16

ТЕМА 2.

БІЛКОВІ СИСТЕМИ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ВИКОРИСТАННЯ

ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ У ВИРОБНИЦТВІ

ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

План

2.1. Фізико-хімічні властивості білкових систем.

2.2. Функціонально-технологічні властивості білків.

2.3. Контрольні запитання.

2.4. Рекомендована література.

2.1.Фізико-хімічні властивості білкових систем.

До групи головних харчових речовин (за міжнародною класифікацією)

входять макронутрієнти (білки, жири, вуглеводи, вітаміни і вода),

макроелементи і мікроелементи. Добова потреба в макронутрієнтах різна. Білків

необхідно 91 г, в т. ч. тваринних – 50 г; жирів – 25 г, в т. ч. ненасичених жирних

кислот 5…10 г; вуглеводів – 378 г, в т. ч. цукру – 50…100 г; води –

1750…2200 мл. Найбільш поширеною є класифікація харчових речовин за

А.А. Покровським (рис. 2.1):

Рис. 2.1 – Класифікація харчових речовин за А.А. Покровським

Неаліментарні речовини – речовини, які не входять до структури

організму, але потрапляють до нього з їжею, можуть бути як необхідними, так і

негативно впливаючими на організм. До них відносяться харчові волокна,

отруйні речовини (нітрати, пестициди і т.п.), попередники синтезу біологічно

активних речовин.

В даний час сувора наукова класифікація білків відсутня.

В якості класифікаційних ознак використовують:

• фізико-хімічні властивості;

• функціональні властивості (розчинність в окремих розчинниках тощо);

• структурні ознаки (ступінь складності молекули і форма молекули).

Макронутрієнти Мікронутрієнти Неаліментарні

(головні харчові речовини)

незамінні амінокислоти

-Білки амінокислоти

- Ліпіди жирні кислоти

- Вуглеводи моно-,

оліго-, полісахариди

Мікроелементи

(Сu, Mn, Co,

Нr, Zn, I),

макроелементи

Вітаміни

водо- и

жиро-

розчинні

17

Білки за фізико-хімічними властивостями класифікуються наступним чином.

За електрохімічними властивостями вони поділяються на:

- Кислі;

- Основні;

- Нейтральні.

За полярними ознаками білки поділяються на:

- Полярні (гідрофільні);

- Неполярні (гідрофобні);

- Амфіпалітічні (з подвійними ознаками, які проявляють властивості

залежно від умов середовища).

За функціональними властивостями класифікація найбільш повно

розроблена для ферментних білків.

За структурними ознаками білки класифікують (рис. 2.2):

Прості

(Протеїни)

Складні

(Протеїди)

гістони ліпопротеїди

протаміни глюкопротеїди

альбуміни нуклеопротеїди

глобуліни хромопротеїди

проламіни фосфопротеїди

глютеліни

склеропротеїни

протеноїди

Рис. 2.2 – Класифікація білків за структурними ознаками

Протеїди – білки, що складаються з білкової частини і небілкової

простетичної групи (ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, фосфорної кислоти

або металу).

Білки – складні біополімери, що складаються з амінокислот. Всі білки є

полімерами, ланцюги яких зібрані з фрагментів амінокислот. Амінокислоти – це

органічні сполуки, що містять у своєму складі (відповідно до назви) аміногрупу

NH2 і органічну кислотну, тобто карбоксильную, групу СООН. З усього

різноманіття існуючих амінокислот (теоретично кількість можливих

амінокислот необмежена) в утворенні білків беруть участь тільки такі, у яких між

аміногрупою і карбоксильною групою всього один вуглецевий атом. У

загальному вигляді амінокислоти, що беруть участь в утворенні білків, можуть

бути представлені формулою: H2N-CH-(R)-COOH. Загальна хімічна формула

амінокислот (АК), що є структурним елементом білкової молекули, може бути

представлена таким чином:

R CH COOH

NH2

18

У трикутнику виділена однакова для всіх -амінокислот частина, а R –

радикал або бічний ланцюг, специфічний для кожної амінокислоти. Група R,

приєднана до атому вуглецю (того, який знаходиться між аміно- і карбоксильною

групою), визначає відмінність між амінокислотами, що утворюють білки. Ця

група може складатися тільки з атомів вуглецю і водню, але частіше містить крім

С і Н різні функціональні (здатні до подальших перетворень) групи, наприклад,

HO-, H2N- та ін. Існує також варіант, коли R = Н. В організмах живих істот

міститься більше 100 різних амінокислот, проте, у будівництві білків

використовуються не всі, а тільки 20, так званих «фундаментальних» або

«біогенних».

Властивості амінокислот різноманітні і вони багато в чому визначають

властивості білків. За теорією Е. Фішера, амінокислоти приєднані один до одного

ковалентним амідним зв’язком, який виникає при взаємодії α-карбоксильної

групи однієї амінокислоти з α-аміногрупою іншої амінокислоти. При цьому

виділяється вода.

Продукти такої реакції називають пептидами, а сама зв'язок між

амінокислотами – пептидним. Пептидний зв’язок є повторюваним фрагментом

поліпептидного ланцюга, він має ряд особливостей, які впливають не тільки на

форму первинної структури білка, але й на вищі форми організації його

структури.

