پروتئین‌ها  – فصل پنجم 

 پروتئین‌ها  – فصل پنجم 

پروتئین یکی از مهم‌ترین اجزای موجود در مواد غذایی است. بیشتر پروتئین‌ها از ۲۰ نوع اسیدآمینه تشکیل شده‌اند که توسط پیوندهای پپتیدی به هم متصل شده‌اند. ترکیب این اسیدهای آمینه منجر به تشکیل مقدار زیادی پروتئین با ساختارها و عملکردهای مختلف می‌شود. از نظر تئوری، تمام پروتئین‌های تولید‌شده توسط موجودات زنده می‌توانند توسط بدن انسان مورد استفاده قرار گیرند؛ با این ‌حال، تنها پروتئین‌هایی که به‌راحتی قابل هضم، غیر سمی و مغذی بوده و دارای عملکردهای خاص هستند در رژیم غذایی استفاده می‌شوند. این فصل به‌طور خلاصه ویژگی‌ها و ساختارهای اجزای اسیدآمینه و پروتئین‌ها را توصیف کرده و خصوصیات منابع مهم پروتئینی غذایی را برجسته می‌کند. دناتوره شدن یکی از تغییرات مهم در فرآوری مواد غذایی است. مکانیزم دناتوراسیون، ویژگی‌های پروتئین‌های دناتوره‌شده و عوامل ایجاد‌کننده دناتوراسیون نیز در این فصل بیان شده است. علاوه بر جنبه تغذیه‌ای، برخی خواص کاربردی نظیر امولسیون‌کنندگی، کف‌دهی، ژل‌دهی و ویسکوزیته نیز باعث کاربرد گسترده آنها در صنایع غذایی شده‌اند. این خواص کاربردی نیز به‌طور مفصل در این فصل توضیح داده شده‌اند. پروتئین‌ها در طول فرآیندهای مختلف دچار تغییراتی می‌شوند که می‌توانند به‌شدت بر کیفیت مواد غذایی تأثیر بگذارند. این فصل همچنین بر تغییرات پروتئین‌ها در تکنیک‌های مختلف فرآوری تأکید می‌کند.

۱. خواص فیزیکی و شیمیایی اسیدهای آمینه و پروتئین‌ها

۱.۱ اسیدهای آمینه

۱.۱.۱ خواص اسید-باز

اسیدهای آمینه مولکول‌هایی آمفیفیلیک هستند که دارای یک گروه کربوکسیلیک اسیدی و یک گروه آمینی بازی می‌باشند. ثابت تفکیک این گروه‌ها در اسیدهای آمینه کمتر از ثابت تفکیک گروه‌های معمولی کربوکسیلیک و آمینی است. به عنوان مثال، مقدار Ka گلایسین ۱۰^-۱۰×۱.۶ است که بسیار کمتر از مقدار ۱۰^-۵ برای بیشتر اسیدهای کربوکسیلیک است. بنابراین در بیشتر حالت‌ها این دو گروه به شکل آزاد وجود ندارند. در pH نزدیک به خنثی، اسیدهای آمینه به صورت یون‌های دو‌قطبی یا زویتریون حضور دارند.
اسیدهای آمینه می‌توانند با اسید و باز واکنش دهند. گروه‌های کربوکسیلیک (–COOH) می‌توانند دپروتونه شده و به کربوکسیلات منفی (–COO-) تبدیل شوند، و گروه‌های آمینی (–NH2) می‌توانند پروتونه شده و به گروه‌های آمونیوم مثبت (+NH3) تبدیل شوند. بسته به مقدار pH، حالت غالب متفاوت خواهد بود و در بازه بین دو مقدار pKa، اسیدآمینه به صورت زویتریون با بار خالص صفر دیده می‌شود.

۱.۱.۲ نقطه ایزوالکتریک

در pH ما بین دو مقدار pKa، زویتریون غالب است. در نقطه میانی دقیق (pI) بار مثبت و منفی به‌طور کامل یکدیگر را خنثی می‌کنند و بار خالص صفر می‌شود. در این pH، اسیدهای آمینه در الکتروفورز فاقد تحرک بوده و کمترین حلالیت را دارند؛ بنابراین با تنظیم pH به مقدار pI می‌توان آنها را از محلول رسوب داد.

۱.۱.۳ واکنش‌های شیمیایی

اسیدهای آمینه واکنش‌های معمولی گروه‌های اسیدی و آمینی را نشان می‌دهند و این واکنش‌ها ممکن است در طی فرآوری غذا رخ دهند:

• (۱) آسیل‌دار شدن گروه آمین
• (۲) آلکیله‌کردن گروه آمین
• (۳) واکنش با اسید نیترو
• (۴) واکنش با نین‌هیدرین
• (۵) واکنش‌های گروه کربوکسیل

۱.۳ خواص حسی

۱.۳.۱ تلخی

اسیدهای آمینه دارای گروه‌های عاملی متعددی هستند و می‌توانند با گیرنده‌های مختلف طعم واکنش داده و طعم‌های متفاوتی ایجاد کنند. اسیدهای آمینه شیرین عمدتاً در میان ایزومرهای D یافت می‌شوند، در حالی که طعم اسیدهای آمینه سری L به‌شدت تحت تأثیر زنجیره جانبی آنها قرار دارد.

زمانی که زنجیره جانبی کوچک باشد، طعم شیرین غالب است. به‌عنوان مثال، گلیسین (Gly)، آلانین (Ala)، پرولین (Pro)، هیدروکسی‌پرولین (Hpr)، هوموسیستئین (Hcys)، سرین (Ser)، ترئونین (Thr)، آسپاراژین (Asn) و متیل‌استر اسید گلوتامیک (Glu-OMe) دارای زنجیره‌های جانبی کوچک بوده و دارای طعم شیرین هستند.
وقتی زنجیره جانبی بیش از سه اتم کربن داشته باشد (مانند لوسین، ایزولوسین، نورلوسین، فنیل‌آلانین، تیروزین، تریپتوفان، هیستیدین، لیزین و آرژینین) طعم تلخ غالب می‌شود.
اگر زنجیره جانبی اندازه متوسطی داشته باشد، اسیدهای آمینه هم طعم شیرین و هم تلخ را نشان می‌دهند (مانند والین و اورنیتین).

طعم اسیدهای آمینه همچنین به هیدروفوبی بودن زنجیره جانبی بستگی دارد. اگر زنجیره جانبی تنها کمی هیدروفوب باشد، اسیدآمینه اندکی شیرین و بدون تلخی است (مثلاً گلوتامین، سیستئین و متیونین). اگر زنجیره جانبی اسیدی باشد، طعم اسیدآمینه ترش است (مانند آسپارتیک اسید و گلوتامیک اسید). جدول ۵-۱ رابطه بین خواص زنجیره جانبی و طعم اسیدهای آمینه را نشان می‌دهد.

جدول ۵-۱. رابطه بین ساختار زنجیره جانبی و طعم اسیدهای آمینه

دسته	اسیدآمینه‌ها	ویژگی زنجیره جانبی	طعم
I	Glu, Asp, Gln, Asn	اسیدی	ترش
II	Thr, Ser, Ala, Gly, Met, Cys	کوتاه	شیرین
III	Hpr, Pro	پیرول	شیرین با کمی تلخی
IV	Val, Leu, Ile, Phe, Tyr, Trp	بزرگ و کشیده	تلخ
V	His, Lys, Arg	قلیایی	شیرین با کمی تلخی

خواص حسی الیگوپپتیدها، به‌ویژه دی‌پپتیدها، توسط طعم اولیه اسیدهای آمینه تشکیل‌دهنده تعیین می‌شود. قوانین زیر در این زمینه وجود دارد:

1. پپتیدهای خنثی متشکل از اسیدهای آمینه نوع I و V و همچنین پپتیدهایی که فقط حاوی اسیدآمینه‌های نوع II هستند، طعم ملایمی دارند.
2. نمک‌های سدیمی الیگوپپتیدهایی که فقط از اسیدهای آمینه نوع I یا ترکیبی از نوع I و II تشکیل شده‌اند، طعم خوشایند (اومامی) دارند، مانند Glu-Glu، Glu-Asp، Glu-Ser و Glu-Thr.
3. ترکیب اسیدآمینه‌های نوع III با نوع I طعم تلخی را حذف می‌کند، اما طعم ترش باقی می‌ماند.
4. پپتیدهایی که فقط از اسیدآمینه‌های نوع III، IV یا V یا ترکیبی از آنها تشکیل شده‌اند، تلخ هستند.
5. تشکیل پپتید، استریفیکاسیون گروه کربوکسیل یا تشکیل دی‌کتوپیپرازین از طریق اتصال اسیدهای آمینه نوع IV و V، شدت تلخی را افزایش می‌دهد.
6. پپتیدهایی که اسیدهای آمینه نوع IV یا V را در انتهای C دارند، ۳ تا ۵ برابر تلخ‌تر از زمانی هستند که این اسیدهای آمینه در انتهای N یا در میانه زنجیره قرار گرفته باشند.
7. حضور اسیدهای آمینه نوع II (به ویژه Gly) در هر یک از دو انتهای پپتید یا در حالت حلقوی، تلخی را افزایش می‌دهد.

تمام پپتیدها دارای گروه‌های قطبی AH هستند، اما به دلیل تفاوت قابل توجه در وزن مولکولی و ماهیت گروه‌های هیدروفوب، قابلیت اتصال به گیرنده‌های تلخی نیز متفاوت است. شدت تلخی پپتید را می‌توان با محاسبه هیدروفوبیته متوسط زنجیره جانبی (Q) پیش‌بینی کرد. اگر مقدار Q بزرگ‌تر از 6.85 kJ/mol باشد، پپتید تلخ است و اگر کمتر از 5.43 kJ/mol باشد، تلخ نیست.

با این حال، استثناهایی نیز وجود دارد؛ برای مثال تمام پپتیدهایی با وزن مولکولی بالاتر از ۶۰۰۰، با وجود داشتن Q بالا، طعم ملایم دارند. یا اگر Gly در انتهای یکی یا هر دو سوی پپتید قرار داشته باشد، حتی زمانی که Q کمتر از 5.43 kJ/mol است نیز پپتید تلخ است.

۱.۳.۲. طعم خوشایند (Delicious Flavor)

طعم خوشایند (اومامی) یک طعم پیچیده است که معمولاً توسط ترکیبی از تقویت‌کننده‌های طعم، از جمله برخی اسیدهای آمینه، ایجاد می‌شود (جدول ۵-۳ ترکیبات اصلی ایجادکننده این طعم در برخی مواد غذایی را نشان می‌دهد).

جدول ۵-۳. اجزای اصلی ایجادکننده طعم خوشایند در برخی مواد غذایی

ماده	MSG	آمین‌ها و پپتیدهای اسیدآمینه‌ای	5′-IMP	5′-GMP	سدیم سوکسینات
گوشت حیوانی	+	++	+++
ماهی	+	++	+++
میگو، خرچنگ	+	+	++
صدف	+++	+++			+++
هشت‌پا و ماهی مرکب	++	+++
جلبک	+++	++
سبزیجات		++
قارچ				+++
سس سویا	+++	+++

(۱) خواص مشترک تقویت‌کننده‌های طعم

تقویت‌کننده‌های طعم ترکیباتی هستند که عطر و طعم غذا را افزایش می‌دهند، در حالی که خودشان در غلظت‌های مورد استفاده طعم یا بوی مشخصی ندارند. ترکیبات متعددی با قابلیت تقویت طعم شناسایی شده‌اند:

• تنها نمک‌های تفکیک‌شده اسید گلوتامیک (مثل مونو سدیم گلوتامات – MSG) می‌توانند نقش تقویت‌کننده طعم داشته باشند؛ مشتقات گلوتامیک اسید که قابلیت تفکیک ندارند، این توانایی را ندارند.
• نوکلئوتیدهایی از قبیل 5′-IMP، 5′-GMP و 5′-XMP تقویت‌کننده‌های قوی طعم هستند، در حالی که آدنوزین مونوفسفات این قابلیت را ندارد.
• L-Cys، نمک سدیمی اسید تیوسولفونیک، هوموسیستئین، L-Asp، اسید آمینوآدیپیک و اسید سوکسینیک نیز توانایی تقویت طعم مشابه MSG دارند.
• برخی اسیدهای میوه‌ای مانند اسید مالیک، تارتاریک و سیتریک می‌توانند طعم غذاها را تقویت کنند. ترکیب هر یک از این اسیدها با اسید لاکتیک می‌تواند بوی محصولات سویا را بهبود بخشد. همچنین آب لیمو سیتریک طعم توت‌فرنگی را تقویت می‌کند.
• اسید فوماریک و مالئیک می‌توانند بوی نامطلوب سیر را سرکوب کنند.
• گلوتاتیون طعم آبگوشت گوشت را تقویت می‌کند. پلی‌فسفات‌ها طعم گوشت مرغ و پنیر را بهبود می‌بخشند.
• نمک‌های دی‌آمین اسیدهای دیکربوکسیلیک با تعداد کربن ۳ تا ۱۰ می‌توانند به‌عنوان جایگزین نمک خوراکی استفاده شوند.

پیشنهاد شده است که تمام تقویت‌کننده‌های طعم دارای ساختار مشترک O–(C)n–O هستند که در آن n بین ۳ تا ۹ است؛ یعنی ترکیب باید یک زنجیره آلکیلی ۳ تا ۹ کربنی داشته باشد و دو انتهای آن بار منفی داشته باشند. ترکیباتی با ۴ تا ۶ کربن بیشترین قدرت تقویت‌کنندگی را دارند. زنجیره آلکیلی می‌تواند مستقیم، شاخه‌ای یا حلقوی باشد و اتم‌های آن می‌توانند با O، N، S یا P جایگزین شوند. بار منفی در دو انتهای مولکول برای تقویت طعم ضروری است. اگر گروه کربوکسیلیک استری‌شده، آمیدی‌شده یا در اثر حرارت به لاکتون یا لاکتام تبدیل شده باشد، توان تقویت طعم به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. بار منفی می‌تواند توسط یک دو قطبی منفی نیز جایگزین شود؛ برای مثال، قدرت تقویت‌کنندگی اسید تریچولومیک و ایبوتنیک 5 تا 30 برابر بیشتر از MSG است.

از نظر اقتصادی و ایمنی، تنها تقویت‌کننده‌های طعم نوع گلوتاماتی و نوع نوکلئوتیدی به‌طور تجاری مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

(۲) تقویت‌کننده‌های طعم نوع گلوتامات

تقویت‌کننده‌های طعم حاوی گلوتامات ترکیباتی با ماهیت چرب بوده و برای عملکرد، نیازمند پیکربندی فضایی مشخص هستند. گروه‌های دارای بار منفی در دو انتهای مولکول (مانند –COOH ،–SO₃H و –SH) عامل اصلی در تقویت طعم بوده و گروه‌های هیدروفیل (مانند –L-NH₂OH) این قابلیت را تقویت می‌کنند. دی‌پپتیدها یا تری‌پپتیدهایی که اسیدهای آمینه هیدروفیل در انتهای کربوکسیل گلوتامات قرار دارند، دارای قابلیت تقویت طعم هستند؛ در حالی که در صورت حضور اسیدهای آمینه هیدروفوب در این موقعیت، طعم تلخ ایجاد می‌گردد (جدول ۵-۴).

شایان ذکر است که تمام اسیدهای آمینه بیش از یک طعم دارند. در جدول ۵-۵ نسبت طعم‌های سه اسیدآمینه نشان داده شده است. قابلیت تقویت طعم MSG تحت‌تأثیر pH محیط قرار دارد و در pH حدود ۶٫۰ بیشترین تأثیر را دارد. علاوه‌ بر این، دما نیز مؤثر است؛ هنگامی که MSG در مدت طولانی یا در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شود، دهیدراتاسیون بین مولکولی صورت گرفته و پیرولوتامیک اسید (که در زیر نشان داده شده) تشکیل می‌شود. این ترکیب نه تنها فاقد توان تقویت طعم است بلکه برای بدن انسان نیز سمی می‌باشد.

۲. ساختار پروتئین

۲.۱. ساختار اولیه (Primary Structure)

ساختار اولیه به توالی اسیدهای آمینه در زنجیره پروتئین اشاره دارد و توسط کدهای ژنتیکی موجود در ژن‌ها تعیین می‌شود. ساختار اولیه نحوه ایجاد ساختارهای مرتبه بالاتر پروتئین‌ها را مشخص می‌کند.
تمام پروتئین‌ها از ۲۰ اسیدآمینه ساخته شده‌اند و ترکیب متنوع این اسیدهای آمینه منجر به تشکیل تعداد بسیار زیادی پروتئین با ساختار فضایی و عملکردهای بیولوژیکی متنوع می‌شود.

۲.۲. ساختارهای مرتبه بالاتر

زنجیره‌های پلی‌پپتیدی در شرایط مناسب تا شده و پیچ می‌خورند و این آرایش‌ها خواص زیستی و فیزیکوشیمیایی پروتئین‌ها را – علاوه بر توالی آمینواسیدی – تعیین می‌کنند.

۲.۲.۱. ساختار ثانویه

ساختار ثانویه، شکل سه‌بعدی بخش‌های محلی زنجیره پلی‌پپتیدی است و شامل آرایش زنجیره جانبی اسیدهای آمینه نمی‌شود. دو نوع رایج از ساختار ثانویه عبارتند از: آلفا-هلیکس (α-Helix) و صفحات بتا (β-Sheet).

الف) آلفا-هلیکس
ویژگی‌های ساختار α-هلیکس به شرح زیر است:

1. صفحات پیوند پپتیدی حول اتم‌های کربن آلفا می‌چرخند و یک مارپیچ راست‌گرد فشرده تشکیل می‌دهند.
2. هر دور کامل مارپیچ شامل ۳٫۶ اسیدآمینه است و هر اسیدآمینه به اندازه ۱٫۵ آنگستروم به طول محوری می‌افزاید؛ زاویه چرخش برای هر اسیدآمینه ۱۰۰ درجه است.
3. این ساختار توسط پیوندهای هیدروژنی بین گروه N–H و C=O چهار اسیدآمینه قبل در همان زنجیره تثبیت می‌شود.
4. زنجیره‌های جانبی اسیدآمینه‌ها به سمت خارج مارپیچ قرار دارند و اندازه، شکل و بار آنها بر تشکیل مارپیچ تأثیر می‌گذارد. اسیدهای آمینه با زنجیره جانبی بزرگ (مثل تریپتوفان و ایزولوسین) یا گروه‌های با بار زیاد (مثل انواع اسیدی یا بازی) تشکیل α-هلیکس را کاهش می‌دهند. پرولین نیز به علت ناتوانی در چرخش و تشکیل پیوند هیدروژنی، معمولاً در α-هلیکس دیده نمی‌شود، و حضور گلایسین می‌تواند پایداری مارپیچ را کاهش دهد.

ب) صفحات β (β-Sheet)

ویژگی‌های ساختار β-sheet عبارتند از:

1. ساختاری کشیده است که اسیدآمینه‌ها در آرایش زیگزاگی قرار می‌گیرند و گروه‌های جانبی در بالا یا پایین صفحه پلیت قرار دارند. زاویه بین صفحات پیوند پپتیدی حدود ۱۱۰ درجه است.
2. این ساختار توسط پیوندهای هیدروژنی بین گروه‌های C=O و –NH دو رشته مجاور پلی‌پپتیدی تثبیت می‌شود.
3. اگر دو رشته در یک جهت قرار داشته باشند، ساختار β موازی و اگر در جهت مخالف باشند، β آنتی‌پاراالل تشکیل می‌شود (گاهی هر دو نوع در یک پروتئین وجود دارند).
4. فاصله بین دو باقیمانده آمینواسیدی مجاور در β موازی 0.65 نانومتر و در β آنتی‌پاراالل حدود 0.7 نانومتر است.

۲.۲.۲. ساختار سوم (Tertiary Structure)

ساختارهای ثانویه زنجیره پلی‌پپتیدی می‌توانند بیشتر تا خورده و یک ساختار سه‌بعدی فشرده تشکیل دهند که “ساختار سوم” نامیده می‌شود. این ساختار عمدتاً توسط پیوندهای ثانویه نظیر پیوند هیدروژنی، برهم‌کنش‌های آبگریز، پیوندهای یونی (salt linkage) و نیروهای واندروالس تثبیت می‌شود.
این پیوندها می‌توانند بین زنجیره‌های جانبی اسیدهای آمینه‌ای رخ دهند که در ساختار اولیه از هم فاصله زیادی دارند.
پیوند دی‌سولفیدی یک پیوند ثانویه نیست، اما از طریق اتصال دو بخش متفاوت یک زنجیره، در پایداری ساختار سوم بسیار مهم است.

پروتئین‌ها از نظر ساختار فضایی به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

• پروتئین‌های فیبری (مانند فیبرین): دارای مولکول‌های کشیده و نسبت طول به عرض بالا
• پروتئین‌های کروی (مانند آلبومین، گلوبولین و میوگلوبین): زنجیره‌ها به‌صورت فشرده و کروی تا شده‌اند

در پروتئین‌های کروی، گروه‌های هیدروفوب در مرکز پروتئین و گروه‌های هیدروفیل در سطح قرار دارند، به همین دلیل این پروتئین‌ها عموماً محلول در آب هستند (بیشتر آنزیم‌ها از این نوع‌اند).

۲.۲.۳. ساختار چهارم (Quaternary Structure)

چندین زنجیره پلی‌پپتیدی با ساختار سوم کامل می‌توانند از طریق پیوندهای ثانویه با هم جمع شوند و ساختار پیچیده‌تری به نام ساختار چهارم تشکیل دهند. هر زنجیره با ساختار سوم مشخص به‌عنوان یک «ساب‌یونیت» (زیرواحد) محسوب می‌شود.
ساختار چهارم در واقع آرایش و نحوه تعامل این زیرواحدها با یکدیگر است. پیوندهایی که زیرواحدها را کنار هم نگه می‌دارند نسبتاً ضعیف‌ترند و در شرایط خاص می‌توانند بدون تغییر ساختار هر زیرواحد از هم جدا شوند.

به‌عنوان مثال:

• پروتئین پوششی ویروس Tobacco streak از ۲۲۰۰ زیرواحد یکسان تشکیل شده است.
• هموگلوبین A دارای چهار زیرواحد (دو زیرواحد α و دو زیرواحد β) است.

برخی پروتئین‌ها حتی می‌توانند بیشتر تجمع یافته و پلیمر تشکیل دهند؛ که هر واحد تکرارشونده را «مونومر» می‌نامند. مثلاً انسولین می‌تواند در بدن به شکل دایمر یا هگزامر وجود داشته باشد.

۲.۳. رابطه ساختار–عملکرد

۲.۳.۱. رابطه بین ساختار اولیه، چینش فضایی و عملکرد

ساختار اولیه (توالی اسیدهای آمینه) نحوه آرایش فضایی زنجیره پپتیدی را تعیین می‌کند و ساختار فضایی (کانفورماسیون) عمدتاً توسط انواع مختلف پیوندهای ثانویه میان زنجیره‌های جانبی اسیدهای آمینه حفظ می‌شود.
هنگامی که یک زنجیره پپتیدی در داخل بدن سنتز ‌شود، پروتئین به‌طور خودبه‌خود به شکل فضایی صحیح خود تا می‌خورد.

پروتئین‌هایی با ساختار اولیه مشابه، معمولاً ساختار فضایی و عملکردی مشابه دارند. به‌عنوان مثال، پروتئین‌هایی با عملکرد یکسان که از موجودات مختلف استخراج شده‌اند، در ساختار اولیه تفاوت اندکی دارند و این تفاوت بین موجوداتی که از نظر تکاملی به هم نزدیک‌ترند حتی کمتر است.

۲.۳.2. رابطه بین ساختار فضایی و عملکرد

عملکردهای متنوع پروتئین‌ها به‌طور نزدیک با ساختار فضایی آنها مرتبط است. زمانی که ساختار فضایی تغییر کند، فعالیت عملکردی نیز به همان نسبت تغییر می‌کند. این رابطه به‌خوبی توسط پدیده دناتوراسیون و رناتوراسیون پروتئین‌ها نشان داده می‌شود، که در بخش‌های بعدی به‌تفصیل توضیح داده خواهد شد.

۳. دناتوراسیون (Denaturation)

دناتوراسیون به تغییرات ساختاری پروتئین‌ها گفته می‌شود که در نتیجه آنها ساختار فضایی طبیعی (ثانویه، ثالثیه و چهارم) از بین می‌رود، در حالی که ساختار اولیه (توالی اسیدهای آمینه) دست‌نخورده باقی می‌ماند. در نتیجه دناتوراسیون، پروتئین معمولاً بخشی یا تمام فعالیت‌های زیستی و عملکردی خود را از دست می‌دهد.

۳.۱. مکانیسم دناتوراسیون

پروتئین‌ها در ساختار طبیعی خود توسط پیوندهای غیرکوالانسی (پیوند هیدروژنی، نیروهای واندروالس، پیوندهای یونی و برهم‌کنش‌های آبگریز) پایدار شده‌اند. زمانی‌که یک عامل دناتوره‌کننده (مانند حرارت، pH نامناسب، حلال‌های آلی، فشار، امواج فراصوت و غیره) وارد عمل می‌شود، این پیوندهای ضعیف شکسته شده یا تغییر می‌کنند و زنجیره پروتئینی باز شده یا تاخوردگی صحیح خود را از دست می‌دهد. در نتیجه، ساختار پروتئین باز شده و گروه‌های آب‌گریز داخلی آن در تماس با محیط قرار می‌گیرند.

۳.۲. ویژگی‌های پروتئین‌های دناتوره‌شده

پس از دناتوراسیون، پروتئین‌ها ویژگی‌های زیر را نشان می‌دهند:

• کاهش حلالیت: باز شدن ساختار باعث آشکار شدن گروه‌های آبگریز شده و در نتیجه تمایل به تجمع و رسوب افزایش می‌یابد.
• از دست دادن فعالیت زیستی: بسیاری از فعالیت‌های آنزیمی وابسته به ساختار دقیق فعال‌کننده هستند؛ بنابراین با تخریب ساختار فضایی، فعالیت از بین می‌رود.
• افزایش حساسیت به پروتئازها: پروتئین دناتوره شده قابلیت بیشتری برای تجزیه شدن توسط آنزیم‌های گوارشی دارد، زیرا محل‌های برش آشکارتر می‌شوند.
• تغییر در خواص عملکردی: ویژگی‌هایی مثل قابلیت تشکیل کف، ژل و امولسیون ممکن است افزایش یا کاهش یابد.
• پدیده تجمع (Aggregation): گروه‌های هیدروفوب آشکار شده باعث چسبندگی زنجیره‌ها به یکدیگر شده و ممکن است منجر به تشکیل شبکه‌های سه بعدی یا لخته شود.

۳.۳. عوامل ایجادکننده دناتوراسیون

عوامل اصلی که می‌توانند دناتوراسیون پروتئین‌ها را ایجاد کنند عبارتند از:

(۱) حرارت:
افزایش دما انرژی لازم برای شکستن پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالس را فراهم می‌کند. معمولاً دناتوراسیون حرارتی غیرقابل برگشت است.

(۲) تغییر pH:
افزایش یا کاهش شدید pH باعث یونیزه شدن یا خنثی شدن گروه‌های باردار شده و در نتیجه پیوندهای یونی بین زنجیره‌های جانبی از بین می‌روند.

(۳) حلال‌های آلی (مانند اتانول، استن و…)
این حلال‌ها می‌توانند تعامل پروتئین با آب را مختل کرده و گروه‌های هیدروفوب را آشکار کنند.

(۴) نمک‌های سنگین (مانند یون‌های Hg²⁺، Pb²⁺ و Ag⁺):
این یون‌ها می‌توانند با گروه‌های سولفیدریل یا سایر گروه‌های فعال واکنش داده و ساختار را مختل کنند.

(۵) فشار زیاد، امواج فراصوت، اشعه و…
این عوامل نیز از طریق تخریب پیوندهای ثانویه باعث دناتوراسیون می‌شوند.

۳.۴. برگشت‌پذیری دناتوراسیون

در برخی موارد، پس از حذف عامل دناتوره‌کننده، پروتئین می‌تواند دوباره تاخورده و به ساختار عملکردی خود بازگردد که به این فرآیند رناتوراسیون گفته می‌شود. با این حال، در بسیاری از پروتئین‌ها (به‌خصوص در سیستم‌های غذایی)، دناتوراسیون غیربازگشت‌پذیر است، چرا که تجمع زنجیره‌ها یا تشکیل پیوندهای جدید باعث جلوگیری از بازگشت به ساختار اصلی می‌گردد.

۴. ویژگی‌های کاربردی پروتئین‌ها

پروتئین‌ها علاوه بر نقش تغذیه‌ای، به دلیل برخورداری از ویژگی‌های عملکردی مختلف در فرمولاسیون بسیاری از محصولات غذایی استفاده می‌شوند. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارتند از: امولسیون‌کنندگی، کف‌دهی، ژل‌دهی و ویسکوزیته.

۴.۱. خاصیت امولسیون‌کنندگی

پروتئین‌ها به دلیل داشتن بخش‌های آب‌دوست و آب‌گریز می‌توانند در مرز بین دو فاز نامخلوط (مانند آب و روغن) قرار گرفته و با کاهش تنش سطحی، امولسیون پایدار ایجاد کنند.
پروتئین‌های دناتوره‌شده معمولاً دارای خاصیت امولسیون‌کنندگی بیشتری هستند، زیرا گروه‌های آب‌گریز داخلی آشکار می‌شوند و می‌توانند در سطح قطرات روغن قرار گیرند.
پایداری امولسیون به عواملی نظیر pH، غلظت پروتئین، یون‌های موجود در محیط و دما بستگی دارد.

۴.۲. خاصیت کف‌دهی

پروتئین‌ها می‌توانند در مرز بین فاز مایع و گاز تجمع یابند و سطح حباب‌های هوا را پوشش داده و پایداری کف ایجاد کنند.
توانایی تشکیل کف و پایداری آن به ساختار فضایی پروتئین، بار سطحی، pH و حضور نمک‌ها بستگی دارد.
پروتئین‌های تخم‌مرغ نمونه بارزی از پروتئین‌های با قابلیت کف‌دهی بالا هستند.

۴.3. خاصیت ژل‌دهی

زمانی که پروتئین‌ها حرارت داده شده یا pH آنها تغییر پیدا کند، می‌توانند دناتوره شده و سپس با ایجاد پیوند میان زنجیره‌ای، شبکه سه‌بعدی تشکیل دهند که آب را درون خود محبوس می‌کند؛ این ساختار به‌عنوان ژل پروتئینی شناخته می‌شود.

ژل‌دهی برای ایجاد بافت در بسیاری از محصولات مانند سوسیس، فرآورده‌های دریایی، توفو و ژل دسرها اهمیت زیادی دارد.
توانایی ژل‌دهی به شدت تحت تأثیر نوع پروتئین، غلظت، شدت حرارت‌دهی و مقدار نمک است.

۴.۴. ویسکوزیته

پروتئین‌ها می‌توانند باعث افزایش ویسکوزیته محلول‌های غذایی شوند. این اثر معمولاً به دلیل افزایش اندازه مولکولی و ایجاد برهم‌کنش‌های بین‌زنجیره‌ای (مانند پیوند هیدروژنی یا تجمع آب‌گریز) رخ می‌دهد.
ویسکوزیته محلول پروتئینی با افزایش غلظت، کاهش pH تا حوالی نقطه ایزوالکتریک یا اعمال حرارت افزایش می‌یابد.

۵. تغییرات پروتئین‌ها در طی فرآوری مواد غذایی

در طول فرآوری، پروتئین‌ها تحت شرایطی مانند حرارت، فشار، pH، برش مکانیکی یا خشک‌کردن قرار می‌گیرند که می‌تواند باعث ایجاد تغییراتی در ساختار و عملکرد آنها شود. این تغییرات تا حد زیادی بر کیفیت نهایی محصول غذایی اثر می‌گذارد.

۵.۱. حرارت

گرم‌کردن معمولاً منجر به دناتوراسیون جزئی یا کامل زنجیره‌های پروتئینی می‌شود. دناتوراسیون حرارتی باعث آشکار شدن گروه‌های فعال، افزایش تجمع و در بسیاری موارد تشکیل ژل یا لخته می‌شود.
نتیجه این تغییرات می‌تواند مطلوب (بهبود بافت، قابلیت هضم یا افزایش پایداری میکروبی) یا نامطلوب (کدر شدن، کاهش حلالیت، سفت شدن بیش از حد) باشد.

۵.۲. تغییر pH

تنظیم pH به نقطه ایزوالکتریک (pI) باعث کاهش بار خالص سطحی پروتئین‌ها و در نتیجه کاهش دافعه الکترواستاتیکی میان زنجیره‌ها می‌شود؛ این امر منجر به تجمع یا رسوب می‌گردد.
در pH دور از pI، حلالیت و پایداری پروتئین افزایش می‌یابد. فرآیندهایی مانند تولید پنیر (انعقاد کازئین با کاهش pH) بر همین اصل استوار هستند.

۵.۳. نمک‌ها و یون‌ها

نمک‌ها می‌توانند از طریق افزایش قدرت یونی، بار سطحی را خنثی کرده و پیوندهای یونی موجود بین گروه‌های باردار پروتئین را کاهش دهند. این موضوع می‌تواند حلالیت پروتئین، توانایی امولسیون‌کنندگی و ویسکوزیته را تغییر بدهد. در غلظت‌های بالا (نمک‌زدایی) پروتئین‌ها ممکن است رسوب کنند (Salt-out).

۵.۴. خشک‌کردن و انجماد

در طی خشک‌کردن، آب محیط اطراف پروتئین کاهش یافته و در نتیجه بسیاری از پیوندهای هیدروژنی از بین می‌روند و پروتئین به حالت غیرفعال و متراکم درمی‌آید.
انجماد می‌تواند باعث ایجاد غلظت موضعی نمک و pH در سطح کریستال‌های یخ شده و دناتوراسیون جزئی ایجاد کند. البته در حضور محافظ‌هایی مانند قندها می‌توان این اثر را کاهش داد.

۵.۵. برش مکانیکی و هموژنیزاسیون

اعمال برش‌های مکانیکی شدید موجب باز شدن ساختارهای سوم و چهارم و آشکار شدن گروه‌های هیدروفوب می‌شود که می‌تواند تشکیل امولسیون و کف را تسهیل کند. با این حال، برش بیش از حد ممکن است باعث تجمع و از دست رفتن عملکرد شود.

۳. طبقه‌بندی پروتئین‌ها

۳.۱. طبقه‌بندی بر اساس ترکیب و مقدار اسیدآمینه

بر اساس ترکیب اسیدآمینه‌ها و مقدار آنها در پروتئین، پروتئین‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند: کامل، نیمه‌کامل و ناقص.

۳.۱.۱. پروتئین کامل

پروتئین کامل (یا پروتئین کامل غذایی) دارای نسبت کافی از هر ۹ اسیدآمینه ضروری مورد نیاز بدن انسان یا حیوان می‌باشد. بسیاری از محصولات حیوانی مانند شیر، تخم‌مرغ، ماهی و گوشت دارای پروتئین کامل هستند.

۳.۱.۲. پروتئین نیمه‌کامل

پروتئین نیمه‌کامل همه انواع اسیدهای آمینه ضروری را دارد، اما نسبت برخی از آنها برای نیاز انسان کافی نیست. این نوع پروتئین‌ها می‌توانند باعث بقای موجود زنده شوند ولی برای رشد و نمو کافی نیستند.
برای مثال، گلیادین موجود در گندم مقدار کمی لیزین دارد و در نتیجه به‌عنوان پروتئین نیمه‌کامل شناخته می‌شود. هر اسیدآمینه ضروری که مقدار آن برای سنتز طبیعی پروتئین‌های بدن کافی نباشد، اسیدآمینه محدودکننده نامیده می‌شود. برای مثال، پروتئین ذرت مقدار کمی لیزین دارد و بنابراین لیزین اسیدآمینه محدودکننده آن است.

۳.۱.۳. پروتئین ناقص

پروتئین‌های ناقص یک یا چند اسیدآمینه ضروری را به‌طور کامل یا در نسبت مناسب ندارند. موجود زنده نمی‌تواند تنها با این نوع پروتئین‌ها رشد کند یا حتی زندگی خود را حفظ نماید. کلاژن موجود در پوست خوک نمونه‌ای از پروتئین ناقص است.

---

۳.۲. طبقه‌بندی بر اساس حلالیت

بر اساس حلالیت، پروتئین‌ها به هفت گروه تقسیم می‌شوند:

زیرگروه	ویژگی اصلی	مثال
۳.۲.۱. آلبومین	محلول در آب و محلول در نمک‌های با غلظت متوسط	لئوکوزین در گندم، آلبومین سرم خون، اوآلبومین در تخم مرغ
۳.۲.۲. گلوبولین	نامحلول در آب، ولی محلول در محلول‌های رقیق نمکی، اسیدی یا قلیایی	لِگومین سویا، سرُگلوبولین خون، میوگلوبین
۳.۲.۳. هیستون	بسیار قلیایی، محلول در آب یا اسیدهای رقیق، غنی از Lys و Arg	پروتئین‌های ساختمانی کروموزوم
۳.۲.۴. پروتامین	پروتئین‌های کوچک، غنی از آرژینین، محلول در آب و اسید رقیق	موجود در اسپرم بالغ
۳.۲.۵. پرولامین	پروتئین ذخیره‌ای گیاهان، غنی از پرولین، فقط در اتانول ۷۰–۸۰٪ محلول	پروتئین دانه غلات
۳.۲.۶. گلوتن	در آب و نمک رقیق نامحلول، در اسید و قلیا رقیق محلول	موجود در دانه جو، چاودار
۳.۲.۷. آلبومینوئید	در آب، نمک، اسید و قلیا رقیق نامحلول؛ نقش سازه‌ای	کراتین، کلاژن، الاستین، فیبروئین

۳.۳. طبقه‌بندی بر اساس ترکیب شیمیایی

زیرگروه	ویژگی	مثال
۳.۳.۱. نوکلئوپروتئین	همراه با اسید نوکلئیک	DNAپروتئین، ریبوزوم، ویروس TMV
۳.۳.۲. لیپوپروتئین	ترکیب پروتئین و لیپید	ناقل‌های خونی، لیپوویتِلین
۳.۳.۳. گلیکوپروتئین / موکوپروتئین	اتصال پروتئین به الیگوساکاریدها	موکوپروتئین
۳.۳.۴. فسفوپروتئین	دارای اسید فسفریک متصل به Ser یا Thr	کازئین، پپسین
۳.۳.۵. متالوپروتئین	حاوی یون فلزی به‌عنوان کوفاکتور	هموگلوبین (Fe)، کلروفیل (Mg)، هموسیانین (Cu)
۳.۳.۶. فلاوُپروتئین	دارای مشتق ریبوفلاوین	ساکسینات دهیدروژناز، اکسیداز اسیدآمینه D

۴. دناتوراسیون پروتئین

۴.۱. تعریف دناتوراسیون

زمانی که یک پروتئین تحت تنش‌های فیزیکی (مانند حرارت یا تابش فرابنفش) یا تنش‌های شیمیایی (مانند اسید یا قلیا قوی) قرار می‌گیرد، ویژگی‌های آن تغییر کرده (کاهش حلالیت، از دست دادن فعالیت)، اما ساختار اولیه آن تغییر نمی‌کند. این فرآیند “دناتوراسیون” نام دارد و در فرآوری مواد غذایی اهمیت بسیار زیادی دارد.

۴.۲. مکانیزم دناتوراسیون

ساختار فشرده و منظم پروتئین‌های طبیعی توسط انواع پیوندهای ثانویه پایدار شده‌اند. این پیوندها به‌راحتی توسط عوامل فیزیکی یا شیمیایی تخریب می‌شوند و باعث از بین رفتن یا تغییر ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ می‌شوند. در نتیجه، حلالیت کاهش یافته، تجمع ایجاد شده و فعالیت فیزیولوژیکی از بین می‌رود. دناتوراسیون می‌تواند برگشت‌پذیر یا غیرقابل برگشت باشد، بسته به شدت عامل دناتوره‌کننده.

۴.۳. ویژگی‌های پروتئین دناتوره‌شده

• کاهش حلالیت؛
• عدم توانایی در بلورین شدن؛
• ساختار فضایی نامنظم و کاهش سیالیت؛
• افزایش حساسیت به هیدرولیز آنزیمی؛
• کاهش یا از دست رفتن فعالیت زیستی.

۴.۴. عوامل دناتوره‌کننده و مکانیسم‌های آنها

• ۴.۴.۱. حرارت: عامل اصلی دناتوراسیون در فرایندهای غذایی.
• ۴.۴.۲. تابش (UV، γ): باعث تخریب پیوندهای دی‌سولفیدی و اکسیداسیون اسیدهای آمینه می‌شود.
• ۴.۴.۳. سطوح بین‌فازی: دناتوراسیون پروتئین‌ها هنگام جذب به سطح آب–هوا یا آب–روغن عموماً غیرقابل برگشت است.
• ۴.۴.۴. pH: pH بسیار کم یا بسیار زیاد باعث باز شدن زنجیره‌ها و تجمع می‌شود (نمونه: دناتوراسیون اسیدی در تهیه ماست).
• ۴.۴.۵. فلزات سنگین: با گروه‌های سولفیدریل واکنش می‌دهند و ساختار را تخریب می‌کنند.
• ۴.۴.۶. مواد شیمیایی (الکل، اوره، گوانیدین هیدروکلراید): پیوندهای هیدروژنی را تخریب کرده و باعث دناتوراسیون می‌شوند.

۴.۵. اثر ترکیب فشار بالا و حرارت

ترکیب فشار بالا و حرارت باعث افزایش تردی بافت (مثلاً گوشت)، غیرفعال‌سازی آنزیم‌ها و میکروب‌ها و بهبود رنگ و طعم می‌شود.

۴.۶. اثر انجماد بر دناتوراسیون پروتئین‌های آبزی

در طی انجماد طولانی، دناتوراسیون پروتئین باعث از دست رفتن آب (drip) و سخت شدن بافت ماهی می‌شود. کاهش دما روند دناتوراسیون را کند می‌کند، ولی متوقف نمی‌کند.

۵. خواص کاربردی پروتئین‌ها

خواص عملکردی پروتئین‌ها شامل ویژگی‌هایی است که تحت شرایط مناسب، به ایجاد بافت، طعم، ظاهـر و پایداری محصولات غذایی کمک می‌کنند (جدول 5-6). این خواص در اثر برهم‌کنش با حلال، یون‌ها، لیپیدها، پلی‌ساکاریدها و همچنین در سطوح بین‌فازی بروز می‌کنند.

۵.۱. خواص بین‌سطحی

پروتئین‌ها دارای ماهیت آمفیفیلیک بوده و می‌توانند در سطح آب–هوا یا آب–روغن جذب شوند و فیلم‌های ویسکوالاستیک تشکیل دهند که برای پایداری فوم‌ها و امولسیون‌ها ضروری است. جذب پروتئین به سطح فقط در صورتی رخ می‌دهد که سطح آن دارای حوزه‌های هیدروفوب کافی باشد.

۵.۱.۱. امولسیون‌کنندگی

پروتئین‌ها از طریق جذب در سطح قطرات روغن، موجب کاهش تنش سطحی و جلوگیری از تجمع قطرات می‌شوند. ظرفیت امولسیون‌کنندگی با شاخص EAI بیان می‌شود. این ویژگی به pH، نیروی یونی، دما، نوع روغن و نوع پروتئین بستگی دارد.

۵.۱.۲. کف‌دهی

پروتئین‌ها با تشکیل لایه سطحی در اطراف حباب‌ها، کف را پایدار می‌کنند. عوامل مؤثر بر کف‌دهی شامل pH، غلظت نمک، حضور قند یا چربی، دما و میزان دناتوراسیون هستند. پروتئین‌های تخم‌مرغ و آب‌پنیر کف‌دهی بالایی دارند.

۵.۲. ویسکوالاستیسیته

برخی پروتئین‌ها (به‌ویژه گلوتن) ترکیبی از رفتار ویسکوز و الاستیک نشان می‌دهند و می‌توانند شبکه‌هایی تشکیل دهند که ضمن تغییر شکل، قابلیت برگشت نیز دارند. این ویژگی برای تشکیل خمیر نان ضروری است. نسبت گلوتنین‌ها و گلیادین‌ها در ایجاد خاصیت کشسانی و چسبندگی خمیر بسیار مهم است.

۵.۳. ژل‌دهی

فرآیند تجمع و تشکیل شبکه نظم‌یافته‌ از پروتئین‌های دناتوره شده است. ژل‌های پروتئینی می‌توانند آب زیادی (تا ۹۸٪) را در شبکه خود نگه دارند. تشکیل ژل‌ها تحت تأثیر حرارت، pH و نمک (به‌ویژه یون‌های دوظرفیتی مانند Ca²⁺) است. نمونه بارز: تولید توفو.

۵.۴. هیدراسیون

برهم‌کنش پروتئین با آب فعالیت‌های ساختاری و عملکردی آن را تعیین می‌کند. ظرفیت جذب آب با دما، pH، یون‌ها و میزان دناتوراسیون تغییر می‌کند. دناتوراسیون کنترل‌شده می‌تواند ظرفیت آب‌گیری را افزایش دهد.

۵.۵. حلالیت

حلالیت پروتئین تابع pH، قدرت یونی، دما و غلظت پروتئین است. در نزدیکی نقطه ایزوالکتریک، حلالیت به حداقل می‌رسد. پروتئین‌هایی با حلالیت اولیه بالا برای کاربردهای بین‌سطحی و پراکندگی بهتر مناسب‌تر هستند.

۵.۶. ویسکوزیته

ویسکوزیته محلول‌های پروتئینی تابع اندازه مولکولی، ساختار، برهم‌کنش با حلال، و تجمع بین‌مولکولی است. بسیاری از سیستم‌های پروتئینی رفتار شیر نازک‌شونده (کاهش ویسکوزیته با افزایش برش) نشان می‌دهند که برای عملیات‌های صنعتی مانند پمپاژ و خشک‌کردن مهم است.

۶. خواص مواد پروتئینی غذایی و توسعه منابع پروتئینی جدید

۶.۱. پروتئین ماهیچه

ماهیچه‌های به‌دست آمده از پستانداران، پرندگان و ماهیان، منبع اصلی گوشت هستند. ماهیچه اسکلتی این حیوانات حاوی حدود ۱۶ تا ۲۲ درصد پروتئین است. پروتئین‌های ماهیچه‌ای به سه گروه مایوفیبریلار، سارکوپلاسمی و ماتریکس تقسیم می‌شوند و این سه گروه از نظر حلالیت تفاوت زیادی دارند:

• پروتئین‌های سارکوپلاسمی در آب یا محلول‌های با قدرت یونی پایین (≤0.15M) حل می‌شوند؛
• پروتئین‌های مایوفیبریلار تنها در غلظت‌های بالای نمک محلول هستند؛
• پروتئین‌های ماتریکس نامحلول‌اند و در بافت همبند نقش ساختاری دارند (مانند کلاژن، رتیکولین و الاستین).

کلاژن در تمام بافت‌های ماهیچه‌ای وجود دارد و الاستین به پوست خاصیت ارتجاعی می‌دهد و در بافت‌هایی که به ذخیره انرژی مکانیکی نیاز دارند نقش دارد. این پروتئین‌ها نسبت به دو گروه دیگر، حلالیت بسیار کمتری دارند.

۶.۲. کازئین

کازئین حدود ۸۰٪ کل پروتئین شیر اسکیم را تشکیل می‌دهد. کازئین مخلوطی از فسفوپروتئین‌ها است و در pH=4.6 و ۲۰ درجه سانتی‌گراد رسوب می‌کند. این پروتئین بسیار هیدروفوب است و به شکل میکل در شیر وجود دارد.

میکِل‌های کازئین از ساب‌میکل‌ها (۱۰–۲۰ نانومتر) تشکیل شده‌اند که با برهم‌کنش‌های هیدروفوبی تجمع یافته‌اند. گروه‌های فسفاته‌شده کازئین همراه با فسفات کلسیم کلوئیدی موجب تجمع ساب‌میکل‌ها و تشکیل میکل‌ها می‌شوند. وقتی سطح میکل به‌طور کامل با κ-کازئین پوشیده شد، رشد آن متوقف می‌شود.

۶.۳. پروتئین‌های آب پنیر

ترکیبات اصلی پروتئین‌های آب‌پنیر عبارتند از β-لاکتوگلوبولین، α-لاکتوالبومین و آلبومین سرم. این پروتئین‌ها در طی تولید پنیر در مایع آب‌پنیر باقی می‌مانند. پروتئین آب‌پنیر در طیف وسیعی از pH و قدرت یونی قابل حل است و در اثر حرارت‌ دهی ژل پایدار تشکیل می‌دهد که کاربردهای مهمی در صنعت غذا دارد.

۶.۴. پروتئین گندم

پروتئین‌های گندم شامل آلبومین، گلوبولین، گلیادین و گلوتنین هستند. گلیادین و گلوتنین حدود ۸۵٪ پروتئین‌های گندم را تشکیل می‌دهند و بخش اصلی گلوتن هستند.

• گلیادین ساختار کروی فشرده دارد و حاوی پیوند دی‌سولفید درون‌مولکولی است؛
• گلوتنین‌ها از طریق پیوندهای دی‌سولفید میان‌مولکولی به شکل پلیمرهای بزرگ کشیده درآمده‌اند.

تشکیل گلوتن نتیجه برهم‌کنش‌های کووالانسی (S–S) و غیرکووالانسی است. گلوتنین شبکه ایجاد می‌کند و گلیادین در میان این شبکه قرار می‌گیرد. این شبکه در طول ورز دادن، همراه با نشاسته و چربی، ماتریکس کشسان خمیر را تشکیل می‌دهد.

۶.۵. پروتئین سویا

دانه سویا شامل ۴۲٪ پروتئین، ۲۰٪ روغن و ۳۵٪ کربوهیدرات است. مهم‌ترین پروتئین‌های سویا گلوبولین‌ها هستند که در pH ایزوالکتریک نامحلول‌اند. حلالیت آنها در pH=6.5 بسیار بالاست (حدود ۸۵٪).

دو فراکسیون اصلی سویا عبارتند از ۷S (۳۷٪) و ۱۱S (۳۱٪). محصولات تجاری شامل کنسانتره پروتئینی سویا (70–80٪ پروتئین) و ایزوله پروتئین سویا (بیش از 90٪ پروتئین) هستند. ایزوله از طریق استخراج در pH بالا و سپس رسوب‌دهی در pH ایزوالکتریک تهیه می‌شود و می‌توان برای بهبود خواص عملکردی آن را حرارتی، شیمیایی یا آنزیمی اصلاح نمود.

۶.۶. توسعه منابع پروتئینی جدید

به‌دلیل افزایش جمعیت و تقاضا برای غذا، استفاده بهتر از منابع موجود و کشف منابع جدید پروتئینی ضروری است.

۶.۶.۱. پروتئین‌های حاصل از دانه‌های روغنی

پروتئین سویای بدون چربی بیش از ۵۰٪ پروتئین دارد و از نظر ترکیب اسیدآمینه شبیه پروتئین‌های حیوانی است. افزودن پروتئین سویا به محصولات آردی می‌تواند کیفیت ظاهری و بافتی آنها را بهبود دهد (مانند سفتی نان، تردی بیسکویت، کاهش جذب روغن در محصولات سرخ‌شده و…).

۶.۶.۲. پروتئین تک‌یاخته‌ای

پروتئین تک‌یاخته شامل مخمرها و باکتری‌هاست که دارای ۵۰ تا ۸۵ درصد پروتئین می‌باشند. مزایا:

• استفاده از مواد خام ارزان (کاه، چیپس چوب، باگاس)؛
• رشد سریع و عدم نیاز به زمین کشاورزی؛
• ارزش غذایی بالا (پروتئین، ویتامین‌ها، مواد معدنی).
  عیب اصلی آنها مقدار زیاد اسید نوکلئیک است که با حرارت یا قلیا کاهش می‌یابد.

۶.۶.۳. پروتئین حشرات

حشرات دارای نسبت تبدیل غذایی بالا و مقدار پروتئین زیاد (بیش از ۵۰٪) هستند. ترکیب اسیدآمینه آنها نزدیک به الگوی پیشنهادی FAO است و می‌توانند به‌عنوان منبع پروتئینی با کیفیت بالا مورد استفاده قرار گیرند.

۶.۶.۴. پروتئین برگ

پروتئین برگ از ساقه و برگ گیاهان استخراج می‌شود (۵۵–۷۲٪ پروتئین). این پروتئین سرشار از لیزین بوده و فاقد کلسترول است و مقدار بالای مواد معدنی و کاروتنوئیدها دارد. FAO آن را به‌عنوان منبع بالقوه پروتئین برای کشورهای در حال توسعه معرفی کرده است.

۷. جنبه‌های تغذیه‌ای و ایمنی پروتئین

۷.۱. کیفیت پروتئین

کیفیت پروتئین توسط ترکیب اسیدآمینه‌های ضروری و قابلیت هضم تعیین می‌شود. پروتئین با کیفیت بالا باید تمام اسیدآمینه‌های ضروری را در مقادیر کافی داشته و هضم‌پذیری آن مشابه یا بالاتر از پروتئین شیر و تخم‌مرغ باشد. ترکیب اسیدآمینه برخی پروتئین‌ها در جدول ۵-۱۲ آورده شده است.

پروتئین‌های گیاهی اغلب در یک یا چند اسیدآمینه محدودکننده (مانند Lys، Met، Thr یا Trp) کمبود دارند. ترکیب غلات (کمبود لیزین) با حبوبات (کمبود متیونین) می‌تواند ترکیب اسیدآمینه را متعادل کند.

۷.۲. قابلیت هضم

قابلیت هضم پروتئین تحت تأثیر ساختار پروتئین، ترکیب با سایر مواد و آنتی‌نوترینت‌ها قرار دارد. مثلاً مهارکننده‌های تریپسین در سویا و لوبیا هضم پروتئین را کاهش می‌دهند، ولی حرارت می‌تواند آنها را غیرفعال کند (جدول ۵-۱۴).

۷.۳. پروتئین‌های سمی و آلرژیک

بعضی از گیاهان دارای لکتین‌ها و مهارکننده‌های آنزیمی هستند که می‌توانند باعث مسمومیت شوند (مثلاً در لوبیا یا سویا در صورت مصرف خام).
بعضی قارچ‌ها (مانند آمانیتا) حاوی پپتیدهای سمی هستند.
برخی از پروتئین‌ها خاصیت آلرژی‌زایی دارند (مانند پاروالبومین‌های موجود در ماهی یا تروپومیوزین در سخت‌پوستان).

۸. تغییرات پروتئین‌ها در طی فرآوری و نگهداری مواد غذایی

۸.۱. اثر روش‌های فرآوری بر کیفیت پروتئین

در طول فرآوری مواد غذایی، عواملی مانند دما، رطوبت، pH، حضور سایر ترکیبات و فشار باعث ایجاد تغییرات در پروتئین‌ها می‌شوند. در این میان، دما و رطوبت بیشترین تأثیر را دارند. به همین دلیل، اثرات حرارت خشک و حرارت مرطوب در این بخش مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۸.۱.۱. جوشاندن

جوشاندن یکی از روش‌های متداول فرآوری است و باعث کاهش مقدار پروتئین یا اسیدهای آمینه ضروری در ماهی و گوشت نمی‌شود. جوشاندن شیر نیز آمینواسیدها را تحت‌تأثیر قرار نمی‌دهد.
سفیده و زرده تخم‌مرغ حساسیت حرارتی متفاوتی دارند؛ هضم‌پذیری سفیده خام تنها حدود ۵۰٪ است در حالی که زرده خام تقریباً به‌صورت کامل قابل هضم است. پخت ملایم تخم‌مرغ، در نتیجه دناتوراسیون، موجب هضم‌پذیری نزدیک به ۱۰۰٪ می‌شود.
گرمادهی مرطوب برای بسیاری از پروتئین‌های گیاهی (به‌ویژه حبوبات) مفید است، زیرا علاوه بر دناتوراسیون پروتئین، مهارکننده‌های آنزیمی و ترکیبات سمی غیر فعال شده و ساختار سلولی تخریب می‌شود.
همچنین آنزیم‌هایی مانند لیپاز، پروتئاز و پلی‌فنل‌اکسیداز در حین بلانچینگ یا بخاردهی غیرفعال می‌شوند.

۸.۱.2. پاستوریزاسیون

پاستوریزه کردن (چه در روش مخزنی و چه HTST) اثر کمی بر پروتئین‌های شیر دارد، اگرچه بخشی از پروتئین‌های آب‌پنیر دناتوره می‌شوند.
پاستوریزاسیون ارزش زیستی شیر مایع را حدود ۶٪ کاهش می‌دهد و باعث کاهش ۱۰٪ لیزین و ۱۳٪ سیستین می‌شود. اثر آن بر شیر غلیظ‌شده محسوس‌تر است.

۸.۱.۳. استریلیزاسیون کنسروی

حرارت‌دهی شدید برای کنسرو گوشت لازم است. در این فرآیند، مقدار اسیدآمینه‌ها به‌طور قابل توجهی کاهش نمی‌یابد، جز سیستئین. با این حال، هضم‌پذیری و ارزش زیستی گوشت کنسروی کمتر از گوشت تازه است.
در مقابل، در بسیاری از پروتئین‌های گیاهی، استریل کردن متوسط می‌تواند ارزش غذایی را افزایش دهد (به دلیل از بین رفتن عوامل ضدتغذیه‌ای).

۸.۱.۴. خشک‌کردن

خشک‌کردن می‌تواند به مقدار کمی باعث کاهش لیزین شود. با این حال، چون لیزین اسیدآمینه محدودکننده در شیر نیست، ارزش غذایی پودر شیر کاهش نمی‌یابد.
خشک‌کردن گوشت چندان متداول نیست ولی در غذای حیوانات (مثلاً آرد ماهی) کاربرد دارد و کیفیت آن به روش خشک‌کردن بستگی دارد.

۸.۱.۵. فریز-درایینگ (انجماد-خشک‌کنی)

این روش، در صورت اجرای صحیح، کیفیت پروتئین را حفظ می‌کند و برای مواد حساس مناسب است.

۸.۱.۶. پخت و برشته‌سازی (Baking/Puffing)

گرمادهی خشک در غلات می‌تواند باعث کاهش قابل توجه اسیدآمینه‌های زیست‌دسترسی‌پذیر شود، خصوصاً لیزین.
بیسکویت‌ها و شیرینی‌ها بیشترین میزان کاهش لیزین را نشان می‌دهند و حضور شکر این اثر را تشدید می‌کند. در نان، حدود ۱۰–۱۵٪ لیزین در طی پخت و ۵٪ دیگر در طی بیات شدن از دست می‌رود.

۸.۱.۷. سایر فرآیندها

در تولید ایزوله پروتئین با استفاده از قلیا، اسیدآمینه‌های جدید (مانند لیزینوالانین) تشکیل می‌شوند که باعث کاهش کیفیت تغذیه‌ای می‌شوند.

۸.۲. مکانیسم‌های کاهش پروتئین در طی فرآوری

۸.۲.۱. اثر حرارت

حرارت باعث دناتوره شدن پروتئین، باز شدن زنجیره‌ها و گسستن پیوندهای دی‌سولفیدی می‌شود. پروتئین دناتوره‌شده اغلب هضم‌پذیرتر است، ولی اگر پروتئین دارای نقش بیولوژیکی ویژه باشد (مانند ایمونوگلوبولین‌ها در شیر مادر) تخریب ساختار می‌تواند اثر منفی داشته باشد.

۸.۲.۲. اثر سایر ترکیبات

(۱) واکنش‌های پروتئین–کربوهیدرات (واکنش مایلارد):
در مراحل اولیه واکنش، گروه آمین آزاد با گروه کربونیل واکنش داده و نهایتاً محصولات رنگی (ملانوئیدین‌ها) تولید می‌شود که منجر به کاهش لیزین و سایر آمینواسیدها می‌شود.

(۲) واکنش‌های پروتئین–لیپید:
لیپیدهای اکسیدشده با پروتئین‌ها واکنش داده و باعث کاهش حلالیت، مقاومت نسبت به آنزیم‌ها و تخریب Met و Cys می‌شوند.

(۳) واکنش با آلدئیدها:
گوسیپول (در دانه پنبه) و فرمالدهید (در دودی کردن) می‌توانند با پروتئین‌ها واکنش داده و بازدسترس بودن لیزین را کاهش دهند.

۸.۳. اثرات فرآوری بر ارزش غذایی پروتئین

۸.۳.۱. گرما

گرمادهی ملایم می‌تواند بدون آسیب‌زدن به ارزش غذایی، قابلیت هضم و عملکرد پروتئین‌ها را بهبود دهد. همچنین باعث از بین رفتن لکتین‌ها و مهارکننده‌های پروتئازی می‌شود.
با این حال، گرمادهی شدید ممکن است باعث تغییر گروه‌های جانبی، ایجاد پیوند عرضی و کاهش ارزش تغذیه‌ای شود.

۸.۳.۲. خشک‌کردن

خشک‌کردن می‌تواند باعث تجمع پروتئین‌ها و کاهش حلالیت شود و در نتیجه خواص عملکردی آنها (مانند پراکندگی و جذب آب) تغییر کند.

۸.۳.۳. پرتودهی

پرتودهی می‌تواند پیوندهای متقاطع جدید ایجاد کرده یا پیوندهای پپتیدی را بشکند. در حضور کاتالاز، تیرزین به دی‌تیرزین متراکم شده و تجمع می‌یابد.

۸.۳.۴. اکسیداسیون

اکسایش می‌تواند اسیدآمینه‌های حساس (مانند Trp، Tyr و Cys) را تخریب کند و منجر به کاهش ارزش تغذیه‌ای شود.

۸.۳.۵. واکنش مایلارد

باعث قهوه‌ای شدن محصولات و تشکیل ملانوئیدین‌ها می‌شود که هضم‌پذیری پروتئین‌ها را کاهش می‌دهند. ملانوئیدین‌ها کم‌جذب ولی پیش‌سازهای وزن مولکولی پایین می‌توانند جذب شده و اثرات زیستی نامطلوب داشته باشند.

۸.۳.۶. تیمار آنزیمی

هیدرولیز آنزیمی می‌تواند حلالیت، کف‌دهی و امولسیون‌کنندگی پروتئین‌ها را افزایش دهد. با این حال، هیدرولیز بیش از حد باعث کاهش ویسکوزیته و توان ژل‌دهی می‌شود.

۸.۳.۷. پپتیدهای عملکردی

فرآیند هیدرولیز می‌تواند منجر به تولید پپتیدهای با فعالیت زیستی شود (مثلاً ضدباکتری، آنتی‌اکسیدان، ضدفشارخون). پروتئین‌های دریایی منبع مناسبی برای چنین پپتیدهایی هستند.

۹. نقش پروتئین‌ها در رنگ، طعم و مزه مواد غذایی

۹.۱. تلخی

برخی از اسیدهای آمینه ذاتاً دارای طعم تلخ هستند و هیدرولیز جزئی پروتئین‌ها نیز می‌تواند پپتیدهای تلخ (مانند Leu-Leu و Arg-Pro) تولید کند. تلخی هیدرولیزات پروتئین و پنیرهای رسیده عمدتاً توسط پپتیدهای کوتاه و اسیدهای آمینه ایجاد می‌شود.

پپتیدهایی با وزن مولکولی بیش از ۶ کیلو دالتون نمی‌توانند به گیرنده‌های چشایی متصل شوند، بنابراین بی‌مزه هستند. برای پپتیدهای کوچک‌تر از ۶kD، وجود یا عدم وجود طعم تلخ و شدت آن وابسته به میزان هیدروفوبی بودن پپتید است (برای جزئیات، به بخش 5.1.3 مراجعه شود).

۹.۲. بوهای ناخوشایند (Off-odors)

برخی محصولات پروتئینی نیاز به فرآیند بوگیری دارند تا ترکیبات بدبو متصل به پروتئین‌ها حذف شوند. ترکیباتی مانند کتون‌ها، آلدئیدها، الکل‌ها، فنول‌ها و محصولات اکسیداسیون چربی می‌توانند بوی لوبیایی، تندی یا طعم زننده ایجاد کنند. این ترکیبات به پروتئین‌ها متصل بوده و در هنگام پخت یا جویدن آزاد می‌شوند و موجب کاهش پذیرش حسی محصول می‌گردند.

از سوی دیگر، پروتئین‌ها می‌توانند ناقل (Carrier) طعم و عطر نیز باشند. به‌عنوان مثال، پروتئین‌های گیاهی بافت‌دار می‌توانند طعم گوشت را به‌خوبی منتقل کنند. هر عاملی که ساختار سه‌بعدی پروتئین را تغییر دهد، می‌تواند بر قدرت اتصال به ترکیبات فرّار تأثیر بگذارد.

• رطوبت بالا → افزایش اتصال ترکیبات قطبی
• دناتوراسیون حرارتی → افزایش اتصال ترکیبات هیدروفوب
• هیدرولیز کامل → کاهش توان اتصال به ترکیبات فرّار
• حضور چربی → کمک به حفظ ترکیبات عطری

مثلاً، ایزوله پروتئین سویا در حالت دناتوره‌شده می‌تواند ۳ تا ۶ برابر بیشتر کاپرالدهید (یک ترکیب عطری) را نسبت به حالت طبیعی خود جذب کند.

۹.۳. شیرینی مشتقات پروتئینی

از دهه ۱۹۶۰، توسعه شیرین‌کننده‌های ایمن و قوی از طریق اصلاح اسیدهای آمینه و دی‌پپتیدها مورد توجه قرار گرفته است.
برخی اسیدهای آمینه طبیعی (مانند Gly، L-Ala، D-Ser و D-Thr) طعم شیرین دارند.
همچنین مشتقات برخی از آنها، مانند ۶-متیل-D-Trp، شدت شیرینی بالایی دارند.

در سال ۱۹۶۹ مشخص شد که تعدادی از مشتقات دی‌پپتیـدیِ اسید آسپارتیک نیز شیرین هستند. متیل‌استر فنیل‌آلانین آسپارتیل، یعنی آسپارتام، یکی از آن‌هاست که امروزه به‌عنوان شیرین‌کننده در مواد غذایی استفاده می‌شود و ۲.۷ برابر شیرین‌تر از ساکارز است.

ویژگی‌های ساختاری دی‌پپتیدهای شیرین:

شرط	توضیح
ایزومرهای L	هر دو اسیدآمینه باید از نوع L باشند
N-تریمینال	حتماً Asp باشد و –COOH و –NH₂ آن آزاد باشد
C-تریمینال	یک اسیدآمینه خنثی با گروه استری‌شده
گروه استری	هر چه کوچک‌تر → شیرینی بیشتر
وزن مولکولی	با افزایش وزن، شدت شیرینی کاهش می‌یابد

۹.۴. اتصال با ترکیبات طعمی (Flavor Binding)

پروتئین‌ها به‌خودی‌خود طعم چندانی ندارند؛ اما می‌توانند ترکیبات طعمی را به‌صورت قابل برگشت (هیدروفوب) یا غیرقابل برگشت (کووالانسی) به خود متصل کنند.

• مثال کلاسیک: β-لاکتوگلوبولین (پروتئین آب‌پنیر) که قادر است آلدئیدها، کتون‌ها، استرها و… را به‌خوبی جذب نماید.
• شرایط محیطی (pH، دما، فشار بالا) باعث تغییر ساختار پروتئین می‌شود و بنابراین می‌تواند قدرت اتصال به طعم‌دهنده‌ها را کاهش یا افزایش دهد.

برای مثال:

• حرارت یا فشار بالا → ضعیف شدن برهم‌کنش هیدروفوب / افزایش برهم‌کنش کووالانسی
• اتصال وانیلین با کازئین و پروتئین آب‌پنیر از نوع آنتالپی‌محور است، در حالی که در پروتئین سویا اتصال وانیلین بیشتر با تغییر ساختار (Entropically driven) همراه است.