Đề tài Các tính chất và chức năng của protein trong thực phẩm

NG TH NG TR ỜNG ĐẠI HỌ NG NGHIỆP THỰ PHẨM TP.HCM KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM B MÔN: HÓA HỌ THỰ PHẨM  ĐỂ TÀI: CÁC TÍNH CHẤT VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN TRONG THỰC PHẨM GVHD: TRẦN THỊ MINH HÀ SVTH: Huỳnh Tấn Đạt 2005100054 Nguyễn Tấn Phúc 2005100040 Võ Minh Trí 2008100088 Phạm Quốc Huy 2005100171 Nguyễn Hoàng Phúc 2005100031 Lớp: 01DHTP1 TP.HỒ CHÍ MINH 11-2011 NG TH NG TR ỜNG ĐẠI HỌ NG NGHIỆP THỰ PHẨM TP.H M KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM M N: HÓA HỌ THỰ PHẨM  TIỂU LUẬN HÓA HỌ THỰ PHẨM ĐỀ TÀI: TÍNH HẤT VÀ HỨ NĂNG ỦA PROTEIN TRONG THỰ PHẨM GVHD: TRẦN THỊ MINH HÀ TP.HỒ CHÍ MINH 11-2011 MỤ LỤ Trang LỜI MỞ ĐẦU PHẦN 1: TÍNH CHẤT CỦA PROTEIN ............................................................. 1 1.1.Khái niệm protein ............................................................................. 1 1.2. ấu trúc protein ................................................................................ 1 1.2.1.Acid amin-Đơn phân của protein ............................................... 1 1.2.2.Các bậc cấu trúc của protein ...................................................... 1 1.3.Tính chất Hóa-Lý của protein ......................................................... 2 1.3.1.Tính tan của protein ................................................................... 2 1.3.2.Tính hydrat hóa của protein ....................................................... 2 1.3.3.Độ nhớt của protein.................................................................... 6 1.3.4.Hằng số điện môi của dung dịch protein ................................... 6 1.3.5.Tính chất điện ly của protein ..................................................... 7 1.3.6.Biểu hiện quang học của protein................................................ 8 1.3.7.Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch ............................ 9 1.3.8.Các phản ứng hóa học của protein ........................................... 10 1.3.8.1.Phản ứng với Folin-Ciocalteau ........................................ 10 1.3.8.2.Phản ứng với Ninhydrin .................................................... 10 1.3.9.Biến tính protein ...................................................................... 11 1.3.9.1.Khái niệm chung ............................................................... 11 1.3.9.2.Các yếu tố gây biến tính ................................................... 11 1.3.9.3.Tính chất của protein biến tính ......................................... 12 1.3.10. Khả năng tạo gel của protein ................................................ 13 1.3.11.Khả năng tạo nhũ của protein ................................................ 15 1.3.12.Các tính chất tạo bọt của protein ........................................... 19 1.3.13.Khả năng cố định mùi của protein ......................................... 22 PHẦN 2: HỨ NĂNG ỦA PROTEIN ................................................ 26 PHỤ LỤ ..................................................................................................... 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 30 KẾ HOẠ H PHÂN NG LÀM VIỆ M N: HÓA HỌC THỰC PHẨM NHÓM 01, LỚP 01DHTP1 SÁNG THỨ 4_TIẾT 5,6 ĐỀ TÀI: TÍNH HẤT VÀ HỨ NĂNG ỦA PROTEIN TRONG THỰ PHẨM STT N I DUNG THỰ HIỆN HẠN N P NG ỜI NHẬN KÝ NHẬN KÝ GỬI GHI CHÚ 01 Khái niệm về protein ấu trúc protein 10/11/2011 HUỲNH TẤN ĐẠT 02 Tính tan, tính hydrat, độ nhớt của protein 12/11/2011 03 Hằng số điện môi, tính chất điện ly, biểu hiện quang học của protein 14/11/2011 04 kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch, các phản ứng hóa học của protein 16/11/2011 05 iến tính protein 18/11/2011 06 Khả năng tạo gel, tạo nhũ của protein 20/11/2011 07 ác tính chất tạo bọt và