BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI

!!!!!!!!!!SPIS TREŚCI JEST Z TYŁU!!!!!!!!!!

W1, 18.02.2013

prof. Krzysztof Żyła

Zarys tematyki kursów:

1. Biochemia surowców

a) mięso, 
b) owoce i warzywa, 
c) zboża,
d) mleko

2. Biochemia przetwarzania żywności

a) rekcje brązowienia, ser i jogurt, biokataliza

Literatura:
Eskin N.A.M. - Biochemistry of foods 1990

BIOCHEMIA TKANKI MIĘŚNIOWEJ

Aspekty badań nad budową mięśni
1. Warunkują ruch ciała – ruch szkieletu, przepływ krwi, ruch pokarmu
2. Choroby mięśni – dystrofia – zanik
3. Kontrola masy ciała – wymagają dużych nakładów energii do utrzymania, w czasie diety tracone szybko o ile nie 
prowadzi się odpowiednich ćwiczeń fizycznych
4. Są źródłem żywności

Mięso

 

 :  

Mięśnie szkieletowe zwierząt rzeźnych wraz z naczyniami krwionośnymi oraz błonami tkanki łącznej i okrywami  
tłuszczowymi.   Termin   ten   odnosi   się   również   do   mięśniowej   części   dziczyzny,   drobiu,   ryb,   ssaków   i 
bezkręgowców morskich, a nawet wszystkich jadalnych części zwierząt rzeźnych.
FDA: Meat is that derived from the muscles of animals closely related to man biochemically and therefore of high 
nutritional value.

Co wynika z definicji?

•

Mięso → mięśnie

•

różne gatunki zwierząt

•

różne tkanki

•

wysoka wartość żywieniowa

Mięśnie  =  tkanka   mięśniowa   + tkanka   łączna.   Obie  te  tkanki   mają   zróżnicowane  właściwości   biochemiczne, 
chemiczne i fizyczne.

Typy mięśni:

–

szkieletowe

–

gładkie

–

mięsień sercowy

Budowa mięśni szkieletowych:
Mięsień - omięsna - Wiązka włókien mięśniowych – włókno – miofibryla - mikrofibryla

Mięśnie szkieletowe składają się z tkanki mięśniowej oraz elementów tkanki naczyniowej, nerwowej i łącznej. 
Mięsień jest otoczony tkanką łączną epimysium (omięsna zewnętrzna).

perymysium – omięsna wewnętrzna

1

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

endomysium – otacza włókno mięśniowe

Włókno mięśniowe:
Wielojądrowa, cylindryczna komórka otoczona błoną (sarkolema) wypełniona cytoplazmą (sarkoplazma, matriks 
ciekły).   Ponad   80%   objętości   włókna   wypełniają   miofibryle,   pomiędzy   nimi   znajduje   się   retikulum 
sarkoplazmatyczne.

Sarkolema
Typowa błona biologiczna (bilayer fosfolipidowy)

•

białka 60%

•

fosfolipidy 20%

•

cholesterol 20%

Sarkolema posiada wgłębienia penetrujące wnętrze komórki (tubule T) oraz połączenia z nerwami ruchowymi.

Sarkoplazma:
w niej zlokalizowane są: mitochondria (bardzo liczne), granule glikogenowe, enzymy, ATP, kreatyna, mioglobina, 
retikulum sarkoplazmatyczne, miofibryle.

Retikulum sarkoplazmatyczne:
Struktura   błoniasta,   która   akumuluje,   wychwytuje   i   uwalnia   jony  wapnia   w   różnych   fazach   czynnościowych 
mięśnia.

Dwa typy włókien mięśniowych

TYP

I

II

Kolor

Czerwony

Biały

Sarkoplazmy

Dużo

Mało

Mioglobiny 

Dużo

Mało

Lipidy

Dużo

Mało

Mitochondria

Dużo

Mało

Średnica 

Mało

Dużo

Metabolizm

Tlenowy

Beztlenowy

Kurczą się 

Wolno

szybko

Miofibryle:
Zawierają do 60% białek włókien mięśniowych
Zbudowane z wielu jednostek strukturalnych zwanych SARKOMERAMI.

Sarkomery stanowią jednostkę aktywności kurczliwej mięśnia, rozciągają się od linii Z do linii Z, zbudowane są z 
mikrofibryli (filamentów) grubych i cienkich.

Sarkomer ma uporządkowaną strukturę. W każdym sarkomerze występują:
-obszary filamentów cienkich
-obszary filamentów grubych
-obszary naprzemianległego usytuowania filamentów grubych i cienkich.

Schemat budowy sarkomeru

Centralna część – linia M

W obszarze dysku Z dominują filamenty cienkie

Kurczenie sarkomeru – schemat

2

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Mikrofibryle (filamenty)

•

Aktynowe – prążki ciemne – cienkie filamenty zbudowane z setek monomerów aktynowych tworzących 
podwójną helisę

•

Miozynowe – prążki jasne – grube filamenty zbudowane z długich, mobilnych cząsteczek miozyny.

Białka sarkomeru:
1. Aktyna
2. Miozyna
3. Białka towarzyszące:

•

α-aktynina

•

β-aktynina

•

troponina

•

tropomiozyna

•

białko zaciskowe C

•

białko M

Białka linii (dysku) Z: α-aktynina – matryca utrzymująca jeden z końców filamentów aktynowych. Drugi koniec 
jest nakryty β-aktyniną.

Białka linii M: matryca podtrzymująca dla grubych filamentów miozynowych, które od linii M rozciągają się w 
obu kierunkach do dysków Z. (białko C)

Sarkomer:
Pasmo A zawiera obszar nałożonych filamentów oraz obszar H, gdzie występują tylko filamenty grube. Pasmo I nie  
zawiera filamentów grubych. Część centralną pasma A stanowi linia M, natomiast część centralną pasma I stanowią  
dyski Z. Białka M stabilizują filamenty grube.

Gruby filament miozynowy:

 

 

Miozyna: 
ciężar cząsteczkowy ok 500 kDa
6 podjednostek: 2 łańcuchy ciężkie (heavy chain HC) i 4 łańcuchy lekkie (light chain LC)

→ HC – długa, liniowa c-końcowa domena α-helisy (1300 aminokwasów) oaz wyraźna, globularna, N-końcowa 
domena (800 aa); 2 podjednostki HC są helikalnie powiązane tworząc długą, sztywną, superhelikalną strukturę z 2  
głowami globularnymi.

→ 4 globularne podjednostki LC się powiązane z głowami globularnymi HC. (na każdej z 2 głów po 2 jednostki 
LC); podjednostki LC: 

•

wiążą Ca

2+

 z dużym powinowactwem

•

są fosforylowane prze kinazę miozynową (myosin light chain kinase MLCK)

•

uczestniczą w regulacji aktywności ATP-azowej miozyny.

☼

      Punkt aktywności trypsynowej

 

 , punkt zawiasowy (hinge region)– dzieli cząsteczkę miozyny na:

meramiozynę ciężką (HMM)
meramiozynę lekką (LMM)

Punkt zawiasowy uczestniczy w procesie zamiany energii chemicznej ATP na mechaniczną (skurcz i rozkurcz 
mięśnia).

☼

    Punkty aktywności papainowej

 

  – oddzielenie obszarów helikalnych od globularnych.

Miejsce aktywności papainowej dzieli cząsteczkę miozyny na 

•

subfragment 1 SF1 zawierający głowy miozyny (tu aktywność ATP-azowa)

•

subfragment 2 SF2 – pozostałą część helikalną

Schemat miozyny

3

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Papaina – enzym proteolityczny pochodzenia roślinnego, (z lateksu drzewa Carica papaya)

Gruby filament miozynowy 
zbudowany   z   ok.   400   cząsteczek   miozyny   ułożonych   po   200   po   każdej   stronie   linii   M.   Cząsteczki   te   są 
utrzymywane w wiązkach przez pomocnicze biało C (zaciskowe, clamp protein) linii M.

W   trypsynowym   punkcie   zawiasowym   meramiozyna   ciężka   wystaje   ostro   w   w   górę   od   osi   cząsteczki   (osi 
filamentu grubego), co umożliwia zbliżenie głowy miozyny do ciężkich filamentów aktynowych leżących między 
filamentami grubymi. 

Cienki filament aktynowy:

Zbudowany   z   wielu   podjednostek   globularnej   G-aktyny   (42   kDa)   i   białek   towarzyszących.   G- aktyna   jest 
polimeryzowana w długie, włókienkowate struktury (F-aktyny), które zwijają się helikalnie parami.

Każda cząsteczka G-aktyny posiada miejsce łączenia ATP/ADP uczestniczące w procesie polimeryzacji aktyny.  
Oprócz   miejsca   łączenia  ATP/ADP  każda   cząsteczka   G-aktyny  posiada   miejsce   wysokiego   powinowactwa   do 
głowy miozyny.

Białka towarzyszące filamentu aktynowego regulują dostępność tego miejsca dla głowy miozyny.

Monomer aktyny posiada 4 poddomeny.
ATP jest przyłączane razem z Mg

2+

 w głębokiej szczelinie między poddomenami 2 i 4.

Aktyna może hydrolizować przyłączone ATP.
ATP → ADP + P

i

.

Konformacja aktyny zależy od tego, czy w miejscu łączenia nukleotydów jest ATP czy ADP.

Cienki filament aktynowy:
Białka towarzyszące

•

tropomiozyna – na każde 7 par G-aktyny przypadają 2 cząsteczki usztywniającej tropomiozyny

•

troponina – heterotrimer, połączony do jednego z końców tropomiozyny oraz do aktyny łączy ze 
sobą te dwa białka. Podjednostki: Tn-C, Tn-T, Tn-I.

Etapy skurczu mięśnia

1. Impuls nerwowy dociera do sarkolemmy
2. Uwolnienie acetylocholiny
3. Acetylocholina zmienia przepuszczalność jonową sarkolemmy
4. Acetylocholina jest hydrolizowana przez esterazę cholinową (interferencja z C. botulinum, curarre – zatrute 

strzały, jad żmij)

5. Zmiana potencjału przemieszcza się do wnętrza włókna przez tubule T
6. Depolaryzacja retikulum sarkoplazmatycznego i uwolnienie wapnia
7. Gwałtowny wzrost stężenia Ca

2+

z 0,1 μM do 10 mM.

8. Wiązanie Ca

2+

 przez troponinę Tn-C, uwolnienie miejsc wiązania miozyny w aktynie.

9. Tworzenie kompleksu aktomiozyny i skurcz mięśnia
10. Retikulum sarkoplazmatyczne wiąże wapń.

W2. 25.02.2013

PRZEMIANY ATP

W stanie spoczynku miozyna występuje w konformacji aktywnej (M*) gotowej do skurczu. Aktywacja miozyny:

M + ATP → M* + ADP + Pi (naciąganie spustu)

Gdy połączenie jest możliwe (stężenie Ca

2+

), głowa miozyny tworzy z aktyną kompleks aktomiozyny:

4

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

M* = A → M*A

M*A → MA (skurcz, pociągnięcie za spust)

Pi i ADP są uwalniane z głowy miozyny.
Przyłączenie ATP do głowy miozyny, które usuwa głowę miozyny z aktyny, kompleks aktomiozyny się rozpada.

ŹRÓDŁA ATP

Zasadnicze

 

 :   fosforylacja oksydacyjna

Reakcja Lohmana (katalizowana przez kinazę kreatynową)
PCr + ADP ↔ Cr + ATP 
(←umożliwia magazynowanie nadmiaru energii w mięśniach w cząsteczkach fosfokreatyny, 
  → uwolnienie energii) 

Reakcja adenylowa (w mięśniach, katalizowana przez kinazę adenylanową, miokinazę)
ADP + ADP → ATP + AMP

Cykl Cori

 

 c  h (Coriego)

 

   – w przypadku małego natlenienia tkanki (intensywny, gwałtowny wysiłek) – redukcja 

kwasu  pirogronowego  (z   glikolizy)   przez   NADH  (też  z  glikolizy),  wytwarza  się  kwas  mlekowy  (fermentacja 
mleczanowa). Enzym – dehydrogenaza mleczanowa – wykazuje zdolność do reakcji w obu kierunkach, a więc też 
utlenia mleczan do pirogronianu.

schemat cyklu Corich

W wątrobie – glukoneogeneza

Bilans   cyklu   Corich:   -4  ATP,   czyli   niekorzystny,   ale   umożliwia   przystosowanie   się   organizmu   do   warunków 
wysiłku fizycznego.

RIGOR MORTIS – konsekwencje śmierci organizmu dla mięśni:

•

zanik syntezy ATP: wyłączenie pomp jonowych, zachodzi reakcja Lohmana

•

wzrost stężenia wapnia w tkance (wyłączenie aktywności pomp jonowych)

•

tworzenie kompleksu aktomiozyny, brak ATP do relaksacji mięśni (rozkurczu)

Zmiany pośmiertne w tkance mięsnej:

FAZA 1:  prerigor  – spadek stężenia CP, ATP; glikoliza pośmiertna i kumulacja kwasu mlekowego; spadek pH 
zależny od zawartości glikogenu

FAZA 2: rigor – tworzenie aktomiozyny, początek 1-12 godzin po śmierci, trwa 15-20 godzin (sztywność mięśni)

FAZA 3: postrigor – kruchość, dla ssaków 2-3 tygodnie w temperaturze 2

o

C po ustąpieniu stężenia

 (przemienienie tkanki mięśniowej w mięso)
Konsekwencje ustania cyrkulacji krwi 

Krew jako doskonałe środowisko dla rozwoju mikroorganizmów musi być usuwana (wykrwawianie zwierząt i 
dużych ryb).

schemat

Pośmiertne przemiany nukleotydów adenozynowych:

•

zanik fosforylacji oksydacyjnej

5

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

glikoliza beztlenowa: glikogen → kwas mlekowy (3 ATP/mol heksozy zamiast 39)

•

rozkład ATP przez ATP-azę miozynową → stężenie Pi rośnie i pobudza glikolizę beztlenową

•

reakcja Lohmana: podtrzymywanie stężenia ATP
◦

wzrost stężenia kreatyny

◦

mięśnie ssaków utrzymują stały poziom ATP przez wiele godzin po uboju

◦

u ryb znacznie szybszy spadek stężenia ATP 

•

spadek   stężenia  ATP  i   tworzenie   kompleksu   aktomiozyny  (gdy  możliwości   resyntezy ATP  w   wyniku 
reakcji Lohmana są wyczerpane)

Pośmiertna degradacja ATP:

•

ATP-azy (miozynowa, sarkoplazmatyczna)

•

miokinaza

•

deaminaza

IMP, inozyna i hipoksantyna → ważne związki smakowo-zapachowe mięsa

Stężenie IMP spada ze wzrostem czasu przechowywania, a stężenie hipoksantyny w tym czasie rośnie w mięsie  
ryby.