У пептидів на одному кінці – вільна аміногрупа, а на іншому –

карбоксильна. До цих груп можуть приєднатись нові амінокислоти, завдяки чому

відбувається нарощування поліпептидного ланцюга. Властивості пептидного

зв’язку визначають багато в чому структуру і властивості білків. Знати

властивості пептидного зв’язку корисно для розуміння причин багаторівневої

організації білкової молекули.

Властивості пептидного зв’язку:

1. Пептидний зв’язок компланарний – всі атоми, що входять до складу

пептидної одиниці, знаходяться в одній площині.

2. Обертання навколо зв’язку CN відсутнє.

3. C-атоми кожного пептидного зв’язку знаходяться в транс-конформації.

CH

R2

COOH Н2N CH

R1

CONH + H2O

Н2N CH

R1

COOH + НNH CH

R2

COOH

–С – N–

О Н

19

4. Пептидні угруповання забезпечують максимально можливе число

водневих зв’язків (кожна група СО-NH- здатна утворити два водневі зв'язки з

сусідніми пептидними групами). Виключенням є пролін і оксипролін, які

утворюють один водневий зв'язок), що позначається на формуванні вторинної

структури білка, пептидний ланцюг на цій ділянці легко згинається і в молекулі

утворюються петлі (шпильки).

Структурна організація білкової молекули має певну ієрархію структурних

рівнів, що бере початок від первинної структури і закінчується четвертинною.

Первинна структура. Кожен вид білка володіє суворою специфікою

амінокислотного складу, унікальністю числа амінокислот і їх послідовністю у

поліпептидному ланцюзі, що визначається поняттям первинна структура білка.

Первинна структура білка зумовлена генетичним кодом клітини. Вона визначає

просторову структуру – конформацію білкової молекули.

Вторинна структура – це специфічна впорядкована орієнтація

поліпептидного ланцюга в просторі, обумовлена вільним обертанням навколо її

зв’язків, що з'єднують -вуглецеві атоми (впорядковане просторове

розташування окремих ділянок поліпептидного ланцюга). Якщо торсійні кути

дорівнюють 45…60 °, то вторинна структура білка представлена у вигляді

α-спіралі, якщо кути рівні 120…135 °, то утворюється -структура.

ПРОСТОРОВЕ РОЗТАШУВАННЯ

ТОРСІЙНИХ КУТІВ В

ПОЛІПЕПТИДНОМУ ЛАНЦЮГУ

А і В – площини двох зв’язаних

пептидних одиниць;

Р – площина, яка містить

зв’язки

С

- N і С

- С’, навколо яких

відбувається обертання Ф і відповідно

Окремі витки спіралі утримуються численними водневими зв’язками за

участю водню аміногрупи і атому кисню групи СО. При утворенні спіралей

радикали, карбоксильні групи і аміногрупи залишаються ззовні, що обумовлює

можливість утворення третинної структури білка.

А и В - плоскости двух связанных пептидных

единиц;

Р - плоскость, содержащая связи С - N и С

- С’, вокруг которых происходит вращение

Ф и соответственно

20

У просторі амінокислотні залишки, які складають білковий поліпептидний

ланцюг, щільно упаковані за рахунок примикання один до одного їх бічних

ланцюгів за рахунок так званої стекінг-взаємодії (англ. Stack-стопка, стос).

Третинна структура поліпептидного ланцюга складається в просторі в

унікальну для кожного білка тривимірну конфігурацію, яка називається

третинною структурою або конформацією білкової молекули. Третинна

структура визначає вид молекули під мікроскопом і поведінку її в різних

середовищах.

Глобулярні білки за третинною структурою можна розділити на п’ять груп:

1. α-білки – білки з великою кількістю спіральних структур;

2. β-білки – білки, глобули яких складаються з двох і більше β-складчастих

шарів;

3. α / β-білки – представляють поліпептидний ланцюг, що складається з

α-спіралей, які чергуються, і витягнутих β-ділянок ланцюга, згрупованих в один

β-шар.

4. (α + β) – білки, що представляють собою поліпептидний ланцюг,

розділений на ділянки, які цілком складаються із спіралей, і на ділянки, що

мають форму β-складчастого шару.

β-СТРУКТУРА

α-СПИРАЛЬ

21

5. білки без α, β – це білки, в структурі яких практично немає спіральних і

складчастих ділянок. Молекулярні глобули складаються з ясно помітних часток

– доменів.

Основні зв’язки, що стабілізують третинну структуру молекули білка:

– водневі зв’язки між бічними ланцюгами амінокислотних залишків;

– водневі зв’язки між пептидними одиницями;

– іонні зв’язки;

– ван-дер-ваальсові сили;

– гідрофобні взаємодії.

У біомолекул хімічні зв’язки можна розділити на ковалентні і

нековалентні. До ковалентних відносяться пептидний і дисульфідний

зв’язки.

Важливу роль у підтримці просторової структури біологічних молекул

грають більш слабкі, ніж ковалентні, хімічні зв’язки (водневі та іонні зв’язки,

ван-дер-ваальсові сили, гідрофобні взаємодії). Водневі зв’язки з’являються при

електростатичній взаємодії атома водню з частково позитивним зарядом і

ковалентно зв’язаним атомом кисню (азоту) з негативним зарядом. Здатність до

утворення водневих зв’язків яскраво виражена у сполук, що містять групи -СО,

-NH, -ОН, -СОО-, -СОН. У білковій молекулі водневий зв’язок може утворитись

між угрупуваннями пептидних ланцюгів і бічними ланцюгами амінокислот.

Водневі зв’язки бувають внутрішньомолекулярними і міжмолекулярними.

