Адсорбция белка в пищевой промышленности - Википедия - Protein adsorption in the food industry

Протеин адсорбция относится к адгезии белки к твердым поверхностям. Это явление является важной проблемой в пищевая промышленность, особенно в переработка молока и вино и изготовление пива. Чрезмерная адсорбция или загрязнение белка может привести к проблемам со здоровьем и санитарии, поскольку адсорбированный белок очень трудно очистить и может содержать бактерии, как в случае с биопленки. На качество продукта может отрицательно повлиять, если адсорбированный материал мешает этапам обработки, например пастеризация. Однако в некоторых случаях адсорбция белка используется для улучшения качества пищевых продуктов, как в случае с штрафование вин.

Адсорбция белков

Адсорбция белка и засорение белков могут вызвать серьезные проблемы в пищевой промышленности (особенно молочная промышленность ), когда белки из пищевых продуктов адсорбируются на обрабатываемых поверхностях, таких как нержавеющая сталь или пластик (например, полипропилен ). Обрастание белков - это скопление агрегатов белка на поверхности. Это наиболее распространено в процессах нагрева, которые создают температурный градиент между оборудованием и нагреваемым сыпучим материалом.[1] В нагревательном оборудовании, загрязненном белками, адсорбированные белки могут создавать изолирующий слой между нагревателем и сыпучим материалом, снижая эффективность нагрева. Это приводит к неэффективной стерилизации и пастеризации. Кроме того, прилипшие к нагревателю белки могут вызывать привкус или окраску сыпучего материала.[1] Кроме того, в процессах, в которых используется фильтрация, агрегаты белка, которые собираются на поверхности фильтра, могут блокировать поток сыпучего материала и значительно снижать эффективность фильтра.[2]

Примеры адсорбции

Пивной камень

Beerstone представляет собой отложение, которое образуется, когда оксалат, белки и соли кальция или магния из зерен и воды в процессе пивоварения осаждаются и образуют накипь на кегах, бочках и водопроводных трубах. Минералы сначала адсорбируются на поверхность контейнера под действием притяжения заряда. Белки часто скоординированы с этими минералами в растворе и могут связываться с ними на поверхности. В других случаях белки также адсорбируются минералами на поверхности, что затрудняет удаление отложений.[3] а также обеспечивает поверхность, на которой легко могут скрываться микроорганизмы. Если наросты пивного камня внутри линий разлива отслаиваются, это может отрицательно сказаться на качестве готового продукта, делая пиво мутным и привнося «неприятный» привкус. Это также вредно с точки зрения питания: оксалаты могут снизить абсорбцию кальция в организме, а также увеличить риск образования камней в почках.[4]

Виноделие

Виноград и винные белки имеют тенденцию к агрегированию и образованию помутнения и осадка в готовых винах, особенно в белых винах.[5] Белки, вызывающие помутнение, могут сохраняться в вине из-за низкой скорости оседания или отталкивания заряда на отдельных частицах. Финиширующие агенты, такие как бентонит глины используются для осветления вина за счет удаления этих белков. Кроме того, белковые вещества, такие как альбумин, казеин или желатин, используются при осветлении вина для удаления дубильных веществ или других фенолов.[6]

Биопленки

А биопленка представляет собой сообщество микроорганизмов, адсорбированных на поверхности. Микроорганизмы в биопленках заключены в полимерный матрикс, состоящий из экзополисахаридов, внеклеточной ДНК и белков. Через несколько секунд после помещения поверхности (обычно металла) в раствор неорганические и органические молекулы адсорбируются на поверхности. Эти молекулы притягиваются в основном кулоновскими силами (см. Раздел выше) и могут очень прочно прилипать к поверхности. Этот первый слой называется кондиционирующим слоем, он необходим для связывания микроорганизмов с поверхностью. Эти микроорганизмы затем обратимо прикрепляются Силы Ван-дер-Ваальса с последующей необратимой адгезией через самовоспроизводящиеся структуры прикрепления, такие как пили или жгутики.[7] Биопленки образуются на твердых субстратах, таких как нержавеющая сталь. Полимерная матрица, покрывающая биопленку, обеспечивает защиту микробов, повышая их устойчивость к детергентам и чистящим средствам. Биопленки на поверхностях обработки пищевых продуктов могут представлять биологическую опасность для безопасности пищевых продуктов. Повышенная химическая стойкость биопленок может привести к постоянному загрязнению.[8]

Молочная промышленность

Пастеризованное молоко хранится в емкости для нагрева сыра.

