Лекция 3

ГИДРАТАЦИЯ, ДЕГИДРАТАЦИЯ, ДЕНАТУРАЦИЯ

И ДЕСТРУКЦИЯ БЕЛКОВ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Изменение белков пищевых продуктов при производстве полуфабрикатов и блюд, в значительной мере определяет выход изделий, структурно-механические свойства, органолептические показатели и т.д.

Глубина и степень этих изменений зависит от природных свойств белков, характера внешнего воздействия, коллоидного состояния белков и т. д. Наиболее значительные изменения белков пищевых продуктов связаны с их гидратацией, дегидратацией, денатурацией и деструкцией.

Гидратация белков

На поверхности белковой молекулы имеются полярные группы, которые при контакте с водой адсорбируют ее вокруг полярных групп белка, эта вода прочно удерживается белком и называется адсорбционной.

Адсорбционная вода удерживается белками достаточно прочно и не может служить растворителем для других веществ.

При низком содержании белка в растворе, их молекулы полностью гидратированы (например, молоко, тесто, омлеты и др.).

В концентрированных белковых растворах при дополнительном добавлении воды происходит гидратация белков (добавление воды к измельченному мясу в определенных количествах).

В студнях молекулы белка удерживают много воды вследствие образованной гидратной сетки из белковых молекул и тяжей, но количество воды строго определенно для каждого вида белка.

Чем длиннее и тоньше молекула белка, тем меньше концентрация его для образования студня, поэтому большинство студней обводнены больше, чем концентрированные растворы, это явление используется при варке студней из частей туш с максимальным содержанием соединительной ткани.

При производстве полуфабрикатов во время смешивания компонентов процесс гидратации складывается из растворения и набухания. При этом мягкость изделий повышается, они лучше формуются, улучшается сочность, консистенция, вкус готового изделия (котлетная масса).

Сухие белки муки, крупы, бобовых, которые содержатся в них в виде высохшей цитоплазмы и алейроновых зерен, при контакте с водой набухают, образуя сплошной более или менее обводненный студень.

Кроме того, нужно помнить, что в пищевых продуктах кроме адсорбционно-связанной белками воды, имеется вода осмотически и капиллярно связанная, которая также может оказать существенное влияние на качество кулинарной продукции.

При гидратации белковых веществ различают ограниченное и неограниченное набухание.

Неограниченное - приводит к образованию растворов (молекулы белка отрываются друг от друга и переходят в раствор).

Ограниченное - не заканчивается растворением.

Набухание белков в процессе гидратации имеет выборочный характер относительно растворителя (необходимо вспомнить классификацию белков относительно растворителя).

Так как белки имеют полярные группы, то набухают они в полярных растворителях - вода, спирты.

На степень и кинетику набухания белков в растворителях влияют:

• температура;

• давление;

• величина рН среды;

• наличие электролитов и их концентрация;

• степень измельчения;

• "возраст" полимера.

Минимальное набухание наблюдается в изоэлектрической точке, так как заряд белковой молекулы минимален. При сдвиге рН среды в ту или иную сторону от изоэлектрической точки усиливается диссоциация основных или кислотных групп белка, увеличивается заряд белковой молекулы и усиливается гидратация белка. В технологической практике это используется для усиления их водосвязывающей способности (маринование мяса).

Различают ионную и молекулярную адсорбцию, что связано с наличием в белке свободных и связанных полярных групп.

Свободные полярные группы (аминогруппы, карбоксильные группы дикарбоновых кислот) диссоциируют в растворе, определяя величину суммарного заряда молекулы. Адсорбирование воды ионизированными свободными полярными группами белка называется ионной адсорбцией. Эта величина может быть изменена изменением рН среды. Связанные (пептидные группы полипептидных цепей, гидроксильные, сульфгидрильные и др.) присоединяют воду за счет молекулярной адсорбции, которая является постоянной величиной.

Растворимость белков

Растворимость - один из основных, самых важных показателей функциональности белков и технологических свойств белоксодержащих продуктов.

Еще одним свойством является способность белка растворяться под воздействием технологических факторов. То есть возникают ситуации, когда способный к растворению белок находится в условиях плохой растворимости и наоборот. Таким образом, показатель растворимости может корригироваться параметрами технологического процесса.

Нельзя объединять понятия растворимости и гидратации.

Хотя направление обоих процессов одинаково, они по сути разные. Белковая система, состоящая из нерастворимых белков, вполне может быть гидратирована, то есть, перемешена с водой, которая будет удерживаться благодаря силам физической природы. Но при этом белки будут нерастворимы. Изменением рН или введением электролитов гидратированный белок можно перевести в растворимое состояние.

Белки способны к набуханию с образованием высокогидратированных систем, а также образовывать истинные, высокомолекулярные и коллоидные растворы.

Растворимость белковых систем зависит:

• от степени измельчения фазы (молекулярной массы белка);

• характера связи фазы с дисперсной средой;

• характера самой жидкой среды.

Дегидратация белков

Дегидратация – это потеря белками воды. В технологической практике различают обратимую и необратимую дегидратацию.

Обратимая дегидратация —наблюдается при сублимационной сушке. При последующем замачивании гидратная оболочка практически полностью восстанавливается. При сублимационной сушке улетучивается из продуктов капиллярно связанная, осмотическая и большая часть адсорбционно связанной белками воды. Адсорбционно связанная вода удаляется не полностью, поскольку мономолекулярный слой ее на поверхности белковой молекулы очень прочно связан с белком. Эта вода (гидратная) удаляется только при температуре +100°С и выше, что приводит к денатурации белка.

Ее количество достигает 5% от массы сухих белков.

Необратимая дегидратация (невозможно восстановить первоначальные свойства продукта) —происходит при размораживании мяса, рыбы и тепловой обработке продуктов. При быстром размораживании мяса происходит неполное восстановление белковых коллоидных систем, нарушенных в период замораживания. При замораживании и последующем хранении рыбы происходит денатурация белков, поэтому рыбу оттаивают быстро в воде, так как нативная структура ее белков не восстанавливается.

При воздействии тепла происходит необратимая денатурация белков с выделением воды вместе с растворенными в ней веществами, что снижает массу изделий, изменяет ее пищевую ценность и органолептические показатели.

Дегидратация — процесс, противоположный гидратации, то есть это процесс выделения влаги из продукта. Это очень важный технологический процесс, который обеспечивает органолептические показатели белоксодержащих изделий и функциональную активность белковых веществ.

Необратимая дегидратация, как правило, сопровождается денатурацией белков.

Дегидратация может быть целенаправленной, согласно хода технологического процесса, а также результатом влияния различных неблагоприятных факторов, последствием которых является потеря функциональных свойств белков, например растворимости или влагоудерживающей способности.

Так как причинами денатурации является действие тепла, химических веществ, механическое воздействие, течение времени, облучение, то эти же факторы являются и причинами дегидратации. В реальных технологических процессах невозможно точно установить причинно-следственную взаимосвязь денатурации, дегидратации и изменение коллоидного состояния, так как эти процессы идут одновременно и характеризуют технологический процесс с разных сторон.

Одним из факторов дегидратации есть денатурация белков, в результате чего изменяется их агрегатное состояние. Поэтому главным признаком дегидратации есть переходы коллоидного состояния белковых веществ:

золь – гель

гель I рода – гель II рода

раствор – флокулят

Относительно технологии общественного питания эти переходы воспринимаются как изменение консистенции пищевых продуктов.

Типичным примером целенаправленной дегидратации является получение творога из молока, когда повышение концентрации Нприводит к потере казеином агрегативной устойчивости, при этом происходит интенсивный процесс синерезиса, система расслаивается с образованием сырного сгустка. Причина— изменение агрегативной стойкости белков под влиянием химических веществ.

Причиной дегидратации могут быть денатурационные изменения под влиянием тепловой энергии. В технологии большинство процессов основано на эффекте тепловой денатурации белковых веществ и, как следствие, необратимой дегидратации. Одновременно процессы денатурации, коагуляции и агрегации приводят к дегидратации белковых систем. Например, приготовление прозрачных бульонов.

