Chương 2: Protein và thành phần

Chương 2: Protein

• Protein là đại phân tử cấu thành từ các L-α-amino acid.

Thành phần Protein trong Nguyên liệu

• Gan chứa 18-19% protein.
• Tim chứa 16-18% protein.
• Mô cơ thịt gia súc chứa 16-22% protein.
• Trứng (gà, vịt, chim cút) chứa 13-15% protein.
• Sữa bò chứa 3-5% protein.
• Thịt cá chứa 17-21% protein.
• Tôm chứa 19-23% protein.
• Mực chứa 17-20% protein.
• Lúa chứa 7-8% protein.
• Bắp chứa 8-10% protein.
• Đậu phộng và các loại đậu khác chứa 23-27% protein.
• Đậu nành chứa 34-40% protein.
• Hến chứa 4-5% protein.
• Sò chứa 8-9% protein.
• Ốc chứa 11-12% protein.
• Mọi chứa 13-16% protein.

Nguồn gốc Protein

• Từ động vật: hơn 70% khối lượng khô có trong thịt gia súc, gia cầm, cá, tôm, trứng, sữa, cua, tép, động vật nhuyễn thể.
• Từ thực vật: có trong hạt các loại đậu như đậu nành, đậu xanh.
• Từ vi sinh vật: tảo (Chlorella, Scenedesmus, Spirulina…), nấm mốc, nấm men và vi khuẩn (protein đơn bào SCP - single cell protein).

Chức năng sinh học của protein

• Xúc tác phản ứng.
• Cấu trúc tế bào.
• Bảo vệ cơ thể.
• Điều hòa, dự trữ dinh dưỡng, vận tải, vận động, dẫn truyền xung động thần kinh.

Vai trò dinh dưỡng

• Chế độ ăn cân bằng cho người lớn: 10-35% calo từ protein, 45-65% từ carbohydrate, và 20-35% từ chất béo.
• Lượng protein được khuyến nghị hàng ngày (RDA) là 0.8 gram protein/kg trọng lượng cơ thể.
• Một gram protein cung cấp 4 kcal.

Vai trò trong chế biến thực phẩm

• Tạo gel.
• Giữ bọt.
• Nhũ hóa.
• Tạo độ nhớt.
• Tạo màu.
• Tạo cấu trúc.

Amino Acid

• Amino acid là cấu tử cơ bản của protein.
• Amino acid là hợp chất hữu cơ mạch thẳng hoặc vòng.
• Phân tử amino acid có ít nhất một nhóm amin (-NH2) và một nhóm carboxyl (-COOH).
• Trong tự nhiên, amino acid chủ yếu tồn tại ở dạng L-α-amino acid.
• Có các loại amino acid: phân loại theo cấu tạo và theo giá trị dinh dưỡng.

Phân loại amino acid theo cấu tạo

• Nhóm 1: Monoamino monocarboxylic – 7 acid amin.
• Nhóm 2: Diamino monocarboxylic – 2 acid amin.
• Nhóm 3: Monoamino dicarboxylic – 2 acid amin.
• Nhóm 4: Amide của amino acid dicarboxylic – 2 amide.
• Nhóm 5: Acid amin chứa S – 3 acid amin.
• Nhóm 6: Acid amin nhân thơm – 2 acid amin.
• Nhóm 7: Acid amin dị vòng – 4 acid amin.
• Tổng cộng có 20 amino acid + 2 amide.

Nhóm 1: Monoamino monocarboxylic (7 amino acid mạch thẳng)

• Gồm Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Serine, Threonine.

Nhóm 2: Diamino monocarboxylic (2 acid amin)

• Gồm Lysine và Arginine

Nhóm 3: Monoamino dicarboxylic (2 acid amin)

• Gồm Acid Aspartic và Acid Glutamic

Nhóm 4: Amide của amino acid dicarboxylic (2 amide)

• Gồm Asparagine và Glutamine

Nhóm 5: Acid amin chứa S (3 acid amin)

• Gồm Cysteine, Cystine và Methionine

Nhóm 6: Acid amin nhân thơm (2 acid amin)

• Gồm Phenylalanin và Tyrosine

Nhóm 7: Acid amin dị vòng (4 acid amin)

• Gồm Histidine, Proline, Tryptophan và Hydroxyproline

Phân loại theo giá trị dinh dưỡng

• Acid amin thay thế (không thiết yếu): Glycine, Alanine, Serine, Cysteine, Proline, Tyrosine, Asparagine, Glutamine, Acid aspartic, Acid glutamic.
• Acid amin không thay thế (thiết yếu): cơ thể không tự tổng hợp được.
• Người lớn: 8 acid amin không thay thế (Valine, Leucine, Isoleucine, Threonine, Methionine, Lysine, Phenylalanine, Tryptophane).
• Trẻ em: cần thêm 2 acid amin (Arginine, Histidine) ngoài 8 acid amin trên.

