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 нарост, который образуется, когда оксалат, белки, соли кальция или магния из зерен и воды в процессе пивоварения выпадают в осадок и образуют накипь на бочонках, бочках и линиях разлива. Минералы сначала адсорбируются на поверхности контейнера под действием притяжения заряда. 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 создает поверхность, на которой легко могут разместиться микроорганизмы. Если скопившийся пивной камень внутри линий разлива отслаивается, это может отрицательно повлиять на качество готового продукта, делая пиво мутным и создавая неприятный привкус. Это также вредно с точки зрения питания: оксалаты могут снижать усвоение кальция в организме, а также повышать риск образования камней в почках.
Виноделие
Белки винограда и вина имеют тенденцию агрегировать и образовывать помутнение и осадок в готовых винах, особенно в белых винах. Белки, вызывающие помутнение, 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 дубильных веществ или других фенолов.
Биопленки
Биопленка – это сообщество микроорганизмов, адсорбированных на поверхности. Микроорганизмы в биопленках заключены в полимерный матрикс, состоящий из экзополисахаридов, внеклеточной ДНК и белков. Через несколько секунд после помещения поверхности (обычно металлической) в раствор на поверхности адсорбируются неорганические и органические молекулы. 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 связывания микроорганизмов с поверхностью. Затем эти микроорганизмы обратимо прикрепляются под действием сил Ван-дер-Ваальса с последующей необратимой адгезией через самостоятельно созданные структуры прикрепления, такие как пили или жгутики. Биопленки образуются на твердых подложках, таких как нержавеющая сталь. Полимерная матрица, окружающая биопленку, обеспечивает защиту микробов, повышая их устойчивость к моющим и чистящим средствам. Биопленки на поверхностях пищевой промышленности могут представлять биологическую угрозу безопасности пищевых продуктов. Повышенная химическая стойкость биопленок может привести к устойчивому загрязнению.
Молочная промышленность
Термическая обработка молока путем непрямого нагрева (например, пастеризация) для снижения микробной нагрузки и увеличения срока хранения обычно осуществляется с помощью пластинчатого теплообменника. Поверхности теплообменника могут загрязниться отложениями адсорбированного молочного белка. Загрязнение инициируется образованием монослоя белка при комнатной температуре, за которым следует теплоиндуцированная агрегация и отложение сывороточного белка и отложений фосфата кальция. Адсорбированные белки снижают эффективность теплопередачи и потенциально влияют на качество продукта, препятствуя адекватному нагреву молока.
Механизмы адсорбции белка
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 происходить и в результате непосредственного нагрева смеси. Адсорбция белка при переработке молока часто используется в качестве модели адсорбции этого типа в других ситуациях. Молоко состоит в основном из воды и содержит менее 20% взвешенных веществ или растворенных белков. Белки составляют всего 3,6% молока в целом, и только 26% компонентов, не являющихся водой. Все эти белки ответственны за загрязнение, возникающее 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 таких 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. Обнаруженные гидрофобные аминокислоты уменьшают энтропию окружающей их воды, что делает ее благоприятной для поверхностной адсорбции. Некоторая часть β-лактоглобулина (β-Ig) адсорбируется 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 мицеллой казеина, он образует агрегат, который затем диффундирует к теплообменнику и/или поверхности контейнера.
Биохимический
Хотя агрегаты могут объяснить большую часть белковых загрязнений, возникающих при переработке молока, они не объясняют всего этого. Обнаружен третий тип загрязнения, который объясняется химическими взаимодействиями денатурированных белков β-Ig.
β-Ig содержит 5 остатков цистеина, четыре из которых ковалентно связаны друг с другом, образуя связь S-S. Когда β-Ig денатурируется, пятый остаток цистеина подвергается воздействию воды. Затем этот остаток связывается с другими белками β-Ig, в том числе с теми, которые уже адсорбированы на поверхности. Это приводит к сильному взаимодействию 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 условиям адсорбции белка при температуре выше 50 °C из модельного раствора белка и воды. Это особенно полезно для моделирования белкового загрязнения при переработке молока.
Удаление адсорбированных белков
Адсорбированные белки являются одними из наиболее трудно удаляемых пищевых загрязнений с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. В частности, денатурированные при нагревании белки (например, те, которые используются в молочной промышленности) плотно прилипают к поверхностям, и для их удаления требуются сильные щелочные чистящие средства. Важно, что методы очистки способны удалять как видимые, так и невидимые белковые загрязнения. Необходимо удалить питательные вещества, способствующие росту 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 чистящие средства с пептизирующими и смачивающими веществами наиболее эффективны для удаления белка с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. Температура очистки также важна для эффективного удаления белка. С повышением температуры активность чистящего состава увеличивается, что облегчает удаление загрязнений. 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 вызывать коррозию поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами, таких как нержавеющая сталь, он является предпочтительным чистящим средством для удаления белков из-за его эффективности в растворении белков и диспергировании/эмульгировании пищевых загрязнений. В эти 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 чистящие средства для пептизации белков. Хлорированные чистящие средства действуют путем окисления сульфидных сшивок в белках. Скорость и эффективность очистки улучшаются за счет увеличения диффузии очистителя в матрицу почвы, которая теперь состоит из более мелких и более растворимых белков.
Ферментные очистители
Очистители на основе ферментов особенно полезны для удаления биопленки. Бактерии довольно сложно удалить традиционными щелочными или кислотными чистящими средствами. Ферментные очистители более эффективны для биопленок, поскольку они действуют как протеазы, расщепляя белки в местах прикрепления бактерий. Они работают с максимальной эффективностью при высоком pH и температуре ниже 60 °C. Ферментные чистящие средства становятся все более привлекательной альтернативой традиционным химическим чистящим средствам из-за их биоразлагаемости и других факторов окружающей среды, таких как сокращение образования сточных вод и экономия энергии за счет использования холодной воды. Однако они обычно дороже, чем щелочные или кислотные чистящие средства.