Свойства белков

Белки пищевых продуктов обладают рядом свойств, которые оказывают определенное влияние на ведение технологических процессов при переработке продуктов. С этими свойствами нельзя не считаться, тем более что многие из них открывают большие возможности в совершенствовании технологий.

A. Способность к гидратации (набуханию в воде), т.е. поглощению и удерживанию влаги, причем не адсорбционно (как, например, у крахмала), а осмотически связанно, более прочно. В нормальных условиях белки способны удерживать 2-3-кратное количество воды. (-СО-NH- связывает 1 молекулу воды; -СООН – 4 молекулы воды; -NH₂ – 1 молекулу воды); Молекулы белков устроены таким образом, что все гидрофильные группы находятся на поверхности, а гидрофобные – внутри. Если имеет место ограниченная гидратация, то говорят о набухании белковых веществ. Это имеет место при производстве хлебобулочных изделий (при замесе теста), при замочке зерна. Набухший в воде белок муки образует клейковину, которая может поглощать от 3 до 5 объемов воды, увеличиваясь в размерах. Клейковина и студни обладают свойствами упругости и эластичности, пластичности и ползучести, т.е. свойствами твердого и жидкого тела. Свойства гидратации тесно связаны с поверхностным зарядом белковых молекул, который в изоэлектрической точке (реакция среды при которой происходит равенство положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка) равен 0. В этой точке белок имеет наименьшую растворимость и вязкость и легко выпадает в осадок. Это свойство используется для выделения белковых веществ из их растворов при производстве казеина из обезжиренного молока, при производстве белковых изолятов (растительное или животное сырье сначала экстрагируют, затем очищают, а белковые вещества осаждают в изоэлектрической точке) др.

B. Денатурация – изменение нативной конформации белковой молекулы без нарушения пептидной связи (без нарушения ковалентной связи). При денатурации сохраняется только первичная структура, а остальные разрушаются. Денатурация, как правило, процесс необратимый, но при кратковременном действии денатурирующего фактора белок может вновь приобрести свои природные свойства, такой процесс называют – ренатурацией.

Факторы, вызывающие денатурацию: 1. Химические (резкое изменение рН среды в ту или иную сторону); 2. Действие веществ, сильно разрывающих водородные связи; 3. Физические (температура, механическое воздействие и различное излучение)

Показатели денатурации: 1. Увеличение реактивности химически активных группировок; 2. Изменение формы белковой молекулы; 3. Уменьшение растворимости белков; 4. Большая поддатливость действию протеолитических (разлагающих белки) ферментов; 5. Потери белком биологических свойств (ферментативные, гормональные).

Степень денатурации зависит от влажности, температуры, экспозиции нагрева (времени нагрева).

Глубокие денатурационные процессы наблюдаются при выпечке хлеба, слабые денатурационные процессы – при кондиционировании зерна и при длительном хранении.

С. Пенообразование – способность образовывать эмульсии в системе жидкость-газ, называемые пенами. Белки как пенообразователи широко используются при изготовлении кондитерских изделий (безе, кремы) и взбитых пищевых продуктов (взбитые cливки, мороженое, молочные десерты);

Д. Способность белков к гидролизу, т.е. расщеплению на составные части в присутст-

вии кислот или ферментов. Эта способность белков используется в ряде отраслей

пищевой промышленности, например при рафинации растительных масел.

Используют 2 вида гидролиза: кислотный и ферментативный. Они приводят к расщеплению белковых молекул до полипептидов и свободных аминокислот, пептидов. Ферментативный гидролиз белков применяется с целью их удаления из пищевых продуктов, либо с целью повышения их усвояемости. Ферментативный гидролиз имеет место при хранении любых видов сырья под действием нативных и микробиологических ферментов. Глубокий гидролиз сопровождается процессом, называемым гниением, приводит к потере пищевой ценности. При производстве напитков белковые вещества являются нежелательными, т.к. придают им мутность и затрудняют процесс фильтрации. Это имеет место при производстве плодоовощных соков, пива, вина.