Tính chất của amino acid

• Tính hòa tan:
  • Dễ tan trong dung môi phân cực (nước, ethanol…)
  • Không tan trong dung môi không phân cực (benzen, ether…)
• Phổ hấp thụ: Hấp thụ tia cực tím (240 – 280nm).
  • Khả năng hấp thụ tia cực tím của protein chủ yếu từ Tryptophane và Tyrosine.
  • Dùng để định tính và định lượng protein/peptide.
• Tính chất cảm quan: tạo vị (ngọt, đắng,…) cho sản phẩm giàu protein, đặc biệt là sản phẩm thủy phân như nước mắm, nước tương, phomai.
• Tính hoạt quang: có đồng phân L và D.
  • Trong tự nhiên gặp chủ yếu dạng L-α-amino acid.
• Tính điện ly lưỡng tính: Amino acid có tính chất lưỡng tính.
  • Trong môi trường acid: Amino acid tồn tại dạng cation.
  • Trong môi trường base: Amino acid tồn tại dạng anion.
  • pH đẳng điện (pI): pH mà tại đó tổng số điện tích trong phân tử amino acid bằng không.

Tính chất hóa học của amino acid

• Phản ứng do nhóm α-carboxyl và α-amine.
  • Phản ứng Ninhydrin: Khi gia nhiệt, α-amino acid tác dụng với phân tử ninhydrin tạo phức màu xanh tím.
• Phản ứng của nhóm α-carboxyl.
• Phản ứng của nhóm α-amine.
• Phản ứng do gốc R.

Các kiểu tương tác hóa học của Amino Acid

• Liên kết Peptide:
  • Là liên kết cộng hóa trị, được tạo thành từ nhóm -COOH của acid amin này với nhóm –NH2 của acid amin khác.
  • Có thể bị phá vỡ bằng acid, base mạnh hoặc enzyme.
• Liên kết hydro
  • là liên kết yếu, số lượng lớn.
  • Quan trọng trong hình thành cấu trúc không gian của protein
• Liên kết Disulfide:
  • Liên kết cộng hóa trị, rất bền vững.
  • Gắn kết các acid amin chứa S trong phân tử protein.
• Liên kết Ion: Còn gọi là liên kết tĩnh điện
  • Liên kết khá bền (160 KJ/mol).
• Liên kết Van der Waals
  • Liên kết giữa các nhóm R không phân cực của amino acid.
  • Liên kết này không bền (4÷8.5KJ/mol).

Peptide

• Định nghĩa: Chuỗi acid amin liên kết với nhau bằng liên kết peptide.
• Danh pháp: Acid amin có nhóm carboxyl tham gia vào liên kết peptide thì đuôi đổi thành "yl".
• Phân loại:
  • Dipeptide: 2 amino acid.
  • Tripeptide: 3 amino acid.
  • Tetrapeptide: 4 amino acid.
  • Oligopeptide: ≤10 amino acid.
  • Polypeptide: >10 amino acid.
• Tính chất: Phản ứng Biuret, Sanger, Edman, Thủy phân.

Protein

• Protein: peptide → protein
• Phân loại:
  • Dựa vào thành phần hóa học:
    • Protein thuần (đơn giản): Albumin, Globulin, Prolamin, Glutelin, Histone.
    • Protein phức tạp: Nucleoprotein, Chromoprotein, Hemoglobin, Lipoprotein, Glycoprotein, Phosphoprotein, Metalloprotein.

