Digitally signed by Biblioteca UTM Reason: I attest to the accuracy and integrity of this document

Universitatea Tehnic a Moldovei Facultatea Tehnologie i Management n Industria Alimentar Catedra Tehnologia conservrii

Chimia Produselor AlimentareCiclu de prelegeri Partea II

Chiinu U.T.M. 2008

Ciclul de prelegeri a disciplinei Chimia produselor alimentare este destinat studenilor specialitilor: 541.2 - Tehnologia produselor alimentare, 541.1 - Tehnologia i managementul alimentaiei publice i 552.2 - Biotehnologii industriale a Facultii Tehnologie i Management n Industria Alimentar. Materialele prelegerilor sunt selectate i expuse n conformitate cu programul de nvmnt al specialitii 541.2 - Tehnologia produselor alimentare. n scopul elucidrii mai detaliate a unor probleme complexe referitor la proprietile funcionale ale substanelor chimice n compoziii alimentare, n materialele prelegerilor sunt incluse suplimentar unele informaii din disciplinele biochimia, chimia fizic, microbiologia i tehnologia alimentar. De asemenea, prelegerile propuse conin informaii despre modificrile compuilor chimici ai alimentelor n fluxul de producie i la pstrare, caracteristici fizicochimice, indicii proprietilor senzoriale ai produselor alimentare. Partea a doua a ciclului de prelegeri include trei teme din programul de nvmnt. n continuare va fi publicat i partea a treia a prelegerilor Chimia produselor alimentare, care va cuprinde urmtoarele dou teme. Ciclul de prelegeri se adreseaz studenilor cu forma de nvmnt la zi i cu frecven redus. Autori: prof. univ. dr. habilitat P. Tatarov dr. conf. univ. L. Sandulachi Redactor responsabil : prof. univ. dr. habilitat P. Tatarov Recenzent: conf. univ. Grigore Mustea Redactor: Irina Enache ____________________________________________________

Bun tipar 26.11.2008 Formularul hrtiei 60x84 1/16 Hrtie ofset. Tipar RISO Tirajul 250 ex. Coli de tipar 8,0 Comanda nr. 116 U.T.M., 2004, Chiinu, bd. tefan cel Mare i Sfnt, 168 Secia Redactare i Editare a U.T.M. 2068, Chiinu, str. Studenilor, 9/9U.T.M., 2008

2

Prefa Chimia alimentar este o ramur a tiinelor chimice de valoare fundamental i aplicativ. Obiectivele i coninutul chimiei produselor alimentare sunt specificate n funcie de aria aplicrii n diferite ramuri cu diverse particulariti: n nutriie, toxicologie, chemometrie, farmaceutic, agricultur, biotehnologie i tehnologie chimic. Coninutul i obiectivele principale ale disciplinei chimia produselor alimentare, cu particularitile aplicrii n tehnologia alimentar sunt: compoziia chimic a alimentelor, semifabricatelor i a materiilor prime; substane biologic active, aditivi alimentari, substane strine n alimente; proprietile funcionale a compuilor chimici i influena lor asupra valorii nutritive i calitii senzoriale a alimentelor; modificrile compuilor chimici ai alimentelor n fluxul de producie, n timpul pstrrii produselor finite.

Tematica disciplinei chimia produselor alimentar include fenomene de interaciune ntre diveri compui chimici n compoziii alimentare, principii i metode de analiz a alimentelor. Chimia alimentar este o tiin n continu dezvoltare. Realizrile tiinifice ale chimiei alimentare tot mai larg ptrund n tehnologia i ingineria alimentar. Chimia alimentar are un rol determinat fa de obiectivele tehnologiei alimentare, inclusiv biotehnologiile utilizate n industria alimentar.

3

Tema 4. PROPRIETILE FIZICO CHIMICE I FUNCIONALE ALE PROTEINELOR Proteinele incluse n clasa macronutrimenilor sunt substane chimice de baz ale produselor alimentare. Cele mai importante surse de proteine n alimentaia omului prezint produsele din carne, pete, produsele lactate, produsele din cereale i legume. Proteinele sunt compui naturali sau sintetici, cu structur macromolecular. n procesul de hidroliz ei se transform n aminoacizi. Dup caracteristicile sale fizicochimice i polifuncionale, proteinele determin calitatea nutritiv i proprietile senzoriale ale produselor alimentare. 4.1. Aminoacizii Proteinele i peptidele reprezint una din cele mai importante clase de polimeri i biopolimeri naturali. Ele sunt constituite din aproximativ 20 25 de resturi de aminoacizi cu catene liniare i ciclice. Legturile specifice ale structurii primare a macromoleculelor de proteine sunt de tipul peptidic reprezentate prin:- CO NH -

n macromoleculele proteinelor se conin i alte tipuri de legturi: covalente, esterice, tioesterice, puni disulfidice i legturi de hidrogen. Proteinele de origine animal i vegetal manifest diferite proprieti, avnd rol structural, funcional sau catalitic. Aminoacizii sunt compui chimici monomoleculari bifuncionali, cu proprieti amfotere. Formula general a aminoacizilor naturali de tip alfa () poate fi prezentat astfel:R - CH - COOH NH2

unde R este un radical organic. 4

Prezena n moleculele aminoacizilor a celor dou grupe funcionale - COOH i - NH2 , determin caracterul acid i bazic, n funcie de valoarea pH a mediului :H3N+ R COOH H3N+ R COO H2N R COO

forma cation pH 1,0

forma amfion pH 7,0

forma anion pH 11,0

Aminoacizii n stare solid se afl sub form de amfion. n stare solubil, n funcie de valoarea pH-ului, aminoacizii pot fi sub form de anioni (pH 10,0...11,0) sau de cationi (pH 1,0...2,0). Exist o valoare intermediar a pH ului la care concentraia anionilor i cationilor devine egal i predomin forma amfin sau bipolar. Proprietile fizico-chimice i funcionale ale aminoacizilor liberi depind de natura radicalului organic R. Aminoacizii n funcie de polaritatea radicalilor organici se divizeaz n: aminoacizi cu radicali nepolari (hidrofobi); aminoacizi cu radicali polari neutri (ne ncrcai); aminoacizi cu radicali polari i sarcini pozitive; aminoacizi cu radicali polari i sarcini negative.

Clasificarea aminoacizilor dup polaritatea radicalilor organici permite identificarea nu numai a activitii chimice a radicalul R, dar i a proprietilor fizico-chimice a macromoleculelor proteice.

5

Tabelul 4.1. Aminoacizi cu radicali nepolari (hidrofobi )Denumirea aminoacidului Prezentarea conform IUPAC Structura radicalilor (R) nepolari Valoarea pH

R

CH N + H3

COO

Alanina

Ala

CH3CH3 CH3CH3 CH3CH3

6.02CH

Valina

Val

5.97CH 2

Leucina

Leu

CH

5.98

Izoleucina Prolina

Ile Pro

CH2

CH CH3

6.02 6.30

H2C H2C H2C CH NH

Fenilalanina

PheC

CH2

5.48

Triptofan

Trp

CH2

N CH H

5.88

Metionina

Met

CH3

S

CH2

CH2

5.06

6

Proprietile specifice ale aminoacizilor cu radicali nepolari (R) (hidrofobi) sunt apreciate prin solubilitatea redus n ap. Din numrul total al aminoacizilor nepolari - alanina manifest cel mai mic grad de activitate hidrofob. Aminoacizii care conin radicali polari neutri sau radicali polari cu sarcini, manifest solubilitate mai mare comparativ cu aminoacizii nepolari, datorit faptului c gruprile lor polare, prin legturi de hidrogen i interaciuni de tipul dipol - dipol, se hidrateaz. Tabelul 4.2. Aminoacizi cu radicali polari i sarcini negativeDenumirea aminoacidului Acid a s p a r t i c Acid g l u t a m i c Prezentarea conform IUPAC Asn Glu Structura radicalilor polari (R ) cu sarcin negativOOCOOC

Valoarea pH 2,98 3,22

CH2CH 2 CH 2

Tabelul 4.3. Aminoacizi cu radicali polari neutri (nencrcai )Denumirea aminoacidului Prezentarea conform IUPAC 2 Structura radicalilor polari (R ) neutri Valoarea pH

R

CH N+ H3

COO

1

Glicina Serina Treonina

Gly Ser Thr 7HOCH2

3 HCH2CH OH

4

5,97 5,68 5,60

Tabel 4.3. (continuare)1 2 3HS CH2CH2

4

Cisteina Tirozina

Cys TyrHO

5,02 5,67

Asparagina

Asn

H 2N

C O

CH 2

5,41( CH2 )

Glutamina

Gln

H2 N

C O

2

5,70

Tabelul 4.4 Aminoacizi cu radicali polari i sarcini pozitiveDenumirea aminoacidului Prezentarea conform IUPAC Structura radicalilor Valoarea polari (R) cu sarcin p H pozitiv

R

CH N+ H3

COO

Lizina Arginina Histidina

Lys Arg HIS

H 2N

( CH2 )3NH NH

CH2( CH2 )2

9,74 10,76 7,59

H2N C

N N H

CH2

n funcie de valoarea biologic, aminoacizii sunt clasificai n aminoacizi eseniali i aminoacizi neeseniali. 8

Aminoacizi eseniali nu pot fi sintetizai de organismul uman, prin reacii biochimice, ei pot fi formai numai n plante i n unele specii de microorganisme. Prezena lor n regnul animal se datoreaz hranei vegetale. Lipsa aminoacizilor eseniali n alimentaia omului i a animalelor provoac dereglri metabolice similare bolilor de carene. Tabelul 4.5 Lista aminoacizilor esenialiDenumirea aminoacidului Prezentar ea conform IUPAC Phe Structura chimic a aminoacidului

Fenilalanina

CH2 CHNH2

COOH

Histidina

HIS

N N H

CH2

CH NH2

COOH

Leucina

Leu

CH3 CH3 CH CH 2 CH COOH NH2

Izoleucina Treonina Metionina Lizina

Ile Thr Met Lys

CH3 CH2

CH

CH COOH

CH3 NH2CH 2 CH OHCH 3 S

CH NH 2

COOH

CH2 CH2

CH NH2

COOH

H2N

( CH2 )3 CH2 CH COOHNH2

9

Tabelul 4.5. (continuare)Triptofan TrpHSC N CH H CH2CH NH2 COOH

C i s t e i n a, (inlocuibil ) Tirozina (inlocuibil)

Cys Tyr

CH2

CH NH2

COOH

HO

CH2 CHNH2

COOH

Aminoacizii eseniali sunt: valina, leucina, izoleucina, fenilalanina, treonina, metioninalizina i triptofanul. Cisteina i tirozina prezint aminoacizi eseniali nlocuibili. Evaluarea calitii nutriionale a proteinelor se efectueaz n baza coninutului sumar al aminoacizilor cu sulf (metionina + cisteina) i aromatici (fenilalanina + tirozina). Aminoacizi neeseniali sunt aminoacizi care pot fi sintetizai de organismul uman i animal. Aceast categorie include: alanina, acidul asparic, acidul glutamic, serina, arginina, prolina . a. n prezent un numr de aminoacizi eseniali i neeseniali (metionina, lizina, acizii glutamic, aspartic) se obin prin sinteza chimic sau biochimic n ntreprinderile specializate. Ei se utilizeaz n industria alimentar i farmaceutic pentru fabricarea alimentelor mbogite cu aminoacizi eseniali i pentru obinerea preparatelor farmaceutice.