Кислотный гидролиз белковых веществ в пищевой промышленности применяется при производстве белковых гидролизатов на основе растительного сырья. Таким способом производятся белковые обогатители пищи, путем обработки крепкими минеральными кислотами растительных шротов. Минеральные кислоты гидролизуются одновременно с пептидными связями и связями белковых веществ с другими компонентами растительной клетки. Таким образом, белковые вещества переводятся в раствор, а при глубоком гидролизе самих белков образуют пептиды и свободные аминокислоты, состав которых определяет вкус пищевых продуктов. Например, гидролизаты с повышенным содержанием глютаминовой кислоты и ее солей обладают ярко выраженным вкусом мяса.

Большое значение в пищевой промышленности имеет ферментативный гидролиз, который связан с процессом пищеварения и с преобразованием белковых веществ до структур, которые лучше усваиваются в организме человека. К числу гидролитических ферментов относятся: протеазы, например в пищевых соках содержится пепсин, трипсин, хемотрипсин, карбоксипептид, желатиназа. Ферментативный гидролиз в молочной промышленности имеет место при хранении молока до переработки, при производстве кисломолочных продуктов и сыров.

Е. Меланоидинообразование, важный процесс преобразования белков пищи, от которого зависит внешний вид и вкусовые достоинства продукта. Меланоидинообразование – это соединения с темной окраской, образующиеся в результате взаимодействия белковых веществ и продуктов их распада с редуцирующими (восстанавливающими) сахарами. Такие реакции называют меланоидинообразованиями или реакцией Майяра. Они относятся к неферментативным процессам и называются реакцией неферментативного побурения. Они характерны для готовых пищевых продуктов, которые уже прошли высокотемпературную обработку. Такие реакции инициируются при низких концентрациях белков и редуцирующих сахаров при высокотемпературной обработке (выпекании, сушке). Меланоидинообразования входят в состав твердой корочки хлебобулочных изделий и обжаренных продуктов. Их реакции называют сахароаминные.

Отрицательный эффект реакции Майяра. В результате реакции Майяра понижается содержание некоторых эссенциальных аминокислот, следовательно, снижается и качество белка, в том числе его питательность. Переваримость белков уменьшается, т.к. не могут гидролизоваться некоторые аминокислотные связи, созданные в результате реакции Майяра. Это приводит к выбрасыванию из организма целых фрагментов пептидов, которые не гидролизовались в пищеварительном тракте. Негидролизованные в желудке пищеварительными ферментами пептиды мешают абсорбции в тонких кишках аминокислот, частично ингибируют пищеварительные ферменты, замедляют транспортировку аминокислот из пищеварительного тракта в ткани и клетки.

Положительный эффект реакции Майяра: формирует желательный цвет, аромат и вкус (обжарка, производство ароматических смесей, имитирующих запах жареного цыпленка или мяса).

Ароматизаторы пищевые – пищевые добавки, предназначенные для улучшения аромата и вкуса пищевого продукта и представляющие собой индивидуальное вкусоароматическое вещество либо смесь вкусоароматических веществ с возможным включением других компонентов (растворители, сухие носители, наполнители и др.). в качестве растворителей могут быть использованы: спирт этиловый, высокоочищенные растительные масла, 1,2-пропиленгликоль, триацетат глицерина. Функции наполнителя выполняют различные виды крахмалов, камедей, декстринов и другие вещества.

Ароматизаторы натуральные – ароматизаторы, которые содержат только натуральные вкусоароматические вещества (например натуральные эфирные масла – апельсиновое, грейпфрутовое, мятное, имбирное, чесночное и др. Их получают из растений различными методами, из которых наиболее растпространенными являются холодное прессование и дистилляция).