Важная роль в дегидратации принадлежит реакции среды. Одни и те же белки при разных значениях рН имеют разную устойчивость к дегидратации. В изоэлектрической точке (ИЗТ) белки находятся в минимальной степени гидратации, способность их удерживать воду наименьшая. Поэтому факторы, вызывающие дегидратацию в ИЗТ действуют с максимальным эффектом. Это свойство широко используется при получении изолированных белков, белковых концентратов — изменяя рН, добиваются максимальной растворимости белков, переводят их в раствор, затем сепарируют, отделяя нерастворимые частицы, потом подтитровывают до значения ИЗТ, когда он выпадает в осадок, который отцеживают.

Частичной дегидратацией белков объясняется и потеря мясного и рыбного сока замороженными продуктами в процессе размораживания.

На методе дегидратации базируется производство консервированных продуктов и полуфабрикатов. Посол —приводит к обезвоживанию и повышению части связанной воды, а следовательно к уменьшению количества микроорганизмов. Дегидратация белков происходит при всех видах сушки, а также при биохимических, осмотических и ферментативных процессах—в период посмертного окоченения.

Денатурация белков

Денатурацией называется изменение нативной пространственной структуры белковой молекулы под влиянием внешних факторов

Виды денатурации:

• тепловая;

• механическая (взбивание, встряхивание);

• кислотная или щелочная (при сушке и замораживании).

Тепловая денатурация — разрушаются поперечные связи между боковыми цепями, поэтому изменяется конформация полипептидных цепей в белковой молекуле. У глобулярных белков развертываются глобулы и свертываются по новому образцу. Но прочные пептидные и дисульфидные (ковалентные) связи сохраняются. Фибрилярный белок коллаген при тепловой денатурации плавится, так как поперечные связи между полипептидными цепями исчезают и образуется стекловидная масса.

Тепловая денатурация белка возможна при наличии воды, кристаллический белок даже при температуре 100°С устойчив к денатурации.

Чем выше гидратация белка и ниже его концентрация, тем скорее он денатурирует. Денатурированный белок:

1. теряет биологическую активность;

2. теряет способность к гидратации (растворению и набуханию);

3. улучшается его атакуемость ферментами;

4. повышается реакционная способность;

5. изменяются физические свойства;

Снижение гидратации объясняется конформацией глобулы и появлением на поверхности гидрофобных групп вместо гидрофильных.

В нативном белке пептидные связи и многие функциональные группы экранированы гидратной оболочкой и находятся внутри глобулы, после тепловой денатурации улучшается гидролиз белка под воздействием протеолитических ферментов и также чувствительность к химическим реактивам.

В мало концентрированных белковых растворах при тепловой денатурации молекулы образуют агрегаты за счет дисульфидных и водородных связей – получаются крупные частицы, которые при дальнейшей агрегации расслаивают коллоидную систему и образуются хлопья (бульоны, молоко).

В более концентрированных белковых растворах при тепловой денатурации образуется сплошной гель, удерживающий всю воду (мясо, рыба, яйцо). Обводненные гели при денатурации уплотняются и происходит дегидратация (снижение объема, повышение прочности и так далее). Изменение белковых гелей в сильной степени зависит от рН среды, температура. Чаще всего создание кислой среды снижает дегидратацию белковых молекул и повышает сочность изделий, нежность. Более высокая температура и продолжительное нагревание усиливает денатурацию. Необходимо знать температурный верхний предел стабильности белков, чтобы не вызвать денатурации (при приготовлении яично-молочного льезона, горячий способ приготовления бисквита).

Наиболее термостабильны белки молока и яиц, наименее – мяса и рыбы.

Некоторые вещества повышают температуру денатурации белков (сахароза). Так, белок куриного яйца денатурирует при t = 55°С, меланж – при 70°С, а меланж с сахаром – при 80-83°С.

Иногда при тепловой денатурации не наблюдается видимых изменений белкового раствора, чаще всего это у белков, содержащихся в связанном состоянии в продуктах. Пищевые продукты, доведенные таким образом до готовности, всегда содержат некоторое количество нативного белка.