Cấu trúc của protein

• Cấu trúc bậc 1:
  • Là chuỗi các acid amin liên kết với nhau bằng liên kết peptide
• Cấu trúc bậc 2:
  • Là cấu trúc không gian của chuỗi peptide, nhờ liên kết hydro (trên mạch chính) giữa các amino acid gần nhau.
  • Có hai dạng: xoắn alpha (α) và gấp khúc beta (β).
  • Cấu trúc xoắn α: Có trật tự, bền vững, tương tự lò xo.
    • 18 gốc thì tạo được 5 vòng (mỗi vòng xoắn có 3,6 gốc amino acid).
    • Đường kính biểu kiến của xoắn ốc (không kể đến các mạch bên R) vào khoảng 0,6nm.
    • Khoảng cách giữa các vòng (hoặc là 1 bước) là 0,54nm.
    • Góc xoắn là 26°. Có thể có xoắn phải và xoắn trái (ngược chiều kim đồng hồ).
  • Cấu trúc gấp nếp β: Được tạo thành nhờ liên kết Hydro trên 2 hay nhiều sợi β (β-strands).
• Cấu trúc bậc 3: Tương tác trong không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong mạch polypeptide.
  • Các liên kết: lực Van der Waal, liên kết ion, liên kết cầu disulfide (-S-S-), liên kết hydro của các nhóm bên (R).
• Cấu trúc bậc 4: Chứa từ 2 mạch polypeptide trở lên, mỗi mạch polypeptide gọi là một tiểu đơn vị (subunit).
  • Các tiểu đơn vị gắn với nhau nhờ các tương tác: lực Van der Waals, liên kết ion, liên kết Hydro (không có liên kết disulfur).
  • Phân tử protein có cấu trúc bậc 4 có thể phân ly thuận nghịch.

Tính chất của protein

• Protein mang một số tính chất của amino acid cấu tạo nên và được đặc trưng bởi nhóm R.
• Protein có những tính chất hoàn toàn khác amino acid, phụ thuộc vào liên kết peptide, cấu trúc không gian của protein.
• Khối lượng phân tử lớn.
• Hình dạng: hình cầu, bầu dục, hình sợi.
• Quang học: Dung dịch protein có phổ hấp thu tử ngoại ở hai vùng sóng 180 – 220nm & 250 – 300nm.
• Tính lưỡng tính.
  • pH môi trường < pI: phân tử protein thể hiện tính base.
  • pH môi trường > pI: phân tử protein thể hiện tính acid.
  • pH môi trường = pI: protein dễ dàng kết tụ.
  • Mỗi protein có pI khác nhau.
• Tính hòa tan và kết tủa: Các protein có cấu trúc bậc 3, 4 (dạng cầu), khi đó mạch peptide cuộn chặt lại, các gốc kỵ nước quay vào trong, các gốc ưa nước ở phía ngoài.
• Màng nước hay lớp vỏ hydrate: dung dịch keo

Phương pháp kết tủa protein

• Làm trung hòa điện của phân tử protein (thay đổi pH đến pI).
• Thêm muối trung tính như (NH4)2SO4 hoặc dung môi hữu cơ (acetone, ethanol).
• Tăng nhiệt độ để loại bỏ lớp màng nước.
• Kết tủa thuận nghịch: Sau khi loại bỏ yếu tố kết tủa, protein hồi phục lại dung dịch keo ban đầu.
• Kết tủa không thuận nghịch/Biến tính: Protein mất một số tính chất ban đầu sau khi loại bỏ yếu tố kết tủa.

Sự biến tính protein

• Nguyên nhân: phá vỡ các tương tác Van der Waals, liên kết Hydro hoặc khử cầu disulfide.
• Hậu quả: phân tử protein bị duỗi ra, làm thay đổi tính chất (tính tan, khả năng giữ nước, hoạt tính sinh học,...).
• Yếu tố gây biến tính: nhiệt độ, xử lý cơ học, bức xạ tia cực tím, pH cực cao hoặc thấp, ion kim loại, dung môi hữu cơ.

Tính chất công nghệ protein

• Khả năng tạo gel: xảy ra khi các phân tử protein bị biến tính tập hợp lại thành mạng lưới không gian có trật tự.
  • Các nút mạng gel có thể được hình thành bởi liên kết hydro, tương tác kỵ nước, liên kết tĩnh điện hoặc cầu nối disulfide.
• Khả năng tạo màng: ví dụ lớp lipoprotein (tàu hủ ky) hình thành khi đun nóng sữa đậu nành.
• Khả năng tạo bột nhão.
• Khả năng nhũ hóa.
  • Protein tham gia vào quá trình nhũ hóa, giúp hình thành và ổn định nhũ tương.
• Khả năng tạo bọt: protein hoạt động bề mặt hòa tan (lòng trắng trứng, đậu nành) tạo hệ phân tán của các bọt khí.
• Khả năng cố định mùi vị: protein có thể hấp phụ lý học hoặc tương tác với các chất mùi.