Одиничний водневий зв’язок досить слабкий і нетривкий, проте утворення

навіть декількох таких зв’язків, що діють кооперативно, має собою

стабілізуючий фактор. Важливе біологічне значення водневих зв’язків

визначається їх участю в побудові живої матерії.

Гідрофобні взаємодії. Сполуки, що несуть заряди, а також здатні до

утворення водневих зв’язків, є полярними, або гідрофільними. Внаслідок того,

що електронегативний заряд вуглецю є близьким до водню, вуглець не здатний

до утворення водневих зв’язків. Зв’язок С-Н неполярний, тому вуглеводневі

ланцюги гідрофобні. Молекули води, прагнучи утворити між собою водневі

зв’язки, виштовхують гідрофобні групи і молекули, змушуючи їх перетворитись

в асоціати. Цей процес йде самовільно. Гідрофобні асоціати мають першорядне

значення для «архітектури» біомембран, нуклеїнових кислот і білків. У білках

гідрофобні взаємодії виникають внаслідок прагнення неполярних гідрофобних

бічних ланцюгів ряду амінокислот (Вал, Ала, Лей, Ілі, Фен, Тир, Три) уникати

контакту з водою. Поліпептидний ланцюг при цьому згортається наче в клубок,

всередині якого зближуються гідрофобні угрупування, а на поверхні

розташовуються полярні групи, які взаємодіють з водою.

Ван-дер-ваальсові сили. Сили міжмолекулярної взаємодії названі по

імені голандського фізика Я. Д. Ван-дер-Ваальса, вперше в 1873 році який

висловив припущення про їх існування. За своєю природою ці зв'язки нагадують

водневі, так як виникають на основі кулонівських сил електростатичного

тяжіння. Однак, якщо в утворенні водневих зв'язків беруть участь постійні

диполі високополярних ковалентних зв'язків, то ван-дер-ваальсові сили

22

виникають при індукованих, непостійних диполях слабополярних ковалентних

зв'язків, наприклад С-Н. Незважаючи на те, що ван-дер-ваальсові сили дуже

слабкі, вони фактично обумовлюють асоціацію багатьох неполярних угрупувань

в біомолекулах.

Іонні зв'язки. Даний тип заснований на взаємному електростатичному

тяжінні протилежно заряджених іонів. Прикладом такої взаємодії служить

зв'язок між негативно зарядженою карбоксильною групою -СОО- і

позитивно зарядженою протонованою аміногрупою -NH2+.

Найважливішою особливістю слабких хімічних зв'язків є те, що їх енергія

незначно перевищує кінетичну енергію теплового руху (2,5 кДж / моль). Цього

невеликого перевищення виявляється достатньо, щоб виникли слабкі взаємодії

як всередині, так і між біомолекулами. Такі неміцні вторинні хімічні зв'язки

дуже лабільні, що обумовлює їх швидке виникнення і розпад.

Термодинамічно вигідним виявляється розшарування системи, утворення

двох фаз – водної та вуглеводневої, що досягається згортанням глобули і

встановленням гідрофобних контактів між неполярними радикалами. Зближення

неполярних груп спричиняє формування ван-дер-ваальсових контактів між

ними. Але внесок цих вельми слабких взаємодій в енергетику процесу згортання

білка невеликий, тоді як роль гідрофобних контактів (роль зміни ентропії

розчинника) при згортанні білка дуже висока.

Форма білкової молекули набагато визначена третім рівнем структури, і

особливо ступенем асиметрії (відношенням довгої частини молекули до

короткої). У фібрилярних (ниткоподібних) білків ступінь асиметрії більше 80. До

них відносяться кератин, колаген та ін. білки сполучних тканин. При ступені

асиметрії молекули менше 80 білки утворюють глобулу. Для багатьох

глобулярних білків ступінь асиметрії дорівнює 3-5. Слід зазначити, що для білків

з великим ступенем асиметрії характерна -структура, а для глобулярних білків

більш характерна α-спіраль.

Головними структурними принципами глобулярної молекули білка є:

• компактна форма (за рахунок стекінг-взаємодії бічних груп);

• наявність гідрофобного ядра або ядер (за рахунок об'єднання неполярних

амінокислотних залишків);

• наявність полярної оболонки (за рахунок іонних або полярних радикалів

амінокислотних залишків).

При взаємодії кількох субодиниць відбувається побудова

поліглобулярного білка з так званою четвертинною структурою. Ця структура

притаманна ферментам і гемоглобіну. Четвертинна структура стабілізується

усіма типами слабких зв'язків і іноді ще дисульфідними зв'язками. Кожна з

перерахованих структур визначає властивості білкової молекули вцілому.

Сумарні властивості незмінного білка отримали назву «нативні властивості», а

їх носій, тобто незмінний білок – «нативний білок». Нативність – це унікальний

комплекс фізичних, фізико-хімічних, хімічних і біологічних властивостей

білкової молекули, який належить їй, коли молекула білка знаходиться в

природному, нативному стані.

23

Глобулярні білки

Фібрилярні білки

Фізико-хімічні властивості білків.

Складна структура білків зумовлює різноманіття їх властивостей.

Білки, як складні полімерні сполуки характеризуються певними фізико-

хімічними показниками. Фізико-хімічні властивості проявляються у зв'язку з

24

тим, що білок є хімічною речовиною з наявністю в його складі характерних

хімічних груп, а також з певними фізичними характеристиками. Розглянемо

такі фізико-хімічні властивості білків як:

• молекулярна маса;

• оптичні;

• амфотерні;

• розчинність;

• колоїдні;

• поверхнево-активні;

• денатурація;

• деструкція.

Молекулярна маса. Білки – це полімери, що складаються з сотень і тисяч

амінокислотних залишків – мономерів. Відповідно і молекулярна маса білків

знаходиться в межах 10 000…1 000 000. Так, у складі рібонуклеази (ферменту,

що розщеплює РНК) міститься 124 амінокислотних залишки і її молекулярна

маса становить приблизно 14 000. Міоглобін (білок м'язів), що складається з 153

амінокислотних залишків, має молекулярну масу 17000, а гемоглобін – 64 500

(574 амінокислотних залишки). Молекулярні маси інших білків вищі: глобулін

(утворює антитіла) складається з 1250 амінокислот і має молекулярну масу

близько 150 000, а молекулярна маса ферменту глутаматдегідрогенази

перевищує 1 000 000.

Оптичні властивості. Всі білки володіють оптичними властивостями.

Розчини білків поглинають УФ-промені в 3-х областях:

280 нм – за рахунок ароматичних амінокислот;

210-250 нм – водневими зв'язками;

190 нм – пептидними зв'язками.

Амфотерні властивості. Білки – амфотерні електроліти, вони здатні

приєднувати кислотні та основні угрупування, і тому мають буферні властивості.

Так, у разі браку у складі полімеру дікарбономоноамінових амінокислот білок

може проявляти кислотні властивості. А у білка, що має значну кількість

діаміномонокарбонових амінокислот, будуть більше проявлятися лужні

властивості. Амфотерность білкам надають бічні залишки кислих (аспарагінова

кислота, глутамінова кислота, цистеїн, тирозин) і основних (аргінін, лізин,

гістидин) амінокислот. Присутність дисоційованих -NH2- і -СООН-груп

обумовлює певний сумарний заряд білкової молекули, що залежить від рН

середовища. Природні білки залежно від складу амінокіслот можуть мати кислий

або основний характер. У кислих білках в розчині заряд негативний.

Більшість білків відноситься до кислих, наприклад альбуміни, глобуліни, казеїн,

пепсин та ін. У молекулах білків основного характеру у розчині позитивний

заряд.

Сумарний заряд молекули білка залежить від рН середовища і більшість

природних білків в нейтральних середовищах мають негативний заряд. При

певному рН середовища число позитивних і негативних зарядів в молекулі

білка однаково. Ця величина рН називається ізоелектричною точкою (ІЕТ)

і є однією з основних констант білка. У цій точці білки електронейтральні, а

25

їх розчинність і в'язкість розчинів найменша. Для більшості глобулярних

білків ІЕТ знаходиться в інтервалі рН 4,5-6,5.

Здатність білків знижувати розчинність при досягненні

електронейтральності молекул широко використовується для виділення їх з

розчинів. В ізоелектричній точці білки найменш стійкі в розчині і легко

випадають в осад. Значення ізоелектричної точки дуже важливо для розуміння

стабільності білків в розчинах, тому що в ній білки внаслідок

електронейтральності найменш стійкі. Незаряджені частки білка можуть

злипатися один з одним і випадати в осад.

Розчинність. Більшість білків добре розчиняються у воді, так як на

поверхні молекул знаходиться багато функціональних груп, здатних зв'язувати

воду, тобто здатних до гідратації. Під гідратацією білків розуміють зв'язування

диполів води іонними і полярними групами. Розчинення білків супроводжується

набуханням, або, вірніше набухання білків є першим етапом їх розчинення. При

набуханні білки поглинають воду, значно збільшуючи свої масу і об'єм. Білки

можуть володіти частковим або повним розчиненням. Так, желатин набухає у

холодній воді обмежено, в теплій воді набухає необмежено, а в гарячій –

розчиняється. Набухання далеко не завжди закінчується розчиненням. Дуже

часто після досягнення певного ступеня набухання процес припиняється. Одна з

причин цього полягає в тому, що білок і розчинник здатні змішуватися

обмежено. Наприклад, білки пшеничного борошна гліадин і глютенін при

додаванні води, обмежено набухаючи, утворюють клейковину (гідратований

драгль) і не розчиняються у воді. Обидва білка повністю розчиняються в

слабкому розчині оцтової кислоти, а також гліадин розчиняється легко в

спиртових, а глютенін – в лужних розчинах. Тобто розчинність білків залежить і

від розчинника, його рН, складу і температури.

За формою і міцністю зв'язування води з білком розрізняють вільну і

зв'язану воду. Для зв'язаної води існують такі форми зв'язку:

* Хімічна (надміцний зв'язок, видаляється вода при температурі понад

100 °С або хімічним впливом);

* Фізична (капілярна);

* Фізико-хімічна (адсорбційно і осмотично зв'язана).

Основна частина води, зв'язана білками, є адсорбційною. Розрізняють два

види адсорбції: іонну і молекулярну. Адсорбція диполів води іонізованими

вільними полярними групами білка (-СОО- і –NH2-) називається іонною

адсорбцією.

Зв'язані полярні групи (пептидні, гідроксильні, сульфгідрильні та ін.)

приєднують молекули води за рахунок так званої молекулярної адсорбції. В

результаті адсорбції білкова молекула набуває гідрадної оболонки, яка сприяє

стійкості розчинів білка і перешкоджає його осадженню.

