai đoạn phát triển mạch kết thúc, chuỗi polipeptide vừa được tao thành và cả tARN đều tách rời khỏi riboxom. Quá trình sinh tổng hợp protein trong có thể xảy ra qua 4 giai đoạn, nhưng với tốc độ rất nhanh. Thí dụ để tổng hợp một phân tử protein chứa khoảng 300 gốc aminoaxit chỉ mất khoảng 30 giây. Phần hai : BIẾN ĐỔI CỦA PROTEIN TRONG QUÁ TRÌNH CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN A- PHẢN ỨNG THUỶ PHÂN Protein polypeptide peptids peptone acid amin I. Bằng tác nhân hoá học 1.Thuỷ phân bằng acid: * Thuỷ phân hạn chế các liên kết peptide - Sẽ làm biến đổi mạch bên của protein như khử nhóm acid của asparagin và glutamin, khử phospho của phosphsery và phá huỷ các gốc tryptophan. - Một số protein thực vật sau khi thuỷ phân sẽ tạo thành các sắc tố và các dẫn xuất có mùi thơm của thịt. Một số dịch thuỷ phân của các protein nảy được trung hoà bằng xut, lọc và được sử dụng làm tác nhân tạo hương. - Khi đun nóng protein thực vật trong HCl có nồng độ 1-3M, ở trong thời gian 10 – 15 h để tăng lượng nitơ phi protein lên ba lần, có thể tăng độ hoà tan lên rất nhiều và do đó làm tăng tính chất bề mặt của gluten lên. * Thuỷ phân hoàn toàn các liên kết peptide - Dưới tác dụng của acid và ở nhiệt độ cao ( HCl 6N , , 20 – 72 giờ) protein bị thuỷ phân, không xảy ra hiện tượng racemic hoá. 2. Thuỷ phân bằng kiềm: * Thuỷ phân hạn chế ( đun nóng protein trong NaOH có pH = 11- 12,5 , , từ 20 phút đến vài giờ) - Tạo ra những peptide lưỡng cực có các mạch bên kỵ nước và có một nhóm carboxyl có cực ở tận cùng. - Dùng để hoà tan và trích ly các protein ít hoà tan cùa thực vật, của vi sinh vật và của cá. * Thuỷ phân hoàn toàn - Dưới tác dụng của kiềm (NaOH 4 -8N . 14% , đun sôi trong 18- 29 giờ) protein bị thuỷ phân , acid amin bị racemic hoá, các oxy acid bị deamin hoá, một phần cystein và cystin bị phá hỏng, arginin phân huỷ thành ornithin và ure. Vậy tác dụng của kiềm sẽ làm mất giá trị dinh dưỡng của acic amin khi chuyển từ dạng L sang D. II. Bằng enzym Sử dụng các protease như bromelin, papain, neutrase, tripsine, pepsine… 1. Thuỷ phân hạn chế *Trong chế biến - Thủy phân hạn chế và đặc hiệu thường có tác dụng làm đông tụ protein. Ví dụ: dùng chimozin để kết tủa các casein của sữa : chimozin chỉ cắt một liên kết peptide giữa gốc và gốc để giải phóng ra một đoạn glucopeptide háo nước và chính nhờ vậy mới xảy ra sự động tụ tiếp theo của phân tử paracaseinat K kỵ nước. - Thuỷ phân hạn chế để hoà tan protein vì sau khi bị thuỷ phân hạn chế độ hoà tan của protein tăng lên do đã tạo ra được những đơn vị polypeptide bé hơn, háo nước hơn và dễ sonvat hoá hơn. + Thuỷ phân một phần có tác dụng làm cho quá trình trích ly và tinh chế protein vốn ban đầu kém hoà tan được dễ dàng. Ví dụ: isolat protein đậu nành khi bị thuỷ phân ở mức độ 3% hay 8% (pH= 3 hoặc 5,5) thì độ hoà tan sẽ có giá trị tương ứng là 10% hoặc 50-80%. + Thuỷ phân từng phần làm cho protein