Cấu trúc và tính chất vật lý, hóa học của protein

Trong kỹ thuật thực phẩm, việc nghiên cứu cấu trúc và những tính chất hóa học và vật lý của protein trong thực phẩm là rất cần thiết đối với tất cả mọi người nói chung và những bạn học trò sinh viên đang theo học nhóm ngành này nói riêng.

Cấu trúc của protein

Khái niệm về protein

Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà những đơn phân là những axit amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ những liên kết peptide (gọi là chuỗi polypeptide). Những chuỗi này mang thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành những bậc cấu trúc ko gian khác nhau của protein.

Cấu trúc của protein

Cấu trúc của protein

Axit amin – Đơn phân tạo nên protein

Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều những đơn phân là những 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 những 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 những loại protein khác nhau trong thân thể sống.

Những bậc cấu trúc của protein

Người ta phân biệt biệt ra 4 bậc cấu trúc của Protein:

Cấu trúc bậc một: Những 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 những axit amin trên chuỗi polypeptide. Cấu trúc bậc một của protein mang vai trò rất quan yếu vì trình tự những axit amin trên chuổi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa những 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 những axit amin mang thể dẫn tới sự biến đổi cấu trúc và tính chất của protein.

Cấu trúc bậc hai: Là sự sắp xếp đều đặn những chuỗi polypeptide trong ko gian. Chuỗi polypeptide thường ko ở dạng thẳng mà ở xoắn lại tạo nên cấu trúc xoắn và cấu trúc nếp gấp , được nhất thiết bởi những liên kết hydro giữa những axit amin sắp nhau. Những protein sợi như keratin, collagen…(mang trong lôn, tóc, móng, sừng) gồm nhiều xoắn , trong lúc những protein cầu mang nhiều nếp gấp hơn.

Cấu trúc bậc ba: Những xoắn và phiến nếp gấp mang thể cuôn lại với nhau thành từng búi mang hình dạng lập thể đặc trưng cho từng loại protein. Cấu trúc ko gian này mang vai trò quyết định đối với hoạt tính và chức năng của protein. Cấu trúc này lại đặc trưng phụ thuộc vào nhóm –R trong những mạch polypeptide. Chẳng hạn nhóm –R của cysteine mang 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 những nhóm kị nước thì chuôi vào bên trong phân tử…Những liên kết yếu hơn như liên kết hydro hay điện hóa trị mang ở giữa những nhóm –R mang điện tích trái dấu.

Cấu trúc bậc bốn: Lúc protein mang nhiều chuỗi polypeptide phối hợp với nhau thì tạo nên cấu trúc bậc bốn của protein. Những chuỗi polypeptide liên kết với nhau nhờ những liên kết yếu như liên kết hydro.

Tính chất Lý – Hóa của protein

Tính chất hóa lý của protein

Tính chất hóa lý của protein bao gồm: tính tan trong dung môi, tính hydrat hóa, tính điện ly, kết tủa, biến tính, tạo nhũ, tạo bọt v.v… Với rất nhiều tính chất khác nhau của protein, hãy cùng tìm hiểu những tính chất này phía dưới đây nhé.

Tính tan của protein

Những loại protein khác nhau mang khả năng hòa tan tiện lợi 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…

Tính hydrat hóa của protein

Phần to thực phẩm là những hệ rắn hydrat hóa. Những đặc tính hóa lý, lưu biến của protein và những thành phần khác của thực phẩm phụ thuộc ko chỉ riêng vào sự mang mặt của nước mà còn phụ thuộc vào hoạt tính của nước. Ngoài ra, những chế phẩm protein concentrate và isolate dạng khô trước lúc sử dụng phải được hydrat hóa. Do đó, những tính chất hydrat hóa và tái hydrat hóa của protein thực phẩm mang ý nghĩa thực tiễn to to.

Hydrat hóa protein ở trạng thái khô mang thể được phân chia thành những gian đoạn liên tục như sau:

Quá trình hydrat hóa một protein ở dạng khô

Hấp thụ nước (còn gọi là nhất thiết nước), trương nở, thấm ướt, khả năng giữ nước, tính dính, dẻo liên quan tới 4 giai đoạn đầu; khả năng phân tán, độ nhớt, độ đặc của protein liên quan tới giai đoạn 5. Trạng thái cuối cùng của protein – tan hoặc ko tan (một phần hay hoàn toàn) – mang liên quan tới những tính chất chức năng quan yếu như tính tan hoặc tính tan tức thời (giai đoạn 5 xảy ra nhanh). Tính tạo gel liên quan tới sự tạo thành khối ko tan hydrat hóa tốt, nhưng những phản ứng protein – protein đóng vai trò chính. Cuối cùng, những tính chất bề mặt như nhũ tương hóa và tạo bọt cũng cần protein mang khả năng hydrat hóa và phân tán cao hơn những đặc tính khác.

Trong quá trình hydrat hóa, protein tương tác với nước qua những nối peptide hoặc những gốc R ở mạch bên nhớ liên kết hydro.

Những yếu tố môi trường tác động tới tính chất hydrat hóa

Nồng độ protein, pH, nhiệt độ, thời kì, lực ion, sự mang mặt của những thành phần khác là những yếu tố tác động tới những phản ứng protein – protein và protein – nước. Những tính chất chức năng được xác định trong điều kiện thăng bằng của những lực này.

Lượng nước hấp thụ tổng số tăng lúc tăng nồng độ protein. pH thay đổi dẫn tới thay đổi mức độ ion hóa và sự tích điện trên bề mặt những phân tử protein, làm thay đổi lực hút và đẩy giữa những phân tử này và khả năng liên kết với nước. tại điểm đẳng điện pI, phản ứng protein – protein là cực đại, những 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 lúc nhiệt độ tăng do làm giảm những liên kết hydro. Biến tính và tập hợp ( ) lúc đun nóng làm giảm bề mặt phân tử protein và những nhóm phân cực mang khả năng nhất thiết nước. Tuy nhiên, đối với một số ngoại lệ, lúc đun nóng trong nước protein mang cấu trúc chặt chẽ cao, sự phân ly và duỗi ra của những phân tử mang thể làm lộ ra trên bề mặt những liên kết peptide và mạch ngoại phân cực mà trước đó bị che dấu, kết quả là làm tăng khả năng nhất thiết nước.

Thực chất và nồng độ những ion gây tác động tới lực ion trong môi trường và sự phân bố điện tích trên bề mặt phân tử protein nên cũng tác động tới khả năng hydrat hóa. Người ta nhận thấy mang sự khó khăn phản ứng (liên kết) giữa nước, muối và những nhóm ngoại của acid amin. Lúc nồng độ muối (như NaCl) thấp, tính hydrat hóa của protein mang thể tăng do sự đính thêm những io giúp mở rộng mạng lưới protein. Tuy nhiên, lúc nồng độ muối cao, những 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 mang tác động tới 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 mang độ hòa tan cao. Độ hòa tan cao là một chỉ số rất quan yếu đối với protein được sử dụng trong đồ uống. Ngoài ra, người ta còn muốn protein mang thể tan được ở những trị giá 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 trước hết được đo đạc ở những giai đoạn chế biến và chuyển hóa 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 mang ích cho những quá trình kỹ thuật như trích ly, tinh luyện, tủa phân đoạn protein cũng như định hướng sử dụng những loại protein.
Protein của lactoserum hòa tan tốt ở khoảng pH và lực ion rộng. Trái lại, độ hòa tan của caseinate phụ thuộc nhiều vào pH, lực ion (và nồng độ Ca2+), nhưng ít phụ thuộc vào nhiệt độ như protein của lactoserum và protein đậu nành.

Tính tan của phần to protein bị giảm mạnh và ko thuận nghịch trong quá trình đun nóng. Tuy nhiên, trong chế biến thực phẩm, đun nóng luôn là cần thiết với những mục đích diệt vi sinh vật, giảm mùi khó chịu, tách bớt nước…Ngay cả trường hợp đun nóng nhẹ (sử dụng lúc trích ly và làm sạch những chế phẩm protein) cũng gây nên sự biến tính nhất định và làm giảm độ hòa tan.

Ko phải tất cả protein mang độ hòa tan ban sơ tốt sẽ luôn mang những tính chất chức năng khác tốt. Với trường hợp khả năng hấp thụ nước của protein được cải thiện lúc làm biến tính ở một mức độ nào đó. Thỉnh thoảng, khả năng tạo gel vẫn giữ được sau lúc biến tính và ko hòa tan một phần protein. Tương ứng với điều đó, việc tạo thành nhũ tương, hệ bọt và gel mang thể liên quan tới những mức độ làm duỗi mạch, tập hợp và ko hòa tan protein khác nhau. Trái lại, protein của lactoserum caseinate và một vài protein khác cần mang độ hòa tan ban sơ đủ to nếu muốn chuyển hóa nó thành dạng gel, hệ bọt hay hệ nhũ tương tốt.

Độ nhớt của dung dịch protein

Lúc protein hòa tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau mang độ nhớt khác nhau. Người ta mang 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).

ProteinNồng độ %

(trong nước)

Độ nhớt tương đối

(của nước bằng 1)

Gelatin3,04,54
Albumin trứng3,01,20
Gelatin3,014,2
Albumin trứng8,01,57

Độ nhớt của một số loại protein

Hằng số điện môi của dung dịch protein

Lúc thêm những 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 những nhóm ion hóa protein, lớp áo mất nước, những phân tử protein kết hợp với nhau thành tủa. Tương tự hằng số điện môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa những nhóm tích điện của protein và nước.

Tính chất điện ly của protein

Cũng như những amino acid, protein là chất điện ly lưỡng tính vì trong phân tử protein mang nhiều nhóm phân cực mạnh (gốc bên R) của amino acid. Ví dụ nhóm COOH thứ hai của Asp, Glu; nhóm NH¬Hai của Lys; nhóm OH của Ser, Thr, Tyr v.v…Trạng thái tích điện của những 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 ko, phân tử protein ko di chuyển trong điện trường thì trị giá pH đó được gọi là pH¬i (isoeletric-điểm bằng điện) của protein. Tương tự protein chứa nhiều Asp, Glu (amino acid mang tính acid mạnh) thì pH¬i ở trong vùng acid, trái lại nhiều amino acid kiềm như Lys, Arg, His thì pH¬i ở trong vùng kiềm.

ProteinpHiProteinpHi
Pepsin1,0Globulin sữa5,2
Albumin trứng4,6Hemoglobin6,8
Casein4,7Ribonuclease7,8
Albunmin huyết thanh4,9Tripsin10.5
Gelatin4,9Prolamin12.0

Trị giá pHi của một số proetein

Trong môi trường pH=pHi , protein tiện lợi 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 những protein khác nhau, mang  thể điều chỉnh pH của môi trường để tách riêng những protein ra khỏi hỗn hợp của chúng.

Sự kết muối của dung dịch protein

Muối trung tính mang tác động rõ tới độ hòa tan của protein hình cầu: với nồng độ thấp chúng làm hòa tan nhiều protein. Tác dụng đó ko phụ thuộc vào thực chất của muối trung tính, mà phụ thuộc vào nồng độ những muối và số điện tích của mỗi ion trong dung dịch, tức là phụ thuộc vào lực ion của dung dịch ( trong đó là kí hiệu của tổng, C1 là nồng độ của mỗi ion, Z1 là điện tích của mỗi ion). Những muối mang ion hóa trị II (MgCl2, MgSO¬¬4…) làm tang đáng kể độ tan của protein hơn những muối ion mang hóa trị I (NaCl, NH4Cl, KCl…) . Lúc tăng đáng kể nồng độ muối trung tính thì độ tan của protein khởi đầu giảm van ở nồng độ muối rất cao, protein mang thể bị tủa hoàn toàn.

Những 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). Tỉ dụ sử dụng muối ammonium sulfate 50% bão hòa kết tủa globulin và dung dịch ammonium sulfate bão hòa để kết tủa albumin từ huyết thanh.

Biểu hiện quang quẻ học của protein

Cũng như nhiều chất hóa học khác , protein mang khả năng hấp thụ và bức xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử . Vì vậy mang thể đo cường độ hấp thụ của protein trong dung dịch hay còn gọi là mật độ quang quẻ thường kí hiệu bằng chữ OD (Optical Density). Dựa trên tính chất đó người ta đã sản xuất ra những loại máy quang quẻ phổ hấp thụ để phân tích protein. Nhìn chung, protein đều mang 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 mang khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở hai vùng bước sóng khác nhau: 180nm-220nm và 250nm-300nm).

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 mang nhiều trong phân tử protein nên độ hấp thụ khá cao, cho phép định lượng tất cả những loại protein với nồng độ thấp. Tuy nhiên vùng hấp thụ này của những liên kết peptide trong protein mang thể bị dịch về phía mang bước sóng dài hơn lúc mang một số tạp chất lẫn trong dung dịch protein. Mặt khác chính những tạp chất này cũng hấp thụ ánh sáng tử ngoại ở vùng bước sóng 180nm-220nm. Vì thế trong thực tế thường đo độ hấp thụ của dung dịch protein ở bước sóng 220nm-240nm.

Ở bước sóng từ 250nm-300nm là vùng hấp thụ những amino acid thơm (Phe, Tyr, Trp) mang trong phân tử protein hấp thụ cực đại ở 280nm. Với thể sử dụng phương pháp đo độ hấp thụ của dung dịch protein ở bước sóng 280nm để định tính và định lượng những protein mang chứa những amino acid thơm. Hàm lượng những amino acid thơm trong những protein khác nhau thay đổi khá nhiều, do đó dung dịch của những protein khác nhau mang nồng độ giống nhau mang thể khác nhau về độ hấp thụ ở bước sóng 280nm. Và được thẩm định bằng hệ số tắt, ví dụ: hệ số tắt của albumin huyết thanh bò băng 6,7 lúc cho ánh sáng mang bước sóng 280nm đi qua 1cm dung dịch mang nồng độ 10mg/ml; trong lúc hệ số tắt của kháng thể IgG bằng 13,6. Ngoài ra mang nhiều chất khác trong dung dịch cũng mang tác động tới độ hấp thụ protein. Vì vậy những phương pháp đo độ ấp thụ ở vùng ánh sáng tử ngoại thường được sử dụng để định lượng protein đã được tinh sạch hoặc để xác định protein trong những phân đoạn nhận được lúc sắc ký tách những protein qua cột.

Kết tủa thuận nghịch và ko thuận nghịch của protein

Lúc protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính mang nồng độ khác nhau hoặc bằng alcohol, aceton ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ nguyên được mọi tính chất của nó kể cả tính chất sinh vật học và mang thể hòa tan trở lại gọi là kết tủa thuận nghịch. Những yếu tố kết tủa thuận nghịch được sử dụng để thu nhận chế phẩm protein. Trong quá trình kết tủa thuận nghịch muối trung tính vừa làm trung hòa điện vừa loại bỏ lớp vỏ hydrat hóa của protein, còn dung môi hữu cơ háo nước phá hủy lớp vỏ hydrate nhanh chóng. Trong chế phẩm protein nhận được còn lẫn những chất đã sử dụng để kết tủa, cần sử dụng phương pháp thích hợp để loại bỏ những chất này. Ví dụ mang thể sử dụng phương pháp thẩm tích để loại bỏ muối.

Trái lại kết tủa ko thuận nghịch là phân tử protein sau lúc bị kết tủa ko thể phục hồi lại trạng thái ban sơ. Sự kết tủa này thường được sử dụng để loại bỏ protein ra khỏi dung dịch, làm ngưng phản ứng của enzyme. Một trong những yếu tố gây kết tủa ko thuận nghịch thuần tuý nhất là đun sôi dung dịch protein (sẽ nói kỹ hơn trong phần biến tính protein ở phần sau).

Biến tính protein

Sau lúc protein bị kết tủa , nếu loại bỏ những yếu tố gây kết tủa mà protein vẫn mất khả năng tạo thành dung dịch keo bền như trước và mất những tích chất ban sơ , chẳng hạn độ hòa tan giảm, tính chất sinh vật học bị mất gọi là sự biến tính protein. Vì vậy, đối với việc bảo quản protein, người ta thường để dung dịch protein ở nhiệt độ thấp thường là từ .

Song ở nhiệt độ này dung dịch protein dần dần cũng bị biến tính , biến tính càng nhanh lúc dung dịch protein càng loãng. Sự biến tính ở nhiệt độ thấp của dung dịch protein loãng được gọi là sự biến tính “bề mặt”: protein bị biến tính tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt dung dịch, phần dưới lớp mỏng là những nhóm ưa nước nằm trong dung dịch, phần trên lớp mỏng là những gốc kị nước của amino acid kết hợp với nhau bởi lực Van der Waals.

Ở dung dịch đặc những phân tử protein kết hợp với nhau chặt chẽ hơn do đó làm giảm bớt và hạn chế sự biến tính bề mặt. Để bảo quản tốt những chế phẩm protein như enzyme, hormon, -globulin kháng độc tố v..v…người ta tiến hành làm đông khô (làm bốc tương đối nước của dung dịch protein ở áp suất và nhiệt độ thấp), bột thu được mang thể bảo quản được ngay cả ở nhiệt độ phòng thí nghiệm trong những ống hàn kín.

Khả năng tạo nhũ của protein

Nhiều sản phẩm thực phẩm là hệ nhũ tương như sữa bò, sữa đậu nành, kem, nước cốt dừa, bơ, phomai nóng chảy, mayonnaise, xúc xích thịt cá…và những thành phần protein thường đóng vai trò vượt trội trong việc làm bền những hệ này.

Protein được hấp thụ ở bề mặt phân chia giữa những giọt dầu phân tán và pha nước liên tục mang những tính chất vật lý và lưu biến (làm đặc, tạo độ nhớt, “cứng – dẻo”) mang tác dụng ngăn cản những giọt chất béo thống nhất. Tùy theo pH, ion hóa những gốc R của những acid amin trong mạch polypeptide cũng tạo ra những lực đẩy tĩnh điện, góp phần làm bền hệ nhũ tương.

Nói chung, protein ít mang khả năng làm bền hệ nhũ tương nước/dầu. Nguyên nhân mang thể do phần to protein mang thực chất ưa nước và do đó chúng bị hấp thụ ở pha nước sắp bề mặt phân chia.

Những tính chất tạo bọt của protein

Những hệ bọt thực phẩm gồm những bọt khí phân tán trong pha liên tục là lỏng hoặc bán rắn mang chất hoạt động bề mặt hòa tan.

Với rất nhiều loại thực phẩm mang dạng bọt như bánh xốp, kem, bọt của bia…Trong nhiều trường hợp, khí tạo bọt là ko khí, một số khác là CO2 còn pha liên tục là một dung dịch hoặc huyền phù nước mang chứa protein. Một số hệ bọt thực phẩm là những hệ keo phức tạp.

Ví dụ, kem là một hệ nhũ tương (hoặc huyền phù) của những giọt chất béo, một huyền phù của những tinh thể đá phân tán, một gel polysaccharide, một dung dịch đường nồng độ cao, dung dịch protein và những bọt khí.

Khả năng nhất thiết mùi của protein

Trong chế biến thực phẩm, kể cả những chế phẩm protein mang nhiều trường hợp cần phải tẩy mùi để hạn chế hoặc tách những mùi khó chịu. Những hợp chất như andehyde, ketone, rượu, phenol, acid béo đã bị oxi hóa… mang thể cho mùi ôi, khét, mùi ngái và cho vị đắng, the, cay…lúc chúng liên kết với protein và những thành phần khác của thực phẩm. Những chất này chỉ được tách ra lúc đun nóng hoặc nhai. Một số liên kết rất chặt chẽ, khó tách ngay cả lúc trích ly bằng tương đối nước hoặc dung môi.

Kế bên vấn đề tách những mùi khó chịu, người ta còn sử dụng khả năng này của protein để mang tới cho thực phẩm những mùi dễ chịu (ví dụ, mang mùi thơm của thịt tới cho những protein thực vật đã được tạo kết cấu). Điều này thật là lý tưởng nếu những thành phần dễ bay tương đối của những mùi dễ chịu mang thể liên kết vững bền với thực phẩm, ko bị tổn thất trong quá trình chế biến và bảo quản, nhưng lại được phóng thích nhanh trong mồm lúc sử dụng thực phẩm và ko bị biến đổi.

Leave a Comment

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *