Адсорбция белков в пищевой промышленности

Адгезия пищевых белков к поверхностям

Адсорбция белка относится к адгезии белков к твердым поверхностям. Это явление является важной проблемой в пищевой промышленности , особенно в переработке молока и производстве вина и пива . Чрезмерная адсорбция или загрязнение белками может привести к проблемам со здоровьем и санитарией, поскольку адсорбированный белок очень трудно очистить, и он может содержать бактерии, как в случае с биопленками . Качество продукта может быть неблагоприятно затронуто, если адсорбированный материал мешает этапам обработки, таким как пастеризация . Однако в некоторых случаях адсорбция белка используется для улучшения качества продуктов питания, как в случае с оклейкой вин.

Адсорбция белка

Адсорбция белка и белковое загрязнение могут вызвать серьезные проблемы в пищевой промышленности (особенно в молочной промышленности ), когда белки из пищи адсорбируются на обрабатываемых поверхностях, таких как нержавеющая сталь или пластик (например, полипропилен ). Белковое загрязнение — это скопление белковых агрегатов на поверхности. Это наиболее распространено в процессах нагрева, которые создают температурный градиент между оборудованием и нагреваемым сыпучим веществом. ^[1] В загрязненном белком нагревательном оборудовании адсорбированные белки могут создавать изолирующий слой между нагревателем и сыпучим материалом, снижая эффективность нагрева. Это приводит к неэффективной стерилизации и пастеризации. Кроме того, белки, прилипшие к нагревателю, могут вызывать привкус или цвет горелого материала в сыпучем материале. ^[1] Кроме того, в процессах, в которых используется фильтрация, белковые агрегаты, которые собираются на поверхности фильтра, могут блокировать поток сыпучего материала и значительно снижать эффективность фильтра. ^[2]

Примеры адсорбции

Пивной камень

Пивной камень — это отложение, которое образуется, когда оксалат, белки и соли кальция или магния из зерна и воды в процессе пивоварения осаждаются и образуют накипь на кегах, бочках и линиях разлива. Минералы сначала адсорбируются на поверхности контейнера, что обусловлено притяжением зарядов. Белки часто координируются с этими минералами в растворе и могут связываться с ними на поверхности. В других случаях белки также адсорбируются на минералах на поверхности, что затрудняет удаление отложений ^[3] , а также обеспечивает поверхность, на которой легко могут скапливаться микроорганизмы. Если отложенный пивной камень внутри линий разлива отслаивается, это может отрицательно повлиять на качество готового продукта, делая пиво мутным и привнося «неприятные» привкусы. Это также вредно с точки зрения питания: оксалаты могут снижать усвоение кальция в организме, а также увеличивать риск образования камней в почках. ^[4]

Виноделие

Белки винограда и вина имеют тенденцию к агрегации и образованию мути и осадка в готовых винах, особенно белых винах. ^[5] Белки, вызывающие мутность, могут сохраняться в вине из-за низкой скорости осаждения или отталкивания заряда на отдельных частицах. Осветляющие агенты, такие как бентонитовые глины, используются для осветления вина путем удаления этих белков. Кроме того, белковые агенты, такие как альбумин, казеин или желатин, используются при осветлении вина для удаления танинов или других фенолов. ^[6]

Биопленки

Биопленка — это сообщество микроорганизмов , адсорбированных на поверхности. Микроорганизмы в биопленках заключены в полимерную матрицу, состоящую из экзополисахаридов, внеклеточной ДНК и белков. Через несколько секунд после того, как поверхность (обычно металл) помещается в раствор, неорганические и органические молекулы адсорбируются на поверхности. Эти молекулы притягиваются в основном кулоновскими силами (см. раздел выше) и могут очень прочно прилипать к поверхности. Этот первый слой называется кондиционирующим слоем и необходим для того, чтобы микроорганизмы прикрепились к поверхности. Затем эти микроорганизмы обратимо прикрепляются силами Ван-дер-Ваальса , после чего следует необратимая адгезия через самопроизвольно созданные структуры прикрепления, такие как пили или жгутики. ^[7] Биопленки образуются на твердых субстратах, таких как нержавеющая сталь. Полимерная матрица, окружающая биопленку, обеспечивает защиту ее микробов, повышая их устойчивость к моющим средствам и чистящим средствам. Биопленки на поверхностях обработки пищевых продуктов могут представлять биологическую опасность для безопасности пищевых продуктов. Повышенная химическая устойчивость биопленок может привести к постоянному загрязнению. ^[8]

Молочная промышленность

Пастеризованное молоко хранится в резервуаре для нагревания большого объема для производства сыра.

Термическая обработка молока косвенным нагревом (например, пастеризация) для снижения микробной нагрузки и увеличения срока годности обычно выполняется пластинчатым теплообменником . Поверхности теплообменника могут загрязняться адсорбированными отложениями молочного белка. Загрязнение инициируется образованием монослоя белка при комнатной температуре, за которым следует вызванная нагревом агрегация и осаждение сывороточного белка и отложений фосфата кальция. ^[9] Адсорбированные белки снижают эффективность теплопередачи и потенциально влияют на качество продукта, препятствуя адекватному нагреву молока.

Механизмы адсорбции белков

Общая тенденция во всех примерах адсорбции белков в пищевой промышленности заключается в адсорбции на минералах, адсорбированных на поверхности в первую очередь. Это явление изучалось, но не до конца понято. Спектроскопия белков, адсорбированных на глиноподобных минералах, показывает изменения в растяжениях связей C=O и NH , что означает, что эти связи участвуют в связывании белков. ^[10]

Кулоновский

В некоторых случаях белки притягиваются к поверхностям из-за избыточного поверхностного заряда . Когда поверхность в жидкости имеет чистый заряд, ионы в жидкости будут адсорбироваться на поверхности. Белки также имеют заряженные поверхности из-за заряда аминокислотных остатков на поверхности белка. Затем поверхность и белок притягиваются кулоновскими силами. ^[11]

Притяжение, которое белок испытывает от заряженной поверхности ( ), экспоненциально зависит от заряда поверхности, как описано следующей формулой: ^[12] ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \phi =\phi _{0}e^{\frac {-x}{\lambda _{D}}}}$

Где

• ${\displaystyle \phi }$это потенциал, который ощущает белок
• ${\displaystyle \phi _{0}}$это фактический потенциал поверхности
• ${\displaystyle x}$это расстояние от белка до поверхности, и
• ${\displaystyle \lambda _{D}}$— это длина Дебая .

Потенциал поверхности белка определяется числом заряженных аминокислот и его изоэлектрической точкой , pI.

Термодинамический

Адсорбция белка может также происходить как прямой результат нагрева смеси. Адсорбция белка при переработке молока часто используется в качестве модели для этого типа адсорбции в других ситуациях. Молоко состоит в основном из воды, с менее чем 20% взвешенных твердых частиц или растворенных белков. Белки составляют всего 3,6% молока в целом и только 26% компонентов, которые не являются водой. ^[13] Все эти белки ответственны за загрязнение, которое происходит во время пастеризации .

Состав сухих веществ (неводных элементов) в молоке

Поскольку молоко нагревается во время пастеризации, многие белки в молоке денатурируются. Температура пастеризации может достигать 161 °F (71,7 °C). Эта температура достаточно высока, чтобы денатурировать белки ниже, снижая пищевую ценность молока и вызывая загрязнение. Молоко нагревают до этих высоких температур в течение короткого времени (15–20 секунд), чтобы уменьшить степень денатурации . Однако загрязнение денатурированными белками по-прежнему является значительной проблемой.

Денатурация обнажает гидрофобные аминокислотные остатки в белке, которые ранее были защищены белком. Обнаженные гидрофобные аминокислоты уменьшают энтропию окружающей их воды, что делает ее благоприятной для поверхностной адсорбции. Часть β-лактоглобулина (β-Ig) будет адсорбироваться непосредственно на поверхности теплообменника или контейнера. Другие денатурированные молекулы β-Ig адсорбируются на мицеллах казеина , которые также присутствуют в молоке. По мере того, как все больше и больше белков β-Ig связываются с мицеллами казеина, они образуют агрегат, который затем диффундирует к теплообменнику и/или поверхности контейнера.

Механизм денатурирующей адсорбции белков

Биохимический

Хотя агрегаты могут объяснить большую часть белкового загрязнения, обнаруженного при переработке молока, это не объясняет все. Был обнаружен третий тип загрязнения, который объясняется химическими взаимодействиями денатурированных белков β-Ig. ^[15]

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

Изотермы

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

${\displaystyle \Gamma ={\frac {V_{p}C_{e}}{A_{p}e^{{\frac {W_{a}A_{c}}{RT}}+V_{p}C_{e}}}}}$

В этом уравнении

• ${\displaystyle \Gamma }$это количество адсорбированного белка
• ${\displaystyle A_{c}}$это площадь поверхности на молекулу
• ${\displaystyle V_{p}}$парциальный молярный объем белка
• ${\displaystyle W_{a}}$является отрицательной величиной свободной энергии Гиббса адсорбции на единицу площади и
• ${\displaystyle C_{e}}$равновесная концентрация белка.

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

Удаление адсорбированных белков

Адсорбированные белки являются одними из самых сложных пищевых загрязнений для удаления с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. В частности, денатурированные под действием тепла белки (например, те, которые используются в молочной промышленности) плотно прилипают к поверхностям и требуют сильных щелочных очистителей для удаления. ^[16] Важно, чтобы методы очистки могли удалять как видимые, так и невидимые белковые загрязнения. Питательные вещества для роста бактерий должны быть удалены, а также биопленки, которые могли образоваться на поверхности, контактирующей с пищевыми продуктами. Белки нерастворимы в воде, слабо растворимы в кислых растворах и растворимы в щелочных растворах, что ограничивает тип очистителя, который можно использовать для удаления белка с поверхности. ^[16] Вообще говоря, высокощелочные очистители с пептизирующими и смачивающими агентами наиболее эффективны для удаления белка с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. ^[17] Температура очистки также является проблемой для эффективного удаления белка. С повышением температуры активность чистящего состава увеличивается, что облегчает удаление загрязнения. Однако при более высоких температурах (> 55 °C) белки денатурируют, и эффективность очистки снижается. ^[16]

Щелочные очистители

Щелочные очистители классифицируются как соединения с pH 7-14. Белки наиболее эффективно удаляются с поверхностей очистителями с pH 11 или выше. ^[16] Примером сильного щелочного чистящего средства является гидроксид натрия , также называемый каустической содой. Хотя гидроксид натрия (NaOH) может вызывать коррозию на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами, таких как нержавеющая сталь, он является предпочтительным чистящим средством для удаления белков из-за его эффективности в растворении белков и диспергировании/эмульгировании пищевых загрязнений. Силикаты часто добавляют в эти очистители для уменьшения коррозии на металлических поверхностях. Механизм щелочного чистящего действия в белках следует трехэтапному процессу: ^[18]

1. Гелеобразование: При контакте со щелочным раствором белковая грязь набухает и образует удаляемый гель.
2. Удаление белка: Белковый гель удаляется посредством массопереноса, в то время как чистящее средство продолжает диффундировать через грязь, усиливая образование геля.
3. Стадия распада: Белковый гель размыт до такой степени, что он представляет собой тонкий осадок. Удаление на этой стадии регулируется силами напряжения сдвига и массопереносом геля.

Гипохлорит часто добавляют в щелочные очистители для пептизации белков. Хлорированные очистители работают путем окисления сульфидных сшивок в белках. ^[16] Скорость и эффективность очистки улучшаются за счет увеличения диффузии очистителя в почвенную матрицу, которая теперь состоит из более мелких, более растворимых белков.

Ферментные очистители

Основной механизм действия ферментов

Очистители на основе ферментов особенно полезны для удаления биопленки. Бактерии довольно трудно удалить с помощью традиционных щелочных или кислотных очистителей. ^[19] Очистители на основе ферментов более эффективны для биопленки, поскольку они работают как протеазы, расщепляя белки в местах прикрепления бактерий. Они работают с максимальной эффективностью при высоком pH и при температурах ниже 60 °C. ^[16] Очистители на основе ферментов становятся все более привлекательной альтернативой традиционным химическим очистителям из-за биоразлагаемости и других экологических факторов, таких как сокращение образования сточных вод и экономия энергии за счет использования холодной воды. ^[20] Однако они, как правило, дороже, чем щелочные или кислотные очистители.

Ссылки

1. Ayadi, MA; T Benezech; F Chopard; M Berthou (2008). «Тепловые характеристики плоской омической ячейки в условиях отсутствия загрязнения и загрязнения сывороточным белком». LWT — Пищевая наука и технология . 41 (6): 1073–1081. doi :10.1016/j.lwt.2007.06.022.
2. Хо, Чиа-Чи; Эндрю Л. Зидни (2001). «Загрязнение белками асимметричных и композитных микрофильтрационных мембран». Ind. Eng. Chem. Res . 40 (5): 1412–1421. doi :10.1021/ie000810j.
3. Джонсон, Дана (23 марта 1998 г.). «Удаление пивного камня». Современная эпоха пивоварения – через Birko Corporation.
4. Макинтайр, Дональд Б. (1964). «Процесс выдержки пива». Патент США № 3,128,188 .
5. Морено-Аррибас, М. Виктория; Кармен Поло; Мария Кармен Поло (2009). Химия и биохимия вина . Springer Science+Business Media. п. 213.
6. Бултон, Роджер Б.; Вернон Л. Синглтон; Линда Ф. Биссон (1996). Принципы и практика виноделия . Kluwer Academic Publishers Group. стр. 279.
7. Лаппин-Скотт, Хилари М.; Дж. Уильям Костертон (1995). «Микробные биопленки». Ежегодный обзор микробиологии . 49. Издательство Кембриджского университета: 711–45. doi :10.1146/annurev.mi.49.100195.003431. PMID  8561477.
8. Тарвер, Тони (2009). «Биопленки: угроза безопасности пищевых продуктов». Пищевые технологии . 63 (2): 46–52.
9. Visser, J; Jeurnink, Th. J. M (1997). «Загрязнение теплообменников в молочной промышленности». Experimental Thermal and Fluid Science . 14 (4): 407–424. doi :10.1016/s0894-1777(96)00142-2.
10. Fusi, P.; Ristori, GG; Calamai, L.; Stotzky, G. (1989). «Адсорбция и связывание белка на «чистом» (гомоионном) и «грязном» (покрытом оксигидроксидами железа) монтмориллоните, иллите и каолините». Soil Biology and Biochemistry . 21 (7): 911–920. doi :10.1016/0038-0717(89)90080-1.
11. Андраде, Дж. Д.; Хлади, В.; Вэй, А. П. (1992). «Адсорбция сложных белков на интерфейсах». Pure Appl. Chem . 64 (11): 1777–1781. doi : 10.1351/pac199264111777 .
12. Батт, Ганс-Юрген; Граф, Карлхайнц; Каппль, Михаэль (2006). Физика и химия интерфейсов . Федеративная Республика Германия: Wiley-VCH.
13. «Часто задаваемые вопросы о сывороточном протеине».
14. Al-Malah, Kamal; McGuire, Joseph; Sproul, Robert (1995). "Макроскопический Mocel для изотермы адсорбции однокомпонентного белка". Journal of Colloid and Interface Science . 170 (1): 261–268. Bibcode : 1995JCIS..170..261A. doi : 10.1006/jcis.1995.1096.
15. Наканиши, Казухиро; Сакияма, Такахару; Имамура, Кореёси (2001). «Обзор адсорбции белков на твердых поверхностях — распространенного, но очень сложного явления». Журнал бионауки и биоинженерии . 91 : 233–244. doi :10.1016/s1389-1723(01)80127-4.
16. Марриотт, Норман Г.; Роберт Б. Гравани (2006). Принципы санитарии пищевых продуктов . Нью-Йорк: Springer Science+Business Media. стр. 142.
17. Рональд Х. Шмидт (июль 1997 г.). «Основные элементы очистки и дезинфекции оборудования при обработке и транспортировке пищевых продуктов». Кафедра пищевых наук и питания человека, Служба распространения знаний кооперативов Флориды, Институт пищевых и сельскохозяйственных наук, Университет Флориды . Получено 22 мая 2011 г.
18. Фрайер, П. Дж.; Кристиан, Г. К.; Лю, В. (2006). «Как происходит гигиена: физика и химия очистки». Международный журнал по технологии производства молочных продуктов . 59 (2): 76–84. doi :10.1111/j.1471-0307.2006.00249.x.
19. Флинт, SH; ван ден Элзен, H; Брукс, JD; Бремер, PJ (1999). «Удаление и инактивация термоустойчивых стрептококков, колонизирующих нержавеющую сталь». International Dairy Journal . 9 (7): 429–436. doi :10.1016/s0958-6946(99)00048-5.
20. Палмовски, Л.; Баскаран, К.; Уилсон, Х.; Уотсон, Б. (2005). «Очистка на месте — обзор современных технологий и их использование в пищевой промышленности и производстве напитков». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )