Значение сои, особенности коагуляции белков сои и молока

Молоко — ценнейший продукт питания, богатый пищевыми биологически активными веществами, среди которых белки играют немаловажную роль. Белковая система молока высокогетерогенна, каждая фракция отличается по строению, физико-химическим свойствам и биологическим функциям. Она необходима для обеспечения нормального развития растущих организмов и питания взрослых людей. В молоке общее содержание белков находится, как правило, в пределах от 2,9 до 4,0%. Белки молока делятся на две большие группы: казеиновые и сывороточные.

Согласно новейшим представлениям о номенклатуре и классификации белков молока рассматриваются 6 главных белков молока: казеины (б_S1-, б _S2-, в-, ?-), сывороточные белки (в-лактоглобулин, б-лактоальбумин), альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, в₂-микроглобулин, лактоферрин, церулоплазмин и компонент 3 протеозопептонов.

Основой для классификации и идентификации белков молока служит первичная структура их полипептидных цепей. Кроме казеинов и сывороточных белков в молоке находятся белки оболочек жировых шариков.

Наибольший интерес представляют казеины. Способность казеинов к свертыванию под действием химозина (реннина) в желудке растущих организмов используется при разработке новых технологий получения молочных белковых продуктов. Казеины содержат все незаменимые аминокислоты и являются прекрасным источником фосфора и кальция.

Несмотря на большой научно-практический интерес, структура казеина в деталях не установлена и существует на уровне рабочих гипотез. Массовая доля б_S1, б _S2-, ви ?-казеинов соответственно составляет 38, 10, 39 и 13% всего казеина. Производными фракциями в-казеина являются: г₁, г₂, г₃ — казеины, протеозопептонные компоненты. б_S1-Казеин — смесь двух белков (главного и минорного компонентов), имеющих одинаковую первичную структуру, но отличающихся степенью фосфорилирования.

Фракции б_S1, б_S2, в — фосфопротеиды, а ?-казеин — фосфогликопротеид. Казеины — это группы гетерогенных фосфопротеидов, самоассоциирующихся в мицеллы в присутствии кальция, цитратов и фосфатов. Основная часть казеина (около 95%) в молоке содержится в виде казеиновых мицелл, и лишь незначительная часть (около 5%) — в виде мономеров, полимеров фракций казеина и субмицелл, размер которых составляет менее 20−40 нм. Последнюю форму казеина называют растворимым казеином, его количество зависит от температуры и продолжительности хранения молока. Растворимые в-, б_S1— и б_S2-казеины могут подвергаться гидролизу под действием плазмина молока, а ?-казеин (растворимый и мицеллярный) — под действием внесенного в молоко химозина.

Главные компоненты казеина (б_S1, в, ?) представляют собой одиночные полипептидные цепи, в которых по сравнению с обычными глобулярными белками много неполярных (гидрофобных) аминокислот.

Определение последовательности позволило локализовать фосфосериновые участки и доказать существование участков цепи с контрастными свойствами и неравномерным распределением зарядов и уровней гидрофобных свойств. Фракции казеина (б_S1, б_S2, в) отличаются высоким уровнем фосфорилирования. Большая часть фосфосериновых участков группируется, вследствие чего в пептидной цепи образуются зоны с резко выраженными гидрофильными свойствами. Эти скопления отрицательных зарядов сообщают фракциям казеина одно из их основных свойств — способность к связыванию кальция.

?-Казеин обладает чувствительностью к воздействию сычужного фермента, слабым сродством к кальцию, ?-казеину характерна структурная неоднородность.

Состав и первичная структура казеинов обусловливают ряд их важных физико-химических свойств: выраженный анионный характер казеина в нейтральной среде объясняется присутствием фосфосериновых групп и количеством глутаминовой кислоты; нерастворимость в воде на уровне изоэлектрической точки (рН 4,6) можно отнести за счет высокого содержания неполярных остатков; реакция казеина с кальцием связана с наличием фосфосериновых групп; образование кальциевых комплексов казеиновыми фракциями ведет к снижению заряда, а гидрофильный характер приводит к их нерастворимости.