có độ hoà tan tốt hơn ở tất cả giá trị pH vì lúc này protein không tự tạo ra được các tập hợp lớn nay cả ở pH đẳng điện. Được ứng dụng để làm giàu lượng protein cho các đồ uống có vị chua ( acid hoá) và có xử lý nhiệt. - Thuỷ phân từng phần cũng được dùng để cải tiến các tính chất nhũ hoá và tạo bọt của các protein bị biến tính nhiệt. Do tăng độ hoà tan làm cho sự khuếch tán của protein đến bề mặt liên pha không khí/ nước và dầu/ nước được dễ dàng. Tuy nhiên khi mức độ thuỷ phân vượt quá 3 - 5% thì độ nhớt và chiều dày của của màng mỏng protein được hấp thụ là không đủ để làm bền các nhũ tương và các bọt. * Trong bảo quản - Sự thủy phân thường giải phóng ra các peptide có dính các gốc leuxin hoặc phenylalanin có vị đắng nên làm giảm tính cảm quan của sản phẩm. 2.Thuỷ phân hoàn toàn : thuỷ phân hoàn toàn protein thành các acid amin . Tạo ra các sản như nước mắm , tạo ra nguồn acid amin không thay thế để bổ sung vào các loại thực phẩm có nguồn protein kém hoặc không hoàn hảo. B- PHẢN ỨNG OXY HOÁ KHỬ Khi bảo quản các thực phẩm giàu protein thường xảy ra hiện tượng ôi thối làm mất giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Nguyên nhân là do tác dụng của các enzym có trong thực phẩm và vi sinh vật xâm nhập từ môi trường ngoài I.Phản ứng khử amin: II.Phản ứng khử nhóm Cacboxyl: Phản ứng này tạo thành các amin khác nhau. Từ lysin tạo thành cacdaverin, từ hystidin tạo thành hystamin , là những chất độc. III.Phản ứng khử amin khử cacboxyl IV. Phản ứng tạo thành mercaptan Thường xảy ra đối với các acid amin chứa lưu huỳnh như cystein, cystine, methionin. V.Phản ứng tạo scatol, indol, cresol, phenol Trong quá trình hoạt động sống các vi sinh vật gây thối rữa thường gặp trong đường ruột và trong quá trình cất giữ protein các acid amin vòng chuyển hoá thành các sản phẩm độc như :scartol, indol, cresol, phenol - Phản ứng tạo thành cresol, phenol: - Phản ứng tạo scatol, indol VI.Phản ứng tạo di-trimethylamin từ các lipoprotein Phần lipid sau khi tách từ lipoprotein sẽ bị chuyển hoá thành các di-trimethylamin Ví dụ: VII. Phản ứng tạo thành phosphin Xảy ra với phosphoprotein và nuleoprotein. Nguồn tạo thành phosphin là các acid phosphoric có trong protein được giải phóng khi bị phân huỷ : Phosphin là khí không màu, mùi thối, rất độc. Ngoài những phản ứng trên thì lipid khi bị oxy hoá sẽ tạo các gốc tự do có khả năng kết hợp với phân tử protein ở các nhóm chức ở mạch nhánh và gây ra những biến đổi không mong muốn trong cấu trúc protein làm giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. C – SỰ BIẾN TÍNH PROTEIN I.Các biện pháp vật lý: 1. Gia công cơ học: - Nghiền khô bột protein hay protein cô đặc nhằm tạo bề mặt lớn, tăng khả năng hoà tan, hấp thụ nước, hấp thụ chất béo, tạo bọt. - Đồng hóa các huyền phù hay dung dịch protein (của sữa): do lực cắt mạnh làm nát vụn các tập hợp protein (micelle) thành các dưới đơn vị nên tăng khả năng nhũ hóa. - Tạo bọt: lực cắt làm biến tính bề mặt và tập hợp protein. - Tạo bột nhão, tạo sợi, nấu đùn: lực cắt làm các phân tử protein sắp xếp lại, trao đổi các cầu disulfur, tân tạo mạng lưới protein. Động tác kéo vuốt, nhào trộn nhiều lần làm cho mạng protein, nhất là xoắn α bị phá hủy. 2. Xử lý nhiệt: Là công đoạn phổ biến và quan trong cho các sản phẩm thực phẩm. Tuỳ mức độ gia nhiệt mà chất lượng thực phẩm tốt hơn hay kém đi. a. Gia nhiệt ở nhiệt độ cao: * Gia nhiệt vừa phải: protein chỉ bị biến tính. - Các độc tố có bản chất protein thực phẩm (enterodoxin của Staphylococus aureces) hay các chất kìm hãm enzym tiêu hóa (antitrypsin Kunitz và Bowman trong hạt đậu tương) trong nguyên liệu sẽ mất độc tính. - Chần hoặc nấu (khi đóng hộp rau quả) làm vô hoạt các enzin (protein, polyphenoloxidase, lypoxydase) vốn tạo ra màu sắc, mùi vị xấu và giảm hàm lượng protein của thực phẩm. - Các protein như glyxinin đậu tương, ovalbumin, colagen cũng dễ tiêu hóa hơn do mạch peptide duỗi ra, để lộ các gốc acid amin tạo điều kiện tác dụng thuận lợi cho protease. * Gia nhiệt trên 1000C: xảy ra phản ứng khí amin. Tuy không ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng nhưng sự xuất hiện lại các nhóm carboxyl làm thay đổi pI và các tính chất của protein. * Gia nhiệt kiểu thanh trùng ở nhiệt độ trên 110 – 1150C: một phần các gốc cystein trong thịt, cá, sữa bị phá huỷ tạo thành H2S, acid cysteic, dimethylsulfur và các hợp chất bay hơi khác làm cho sản phẩm có mùi đặc trưng. * Gia nhiệt khan trên 2000C (khi rán thịt, cá): Tryptophan bị vòng hóa tạo ra - carbolin: α- carbolin β- carbolin γ- carbolin ( R = H hay ) ( R = H hay ) ( R = H hay ) * Gia nhiệt ở nhiệt độ cao trên 2000C ở pH trung tính hay kiềm: - Thủy phân liên kết peptide và đồng phân hóa các gốc acid amin tạo hỗn hợp racemic. Đồng phân D làm giảm giá trị dinh dưỡng 50%, giảm độ tiêu hóa của protein (các liên kết peptide chứa D – acid amin khó bị thuỷ phân hơn), có thể gây độc tỷ lệ với lượng được hấp thu qua màng chắn ruột. - Phá huỷ một số acid amin: arginin chuyển thành ornitin, ure, citrulin và amoniac, cystein chuyển thành dehydroalanin. Trong môi trường kiềm: serin, threonin và lysin bị phá huỷ. - Tạo cầu nối đồng hóa trị lysinoalanin, ornitinoalanin, lantionin giữa gốc dehydroalanin (DHA) ở mạch peptide này với gốc lysin, ornitin, cystein ở mạch peptide khác. Gốc DHA tạo ra do phản ứng loại (khử) gốc cystein hoặc phosphoserin: Mạch pepticle chứa gốc lysin, onitin, cystein kết hợp với mạch peptide chứa gốc DHA theo sơ đồ Protein chứa cầu đồng hóa trị kiểu này thường bị giảm giá trị dinh dưỡng. Có thể dùng NH3 để hạn chế tạo các cầu nối, tuy nhiên việc xử lý kiềm và xử lý nhiệt vừa phải chỉ tạo ra lượng rất nhỏ lysinoanilin và đồng đẳng của nó. * Xử lý nhiệt thịt hoặc cá ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thanh trùng còn tạo cầu đồng hóa trị kiểu isopeptide