Indeks świeżości mięsa:
(inozyna + hipoksantyna + ksantyna) / (ATP + ADP + AMP + IMP + adenozyna + inozyna + hipoksantyna + 
ksantyna)

Dla ryb: (inozyna + hipoksantyna) * 100% / (ATP + ADP + AMP + IMP) 

Nukleotydy adenozynowe a degradacja białek – dane eksperymentalne:

•

ekstrakcja aktomiozyny i analiza aktywności Ca-ATP-azy jako miary stopnia denaturacji białek

•

zależności pomiędzy aktywnością Ca-ATP-azy miozynowej i:
◦

zawartością ATP + ADP + AMP + IMP: r = 0,78

◦

zawartością inozyny + hipoksantyny, r = -0,80

Wniosek: możliwe uczestnictwo nukleotydów adenozynowych w procesie denaturacji białek.

GLIKOLIZA POŚMIERTNA

•

brak dopływu tlenu do mięśniowej

•

glikogen podlega beztlenowej glikolizie do kwasu mlekowego

•

niższe stężenie glikogenu u ryb oraz u zwierząt wyczerpanych walką niż u ssaków 

•

istnieją dwie ścieżki degradacji glikogenu w mięśniach:
◦

I: ścieżka hydrolityczna ( głównie u ryb – glikogen podlega standardowej hydrolizie do dekstryn i 
maltozy, w efekcie syntetyzowana jest glukoza, która zanim wejdzie w przemiany glikolityczne musi 
podlegać reakcji heksokinazowej wymagającej ATP = wynik 1 mol ATP/mol glukozy)

◦

II: ścieżka fosforolityczna (u ssaków – umożliwia bezpośrednią syntezę glukozo 1- fosforanu z 
glikogenu – izomeryzacja bez udziału energii, nie występuje reakcja heksokinazowa, więc oszczędza 
się 1 mol ATP/mol glukozy= wynik 2 mole ATP/mol glukozy netto)

◦

podstawowe drogi katabolizmu glukozy są wspólne

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA GLIKOLIZĘ POŚMIERTNĄ

•

typ włókna

•

sekrecja hormonów

•

temperatura

•

intensywność stymulacji nerwowej przed i w czasie uboju

•

intensywność glikolizy decyduje o pH mięśniowym

Pośmiertne zmiany pH:

•

u zwierząt ciepłokrwistych fizjologiczne pH tkanki mięsnej wynosi 7,2-7,4, pośmiertne 5,3-5,5

6

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

niskie pośmiertne pH jest korzystne, gdyż:
◦

ogranicza rozwój bakterii

◦

stabilizuje barwę mięsa

•

końcowa wartość pH 5,3-5,5 jest możliwa wyłącznie wtedy, gdy zwierzę przed ubojem jest nakarmione, 
wypoczęte i nie jest stresowane

Wpływ warunków uboju na zawartość glikogenu w tkance mięsnej kurcząt

•

uśpienie – 8,3 mg/g

•

oszołomienie – 6,0 mg/g

•

długotrwała walka – 3,4 mg/g

Związek pomiędzy typem spadku pH i właściwościami mięsa
5,3-5,7 – stopniowy – normalne mięso
5,3 – 5,6 – szybkie – normal to slighty dark

POŚMIERTNE ZMIANY PH – niekorzystne efekty:
Efekt DFD – dark, firm, dry – (ciemne, zwięzłe, suche, podatne na infekcje bakteryjne) – gdy zakwaszenie tkanki 
jest niewystarczające

•

niski poziom glikogenu powoduje podwyższenie końcowego pośmiertnego pH do 6,0-6,5, 

•

dotyczy gł. mięsa wołowego (3-8%), 

•

zapobieganie: stymulacja elektryczna

Efekt PSE – pale, soft, exudative – blade, miękkie, cieknące – gdy szybki spadek pH do wartości poniżej wartości 
optymalnych, a więc zbyt duże zakwaszenie.

•

zbyt niskie pH końcowe 4,7-5,4 powoduje zwiększony wyciek, białą barwę i rozluźnioną teksturę

•

główny czynnik wywołujący: zbyt wysoka temperatura >36

o

C

•

główne zjawisko: denaturacja białek, bo punkt izoelektryczny wielu z nich przypada na pH 5,4-5,5, 
utrata zdolności wchłaniania wody

Dynamika zmian pH zależy również od rodzaju zwierzęcia.

U ryb:

•

zazwyczaj końcowe pH pośmiertne wynosi 6,2-6,6

•

w warunkach zmęczenia nawet 7,0 – stężenie alkaliczne

•

ryby powinny wypoczywać po połowie, a przed ubojem

Wpływ temperatury na glikolizę pośmiertną – skrócenie chłodnicze (cold shortening) – efekt zbyt szybkiego 
spadku pH w niskich temperaturach

•

obniżenie temperatury z ~15 → 1

o

C powoduje 

◦

ok 30-40-krotny wzrost stężenia Ca

2+

 w miofibrylach

◦

wzrost aktywności aktomiozynowej ATP-azy

◦

przyspieszona glikoliza, hydroliza ATP, stężenie pośmiertne 

•

Jest to zjawisko odwracalne związane ze zmianą przepuszczalności błony retikulum sarkoplazmatycznego

•

zależność między szybkością spadku pH i temperaturą

•

temperatura najmniejszego spadku pH 8-15

o

C (poniżej 8

o

C spadek pH będzie intensywniejszy)

Konsekwencje skrócenia chłodniczego:

•

Zjawisko niekorzystne – mięso należy więc przetrzymywać w temperaturze nie niższej niż 15

o

C aż do 

spadku pH poniżej 6,0

•

Tusze baranie winny być przetrzymywane w tych warunkach nim. 16h – opóźnienia w technologii

•

Możliwą techniką przyspieszenia glikolizy i uzyskania szybkiego spadku pH<6 jest stymulacja 
elektryczna.

Glikoliza a stymulacja elektryczna:

•

stymulacja elektryczna przyspiesza glikolizę ok. 150 razy działając aktywująco na fosforylazę glikogenu

•

przy pH poniżej 5,3 fosforylaza jest inhibowana

7

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

inne enzymy kontrolujące glikolizę pośmiertną to fosfofruktokinaza (I-fruktozo-2-6-bisfosforan – 
znaczenia sygnalizacyjne; II- fruktozo-1,6-bisfosforan – do metabolizmu) i kinaza pirogronianowa, ich 
aktywność jest inna w mięśniach „wolno” i „szybko” glikolizujących

Zmiany pośmiertne w białkach

•

wzrost temperatury w mięśniach po uboju 36,7 → 39,5

o

C (glikoliza jest egzotermiczna), wolny spadek 

temperatury w czasie wychładzania – ciepło zwierzęce, 

•

kombinowany   efekt   T   i   pH   –   białka   sarkoplazmy   ulegają   denaturacji   i   są   łączone   na   powierzchni 
filamentów, powodując odbarwienie (jaśnienie) mięsa, a skutkiem tego mniejszą zdolność wchłaniania 
wody. Utrata wody zależy od odległości od powierzchni mięśnia, im głębiej tym zjawisko jest bardziej  
intensywne, ma bezpośrednio związek z szybkością glikilozy, spadkiem pH i wzrostem temperatury.

W3, 04.03.2013

Dojrzewanie, kondycjonowanie, postrigor

•

8-11 dni dla wyborowych tusz wołowych

•

podniesienie   temp   do   15

o

C   przyspiesza   dojrzewanie   tusz   wołowych,   lecz   jest   niemożliwe   u   tusz 

wieprzowych ze względu na procesy jełczenia (gdy duża zawartość lipidów z nienasyconymi kwasami 
tłuszczowymi – ich oksydacja – tworzenie form nadtlenkowych, efekt: jełkość nadtlenkowa!, gdy 
kwasy   nasycone   –   efekt   jełkości   hydrolitycznej,   związane   z   hydrolizą   lipidów   i   uwalnianie 
krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych o nieprzyjemnym zapachu)

MECHANIZM DOJRZEWANIA MIĘSA:

 

 

•

czynnik aktywowany wapniem (CAF – calcium activated factor) – KALPAINA

•

enzymy lizosomalne (katepsyny)

Kalpaina – endogenna proteaza zależna od wapnia, która hydrolizuje:
 tropomiozynę, troponinę T, troponinę I, filaminę, białka C (troponina T po hydrolizie zostawia charakterystyczne 
fragmenty o masie 30 kDa)

Kalpaina NIE hydrolizuje: miozyny, aktyny, α-aktyniny, troponiny C

EFEKT: fragmentacja miofibryli.

•

Oznaczanie: 
•

MFI – myofibril fragmentation index
◦

izolacja miofibryli: homogenizacja mięśni w buforze, wirowanie, zawieszenie peletu w buforze

◦

rozpuszczenie miofibryli w 1% SDS, 2-merkaptoetanol, pH 7, 24h

◦

oznaczenia białka w filtracie metodą Coomasi (z błekitem brylantowym)(A

590

)

◦

MFI = A

590

 x 200

Metoda   Coomasi   –    analiza  polega  na  dodaniu  odczynnika   do   wzorca   o   danej   zawartości   białka   i   próbach  
badanych i natychmiastowym odczycie.
Do reakcji wchodzą też białka globularne, a więc po intensywnej hydrolizie zdolność takiej mikstury jest mniejsza. 

•

Liczba ścinania Warner'a-Blatzler'a
◦

teksturometr – jednostka: [kg siły ścinającej na cm

2

 (WBS)]

◦

miara kruchości mięsa, im niższa liczba, tym bardziej kruche jest mięso

◦

wpływ czasu przetrzymywania w temperaturze 2

o

C na indeks fragmentacji miofibryli 

•

Istnieje zależność między zawartości troponiny T w mięśniach i ich kruchością

Kalpstatyna  –   endogenny   inhibitor   kalpainy   –   cysteinowa   proteinaza   zależna   od   wapnia  
[E.C. 3.4.22.17] – reguluje aktywność kalpainy w komórkach

8

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Zależności:

kalpstatyna → WBS r=0,3
MFI → kalpstatyna r=-0,75

Enzymy lizosomalne: katepsyny

•

aktywne przy pH 5,5, 37oC

•

uwalniane z lizosomów w środowisku kwaśnym po zakończeniu glikolizy

•

hydrolizują: miozynę, aktynę, α-aktyninę

•

łącznie z kalpainą (CAF) degradują miofibryle

Generowanie wolnych aminokwasów – koleeeeejny wykres

Lipoliza podczas dojrzewania mięsa:

•

rozpad fosfolipidów w tkance mięśniowej, potem oksydacja

•

w tkance mięśniowej i tłuszczowej rozpad triacylogliceroli, potem oksydacja

Oba skutkują uwolnieniem lotnych, silnie zapachowych związków (volatile compounds)

Czynniki fizyczne lipolizy:
pH, temp, a

w

, potencjał redoks tkanki

Czynniki chemiczne lipolizy:
NaCl, azotany, kwas askorbinowy, glukoza

Cytoszkielet mięśniowy:
Zadaniem cytoszkieletu mięśniowego jest utrzymywanie kształtu komórek tkanki mięśniowej, łączenie organelli 
między sobą i z błoną komórkową orz zapewnienie sprawnego aparatu skurczu

Cytoszkielet mięśniowy

 

 :  

1. Wewnątrzmiofibrylarne białka cytoszkieletowe

 

 

1. titina (konektyna) – białko o pojedynczym łańcuchu i masie cząsteczkowej 2,8 x 10 ^6 Da ,stanowi 

10% masy miofibryli, w sarkomerze zlokalizowane osiowo od linii M d dysku Z, w połączeniu z 
powierzchnią filamentu miozynowego stabilizuje strukturę sarkomeru podczas skurczu.