10

Tabelul 4.6 Coninutul aminoacizilor eseniali n structura unor proteine (n % )Protein etalon Proteinele Cazeina musculara omului 6 2,3 2,3 3 0,6 2,5 3,1 0,9 9,9 4,7 2,8 1,8 4,6 8,1 4,7 4 2,2 din zerul laptelui grului de ou 8,8 6,6 5,5 5,1 6,4 10 1,5 Aminoacizi eseniali Leucin Izoleucin Metionina Cisteina Treonina Lizina Fenilalanina Tirozina Triptofan

7 4 3,5 3,5 4 5,5 6 6 1

9 6 2,8 0,34 4,9 8,2 5 6,3 1,7

12,3 6,2 2,3 3,4 5,2 9,1 4,4 3,8 2,2

4.2 Peptide Substanele naturale sau sintetice construite dint-un numr relativ mic de aminoacizi se numesc peptide. Ele sunt compui intermediari ntre aminoacizi i proteine, avnd n vedere masa molecular. Peptidele care conin n molecula sa resturi de aminoacizi n numr de di, tri, tetra pn la zece se numesc oligopeptide. Polipeptidele prezint compui de condensare a unui numr superior de aminoacizi (100), cu masa molecular pn la 10000. Structura moleculei de tripeptid n mod general se prezint astfel: 11

R1 H 2N CH R CO NH CH CO NH CH R2 COOH

unde R, R1 i R2 sunt radicalii organici ai aminoacizilor. De exemplu, tripeptida - glutation, format din resturi de glicin, cistein i acid glutamic, datorit proprietilor sale de a trece reversibil din form redus (G-SH) n form oxidat (G-S-SG), joac un rol important n reaciile de oxidoreducere:NH2 HOOC CH CH2 CH2 CO CH2 NH NH CH CO CH2 SH

COOH

Glutation, forma redus Componentul activ al glutationului este restul al aminoacidului cisteina, care conine n form redus gruparea sulfhidril (-SH). n urma degajrii hidrogenului pe cale neenzimatic, sau pe calea enzimatic, catalizat de glutationreductaz, glutationul se transform n form oxidat cu formarea legturii covalente disulfidice ( - S - S - ):2H G SH G S S G

+2H

Unele peptide naturale cu activitate biologic sunt incluse n clasa antibioticilor. De exemplu, grammiidina S, separat din celule Bacillus brevis, manifest activitate biologic de antibiotici. n industria alimentar se utilizeaz aspartamul. Aceast substan, format din acidul L-aspartic i eter metilat a fenilalaninei, a fost sintetizat prin metoda ingineriei genetice. Aspartamul are grad de gust dulce de sute de ori mai

12

puternicHOOC CH2

comparativCH NH 2 CO

cuNH CH CO

gustulCH2 OCH3

dulce

al

zaharozei.

Aspartam

Aspartamul se folosete ca edulcorant al unor produse alimentare. In organismul uman aspartamul se descompune uor n doi aminiacizi liberi. Peptidele sunt solubile n ap. Prin interaciuni cu acizi i baze se obin sruri solubile. Unele peptide, n prezena electroliilor la nclzire sau sub aciunea enzimelor, pot precipita. O caracteristic de baz a peptidelor este capacitatea lor de a hidroliza. n urma hidrolizei se descompun legturile peptidice cu formare a unor compui intermediari care au grad de policondensare mai mic dect cel al peptidelor iniiale. De menionat c peptidele se descompun complet pn la formarea aminoacizilor liberi. 4.3 Proteinele Macromoleculele de proteine sunt formate din resturi de aminoacizi (mai multe de 90), care au masa molecular mai mare de 50000. Proteinele manifest proprieti comune i specifice de care depind multe funcii importante ale organismelor vii, a materiilor prime, precum i a produselor alimentare. Molecula de proteine conine catene polipeptidice lungi, formate din resturi de aminoacizi unite ntre ele prin legturi peptidice (- CO NH -). Proprietile chimice, fizico-chimice i funcionale ale proteinelor depind de structura macromoleculelor:

13

d

bCH3 H2N CHCH2 SH

CH 2CO NH CH CH2

CO

NH

CH

CO

NH

CH

COOH

n

OH

a

c

Fig. 4.1 Fragmentul catenei polipeptidice al moleculei de protein, format din resturi de aminoacizi: a cisteina, b alanina, c serina, d fenilalanina Structura primar determin numrul de resturi de aminoacizi n catena polipeptidic, care sunt aranjate consecutiv prin intermediul legturilor peptidice. Macromoleculele sunt formate din aminoacizii neeseniali i eseniali, cu radicali polari i nepolari. Structura secundar reprezint lungimea i forma a dou lanuri polipeptidice, aranjate sub form de spiral, stabilizate prin legturi de hidrogen. Catenele polipeptidice pot fi lungi sau foarte lungi, cu fragmente rsucite sau pliate. Legturile de hidrogen intramoleculare se stabilesc ntre gruprile carbonil (CO =) i gruprile amino (NH2 -). Structura secundar este asigurat de legturile de hidrogen i de alte tipuri de legturi slabe (Fig. 4.2 ). Structura teriar reprezint modul de unire a mai multor lanurilor polipeptidice cu formarea fibrelor sau particulelor proteice. Aceste structuri complexe proteice sunt stabilizate prin diferite legturi ntre resturile R ale aminoacizilor. Structura teriar se realizeaz prin legturi covalente i prin mai multe legturi relativ slabe (legturi de hidrogen, ionice, legturi hidrofobe). Legturile slabe joac un rol deosebit n formarea structurii teriare a proteinelor (Fig. 4.2). 14

Structura cuaternar este constituit din mai multe lanuri polipeptidice care prezint combinaii de molecule cu diferit structur primar, secundar i teriar, asociate ntre ele n nite agregate macromoleculare policatenare. Lanurile acestei structuri polimoleculare proteice sunt unite ntre ele prin multiple legturi slabe necovalente, asigurnd stabilitatea macromoleculelor policatenare.C=OC OH O

NH

1 2345

HO

CH 2 NNH

OH

+ NH 3 CH 3 CH CH 3

O C O CH 3

6Fig. 4.2 Schema legturilor relativ slabe n formarea structurii teriare a proteinelor Legturi de hidrogen (1, 2, 3): 1 - legturi ntre gruprile peptidice; 2 i 3 ntre gruprile polare; Legturi ionice (electrostatice): 4 - ntre resturi de aminoacizi lizina, cu sarcin pozitiv i acid aspartic, cu sarcin negativ, Legturi hidrofobe: 5 leucina i alanina, 6 - fenilalanina fenilalanina. Structurile complexe proteice conin un numr extrem de mare de legturi de hidrogen, legturi ionice i hidrofobe. Energia 15

separat a acestor legturi este mic comparativ cu energia legturilor peptidice sau disulfidice. ns datorit numrului destul de mare al legturilor, energia lor sumar asigur stabilitatea macromoleculelor native. De menionat c legturile de hidrogen i cele ionice particip i la formarea unor combinaii a proteinelor cu ali compui organici. De exemplu, n urma reaciilor enzimatice se formeaz complexe de tip substrat enzim. 4.3.1 Clasificarea proteinelor

Exist mai multe metode de clasificare a proteinelor: dup proprietile lor fizico-chimice, n funcie de solubilitate (solubile i insolubile n ap) i n funcie de compoziia chimic. n funcie de compoziie i proprietile chimice se cunosc proteine simple, formate numai din resturi de aminoacizi i proteine conjugate, care includ att componente proteice ct i componente neproteice. Proteinele conjugate se numesc protide (metaloproteide, glicoproteide, fosfoproteide, lipoproteide). In general, proteinele produselor alimentare sunt extrem de variabile n ceea ce privete structura primar, coninutul n aminoacizi, proprietile fizico-chimice, funcionale i valoarea nutritiv. Proteinele produselor alimentare pot fi divizate n dou grupe: - Proteine de origine animal; - Proteine de origine vegetal. Dup proprietile funcionale proteinele se mpart n dou grupe din punct de vedere al solubilitii - proteinele solubile i proteinele insolubile. Proteinele de origine animal Proteinele solubile din snge: Hemoglobina (protein colorat n rou), globuline i albumine. 16

Proteinele din muchi: miogenul, globulina X, stroma muscular, mioglobina, miosina, actina . a. Proteine insolubile de origine animal sunt proteine fibroase, cu valoare nutritiv redus. Ele nu sunt hidrolizabile enzimatic, ( colagenul, elastina, keratina, fibroina).Proteinele miofibrilare( 55 . . 60 % ) , miozina , actina

tropomiozina

Proteinele musculare( 80 . . .90 %) Proteinele

sarcoplasmatice Proteinele crnii( 25 . . 30 % )

mioalbumina, mioglobulina, mioglobina,

miogen colagen,

Proteinele conjunctive ( scleroproteine 10 . .20% )

reticulin,elastin ,

fibroina, keratina

Fig. 4.3. Proteine principale ale crnii Proteinele din lapte sunt: cazeina (fosfoproteid), lactoalbumina, lactoglobulina Cazeina este protein principal ale laptelui. Structura chimic a cazeinei este specific i reprezint complexe de macromolecule proteice agregate ntre ele prin puni formate din resturi de acid fosforic i cationii de calciu.O O Ca OH O P OH O Ca HO O P O O CH2

Rmolecula de cazein

H2C O

P O

Rmolecula de cazein

puntea de fosfat de calciu

17

Sunt cunoscute mai multe tipuri de cazeine: -cazein, cazein, -cazein. Proteinele de origine vegetal sunt divizate n patru grupe, n funcie de solubilitatea lor n diferite medii lichide. Albumine proteine cu masa molecular relativ mic, sunt solubile n ap i n soluii diluate de sruri; Globuline - sunt solubile n soluii de NaCl, cu concentraia 5,0 ... 10,0 %; De exemplu, proteina legumelina, din mazre, soia i alte specii de legume. Prolamine - sunt solubile n soluii de 60...80 % de alcool etilic. Prolaminele sunt principalele proteine ale cerealelor. De exemplu, proteina gliadina este partea component a glutenului din gru. n porumb se conine proteina numit zeina, n orz hordeina. Glutelinamine - sunt solubile n soluii de alcool etilic i NaOH de 0,1...0,2 % Glutelinaminele se conin n cereale. De exemplu, glutenina mpreun cu gliadina formeaz glutenul i d finurilor proprietatea de panificaie. Tabelul 4.7. Coninutul n proteine al unor produse alimentare Denumirea Coninutul Denumirea Coninutul alimentului n proteine, alimentului n proteine, % % Carne de porcin 11,0...15,0 Cartofi 2,0 ... 2,2 Carne de bovin 18,0....22,0 Caise, Viine Mere Prune Nut 0,7.. 0,9 0,3 ..0,5 0,7 ..0,9 19,0 .. 21,0

Carne de pasre 15,0....22,0 Pete refrigerat, 16,0 ... 21,5 congelat Lapte 1,5 ... 4,5

18

Tabelul 4.7 (continuare) Lapte praf 25,0 .. 38,0 Brnzeturi Ou 14,0 ...30,0 12,0 .. 13,0

Floarea soarelui Fasole Drojdii Ciuperci deshidratate Soia Fin de soia

19,0 .. 21,0 22,0 .. 25,0 45,0 .. 46,0 36,0.. 45,0 35,0 .. 43,9 50,0 ... 53,0

Produse de 4,5 ... 8,5 panificaie Mazre verde 3,5 ... 5,0 Varz Morcov Tomate 1,8 .. 4,8 1,2 .. 1,4 0,5 .. 0,7

Concentrat de 70,0 .. 75,0 soia Izolat din soia 95,0 .. 96,0

Calitatea proteinelor Proteinele de origine animal i vegetal manifest diferit valoare nutritiv. Calitatea biologic a proteinelor se apreciaz n funcie de coninutul aminoacizilor eseniali. Evaluarea calitii proteinelor se face cu ajutorul unor metode standardizate i aprobate de Comitetul internaional FAO / OMS. Valoarea biologic a proteinelor are un rol deosebit n aprecierea calitii produselor alimentare. Un indice de baz al calitii se consider echilibrul aminoacizilor din structura proteinelor, mai ales - coninutul de aminoacizi eseniali. Cele mai importante i utilizate sisteme de referin pentru aprecierea valorii proteinelor sunt: Protein etalon sau standard (RP Reference Protein) este o protein de nalt calitate nutriional, care are o compoziie echilibrat n aminoacizi eseniali, asigurnd n cantiti mici o 19

activitate normal a organismului uman. n scopuri practice ca etalon se folosesc proteinele din ou sau din lapte. Pentru un om matur se folosete lista aminoacizilor propus de Comitetul internaional FAO / OMS n funcie de proteina de etalon (Tabelul 4.8 ). Tabelul 4.8. Lista aminoacizilor de etalon pentru determinarea scorului chimic al aminoacizilor eseniali ai proteinelorDenumirea aminoacidului Izoleucin Leucin Lizin Metionin + Cistein Coninutul, mg n 1,0g de proteine 40 70 55 35 Total: Denumirea aminoacidului Fenilalanin + Tirozin Treonin Triptofan Valin 360 mg de aminoacizi Coninutul, mg n 1,0g de proteine 60 40 10 50

Indicele chimic (CS Chemical Score) reprezint raportul dintre coninutul fiecrui aminoacid esenial dintr-o protein examinat fa de coninutul aceluiai aminoacid ntr-o cantitate egal de protein etalon. Raportul se exprim procentual:mg. AE la 100 g proteina testCS =

mg. AE la 100 g proteina etalon

.

100(4.1)

unde AE este aminoacid esenial, mg; CS scorul chimic (indicele chimic), %. Dac indicele chimic al unui aminoacid esenial este cel mai mic, comparativ cu scorul (CS) aminoacizilor de etalon 20

(Tabelul 4.7) , el se numete primul aminoacid limitat. Valoarea CS a aminoacidului limitat determin valoarea biologic i gradul de disponibilitate al proteinei n ansamblu. De exemplu, 1,0 g de protein testat a unui produs alimentar conine (n mg): izoleucin 45; leucin 75; lizin 40; metionin + cistein 25; fenilalanina + tirozina 70; treonin 38; triptofan 11; valin 50. Calculnd CS, obinem c primii aminoacizi limitai sunt: metionin + cistein CS = 71 %; lizin CS = 73 % i treonina cu CS = 95 %. Indicele chimic difereniaz alimentele sub aspectul lor proteic i al valorii lor nutritive. Proteinele de origine animal i vegetal se deosebesc dup valoarea lor nutritiv. Compoziia aminoacizilor proteinelor de origine animal este destul de apropiat de compoziia aminoacizilor organismului uman. Proteinele din carne, pete, lapte i ou conin toi aminoacizii eseniali i conform calitii aparin clasei I. Proteinele vegetale se caracterizeaz prin coninut inferior al unor aminoacizi eseniali, n special coninutul n lizin, triptofan, treonina. Dup calitate ele corespund clasei a III-a (Tabelul 4.9 ). Tabelul 4.9. Clasificarea nutriional a proteinelor alimentareClasa proteinelor 1 Clasa I Caracteristica proteinelor biochimic 2 Conin toi aminoacizii eseniali n proporii apropiate de cele necesare organismului omului biologic 3 Au cea mai mare eficien n promovarea creterii, pe care o pot ntreine, chiar cnd aportul este mai redus. 4 Proteine de origine animal: ovovitelina, ovoalbumina, lactalbumina, mioalbumina, globulina, cazeina, miozina, actina etc. Exemple

21

Tabelul 4.9. (continuare)1 Clasa II 2 Conin toi aminoacizii eseniali, dar nu n proporie corespunzto are, 1-3 gsindu-se n cantiti mai reduse 3 Pentru ntreinerea creterii sunt necesare cantiti aproape de dou ori mai mari i adaosul ponderal este mic, dar la adult pot menine bilanul azotat 4 Proteine vegetale: glicina, leucozina, glutenina, gliadina, legumelina etc.

Clasa III

Absena 1-2 aminoacizi eseniali (triptofan, treonina, lizin) d dezechilibru pronunat

Oricare ar fi Colagenul, zeina coninutul lor, nu pot ntreine creterea i nici echilibrul azotat

4.4. Proprietile fizico chimice ale proteinelor De menionat c pentru produsele alimentare cele mai importante proprieti fizico-chimice ale proteinelor sunt: - interaciunea proteinelor cu ap, - valoarea pH a proteinelor, - denaturarea proteinelor. Interaciunea proteinelor cu ap. Proteinele, fiind substane polimoleculare, formate din resturi de aminoacizi polari i nepolari, manifest capacitatea de a interaciona cu moleculele de ap (Tema 2, Apa n produsele alimentare, p. 46 47). Particularitile structurii proteinelor influeneaz caracterul lor de interaciune cu moleculele de ap. Gruprile 22

polare ale macromoleculelor proteice prin interaciuni de tip dipol-dipol i puni de hidrogen leag moleculele de ap, devenind hidratate. Gruprile nepolare ale proteinelor, prin interaciuni hidrofobe, formeaz straturi moleculare de ap strict orientate n jurul fragmentelor nepolare. Prin urmare putem meniona c ntr-o macromolecul de protein fragmentele polare leag apa, concomitent, fragmentele nepolare, hidrofobe, resping moleculele de ap i devin deshidratate cu capacitate de solubilitate. Valoarea pH a proteinelor. Una din caracteristicile importante ale proteinelor este valoarea pHului. n funcie de pH macromoleculele proteice pot fi ncrcate pozitiv sau negativ. Sarcina electric a macromoleculei depinde de coninutul resturilor de aminoacizi cu grupri libere. Raportul dintre sarcina sumar electronegativ a gruprilor carboxil disociate (-COO -) i sarcina sumar electropozitiv a amino gruprilor (-NH3+) determin valoarea pH a proteinelor. Atunci cnd predomin gruprile carboxil (-COO-) macromolecula are sarcin negativ cu pH < 7,0. Cnd predomin coninutul amino gruprilor (- NH3+ ) macromolecula va fi electropozitiv, avnd valoarea pH>7,0. Sarcina electric a proteinelor depinde i de valoarea pH-ului mediului. n medii acide (pH < 7,0), macromoleculele de proteine se ncarc pozitiv, iar n medii alcaline (pH>7,0), macromoleculele proteice sunt ncrcate negativ. Practic toate proteinele solubile la o anumit valoare a pH-ului devin neutre, atunci cnd sarcina sumar electropozitiv i sarcina sumar electronegativ a macromoleculei proteice este egal. Valoare pH-ului la care se realizeaz egalitatea sarcinilor pozitive i a celor negative se numete punct izoelectric (pI). n punctul izoelectric sarcina electric complet a moleculei devine zero. De regul pI variaz n regiunea pH-lui de 4,4 .... 5,3. Este important c n punctul pI proprietile fizicochimice ale proteinelor se modific. Solubilitatea proteinelor devine minim. Egalitatea sarcinilor pozitive i negative conduce la interaciuni ntre moleculele de proteine de tip protein protein, 23

urmat de precipitarea lor n medii lichide i reducerea esenial a activitii chimice. Denaturarea proteinelor. Denaturarea proteinelor este un proces fizico-chimic de dezorganizare a structurii native spaiale a macromoleculelor proteice. n urma denaturrii se modific structura secundar, teriar i cuaternar a macromoleculei proteice, structura primar se pstreaz fr modificri.

starea nativ

starea denaturat

Fig. 4.4 Schema moleculei proteice native i denaturate n procesul de denaturare se desfac legturile responsabile de stabilizarea structurii secundare i teriare ale macromoleculei, ca consecin - catenele proteice devin deformate. De exemplu, macromolecula nativ, care are forma de spiral, n urma denaturrii se transform n molecul ntins (Fig.4.4) Mecanismul de denaturare a unei molecule proteice complexe poate include etape intermediare (Fig.4.5).

Fig. 4.5 Schema etapelor principale a procesului de denaturare a moleculei proteice. a starea nativ; b starea intermediar; c starea denaturat

24

n Fig. 4.5 se prezint denaturarea macromoleculei proteice native (a), prin starea intermediar (b) n starea final denaturat (c). Denaturarea proteinelor are loc n procesul tratamentului tehnologic al materiei prime i al semifabricatelor, ca urmare a modificrii caracteristicilor fizico-chimice a alimentelor. Denaturarea poate fi iniiat de parametrii procesului tehnologic i sub influena compuilor chimici. n dependen de parametrii tratamentului i caracteristicile fizico-chimice ale mediului este posibil renaturarea proteinei din stare intermediar n stare iniial, nativ. Parametrii procesului tehnologic care influeneaz denaturarea proteinelor: tratament termic (temperatura ridicat, congelarea prin aciunea temperaturii negative), radiaii ultraviolete, radiaii X,, aciunea fizic (agitarea intensiv ndelungat, ultrasunete ), presiuni ridicate. Compuii chimici care provoac denaturarea proteinelor: acizii i bazele, solvenii organici, srurile metalelor grele (Fe, Cu, Hg, Pb, Ag ), detergenii. n medii alimentare, denaturarea proteinelor n condiii reale, are loc sub aciunile mixte ale parametrilor tratamentului tehnologic i ale compuilor chimici ai mediului. Denaturarea proteinelor este un proces complex, care poate fi reversibil i ireversibil, n funcie de durata i intensitatea tratamentului aplicat. n mod general modificarea structurii secundare i teriare a macromoleculelor de proteine prin denaturare se prezint n felul urmtor:N k1 k-1 ND k2 D

unde N este starea nativ a moleculei, ND - starea intermediar ; D - starea denaturat a moleculei, k1, k-1, k2 - constantele de vitez a proceselor de denaturare i renaturare. 25

Din schema prezentat observm c transformarea moleculei proteice din stare nativ (N) n stare denaturat (D) are loc printr-o stare intermediar (ND). Starea intermediar ND, a proteinelor se formeaz numai prin dezorganizarea parial a structurii secundare i teriare a macromoleculei. Proteinele n stare ND nc i pstreaz capacitatea de restabilire a legturilor necovalente i a structurii iniiale. Acest fenomen este cauzat de diferena valorilor constantelor de vitez (k-1 i k2) a procesului de denaturare. Cnd k2 > k-1, denaturarea proteinelor devine ireversibil. n caz contrar, cnd k-1 > k2 denaturarea proteinelor va fi reversibil i conduce la restabilirea structurii native a moleculei proteice. Denaturarea reversibil a proteinelor poate fi observat n procesele de congelare a alimentelor la temperaturi extrem de sczute, mai mici de - 60 .. -70 o C, n procesul de pasteurizare a alimentelor la temperaturi +130 .. 140 0 C, timp de 60 .. 120 secunde. n cazul cnd tratamentul tehnologic al alimentelor este intensiv i de lung durat sau cnd n mediul alimentar concentraia agenilor chimici va fi majorat, predomin viteza procesului de denaturare. Constanta vitezei procesului de denaturare k-1, i pierde sensul din cauza c denaturarea proteinelor se petrece printr-o singur etap cu constanta K. Denaturarea proteinelor devine ireversibil :N k D

De exemplu, denaturarea ireversibil a proteinelor printr-o singur etap are loc n procesul tratamentului termic al alimentelor, la temperaturi t > 60 0C, cu o durat relativ lung (sterilizare, pasteurizare, concentrare, deshidratare . a.).Cele mai sensibile sunt proteinele de ou. Ele denatureaz la t = 65 0C cu formarea structurii de tipul gel. n urma tratamentului termic proteinele de gru, carne, soia, zerul de lapte se denatureaz cu formarea structurii gelificate. Sub aciunea temperaturii proteina insolubil colagenul se transform n gelatin, protein solubil, cu capacitatea de formare a structurii gelificate a produselor din 26

carne. Sunt unele proteine care nu se denatureaz prin tratament termic. De exemplu, proteina din lapte cazeina la tratament termic nu se modific prin denaturare i rmne stabil n laptele pasteurizat. Cazeina se denatureaz prin modificarea pH prin reducerea valorii pH la punctul izoelectric, pH 4,6. .4,8. Este posibil denaturarea ireversibil n urma modificrii valorii pH-ului alimentelor prin acidularea lor cu acizi organici. Proprietile proteinelor denaturate se modific n felul urmtor: pierd activitatea biologic (enzimele devin inactive); se reduce capacitatea de solubilizare, se reduce capacitatea de legare a apei, concomitent crete capacitatea de hidroliz enzimatic a proteinelor denaturate. Hidroliza proteinelor Reaciile de hidroliz conduc la transformarea structurii primare a proteinelor. n urma scindrii legturilor peptidice, macromoleculele proteice se descompun cu formarea polipeptidelor, peptidelor i aminoacizilor liberi:Proteine