giữa gốc lysin ở mạch peptide này và gốc glutamic hay aspartic ở mạch peptide khác Về mặt dinh dưỡng: giảm độ tiêu hóa, hệ số sử dụng và giá trị sinh học của protein. Mặt khác do hiệu ứng không gian của các cấu glutamil – lysyl hay aspartyl – lysyl làm chậm quá trình tiêu hóa. b. Gia nhiệt có pH: - Gần pH: dung dịch protein đậm đặc sẽ tạo gel. Nếu đun nóng kéo dài, một số gel sẽ bị phá huỷ. - Khi có mặt các cation, đặc biệt là Ca2+ thuận lợi cho sự tập hợp, nhiệt độ tạo gel sẽ giảm, nhất là khi các nhóm carboxyl bị ion hóa ở pH > pI Ca2+ còn làm cứng các gel đã hình thành do nhiệt (gel đậu phụ). c. Ở nhiệt độ thấp: - Protein có tỷ lệ acid amin kỵ nước / háo nước cao dễ bị biến tính ở nhiệt độ thấp. - Ở nhiệt độ lạnh đông, một số protein sẽ tập hợp và kết tủa. Ví dụ: actomiosin của cá bị cứng giảm khả năng giữ nước, micelle casein trong sữa bị kết tủa, lòng đỏ trứng bị đặc và tạo gel; sự chảy dịch của gel sau khi bảo quản và làm tan giá là do tăng tương tác protein – protein ở điều kiện lạnh đông. d. Sấy, phơi: Protein sẽ có độ xốp cao khi khử nước nhanh chóng dưới dạng hơi bằng cách lấy thăng hoa hay sấy phun. Vì khi đó chỉ tạo sự tập trung tối thiểu các tiểu phần cũng như sự di chuyển tối thiểu các muối và glucid đến bề mặt sấy. II. Các biện pháp hóa học: 1. Thay đổi pH: - Đưa pH đến acid hay kiềm: protein sẽ cố định được các anion và cation đồng thời thay đổi khả năng hòa tan. Ví dụ: Ca2+ làm giảm tính hòa tan tại pH trung tính hay kiềm NaCl làm giảm tính hoà tan tại pH kiềm, tăng tính hòa tan tại pI. - Đưa pH đến kiềm yếu: do lực đẩy tĩnh điện của các nhóm carboxyl đã ion hóa, các protein thấp phần tử sẽ hoà tan. Ví dụ: protein của điện phụ sau khi sấy phun có độ hòa tan cao, tính chất bề mặt và hấp thụ nước tốt. - Với protein đậu tương: kiềm hóa đến pH = 10 – 12 rồi trung hòa làm cho protein giãn mạch; sau đó sấy phun thì protein sẽ tạo gel khi được hydrat hóa ở nhiệt độ thường. Cách này cũng làm tăng độ nhũ hóa và dễ bị kết tủa bởi Ca2+ của globulin. - Ở pH thích hợp và có các ion đa hóa trị hay chất đa điện ly sẽ tăng khả năng tạo cầu nối ion giữa các phân tử protein. Ví dụ: ° Ở pH trung tính hay kiềm, Ca2+ và các chất tạo phức liên kết các nhóm carboxyl hay phosphoseryl tạo các calci proteinat đều tan và dễ tạo gel khi đun nóng. Trong sản xuất phomat nóng chảy (75-1050C), thêm 3% phụ gia polyphosphat làm giảm kích thước micelle casein (do lấy Ca2+), tăng tương tác kỵ nước giữa siêu micelle và lipid nên làm bền các nhũ tương hóa. ° Thịt muối bằng polyphosphat vàNaCl giữ nước tốt do sự phân ly protein và tạo phức với Ca2+ 2. Xử lý bằng dung môi: - Mục đích khử các phospholipid, nước, muối vô cơ, glucid hòa tan khi chuẩn bị các protein. - Xử lý bằng dung môi có độ phân cực khác nhau thường để lộ vùng kỵ nước mà trước đó bị che khuất làm cho protein kết tủa không thuận nghịch (ở pH trung tính hay pI). Phục hồi tính tan bằng cách dùng