2. nebulina – masa cząsteczkowa 8 x 10^5 Da, 4% masy miofibryli, zlokalizowana wzdłuż filamentów 

aktynowych

2. Cytoszkielet zewnątrzmiofibrylarny

 

 

1. Filamenty pośrednie złożone głównie z desminy i skeleniny

3. Inne   białka   cytoszkieletowe:   zlokalizowane   przy   błonie   komórkowej   tworzą   połączenia   miofibryli   z 

sarkolemą oraz synapsy nerwowo-mięśniowych: 
1. integryna, 
2. talina, 
3. dystrofina, 
4. spektryna, 
5. ankiryna, 
6. acykulina, 
7. teuryna, 
8. plaktyna, 
9. kinkulina

Łącznotkankowa matryca zawnątrzkomórkowa:

•

EPI-

•

PERI-

MYSIUM

•

ENDO-

9

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

Głównym składnikiem białkowym tkanki łącznej jest kolagen (90% perimysium)

•

19 typów kolagenu

•

epimysium – kolagen I

•

perimysium – kolagen III

•

endomysium – kolagen IV

KOLAGEN

•

glikoproteina   składająca   się   z   2   długich   łańcuchów   polipeptydowych   tworzących   potrójną   strukturę 
helikalną stabilizowaną prze mostki disiarczkowe – w miarę starzenia się kolagenu tworzą się dodatkowe  
mostki coraz bardziej stabilizujące jego strukturę

•

zawiera dość dużo aminokwasów nietypowych: proliny i hydroksyproliny

•

jest nierozpuszczany w wodzie, podczas gotowania przekształca się w rozpuszczalną żelatynę, która jest  
zbudowana z pojedynczych łańcuchów polipeptydowych

•

2% roztwór żelatyny tworzy twardy żel rozpuszczający się podczas ogrzewania (przemysł spożywczy,  
mikrobiologia)

•

żelatyna z kolagenu skóry ryb ma większą zdolność żelowania niż z kolagenu mięśniowego ssaków

•

łańcuchy pro-α-kolagenu syntetyzowane w RER

•

hydroksylacja proliny i lizyny (witamina C)

•

glikozylacja

•

potrójna α-helisa (prokolagen)

•

sekrecja prokolagenu

•

synteza tropokolagenu

•

peptydazy prokolagenowe

BARWNIKI MIĘSA

MIOGLOBINA

 

 :  

•

10% żelaza ogółem w żywym organizmie

•

95% żelaza w tuszach po uboju

Dlaczego? Bo w tuszach nie ma krwi przecież.

Chromoproteina (z niebiałkowym elementem chromoforowym - absorpcja światła)

Część niebiałkowa mioglobiny: HEM

•

zbudowany   z  czterech   pierścieni   pirolowych  połączonych   ze   sobą  mostkami   metinowymi  oraz   za 
pośrednictwem   wiązań   koordynacyjnych   z   centralnie   usytuowanym   jonem  Fe

2+

.   Jest   to   układ 

żelazoporfirynowy.

•

Gdzie?: mioglobina, hemoglobina, cytochromy

•

hem jest w znacznym stopniu analogiem chlorofilu

Utlenowanie:
Jedno z wiązań w hemie jest wolne, więc może przyłączać różne podstawniki – wchodzi w procesy fizyczne zwane 
utlenowaniem – koordynacyjne przyłączenie cząsteczki tlenu w strukturze hemu. Jest w pełni odwracalne, co  
decyduje o roli transportowej hemu dla tlenu w tkankach.
Nie mylić z utlenianiem, co jest zmianą wartościowości żelaza w hemie.

Ważna rola: histydyna proksymalna i dystalna (bliższa i dalsza względem atomu żelaza w hemie)
N z His F8 łączy piąte miejsce koordynacyjne żelaza hemowego, natomiast tlen łączy się z szóstym miejscem 
koordynacyjnym hemu.

Proksymalna His F8 wypełnia 5. miejsce koordynacyjne hemu, dystalna His E7 powoduje, że hem łączy CO tylko 
200, a nie 20 000 razy silniej niż tlen.

10

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Hem: czynniki decydujące o kolorze:

•

stopień utlenienia Fe 2+ lub 3+

•

ligand przyłączony do wolnego miejsca koordynacyjnego

Barwa

Nazwa

Fe

Ligand

Uwagi

Purpurowoczerwona

Mioglobina

2+

H

2

O

Jasnoczerwona

Oksymioglobina

2+

O

2

Utlenowanie

Czewonobrązowa

Metmioglobina

3+

OH

-

Utlenienie

Czerwona

Nitrozomioglobina

2+

NO

2

-

Peklowanie

CN

-

, CO

Schemat:

mioglobina (Mb, Fe2+)

oksydacja  

oksymioglobina (MbO, Fe2+)

deoksygenacja

redukcja

oksydacja

metmioglobina (MetMb, Fe3+)

Dalsze przemiany metmioglobiny:

•

skutek przemian technologicznych

•

skutek zakażeń mikrobiologicznych

•

ZIELONE produkty reakcji: choleglobina, sulfmioglobina

•

peklowanie   –   zapobiega   zielenieniu   –   przetrzymywanie   go   w   solankach   peklujących   lub   stosowanie 
urządzeń nastrzykujących takie solanki do miejsc w tkance mięśniowej. W skład takich solanek wchodzą  
sodowe lub potasowe sole kwasów HNO

2

  i HNO

3.  

W takich warunkach jon NO

2

-

  tworzy z mioglobina 

trwały kompleks, który ma barwę jasnoczerwoną (chemiczne zabezpieczenie hemu przed tworzeniem się 
metmioglobiny, choleglobiny czy sulfmioglobiny)

•

azotany są niebezpieczne, bo są prekursorami do nitrozoamin, ale ostatnio podważa się to i uważa, że  
azotany są jednak prozdrowotne

Czynniki sprzyjające tworzeniu metmioglobiny (utlenienie Fe

 

 

2+

    → Fe

 

 

3+

   )  

•

wysoka temperaturach

•

niskie pH (denaturacja globiny, odsłonięcie hemu)

•

UV

•

obecność soli, zmniejsza pojemność buforową mięsa

•

bakterie tlenowe, zmniejszają stężenie tlenu w mięśniach

W4, 11.03.2013

Redukcja metmioglobiny do mioglobiny(Fe 

 

 

3+

    → Fe 

 

 

2+

   ):

   

•

MRA: metmyoglobin reducing activity, reakcja katalizowana enzymatycznie z udziałem 
◦

DEHYDROGENAZY BURSZTYNIANOWEJ WSPÓŁDZIAŁAJĄCEJ Z NAD

◦

REDUKTAZA METMIOGLOBINOWA

•

Czynniki sprzyjające: wyższe pH, dostęp tlenu

Konserwacja barwników mięsa:

•

peklowanie (uwaga na nitrozoaminy!),

•

przechowywanie w atmosferze gazowej (N

2

, CO

2

),

•

antyoksydanty: PG, propyl gallate, BHA, butylated hydroksyanizole, kwas askorbinowy,

11

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

specjalnie folie o wysokiej przepuszczalności tlenu (min. 5 l O

2

/m

2

/dzień)

W atmosferze nadmiaru tlenu możliwa jest przemiana mioglobiny do oksymioglobiny oraz inhibicja tworzenia 
metmioglobiny. 

PRZEMIANY BIOCHEMICZNE W OWOCACH I WARZYWACH

Skład chemiczny warzyw

 

  (%):

 

 

•

woda 

80-90

•

związki azotowe 

1-5

▫ białka 35-85%
▫ wolne aminokwasy
▫ aminy

•

węglowodany 

3-20

▫ mono- i oligosacharydy (glukoza, fruktoza, sacharoza)
▫ polisacharydy (skrobia, pektyna)

•

tłuszcze 

0,1-0,3

▫ karotenoidy

•

włókno surowe 1

•

związki mineralne 

1

▫ K, Ca, Na Mg

•

związki fenolowe
▫ pelargonidyna (rzepa, rzodkiewka), kwas synapowy (kapusta czerwona), cyjanidyna (cebula)

•

witaminy
▫ kwas askorbinowy, tiamina, ryboflaiwina, kwas nikotynowy, kas foliowy

•

kwasy organiczne
▫ kwas cytrynowy

Skład chemiczny owoców

 

 :  

•

związki azotowe (0,1 – 1,5%)
▫ białka, wolne aminokwasy

•

węglowodany
▫ mono- i oligosacharydy
▫ polisacharydy

•

lipidy (0,1 – 0,5%)
▫ triacyloglicerole
▫ glikolipidy
▫ fosfolipidy
▫ karotenoidy
▫ triterpentaoidy
▫ woski

•

kwasy organiczne
▫ kwas jabłkowy
▫ kwas cytrynowy

•

związki fenolowe 
▫ kolor, smak: w procesach przetwarzania tworzą kompleksy z metalami – dekoloracja) 

•

witaminy
▫ witamina C: czarna porzeczka 300 mg, truskawka 60 mg, pomarańcz 50 mg, grapefruit 40 mg/100g
▫ β-karoten-prowitamina A – wiśnie, czereśnie, gruszki
▫ witaminy z grupy B – figi, aprikoty, czarna porzeczka

•

związki mineralne 
▫ K+, Po40 – sok jabłkowy i pomarańczowy

12

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Akceptacja konsumencka zależy od:
→ zapach, kolor, kształt, rozmiar, brak defektów
→ cechy te zależą od: stopnia dojrzałości oraz przemian biochemicznych w okresie zbioru i przechowywania

Podstawowe zjawiska zachodzące w owocach i warzywach po zbiorze:

•

oddychanie

•

transpiracja

•

infekcje mikrobiologiczne

•

inne przemiany biochemiczne

Oddychanie owoców i warzyw
→ podstawowe związki magazynujące energię:

•

sacharoza

•

skrobia

→ istnieją dwie ścieżki konwersji skrobi lub sacharozy do kwasu pirogronowego: glikoliza oraz cykl 
pentozofosforanowy

Skrobia/sacharoza

glukozo-6-P

ścieżka glikolizy (70%)

cykl pentozofosforanowy (30%)

fruktozo-6-P

CO

2

fruktozo-1,6-diP

rybulozo-5-P

fosforan triozy

tłuszcze białka

kwas 3-P-glicerynowy
fosfonolopirogronian

kwas pirogronowy

acetylo-CoA → C. Krebsa

→ intensywność oddychania:

•

intensywność oddychania zależy od stanu fizjologicznego (wieku) rośliny

•

intensywność oddychania zwiększa się wraz z rozwojem rośliny potem się obniża przy pełnej dojrzałości

•

gwałtowny wzrost intensywności oddychania to wzrost KLIMAKTERYCZNY (-yjny)

•

maksymalna produkcja CO

2

 w fazie klimekterium 

→ owoce można klasyfikować jako:

•

klimakteryczne: jabłka, awokado, banany, gruszki, morele, mango, śliwki, mirabelki, pomidory

•

nieklimakteryczne: ananasy, pomarańcze, truskawki, figi, wiśnie, melony, winogrona, porzeczki, cytryny

→ owoce można klasyfikować wg zmian w oddychaniu po zbiorze jako:

•

Typ1: powolny spadek intensywności oddychania w miarę dojrzewania – cytrusy

•

Typ2: przejściowy wzrost intensywności oddychania. Owoce dojrzewają po osiągnięciu maksimum 
wydzielania CO

2

 – awokado, banany, pomidory

•

Typ3: maksymalna produkcja CO

2

 w fazie pełnej dojrzałości i po niej – truskawki, morele

→ warzywa można sklasyfikować jako silnie, średnio bądź słabo oddychające

•

młode tkanki szparagów i rosnące nasiona groszku zielonego oddychają silnie

•

niska intensywność oddychania w organach przechowalniczych (ziemniaki), korzeniach (słodki ziemniak – 
batat) czy bulwach (cebula)

•

warzywa liściaste cechuje średnia intensywność oddychania

→ dlaczego wzrost syntezy CO2?

13

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

zmiany w przepuszczalności skórki dla gazów: produkcja wosków i olejów, kumulacja CO2 wewnątrz 
owocu

•

wzrost biosyntezy białka, rośnie zapotrzebowanie na ATP co napędza oddychanie

Inicjacja dojrzewania

 

 :  

•

etylen to hormon roślinny (oh, rly?)

•

nawet minimalne ilości etylenu stymulują aktywność oddechową i indukują dojrzewanie

•

u owoców klimakterycznych wrażliwość na etylen występuje tylko przed klimakterium

•

u owoców nieklimakterycznych etylen stymuluje aktywność oddechową zawsze 

'dodawali figi do maku, żeby mieć figę z makiem'

•

sygnalizuje przejście od stanu niedojrzałego do dojrzałego
•

rozpad  komponentów ściany komórkowych

•

rozpad skrobi i kwasów organicznych daje efekt wzrostu słodkości i aromatyczności

•

następuje zmiana pigmentacji

•

inhibicja kwitnienia 

•

etylen stymuluje własną biosyntezę

•

stosowanie etylenu u owoców klimakterycznych przyspiesza nieodwracalne klimakterium

•

u owoców nieklimakterycznych etylen chwilowo stymuluje aktywność oddechową

•

dekarboksylacja jabłczanu i pirogronianu – zmiany w klasycznych cyklu Krebsa (drastyczny wzrost 
aktywności dekarboksylazy jabłczanowej i dekarboksylazy pirogronianowej podczas dojrzewania

•

wzrost aktywności fosfofruktokinazy I oraz syntezy 1,6-bis-P-fruktozy

Teoria Baretta
→ aktywność enzymu fosfotranserazy frukrozo-6-P (PFP), który katalizuje reakcję identyczną jak PFK1 lecz 
wykorzystuje PPi zamiast ATP i jest aktywowany przez fruktozo-2,6-bis-P [który jest związkiem sygnalizacyjnym, 
np. jako aktywator PFK1 i PFP, podczas gdy fruktozo-1,6-bis-P wchodzi do glikolizy]
→ rola PFK2

Czynniki towarzyszące wzmożonej aktywności oddechowej

 

 :  

1. wzrost przepuszczalności membran komórkowych
2. wzrost syntezy białka
3. wzmożona synteza ATP
4. aktywność oddechowa mitochondriów nie ulega zmianie <!>
5. wzrost aktywności oddechowej niewrażliwej na cyjanki (inhibitor oksydazy cytochromowej i fosforylacji 

oksydacyjnej)

6. wzrost aktywności aldolazy
7. drastyczny wzrost aktywności dehydrogenazy jabłczanowej i dekarboksylazy pirogronianowej (enzymy 

niewrażliwe na cyjanki)

8. 20-krotny wzrost aktywności fosfofruktokinazy (PFK)

fruktozo-6-P + ATP → 1,6-bisfosforan glukozy [aktywator: 2,6-bisfosforan glukozy]

9. aktywacja enzymu fosfotransferazy fruktozo-6-P (PFP)

fruktozo-6-P + PPi → 1,6-bisfosforan glukozy [aktywator: 2,6-bisfosforan glukozy]

BIOSYNTEZA ETYLENU – cykl metioninowy

–

MTA: 5-metylotioadenozyna

–

MTR: 5-metylotioryboza

–

MTR-1-P

–

metionina

–

S-adenozylo-L-metionina (SAM) [ATP jako koenzym transferaz w funkcji donora reszty adenozylowej! 
Met + ATP = SAM + P + PPi 

–

ACC

–

etylen

14

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Cykl metioninowy:

•

SAM: donor grup metylowych

•

zarys reakcji:
MTA → MTR → MTR-1-P → SAM → ACC → etylen

•

substraty min.: ATP, O2

•

produkty min.: CO2, HCN, etylen 

W5, 18.03.2013

Cykl metioninowy cd.:
→ syntaza ACC – kluczowy enzym cyklu

SAM → ACC(substrat syntazy ACC) + MTA(wchodzi  w cykl) → etylen + CO

2

 + H

2

O + HCN(inhibicja 

oksydazy cytochromowej)

→ kluczowe reakcje:

•

ulenienienie

•

dekarboksylacja

•

transaminacja

→ regulacja syntezy etylenu:

–

enzym regulujący: syntaza ACC, tworzenie ACC z SAM jest etapem decydującym o stężeniu etylenu

–

zmiany stęzenia ACC w dojrzewającym owocu awokado:
▫ faza przedklimakteryjna: < 0,1 nM/g
▫ gwałtowny wzrost (do 45 nM/g) – poprzedza syntezę etylenu
▫ spadek do 5 nM/g w dojrzałym owocu

–

uszkodzenie tkanki wzmaga syntezę ACC

–

etap (system) I

 

 : wzrost aktywności syntazy ACC → tworzą się „startowe” ilości etylenu;

etap   II:   etylen   „startowy”   indukuje   aktywność   enzymów   rozkładających  ACC   →   gwałtowny   wzrost 
stężenia etylenu;
cyjanki   blokują   oksydazę   cytochromową;   rośnie   znaczenie   łańcucha   niewrażliwego   na   cyjanki   (np. 
dekarboksylaza jabłczanowa i dekarboksylaza pirogronianowa)

–

„ethylene response factor” 
▫ transkrypcja syntazy ACC
▫ transkrypcja oksydazy ACC (EFE)
▫ transkrypcja kinazy białkowej zależnej od wapnia 

–

w   niedojrzałych   owocach   niewielkie   ilości   etylenu   mogą   być   syntetyzowane   z   kwasów   organicznych 
(propionowy, masłowy)

–

CO

2

 inhibuje syntazę ACC (opóźnia proces dojrzewania owoców; „modyfikowana atmosfera”: 10% CO

2

, 

niskie stężenie O

2

)

–

produkcja   etylenu   jest   skorelowana   ze   stężeniem   związków   o   charakterze   nadtlenków,   aktywnością 
katalazy, peroksydazy i lipoksygenazy

–

H

2

O

2

  inhibuje   EFE   i   lipoksygenazę;   rodniki   tlenowe   generowane   przez   lipoksygenazę   aktywują   EFE; 

lipoksygenaza stymuluje syntezę etylenu

–

syntaza ACC jest aktywowana przez galaktozę

ZMIANA BARWY DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW

Związki barwne w żywności (owocach)

 

 :  

→ chlorofile – zielone (rozpuszczalne w tłuszczach)
→ karotenoidy – pomarańczowe do czerwonych (jw.)
→ antocyjaniny – niebieskie do purpurowych (rozpuszczalne w wodzie)

15

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Zmiany barwy:

 

 

1. utrata koloru zielonego (degradacja chlorofilu)
2. synteza i ekspozycja antocyjanin

•

etylen stymuluje degradację chlorofilu na świetle

•

etylen stymuluje biosyntezę chlorofilu w ciemności 

•

etylen stymuluje biosyntezę antocyjanin na świetle 

CHLOROFIL

 

 

Biostynteza chlorofilu:
→ związek prekursorowy: kwas delta aminolewulinowy (ALA)

COOH

CH

2

CH

2

C=O

CH

2

NH

2

1. synteza ALA u roślin:

 

 

1. bursztynylo-CoA + glicyna (ziemniaki, analogicznie u zwierząt do syntezy hemu)
2. glutaminian (ogórek, szpinak, pszenica, kukurydza)
3. α-ketoglukaran (2-oksyglutaran, algi) 

☼ Biosynteza hemu zaczyna się od kondensacji glicyny z bursztynylo CoA, po dekarboksylacji powstaje 
kwas δ-aminolewulinowy (ALA). Syntaza ALA jest kluczowa w biosyntezie hemu, transkrypcja wyłączana 
hemem. 

2. tworzenie porfobilinogenu

 

  (etap 2)

ALA – – – – – dehydraza ALA (ALAD) – – – → porfobilinogen (PBG)

–

ALAD reguluje syntezę chlorofilu u roślin

☼ Syntaza porfobilinogenu (dehydraza ALA, ALAD) katalizuje kondensację dwu cząsteczek ALA tworząc 
pierścień porfobilinogenu. 

3. deaminacja porfobilinogenu

 

 

kondensacja 4 cząsteczek w sposób „głowa do ogona”, powstają pierścienie pirolowe, w efekcie tworzony 
jest uroporfirynogen III; uczestniczy deaminaza pofrobilinogenu 

☼ W   hemie   syntaza   uroporfirynogenu   III   zamienia   pierścień   tetrapirolu   na   makrocykliczny 
uroporfirynogen III. 

4. tworzenie protoporfiryny IX

 

 

dekarboksylacja reszt kwasu octowego i propionowego na pierścieniach pirolowych; wbudowanie wiązań 
podwójnych (odwodornienie)

☼ cztery reszty acetylowe w wyniku dekarboksylacji dają reszty metylowe. Oksydacyjna dekarboksylacja 
zamienia 2 z 4 reszt propionowych do reszt winylowych. Oksydaza protoporfirynogenu dodaje wiązania 
podwójne. 

5. chelatowanie magnezem, metylacja (SAM) i synteza protochlorofylidu 

 

 

wysokie stężenie ATP; potrzebny SAM

☼ ferrochelataza wbudowuje Fe2+ do protoporfiryny IX i powstaje hem 

6. dosyntezowanie ogona fitolu

 

 

16

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Degradacja chlorofilu:
→ trzy ścieżki degradacji:

•

akcja chlorofilazy → odcina ogon fitolu; powstaje chlorofilid i ogon fitolu; chlorofilid pozbawiony Mg

2+ 

tworzy feoforbid (Mg

2+

 → H

+

)

•

zmiany pH → środowisko kwaśne: zamiana Mg

2+

 na 2H

+

, powstaje feofityna (głęboka oliwkowa zieleń); 

środowisko zasadowe: reszty fitolowe i metylowe są usuwane, powstaje chlorofilina

•

bielenie enzymatyczne (lipoksygenaza, peroksydaza lub katalaza i H

2

O

2

); BLANSZOWANIE inaktywuje 

→ chlorofil „a” jest bardziej podatny na bielenie 

KAROTENOIDY

 

 

→ fotosynteza:

•

absorpcja światła

•

fotoprotekcja

•

stabilizacja 

→ żywienie:

•

antyoksydanty

•

procesy widzenia 

→ ptaki, ryby:

•

odporność

•

estetyka (pociąg seksualny)

! absorbują światło niebieskie i zielone

Budowa chemiczna:

–

olbrzymie zróżnicowanie (ponad 700 związków)

–

podstawowa jednostka: izoprenoiodowy, polienowy szkielet C

40

–

dodatkowe elementy: metyl, pierścienie, hydroksyle, karbonyle, laktony, alleny 

Klasyfikacja karotenoidów:

•

karoteny:

 

  karotenoidy węglowodorowe (np. β-karoten, likopen)

•

ksantofile

 

 :   oksydacja   karotenów,   hydroksy-,   epoksy-,   oksy-,   pochodne   (np.   luteina,   astaksantyna, 

zeaksantyna)

•

apo/diapo-karotenoidy

 

 : usunięte pierścienie końcowe

•

norkarotenoidy:

 

  usunięte atomy węgla (np. peridynina)

! izomery cis/trans (1056 wariantów likopenu) 

Biosynteza karotenoidów:
→  dezintegracja   struktury   gronowej   chloroplastów   towarzyszy   tworzenie   chromoplastów,   tj.   miejsc   syntezy 
karotenoidów; prekursor: acetylo-CoA

→ schemat ogólny:

acetylo-CoA  →   kwas   melawonowy   →   pirofosforan   izopentenylu   →   pirofosforan   geranylgeranylu   → 
pirofosforan prefytoenu → fytoen → psi-karoten → neurosporen → likopen

→ reakcja – szczegóły

•

syntetaza acetoacetylo-CoA

•

syntetaza HMG-CoA (hydroksymetyloglutaryloCoA)

•

reduktaza HMG

•

kwas mewalonowy (MVA)

•

odległe analogie (kondensacja łańcucha, redukcja): biosynteza kwasów tłuszczowych 

•

nie wiem, co to, do cholery, jest, ale napiszę:

◦

WVA + ATP → MVA-5-P (kinaza mewalonowa)

◦

WVA-5-P + ATP → MVA-5-PP (kinaza 5-P-MVA)

◦

MVA-5-PP + ATP → IPP + ADP + P + CO

2  

(dekarboksylaza mewalonowa syntetyzuje pirofosforan 

izopentenylu – IPP) 

17

A

le

 o

 c

o 

ch

od

zi

??

?

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

◦

izomeraza izopentenylowa: pirofosforan izopentenylu → pirofosforan dimetyloallylu 

•

reakcje transferaz prenylowych:
◦

pirofosforan izopentenylu

◦

pirofosforan geranylu

◦

pirofosforan farnezylu

◦

pirofosforan geranylgeranylu 

[to jest takie waka-waka]

•

kondensacja 2 cz. GGPP (2x 20); 

•

pirofosforan prefitoenu traci proton, co powoduje powstanie podwójnego wiązania przy C15

•

seria reakcji desaturacyjnych (wbudowywanie wiązań podwójnych): 
fitoen → fitofluen → ζ-karoten → neurosporen → likopen 

W6, 25.03.2013

[cd. poprzedniego]

•

cyklizacja jednej lub dwóch grup końcowych (otrzymujemy α-karoten lub ε-karoten, ewentualnie γ-karoten 
i w efekcie …)

•

cykl ksantofilowy – polega na dobudowaniu reszty hydroksylowej do węgla przy pozycji 3 lub reszty 
epoksydowej w pozycjach 5 i 6 → ksantofile (kapsorubina, kapsantyna)

Zmiany zawartości karotenoidów podczas dojrzewania

–

ciągły spadek zawartości chlorofili (α- i β-)

–

spadek zawartości karotenoidów syntetyzowanych w chloroplastach (α-, β-karoten, luteina, wiolaksantyna, 
neoksantyna) 

–

synteza karotenoidów w chromoplastach (kryptoksantyna, zeaksantyna) 

Zmiany zawartości karotenoidów podczas przechowywania i przetwarzania

–

jako związki nienasycone podatne są na reakcje izomeryzacji i utleniania

–

akcja   katalitycznej   lipoksygenazy   towarzyszy   utrata   barwy,   nieprzyjemne   zapachy   i   spadek   wartości  
odżywczej

–

ogrzewanie bez dostępu powietrza oraz niskie pH wywołuje izomeryzację (trans → cis) efektem której jest 
spadek intensywności zabarwienia 

–

karotenoidy  są   podatne   na   utlenianie   nieenzymatyczne   zwłaszcza   w   postaci   odwodnionej   (aw   =   0,44 
hamuje proces degradacji)

ANTOCYJANINY

 

 

•

związki   odpowiedzialne   za   atrakcyjny   kolor   różowy,   czerwony,   purpurowy,   niebieski   kwiatów,   liści, 
owoców i warzyw

•

związki rozpuszczalne w wodzie, akumulowane w komórkach epidermy podczas dojrzewania

•

związki wabiące owady, ptaki (zapylanie, rozsiewanie nasion)

•

budowa glikozydowa: AGLIKON to sole flawyliowe czyli antocyjanidyny

•

rozpuszczalne w wodzie → straty podczas gotowania, blanszowania

•

reagują z metalami, np. opakowania dając szarożółte zabarwienie

•

zmiany barwy zależne od pH 

Kation flawyliowy → przy -OH w miejscu 3 przyłączają się części cukrowe – glukoza, laktoza, ramnoza, ksyloza.

•

podstawowe antocyjanidyny żywności:
◦ pelargonidyna
◦ cyjanidyna (praktycznie wszędzie ;P – jeżyna, czarna porzeczka, wiśnia, truskawka)
◦ delfinidyna (czarna jagoda)
◦ peonidyna (wiśnia)
◦

petuwidyna 

◦ malwidyna

18

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

stopień hydroksylacji odpowiada za odcień niebieski, stopień metoksylacji za kolor czerwony 

•

intensywność barwy zależy od:
◦ natura pigmentu (budowa chemiczna)
◦ stężenie
◦ pH
◦ obecność kopigmentu
◦ obecność jonów metali

Biosynteza antocyjanin:
Trzy etapy:

1. Akcja liazy fenyloalaninoamonowej (PAL): fenyloalanina → kwas cynamonowy + NH

4

+

2. Kwas cynamonowy + 3CH3-CO~SCoA → chalkon
3. Izomeryzacja: chalkon → flawon

→ biosynteza antocyjanin stymulowana jest przez światło i niskie temperatury
→ podlega zjawisku podlega fotoregulacji przez fitochromy
→ fitochrom: fotoreceptor roślinny występujący w dwóch formach: nieaktywnej fizjologicznie, absorbującej przy 
664 nm oraz aktywnej fizjologicznie absorbującej daleką czerwień 730 nm 
→ fitochromy występują w membranach komórkowych i kontrolują:

•

aktywny transport

•

hormony związane z membraną

•

białka związane z membraną

•

biosyntezę antocyjanin

Wpływ procesów przetwarzania żywności na antocyjaniny

•

utrata barwy: termiczna, chemiczna (zakwaszenie), biochemiczna

•

enzymy dekoloryzujące („bielące”):
◦ oksydazy polifenolowe
◦ peroksydaza 

INAKTYWOWANE BLANSZOWANIEM

◦ antocyjanaza

•

stabilność barwy zależy także od:
◦ stężenia tlenu
◦ jonów metali
◦ pH

•

odbarwianie przechowalnicze: w wyniku degradacji form ketonowych antocyjanin podczas długotrwałego 
przechowywania powstaje brązowy precypitat

•

tworzenie kompleksów ze związkami polifenolowymi, aminokwasami, jonami metali stabilizuje barwę 

WITAMINA C

 

 

–

witamina   C   (kwas   askorbinowy),   syntetyzowana   przez   wiele   roślin   jest   istotnym   komponentem   diety 
człowieka

–

jest przeciwutleniaczem, wzmacnia system odpornościowy

–

jest konieczna do bioprzyswajalności żelaza 

–

większość   zwierząt   syntetyzuje   endogenny   kwas   askorbinowy;   człowiek   nie   posiada   enzymu 
oksydoreduktazy L-gulono-1,4-laktonu [EC 1.1.3.8] 

Biosynteza witaminy C:

•

amplifikacja genu GalUR zwiększa zdolność rośliny do biosyntezy witaminy C:

1. izolacja i charakterystyka genu GalUR z truskawki
2. amplifikacja genu metodą PCR
3. klonowanie do wektora binarnego pod kontrolę promotora 35S CaMV
4. transformacja E. coli; przeniesienie do Agrobacterium
5. wprowadzenie wektora do rośliny  Arabidopsis thaliana  metodą transformacji z  Agrobacterium 

tumefaciens

19

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

6. Arabidopsis thaliana syntetyzuje 3x więcej witaminy C 

•

szlak:

 

 

pektyna

kwas D-galakturonowy

kwas L-galakturonowy

lakton kwasu 1,4-L-galaktonowego

kwas askorbinowy

Recykling zużytej witaminy C u roślin:
→   w   wyniku   utleniania   kwasu   askorbinowego   tworzony   jest   monodehydroaskorbinian,   a   z   niego 
dehydroaskorbinian   (DHA);   reduktaza   monodehydroaskorbinianowa   wykazuje   zdolność   do   redukcji 
monodehydroaskorbinianu do kwasu askorbinowego, zaś reduktaza dehydroaskorbinianowa  (DHAR)  wykazuje 
zdolność   do   redukcji   dehydroaskorbinianu   do   kwasu   askorbinowego;   jest   jeszcze   reduktaza   glutationowa,  

ale 

cholera wie, po co nam ona!

 [2G-SH + NADH → G-S-S-G + NADPH]

GLUTATION = γ-glutanylo-cystynylo-glicyna

 

G-S-S-G → 

Amplifikacja DHAR:

1. izolacja cDNA DHAR z pszenicy
2. transformowanie tytoniu (Agrobacterium) i kukurydzy (bombardowanie) 
3. wektor binarny pBI101 ze znacznikiem his dołączony został pod kontrolę promotora 35S CaMV (tytoń); u 

kukurydzy wykorzystano promotor ubichitynowy (Ub) i wektor pACH18, bombardowano tkankę kalusową

4. amplifikacja: tytoń 32x, kukurydza ok. 100x
5. czterokrotnie podwyższona zdolność do biosyntezy witaminy C u obu roślin

ZMIANY SMAKOWITOŚCI DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW I WARZYW

Smakowitość (flavour) – suma interakcji pomiędzy zapachem (aroma) i smakiem (taste).

•

podstawowe związki decydujące o smaku to związki nielotne: cukry, kwasy organiczne

•

podstawowe związki decydujące o zapachu to związki lotne: 
◦ aldehydy
◦ alkohole
◦ estry
◦ laktony
◦ terpeny
◦ związki siarki

 

20

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

ZAPACH (aroma):

 

 

•

podczas   dojrzewania   owoców   (ripening,   maturation)   zapachowe   związki   lotne   tworzone   są   z białek, 
lipidów, witamin i węglowodanów

•

krótkołańcuchowe nienasycone aldehydy i alkohole są istotną częścią lotnych związków zapachowych 
syntetyzowanych podczas dojrzewania owoców (faza klimakterium) zasadniczo z: 
◦

aminokwasów

◦

kwasów tłuszczowych

•

biosynteza alkoholu izoamylowego (3-metylo-1-butanol) z L-leucyny 

W7, 08.04.2013

ZAPACH (cd.)

•

biosynteza alkoholu izoamylowego z L-leucyny w owocach pomidora

1. transaminacja (deaminacja) → kwas α-ketoizokaproikowy
2. dekarboksylacja → 3-metylo-1-butanal
3. hydrogenacja → alkohol izoamylowy (3-metylo-1-butanol)

•

W czasie dojrzewania owoców obserwowano spadek zawartości kwasu linolowego i linolenowego. W 
procesie tym uczestniczy lipoksygenaza (enzym endogenny owoców), której inhibitorem jest H

2

O

2

.

SMAK (taste)

 

 

•

Charakterystyczny   smak   owoców   jest   wynikiem   syntezy   cukrów   prostych   oraz   syntezy   kwasów 
organicznych.

•

Stosunek stężenia cukrów do kwasów jest indeksem dojrzłaości dla wielu owoców.

•

Inne związki mające istotny wpływ na smak to taniny, które dzielą się na:
◦

hydrolizowalne (do kw. galusowego i glukozy)

◦

niehydrolizowalne (nadają cierpkość owocom niedojrzałym)

•

Zanik cierpkości podczas dojrzewania:
◦

reakcja tanin z aldehydem octowym

◦

reakcja tanin z białkami

•

Parametry dojrzałości jabłek: sacharoza, kwas-L-jabłkowy, profil białkowy

Konwersja skrobia → cukier: 

•

Cukry i „skrobia tymczasowa” syntetyzowane u roślin podczas fotosyntezy przekształcane są do sacharozy

•

W formie sacharozy cukry są transportowane do tkanek, gdzie są deponowane jako skrobia.

Konwersja sacharoza → skrobia:

1. sacharoza + UTP → UDP-Glu + fruktozo-1-P (transferaza glukozylowa: sachroza, UDP-Glu)
2. fruktozo-1-P → glukozo-1-P (heksokinaza, fosfoglukoizomeraza, fosfoglukomutaza)
3. glukozo-1-P + ATP (UTP) → ADP-Glu (UDP-Glu) + PPi (pirofosforylaza ADP-glukozy)
4. PPi + H2O → Pi +Pi (alkaliczna fosfataza)
5. ADP-Glu (UDP-Glu) + primer (Gn) → glukozyloprimer (Gn+1) + ADP (syntetaza amylozy)
6. sacahroza +H2O → glukoza + fruktoza (inwertaza)
7. fruktozo-6-P + UDP-Glu → sacharozo-P + UDP (syntetaza sacharozy)
8. skrobia + H2O → maltoza + H2O → glukoza: hydroliza
9. skrobia + H3PO4 → glukozo-1-P: fosforoliza

Konwersja sacharoza → skrobia:

•

w okresie po zbiorze owoców skrobia jest przekształcana do sacharozy, glukozy i fruktozy

•

intensywność przemiany zależy od temperatury i czasu

•

zmiany zawartości skrobi w owocach w okresie klimakterium mogą być drastyczne

•

banany niedojrzałe (22%, skrobia oporna) → banany dojrzałe (1%)

•

skrobia   oporna   –   nie   podlega   hydrolizie   enzymatycznej   w   przewodzie   pokarmowym,   jedynie   jest 
fermentowana   przez   mikroorganizmy   w   końcowym   odcinku   (tak   jak   niestrawne   polisacharydy 
nieskrobiowe, takie jak glukany, ksylany itp.)

21

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

aktywność   fosforylazy  w  ziemniakach  przechowywanych   w  4ºC   jest   wzmocniona   →  zimna   słodkość, 
brunatna barwa czipsów (temp. przechowywania > 10ºC)

Kwasy organiczne

•

Maksimum syntezy kwasów zachodzi podczas wzrostu owoców na drzewie. Podczas przechowywania 
zawartość kwasów spada z intensywnością zależą od temperatury

•

Źródłem kwasów organicznych jest cykl Krebsa

•

Pomarańcze, cytryny i truskawki  (gł. kwas cytrynowy)

•

Jabłka, gruszki, śliwki (gł. kwas jabłkowy)

•

Istotnym kwasem organicznym jest również kwas askorbinowy.

•

Kwas szczawiowy

•

W   czasie   dojrzewania   owoców   spadkowi   zawartości   skrobi   towarzyszy   spadek   stężenia   kwasów 
organicznych (kwasowości)

PRZECHOWYWANIE OWOCÓW I WARZYW

1. Schładzanie (cold storage)
2. Przechowywanie w atmosferze kontrolowanej (obie metody są drogie)
3. W kontrolowanej atmosferze (niskie stężenie O2) hamowane są zjawiska respiracji, dojrzewania, żółcenia
4. Warunki atmosfery kontrolowanej zależą od rodzaju owoców i warzyw.

•

Metoda   Ben-Yehoshua   (1979)   indywidualne   pakowanie   owoców   w   celu   wytworzenia   mikroatmosfery 
przechowalniczej. Stosowana folia polietylenowa wysokiej gęstości nieprzepuszczalna dla wilgoci
◦

Zalety: wydłużony czas przechowywana, zmniejszone ubytki masy, zmniejszone przebarwienie

•

Stosuje się także powłoki woskowe lub olejowe na powierzchni owoców.

Ziemniaki 7-10ºC, 90-95% wilgotności względnej
Cebula 1-3ºC, 70-75% wilgotności względnej
Zawartość fruktozy jest dla cebuli wskaźnikiem jakości przechowalnicznej – nie powinna być za niska. Jest to  
związane z aktywnością inwertazy w tkance

ZMIANY TEKSTURY DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW I WARZYW

Tekstura

 

 :  

•

Tekstura owoców i warzyw jest związana ze strukturą i organizacją roślinnych ścian komórkowych oraz  
międzykomórkowymi związkami cementującymi

•

Struktura ścian komórkowych była  przedmiotem wielu badań i obecnie  uważa  się, że roślinne ściany 
komórkowe zbudowane są z:
◦

fibryli celulozowych zlokalizowanych w matrycy 

◦

związków pektynowych

◦

hemicelulozy

◦

białek

◦

ligniny

◦

niskocząsteczkowych związków rozpuszczonych

◦

wody

Budowa ściany komórkowej wg Hayashi (1989)
Białka bogate w hydroksyprolinę są powiązane kowalencyjnie ze związkami pektynowymi poprzez ksyloglukan.

•

W dojrzałych owocach nie występuje wtórna ściana komórkowa

•

Podczas dojrzewania owoców zmiany tekstury (spadek jędrności) związane są z rozkładem (enzymatyczną 
degradacją) składników pierwotne ściany komórkowej

22

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

Dojrzewanie   warzyw   związane   jest   z   utwardzeniem   struktury   związanym   z   budową   wtórnej   ściany 
komórkowej -  głównie z depozycją ligniny.

Składniki ściany komórkowej:

•

Celuloza
◦

tworzy agregaty liniowe – fibryle

◦

wiązania β-1,4-glikozydowe

◦

fibryle celulozowe tworzą obszary krystaliczne i amorficzne

◦

łańcuchy   celulozy   stabilizowane   są   wiązaniami   wodorowymi   pomiędzy   hydroksylami   węgla   C6 
jednego łańcucha i tlenem glikozydowym łańcucha sąsiedniego

•

Związki pektynowe
◦

stanowią ½ suchej masy pierwotnej ściany komórkowej owoców i warzyw

◦

łańcuchy   α-D-galakturonowego   lub   jego   estru   metylowego   –   połączonego   wiązaniami   α-1,4-
glikozydowymi i inkrustowane resztami L-ramnozylowymi

◦

→ ramnogalaktouran

•

Pektyna
◦

współczynnik metylacji pektyn ??

◦

polisacharydy strukturalne roślinnych ścian komórkowych 

◦

segmenty   „gładkie”   (łańcuchy   częściowo   zmetylowanego   kwasu   α-1,4-galakturonowego 
(ramnogalakturonany 1)

◦

segmenty włochate (hairy) łańcuchy kwasu α-1,4-galakturonowego oraz α-1,2 ramnozy z bocznymi 
rozgałęzieniami arabinozy i galaktozy. (ramnogalakturonany 2 i 3)

◦

demetylacja → grupy kwasowe zjonizowane

◦

grupy te odpychają się nawzajem, co daje strukturę spirali i w konsekwencji żel

◦

żele   niskometylowe   stabilizują   kationy   dwuwartościowe,   np.   Ca2+;   wiązania   jonowe   tworzą   się 
między łańcuchami; odwracalne

◦

żele wysokozmetylowane – żel tworzy się przez dodatek sacharozy; sacharoza odwadnia pektynę → 
reszty metoksylowe oddziałują między sobą, oddziaływania hydrofobowe; nieodwracalne

pektyny  owoców   cytrusowych   i   jabłek   charakteryzuje   najwyższy  stopień   metylacji   (ok.90%)   i   są   to   pektyny 
najbardziej wartościowe technologicznie. 