+ H 2O

polipeptide aminoacizi

peptide

Hidroliza proteinelor are loc n procesul tratamentului tehnologic a materiei prime, n timpul depozitrii produselor finite n tehnologia prelucrrii laptelui, crnii se folosesc procese speciale pentru a accelera hidroliza proteinelor i acumula n alimente aminoacizi liberi (de exemplu, procesul de maturare a crnii, obinerea brnzeturilor . a.). Hidroliza proteinelor poate fi realizat prin aciunea acizilor, bazelor sau prin aciunea enzimelor proteolitice. De asemenea, n prezena microorganismelor, hidroliza proteinelor pn la formarea aminoacizilor liberi devine o etap preliminar a degradrii microbiologic a produselor alimentare n urma dezaminrii, decarboxilrii a aminoacizilor. n vivo hidroliza proteinelor asigur digestia proteinelor i asimilarea 27

lor. Se petrece hidroliza enzimatic prin aciunile tripsinei i pepsinei. 4.5 Proprietile funcionale ale proteinelor Calitatea alimentelor depinde de compoziia chimic, de coninutul substanelor chimice i de interdependena lor. Compuii chimici exercit diferite funcii n alimente. Proteinele conform proprietilor sale fizico-chimice i chimice sunt substane polifuncionale. Ele particip la formarea structurii reologice, influeneaz gustul i mirosul, determin valoarea nutritiv a alimentelor. Sub termenul proprietile funcionale a proteinelor se nelege impactul proteinelor n formarea texturii, proprietilor senzoriale i valorii nutritive a alimentelor. Cele mai importante proprieti funcionale ale proteinelor sunt: solubilitatea, capacitatea de reinere a apei, capacitatea de emulsionare i reinere a lipidelor, proprietatea de spumare, capacitatea de formare a gelurilor, proprietatea de texturizare. Proprietile funcionale sunt strns legate de caracteristicile fizico-chimice ale proteinelor: valoarea pH, masa molecular i solubilitatea lor n ap. Proteinele solubile manifest proprieti funcionale. Proteinele insolubile sau cu solubilitate redus sunt slab hidratate. Ele, de regul, nu au capacitatea de a forma compoziii alimentare cu viscozitate nalt, sau compoziii gelificate i emulsii. Este important de menionat, c proprietile funcionale ale proteinelor sunt influenate i de particularitile proceselor tehnologice aplicate la fabricarea i pstrarea alimentelor. Aciunea i activitatea proteinelor n produse alimentare concrete se realizeaz n dependen de metodele de procesare tehnologic, de parametrii proceselor tehnologice, de textur i proprietile compuilor chimici. 28

4.5.1 Solubilitatea proteinelor este una din cele mai importante proprieti funcionale. Solubilitatea se apreciaz prin determinarea coninutul de proteine n stare solubil n alimentul analizat. Solubilitatea proteinelor se caracterizeaz prin coeficientul, care reflect raportul dintre concentraia proteinelor solubilizate i concentraia total de proteine n compoziia alimentului, exprimat n procente. Gradul de solubilitate depinde de capacitatea de hidratare a proteinelor. Hidratarea este rezultatul interaciunii proteinelor cu moleculele de ap. Gradul de hidratare i de solubilitate al proteinelor este n funcie de valoarea pH i depinde de prezena srurilor. De exemplu, n cazul cnd valoarea pH corespunde punctului izoelectric pI, proteinele manifest cea mai mic solubilitate. Deplasndu-se de la punctul izoelectric, n mediul acid sau bazic solubilitatea proteinelor crete. n mediul acid proteinele au sarcina electric pozitiv datorit blocrii disociaiei gruprilor carboxil (-COOH). n mediul bazic proteinele au sarcin negativ, datorit blocrii disociaiei amino grupelor (-NH2), care manifest caracter bazic. n aceste condiii se desfoar interaciunea electrostatic de tip dipol dipol ntre ionii apei (H+, OH-) i gruprile polare proteice, localizate pe suprafaa macromoleculelor. Proteinele devin hidratate i se dizolv n ap. Exemple de proteine solubile: - albuminele din ou; - caseina din lapte ; - globulinele i albuminele din snge (hemoglobina, fibrinogenul); - proteinele din muchi (miogenul i miosina); - proteinele din cereale (gluteina din gru, zeina din porumb); - nucleoproteidele; - enzimele; - hormonii proteici (insulina). 29

Cum s-a menionat, prezena srurilor influeneaz solubilitatea proteinelor. Concentraiile mici de sare conduc la creterea solubilitii proteinelor. Acest fenomen este datorat majorrii ncrcrii electrice a proteinelor prin fixarea ionilor srii disociate i ca urmare, creterii gradului de hidratare. n medii cu concentraii ridicate de sare, cationii i anionii srii disociate se hidrateaz cu fore de atracie mai mari comparativ cu hidratarea proteinelor. Hidratarea puternic a anionilor srii favorizeaz interaciunile hidrofobe ntre fragmentele nepolare a moleculelor proteice, urmat de agregarea proteinelor prin formarea structurii de tip protein protein i precipitarea lor. De exemplu, soluiile de NaCl sunt utilizate pentru separarea din sisteme complexe a proteinelor care se deosebesc prin solubilitate. Gradul diferit de solubilitate al proteinelor servete drept baz n procedeele tehnologice de extragere i separare a anumitor proteine din materii prime, la obinerea concentratelor proteice i utilizarea lor n fabricarea produselor alimentare. Solubilitatea proteinelor ntr-o mare msur depinde de numrul gruprilor polare n structura macromoleculelor proteice. Aranjarea neuniform a gruprilor polare i hidrofobe (resturilor de aminoacizi) pe suprafaa proteinelor, determin particularitile proprietilor lor funcionale. Macromoleculele proteinelor dizolvate, n special prin interaciuni hidrofobe, se transform n structuri spaiale specifice. De exemplu, n urma interaciunii hidrofobe conformaia macromoleculele proteice cu structura desfurat se transform n configuraii de globul, (Fig. 4.6). n acest caz gruprile polare ale macromoleculei proteice se localizeaz pe suprafaa globulei, n timp ce gruprile hidrofobe, respinse de molecule de ap, prin interaciuni hidrofobe, sunt localizate n interiorul globulei.

30

Fig. 4.6 Schema transformrii moleculei proteice desfurat n molecul cu structur de globul Suprafaa globulei proteice care conine numai grupri polare este puternic hidratat. Globula proteic devine stabil n medii apoase. Suprafaa unui numr mare de globule proteice este format din grupri mixte - polare i hidrofobe (Fig.4.7). Fragmentele gruprilor polare se hidrateaz i conin molecule de ap legat. Concomitent gruprile nepolare (hidrofobe), aranjate pe suprafaa globulei, resping moleculele de ap i formeaz legturi cu gruprile hidrofobe a altor compui chimici. n aceste cazuri putem constata c globula proteic se hidrateaz parial. De exemplu, n medii care conin ap i lipide, gruprile polare a globulelor proteice se hidrateaz, dar gruprile hidrofobe prin interaciuni cu lipidele formeaz structuri cuaternare de tip protein + lipide. Structurile stabile parial hidratate protein + lipide sunt larg rspndite n materii prime, se conin n compoziiile produselor alimentare (salamuri, brnzeturi, unt . a.). Cu pierderea solubilitii proteinelor putem meniona, c n majoritatea cazurilor calitatea alimentelor se reduce. De regul, n urma tratamentului tehnologic (tratamentul termic, uscare, congelare, maturarea crnii . a.) solubilitatea i proprietile funcionale ale proteinelor se modific. 31

Fig. 4.7 Schema aranjrii pe suprafaa globulei proteice a gruprilor polare i hidrofobe. O gruprile polare, gruprile hidrofobe

Cu scderea solubilitii proteinelor se modific textura alimentelor, se reduce calitatea produselor lichide i a produselor gelificate. 4.5.2 Capacitatea de reinere a apei (CRA)

Modul de interaciune a proteinelor cu ap este specific pentru produsele alimentare solide. n acest context modalitatea hidratrii proteinelor n esutul muscular al crnii prezint un interes deosebit. Textura esutului muscular a crnii se caracterizeaz ca un sistem solid cu coninut de proteine structurate. Capacitatea de hidratare a proteinelor crnii se apreciaz prin indicele numit capacitatea de reinere a apei (CRA). Indicele CRA reflect coninutul de ap reinut n esutul muscular i se exprim n procente. CRA este influenat de coninutul i structura proteinelor.

Fig. 4.8 Schema structurii matriei de filamente cu coninut de ap imobilizat - apa imobilizat

32

Circa 75 % din apa total a crnii este imobilizat n structura miofibrilar, n special de filamentele actinei i miozinei (Fig. 4.8). Prezena efectelor de cretere sau descretere a capacitii de reinere a apei este determinat numai de coninutul apei libere, legat fizic, care posed mobilitate n esutul muscular. Cum s-a vizat mai sus, att structura proteinelor secundar, teriar i cuaternat ct i textura esutului muscular depinde de valoarea pH ului. La rndul su, capacitatea de hidratare i reinere a apei de ctre proteine este influenat de structura matriei de filamente a esutului muscular. Deci, rezult c una din cele mai importante caracteristici fizico-chimice ale proteinelor, care influenat capacitatea de reinere a apei, este valoarea pH. CRA a proteinelor n funcie de valoarea pH este variabil. Dependena CRA de valoarea pH a proteinelor este prezentat grafic n figura 4.9.90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 Valoarea pH

Fig. 4.9 Capacitatea de reinere a apei (CRA, %) de ctre proteinele crnii de bovin n funcie de valoarea pH ului Din graficul prezentat n Fig. 4.9 observm c cea mai mic valoare a CRA se obine n limitele pH 5,2 ... 5,3 . Aceste valori ale pH ului corespund punctului izoelectric ( pI ) al 33

CRA, %

proteinelor n esutul muscular. n punctul pI proteinele manifest cea mai mic solubilitate. Numrul de legturi ionice ntre proteine este maximal, (suma sarcinilor electronegative i electropozitive devine egal). Moleculele proteice se unesc prin interaciuni protein protein, ce duce la comprimarea matriei de filamente i scderea capacitii de reinere a apei (Fig. 4.10, b). n mediul acid, pH < 5,0 se observ majorarea CRA i predomin sarcina electric pozitiv a filamentelor proteice. n aceste condiii filamentele se resping i capacitatea de reinere a apei crete n urma ptrunderii apei n spaiul liber ntre filamente (Fig. 4.10, a). n mediul bazic, pH > 5,3...5,4 se observ cel mai mare CRA. Filamentele proteice devin ncrcate cu sarcina electric negativ. Deplasarea pHului n direcia majorrii valorii, conduce la creterea esenial a ncrcrii electrice negative a proteinelor. Prin urmare, filamentele proteice ncrcate se resping destul de puternic. n structura matriei de filamente se formeaz un spaiu liber majorat, ce duce la ptrunderea moleculelor de ap i creterea semnificativ a CRA crnii. (Fig. 4.10, c).

c a b Fig. 4.10 Schema structurii matriei de filamente a esutului muscular n funcie de valoarea pH a crnii: a) mediu acid, pH < 5,0 b ) n punctul izoelectric, pH ~ 5,2 ... 5,3 c ) mediu bazic, pH > 5,3...5,4

Prezint interes asupra efectului CRA a produsului influena mixt a valorii pH a proteinelor i coninutul de sare 34

NaCl . n general, CRA este maximal n mediu cu pH > 5,3...5,4 i coninutul de NaCl circa 5,0 %, ( 0,8 ... 1,0 Mol ), (Fig. 4.11).80 70 60 CRA, % 50 40 30 20 10 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Conce ntraia NaCl, M ol.