hỗn hợp nước và dung môi có cực (etanol, iso propanol). Ví dụ: kết tủa protein bằng dung môi có thể tạo gel: Dung dịch 8% protein đậu nành tạo gel với etanol 20%, nếu nồng độ etanol > 40% sẽ gây kết tủa protein do tương tác protein – protein chiếm ưu thế so với protein – nước. 3. Gắn vào protein các nhóm chức: - Thay đổi độ có cực của protein dẫn đến thay đổi khả năng tương tác của protein với các chất khác. - Gắn vào protein các nhóm cacboxyl ion hóa được tạo lực đẩy tĩnh điện, protein bị phân ly, giãn mạch, thay đổi tính tan (cả ở pI). Ứng dụng: + Trích ly các protein từ vi sinh vật hay thực vật. + Tăng khả năng hấp thụ nước và độ bền nhiệt, tăng độ nhạy khi kết tủa bởi Ca2+. + Tăng khả năng tạo gel của protein cá. + Tăng khả năng tạo nhũ và tạo bọt - Đưa các nhóm phosphat hay sulphat vào gluten: tăng khả năng hấp thụ nước, tạo gel, tạo măng. - Gắn vào protein các chất hoạt động bề mặt (natri dodecylsulfat): có vai trò như chất đệm giữa vùng kỵ nước của protein và môi trường háo nước phá hủy tương tác kỵ nước, làm giãn mạch và biến tính protein. - Các chất tẩy rửa dạng anion làm cho protein tích điện âm (ở pH gần trung tính), làm tăng lực đẩy bên trong và biến tính protein. 4. Tạo cầu đồng hóa trị: - Tạo protein kỵ nước nhờ đưa vào protein các nhóm không cực (acyl hóa khử hay alkyl hóa khử nhóm -NH2, thiol hay hydroxyl) Mức độ kỵ nước phụ thuộc bản chất acid amin hay acid béo sử dụng (mạch dài hay ngắn) và tỷ lệ phản ứng. Ví dụ: Sự acetyl hóa ° Tăng tính nhũ hóa của protein sữa và glycinin đậu nành (do phân tử trở nên rất lưỡng cực). ° Giảm tính hấp thụ nước của protein đậu nành. - Tạo các cầu disulfur bằng phản ứng oxy hóa vừa phải các nhóm thiol khi có mặt không khí, bromat hay enzym oxy hóa. Ví dụ: Cải thiện tính nhớt dẻo của gluten trong công nghệ bánh mì. Cầu disulfur có thể bị phá hủy khi có các chất khử như: cystein, acid ascorbic, -mercaptoethanol hay môi trường kiềm. Protein bị khử thường hòa tan tốt hơn và dễ làm sạch hơn nhưng bị mất một số tính chất (tạo gel). - Tạo liên kết đồng hóa trị với acid amin không thay thế để tăng giá trị dinh dưỡng protein. Ví dụ: Gắn methionin vào protein đậu nành. III. Một số ứng dụng 1. Tạo gel a. Một số sản phẩm thường gặp Protein có tác dụng tạo độ cứng, độ đàn hồi, tăng khả năng hấp thụ nước, tạo độ dày, tạo lực liên kết (bám dính) giữa các tiểu phần, làm bền nhũ tương và bọt cho các sản phẩm thực phẩm như: phomát, giò lụa, giò cá (kamaboko), gel gelatin, đậu phụ, bánh mì (bột nhào), thịt giả (protein thực vật), yaourt, kẹo dẻo, thịt đông,… b. Tính chất tạo gel của một số protein thực phẩm * Protein của cơ vân : - Là tác nhân gắn kết trong thịt “tái tạo”, các loại giò; tác nhân làm bền nhũ tương trong xúc xích; tác nhân làm mịn và đàn hồi trong Kamaboco. - Tính chất đặc trưng của sản phẩm phụ thuộc bản chất và độ tươi của nguồn protein. * Protein của sữa: Khả năng đông tụ của các micelle