khả năng biến hình của protein

Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

BIẾN HÌNH PROTEIN:
I. Định nghĩa biến hình Protein:
Biến hình Protein tức là dùng các tác nhân lý học, hóa học, hay enzyme
học tác động lên Protein nhằm làm thay đổi một phần cấu trúc phân tử do đó
các tính chất của nó cũng thay đổi theo.
II. Các tác nhân làm biến hình Protein:
– Tác nhân vật lý
– Tác nhân hóa học
– Tác nhân sinh học (Tác nhân enzyme hay vi sinh vật)
1. Tác nhân vật lý làm biến hình Protein:
a. Biến hình bằng gia công cơ học:
Các biện pháp gia công cơ học có tác dụng làm biến đổi các tính chất chức
năng của Protein.
– Trường hợp các bột Protein hoặc các Protein cô đặc, việc gia công bằng
cách nghiền khô rất quan trọng, tạo cho bột có được bề mặt lớn do đó cải thiện
được khả năng hấp thụ nước, khả năng hòa tan, khả năng hấp thụ chất béo và
khả năng tạo bọt.
– Với các huyền phù Protein hoặc dung dịch Protein thì biện pháp đồng hóa
như trong trường hợp đồng hóa sữa là rất có ích.
– Trong trường hợp tạo bọt, ở bề mặt liên pha nước/không khí, lực cắt
thường làm biến tính bề mặt và tập hợp Protein. Chính sự biến tính một phần
các Protein mà làm cho bọt bền.
– Trong việc tạo hình Protein như quá trình tạo bột nhão, tạo sợi và nấu đùn
các lực cơ học cũng đóng vai trò rất quan trọng..

b. Biến hình bằng xử lý nhiệt:
– Nhiệt có thể làm biến đổi cấu trúc Protein, thủy phân liên kết peptid, thay

đổi các acid amin mạch bên và làm ngưng tụ Protein với những phân tử chất
khác.Tùy mức độ gia nhiệt mà chất lượng của thực phẩm có thể tốt hơn hoặc
kém đi.
– xử lý nhiệt các Protein hoặc các thực phẩm chứa Protein trong điều kiện
vắng mặt các chất khác, tùy theo cường độ gia nhiệt mà có thể xảy ra các phản
ứng khác nhau.Phần lớn các phân tử Protein chỉ giữ được các tính chất sinh
học và tính chất chức năng trong một phạm vi nhiệt độ rất thấp.
– Khi gia nhiệt vừa phải thì các Protein chỉ bị biến tính.
Gia nhiệt vừa phải như biện pháp chần trước khi đóng hộp một số rau quả
cũng nhằm làm biến tính và vô họat các enzym (protease, polyphenoloxydaza,
lypoxydaza…)
1


Công Nghệ Protein & Enzyme
Biến Hình Protein
– Gia nhiệt vừa phải, còn có tác dụng làm cho một số thực phẩm giàu
colagen, glixinin đậu tương, albumin sẽ dễ dàng tiêu hóa hơn
– Khi gia nhiệt kiểu thanh trùng ở nhiệt độ lớn hơn 110 –115oC các sản
phẩm giàu Protein như thịt, cá, sữa sẽ gây phá hủy một phần các gốc Cistin,
Cistein để hình thành nên H 2S, dimetyl sulfua, acid cisteic và các hợp chất bay
hơi khác khiến cho các sản phẩm này có mùi đặc trưng.
– Khi gia nhiệt khan các Protein ở nhiệt độ trên 200 oC (nhiệt độ đạt được
khi rán thịt và cá) thì tryptophan sẽ bị vòng hóa để tạo ra α, β hoặc γ cacbolin:

– Khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao (t > 200oC) các thực phẩm giàu Protein có pH
trung tính hoặc khi gia nhiệt các thực phẩm giàu Protein có môi trường kiềm
thì sẽ xảy ra:
 Thủy phân các liên kết peptid và đồng phân hóa các gốc acid amin, tạo ra
hỗn hợp raxemic do đó làm giảm giá trị dinh dưỡng đi 50%.