Fig. 4.11 Efectul influenii NaCl asupra (CRA, % ) a crnii de bovin n mediu cu pH > 5,3...5,4 Influena srii NaCl se realizeaz prin formarea puterii ionice a mediului. Puterea ionic a NaCl se determin cu relaia:

1 (4.2) ci 2 2 unde - este puterea ionic, ci concentraia molar a NaCl, Z valena ionilor Na+, Cl-. =CRA n mediu pH > 5,3...5,4, i = 0,4 . .0,5, este maximal, datorit formrii proteinelor puternic ionizate cu anionii de Cl-. Prin urmare, proteinele devin puternic ncrcate negativ, determinnd scderea interaciunii electrostatice dintre filamentele proteice vecine. Filamentele se resping i n spaiul liber dintre filamente ptrunde apa, formnd structuri puternic hidratate de tip protein ap. Atunci cnd concentraia NaCl va fi mai mare de 1,0 Mol, adiionarea cantitativ a anionilor de Cl- i cationilor Na+ de ctre 35

proteine devine practic egal. ncrctura electric a proteinelor tinde spre egalitatea sarcinilor pozitive i negative. n aceste condiii au loc interaciuni de dou tipuri: protein ap i protein protein. Formarea agregatelor proteice de tip protein protein conduce la o hidratare inferioar i scderea a CRA. Capacitatea de reinere a apei este o proprietate funcional a proteinelor din textura crnii, larg utilizat n tehnologia alimentar. R 4.5.3 Capacitatea de formare a gelurilor

Proteinele n stare solubil sau dispersat manifest capacitatea de a forma geluri. Gelificarea este un proces fizicochimic de transformare a soluiilor coloidale lichide n structuri cu textur de tip gel. Structura tridimensional a macromoleculelor de proteine st la baza formrii mediului gelificat. Mecanismul procesului de gelificare poate fi prezentat prin unele simplificri. Fragmentele hidrofobe ale macromoleculelor proteice prin interaciuni protein protein formeaz un fel de noduri ntre molecule. Concomitent fragmentele polare a acestor macromolecule se hidrateaz prin adiionarea moleculelor de ap. Deci, se formeaz structuri macromoleculare sub form de carcas, de tipul protein ap protein i ap protein - ap, legate ntre ele prin noduri. Structurile protein ap protein, prin fore de respingere electrostatice, menin moleculele proteice n stare ne coagulat. Aceste interaciuni determin transformarea soluiilor coloidale lichide n stare gelificat. Gelatina are capacitate universal de a forma geluri. Ea este o protein de origine animal, format din catene polipeptidice liniare , cu mas molecular diferit, fr gust i miros. Din 18 resturi de aminoacizi ai gelatinei circa 90 % sunt ionizate i 10 % sunt neutre (alanina, prolina), cu proprieti hidrofobe. Gelatina se dizolv bine n ap, n lapte, soluii de zaharoz, soluii de sare, la temperaturi mai mare de 400C. 36

Capacitatea de gelificare nu depinde de valoarea pH a mediului i de prezena altor ageni ca: zaharoza, cationii bivaleni. Condiiile necesare pentru formarea gelurilor sunt: concentraia de gelatin 2,0 . ..10,0 % i temperatura mai mic de 300C. Gelurile de gelatin la nclzire / rcire sunt termoreversibile. n industria alimentar se obin produse cu structur gelificat pe baza diferitor proteine, de exemplu, proteine din soia, proteinele laptelui cazeina, -lactoglobulina, proteine dispersate n soluii: colagenul, actomiozina, albumine .a.. De asemenea, proteinele pot forma geluri prin interaciuni cu polizaharidele. De exemplu, geluri de tip gelatina + pectina, cazeina + k-carrageenan .a. 4.5.4. Capacitatea de emulsionare i reinere a lipidelor Unele compoziii alimentare complexe care conin ap, grsime, substane hidro - i liposolubile prezint sisteme de tipul emulsii, cu viscozitate nalt sau cu structur solid. De exemplu, alimente din carne, lapte, cum ar fi: salamuri, smntn, brnzeturi, ngheat, sosuri, . a. n astfel de alimente complexe proteinele exercit funcia de stabilizare a structurii emulsiilor de tipul Apa /Lipide sau Lipide /Apa. Macromoleculele proteice formate din catene polipeptidice ionizate cu sarcini electrice, i fragmente neutre (hidrofobe), manifest capacitate dubl, de hidratare i de interaciuni hidrofobe. n compoziii complexe aceste macromolecule sunt orientate i aranjate ntr-un mod determinat. Prin agitarea intensiv a unor compoziii alimentare complexe de proteine, ap i grsimi, n urma hidratrii i interaciunii hidrofobe se formeaz structuri macromoleculare combinate. Pe suprafaa macromoleculelor de proteine i pe catenele polipeptidice ionizate se adiioneaz apa. Concomitent, fragmentele hidrofobe ale macromoleculelor proteice resping moleculele de ap i adiioneaz fragmentele hidrofobe ale lipidelor. 37

Compoziiile formate din proteine, ap i lipide sunt ordonate n felul urmtor: fragmentele polare ale proteinelor leag apa, n acelai timp fragmentele hidrofobe a macromoleculelor proteice leag lipidele prin interaciuni hidrofobe. Prin urmare moleculele lipidelor sunt reinute de macromoleculele proteice (Fig. 4.12 ).

Fig. 4.12 Schema structurii macromoleculei globulare de protein cu molecule adiionate de lipide. - gruprile polare, i - gruprile hidrofobe a moleculei de protein, moleculele de lipide cu coad hidrofob Prin mecanismul similar de reinere a lipidelor se formeaz emulsii de tipul Apa /Lipide sau Lipide /Apa. Pentru astfel de sisteme alimentare, care prezint baza structurii produselor finite, este important stabilitatea emulsiilor n timpul pstrrii. n general, proteinele sunt stabilizatori slabi n special pentru emulsiile de tip Apa /Lipide. Emulsiile Apa /Lipide se descompun uor din cauza capacitii dominante de hidratare a proteinelor. 4.5.5 Capacitatea de spumare a proteinelor

Spumele prezint sisteme dispersate cu coninut de bule de gaz ntr-o faz lichid sau solid, separate prin interaciunea substanelor tensioactive. Spumele se obin prin malaxarea mecanic a gazelor (aerului) n compoziii lichide proteice i agitare intensiv a mediului aerat. De asemenea, spumele se obin n urma formrii bioxidului de carbon la fermentarea aluatului sau prin reacii chimice cu utilizarea spumanilor. Produsele alimentare caracterizate ca spume sunt: frica, sufleurile, ngheata .a. Anumite proteine manifest capacitatea de a activa ca ageni tensioactivi i a forma spume n compoziii alimentare. 38

Spumele care prezint sisteme gaz / lichid, sunt formate din bule de gaz ncorporate n lamele - straturi subiri de lichid. Stabilizarea bulelor de gaz la interfa gaz / lichid se asigur de proteine tensioactive, localizate n structurile lamelelor. n lamele se formeaz dou filme de proteine polare tensioactive, ntr-un strat ultrasubire de lichid, care se resping una de alta (Fig.4.13 ). n cazul cnd alimentele prezint sisteme disperse de tipul gaz ntr-o faz solid, de exemplu pinea, iniial, n aluat se formeaz sistemul gaz / lichid. n continuare, n urma tratamentului termic i deshidratrii, aluatul se transform n stare solid, concomitent aluatul (sistema gaz / lichid) se transform n pine - sistema gaz / solid. Capacitatea de spumare a proteinelor se determin prin msurarea volumului i a duratei de stabilitate a spumei formate de proteinele examinate. Se exprim capacitatea de spumare a proteinelor prin raportul dintre volumul spumei i masa proteinelor.

Fig. 4.13. Reprezentarea schematic a structurii spumei cu lamele de bule formate din dou filme de protein tensioactiv - bulele de gaz.; proteinelor tensioactive - gruprile polare a

39

Stabilitatea spumei se determin prin timpul necesar pentru ca spuma s-i reduc volumul la jumtate din volumul iniial, sau cantitatea de lichid care se elibereaz dup un anumit timp. Structura spumei depinde de valoarea pH, temperatura mediului, de concentraia proteinelor, coninutul srurilor, zaharozei, lipidelor, fibrelor alimentare. O importan deosebit prezint natura i structura proteinelor. Calitatea unor alimente se apreciaz dup volumul bulelor spumei, care se formeaz n dependen de parametrii procesului tehnologic i de ali factori. De exemplu, proteina - glutenina de gru formeaz bule de spum cu dimensiuni mari, n comparaie cu proteina - gliadina. 4.5.6 Capacitatea de formare a combinaiilor complexe proteina polizaharide

Prin reacii ntre proteine i macromolecule de polizaharide cu sarcini negative (pectine, alginate, carboximetilceluloza .a.) se obin combinaii complexe proteina polizaharid. Formarea combinaiilor complexe se realizeaz prin interaciunea gruprilor polare cu sarcini pozitive a proteinelor i gruprile carboxil disociate a polizaharidelor cu sarcini negative. Combinaiile complexe proteina polizaharid sunt insolubile n ap, mbib foarte bine apa i manifest capacitate sporit de reinere a apei. De asemenea, complexele proteina polizaharid sunt substane cu proprieti tensioactive i pot stabiliza emulsii de tip Lipide / Apa. Reacia ntre proteine i polizaharide se folosete la limpezirea sucurilor prin eliminarea substanelor pectine. Tratarea sucurilor cu soluii de gelatin conduce la formarea combinaiilor insolubile de gelatin pectin sub form de precipitat. n tehnologia prelucrrii laptelui sunt elaborate procedee de separare pe fracii a proteinelor cu utilizarea pectinei. n urma agitrii laptelui cu soluii de pectin metoxilat, prin interaciuni protein-pectin, se formeaz dou straturi separate de soluii disperse coloidale: stratul superior prezint faza de cazein-pectin 40

concentrat, iar stratul de jos - faza de lactoalbumine - pectina i lactoglobuline - pectina concentrat. Fracia laptelui cu coninut de lactoalbumine i lactoglobuline concentrate se folosete n tehnologia de obinere a laptelui fr cazein. Combinaii complexe de cazein-pectin, lactoalbumine - pectina, lactoglobuline-pectina se utilizeaz n diferite scopuri. De exemplu, dup nlturarea pectinei, proteinele cazeina, lactoalbumine i lactoglobuline se folosesc pentru obinerea alimentelor funcionale din lapte. 4.6 Proteine cu proprieti funcionale modificate

Una din direciile importante n tehnologia alimentar este obinerea produselor alimentare cu utilizarea izolatelor proteice. Izolate (sau concentrate) proteice se obin din materii prime bogate n proteine. Principiul obinerii izolatelor proteice const n extracia proteinelor din materii prime, eliminarea din extracte a substanelor ne proteice, concentrarea i uscarea proteinelor izolate. Cele mai utilizate izolate proteice se obin din soia, gru, lapte. Izolatele proteice din soia prezint compoziii cu un coninut de proteine peste 90 % din coninutul total al substanelor uscate. Din fin din gru se extrage proteina gluten. Prin extracia cu ap din fin se elimin componentele ne proteice hidrosolubile (amidonul, substane minerale), iar glutenul umed rmne sub form de mas hidratat solid n cantiti de 75 80%. Glutenul pulbere se obine prin uscarea glutenului umed. Din lapte degresat prin precipitare se obine izolat de cazein, care poate fi transformat n cazeinai de sodiu, de calciu i de alte tipuri. De asemenea se obin izolate proteice concentrate din zer fr lipide. Izolatele proteice se folosesc pentru ameliorarea valorii nutritive a alimentelor, prin lrgirea sortimentului de produse cu coninut de proteine, n special a produselor funcionale, prin ameliorarea tehnologiei de fabricare a alimentelor. 41

Ameliorarea valorii nutritive a unor alimente cu utilizarea izolatelor proteice se face n scopul majorrii coninutul limitat al unor aminoacizi eseniali. Majorarea scorului chimic (CS) de aminoacizi eseniali limitai n alimente cu adaos de izolate proteice, de regul, trebuie s fie egal sau mai mare fa de aminoacizii respectivi ai proteinei de etalon (CS = 1,0). De exemplu, este cunoscut c proteinele alimentelor din cereale (gru, porumb, sorgo), au un coninut limitat de aminoacizi eseniali: de lizin, treonin, triptofan. Ameliorarea valorii nutritive a acestor alimente se face cu adaos de izolate proteice din lapte, care conin n cantiti suficiente aminoacizi eseniali: lizin, treonin i triptofan. Pentru obinerea izolatelor proteice cu proprieti funcionale determinate au fost elaborate metode chimice, fizicochimice, biochimice. Cele mai frecvent corectate proprieti funcionale a izolatelor proteice sunt: - majorarea gradului de hidratare i solubilitate a izolatelor proteice ; - sporirea capacitii de formare a compoziiilor gelificate; - sporirea capacitii de emulsionare i reinere a lipidelor; - sporirea capacitii de spumare a izolatelor proteice; - capacitatea de formare a compoziiilor complexe cu poliglucide Corectarea proprietilor funcionale a izolatelor proteinelor se face prin metode speciale de extragere a proteinelor, prin utilizarea parametrilor optimizai ai procesului de uscare, prin tratament fizico-chimic i biochimic cu utilizarea enzimelor, prin modificri chimice a structurii proteinelor. De regul majorarea sarcinii electrice pozitive sau negative a proteinelor determin obinerea izolatelor proteice cu capacitate sporit de hidratare, solubilizare i gelificare. Astfel de proprieti funcionale au fost obinute la o gam mare de izolate proteice din soia, inclusiv din soia genetic modificat. Izolatele se folosesc n tehnologia fabricrii produselor din carne, n panificaie, pentru obinerea alimentelor combinate din materii prime de origine vegetal i animal. Datorit proprietilor sale 42

funcionale, izolatele, proteice joac un rol semnificativ n formarea texturii alimentelor, manifest capacitatea sporit de reinere a apei. Un numr de izolate proteice prezint complexe de proteine i substane din clasa lipidelor (lecitina, mono- i digliceride). Complexarea proteinelor cu substane hidrofobe conduce la formarea compozitelor de izolate proteice cu proprieti de spumare, de emulsionare i stabilizare a emulsiilor de tip A / U, sau U / A. Plasteinele sunt izolate proteice, formate din peptide din soia, cazein, gluten, zein cu ncorporarea unui numr de aminoacizi eseniali. Se obin plasteinele prin aa numit reacia de plastinizare. Schema general a reaciei de plastinizare poate fi prezentat astfel:concentrat de Protein

hidroliza proteaze

brut

Peptide cu masa molecular

peptide

concentrare

( 30- 40 %)

680 - 2000

aminoacizi esentialienzime sinteza plasteine

+

Reacia de plastinizare se folosete pentru mbuntirea valorii nutritive a proteinelor prin ncorporarea aminoacizilor eseniali n moleculele proteice. De exemplu, proteinele din soia (peptidele) se mbogesc prin ncorporarea aminoacizilor metionin i cistein. n zein se ncorporeaz lizin, triptofan, tiamin. Glutenul, proteina din cereale, se mbogete cu lizin. Prin reacia de plastinizare, din extracte proteice vegetale, se elimin o serie de compui care afecteaz inocuitatea proteinelor. Astfel, se pot elimina glucozide, saponine, pigmeni, trigliceride. Concomitent se ndeprteaz i mirosul neplcut de fasole (1 hexanalul). n general, plasteinele pot fi caracterizate ca 43

proteine cu valoare nutritiv sporit i proprieti funcionale modificate. 4.7. Modificarea proteinelor n alimente prin reacia Maillard n procesul de fabricare i pstrare al produselor alimentare care conin proteine pot avea loc diverse reacii chimice cu formarea unei game de compui chimici. Proteinele, peptidele i aminoacizii liberi pot reaciona cu zaharuri reductoare, compui carbonilici, printr-o serie de reacii chimice ne enzimatice de tip Maillard. Prin urmare n alimente se formeaz o gam de compui de culoare brun, substane cu o diversitate mare de arom. Reacia Maillard are loc n procesele tehnologice de obinere a produselor de origine vegetal i animal. Compuii reaciei Maillard se formeaz n procesul de deshidratare termic (uscare), prin prjire (carne, cartofi i alte legume ), n procesul de concentrare (sucuri concentrate, paste de legume i de fructe, lapte concentrat), coacere a pinii i biscuiilor, obinere a cafelei prjite. Compuii de culoare brun, formai n urma reaciilor Maillard, se numesc melanoidine. Pentru prima dat reacia de formare a compuilor de culoare brun prin interaciuni chimice ntre proteine i zaharuri reductoare a fost studiat de savantul Maillard (anul 1911). n natur, prin reacii chimice i biochimice, se obin i alte substane cu culoare brun i neagr, numite substane guminice i melanine. Substanele guminice se formeaz n sol. Resturile de plante se descompun prin aciunea microorganismelor actinomicetelor cu formarea ligninelor. Ligninele prin reaciile biochimice cu proteine i alte substane azotate, se transform n substane guminice de culoare neagr. Melaninele sunt substane colorate care se obin prin reacii biochimice cu participarea aminoacizilor, n special a tirozinei, i joac un rol important la pigmentarea pielii animalelor. 44

Reaciile Maillard se desfoar n procesul tratamentului termic al alimentelor. La temperaturi > 80...900C viteza reaciilor este accelerat, la temperaturi reduse, < de 30...400C, viteza reaciilor este lent. De menionat, c n produsele alimentare pstrate la temperaturi mai mari de 20...250C, formarea melanoidinelor continu cu o vitez destul de lent, ns dup o perioad de timp, produsele devin brune (sucurile concentrate, laptele concentrat, mierea . a.) Reaciile Maillard prezint un proces chimic complex. Ele se desfoar n mai multe etape. Iniial se obin compui intermediari n urma reaciilor de oxidoreducere i condensare. n continuare, ei prin modificri chimice se transform n melanoidine polimeri cu azot de culoare brun i substane cu masa molecular relativ mic (Fig. 4.14). Iniierea reaciilor Maillard se efectueaz prin interaciuni ntre pentoze, hexose i alte zaharuri simple reductoare i aminoacizi sau proteine care conin amino-grupe libere. Se formeaz o substan primar intermediar glucozilamin decolorat, cu o activitate chimic sporit. Direcia (1) de interaciuni (Fig. 4.14 ), se desfoar prin procesul de deshidratare a compuilor intermediari. Prin urmare se formeaz compui heterociclici furfurol, oximetilfurfurol (OMF) . a. Majoritatea acestor compui sunt de culoare brun cu miros specific. Direcia (2) de interaciuni de regul se desfoar n urma descompunerii substanei intermediare 1-amino-1-deoxi-2-fructoza cu formare a compuilor carbonilici cu mas molecular mic i senzaii de arom (acetol, diacetil, aminoacizi). Direcia (3) de interaciuni se deosebete de cele dou prin tipul reaciilor. Modificrile chimice a 1-amino-1-deoxi-2-fructoza se desfoar prin reacii de deshidratare, n special prin reacii de oxido-reducere cu formarea reductonilor, care se transform prin 45

reacia lui Strecker n aldehide, amine, aldamine . a. substane, cu diferite senzaii de arom. n etapa final a reaciei Maillard, prin reacii de condensare, se formeaz substane cu mas molecular relativ mare, cu structur chimic complex i culoare brun. Aceste substane se numesc - melanoidine. Concomitent cu melanoidinele, prin reacii de scindare, oxido-reducere, se acumuleaz i ali compui chimici ca: aldamine, cetamine . a.zaharuri simple reductoare

+

Proteine - NH2

Glucozilamine

1 - amino - 1-deoxi - 2 - fructoza

1deshidratare - 3 H2O furfurol, OMF

2scindare

3deshidratare - 2 H2O

compusi carbonilici (diacetil, acetol )

reductone

dehidroreductone reactia Strecker aldehide amine- CO2

Aldamine, Aldoze,Cetamine

melanoidineFig. 4.14 Schema general a reaciilor Maillard 46

4.8. Mecanismul reaciei Maillard innd cont de uurina cu care zaharurile reductoare reacioneaz cu substane azotate, etapa iniial se desfoar prin interaciuni ntre gruprile carbonil (= CO) a zaharurilor reductoare i amino grupele (-NH2) libere ale proteinelor, aminoacizilor i a altor substane azotate. n stare solubil, n medii apoase, monozaharidele sunt sub form ciclic. Gruprile hidroxil semiacetalice a monozaharidelor manifest activitate chimic sporit i reacioneaz uor cu amino grupele proteinelor. Pentru elucidarea mecanismului reaciilor Maillard, n continuare structura monozaharidele se va prezenta sub form aciclic. Iniierea i desfurarea reaciei Maillard este influenat de urmtorii parametri: - sunt favorabile valorile pH ale mediului acid sau bazic; n mediul bazic viteza reaciei este mai mare; - temperatura ridicat a produsului este favorabil; - viteza reaciei depinde de la activitatea apei. Doar n produsele alimentare cu aw = 0,6 ... 0,8 au loc reacii Maillard. - prezena metalelor Cu (II), Fe (II) i Fe (III), accelereaz viteza reaciei. Reacia Maillard se desfoar prin condensare. Gruprile aminice din structura proteinelor sau a aminoacizilor reacioneaz cu gruprile carbonil ale zaharurilor reductoare cu formarea unei baze Schiff care prin ciclizare se transform n glucozilamin-Nsubstituit:

47

R O=C-H R NH C H H2O R N CH

NH CH

(H - C - OH) nCH2OH

+R

NH2

HO

( H - C - OH) nCH2OH

( H - C - OH) nCH2OH

( H - C - OH) nCH CH2OH

1

O

h e xo z

baza Schiff

n continuare, la etapa a doua, prin transpoziia Amadori (n urma reamplasrii radicalului de hidrogen, H+) glucozilaminN-substituit se transform n substan 1-amino-1-deoxi-2frucroza: R NH R NH + R N R NHCH CH1

CH

CH2 C1

( H - C - OH ) nCH CH2OH

O

+ H+

CHOH ( H - C - OH ) nCH2OH1

H+

COH

O1

( H - C - OH ) nCH2OH

( H - C - OH ) nCH2OH

glucozilamin

cationul bazei Schiff

baza Schiff

1 amino - 1 deoxi - 2 fructoz

Molecula 1-amino-1-deoxi-2-fructoza, sub form enolic 1,2 este substan intermediar cu cea mai larg implicare n reacia Maillard. Substanele intermediare sub form enolic joac un rol important n transformrile chimice i n formarea diferitor compui ai reaciei Maillard. Cu formarea 1-amino-1-deoxi-2fructoza etapa iniial de desfurare a reaciei Maillard se termin. n continuare reacia se desfoar n trei direcii. Direcia (1) reaciei se ncepe de la transformrile chimice ale 1-amino-1-deoxi-2-fructoza. Prin deshidratarea moderat a 1amino-1-deoxi-2-fructoza, pierznd trei molecule de ap i eliminnd restul de protein, se formeaz compui heterociclici ca furfurolul, ca 5-oximetilfurfurolul.

48

Atunci cnd n structura moleculei 1-amino-1-deoxi-2fructoza se conine resturi de hexoze (glucoz, fructoz), n urma deshidratrii se formeaz 5-oximetilfurfurolul:R NH CH2 C O

R NH2

2

H2O

C CH2OHO

O H

( H - C - OH )3CH2OH

5 - oximetilfurfurol

Dac n structura moleculei 1-amino-1-deoxi-2-fructoza se conine resturi de pentoze (riboz, xiloz), n urma deshidratrii se formeaz furfurol:R

NHCH CH2 C O R NH2 HCO

CHO H

2 H2 O

C

(H - C - OH ) 2CH2OH

furfurol

Furfurolul manifest activitate chimic sporit. n mediu acid, pH< 7, furfurolul reacioneaz cu alcooli, formnd acetoli, cu divers arom, n funcie de natura alcoolului:CH HCO

CHO H

CH

CH CHO

+ 2R

OH HC

C

OR OR

+ H2O

acetol

49

Prin reacii de condensare ntre furfurol i proteine, aminoacizi, amine, se obin substane aldamine ( baze Schiff ):CH CHO C HO

CH

CH

+

R

NH2HCO

+CH N R

H2O

HC

aldamin

Direcia (3) reaciei Maillard reflect cile principale de formare a substanelor cu proprieti reductoare - reductoane i dehidroreductoane. Printr-o serie de reacii, plecnd de la 1-amino1-deoxi-2-fructoza, din molecul se elimin restul de protein (Prot- NH2) sau substana azotat, cu formarea unei substane reductoare - dehidroreducton de tip diacetil. Mecanismul reaciilor poate fi prezentat n felul urmtor:Prot NH CH2 C O Prot NH CH2 C OH C OH CH2 C OH CH3 C C O O CH3 C O

CHOH CHOH CHOH CH2OH

(Prot NH2)

C

O

CH OH CHOH CHOH CH2OH

CHOH CHOH CH2OH

CHOH CHOH CH2OH

CHOH CHOH CH2OH

4.8.1. Reacia Strecker Degradarea aminoacizilor prin aciunea reductonilor se numete reacia Strecker. Prin aciunea reductonilor, aminoacizii n final se descompun n enolamine i aldehide. Aceast direcie este una din cele mai importante ci ale reaciei Maillard de 50

formare a substanelor de arom. Schemele generale ale reaciei Strecker sunt:R1C O C O R1

+

R3

CH NH2

COOH

C C

NH2

OH

+

R3

COH

+ CO2

R2 dehidroreducton

R2

aldehid

enolamin

R1C C O O

R1

R1 CNH2

C O

R2

+

CH R3 CH NH2 COOH C

+ NH3

O R3

O COH

R2

R2

+ CO2

aminoceton

Degradarea aminoacizilor prin reacia Strecker conduce la formarea aldehidelor cu miros diferit. Concomitent enolaminele prin reacia de condensare se transform n pirazine - substane volatile de arom. De exemplu, prin reacia Strecker, ntre aminoacidul valin i diacetil (dehidroreducton) se formeaz izobutiraldehida i tetrametilpirazina prin ciclizarea a dou molecule de aminoceton:CH3 C C CH3 O O CH3 CH3C

CH3 ONH2

+

NH2

CH COOH

CH

CH3

+

CH3

CH

COH

+ CO2

CH

CH3

izobutiralaldehid

diacetil

valin

51

CH3

N

2

C CH

ONH2

+ H2OCO2

CH3 CH3N

CH3 CH3

CH3

tetrametilpirazin

Este necesar de accentuat c degradarea aminoacizilor, n special a aminoacizilor eseniali, diminueaz valoarea nutritiv a alimentelor.4.8.2 Factorii care influeneaz reacia Maillard

Influena reaciei Maillard asupra calitii alimentelor poate fi pozitiv sau negativ. Pentru unele alimente, compuii reaciei conduc la ameliorarea proprietilor senzoriale n urma formrii substanelor cu miros i gust plcut. De exemplu, la prjirea crnii, petelui, a boabelor de cafea i a legumelor (cartofi, vinete, ardei dulce, ceap .a.) se obin produse finite cu aspect atrgtor, gust i miros plcut. ns n produsele alimentare din lapte, fructe i legume, care se obin prin tratament termic (uscare, concentrare, sterilizare) se acumuleaz un numr de compui chimici care influeneaz negativ calitatea lor. Formarea melanoidinelor modific negativ aspectul produselor finite. n unele cazuri se formeaz substane cu miros neplcut care nu sunt admise n alimente. De menionat c n majoritatea produselor alimentare, obinute prin tratament termic i pstrate o perioad de timp, n urma reaciei Maillard, se acumuleaz compui chimici, care ntr-o msur mai mare sau mai mic influeneaz negativ asupra unor caracteristici ai calitii senzoriale i asupra valorii nutritive (reacia Strecker). Avnd n vedere apariia efectelor negative, este necesar de prezentat 52

informaii despre factorii care determin posibile modificri ale alimentelor n urma reaciei Maillard. Influena valorii pH. n medii acide, cu valori ale pH-ului inferioare, mbrunarea alimentelor este relativ mic datorit blocrii pariale a procesul de formare a glucozilaminei. mbrunarea alimentelor cu pH = 6,0 va fi lent, iar aspectul produselor alimentare cu pH = 8,0 . .9,0 se modific accelerat, condiiile de mbrunare fiind optime. Influena umiditii. S-a constatat c n produsele alimentare n care activitatea apei este minim (aw = 0 . .0,2) sau maxim (aw =0,9 . .1,0) mbrunarea nu se va observa. n alimentele cu aw =0,6 . .0,8 procesele de mbrunare sunt accelerate. Influena temperaturii. Cu majorarea temperaturii, viteza reaciei Maillard se accelereaz. Creterea temperaturii cu 100C conduce la accelerarea reaciei de 2 .. 3 ori. n produsele alimentare cu activitatea apei aw = 0,6 . .0,8, pstrate la temperaturi > 200C, reaciile de mbrunare decurg cu o vitez lent (sucuri concentrate, paste de legume, lapte concentrat .a.). Influena structurii glucidelor. Viteza formrii compuilor de culoare brun se reduce n urmtoarea consecutivitate: Pentoze: D-riboz > D-xiloz >L-arabinoz Hexoze: D-galactoza > D-manoz > D-glucoz > D-fructoz Dizaharide: Maltoz > Hexoz > Lactoz. Viteza formrii melanoidinelor este direct proporional cu numrul de grupri carbonil libere n structura glucidelor.Influena structurii aminoacizilor. Reaciile de formare a compuilor de culoare brun depind de structura aminoacizilor. Cu ct amplasarea grupei amino este mai departe de gruparea carboxil n structura aminoacizilor, cu att activitatea aminoacizilor este mai mare. De exemplu - aminoacizii sunt mai activi n comparaie cu - aminoacizii. 53

Sunt mai activi i aminoacizii care conin dou grupri amino. De exemplu, lizina conine dou grupri amino i prezint - aminoacid cu o activate sporit. Destul de activi sunt aminoacizii: L-arginina i L-gistidina.4.8.3 Prevenirea reaciei Maillard

n multe cazuri formarea culorii brune a alimentelor conduce la pierderea calitii (produsele lactate, fructele i legumele conservate prin sterilizare termic, produsele uscate, concentrate .a.). Prevenirea reaciei Maillard poate fi realizat prin mai multe metode n funcie de tipul produsului i de tehnologia fabricrii. De exemplu, inhibarea procesului de formare a culorii brune poate fi realizat prin: - tratament termic la temperaturi sczute (+ 45 . . 55 0C); - utilizarea redus a zaharozei n compoziia produselor zaharoase; - tratament termic al alimentelor, sau pstrarea alimentelor cu activitatea apei aw =0,9 . .1,0, sau aw = 0, 5 . .0,2 . - pstrarea produselor concentrate la temperaturi inferioare, +5 . . 15 0C, (sucuri concentrate, lapte concentrat, paste de fructe i de legume, mierea). Metoda chimic de inhibare a reaciei Maillard const n blocarea activitii gruprii carbonil (= CO) a zaharurilor reductoare sau amino grupei (-NH2) libere a proteinelor i aminoacizilor. De exemplu, blocarea gruprilor prin utilizarea sulfailor (HSO3-). Anionul (HSO3-) blocheaz activitatea chimic a gruprii carbonil (= CO) a zaharurilor reductoare i a substanelor intermediare a reaciei Maillard. n mod general interaciunea ntre pentoze, hexoze i anionul HSO3- poate fi prezentat astfel:

54

O=C-H

HO

CH C

SO3H

(H - C - OH) nCH2OH

+

HSO 3

HO

( H - C - OH) nCH2OH

Bioxidul de sulf (SO2) i derivaii lui inhib reaciile de mbrunare a alimentelor. ns utilizarea lor este limitat din cauza formrii alimentelor sulfitate cu coninut majorat de compui nocivi de sulf. n prezent sunt desfurate investigaii n vederea identificrii compuilor pentru a nlocui utilizarea derivailor bioxidului de sulf. Sunt cunoscui compui chimici care inhib reaciile de mbrunare a alimentelor (cianide, hidroxilamin, hidrazina, mercaptane), ns ei nu pot fi utilizai din cauz c sunt toxici. n unele alimente prevenirea reaciilor de mbrunare poate fi realizat prin blocarea activitii unei substane de baz a reaciei Maillard. De regul, poate fi blocat activitatea gruprii carbonil (= CO) a glucidelor reductoare. De exemplu, la obinerea produsului pulbere de ou, prealabil, pn la uscare, n prezena enzimei glucooxidaz, n urma oxidrii D-glucoza se transform n acid D-gluconic i pierde activitatea de interaciune cu proteinele. Reacia se petrece n felul urmtor:C6H12O6 D glucoza D

+

H2O

+

glucooxidaza O2 C6H12O7

+

H2O2

acidgluconic

Prin urmare putem constata, c formarea melanoidinelor de culoare brun i a compuilor de arom poate fi prielnic pentru unele alimente i ne dorit pentru altele. Reacia Maillard are o importan major n tehnologia de obinere a produselor de panificaie, a buturilor rcoritoare, a berii, a produselor de cofetrie, a produselor prjite .a., datorit obinerii unei arome plcute i a unei culori atrgtoare. 55

n alte cazuri, cum s-a menionat, pentru produsele lactate, fructele i legumele conservate prin sterilizare termic, produsele uscate, produsele concentrate .a., reacia Maillard conduce la apariia efectelor negative ca consecin a degradrii aminoacizilor, modificrii culorii i reducerii valorii nutritive.4.9. Transformarea i degradarea proteinelor

Obinerea produselor alimentare prin diverse metode de prelucrare tehnologic cum ar fi: tratarea termic, uscarea, concentrarea, afumarea, sterilizarea cu radiaii ultraviolete sau radiaii X, tratarea cu preparate de enzime .a. pot iniia transformri fizico-chimice i chimice a proteinelor. Cele mai profunde modificri conduc la modificarea profund a proteinelor, inclusiv la descompunerea aminoacizilor. Schema general de transformare i degradare a proteinelor poate fi prezentat astfel:Macromoleculele proteice native acizi carbozilici

amine

,

Denaturarea proteinelor

decarbozilarea si dezaminarea aminoacizilor

Descompunerea fragmental a macromoleculelor proteice

proteine de tip peptide

aminoacizi

56

Gradul de transformare a proteinelor depinde n mare msur de metoda i parametrii tratamentului tehnologic, care pot avea o influen mai mult sau mai puin nefavorabil. De exemplu, un efect termic moderat nu afecteaz calitatea nutritiv a proteinelor, ci din contra mbuntete valoarea nutritiv i digestibilitatea lor. Tratamentul termic intens, la temperaturi t > 1200 C, afecteaz structura proteinelor prin reacii de tip Maillard, sau provoac distrugerea unor aminoacizi termolabili. Pierderi considerabile n urma tratamentului termic intens au fost constatate la lizin, metionin, triptofan, etc. Alterarea alimentelor bogate n proteine, n special a produselor din carne, pete i lapte, poate fi rezultatul distrugerii chimice i biochimice a aminoacizilor cu formarea amoniacului, bioxidului de carbon, aminelor biogene toxice i a altor compui cu miros dezagreabil. Prin reacii chimice i biochimice de decarboxilare, aminoacizii pierd gruparea carboxil sub form de bioxid de carbon cu formarea aminelor biogene:R CH NH2 COOH CO2 R CH2 NH2

a

aminoacid

a

amin

De exemplu, n urma decarboxilrii aminoacidului histidin se obine histamina - amin biogen toxic:CH2 CH NH2

COOH

CO2 HN CH N

CH2

CH2

NH2

HN CH

N

histidin

histamin

n urma decarboxilrii triptofanului se formeaz amin biogen toxic triptamina: 57

CHNH

CH2NH2

COOH

CO2

CH2

CH2

NH2

NH

triptofan

triptamin

Prin reacii de dezaminare, aminoacizii pierd grupri amino sub form de amoniac cu formare de acizi carboxili, cetoacizi, aldehide, etc. Prin dezaminarea oxidativ a aminoacizilor se elimin amoniac cu formare de cetoacizi:R CH NH2 COOH

+ 1/2

O2

R

CO

COOH

NH3

Decarboxilarea aldehidelor:R

cetoacizilorCOOH CO2

conduceH R CO

la

formarea

CO

a cetoacid

aldehid

Dezaminarea reductiv a aminoacizilor conduce la formarea acizilor carboxilici saturai:

R

CH NH2

COOH

+

2HNH3

R

CH2

COOH

a

aminoacid

acid carboxilic saturat

Macromoleculele proteinelor conin un numr de resturi de aminoacizi, care prezint precursori ai gustului i a mirosului alimentelor. Prin tratament termic, n urma modificrilor fizicochimice i chimice a proteinelor, n alimente se acumuleaz 58

peptide i aminoacizi liberi, responsabili de apariia gustului i mirosului specific plcut. Modificarea profund a proteinelor, urmat de acumularea compuilor cu mas molecular mic substane de degradare a aminoacizilor, conduce la pierderea calitii i la alterarea alimentelor.