Ароматизаторы, идентичные натуральным, - ароматизаиторы, которое содержат одно или несколько вкусоароматических веществ, идентичных натуральным, а также могут содержать натуральные вкусоароматические вещества (пример ароматизаторы фруктово-ягодной группы, предназначенные для производства карамели, - цитрусовые Апельсин, Лимон и Грейпфрут, а также Мята, состоящие более, чем на 50% из натуральных эфирных масел; Земляника – ароматизатор, который содержит идентичные натуральным (полученные химическим путем вещества, находящиеся в натуральной землянике) ароматические компоненты. Все перечисленные выше ароматизаторы состоят из тех же компонентов, что и натуральные ягоды и фрукты, только получают их искусственным способом.

Возникает вопрос: зачем добавлять ароматизаторы, когда можно использовать натуральные фрукты и ягоды? Дело в том, что большинство соединений, характеризующих вкус и аромат натуральных фруктов и ягод, нестабильны по отношению к действию высоких температур из-за чего и теряют свои свойства при приготовлении продуктов.

Ароматизаторы искусственные – ароматизаторы, содержащие одно или несколько искусственных вкусоароматических веществ, не обнаруженных в природе, также могут содержать натуральные и идентичные натуральным вкусоароматические вещества. Например, вкус и аромат ванили может придавать продукту не только ванилин, но и этилванилин – соединение, не найденное в природе, а полученное химическим путем.

Вещества вкусоароматические – органические вещества с характерным запахом, разрешенные органами здравоохранения Украины для производства пищевых ароматизаторов (перечень, нормативы указаны в СанПиН).

Вещества вкусоароматические натуральные (компоненты) – вкусоароматические вещества или их смеси, выделенные из сырья растительного или животного происхождения с помощью различных физических и (или) биотехнологических методов воздействия. В качестве примера можно привести эфирные масла, экстракты ванили и какао и др.

Вещества вкусоароматические, идентичные натураольным, - вкусоароматические вещества, идентифицированные в сырье растительного или животного происхождения и полученные методами пищевой химии. Например, вещества, выделенные из очищенных дымов при традиционном копчении, или вещества, полученные в результате химических реакций: аминосоединения и редуцирующие сахара. Всем хорошо известны вкус и аромат настоящего сливочного масла, но далеко не все отдают себе отчет в том, что йформирование этих ароматов и вкуса зависит от присутствия в продукте важных ароматических веществ: диацетила, ацетоина, этаналя, диметилсульфида, уксусной и молочной кислоты. Образование этих веществ в натуральном молоке, а следовательно и сливочном масле происходит под действием различных заквасок, проявления липолитической активности ферментов. Такие же соединения (идентичные по своему химическому строению и свойствам), обусловливающие органолептические свойства молока и масла, можно получить химическим путем. Их называют идентичными натуральным.

Вещества вкусоароматические искусственные – вквсоароматические вещества, полученные методами химического синтеза, но не идентифицированные в сырье растительного или животного происхождения.

Содержание ароматизаторов в продуктах не должно превышать установленные регламенты. Максимальная дозировка определяется с точки зрения безопасности готового продукта и утверждается в нормативной документации производителя ароматизаторов. Наиболее распространенные дозировки ароматизаторов варьируются от 0,1 до 10 кг на 1000 кг готовой продукции.

Для количественного определения ароматизаторов в продукте известны методы хроматомассного исследования каждого ароматизатора покомпонентно, что позволяет контролировать их состав, предельно допустимые концентрации безопасности входящих веществ.

В проекте закона РФ «О техническом регламенте на ингредиенты и пищевые добавки», СанПиН 2.3.2.1293-03 «Гигиенические требования по применению пищевых добавок (введен в действие с 15 июня 2003 г), проекте ГОСТ «Ароматизаторы пищевые. Общие технические условия» приведено определение: «ароматизатор технологический (реакционный) – пищевой ароматизатор, получаемый взаимодействием аминосоединений и редуцирующих сахаров при температуре не выше 180⁰С в течение не более 15 мин». Указано также, что технологические вкусоароматические вещества относятся к идентичным натуральным.

Основные направления аромата технологических ароматизаторов – жареное мясо (говядина, свинина, курятина и др.), обжаренные орехи, семена, кофе и др.

Голландец Либиг и швейцарец Магги (отдельно друг от друга) в середине 19 века предложили заменитель мясных продуктов (гидролизат растительного белка) и организовали его производство. В настоящее время продукцию под маркой «Магги» вырабатывает компания «Нестле», а традиции Либига развивает концерн «Юнилевер». Сейчас производство гидролизата растительного белка в США и Европе составляет примерно 20 тыс. тонн в год.

Гидролизаты растительного белка используют как непосредственно в качестве мясных ароматизаторов, так и как источник аминосоединений для получения технологических ароматизаторов. Последние производят путем нагревания пищевых продуктов или их компонентов в условиях, близких к условиям традиционного приготовления пищевых продуктов. Термические процессы применяются для получения ароматизаторов мяса, кофе, какао, орехов и др.

Сырьевые материалы для технологических ароматизаторов должны включать один или более компонентов из числа перечисленных:

1. источник белкового азота: пищевые продукты, содержащие белковый азот (мясо, птица, яйца, молочные продукты, рыба, морепродукты, злаки, овощи, фрукты, дрожжи) и экстракты из них; продукты гидролиза вышеперечисленных пищевых продуктов, автолизат дрожжей, пептиды, аминокислоты и (или) их соли.

2. Источник углеводов: пищевые продукты, содержащие углеводы (злаки, овощи, фрукты и их экстракты); моно-, ди- и полисахариды (сахара, декстрины, крахмалы и пищевые гумми).

3. Источник жиров или жирных кислот: пища, содержащая жиры и масла; жиры и масла животного, морского или растительного происхождения; гидрированные, транс-этерифицированные и (или) фракционированные жиры и масла; продукты гидролиза вышеперечисленных компонентов.

4. При проведении процесса могут использоваться сл. компоненты: травы, пряности и их экстракты; вода; тиамин и его хлористоводородная соль; вит. С; лимонная, молочная, фумаровая, яблочная, янтарная, винная кислоты; натриевые, калиевые, магниевые и аммонийные соли вышеперечисленных кислот; лецитин; кислоты, основания и соли в качестве регуляторов рН и др.

Производство технологических ароматизаторов осуществляется в результате взаимодействия сырьевых материалов, перечисленных в п.1 и 2, с возможным добавлением одного или более сырьевых материалов, перечисленных в п.3 и 4.

Температура процесса не должна превышать 180⁰С. Продолжительность процесса не должна превышать 15 мин. при проведении процесса рН не должен превышать 8. Ароматические вещества, усилители аромата и добавки к реакционным ароматизаторам могут быть добавлены только после завершения термической реакции.

 

Химизм меланоидинообразования

Это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно.

В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему.

Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (-NH₂), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа =С=О, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара – фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Белки тоже могут вступать во взаимодействие с сахарами, но менее активно, чем аминокислоты, так как содержит меньше свободных аминных групп.

 

Возможно образование производного пиррола при взаимодействии 2-х молекул редуцирующих сахаров и одной молекулы аминосоединения:

 

При нагревании сахароаминокислотных расворов образуется также фурфурол из пентоз и оксиметилфурфурол из гексоз. Последний далее частично превращается в муравьиную и левулиновую кислоту.

Параллельно могут происходить реакции азотистых производных

 

При избыточном питании усиливаются неконтролируемые организмом процессы гниения в кишечнике, увеличивается нагрузка на печень и почки, которые не в силах справиться с обезвреживанием и выведением больших количеств продуктов белкового обмена, гипертрофируются.

В странах Древнего Востока, как отмечают историки, существовала своеобразная казнь: приговоренных к смерти кормили только вареным мясом, и они умирали от самоотравления на 28-30-й день, т.е. гораздо раньше, чем при полном голодании.

Избыток белка вызывает перевозбуждение нервной системы вплоть до неврозов, а после длительного избыточного потребления белка организм тяжело переносит его последующий дефицит, так как настрой обмена веществ на усиленный распад излишков белка в организме некоторое время еще сохраняется.