Термическая обработка молока путем непрямого нагрева (например, пастеризация) для снижения микробной нагрузки и увеличения срока годности обычно выполняется пластинчатый теплообменник. Поверхности теплообменника могут быть загрязнены отложениями адсорбированного молочного белка. Обрастание инициируется образованием монослоя белка при комнатной температуре, за которым следует агрегация, вызванная нагреванием, и осаждение сывороточный протеин и отложения фосфата кальция.[9] Адсорбированные белки снижают эффективность теплопередачи и потенциально влияют на качество продукта, препятствуя адекватному нагреванию молока.

Механизмы адсорбции белка

Общей тенденцией во всех примерах адсорбции белка в пищевой промышленности является адсорбция минералами, которые сначала адсорбируются на поверхности. Этот феномен изучен, но до конца не изучен. Спектроскопия белков, адсорбированных на глиноподобных минералах, показывают вариации C = O и N-H связь растягивается, что означает, что эти связи участвуют в связывании белков.[10]

Кулоновский

В некоторых случаях белки притягиваются к поверхности из-за чрезмерного поверхностный заряд. Когда поверхность в жидкости имеет общий заряд, ионы в жидкости адсорбируются на поверхность. Белки также имеют заряженные поверхности из-за заряженных аминокислотных остатков на поверхности белка. Затем поверхность и белок притягиваются кулоновскими силами.[11]

Притяжение, которое белок испытывает к заряженной поверхности () экспоненциально зависит от заряда поверхности, что описывается следующей формулой:[12]

Где

  • потенциал, ощущаемый белком
  • фактический потенциал поверхности
  • Икс - расстояние от белка до поверхности, а
  • это Длина Дебая.

Потенциал поверхности белка определяется количеством заряженных аминокислот, которые он имеет, и его изоэлектрическая точка, число Пи.

Термодинамический

Адсорбция белка также может происходить в результате нагревания смеси. Адсорбция белка при переработке молока часто используется в качестве модели для этого типа адсорбции в других ситуациях. Молоко состоит в основном из воды, с менее чем 20% взвешенных твердых частиц или растворенных белков. Белки составляют всего 3,6% молока и только 26% компонентов, не относящихся к воде.[13] Все эти белки ответственны за загрязнение, которое происходит во время пастеризация.

Состав твердых веществ (не содержащих воду элементов) в молоке

Поскольку молоко нагревается во время пастеризация многие белки молока денатурированы. Температура пастеризации может достигать 161 ° F (71,7 ° C). Эта температура достаточно высока, чтобы денатурировать расположенные ниже белки, снижая питательную ценность молока и вызывая загрязнение. Молоко нагревается до этих высоких температур в течение короткого времени (15–20 секунд), чтобы уменьшить количество денатуризация. Однако засорение денатурированными белками по-прежнему является серьезной проблемой.

ПротеинΔHТемпература денатуризации (K)Тм (С)[14]
β-Лактоглобулин599±19344.070.85
α-Лактальбумин184±11312.739.55
BSA799±44334.361.15

Денатурация обнажает гидрофобные аминокислотные остатки в белке, которые ранее были защищены белком. Открытые гидрофобные аминокислоты уменьшают энтропию окружающей их воды, делая ее благоприятной для поверхностной адсорбции. Часть β-лактоглобулина (β-lg) адсорбируется непосредственно на поверхности теплообменника или контейнера. Другие денатурированные молекулы β-Ig адсорбируются на казеине. мицеллы, которые также присутствуют в молоке. По мере того, как все больше и больше белков β-Ig связывается с мицеллой казеина, он образует агрегат, который затем диффундирует в теплообменник и / или поверхность контейнера.

Механизм денатурирующей адсорбции белков

Биохимический

Хотя агрегаты могут объяснить большую часть загрязнения белком, обнаруживаемого при переработке молока, это не объясняет всего этого. Обнаружен третий тип загрязнения, который объясняется химическим взаимодействием денатурированных белков β-Ig.[15]

β-lg содержит 5 цистеин остатки, четыре из которых ковалентно связаны друг с другом, образуя связь S-S. При денатурировании β-lg пятый цистеин остаток подвергается воздействию воды. Затем этот остаток связывается с другими белками β-lg, включая те, которые уже адсорбированы на поверхности. Это создает сильное взаимодействие между денатурированными белками и поверхностью контейнера.