Tema 5. PROPRIETILE FIZICO CHIMICE I FUNCIONALE ALE LIPIDELOR

Lipidele reprezint o clas de compui organici de o importan vital, prezeni att n esuturile plantelor ct i a animalelor. Ele constituie o clas important de nutrimeni, cu o valoare energetic sporit n hrana omului. Aceste substane sunt caracterizate att prin valoare energetic, ct i prin coninutul de substane biologic active. Unele lipide sunt componente structurale ale membranelor celulare, sunt regulatori de mobilitate a apei i a srurilor n vivo, au influen asupra activitii unor enzime . a. Din punct de vedere chimic, lipidele sunt acizii grai i derivaii ai acizilor grai. n literatura de specialitate se indic o nou apreciere a lipidelor. Ele prezint esteri ai acizilor grai i ai alcoolilor. Lipidele sunt macronutrimeni de o valoare important, care constituie o pondere suficient a valorii nutritive i a proprietilor senzoriale a alimentelor. n plante, lipidele sunt localizate n cantiti relativ mari n semine. La animale i peti lipidele se concentreaz n esutul gras i n jurul organelor interne (seu la vit, slnin la porc, strat de lipide sub piele la pete). Coninutul de lipide variaz n limitele largi de la 1,0 % pn la 50 -60 % .

59

5.1 Clasificarea lipidelor

Conform compoziiei chimice lipidele se caracterizeaz printr-o diversitate destul de mare. Moleculele lor sunt formate din diveri componeni structurali: acizi i alcooli macromoleculari, resturi de acid fosforic, substane azotate, resturi de glucide. Toi componenii lipidici sunt unii ntre ei prin diferite legturi chimice. n mod general lipidele se clasific n dou grupe: Lipide simple i Lipide complexe. n grupa lipidelor simple se includ: acizii grai saturai i nesaturai, substane polienice formate dintr-o caten lung cu o grupare funcional carboxil (- COOH ). Lipidele complexe sunt formate din mai multe componente structurale, unite ntre ele prin legturi care se descompun prin hidroliz. De regul, legturile sunt eterice complexe sau simple i legturi amidice. Lipidele complexe se mai divizeaz i n dou subgrupe: lipide neutre i lipide polare. n prezent, conform clasificrii o parte de substane lipidice aparin aa numitei grupe trei a lipidelor. Ele sunt formate din acizi grai polienici care conin 20 sau mai muli atomi de carbon, i se numesc - oxilipine. Oxilipinele sunt substane de origine lipidic cu coninut de oxigen. Acest termen a fost propus n anul 1991 de ctre savanii din SUA i Suedia. De asemenea lipidele se caracterizeaz prin mai multe criterii n funcie de structura chimic i de proprietile fizico-chimice: - dup consisten - grsimi solide, grsimi semisolide, uleiurile lichide; - dup provenien - din surse vegetale i animale; - dup funcia lor n organism - surs de energie i substane plastice.5.2 Lipidele simple

Dup structura chimic lipidele se divizeaz n dou grupe: lipide simple i lipide complexe. Principalii reprezentani ai 60

lipidelor simple sunt acizii grai, acilglicerolii (gliceridele) i ceridele. Acizii grai. Din punct de vedere chimic, acizii grai sunt acizi alifatici care conin o singur grup polar grupa carboxilic ( R-COOH). n prezent sunt cunoscui aproximativ 800 de acizi grai. Din ei circa 60 de acizi grai posed influen semnificativ asupra proprietilor produselor alimentare. Acizii grai sunt repartizai n dou grupe - acizii grai saturai i nesaturai (Tabelele 5.1 i 5.2).Tabelul 5.1. Acizi grai saturaiNr. atomilor de carbon FormulaCH3(CH2)2COOH CH3(CH2)4 COOH CH3(CH2)6 COOHCH3(CH2) 8 COOH CH3(CH2) 10 COOH CH3(CH2) 12 COOH CH3(CH2)14 COOH CH3(CH2) 16 COOH

Denumirea

Punctul de topire, 0 C

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Acid butiric Acid caproic Acid caprilic Acid capric Acid lauric Acid miristic Acid palmitic Acid stearic Acid arachilic Acid behinic Acid lignoceric

-

4,7 1,5 16,5 31,3 43,6 58,0 62,9 69,9 75,2 80,2 84,2

CH3(CH2) 18 COOH CH3(CH2) 20 COOH CH3(CH2) 22 COOH

61

Tabelul 5.2 Principalii acizi grai nesaturai n compoziii alimentareSimbolCH3 ( CH2 )

Acidul gras nesaturatCH CH ( CH2 ) 7 COOH Acid oleic( CHAcid

Punctul de topire, 0 C 14,0COOH

18:1 9

7

18:2 6 18:3 3 2: 4 6

CH3 (CH2 )

4

CH CH2 )2 (CH2 )linoleic

6

- 5,0 - 11,0 - 49,5

CH3 CH2 ( CH AcidCH3( CH2 ) 4 Acid

CH

CH2)3 ( CH2 )CH CH2 )

6

COOH

linolenic4

( CH

( CH2 ) 2 COOH

arahidonic

n produsele alimentare predomin acizi nativi grai nesaturai cu legturi duble n configuraia cis. Structura chimic a acizilor grai nesaturai de asemenea poate fi prezentat succint printr-un simbol cu dou sau trei cifre. De exemplu, prin simbol cu dou cifre: 16 : 0; 18 :1; 20 : 4 . Prima cifr indic numrul total al atomilor de carbon n molecula acidului, a doua cifr numrul de legturi duble.H C CH2 a H C CH2

CH2 C H b

H C CH2

Fig. 5.1 Configuraia cis (a) i configuraia trans (b) a unui fragment al acidului gras nesaturat 62

Acizii grai nesaturai pot fi prezentai i indicnd configuraia i poziia legturilor duble. Avnd n vedere c toi acizii nativi grai nesaturai conin numai legturi cis, poziia lor se indic prin litera adugat la a doua cifr adugnd consecutiv i a treia cifr. De exemplu, acidul linolenic se prezint astfel: 18 : 3 3; n acest simbol cifra 18 indic numrul de carbon ce se conine n acid, cifra 3 indic legturi duble (litera ) n configuraia cis-, iar respectiv ultima cifra 3 indic poziia celei mai apropiate legturi duble din partea gruprii metilice (CH3 -), de la nceputul catenei acidului. Acidul arahidonic se prezint prin simbolul; 20 : 4 6; unde 20 - este numrul total al atomilor de carbon; 4- numrul legturilor duble, () n configuraia cis; 6 - cea mai apropiat legtur dubl de la captul (CH3 -) catenei acidului arahidonic. Acilglicerolii (sau gliceridele) fac parte din grupa lipidelor simple. Ei prezint substanele de baz a lipidelor. Acilglicerolii sunt substane lichide sau solide, fr gust i miros, insolubile n ap, cu viscozitate ridicat i temperatura joas de topire, n jurul 400 C. Ei nu sunt volatili. n grsimi i uleiuri coninutul acilglicerolilor constituie aproximativ 95 . .96 %. Lipidele conin n general trigliceride esteri ai glicerolului cu acizi grai. n cantiti mai mici sunt prezente mono- i digliceridele. Formulele structurale ale gliceridelor sunt:OO CH2 O O C R1

CH2

O

C

R1

1

O R2 C O CH

2

R2 C O CH O CH2 O C R3

3

CH2 OH Diglicerid

Triglicerid

63

O CH2 O C R1

HO

CH CH2 OH

M o n o g lic e rid

Simbolurile R1, R2, R3 reprezint resturi de acizi grai saturai i nesaturai n structura glicerolului esterificat (poziiile 1, 2 i 3). Componentul structural de baz al tuturor gliceridelor este glicerolul (glicerina). De aceea, proprietile gliceridelor concrete depind de componena resturilor de acizi grai n structura mono- , di- i trigliceridelor. n grsimi i uleiuri gliceridele conin diveri acizi grai. Cei mai rspndii sunt 5.. 6 acizii grai nesaturai, care conin 12 . .18 atomi de carbon cu catene neramificate. Acizii saturai stearic i palmitic se conin practic n toate grsimile i uleiurile naturale. Aproape n compoziia tuturor uleiurilor sunt prezeni acizii grai nesaturai cu 1 3 legturi duble: acizii oleic, linoleic, linolenic (Tabelul 5.2). Acidul arahidonic, cu 4 legturi duble, se conine n grsimile de origine animal. n grsimile de pete i alte specii de mare au fost identificai acizi grai cu 5 i 6 legturi duble. De regul n componena grsimelor i uleiurilor naturale acizii grai nesaturai se conin sub forma cis izomeri.

64

Tabelul 5.3. Coninutul acizilor trigliceridelor a uleiurilor vegetaleDenumirea uleiului miristic

grai

n

structura

Coninutul n trigliceride a acizilor grai saturai i nesaturai, % arachilic linolenic 3,0 2,0 4148 1427 3-15 1,0 2-3 5-14 0,10,5 32-36 15 58-78 41-72 14 44-60 65-70 palmitic stearic linolic 14-20 oleic 25-28 39-43 44-45 23-42 54-81 9-15 24-40 20-25 20-30 20-25

U. de mutar U. de cacao U. de porumb U. de ctin alb U. de msline U. de nuc U. de floareasoarelui U. de rapi U. de soia U. de semine de struguri

0,5 urme 1,0 1,5 -

23-25 7,7 1-12 7-10 1,0 6-9 2,46,8 7,0

31-34 3,5 2,4 7,0 1,64,6 1,6 4,47,3 3,0

0,4 0,10,2 0,9 1,5 0,41,0 -

Ceride (ceruri). Se consider c ceridele sunt lipide simple. Dup structura chimic ele prezint esteri ai alcoolilor i ai acizilor macromoleculari grai saturai ( 18 : 0 . . 30 : 0 ) cu lan lung. Ceridele sunt formate din resturi de alcool monoatomic polimolecular (R-CH2 OH ) i un rest de acid gras saturat (R1

65

COOH). Formula structural general a ceridelor se prezint astfel:O R CH2 O C

R1

n natur ceridele prezint un amestec de acizi grai liberi, alcooli liberi i hidraii de carbon care poart denumirea general ceruri. Ceridele sunt insolubile n ap i inerte din punct de vedere al activitii chimice. Ele sunt destul de stabile la aciunea oxidativ a oxigenului, i sunt rezistente fa de aciunea microorganismelor. Ceridele sunt larg rspndite n natur avnd diverse proprieti funcionale. Numeroase ceruri se conin n parafin. Ele formeaz straturi (filme) de protecie pe suprafaa fructelor, legumelor i frunzelor. Pe suprafaa seminelor i a boabelor de cereale de asemenea se conin straturi de protecie de ceruri. n vederea obinerii unor produse alimentare calitative (uleiuri vegetale, produse de panificaie, paste de fructe, de legume . a.), este necesar ca n procesul tehnologic aceste straturi de protecie s fie eliminate. n industria alimentar ceridele sunt utilizate ca substane de protecie a suprafeelor unor produse lactate i a suprafeelor ambalajului de polimeri.5.3 Lipidele complexe

Principalii reprezentani ai lipidelor complexe n compoziii alimentare sunt: fosfatidele, glicolipidele, sterolii i sfingolipidele. Cei mai importani reprezentani ai lipidelor complexe polare sunt fosfatidele i glicolipidele. Structura moleculei de fosfatide sau fosfolipide reprezint o diglicerid cu dou resturi de acizi grai (palmitic, stearic, oleic, linoleic . a.). Gruparea hidroxilic a digliceridei este esterificat cu acid fosforic, la rndul su, restul de acid fosforic este legat de colin sau etanolamin. 66

Fosfolipidele sunt substane unsuroase, n ap formeaz emulsii liposolubile. Din punct de vedere practic cele mai utilizate fosfatide sunt lecitina i cefalina. Dup proprietile funcionale, lecitina i cefalina sunt emulgatori care stabilizeaz structura compoziiilor alimentare