W8, 15.04.2013

•

Hemicelulozy
→ ksylany
→ mannany
→ glukomannany
→ galaktomannany
→ galaktany
→ arabogalaktany 

•

Ligniny
◦

syntetyzowane na etapie tworzenia wtórnej ściany komórkowej (dojrzałe warzywa)

◦

polimery jednostek fenylopropanoidowych

◦

biosynteza lignin rozpoczyna się od hydrolizy glikozydów alkoholi cynamylowych: kumarylowego, 
koniferylowego, synapilowego

◦

biosynteza lignin:

1. wolne alkohole tworzą się z odpowiednich glukozydów z udziałem bete-glukozydaz
2. alkohole cynamylowe są atakowane przez peoksydazę w miejscu niepodstawionej reszty p-OH 

z wytworzeniem rodników O-

3. rodniki są zdolne do łączenia się z nienasyconymi związkami dalszych cząsteczek alkoholi 

cynamylowych

4. możliwe reakcje z sacharydami (hemicelulozy)
5. wolne grupy OH ulegają metylacji oraz estryfikacji z udziałem kwasów cynamylowych 

23

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Biosynteza ściany komórkowej

1. glukoza + ATP → glukozo-1~P + ADP
2. glukozo-1~P + ATP → ADP-glukoza +P-P 

lub

3. glukozo-1~P +UTP → UDP-glukoza + P-P
4. ADP-glukoza (UDP-glukoza) + primerGn → glukozyloprimer (Gn+1) + ADP

Degradacja ściany komórkowej

•

mięknięcie owoców podczas dojrzewania jest związane z degradacją związków pektynowych

•

zmniejszenie stężenia pektyn nierozpuszczalnych tzw. „protopektyny”

•

zwiększenie stężenia pektyn rozpuszczalnych 

Enzymatyczna degradacja pektyn

–

czy istnieje protopektynaza (??)

–

poligarakturonaza EC. 3.2.1.15  – depolimeryzuje ramnopoligalakturoniany;  jest endo- (tnie na bokach 
łańcucha; w owocach dojrzałych) i egzo- (tnie w środku łańcucha; w owocach niedojrzałych); nie działa w 
przypadku pektyn mocno zmetylowanych

–

esteraza pektynianowa (PME) EC. 3.1.1.11 – hydrolizuje reszty metylowe, które występują w cząsteczkach 
ramnopoligalakturonianu, skutkuje to wytworzeniem metanolu 
▫ pectin   methyl   esterase:   aktywność   szeroko   rozpowszechniona   szczególnie   w   owocach   bananów, 

truskawek, brzoskwini

▫ nie odgrywa istotnej roli w procesie mięknięcia owoców, ponieważ jest aktywna także u owoców 

niedojrzałych (banany, pomidory)

▫ w   owocach   awokado   –   drastyczny   spadek   aktywności   PME   przed   dojrzewaniem:   50%   spadek 

aktywności poprzedza klimakterium oddechowej

▫ uważa się, że demetylacka pektyn jest konieczna dla akcji PGA

–

liaza pektynianowa – też depolimeryzuje, ale bez udziału wody; niewrażliwa na stopień metylacji pektyny

•

w   dojrzewających   owocach   dochodzi   do   degradacji   CELULOZY   przez   kompleks   hydrolityczny 
endogennych celulaz

INSOLUBLE

 

CELLULOSA

C

1-

CELLULASE

SOLUBLE

 

CELLULOSE

 

DERIVATIVES

CX

-

CELLULASE

CELLULOBIOSE

CELLOBIASE

 (

Β

-1,4,-

GLUCOSIDASE

)

GLUCOSE

•

wpływ   hormonów   roślinnych   (etefon,   kwas   giberelinowy)   na   aktywność   celulazy   i   twardość   owców 
pomidora

•

mechanizmy degradacji kompleksu ligninocelulozowego wg Leonowicza:
•

lignina → pochodne metoksyfenylowe (LIGNINAZA)

•

pochodne metoksyfenylowe → chinony (lakkaza)

•

polisacharydy → glukoza (glikozydazy)

•

glukoza + chinony → difenole + glukozo(ksylano)lakton (oksydaza glukozowa, ksylozowa) 

•

glukono(ksylano)lakton → cylk pentozofosforanowy

•

difenole + O2 → oksokwasy (dioksygenazy)

•

oksokwasy → cykl Krebsa

•

β-galaktozydaza
•

w czasie dojrzewania owoców następuje spadek stężenia galaktozy w strukturach ściany komórkowej

•

rozkład β-1,4-galaktanów

•

zamrażanie eliminuje aktywność β-galaktozydazy

24

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

ZBOŻA

→ główne źródło żywności na świecie, dostarczają ludzkości: 70% energii, 50% białka
→ w krajach wysoko rozwiniętych następuje relatywny spadek konsumpcji produktów zbożowych, które mimo to 
dostarczają: 20% białka, energii, Mg i Zn, 30-40% węglowodanów i Fe, 20-30% ryboflawiny i niacyny, 40% 
tiaminy
→ główne zboża:

–

pszenica

–

kukurydza

–

jęczmień

–

owies

–

ryż

→ wspólna cecha: nasiona zawierają depozyty (ziarna) skrobiowe
→ produkcja światowa (w tysiącach ton)

–

pszenica 510

–

kukurydza 490

–

jęczmień 178

–

owies 45

–

ryż 466

W9, 22.04.2013

Struktura ziarna zbożowego:

 

 

→ tkanki:

–

zarodek

–

endosperma – miejsce rezerw (rezerwy te uruchamiane są w procesie kiełkowania zarodka): 

•

energetycznych (ziarna skrobiowe) → skrobia jest odkładana w plastydach tworząc tzw. amyloplasty; 
w dojrzałej endospermie pszenicy, jęczmienia i żyta skrobia jest odkładana w postaci dwóch różnych  
rodzajów ziaren różniących się wielkością: 
–

ziaren pierwotnych [typ A o średnicy od 20 do 45 μm, stanowią 3% ogólnej ilości, 50-70% masy] 

–

i ziaren wtórnych [typ B, o średnicy <10 μm, 97% ilości, 20-50% masy] 

Wyizolowane   ziarna   skrobiowe   obu   typów   zawierają   także   białka,   z   których   część   jest   łatwo 
wymywalna wodą, reszta roztworami soli. 

~wiskoamylograf   –   urządzenie   do   badania   zmian   lepkości   związanych   ze   zmianami 
temperaturowymi [kleikowanie – wiskoamylogram; punkt kleikowania (temperatura gdzie lepkość 
gwałtownie   wzrasta,   bo   rozpadają   się   ziarna   skrobiowe   i   skrobia   się   wylewa);   temperatura 
kleikowania (max. lepkość)] 

Ziarna   skrobiowe   zawierają   również   hemicelulozy:   ksylany   (polimery   ksylozy   [pentozy],   które 
stanowią istotny element strukturalny)(gł. we frakcji hemiceluloz pszenicy i pszenżyta) i β-glukany (gł. 
w ziarnach żyta i jęczmienia). Są one zdolne do wiązania wody, aż do tworzenia żeli. 

•

białkowych (ciała białkowe) 

–

warstwa aleuronowa – synteza enzymów koniecznych do uruchomienia rezerw endospermy 

–

okrywa nasienna 

SKROBIA

Skład chemiczny skrobi:

 

 

25

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

amyloza – liniowy łańcuch α-1,4-glukopiranozy; DP: 180-320, MW~106; rzadkie rozgałęzienia co około 
200 jednostek glukozowych 

•

amylopektyna   –   liniowy   α-1,4-glukan   z   rozgałęzieniami   α-1,6   co   około   20   jednostek   glukozowych; 
WM~108 

•

amyloza:amylopektyna => 1:3
•

skrobie woskowe: 99% amylopektyny

•

amyloskrobie (matacje) …. ?

Biosynteza skrobi:

 

 

1. sacharoza + UDP → UDP-glukoza + fruktozo-1-P [transferaza glukozylowa sacharoza:UDPGlu]
2. fruktozo-1-P → glukozo-1-P [I. heksokinaza; II. fosfofruktoizomeraza, III. fosfoglukomutaza]
3. glukozo-1-P + ATP (UTP) → ADP-glukoza (UDP-glukoza) + PPi [pirofosforylaza ADP-glukozy]
4. ADP-glukoza   (UDP-glukoza)   +   primer   (Gn)   →   glukozyloprimer   (Gn+1)   +   ADP   [syntetaza   skrobi 

(amylozy)]
------------------------

5. sacharoza –H

2

O→ glukoza + fruktoza [inwertaza]

6. frruktozo-6-P + UDP-glukoza → sacharoza-P + UDP [syntetaza sacharozy] 

7.

skrobia –H

2

O→ maltoza –H

2

O→ glukoza (hydroliza) [amylazy]

8.

skrobia +H

3

PO

4

 → glukozo-1-P (fosforoliza) [fosforylaza]

! kluczowe enzymy:

•

pirofosforylaza ADP-glukozy

•

alkaliczna pirofosfataza 

→   zmiany   aktywności   pirofosforylazy  ADP-glukozy   i   alkalicznej   pirofosfatazy   w   czasie   dojrzewania   ziarna  
[rysunek]:
(anthesis – dojrzałość pyłkowa rośliny; czas otwarcia kwiatu)

–

7 dni po anthesis: niski poziom skrobi

–

14   dni:   translokacja   skrobi   tymczasowej   z   chloroplastów   do   amyloplastów   –   konwersja   skrobi   do 
sacharozy, transport i konwersja sacharozy do skrobi; gwałtowny wzrost poziomu skrobi, wysoki poziom 
utrzymuje się

–

21 dni: aktywność inwertazy spada do zera, maksymalna aktywność syntetazy skrobi 

Synteza amylopektyny:

•

enzym wprowadzający rozgałęzienia α-1,6-glikozydowe w strukturę α-glukanu to Q-enzym EC. 2.4.1.18; 
Q-enzym losowo łączy liniowe odcinki glukanowe

•

amyloza i amylopektyna syntetyzowane są równocześnie z wydajnością względną 1:4

•

Q-enzym jest hamowany przez fosfolipidy; pochodne fosfolipidowe amylozy unikają rozgałęzień

Końce amylozy → redukujący i nieredukujący.
Struktura amylozy → spirala z dziurą, w którą wchodzą fosfolipidy → kompleksy amylozo-lipidowe, występujące 
szczególnie w skrobi zbożowej (pszenicznej); najmniej w ryżu, kukurydzy
~owies – najwięcej tłuszczu

BIAŁKA

Ciała białkowe 

•

organella komórkowe związane z membranami zawierające białka zapasowe ulokowane w endospermie 
skrobiowej (plus ew. krople tłuszczu – liposomy)

•

ciała białkowe występują także w warstwie aleuronowej gdzie pełnią funkcje związane z syntezą i sekrecją 
enzymów do endospermy

•

synteza ciał białkowych odbywa się na szorstkim retikulum endoplazmatycznym z aktywnym udziałem 
aparatu Golgiego 

Etapy syntezy białka w ziarnach zbóż:

1. szybki podział komórek przy niskim poziomie syntezy białka

26

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

2. zanik podziału komórek; wzrost ilościowy szorstkiego retikulum endoplazmatycznego
3. wzrost poziomu transkrypcji mRNA i translacji
4. synteza białek i ich asocjacja z pęcherzykami Golgiego
5. zwolnienie syntezy białek i koalescencja pęcherzyków 
6. utrata membran i dalsza koalescencja 

Klasyfikacja białek roślinnych wg Osborna (1895)

•

albuminy – rozpuszczalne w wodzie (zwłaszcza w pszenicy)

•

globuliny – rozpuszczalne w roztworach soli (zwłaszcza w owsie)

•

prolaminy – rozpuszczalne w 70% EtOH (bardzo typowe białka zbożowe)

•

gluteliny – rozpuszczalne w rozcieńczonych zasadach (zwłaszcza w ryżu)

Prolaminy zbożowe:

•

pszenica – gliadyna

•

kukurydza – zeina 

•

jęczmień – hordeina

•

owies – awenina 

TŁUSZCZE ZBOŻOWE

–

sferosomy (liposomy) – warstwa aleuronowa, krople bogate w triacyloglicerole

–

lipidy monoacylowe i fosfolipidy w ziarnach skrobiowych endospermy

–

korelacja   między   zawartością   amylozy   i   lipidów,   skrobia   woskowa   →   znikoma   zawartość   lipidw, 
amyloskrobia → bogata w lipidy

–

główne kwasy: linolowy, olejowy, palmitynowy, linolenowy 

W10, 06.05.2013

Zawartość tłuszcz w ziarnach zbóż:

–

pszenica 1,8%

–

owies 5,4%

–

kukurydza 0,4-1,7%

BIOSYNTEZA TŁUSZCZU

I. biosynteza kwasów tłuszczowych: kompleks syntetazy kwasów tłuszczowych
II. estryfikacja glicerolu

→ tłuszcze stanowią pierwsze źródło energii podczas kiełkowania zarodka

Przemiany glicerolu:

1. aktywacja kinazą glicerolową (transferaza):

glicerol + ATP → 3-P-glicerolu + ADP

2. utlenianie (dehydrogenacja) dehydrogenazą 3-P-glicerolową

3-P-glicerolu + NAD+ → 3-P-dihydroksyaceton (3-fosforan gliceraldehydu) + NADH + H+

3.

