Адсорбция белков означает адгезию белков к твердым поверхностям. Это явление является важной проблемой в пищевой промышленности, особенно в переработке молока, производстве вина и пива. Чрезмерная адсорбция или загрязнение белка может привести к проблемам со здоровьем и санитарными условиями, поскольку адсорбированный белок очень трудно очистить, и он может содержать бактерии, как в случае с биопленками. Качество продукта может ухудшиться, если адсорбированный материал будет мешать этапам обработки, например пастеризации. Однако в некоторых случаях адсорбция белка используется для улучшения качества пищевых продуктов, как, например, при облагораживании вин.
Адсорбция белка
Адсорбция белка и его загрязнение могут вызвать серьезные проблемы в пищевой промышленности (особенно в молочной промышленности), когда белки из пищевых продуктов адсорбируются на обрабатываемых поверхностях, таких как нержавеющая сталь или пластик (например, полипропилен). Белковое загрязнение — это скопление белковых агрегатов на поверхности. Чаще всего это происходит в процессах нагрева, которые создают температурный градиент между оборудованием и нагреваемым сыпучим веществом. В нагревательном оборудовании, загрязненном белками, адсорбированные белки могут создавать изолирующий слой между нагревателем и сыпучим материалом, снижая эффективность нагрева. Это приводит к неэффективной стерилизации и пастеризации. Кроме того, белки, прилипшие к нагревателю, могут вызвать привкус или цвет горелого сыпучего материала. 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.
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 выпадают в осадок и образуют накипь на кегах, бочках и линиях разлива. Минералы сначала адсорбируются на поверхности контейнера под действием притяжения 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, 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 внося «неприятные» привкусы. Это также вредно с точки зрения питания: оксалаты могут снижать усвоение кальция в организме, а также увеличивать риск образования камней в почках.
Виноделие
Белки винограда и вина имеют тенденцию к агрегации и образованию мути и осадка в готовых винах, особенно в белых винах. 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.
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 связывались с поверхностью. Затем эти микроорганизмы обратимо прикрепляются силами Ван-дер-Ваальса, после чего следует необратимая адгезия через самопроизвольно созданные структуры прикрепления, такие как пили или жгутики. Биопленки образуются на твердых субстратах, таких как нержавеющая сталь. Полимерная матрица, окружающая биопленку, обеспечивает защиту ее микробов, повышая их устойчивость к моющим 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.
Молочная промышленность
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. 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 N-H, что означает, что эти связи участвуют в связывании белков.
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.
Притяжение, которое белок ощущает от заряженной поверхности (), экспоненциально зависит от заряда поверхности, как описано в следующая формула:
Где
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. Все эти белки ответственны за загрязнение, которое происходит во время пастеризации.
Поскольку молоко нагревается во время пастеризации, многие белки молока денатурируются. Температура пастеризации может достигать 161 °F (71,7 °C). Эта температура достаточно высока, чтобы денатурировать находящиеся ниже белки, снижая пищевую ценность молока и вызывая его загрязнение. Молоко нагревают до этих высоких температур в течение короткого времени (15–20 секунд), чтобы уменьшить степень денатурации. Однако загрязнение денатурированными белками по-прежнему остается серьезной проблемой.
Денатурация обнажает гидрофобные аминокислотные остатки в белке, которые ранее были защищены белком. Обнаженные гидрофобные аминокислоты снижают энтропию окружающей их воды, что делает ее благоприятной для поверхностной адсорбции. Часть β-лактоглобулина (β-lg) будет адсорбироваться непосредственно на поверхности теплообменника или контейнера. Другие денатурированные молекулы β-lg адсорбируются на мицеллах казеина, которые также присутствуют в молоке. По мере того, как все больше и больше белков β-lg связываются с мицеллами казеина, они образуют агрегат, который затем диффундирует к теплообменнику и/или поверхности контейнера.
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.
β-lg содержит 5 остатков цистеина, четыре из которых ковалентно связаны друг с другом, образуя связь S-S. 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.
В этом уравнении
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) прочно прилипают к поверхностям и требуют сильных щелочных очистителей для удаления. Важно, чтобы методы очистки могли удалять как видимые, так и невидимые белковые загрязнения. Необходимо удалить питательные вещества для роста бактерий, а также биопленки, которые могли образоваться на поверхности, контактирующей с 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. Вообще говоря, высокощелочные очистители с пептизирующими и смачивающими агентами наиболее эффективны для удаления белка с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. 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.
Щелочные очистители
Щелочные чистящие средства классифицируются как соединения с pH 7-14. Белки наиболее эффективно удаляются с поверхностей чистящими средствами с pH 11 и выше. Примером сильнощелочного чистящего средства является гидроксид натрия, также называемый каустической содой. Хотя гидроксид натрия (NaOH) может вызвать коррозию поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами, таких как нержавеющая сталь, он является предпочтительным чистящим средством для удаления белков из-за его эффективности в растворении белков и диспергировании/эмульгировании пищевых загрязнений. В эти чистящие средства часто добавляют силикаты для уменьшения коррозии металлических поверхностей. Механизм щелочного очищающего действия в белках состоит из трех этапов:
Гипохлорит часто добавляют в щелочные очистители для пептизации белков. Хлорированные очистители работают путем окисления сульфидных сшивок в белках. Скорость и эффективность очистки повышаются за счет повышенной диффузии очистителя в почвенную матрицу, которая теперь состоит из более мелких, более растворимых белков.
Ферментные очистители
Очистители на основе ферментов особенно полезны для удаления биопленки. Бактерии довольно трудно удалить с помощью традиционных щелочных или кислотных очистителей. 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. 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. Однако они, как правило, дороже, чем щелочные или кислотные очистители.