 Phá hủy một số acid amin:
 Tạo cầu nối đồng hóa trị. Gốc DHA được tạo ra do phản ứng loại (khử) β
gốc Cistein hoặc phosphoserin:

–

Mạch polypeptid có chung gốc lysine, gốc ornitin hoặc
gốc Cistein sẽ kết hợp với mạch poly có chứa gốc DHA theo sơ đồ sau:

2


Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

–

Khi xử lý nhiệt thịt hoặc cá ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
thanh trùng thì còn tạo ra cầu đồng hóa trị kiểu isopeptid giữa gốc lysine của
chuỗi peptid này với gốc glutamic hoặc gốc aspartic của chuỗi peptid khác:
Về phương diện dinh dưỡng, việc tạo ra cầu đồng hóa trị isopeptid trong
cùng một phân tử hoặc giữa các phân tử sẽ làm giảm độ tiêu hóa của N, giảm
hệ số sử dụng Protein và giá trị sinh học của Protein. Hơn nữa do hiệu ứng
không gian các cầu đồng hóa trị (glutaminlizyl hoặc aspartyl-lizyl) sẽ ngăn
cản không cho các protease đến được vùng đặc hiệu để thủy phân do đó làm
cho quá trình tiêu hóa protein bị chậm lại.

2. Tác nhân hóa học làm biến hình Protein:
a. Thay đổi pH:

– Khi đưa pH đến acid hoặc kiềm
– Khi đưa pH đến kiềm
– Riêng đối với các Protein của đậu tương nếu kiềm hóa đến pH = 10 –12
rồi tiếp đến trung hòa để tạo cho Protein có độ giãn mạch sâu sắc, sau đó làm
khô bằng sấy phun thì Protein thu được sẽ có khả năng tạo gel ngay khi được
tái hydrat hóa ở nhiệt độ bình thường.
– Khi đưa Protein đến pH thích hợp nếu có mặt các ion đa hóa trị hoặc một
số chất đa điện ly thì sẽ làm tăng khả năng tạo các cầu nối ion giữa các phân tử
Protein.
– Đưa pH của Protein đến điểm đẳng điện để gây cho Protein tập hợp thuận
nghịch nhưng không làm giãn mạch bất thuận nghịch Protein là cách đơn giản
để tách và làm sạch Protein
b. Xử lý bằng dung môi phân cực:
– Các Protein có thể bị biến hình khi được xử lý bằng các dung môi có độ
phân cực khác nhau. Các biện pháp xử lý bằng dung môi này thường làm phơi
3


Công Nghệ Protein & Enzyme
Biến Hình Protein
bày các vùng kỵ nước mà vốn trước đó đã bị che khuất, do đó sẽ làm cho
Protein tập hợp và kết tủa không thuận nghịch (ở pH trung tính hoặc đẳng
điện).
- Quá trình kết tủa Protein bởi dung môi có thể dùng để tạo gel.
– Các hợp chất như ure và các muối của guanidin khi ở dung dịch đậm đặc
(4-8M) có tác dụng phá hủy liên kết hydro do đó làm cho Protein bị biến hình.
c. Gắn vào Protein các nhóm chức :
– Nếu làm thay đổi các nhóm bên của Protein có thể làm thay đổi độ có
cực hay làm thay đổi sự tích điện của Protein. Phân tử Protein lúc này có thể
cuộn lại, giãn ra và (hoặc) tập hợp với những phân tử Protein khác

– Khi gắn vào Protein các nhóm cacboxyl ion hóa sẽ tạo cho Protein lực
đẩy tĩnh điện do đó bị phân ly, giãn mạch dễ dàng. Ngoài ra, khi đưa các
nhóm ion này vào sẽ làm cho khả năng hấp thụ nước và độ bền nhiệt của
Protein tốt hơn đặc biệt là làm tăng độ nhạy của Protein khi kết tủa với ion
Ca2+.
– Khi đưa các nhóm phosphat hoặc sulfat vào gluten sẽ làm tăng khả năng
hấp thụ nước, khả năng tạo gel và khả năng tạo màng.
– Các tác nhân họat động bề mặt như natri dodexylsunfat khi được gắn
vào Protein sẽ làm giãn mạch và biến hình Protein.
– Các chất tẩy rửa dạng anion có tác dụng làm cho Protein tích điện âm
(khi ở pH gần trung tính) do đó làm tăng lực đẩy bên trong và làm biến hình
Protein.
d. Tạo ra cầu đồng hóa trị:
– Khi gắn bằng đồng hóa trị các polyol vào Protein sẽ làm tăng độ có cực
và độ hòa tan và Protein không bị kết tủa khi gia nhiệt.
– Có thể làm cho Protein kỵ nước bằng cách đưa vào Protein các nhóm
không cực.Người ta cũng có thể dùng các chất phản ứng nhị chức kiểu như
andehyd malonic, aldehyd glutaric hoặc formaldehid trung hợp hóa
(paraformandehid) để khâu (bằng đồng hóa trị) các nhóm ε–NH2 của gốc
lysine ở trong Protein lại với nhau. Phản ứng kiểu này thường làm giảm tính
hòa tan và độ tiêu hóa của Protein:

4


Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

– Có thể tạo ra các cầu disulfua bằng phản ứng oxy hóa vừa phải các

nhóm tiol khi có mặt không khí, bromat hoặc enzyme oxy hóa. Các phản ứng
này được dùng hằng ngày trong công nghệ làm bánh mì để cải thiện tính chất
nhớt dẻo của gluten
– Cũng có thể gắn đồng hóa trị các acid amin nhất là các acid amin không
thể thay thế vào Protein để tăng giá trị dinh dưỡng của Protein. Chẳng hạn
gắn methionin vào Protein đậu nành, so với việc bổ sung methionin tự do thì
có một số ưu điểm sau:
 Không có mùi của methionin
 Methionin không bị mất do khuyếch tán hoặc bị mất trong quá trình tạo
sợi
 Methionin không bị phân hủy trong dạ cỏ của động vật nhai lại
 Bảo vệ được các nhóm ε–NH2 và α-NH2 dính líu vào phản ứng Maillard
Methionin, lysine hoặc tryptophan có thể được gắn vào nhóm ε–
NH2 của lysine hay vào nhóm α-NH2 cuối hoặc các nhóm cacboxyl của
acid glutamic và aspartic

– Cũng có thể gắn acid amin vào Protein bằng cách gia nhiệt trực tiếp
Protein với các N-cacboxyanhidric

5


Công Nghệ Protein & Enzyme
Biến Hình Protein
Bằng cách trùng hợp hóa từ N-cacboxianhidric methionin có thể ghép các
chuỗi polymethionin với chiều dài khác nhau lên các nhóm ε–NH2 của
Protein.
e. Thủy phân hạn chế:
– Thủy phân hạn chế các liên kết peptid, chẳng hạn đun nóng Protein thực
vật trong HCl có nồng độ 1-3 M, ở 100 oC trong thời gian từ 10 – 15h để tăng

lượng nitơ phi Protein lên ba lần, có thể làm tăng độ hòa tan lên rất nhiều và
do đó làm tăng các tính chất bề mặt của gluten lên.
– Thủy phân bằng acid, nói chung, sẽ làm biến đổi các mạch bên của
Protein, chẳng hạn sẽ khử gốc amid của asparagin và glutamin, khử phospho
của phosphoserin và phá hủy các gốc tryptophan.Sự thủy phân bằng acid
thường qua nhiều phản ứng phức tạp để rồi tạo thành các sắc tố và dẫn suất
có mùi thơm của thịt.
– Sự thủy phân hạn chế các liên kết peptid cũng có thể thu được bằng cách
đun nóng các Protein trong môi trường kiềm. Chẳng hạn đun nóng Protein
trong NaOH có pH = 11 –12,5 và ở nhiệt độ 70 –90 o trong thời gian từ 20
phút đến vài giờ. Phương pháp khử trừơng hợp này có thể dùng để hòa tan và
trích ly các Protein ít hòa tan của thực vật, của vi sinh vật và của cá.
3. Tác nhân sinh học làm biến hình Protein:
a. Các enzyme thủy phân Protein (Protease):
Các enzyme thủy phân Protein thường có tên gọi là protease, protease,
peptidase hay C-N-hydrodase. Enzyme protease phân cắt liên kết peptid giữa
các L- axid amin:

Phản ứng thủy phân không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài và cân
bằng phản ứng sẽ chuyển dịch về phía trái.
Một số Protease thường sử dụng trong biến hình Protein:
 Papain: (EC.3.4.22.2)

 Pepsin (EC.3.4.4.1)
 Renin: (EC 3.4.4.3)
 Chimotripsin: (E.C3.4.21.1)
6


Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme
 Trypsin: (EC.3.4.21.4)
 Subtilisin: (EC.3.4.4.16)
– .
 Colagenase :(EC.3.4.24.3)
b. Vai trò protease trong biến hình protein: [2]

– Các protease có thể xúc tác phản ứng phân cắt các liên kết peptid cũng
như phản ứng tổng hợp ra các liên kết peptid mới.

– Phức acyl-enzyme trung gian được tạo ra do sự phân cắt liên kết peptid có
thể bị tấn công nucleophil bởi một nhóm amin để tân tạo ra một liên kết peptid
mới hoặc bởi phân tử nước để giải phóng ra một chuỗi ngắn hơn.
– Khi liên kết peptid bị thuỷ phân thì sẽ dẫn tới các hậu quả sau:
• Tăng số lượng nhóm có cực -NH3 và COO- và do đó tăng độ háo nước
của sản phẩm.
• Giảm khối lượng phân tử của các chuỗi polypeptid.
• Cấu hình phân tử cũng có thể bị thay đổi.
– Ngược lại, khi liên kết peptid được tân tạo thì sẽ làm giảm số nhóm có
cực, do đó làm giảm theo độ háo nước và làm tăng khối lượng phân tử cũng
như làm biến đổi cấu hình phân tử của protein.
– Protein bị biến hình bởi protease có thể bằng phản ứng khử trùng hợp
hoặc bằng phản ứng trùng hợp.
III. Ứng dụng biến hình protein trong công nghiệp:
1. Biến hình colagen và làm mềm thịt
–
Colagen là protein hình sợi của thịt.Có cấu trúc gồm nhiều sợi
xoắn ốc và liên kết lại thành một khối sợi.

7


Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

− Colagen có một độ bền và độ cứng nhất định là do các liên kết chéo trong

nội phân tử và giữa các phân tử (liên kết hydro, liên kết disunfua, liên kết
aldol, liên kết ester và liên kết isopeptid,…). Số lượng các liên kết nội và ngoại
phân tử này sẽ tăng lên ở trong thịt của các động vật già.
– colagenase là enzyme sử dụng rất tốt trong làm mềm thịt. Phương pháp
này được ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ thực phẩm sản xuất đồ
hộp.
2. Khả năng tạo bột nhão:
3. Khả năng tạo bọt:
Bọt thực phẩm là hệ phân tán của các bóng bọt trong một pha liên tục là
chất lỏng hoặc chất nửa rắn, có chứa một chất hoạt động bề mặt hoà tan. Các
loại kem ướp lạnh, bọt bia, bánh mì,…là những bọt thực phẩm.
Trong sản xuất bia, sự tạo bọt là một trong những tính chất quan trọng của bia.
− Công thức của kẹo mềm phải có chất tạo bọt để kẹo xốp, thường dùng
lòng trắng trứng gà.

8


Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

Đường + Mật + tinh bột
+Nước
Sữa, bơ, lạc,....

Lòng trắng trứng

Sirô
Nấu

Đánh bông xốp

Đánh trộn

Tạo hình

Đóng gói và
bảo quản

4.

Khả năng tạo gel của protein [4]
– Có thể nói thực phẩm như giò lụa, giò cá, phomat, bánh mì, …là những
sản phẩm có kết cấu bộ khung từ gel protein.
– Đông tụ sữa là quá trình quan trọng nhất trong sản xuất phomat.
Quá trình này được minh họa theo sơ đồ sau:

9


Công Nghệ Protein & Enzyme

Biến Hình Protein
5.
Khả năng cố định mùi: [1]
–
Protein có thể cố định được các chất có mùi khác nhau.
Các chất có mùi là những chất bay hơi, protein có thể hấp phụ vật lý hoặc hấp
phụ hoá học các chất có mùi qua tương tác Van der Waals hoặc qua liên kết
đồng hoá trị là liên kết tĩnh điện.
6. Khả năng nhũ hoá:
–
Nhũ tương là hệ phân tán của hai chất lỏng không trộn
lẫn nhau được, trong đó một chất lỏng ở dưới dạng những giọt nhỏ của pha bị
phân tán, còn chất kia ở dưới dạng pha phân tán liên tục.
–
Nhiều sản phẩm thực phẩm là những nhũ tương như:
sữa, kem, bơ, phomat nóng chảy, lòng đỏ trứng, thịt nghiền nhỏ để làm xúc
xích…
–
Nhũ tương là hệ thống không bền nhiệt động Để làm
cho nhũ tương bền, người ta dùng các chất khử nhũ hoá:
 Cho các chất điện ly vô cơ vào
 Hoặc thêm các chất hoạt động bề mặt có cấu trúc lưỡng cực
 Hoặc thêm những chất cao phân tử hoà tan được trong pha liên tục
7. Biến hình protein bằng phản ứng plastein:
a.
Phản ứng plastein:
–
Trước đây, Plastein lần đầu tiên được sử dụng để đặt
tên cho sản phẩm kết tủa thu được khi cho renin vào dịch thuỷ phân hạn chế
của fibrin. Ngày nay, Plastein được định nghĩa là một gel protein được tạo ra