KATABOLIZM: 3-P-dihydroksyaceton → kwas pirogronowy (glikoliza), oksydacyjna  dekarboksylacja, 
cykl Krebsa, łańcuch oddechowy
ANABOLIZM:   3-P-dihydroksyaceton   →   1,6-bisfosforan   fruktozy,   aldolaza   bisfosforanu   fruktozy 
[glukoneogeneza]

Utlenianie kwasów tłuszczowych (β-oksydacja):

1. [aktywacja] synteza acylo-koenzymu A

RCOOH + ATP → ACOO-AMP +P-P
RCOO-AMP + CoA-SH → RCO~S-CoA + AMP

2. [odwodordnienie] dehydrogenaza acylo-CoA

27

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

R'-CH

2

-CH

2

-CO~S-CoA + FAD ↔ R-CH=CH-CO~SCoA + FADH

2

3. [hydratacja] hydrataza enoilo-CoA

R-CH=CH-CO~S-CoA + H

2

O ↔ R-CHOH-CH

2

-CO~S-CoA

4. [odwodorowanie II] dehydrogenaza 3-hydroksyacylo-S-CoA

R-CHOH-CH

2

-CO~S-CoA + NAD+ ↔ R-CO-CH

2

-CO~S-CoA + NADH + H

+

5. acylotransferaza 

R-CO-CH

2

-CO~S-CoA + CoA-SH ↔ R'-CO~S-CoA + CH

3

-CO~S-CoA

Bilans energetyczny β-oksydacji:
→ kwas palmitynowy C

16:0

 

tutaj jest coś co ma Kasia:)

Biosynteza KT jest odwrotna do β-oksydacji kwasów tłuszczowych. 

Desaturazy
→ kiedy szkielet węglowy osiągnie 16 atomów węgla i zostanie dany jako primer 16-sto węglowy na sulfhydryl, to 
specjalny   enzym   uwalnia   resztę   -SH   z   kompleksu,   dlatego   podstawowym   kwasem   tłuszczowym   jest   kwas 
palmitynowy (C

16:0

). Oznacza to, że zarówno krótsze jak i dłuższe kwasy są generowane z kwasu palmitynowego, a 

po   wtóre   kwasy   nienasycone   generowane   są   z   kwasów   nasyconych   w   wyniku   akcji   katalitycznej   enzymów  
zwanych DESATURAZAMI
→   wielonienasycone   długołańcuchowe   kwasy   tłuszczowe   zaczynają   się   od   C

16:1

  a   kończą   na   C

24:5

;   są 

syntetyzowane w wyniku ciągu reakcji elongacyjnych i desaturacyjnych 
→ dla człowieka dobre są kwasy ω-3 – czyli jeśli wiązanie podwójne jest trzecie od węgla ω czyli ostatniego

KIEŁKOWANIE ZBÓŻ

–

przemysł wykorzystujący zjawisko kiełkowania: słodownictwo

–

przemysł, gdzie kiełkowanie jest wysoce niepożądane: piekarstwo 

–

uwaga natury lingwistycznej :) 
kiełkowanie = germination – kiełkowanie zarodka, sproutning, sprouting – porastanie w kłosach 
→ obniżenie wydajności zbioru 
→ spadek jakości mąki 

Enzymatyczny rozkład skrobi:
Akcja katalityczna:

•

α-amylaz (endoamylaza – hydroliza wiązań typu α-1,4 [nie hydrolizuje α-1,6])

•

β-amylaz roślinnych (egzoamylaza – rozpoczynają od końca nieredukującego i generują maltozę [wiązania 
α-1,4],   enzym   maltozogenny;   co   więcej   po   napotkaniu   rozgałęzienia   akcja   enzymu   się   zatrzymuje   – 
zostanie β-dekstryna graniczna)

•

glukoamylazy mikrobiologicznej (egzoamylaza, zaczyna od końca nieredukującego, trawi wiązania α-1,4 i 
α-1,6, jest to enzym glukogenny – tj. generuje się glukoza; taki enzym posiadają tylko mikroby)

na amylozę i amylopektynę.

Łańcuchy biopolimerów:
red----------------------------niered

→ cukry 

N------------------------------C

→ białka

5'------------------------------3' 

→ kwasy nukleinowe

! enzymy typu endo- → dzielą na pół (szybki spadek lepkości)
! enzymy typu egzo- → odszczepiają z końca (jedne wolą koniec red a inne niered) albo po kolei wiązania, albo co 
drugie wiązanie  (powolny spadek lepkości, szybki wzrost redukcyjności) 

W11, 13.05.2013

28

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

[cd. kiełkowania]

Biosynteza α-amylazy w ziarnach zbóż:

•

w zarodku produkowany jest hormon roślinny – kwas giberelinowy (GA3), który włącza syntezę de novo 
α- amylazy w warstwie aleuronowej

•

wzrost stężenia mRNA α-amylazy

•

inny hormon roślinny – kwas abscysynowy – występuje w warstwie aleuronowej i inhibituje translację 
α- amylazy

•

K

2

SO

4

: działa ochronnie na syntezę α-amylazy, chroni przed ABA

•

α-amylaza występuje w ziarniach pod postacią izoenzymów: α-AMYI i α-AMYII 

•

α-AMYI: jest silnie hamowana przez ABA

•

α-AMYII: biosynteza silnie stymulowana przez GA3

•

α-amylaza   wydzielana   jest   z   warstwy   aleuronowej   do   endospermy,   gdzie   zachodzi   hydroliza   skrobi, 
towarzyszy   temu   naruszenie   struktury   ziarna   skrobi   (ale   nie   likwidacja),   wzrost   stężenia   cukrów 
redukujących

Wpływ porastania ziarna na jakość mąki:

–

gorsze własności wypiekowe mąki: mniejsza zdolność wchłaniania wody

–

zbyt wysoka aktywność α-amylazy w mące jest niepożądana

–

istnieje pewne optimum aktywności 

–

klimat ciepły i wilgotny (podatność na porastanie, wysoka aktywność α-amylazy):
•

mniejsza zdolność wchłaniania wody

•

otwarta struktura miękiszu

•

mała siła miękiszu

•

intensywny kolor skórki

•

lepkie bochny

•

zamulanie maszyn formujących

–

klimat suchy (zbyt niska aktywność α-amylazy):
•

niska produkcja dekstryn

•

niska zdolność wytwarzania i retencji CO

2

•

mały wymiar bochna

•

niedobarwienie skórki 

Liczba opadania  –  wskaźnik aktywności α-amylazy w ziarnie lub mące [falling number] – odpowiada czasowi 
(w sec) potrzebnemu do opadnięcia mieszadełka w skleikowanej zawiesinie mąki lub śruty (7g + 25 ml wody)  
w probówce reakcyjnej aparatu Hagberga. Dla mąk o dużej aktywności α-amylazy l.o. jest niewielka: dla mąk  
żytnich <70 s, dla pszennych < 80s; dla mąk o niskiej aktywności α-amylazy odpowiednio 250 i 300 s. l.o. jest 
wykorzystywana do oceny jakości technologicznej ziarna, optymalna wynosi ok. 200 s. 

Endogenna α-amylaza ziaren:

•

możliwe korekty aktywności

•

jeżeli   zbyt   niska:   możliwość   suplementacji   mąki   grzybową   α-amylazy   z  Aspergillus   oryzae  (ale   nie 
bakteryjną!) → wynika z termostabilności α-amylazy, która jest zbliżona do endogennej (zaś bakteryjna 
jest dużo bardziej stabilna i wyjdą karmelki ;D)

•

jeżeli zbyt wysoka: dodatek inhibitorów, np. fosforan trójsodowy, kwas cytrynowy, kwas askorbinowy 

Mobilizacja białek w czasssie kiełkowania:

•

kiełkowanie ziarna pszenicy, jęczmienia, owsa, ryżu powoduje wzrost stężenia aminokwasów niezbędnych 
np. lizyny i tryptofanu

•

wzrost stężenia tych aminokwasów jest bezpośrednio związany z zawartością prolamin w ziarnie 

•

…

•

w   czasie   kiełkowania   ma   miejsce   mobilizacja   białek   zapasowych,   znacząca   proteoliza,   która   określa 
stopień podkiełkowania ziarna, oprócz aminokwasów wytwarzane są niskocząsteczkowe peptydy

•

aktywacja   enzymów   proteolitycznych,   głównie   egzopeptydaz   (karboksypeptydaz)   endospermy; 
endopeptydazy wykazują ograniczone aktywności 

•

wzrost aktywności lipazy, zwłaszcza lipazy triacyloglicerolowej EC. 3.1.1.30

29

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

najwyższą aktywność lipazy wykazuje ziarno jęczmienia (nie owsa!)

•

wzrost aktywności lipazy ma miejsce głównie w warstwie aleuronowej; w endospermie nie występuje. 

Problemy analizy aktywności lipazy:

–

nierozpuszczalność substratu w wodzie

–

odmienna kinetyka reakcji: stopień dyspersji a nie stężenie substratu decyduje o szybkości reakcji (lipaza 
łączy się z substratem na granicy faz)

–

rozwiązania:
✗

substraty syntetyczne rozpuszczalne w wodzie np. PNP-maślan

✗

stabilne emulsje oleju oliwkowego

✗

metody radiochemiczne, znaczone radiochemicznie reszty kwasów tłuszczowych w substratach 

PRZECHOWYWANIE ZIARNA

→ przemiany biochemiczne w składowanych ziarnach zbóż zależy głównie od intensywności transpiracji
→ intensywność transpiracji zależy od różnych czynników (temperatura, stężenie tlenu) lecz głównie od 

wilgotności ziarna

→ w ziarnie suchym transpiracja zanika
→ graniczna wartość wilgotności ziarna to 14%; powyżej tej wartości:

◦

transpiracja gwałtownie rośnie

◦

wzrost intensywności oddychania i ciepła wydzielanego przez ziarno

◦

wzrost podatności na rozwój pleśni, głównie Aspergillus i Penicillium

→ suche ziarno pobiera wilgoć z otoczenia aż do uzyskania stanu równowagi
→ zależność między  wilgotnością względną powietrza  i  zawartością  wilgoci  w  ziarnie  określa izoterma 

sorpcji 

→ po osiągnięciu 80% wilgotności względnej powietrza zawartość wilgoci w ziarnie rośnie wykładniczo z 

dalszym wzrostem wilgotności otoczenia 

→ 70% wilgotności względnej – wartość bezpieczna 
→ 75% – powyżej tej wartości stymulowany jest wzrost mikroorganizmów
→ w warunkach klimatu wilgotnego, deszczowej pogody w czasie zbioru, ziarno musi być suszone po zbiorze 

przed przechowywaniem

→ temperatura przechowywania: wartość krytyczna 16 ºC 
→ optymalne warunki przechowywania:

◦

w temperaturze 4,5 ºC przy wilgotności ziarna 13%, ziarno może być przechowywane przez długi czas 
(np. 16 lat) bez strat wartości odżywczej (witamina B1) i zmian jakości wypiekowej mąki 

MLEKO

Mleko – (wg United States Public Health Service)  wolna od colostrum (siary) wydzielina gruczołów mlecznych 
jednej lub więcej zdrowych krów zawierająca nie mniej niż 8,25% suchej wartości substancji beztłuszczowej i nie  
mniej niż 3,25% tłuszczu mlecznego. 

Mleko – skład chemiczny (%)

•

woda 86-88 88

•

tłuszcz

•

białko

•

laktoza 

•

związki mineralne

•

sucha substancja

Sucha masa beztłuszczowa:
białko

30

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Kuźwa!

Czynniki wpływające na skład chemiczny mleka:

 

 

•

rasa bydła

•

pora roku

•

stadium laktacji

•

żywienie

•

wiek (bydła)

•

częstotliwość udoju

Tłuszcz mleka :

•

kuleczki tłuszczu o średnicy 0,1-20 μm otoczone międzyfazową warstwą membrany globuli tłuszczowej, 
milk fat globule membrane (MFGM)

•

kuleczki lub kropelki tłuszczu tworzą w mleku suspensję

•

mają niską gęstość dlatego powoli wypływają na powierzchnię tworząc warstwę śmietany

•

aby   przyspieszyć   proces   flotacji   tłuszczu   stosuje   się   wirówki,   które   oddzielają   fazę   śmietany   – 
otrzymujemy mleko odłuszczone

•

w procesie homogenizacji kulki tłuszczu zostają zmniejszone i pozostają w stanie suspensji 

•

w procesie zmaślania kulki tłuszczu łączą się ze sobą tworząc masło

MFGM – skład:

•

triacyloglicerole

•

diacyloglicerole

•

monoglicerole

•

fosfolipidy

•

ślady estrów cholesterolu

•

pod   powierzchnią   membrany  znajduje   się   białko   enzymu   oksydazy  ksantynowej,   zaś   na   powierzchni 
zewnętrznej – 5'-nukleozydaza

Biosynteza tłuszczów mleka

 

 :  

•

większość   kwasów   tłuszczowych   C16-C18   pochodzi   z   tłuszczów   diety   (żywienie)   czerpanych 
z krwioobiegu, kwasy C4-C14 są syntetyzowane de novo w gruczole mlecznym

•

kwasy tłuszczowe diety są transportowane z jelita cienkiego do gruczołu mlecznego i innych tkanek przez  
chylomikrony

•

chylomikrony to wysokocząsteczkowe lipoproteiny, są tworzone w jelitowych komórkach kosmkowych 
z lipidów   zaabsorbowanych   w   jelicie   i   transportowane   przez   limfę   naczyniami   limfatycznymi   do 
limfatycznego przewodu piersiowego

•

chylomikrony to sferyczne cząsteczki składające się z jądra triacyloglicerolowego zawierającego ślady 
estrów cholesterolu; otoczone są pojedynczą warstwą filmu 25-30 A fosfolipidowo-białkowego

•

główne  kwasy tłuszczowe cyrkulujące w organizmie i  wykorzystywane do syntezy triacylogliceroli  w 
gruczole mlecznym to: C16:0, C18:0, C18:1

•

w   warunkach   normalnego   żywienia   frakcja   kwasów   tłuszczowych   równoważna   ilości   kwasów 
tłuszczowych  uwolnionych do krwi przez  hydrolizę  chylomikronów triacylogliceroli jest  pobierana  do 
syntezy tłuszczu mleka 