khả năng cố dịnh mùi của protein 22/11/2011 08 Tổng hợp chức năng của Protein 24/11/2011 Nhóm Trưởng: HUỲNH TẤN ĐẠT LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhóm ngành Công nghiệp thực phẩm đã và đang phát triển mạnh ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có quốc gia Việt Nam chúng ta. Công nghiệp thực phẩm không chỉ đơn giản là chế biến, sản xuất, bảo quản, xuất khẩu thực phẩm cả trong và ngoài nước mà bên cạnh đó, công nghiệp thực phẩm còn nghiên cứu và ứng dụng các tính chất và chức năng của các thành phần hóa học cấu tạo nên thực phẩm, trong đó có protein. Protein không chỉ là đơn vị cấu tạo cơ bản trong cơ thể động vật và người mà còn giữ những vai trò, những chức năng rất quan trọng như là nâng đỡ, bảo vệ các mô cơ quan, vận chuyển oxy trong tế bào máu đến để nuôi các tế bào…Do đó, việc tìm hiểu và nghiên cứu các tính chất và chức năng của protein trong thực phẩm là vô cùng quan trọng và cần thiết đối với tất cả mọi người nói chung và các bạn học sinh sinh viên đang theo học nhóm ngành này nói riêng. Vì vậy mà nhóm chúng em đã cùng nhau nhau nghiên cứu và đưa ra một bài tiểu luận về những “TÍNH HẤT VÀ HỨ NĂNG ỦA PROTEIN TRONG THỰ PHẨM” nhằm củng cố kiến thức và giúp cho mọi người có một cái nhìn tổng quát hơn, sâu sắc hơn về protein. Dù đã cố gắng rất nhiều và do kiến thức có giới hạn nên sẽ không tránh khỏi những sai sót trong bài. Rất mong được sự góp ý của cô để những bài nghiên cứu về sau sẽ đầy đủ và ít sai sót hơn. TẬP THỂ NHÓM KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 1 PHẦN 1: TÍNH HẤT ỦA PROTEIN 1.1. Khái niệm về protein Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là các axit amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide). Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein. 1.2. ấu trúc của protein 1.2.1. Axit amin – Đơn phân tạo nên protein Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH2), hai là nhóm Cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là các nguyên tử Cacbon trung tâm đính với một nguyên tử Hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Người ta đã phát hiện ra được tất cả 20 axit amin trong thành phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống. 1.2.2. ác bậc cấu trúc của protein Người ta phân biệt biệt ra 4 bậc cấu trúc của Protein:  ấu trúc bậc một: Các axit amin nối với nhau bởi liên kết peptit hình thành nên chuỗi polypeptide. Đầu mạch polypeptit là nhóm amin của axit amin thứ nhất và cuối cùng là nhóm cacboxyl của axit amin cuối cùng. Cấu trúc bậc một của protein thực chất là trình tự sắp xếp các axit amin trên chuỗi polypeptide. Cấu trúc bậc một của protein có vai trò rất quan trọng vì trình tự các axit amin trên chuổi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein. Sự sai lệch trong trình tự sắp xếp của các axit amin có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein. KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 2  ấu trúc bậc hai: Là sự sắp xếp đều đặn các chuỗi polypeptide trong không gian. Chuỗi polypeptide thường không ở dạng thẳng mà ở xoắn lại tạo nên cấu trúc xoắn  và cấu trúc nếp gấp  , được cố định bởi các liên kết hydro giữa những axit amin gần nhau. Các protein sợi như keratin, collagen…(có trong lôn, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn  , trong khi các protein cầu có nhiều nếp gấp  hơn.  ấu trúc bậc ba: Các xoắn  và phiến nếp gấp  có thể cuôn lại với nhau thành từng búi có hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc không gian này có vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein. Cấu trúc này lại đặc biệt phụ thuộc vào nhóm –R trong các mạch polypeptide. Chẳng hạn nhóm –R của cysteine có khả năng tạo cầu disunfur (-S-S), nhóm –R của proline cản trở việc hình thành xoắn, từ đó vị trí của chúng sẽ xác định điểm gấp hay, hay những nhóm –R ưa nước thì nằm phía ngoài phân tử, còn các nhóm kị nước thì chuôi vào bên trong phân tử…Các liên kết yếu hơn như liên kết hydro hay điện hóa trị có ở giữa các nhóm –R có điện tích trái dấu.  ấu trúc bậc bốn: Khi protein có nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với nhau thì tạo nên cấu trúc bậc bốn của protein. Các chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết hydro. 1.3. Tính chất Lý – Hóa của protein 1.3.1. Tính tan của protein Các loại protein khác nhau có khả năng hòa tan dễ dàng trong một số loại dung môi nhất định, chẳng hạn như albunmin dễ tan trong nước, globulin dễ tan trong muối loãng, prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch kiềm hoặc acid loãng v.v… 1.3.2. Tính hydrat hóa của protein Phần lớn thực phẩm là những hệ rắn hydrat hóa. Các đặc tính hóa lý, lưu biến của protein và các thành phần khác của thực phẩm phụ thuộc không chỉ riêng vào sự có mặt của nước mà còn phụ thuộc vào hoạt tính của nước. Ngoài ra, các chế phẩm protein concentrate và isolate dạng khô trước khi sử KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 3 dụng phải được hydrat hóa. Do đó, các tính chất hydrat hóa và tái hydrat hóa của protein thực phẩm có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Hydrat hóa protein ở trạng thái khô có thể được phân chia thành các gian đoạn liên tiếp như sau: Sơ đồ 1: Quá trình hydrat hóa một protein ở dạng khô Hấp thụ nước (còn gọi là cố định nước), trương nở, thấm ướt, khả năng giữ nước, tính dính, dẻo liên quan đến 4 giai đoạn đầu; khả năng phân tán, độ nhớt, độ đặc của protein liên quan đến giai đoạn 5. Trạng thái cuối cùng của protein – tan hoặc không tan (một phần hay hoàn toàn) – có liên quan đến các tính chất chức năng quan trọng như tính tan hoặc tính tan tức thời (giai đoạn 5 xảy ra nhanh). Tính tạo gel liên quan đến sự tạo thành khối không tan hydrat hóa tốt, nhưng các phản ứng protein – protein đóng vai trò chính. Cuối cùng, các tính chất bề mặt như nhũ tương hóa và tạo bọt cũng cần protein có khả năng hydrat hóa và phân tán cao hơn các đặc tính khác. Trong quá trình hydrat hóa, protein tương tác với nước qua các nối peptide hoặc các gốc R ở mạch bên nhớ liên kết hydro. ác yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tính chất hydrat hóa Nồng độ protein, pH, nhiệt độ, thời gian, lực ion, sự có mặt của các thành phần khác là những yếu tố ảnh hưởng đến các phản ứng protein – protein và protein - nước. Các tính chất chức năng được xác định trong điều kiện cân bằng của các lực này. KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 4 Lượng nước hấp thụ tổng số tăng khi tăng nồng độ protein. pH thay đổi dẫn đến thay đổi mức độ ion hóa và sự tích điện trên bề mặt các phân tử protein, làm thay đổi lực hút và đẩy giữa các phân tử này và khả năng liên kết với nước. tại điểm đẳng điện pI, phản ứng protein – protein là cực đại, các phân tử protein liên kết với nhau, co lại và khả năng hydrat hóa và trương nở là cực tiểu. Nói chung khả năng giữ nước của protein giảm khi nhiệt độ tăng do làm giảm các liên kết hydro. Biến tính và tập hợp ( aggregation ) khi đun nóng làm giảm bề mặt phân tử protein và các nhóm phân cực có khả năng cố định nước. Tuy nhiên, đối với một số ngoại lệ, khi đun nóng trong nước protein có cấu trúc chặt chẽ cao, sự phân ly và duỗi ra của các phân tử có thể làm lộ ra trên bề mặt các liên kết peptide và mạch ngoại phân cực mà trước đó bị che dấu, kết quả là làm tăng khả năng cố định nước. Bản chất và nồng độ các ion gây ảnh hưởng đến lực ion trong môi trường và sự phân bố điện tích trên bề mặt phân tử protein nên cũng ảnh hưởng đến khả năng hydrat hóa. Người ta nhận thấy có sự cạnh tranh phản ứng (liên kết) giữa nước, muối và các nhóm ngoại của acid amin. Khi nồng độ muối (như NaCl) thấp, tính hydrat hóa của protein có thể tăng do sự đính thêm các io giúp mở rộng mạng lưới protein. Tuy nhiên, khi nồng độ muối cao, các phản ứng muối - nước trở nên trội hơn, làm giảm liên kết protein - nước và protein bị “sấy khô”. Sự hấp thụ và giữ nước của protein có ảnh hưởng đến tính chất và kết cấu của nhiều thực phẩm như bánh mì, thịt băm… Khả năng hóa tan của protein Thực phẩm ở trạng thái lỏng và giàu protein đòi hỏi protein phải có độ hòa tan cao. Độ hòa tan cao là một chỉ số rất quan trọng đối với protein được sử dụng trong đồ uống. Ngoài ra, người ta còn muốn protein có thể tan được ở những giá trị pH khác nhau và bền với nhiệt độ. Độ hòa tan của protein ở pH trung tính và pH đẳng điện là tính chất chức năng đầu tiên được đo đạc ở các giai đoạn chế biến và chuyển hóa KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 5 protein. Người ta thường sử dụng chỉ số “Nitơ hòa tan” (Nitrogen Solubility Index – NSI) để xác định đạc tính này. Biết được độ hòa tan của protein rất có ích cho các quá trình công nghệ như trích ly, tinh chế, tủa phân đoạn protein cũng như định hướng sử dụng các loại protein. Protein của lactoserum hòa tan tốt ở khoảng pH và lực ion rộng. Ngược lại, độ hòa tan của caseinate phụ thuộc nhiều vào pH, lực ion (và nồng độ Ca 2+ ), nhưng ít phụ thuộc vào nhiệt độ như protein của lactoserum và protein đậu nành. Tính tan của phần lớn protein bị giảm mạnh và không thuận nghịch trong quá trình đun nóng. Tuy nhiên, trong chế biến thực phẩm, đun nóng luôn là cần thiết với các mục đích diệt vi sinh vật, giảm mùi khó chịu, tách bớt nước…Ngay cả trường hợp đun nóng nhẹ (sử dụng khi trích ly và làm sạch các chế phẩm protein) cũng gây nên sự biến tính nhất định và làm giảm độ hòa tan. Không phải tất cả protein có độ hòa tan ban đầu tốt sẽ luôn có các tính chất chức năng khác tốt. Có trường hợp khả năng hấp thụ nước của protein được cải thiện khi làm biến tính ở một mức độ nào đó. Đôi khi, khả năng tạo gel vẫn giữ được sau khi biến tính và không hòa tan một phần protein. Tương ứng với điều đó, việc tạo thành nhũ tương, hệ bọt và gel có thể liên quan tới các mức độ làm duỗi mạch, tập hợp và không hòa tan protein khác nhau. Ngược lại, protein của lactoserum caseinate và một vài protein khác cần có độ hòa tan ban đầu đủ lớn nếu muốn chuyển hóa nó thành dạng gel, hệ bọt hay hệ nhũ tương tốt. KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 6 1.3.3. Độ nhớt của dung dịch protein Khi protein hòa tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau. Người ta có thể lợi dụng tính chất này để xác định khối lượng phân tử protein (độ nhớt càng cao thì khối lượng phân tử càng cao). Bảng 1: Độ nhớt của một số loại protein Protein Nồng độ % (trong nước) Độ nhớt tương đối (của nước bằng 1) Gelatin 3,0 4,54 Albumin trứng 3,0 1,20 Gelatin 3,0 14,2 Albumin trứng 8,0 1,57 1.3.4. Hằng số điện môi của dung dịch protein Khi thêm các dung môi hữu cơ trung tính như ethanol, aceton vào dung dịch protein trong nước thì độ tan của protein giảm tới mức kết tủa do giảm mức độ hydrat hóa của các nhóm ion hóa protein, lớp áo mất nước, các phân tử protein kết hợp với nhau thành tủa. Như vậy hằng số điện môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các nhóm tích điện của protein và nước. Mối liên hệ đó được đặc trưng bởi biểu thức: 2 2 2 L l F Dr   Trong đó: D - hằng số điện môi của dung dịch F - lực tĩnh điện giữa các ion tích điện L1, l2 – điện tích các ion r – khoảng cách giữa các ion Ở đây lực tĩnh điện giữa các ion tỉ lệ nghịch với hằng số điện môi và khoảng cách giữa các ion protein. KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 7 1.3.5. Tính chất điện ly của protein Cũng như các amino acid, protein là chất điện ly lưỡng tính vì trong phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (gốc bên R) của amino acid. Ví dụ nhóm COOH thứ hai của Asp, Glu; nhóm NH2 