khi thêm một endopeptidase vào một dung dịch đã cô đặc của protein thuỷ
phân và không hoà tan được trong dung dịch acid tricloaxetic 10%. Phản ứng
tạo ra plastein được gọi là phản ứng plastein.
–
Dưới tác dụng của protease, các peptid được xếp lại
thành plastein theo sơ đồ sau:

– Các điều kiện cần cho phản ứng plastein :
 Các peptid phải có khối lượng phân tử giữa 500 và 2000 Dal và phải
có nồng độ trên 10%.
 pH của phản ứng là giữa 4 và 7.
10


Công Nghệ Protein & Enzyme
Biến Hình Protein
 Độ háo nước của các cơ chất peptid có vai trò rất quan trọng: hiệu suất
plastein thu được sẽ cực đại khi tỷ lệ peptid háo nước/peptid kỵ nước bằng
0.5.
– Phản ứng plastein thường bao gồm hai giai đoạn:
 Thuỷ phân hạn chế protein ở nồng độ thấp (<= 5%) đến các peptid có
khối lượng phân tử xác định.
 Tái tổng hợp bằng một protease (có thể cùng một protease hoặc khác
với protease ở giai đoạn một) để tạo thành plastein.
b. Ứng dụng phản ứng plastein:
–
Sử dụng phản ứng plastein cho phép làm giảm thiểu hoặc
thậm chí loại trừ vị đắng của các peptid tạo thành từ dịch thuỷ phân protein
đậu tương (Fujimaki và cộng sự, 1970).
–

Tuy nhiên, công nghệ của phản ứng plastein là khả năng cải biến
các tính chất dinh dưỡng của protein
–
Sử dụng phản ứng plastein còn cho phép cải thiện tính lưỡng tính
của protein thực phẩm bằng cách cài gắn các ester của acid amin kỵ nước vào
trong các protein háo nước
c. Chế tác plastein từ protein đậu tương:
–
Người ta thực hiện theo sơ đồ phản ứng plastein hai giai
đoạn hoặc một giai đoạn:
+Trong phản ứng plastein hai giai đoạn thì giai đoạn thuỷ phân và giai đoạn
tổng hợp có thể được xúc tác bởi cùng một protease hoặc bởi hai protease khác
nhau
Protein đậu tương
(nồng độ thấp)
thuỷ phân bằng pepsin
(pH 1,6; 370C; 12h)
Oligopeptit
(trung hoà tới pH 7 cô đặc chân
không tới nồng độ xác định)
Bổ sung este của axitamin
Tái tổng hợp bằng papain
(pH 6; 370C; 24h)
Oligopeptit (nồng độ cao)

Plasein đã
được bổ sung axitamin
11

Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

– Điều kiện để cài gắn methionin bằng phản ứng hai giai đoạn là:
• Nồng độ oligopeptid: 20%
• Nồng độ papain sử dụng: 1%
• Ester metylmethionin: 5%
• pH: 6, nhiệt độ 37oC, thời gian 24h
–
Trong phản ứng plastein một giai đoạn thì phản ứng thuỷ phân và
phản ứng tổng hợp đều xảy ra đồng thời.

–
tương:

Sơ đồ phản ứng một giai đoạn để chế tác plastein từ protein đậu

Protein đậu tương
(nồng độ cao)
Papain
H – (peptit) – O – papain
H – Met – O – Et
H – (pepsin) – Met – O - Et
–
Đầu tiên papain tác dụng với phân tử protein tạo thành sản
phẩm trung gian peptidyl-papain. Sau đó là phản ứng amin-phân bởi H-Met-OEt (ester của methionin) để tạo thành sản phẩm được gắn methionin vào đấu
cuối cacbon.

12

Biến Hình Protein

Công Nghệ Protein & Enzyme

Sơ đồ chế phẩm từ 1 số protein biến hình

13