Изотермы

Изотермы используются для количественного определения количества адсорбированного белка на поверхности при постоянной температуре, в зависимости от концентрации белка над поверхностью. Исследователи использовали модель изотермы Ленгмюра для описания экспериментальных значений адсорбции белка.[14]

В этом уравнении

  • количество адсорбированного белка
  • площадь поверхности на молекулу
  • парциальный молярный объем белка
  • - отрицательная величина свободной энергии Гиббса адсорбции на единицу площади и
  • - равновесная концентрация белка.

Это уравнение было применено к лабораторным условиям адсорбции белка при температурах выше 50 ° C из модельного раствора белка и воды. Это особенно полезно для моделирования белкового обрастания при переработке молока.

Удаление адсорбированных белков

Адсорбированные белки являются одними из самых сложных пищевых загрязнений для удаления с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. В частности, денатурированные при нагревании белки (например, те, которые используются в молочной промышленности) плотно прилипают к поверхностям и требуют сильных щелочных очистителей для удаления.[16] Важно, чтобы методы очистки позволяли удалять как видимые, так и невидимые белковые загрязнения. Необходимо удалить питательные вещества для роста бактерий, а также биопленки, которые могли образоваться на поверхности, контактирующей с пищей. Белки нерастворимы в воде, слабо растворимы в кислых растворах и растворимы в щелочных растворах, что ограничивает тип очистителя, который можно использовать для удаления белка с поверхности.[16] Вообще говоря, сильнощелочные очистители с пептизаторами и смачивающими добавками наиболее эффективны для удаления белка с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами.[17] Температура очистки также важна для эффективного удаления белка. При повышении температуры активность чистящего состава увеличивается, облегчая удаление загрязнений. Однако при более высоких температурах (> 55 ° C) денатурация белков и эффективность очистки снижается.[16]

Щелочные очистители

Щелочные очистители относятся к составам с pH 7-14. Наиболее эффективно белки удаляются с поверхностей чистящими средствами с pH 11 и выше.[16] Пример сильного щелочного чистящего средства: едкий натр, также называемый каустической содой. Хотя гидроксид натрия (NaOH) может вызывать коррозию поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами, таких как нержавеющая сталь, он является предпочтительным чистящим средством для удаления белков из-за его эффективности в растворении белков и диспергировании / эмульгировании пищевых загрязнений. В эти очистители часто добавляют силикаты, чтобы уменьшить коррозию металлических поверхностей. Механизм щелочного очищающего действия белков состоит из трех этапов:[18]

  1. Образование геля: при контакте со щелочным раствором белковая почва набухает и образует удаляемый гель.
  2. Удаление протеина: протеиновый гель удаляется посредством массообмена, в то время как чистящее средство продолжает диффундировать через почву, увеличивая образование геля.
  3. Стадия разложения: протеиновый гель разрушился до такой степени, что превратился в тонкий слой. Удаление на этом этапе регулируется силами напряжения сдвига и массопереносом геля.

Гипохлорит часто добавляется в щелочные очистители для пептизации белков. Хлорированные очищающие средства действуют путем окисления сульфидных сшивок в белках.[16] Скорость и эффективность очистки повышаются за счет увеличения диффузии очистителя в матрицу почвы, которая теперь состоит из более мелких и более растворимых белков.

Ферментные очистители

Основной механизм действия фермента

Очистители на основе ферментов особенно полезны для удаления биопленки. Бактерии довольно сложно удалить традиционными щелочными или кислотными очистителями.[19] Ферментные очистители более эффективны для биопленок, поскольку они действуют как протеазы, расщепляя белки в местах прикрепления бактерий. Они работают с максимальной эффективностью при высоком pH и температуре ниже 60 ° C.[16] Ферментные очистители становятся все более привлекательной альтернативой традиционным химическим очистителям из-за способности к биологическому разложению и других факторов окружающей среды, таких как сокращение образования сточных вод и экономия энергии за счет использования холодной воды.[20] Однако они обычно дороже, чем щелочные или кислотные очистители.