của Lys; nhóm OH của Ser, Thr, Tyr v.v…Trạng thái tích điện của các nhóm này phụ thuộc vào pH của môi trường. Ở pH nào đó mà tổng điện tích dương (+) bằng tổng điện tích âm (-) của phân tử protein bằng không, phân tử protein không di chuyển trong điện trường thì giá trị pH đó được gọi là pHi (isoeletric-điểm bằng điện) của protein. Như vậy protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid có tính acid mạnh) thì pHi ở trong vùng acid, ngược lại nhiều amino acid kiềm như Lys, Arg, His thì pHi ở trong vùng kiềm. Ở môi trường có pH < pHi , đa số protein là một cation, số điện tích dương lớn hơn số điện tích âm. Ở pH > pHi phân tử protein thể hiện tính acid, cho ion H +, do đó số điện tích âm lớn hơn số điện tích dương, protein là một đa ion, tích điện âm. ảng 2: Giá trị pHi của một số proetein Protein pHi Protein pHi Pepsin 1,0 Globulin sữa 5,2 Albumin trứng 4,6 Hemoglobin 6,8 Casein 4,7 Ribonuclease 7,8 Albunmin huyết thanh 4,9 Tripsin 10.5 Gelatin 4,9 Prolamin 12.0 Trong môi trường pH=pHi , protein dễ dàng kết tụ lại với nhau vì thế người ta lợi dụng tính chất này để xác định pHi của protein cũng như để kết tủa protein. Mặt khác do sự sai khác nhau về pHi giữa các protein khác nhau, có KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 8 thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng các protein ra khỏi hỗn hợp của chúng. Sự kết muối của dung dịch protein Muối trung tính có ảnh hưởng rõ tới độ hòa tan của protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hòa tan nhiều protein. Tác dụng đó không phụ thuộc vào bản chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ các muối và số điện tích của mỗi ion trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào lực ion  của dung dịch ( 21/ 2 1 1 C Z   trong đó  là kí hiệu của tổng, C1 là nồng độ của mỗi ion, Z1 là điện tích của mỗi ion). Các muối có ion hóa trị II (MgCl2, MgSO4...) làm tang đáng kể độ tan của protein hơn các muối ion có hóa trị I (NaCl, NH4Cl, KCl…) . Khi tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì độ tan của protein bắt đầu giảm van ở nồng độ muối rất cao, protein có thể bị tủa hoàn toàn. Các protein khác nhau tủa ở những nồng độ muối trung tính khác nhau. Người ta sử dụng tính chất này để chiết xuất và tách riêng từng phần protein ra khỏi hỗn hợp. Đó là phương pháp diêm tích (kết tủa protein bằng muối). Thí dụ dùng muối ammonium sulfate 50% bão hòa kết tủa globulin và dung dịch ammonium sulfate bão hòa để kết tủa albumin từ huyết thanh. 1.3.6. iểu hiện quang học của protein Cũng như nhiều chất hóa học khác , protein có khả năng hấp thụ và bức xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử h . Vì vậy có thể đo cường độ hấp thụ của protein trong dung dịch hay còn gọi là mật độ quang thường kí hiệu bằng chữ OD (Optical Density). Dựa trên tính chất đó người ta đã sản xuất ra các loại máy quang phổ hấp thụ để phân tích protein. Nhìn chung, protein đều có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (từ 350nm-800nm) và vùng tử ngoại (từ 320nm xuống tới 180nm). Trong vùng ánh sáng khả kiến protein kết hợp với thuốc thử hấp thụ mạnh nhất ở vùng ánh sáng đỏ 750nm (định lượng protein theo Lowry). Đối với vùng tử ngoại dung dịch protein có khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm-220nm và 250nm-300nm). KHOA NG NGHỆ THỰ PHẨM GVHD: THS TRẦN THỊ MINH HÀ HÓA HỌ THỰ PHẨM Trang 9 Ở bước sóng từ 180nm-220nm đó là vùng hấp thụ của liên kết peptide trong protein, cực đại hấp thụ ở 190nm. Do liên kết peptide có nhiều trong phân tử protein nên độ hấp thụ khá cao, cho phép định lượng tất cả các loại protein với nồng độ thấp. Tuy nhiên vùng hấp thụ này của các liên kết peptide trong protein có thể bị dịch về phía có bước sóng dài hơn khi có một số tạp chất lẫn trong dung dịch protein. Mặt khác chính các tạp chất này cũ