Эти свойства относятся к фракциям казеина, за исключением? — казеина. При достаточно высоком содержании этой фракции (10%) казеин растворим и в присутствии кальция. Стабилизирующая способность? — казеина связана с гидрофильностью СООН-концевой последовательности в первичной структуре, а также агрегирующими свойствами казеинов. В смеси различных казеинов они соединяются между собой, образуя комплексы. Исключительно активно? — казеин взаимодействует с б_S-казеинами. При этом также образуются комплексы в —? или б_S — в, но с меньшими скоростью и силой взаимодействия.

Определяющую роль в создании мицеллы и сохранении ее целостности играют минеральные вещества, доля которых составляет 8% массы мицеллы. В мицеллярной структуре предположительно присутствует 65% кальция, 50% неорганического фосфора, от 25 до 30% магния и от 8 до 10% цитрата. Таким образом, основными компонентами мицеллы являются фосфор и кальций. Кальций (примерно на 1/3) непосредственно связан с казеинами, главным образом с их эфирно-фосфорными комплексами (3):

В первом случае кальций имеет свободную связь и может образовать кальциевый мостик между расположенными друг против друга фосфосериновыми группами двух молекул казеина. Такой кальций играет определенную роль при образовании казеина и поэтому называется структурообразующим (3):

Фосфор, связанный с сериновыми остатками и называемый органическим, составляет около 40% общего количества фосфора, содержащегося в мицелле; он действительно может служить комплексообразователем для 30% содержащегося в мицелле кальция. Другая часть кальция находится в состоянии коллоидного фосфора.

Учитывая особенности строения казеинов, следует подчеркнуть, что в образовании мицелл принимают участие различные химические связи. Главную роль играют гидрофобные и электростатические.

Мицелла казеина находится во взвешенном состоянии в водной фазе молока. Распределение кальция между мицеллой и растворимой (коллоидной) фазой молока зависит от различных факторов. Повышение температуры и рН среды, а также увеличение содержания ионизированного кальция ведут к повышению количества кальция и фосфата в казеиновой мицелле, а затем и к увеличению ее размеров, тогда как обратный эффект достигается за счет снижения температуры, повышения кислотности или добавления воды, хлорида натрия, цитрата или любого другого агента, способного образовывать хелатные элементоорганические высокомолекулярные соединения.

Свертывание молока, выражающееся в образовании геля, — результат ряда физико-химических изменений.

В процессе кислотного свертывания молока снижается степень ионизации кислых свойств казеинов. Снижения рН и степени ионизации вызывают падение поверхностного потенциала, вследствие чего ослабляются способность фракций казеина (б_S и в) к образованию хелатных высокомолекулярных соединений и повышается растворимость солей кальция в воде. Это ведет к постепенному смещению кальция и неорганического фосфата мицеллы в сторону водной фазы, то есть к деминерализации мицеллы, достигающей полного объема при рН меньше 5. Поскольку кальций и фосфат играют главенствующую роль в структуре казеиновых мицелл, исчезновение этих минеральных веществ сопровождается распадом мицелл на субмицеллы.

Таким образом, в ходе кислотного свертывания молока происходит значительное разупорядочение мицеллы, сопровождающееся изменениями четвертичной структуры казеинов. При приближении рН к изоэлектрической точке происходят нейтрализация заряда и значительное снижение уровня гидратации белков, что влечет за собой их переход в нерастворимое состояние.

Полученный таким образом сгусток — результат образования нерастворимой белковой сетки, охватывающей своими ячейками всю водную фазу. Узлы этой сетки образованны субмицеллами, полностью деминерализованными и претерпевшими более или менее значительные структурные изменения. Непрочность сгустка при кислотном свертывании молока объясняется природой межмолекулярных связей, образующих белковую сетку и по природе являющихся электростатическими гидрофобными взаимодействиями.

Механизм ферментативного свертывания молока, который состоит из ферментативной фазы и фазы коагуляции, можно представить в виде уравнений:

Е + S — ES > E + P + C;

ks.

iP> Pi,.

где E, S, P, C — соответственно фермент, субстрат, параказеин казеиномакропептид;

ks — константа скорости агрегирования параказеина.

Ферментативная фаза включает избирательное расщепление в.

?-казеине одной пептидной связи:

Phe₁₀₅ — Met₁₀₆.

Эта связь отличается исключительной неустойчивостью, которая объясняется природой вовлеченных в этот процесс аминокислот, присутствием смещенной сериновой группы и гидрофобных остатков лейцина и изолейцина с каждой стороны расщепляющей связи.

Фаза коагуляции изучена недостаточно. Предполагается, что она представляет бимолекулярную реакцию. Агрегирование начинается только после гидролитического расщепления от 80 до 90% ?-казеина и продолжается после образования сгустка, но с меньшей константой скорости. Центры агрегирования мицеллы, вероятно, не распределены равномерно по всей поверхности, а в значительной степени локализованы, чем можно объяснить тот факт, что дестабилизация мицелл ведет не к выпадению плотного осадка, а к образованию весьма неплотной белковой сетки, охватывающей всю водную фазу.

Соевые бобы — признанный источник пищевого белка в мире. Производство сои растет особенно динамично. Соевые бобы отличаются высоким содержанием белков, представленных суммой известных фракций. Суммарные белки характеризуются значительным количеством незаменимых аминокислот, в том числе лизина, треонина, триптофана, а также хорошими функциональными свойствами. Это обусловливает их высокую биологическую ценность, приближающуюся к белкам мяса, молока и яиц. В настоящее время методы получения белков сои с необходимыми функциональными свойствами изучены достаточно хорошо, в связи с чем белки сои служат эталоном сравнения при открытии новых растительных белков применительно к новой технологии белковых пищевых продуктов.

Белки бобовых культур представлены в основном глобулинами (от 60 до 90%) и альбуминами (от 10 до 20%). Глобулиновая фракция состоит преимущественно из двух компонентов, различающихся константами седиментации (11S и 7S). Они представляют группу запасных белков.

Для некоторых глобулинов, например глобулинов сои, установлено субъединичное строение белков. В них обнаружено 12 субъединиц, проявляющих специфические свойства и имеющих различную молекулярную массу.

Методами спектрофотометрических исследований в рентгеновских лучах с малыми углами рассеяния была показана и предложена схема субъединичного строения глицинина сои, согласно которой 12 субъединиц глицинина образуют две гексагональные структуры с кислотными свойствами, уложенные стопкой. При этом субъединицы с кислотными и субъединицы с основными свойствами чередуются между собой в каждом шестиугольнике, который они составляют, а также с расположенными напротив них субъединицами второго шестиугольника.

Сложные четвертичные структуры глобулинов бобовых растений объясняются особенностью этих белков ассоциировать и диссоциировать в зависимости от условий среды.

Согласно представленной на рисунке 1.1 (3) схеме 11S — глицинин находится в агрегированной форме при рН 7,6, когда ионная сила снижена до 0,1, а под действием более высоких ионных сил диссоциирует на 11S-форму. Таким образом, создавая разные условия (рН, м), в белке вызывают диссоциацию нативной двумерной формы (11S) на промежуточные формы (7S), которые, в свою очередь, диссоциируют на субъединицы. Эта диссоциация необратима при крайних значениях рН или в присутствии реагентов (мочевина, детергенты), вызывающих денатурацию, но остается обратимой, если условия среды мягкие (рН 7,6; ионная сила 0,001). Диссоциация нарастает с образованием промежуточных форм с константами седиментации 4S или 5S. Эти агрегаты в основном состоят из двух или трех соединенных субъединиц. В объектах обнаружены и другие фракции глобулинов (12S, 7S, 5S, 9S и другие), которые менее изучены. Такие конформационные и структурные модификации приводят к существенным изменениям вязкости, присущей белкам.

Явление ассоциации и диссоциации глобулинов сои представлено на рисунке 1.

Явление ассоциации и диссоциации глобулинов сои Альбумины бобовых и масличных культур изучены меньше, чем глобулины. Аминокислотный состав характеризуется более высоким содержанием метионина и триптофана. В белковой фракции сои, например, выделяют две группы альбуминов. К первой относят ингибиторы трипсина и цитохром С, ко второй — аллантоиназу, в-амилазу, гемагглютинины и липоксигеназы. (3).

Альбумины представлены в форме изолектинов, имеющих четвертичную структуру с 2−4 субъединицами. Они состоят из двух полипептидных цепей с различной молекулярной массой.

белковый молоко казеин бобовый.