Рекомендации

  1. ^ а б Аяди, Массачусетс; Т. Бенезех; F Chopard; М. Берту (2008). «Тепловые характеристики плоской омической ячейки в условиях отсутствия обрастания и загрязнения сывороточного протеина». LWT-Пищевая наука и технологии. 41 (6): 1073–1081. Дои:10.1016 / j.lwt.2007.06.022.
  2. ^ Хо, Чиа-Чи; Эндрю Л. Зидней (2001). «Белковое загрязнение асимметричных и композитных мембран микрофильтрации». Ind. Eng. Chem. Res. 40 (5): 1412–1421. Дои:10.1021 / ie000810j.
  3. ^ Джонсон, Дана (23 марта 1998 г.). «Удаление Бирстоуна». Современная эпоха пивоварения - через Birko Corporation.
  4. ^ Макинтайр, Дональд Б. (1964). «Процесс выдержки пива». Патент США № 3,128,188.
  5. ^ Морено-Аррибас, М. Виктория; Кармен Поло; Мария Кармен Поло (2009). Химия и биохимия вина. Springer Science + Business Media. п. 213.
  6. ^ Boulton, Roger B .; Вернон Л. Синглтон; Линда Ф. Биссон (1996). Принципы и практика виноделия. Kluwer Academic Publishers Group. п. 279.
  7. ^ Лаппин-Скотт, Хилари М .; Дж. Уильям Костертон (1995). «Микробные биопленки». Ежегодный обзор микробиологии. Издательство Кембриджского университета. 49: 711–45. Дои:10.1146 / annurev.mi.49.100195.003431. PMID  8561477.
  8. ^ Тарвер, Тони (2009). «Биопленки: угроза безопасности пищевых продуктов». Пищевые технологии. 63 (2): 46–52.
  9. ^ Visser, J; Jeurnink, Th. Дж. М. (1997). «Загрязнение теплообменников в молочной промышленности». Экспериментальная терминология и гидродинамика. 14 (4): 407–424. Дои:10.1016 / s0894-1777 (96) 00142-2.
  10. ^ Fusi, P .; Ристори, Г.Г .; Calamai, L .; Стоцкий, Г. (1989). «Адсорбция и связывание белка на« чистом »(гомоионном) и« грязном »(покрытом оксигидроксидами Fe) монтмориллоните, иллите и каолините». Биология и биохимия почвы. 21 (7): 911–920. Дои:10.1016/0038-0717(89)90080-1.
  11. ^ Andrade, J.D .; Hlady, V .; Вэй, А.П. (1992). «Адсорбция сложных белков на интерфейсах». Pure Appl. Chem. 64 (11): 1777–1781. Дои:10.1351 / pac199264111777.
  12. ^ Батт, Ханс-Юрген; Граф, Карлхайнц; Каппл, Майкл (2006). Физика и химия интерфейсов. Федеративная Республика Германия: Wiley-VCH.
  13. ^ «Часто задаваемые вопросы о сывороточном протеине».
  14. ^ а б Аль-Малах, Камаль; Макгуайр, Джозеф; Спроул, Роберт (1995). «Макроскопический Mocel для изотермы адсорбции однокомпонентного белка». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 170 (1): 261–268. Bibcode:1995JCIS..170..261A. Дои:10.1006 / jcis.1995.1096.
  15. ^ Наканиши, Казухиро; Сакияма, Такахару; Имамура, Корейоши (2001). «Обзор адсорбции белков на твердых поверхностях, распространенном, но очень сложном явлении». Журнал биологии и биоинженерии. 91: 233–244. Дои:10.1016 / с 1389-1723 (01) 80127-4.
  16. ^ а б c d е ж Marriott, Norman G .; Роберт Б. Гравани (2006). Принципы пищевой санитарии. Нью-Йорк: Springer Science + Business Media. п. 142.
  17. ^ Рональд Х. Шмидт (июль 1997 г.). «Основные элементы очистки и дезинфекции оборудования в пищевой промышленности и при транспортировке». Департамент пищевых наук и питания человека, Флоридская кооперативная консультативная служба, Институт продовольственных и сельскохозяйственных наук, Университет Флориды. Получено 22 мая, 2011.
  18. ^ Фрайер, П Дж; Кристиан, Г. К.; Лю, В. (2006). «Как происходит гигиена: физика и химия уборки». Международный журнал молочных технологий. 59 (2): 76–84. Дои:10.1111 / j.1471-0307.2006.00249.x.
  19. ^ Флинт, S H; ван ден Эльзен, H; Брукс, Дж. Д.; Бремер, П. Дж. (1999). «Удаление и инактивация термостойких стрептококков, заселяющих нержавеющую сталь». Международный молочный журнал. 9 (7): 429–436. Дои:10.1016 / s0958-6946 (99) 00048-5.
  20. ^ Palmowski, L; Баскаран, К; Wilson, H; Уотсон, Б. (2005). «Чистота на месте - Обзор современных технологий и их использования в пищевой промышленности и производстве напитков». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)