Розчинність білків у воді зростає при додаванні невеликих кількостей

нейтральних солей ((NH4)2SO4, Na2SO4), оскільки при цьому збільшується

ступінь дисоціації іонізованих груп білка і зменшується білок-білкова взаємодія.

При високих концентраціях цих солей білки осідають за рахунок "відтягування"

іонами солей поляризованих молекул води і білок позбавляється гідратної

26

оболонки. Величина гідратної оболонки залежить від структури білка.

Наприклад, альбуміни більш легко зв'язуються з молекулами води і мають

відносно велику водну оболонку, тоді як глобуліни, фібриноген приєднують

воду гірше, і гідратна оболонка у них менша.

Таким чином, стійкість водного розчину білка визначається двома

факторами: наявністю заряду білкової молекули і водної оболонки навколо неї.

При видаленні цих факторів білок випадає в осад. Даний процес може бути

оборотним і необоротним. Оборотне осадження білків (висолювання) припускає

випадання білка в осад під дією певних речовин, після видалення яких він знову

повертається у свій вихідний (нативний) стан. Для висолювання білків

використовують солі лужних і лужноземельних металів (найбільш часто в

практиці використовують сульфат натрію і амонію). Ці солі видаляють водну

оболонку (викликають зневоднення) і знімають заряд. Між величиною водної

оболонки білкових молекул і концентрацією солей існує пряма залежність: чим

менша гідратна оболонка, тим менше потрібно солей. Так, глобуліни, які мають

великі і важкі молекули і невелику водну оболонку, випадають в осад при

неповному насиченні розчину солями, а альбуміни як більш дрібні молекули,

оточені великою водною оболонкою, – при повному насиченні. Необоротне

осадження пов'язане з глибокими внутрішньомолекулярними змінами структури

білка, що призводить до втрати ними нативних властивостей (розчинності,

біологічної активності та ін.). Такий білок називається денатурованим.

Колоїдні властивості. Білки при розчиненні утворюють розчини

високомолекулярних сполук, які проявляють колоїдні властивості. Не зовсім

вірно називати розчини білків колоїдними, оскільки вони не є типовими

колоїдами, т. к. білки дисперговані в розчиннику до одиничних молекул і

утворюють істинний розчин. Розчини білків мають колоїдні властивості тому,

що молекули білків мають розміри, які наближаються до розмірів колоїдних

частинок (10-4…10-7 см). Розчини білків, як і всі колоїдні розчини, можуть за

певних умов втрачати плинність і утворювати студні (гелі). Застуднівання

білкових розчинів може відбуватися під дією зовнішніх факторів (зміна

температури, підвищенні концентрації розчину, додавання невеликих кількостей

електроліту і т.д.). Як правило, під дією цих факторів структурна в'язкість

системи зростає, що призводить до перетворення рідини в гель – систему, яка

виявляє ряд властивостей твердого тіла. Гелі виникають за рахунок утворення

молекулами сітки, внутрішній простір якої заповнений великою кількістю води

(кефір, желатиновий драгль). За певних умов можливе відділення води від гелю

(при тривалому зберіганні кефіру). Це явище є зворотним набуханню і

називається синерезисом.

Поверхнево-активні властивості. Білкові молекули, маючи у своєму

складі гідрофобні і гідрофільні угрупування, проявляють поверхнево-активні

властивості. Вони мають здатність, розташовуючись на межі розділу фаз

дисперсних систем, знижувати поверхневий натяг. Поверхнево-активні

властивості білка обумовлюють його піноутворюючу і емульгуючу здатності.

Агрегатна стійкість емульсій та пін залежить від природи білка, його кількості в

системі, тобто білки виступають у ролі стабілізаторів цих систем. Так, білки в

27

якості піноутворювачів широко використовують при виробництві пастили,

зефіру, суфле, морозива в кондитерському виробництві, а в якості емульгаторів

– в жировій промисловості для приготування маргарину, майонезу, масла

вершкового.

Денатурація. Це зміна нативной просторової структури білкової молекули

під впливом зовнішніх впливів, що призводять до зміни природних властивостей

білка (рис. 2.3). До числа таких зовнішніх впливів можна віднести нагрівання і

сушіння (теплова денатурація); струшування, збивання та інші механічні дії

(поверхнева денатурація); високу концентрацію водневих або гідроксильних

іонів (кислотна або лужна денатурація відповідно). При нагріванні білків

посилюється тепловий рух атомів поліпептидних ланцюгів, внаслідок чого

руйнуються слабкі поперечні зв'язки між бічними ланцюгами (водневі) і

послаблюються інші зв'язки, що стабілізують просторову структуру молекули. В

результаті цього змінюється просторова конформація білкової молекули. У

глобулярних білків відбувається розгортання білкових глобул, а потім згортання

за новим типом. В результаті цього гідрофільні групи, що знаходилися на

поверхні молекули, виявляються блокованими внутрішньомолекулярними

зв'язками, а на поверхні з'являються гідрофобні групи.

Рис. 2.3 – Схема денатурації білків

У молекулярній перебудові білків при денатурації активна роль належить

воді, яка бере участь в утворенні нової конформаційної структури

денатурованого білка. Денатурація супроводжується зміною найважливіших

властивостей білка: втратою біологічної активності; зниженням або повною

втратою здатності до гідратації (розчинення, набухання); поліпшенням

атакованості протеолітичними ферментами.

Коагуляція білка – процес зміни колоїдного стану білків під дією різних

факторів. Залежно від властивостей та концентрації білка коагуляція може йти з

утворенням кінцевих продуктів з різним агрегатним станом.

Температура коагуляції (температурна гель-точка) – це найменша

температура, за якої білок змінює свій колоїдний стан.

Досягаючи температурної гель-точки, малоконцентровані за білком

системи розшаровуються на дві фази, одна з яких, білкова, агрегує у вигляді

локальних флокулятів, плівок, а друга представлена у вигляді води. Для них є

28

типовими розшарування та синерезис (молоко під час кип’ятіння, яйця, що

розчинені більше, ніж у 1,6 рази водою чи молоком, рідке тісто для млинців).

Якщо систем висококонцентрована за білком, то денатурація і вид

коагуляції здебільшого залежать від виду білка. Такі білкові системи здатні до

формоутворення: отримання ковбасних виробів тощо.

Якщо білки достатньо гідратовані, але концентровані, і утворюють з водою

дисперсію, то, як правило, коагулюючи під час денатурації, вони утворюють гелі,

які утримують форму, але характеризуються інтенсивним синерезисом, тобто

коагелі.

Введенням сахарози та інших простих цукрів або розчинних декстринів

вдається підвищити температуру коагуляції білків, тобто температурно їх

стабілізувати.

Використання високих концентрацій солі, спирту та інших дегідраторів цю

температуру знижує.

Віддалення рН білкової системи від ізоелектричної точки підвищує

стійкість до агрегації, і навпаки, зближення рН системи з ізоелектричною точкою

білків знижує температуру коагуляції. Так, глобулін риби, який має

ізоелектричну точку за рН 6,0 у слабокислому середовищі (рН 6,5) денатурує за

50 С, у нейтральному (рН 7,0) – за 80 С.

До складу сполучних тканин входить колаген – основний білок, а також

проколаген, тропоколаген, еластин, ретикулін, мукопротеїди, у невеликих

кількостях альбуміни, глобуліни, нуклеопротеїди.

Колаген в порівнянні з іншими білками володіє специфічним складом. Він

містить близько 35% залишків гліцину і приблизно 11% залишків аланіну, що

незвично багато для більшості відомих білків. Ще більш характерною ознакою

колагену є високий вміст проліну і оксипроліну, на суму яких припадає близько

21%. Колаген відноситься до неповноцінних білок через відсутність триптофану

і метіоніну.

Колаген є основою колагенових волокон, які зібрані в пучки різної

товщини і утворюють в сполучній тканині єдину сітчасту структуру – в'язь.

Колагенові волокна складаються з найдрібніших фібрил з високою механічною

міцністю.

Фібрили колагенових ниток складаються з субодиниць, званих

тропоколагеном. Молекули тропоколагену побудовані з трьох поліпептидних

ланцюжків, скручених разом навколо однієї загальної осі (рис. 2.4). Вони

утворюють третинну структуру колагену. В результаті агрегації молекул

тропоколагену в подовжньому і поперечному напрямах відбувається утворення

четвертинної структури колагену – фібрил. Нативний колаген стійкий до впливу

різних речовин; він не розчиняється у воді, органічних розчинниках, на нього в

дуже слабкому ступені впливають кислоти, луги.

Нерозчинні нитки колагену – найбільш міцні з усіх інших волокон в

організмі.

Відмінні особливості колагену:

• висока механічна міцність;

• стійкість до дії кислот, лугів, травних ферментів;

29

Рис. 2.4 Третинна структура колагену –

тропоколаген (спіраль з трьох поліпептидних

ланцюгів.

• здатність до набухання;

• зварювання та гідротермичний розпад за температури 58…62 С;

• перехід в водорозчинний желатин (глютін) за температури 65…90 С –

гелеутворення глютину.

Колаген стійкий до дії зовнішніх факторів, не розчиняється у холодній

воді, в органічних розчинниках, розчинах солей, кислот і лугів.

Нагрівання колагену у воді при температурі 62…65 С призводить до

скорочення (усадка) колагенових волокон приблизно на 1/3 первісної довжини.

Подальше нагрівання викликає дезагрегацію колагена і призводить до утворення

глютину, який проходить інтенсивніше при температурі понад 100 С. М'ясо

ніжнише при тривалому варінні і відносно низькій температурі.

Деструкція. Зміни білків, пов'язані з руйнуванням білкової

макромолекули, називаються деструкцією. При тривалому гідротермичному

впливі відбувається руйнування білкової макромолекули з відщепленням летких

продуктів (аміаку, сірководню, фосфористого водню, вуглекислого газу та ін.)

Летючі речовини, що накопичуються в продукті і навколишньому середовищі,

беруть участь в утворенні смаку і аромату харчових продуктів. Подальший

гідротермічної вплив призводить до деполімеризації молекули з утворенням

водорозчинних азотистих речовин Прикладом теплової деструкції білка є

перехід колагену в глютин при тривалому варінні м'ясопродуктів (м'ясний

холодець).

Деструкція білка відбувається також і при впливі протеолітичних

ферментів. Це явище викликає ферментативний гідроліз білка. Деструкція білків

за допомогою ферментів може бути цілеспрямованим прийомом, сприяючим

інтенсифікації технологічного процесу. Прикладами ферментативної деструкції

білка можуть служити: розщеплення білків сирної маси в процесі дозрівання

сирів під дією сичужного ферменту з утворенням численних азотистих сполук;

ослаблення клейковини тіста під дією ферментів борошна і дріжджів; отримання

білкових гідролізатів. Ферменти використовують для розм'якшення жорсткого

м'яса (бромелін, що міститься в ананасах та ін.). Тобто, при нагріванні білків і

пептидів з розчинами кислот, лугів або при дії ферментів протікає гідроліз.

Серед продуктів термічного розпаду білків зустрічаються сполуки, які

надають їм мутагенні властивості. Термічно індуковані мутагени утворюються в

30

белоквміщуючих продуктах в процесі їх обсмажування в маслі, випечки,

копчення в диму і сушки.

Мутагени можуть міститись в бульйонах, смаженій яловичині, свинині,

птиці, смажених яйцях, копченій та в'яленій риби. Деякі з них викликають

спадкові зміни в ДНК.

2.2. Функціонально-технологічні властивості білків.

Під функціонально-технологічними властивостями білків слід розуміти

широкий спектр фізико-хімічних характеристик, що визначають його поведінку

в багатокомпонентних харчових системах. Ці властивості проявляються при

технологічній обробці продуктів. На основі знання технологічних властивостей

білків можливо поліпшувати технологію продуктів і управляти їх якістю.

Іншими словами, можна сказати, що окремі фізико-хімічні властивості білків при

технологічній обробці виступають як технологічні. Залежно від того яку

функцію виконує білок в харчовій системі виявляються ті чи інші його

функціональні властивості.

Для технологічних процесів отримання харчових продуктів найбільш

важливими є такі функціонально-технологічні властивості білків:

– Розчинність в різних середовищах;

– Вологозв'язуюча і жирозв'язуюча здатності;

– Здатність стабілізувати дисперсні системи (емульсії, піни, суспензії);

– Здатність утворювати драглі;

– Плівкотвірна здатність;

– Реологічні властивості (в'язкість, еластичність, пластичність, упругість,

адгезія);

– Здатність до прядіння (прядомість) і текстурування.

Білки з високими функціональними властивостями добре розчиняються у

воді, утворюють міцні гелі, стабільні емульсії і піни, білки з низькими

функціональними властивостями не набухають у воді, не здатні утворювати

в'язкі, еластичні маси, гелі, які не стабілізують піни та емульсії. Деякі відомі

білки не попадають під зазначені вище закономірності. Так, білки пшеничної

клейковини, виявляючи низьку розчинність у воді (2…5%), утворюють

31

структурні колоїдні сістеми – гелі, які витримують нагрівання, заморожування і

сушку, а білки з висівок і тритікале з розчинністю 10…20% володіють високими

жіроемульгуючими і піноутворювальними властивостями. Тому функціональні

властивості білків повинні виражатися не тільки в численних значеннях, а й у

профілях залежностей від технологічних або інших факторів. При цьому

функціональні властивості білків оцінюються для конкретних харчових систем в

рамках обраного напрямку шляхом порівняння їх з властивостями традиційних

або інших відомих білків і називаються функціонально-технологічними

властивостями.

Розчинність, будучи первинним показником оцінки функціональних

властивостей білків, характеризується коефіцієнтами КРА (кількість азоту, що

перейшов в розчин) і КДБ (кількість білка, що перейшов у розчин у відсотках від

загального вмісту його в продукті). Відмінності в розчинності білків харчової

сировини лежать в основі технологічних процесів виділення ізолятів і

концентратів і мають безпосереднє відношення до якості багатьох харчових

продуктів. Важливе значення розчинність білків має для підвищення якості

харчових продуктів. Втрата розчинності, як правило, супроводжується зміною

інших важливих функціональних властивостей, що значною мірою відбивається

на якості продуктів та ступені травлення білка в шлунково-кишковому тракті.

Особливі вимоги до розчинності білків пред'являются при використанні останніх

у виробництві напоїв, хлібних, борошняних кондітерських і макаронних виробів.

У напоях застосовуються білки з високою розчинністю, у виробах з борошна – з

низькою.

Властивості білкових суспензій. При використанні білків в якості

збагачувачів, наповнювачів (розріджувачів), функціональних інгредієнтів і

аналогів м'ясних і рибних виробів велике значення мають такі властивості

білкових суспензій, як обмежена ступінь набухання і розмір часток, водо- і

жирозвязуюча здатність, адгезійні властивості, значення рН і буферна ємність,

утворення в'язко-пружно-еластичних мас і гелів. Вологозв'язуюча здатність

характеризується адсорбцією води за участю гідрофільних залишків

амінокислот, жирозв´язуюча – адсорбцією жиру за рахунок гідрофобних

залишків. Висока здатність білків утримувати воду в харчових продуктах

(м'ясних, хлібобулочних і т.д.) підвищує вихід останніх, подовжує терміни

зберігання і поліпшує текстуру. Денатуровані білки мають знижену

водозв´язуючу здатність, і їх застосування негативно позначається на якості

хліба. Висока жироутримуюча здатність білків забезпечує ніжну і однорідну

текстуру виробів, виключає відділення жиру, зморщування виробів, зменшує

втрати при варінні і смаженні. Жироемульгуюча і піноутворююча здатності

білків широко використовуються в практиці отримання жирових емульсій та пін.

Присутність в одному білковому ланцюзі гідрофобних і гідрофільних

угрупувань забезпечує розподіл молекул певним чином на межі розділу фаз вода-

масло і вода-газ. Орієнтація гідрофільних груп білка до води, а гідрофобних – до

масла на межі розділу фаз у вигляді міцного адсорбційного шару знижує

поверхневий натяг в дисперсних системах і робить їх агрегативно стійкими і

одночасно в´язкимі. Найбільш широко поширені харчові емульсії «масло у воді»

32

(м / в) і «вода в маслі» (в / м), звані, відповідно, прямими і зворотними.

Емульгуючі властивості білків оцінюють за емульгуючою здатністю,

стабільністю емульсій. Піни (дисперсні системи з газоподібною фазою і рідким

або твердим середовищем) отримують механічним розподілом повітря в розчині

білка шляхом збивання або за рахунок скипання води, пониження тиску,

забезпечення хімічних і мікробіологічних процесів в біловміщуючих харчових

системах. Так, білки клейковини утворюють піну в хлібному тісті під дією

діоксиду вуглецю при бродінні, а в кондитерському – за рахунок хімічних

розпушувачів при виділенні аміаку і діоксиду вуглецю. Піноутворюючі

властивості білків характеризуються піноутворюючої здатністю і стабільністю

піни. Перший показник вимірюється обсягом піни, віднесеним до маси білка,

другий – періодом її напіврозпаду, тобто часом, необхідним для руйнування

половини об´єму піни. Обидва показники залежать від рН середовища,

концентрації білка, солей, температури, присутності ліпідів, сахарози, харчових

волокон, фракційного складу і будови білків. На основі жироемульгуючих

властивостей рослинні і тваринні білки застосовуються у виробництві

хлібобулочних, борошняних кондитерських виробів, нізькокалорійних

маргаринів, майонезів, паст, м'ясних продуктів, а піноутворюючі властивості є

основою виробництва збитих кондитерських виробів (бісквітів, десертів, кремів

і т.ін.). Гелеутворюючі властивості білків характеризуються здатністю їх

колоідного розчину з вільно диспергованого стану переходити в

зв´язанодисперсний (з утворенням систем, що володіють властивостями твердих

тіл). Пружні властивості гелю, обумовлені утворенням просторової сітки

взаємодіючих молекул білка, залежать від мінімальної його концентрації, при

якій настає гелеутворення (гель-точки), від рН, від присутності інших білків,

солей, полісахаридів. Білок як гелеутворювач повинен утворювати гелі в

широкому діапазоні рН, іонної сили, при мінімальній концентрації і з

необхідними фізико-хімічними властивостями. До останніх відносяться

міцність, твердість, еластичність, тиксотропія (здатність оборотно переходити в

текучий стан при механічній обробці і знову утворювати нетекучим гель після

зняття навантаження), температура розм'якшення і плавлення, ступінь

набухання, здатність до синерезису (відділення дисперсійного середовища зі

скороченням об´єму гелю) , сорбція барвників і ароматичних речовин і т.д.

В'язко-еластично-пружні властивості. Вираженим комплексом таких

властивостей володіють білки пшеничної клейковини, що обумовлюють

текстуру хліба. За пружність та еластичність білків відповідальність несе

глютенінова фракція білків.

З метою забезпечення стабільності технологічного процесу, поліпшення

якості та розширення асортименту харчових виробів здійснюють регулювання

функціональних властивостей білків. Регулювання властивостей білків

досягається зміною умов виділення, сушки, фізичними, фізико-хімічними

впливами, ферментативною та хімічною модифікацією. Параметри обробки

змінюють амінокислотний і фракційний склад білків, викликають денатурацію,

агрегацію або взаємодію з іншими компонентами (ліпідами, вуглеводами і т.д.).

Широко відомими методами регулювання властивостей є фізико-хімічні та

33

ферментативні. До фізико-хімічних методів належать: розчинення білків перед

сушінням в розчині кислот, лугів з метою зміни їх заряду або іонного складу,

термоденатурація і т.д. При цьому у білків підвищується розчинність,

гелеутворююча, жироемульгуюча здатність, здатність до текстурування,

прядіння. При ферментативній модифікації функціональних властивостей

використовують протеази рослинного, мікробного або тваринного походження.

Перевагами отримання таких білків є м'які режими виділення, збереження

біологічної цінності і можливість регулювання ступеня гідролізу, дезамідування

і т.д.

2.3. Контрольні запитання

1. Які структуру і склад мають білки?

2. Дайте класифікацію білків.

3. Які властивості має пептидний зв'язок?

4. Охарактеризуйте фізико-хімічні властивості білків.

5. Що таке ізоелектрична точка? Який вплив рН середовища на фізико-

хімічні властивості білка?

6. Яке значення білків у харчуванні людини?

7. Охарактеризуйте розчинність білків. Що таке гідратація та дегідратація

білків: Прояви в технологічних процесах.

8. Який механізм адсорбційного зв’язування води?

9. Який вплив рН середовища і температури на процес гідратації білків?

10. Що таке денатурація білків? Види денатурації. Сутність процесу. Зміна

властивостей білків в процесі денатурації.

11. Що таке деструкція білків? Які зміни структури і властивостей білків

відбуваються внаслідок деструкції:

12. Що таке протеолітичні ферменти. Умови дії і інактивації.

13. Функціонально-технологічні властивості білків. Проявлення в ході

технологічного процесу.

14. Вплив кулінарного обробляння харчових продуктів на харчову цінність

білкових систем.

15. Що таке коагуляція білка?

2.4. Рекомендована література 1–5.