•

u zwierząt synteza kwasów tłuszczowych wymaga NADPH i tworzy głównie C16:0

•

terminacja   syntezy:   akcja   deacylazy  lub  tioesterazy,   która   hydrolizuje   wiązanie   tioestrowe   w   acylo-4-
fosfopantotenalu

•

inhibicja tioesterazy powoduje elongację łańcucha C16 do C22 jednak z małą wydajnością

•

enzymy wydłużające vs. enzymy terminujące 

•

aktywność desaturazy w tkance gruczołu mlecznego daje nienasycone kwasy tłuszczowe 

•

karmienie   bydła   olejem   słonecznikowym   pod   postacią   cząstek   oleju   otoczonym   powłoką   kazeinową 
wzmocnioną formaldehydem zapobiegało rozkładowi tłuszczu w żwaczu i powodowało wzrost zawartości 
kwasów C18:2 (linolowy) w plazmie krwi; obserwowano wzrost stężenia C18:2 w gruczole mlecznym

Białka mleka:

31

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

–

kazeiny (αs1-, αs2-, β-, kappa-)

–

białka serwatkowe (β-laktoglobuliny, α-laktoglobuliny)

–

inne białka (albuminy serum krwi, immunoglobuliny, lektoferyna)

W12, 20.05.2013

Kazeiny

 

 :  

•

fosfoproteiny precypitujące z mleka surowego po zakwaszeniu do pH 46 w 20 ºC

•

tworzą micele odpowiedzialne za opalizującą barwę mleka

•

d 

•

frakcje kazeiny wrażliwe na Ca

2+

: αs-1, αs-2 i β

•

frakcja kazein niewrażliwa na Ca

2+

: κ

•

κ-kazeina:
•

stabilizuje frakcję αs-1 kazeiny zapobiegające jej precypitacji pod wpływem Ca2+

•

stabilizuje micele kazeinowe oraz ogranicza ich rozmiar

•

169 aminokwasów, 12% to prolina, tylko jedna reszta fosfoseryny

•

rozpuszczalna przy dużych steżeniach Ca2+ (wszystkie inne precypitują)

•

jest specyficznie hydrolizowana przez reninę; renina hydrolizuje κ-kazeinę uwalniając makropeptyd z 
C-końcowego obszaru, który jest bogaty w reszty cukrowe

•

wiązanie hydrolizowane: Fen(105)-Met(106)

•

reakcja ta destabilizuje micele kazeinowe 

•

αs-1-kazeina:
•

zawiera fosfoproteiny precypitujące przy niskim stężeniu Ca2+

•

199 aminokwasów, 8 reszt fosfoseryny

•

αs-2-kazeina 
•

207 aa, 13 reszt

•

β-kazeina:
•

rozpuszczalność białka w obecności Ca2+ zależy od temperatury

•

γ-kazeina:
•

C-końcowa część kazeiny β 

Micele kazeinowe:

–

cząsteczki koloidalne o średniej średnicy 100 nm

–

składają się z białka (94%) oraz „koloidalnego fosforanu wapnia – CCP”

–

w skład CCP wchodzą jony Ca

2+

, Mg

2+

, PO

4

-

, cytrynian 

–

submicelowy model miceli kazeinowej:
–

micela kazeinowa składa się z kulistych cząstek (submiceli) o średnicy 10-15 nm

–

główne komponenty: α- i β-kazeiny zachowują się jak komponenty hydrofobowe (pozostają w głębi 
miceli) natomiast κ-kazeiny w części zewnętrznej

–

jony Ca

2+

, Mg

2+

, PO

4

-

, cytrynianowy tworzą mostki solne i stabilizują micele 

–

α + Ca

2+

 → ppt

β + Ca

2+

 → 

κ + Ca

2+

 → bez ppt

α + β + κ + Ca

2+

 → rozpuszczalny kompleks 

Biosynteza białek mleka

 

 :  

•

genetycznie   kontrolowana   wysoce   specyficznych   białek   w   gruczole   mlecznym   charakterystyczna   dla 
laktacji

•

biosynteza – proces typowy

•

wolne   aminokwasy   są   absorbowane   z   krwi   w   procesie   aktywnego   transportu   z   udziałem 
TRANSPEPTYDAZY GLUTAMYLOWEJ (EC. 2.3.2.2):
glutation + aminokwas → 5-glutamyloaminokwas + cysteinyloglicyna 

>> glutation – jest to bardzo silny przeciwutleniacz, pozyskiwany z prermeatu serwatki 

32

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Laktoza

–

β-(1→4)-galaktozyloglukopiranoza

–

syntetaza laktozy (EC. 2.4.1.77) – glukoza jest akceptorem reszty galaktozydowej

–

zawartość 5% w mleku krowim, 7,5% w mleku ludzkim

–

słodkość 1/6 sacharozy

–

nietoleracja laktozy (brak aktywnej β-galaktozydazy) 70% populacji z wyjątkiem Europy północnej

–

konieczna dojrzała mikroflora bakteryjna

Biosynteza laktozy

 

 :  

•

UTP + glukuzo-1-P → UDP-Glu + PPi

UDPG-pirofosforylaza

•

UDP-Glu → UDP-Gal 

UDPG-galaktozo-4-epimeraza 

•

UDP-Gal + glukoza → laktoza + UDP

syntaza laktozy (glukozylotransferaza) 

Enzymy mleka

 

 :  

Enzym

Substrat

Ph

Temperatura 

optymalna

inaktywacji

lipaza

glicerydy

5,5-8,5

38-40

80 – natychmiast

fosfataza 

estry fosf.

6,0-10,0

38

72 x 16 sec

amylaza

skrobia

5,8-6,2

35-45

65 x 30 min

laktaza 

laktoza

5,0-7,5

40

proteaza

białka 

6,4-7,2

37-42

80

oksydaza 
ksantanowa

ksantyna

6,2

80 x 10 sec

peroksydaza 

h2o2 

4,2-8,0

50

85 – natychmiast

katalalza

6,0-9,0

38

63 x 30 min

Główne produkty:

•

mleko: 
•

pełne (3,2%), 2%, 1,5%

•

odtłuszczone (0,5%, 0,0%)

•

smakowe, np. czekoladowe

•

napoje mleczne fermentowane:
•

jogurt

•

kefir

•

kwaśne mleko

•

śmietana, śmietanka od 36 do 11%

•

masło

•

mleko zagęszczone

•

mleko w proszku

•

sery

•

lody 

Produkty uboczne:

•

maślanka

•

serwatka (permeat serwatki – po zagęszczeniu/wysuszeniu/ultrafiltracji)

Podstawowe etapy produkcji:

1. standaryzacja – regulacja zawartości tłuszczu
2. klaryfikacja – usuwanie ciał obcych

33

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

3. pasteryzacja – termiczne niszczenie bakterii 
4. homogenizacja – niszczenie struktur MFGM tak by tłuszcz nie zbierał się na powierzchni
5. inne specyficzne zabiegi 

Produkcja mleka

 

 :  

klaryfikacja

↓

pasteryzacja 

↓

standaryzacja

↓

homogenizacja

↓

pakowanie

↓

rynek

Klaryfikacja:

–

na wirówkach

–

usuwanie osadów 

Pasteryzacja:

–

niszczenie mikroflory

–

Coxiella burnetii jest najbardziej oporna

–

stosuje się:
–

63 ºC, 30 min

–

72 ºC, 15 sec (HTST)

–

130/140 ºC, 5 sec (UHT)

Homogenizacja:

–

przetłaczanie mleka przez wąskie szczeliny homogenizatora

–

rozdrabnianie globuli tłuszczowych

–

rozjaśnienie barwy mleka 

SER  – produkt otrzymany ze skrzepu mleka krowiego lub innego zwierzęcia przez enzymatyczną (renina) lub 
kwasową (zwykle kwas mlekowy) koagulację kazein, poddany lub nie poddany procesom cieplnym, ciśnieniowym,  
soleniu i dojrzewający lub niedojrzewający z udziałem mikroorganizmów (fermentacja). 

Kryteria podziału serów:

1. konsystencja
2. stopień dojrzałości
3. metoda ścinania skrzepu
4. zawartość skrzepu
5. rodzaj mleka (krowie, owcze, kozie, wielbłądzie) 

Sery twarde:

–

silne zakwaszanie

–

wysoka temperatura obróbki skrzepu

–

Cheddar, Swiss, Romano

Sery miękkie:

–

zakwaszanie wolne, częściowe wymycie laktozy, niskie temperatury obróbki

–

Gouda, Camembert, Brick 

Sery świeże:

–

wolne zakwaszanie bakteryjne

34

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

–

Cottage (wiejski), Cream, Quark

Sery dojrzewające:

–

szeroki asortyment serów, zwłaszcza podpuszczkowych,

–

w tym sery pleśniowe

Sery twarogowe i podpuszczkowe:

–

różne metody koagulacji skrzepu kazeinowego

–

koagulacja kwasowa, w tym mikrobiologiczna – twaróg

–

koagulacja enzymatyczna – sery podpuszczkowe, tworzą para-kazeinian wapnia 

Ser – zawartość tłuszczu:

–

sery z mleka pełnego, np. Cheddar

–

sery z mleka odtłuszczonego, np. cottage (ew. dresing śmietaną)

–

sery z mleka mieszanego np. Swiss, Edam

Etapy produkcji

 

 :  

1. zakwaszanie

◦

kultury starterowe bakterii kwasu mlekowego (fermentacji mlekowej: laktoza → kwas mlekowy)

◦

Streptococcus sp. (Cheddar, Gouda, cottage)

◦

Lactobacillus acidofilus + Lactobacillus bulgaricus, Propionibacterium shermanii (Swiss, Grana)

◦

szczepy kultur starterowych:
▪

dobra zdolność kwasząca

▪

brak aktywnych fagów

▪

niska aktywność proteolityczna

◦

obniżenie pH stymuluje akcję reniny podczas produkcji serów podpuszczkowych

◦

obniżanie pH do wartości ok. 4,6 powoduje wypadanie kazeiny w punkcie izoelektrycznym; skrzep 
twarogowy ma strukturę granulatu i jest mało elastyczny 

2. koagulacja

▪ koagulacja enzymatyczna

 

 

▪ enzym EC 3.4.23.4 (proteinaza asparaginianowa)
▪ nazwa polska: podpuszczka
▪ nazwy   anglojęzyczne:   renina   –   obejmuje   każdą   aktywność   tego   typu;   chymozyna   –   renina 

pochodzenia zwierzęcego: różne

▪ ang. „rennet” – nieoczyszczony ekstrakt enzymów, głównie chymozyna
▪ w Portugalii – enzymy roślin owadożernych 
▪ wrażliwe na Ca2+ frakcje kazeiny (αs-1, αs-2, β) znajdują się we wnętrzu miceli i są chronione 

przed precypitacją przez niewrażliwą na wapń frakcję κ-kazeiny

▪ hydroliza uwalnia makropeptyd o silnym ładunku ujemnym
▪ destabilizacja miceli wynika z ponad 50% spadku ładunków ujemych na powierzchni  miceli, 

które...

▪ agregaty kazeinowe są stabilizowane przez wiązania jonowe i mostki solne z udziałem Ca2+
▪ κ- kazeiny + H2O → para-κ-kazeina + makropeptyd 
▪ para-κ-kazeinian + αs-1, αs-2, β + C2+ → parakazeinian wapnia
▪ optymalne pH reakcji: 5,8-6,5 (pI=4,8)
▪ 6% aktywności chymozyny jest zachowana w skrzepie i uczestniczy jako aktywność proteolityczna 

w procesie dojrzewania 

▪ chymozyna wykazuje aktywność hydrolityczną wobec wiązania Phe-Met w κ-kazeinie (uwalnianie 

makropeptydu) lecz także wobec wiązania Phe23-Phe24 we frakcji αs-1 kazeiny

▪ do czasu odsłonięcia tego wiązania, co związane jest z dość zaawansowaną proteolizą ogólną i 

zniszczeniem struktury micelarnej, κ-kazeina (para-kazeinian) chroni frakcję αs-1 przed atakiem 
chymozyny (reniny)

▪ reakcja ta ma istotne znaczenie w procesie dojrzewania sera gdzie wpływa zarówno na teksturę jak 

35

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

i na smakowitość sera 

▪ zwięzłość skrzepu wzrasta wraz z dodatkiem reniny w zakresie 5-30 mL/100 L mleka, potem bez 

znaczenia

▪ zwięzłość skrzepu wzrasta wraz z temperaturą do 40 ºC, potem spada
▪ obniżenie pH poprawia zwięzłość tylko do wartości 5,8
▪ dodatek CaCl poprawia zwięzłość
▪ długotrwałe   zimne   przetrzymywanie   mleka   wydłuża   okres   koagulacji   oraz   obniża   zwięzłość 

powstałego skrzepu

▪ w   następstwie   akcji   katalitycznej   chymozyny   na   cząsteczki   κ-kazeiny   następuje   agregacja 

zdestabilizowanych miceli kazeinowych i tworzenie koagulum sera

▪ akcja chymozyny ….

3. odwodnienie
4. dojrzewanie/pleśnienie/kształtowanie
5. solenie

W13, 27.05.2013

Koagulacja enzymatyczna cd.

•

zależność między stopniem konwersji κ-kazeiny a zmętnieniem konwersji κ-kazeiny (wykres)

•

???

Typy koagulantów:

–

renina cielęca lub jagnięca
a) ekstrakt z żołądków cieląt lub jagniąt („czwartych” żołądków)
b) zawiera enzymy proteolityczne: chymozyna (95%), pepsyna (5%)

–

substytuty reniny
a) zwierzęce 
b) roślinne
c) proteinaza grzybowa np. Mucor miehei
d) genetycznie modyfikowane organizmy – chymozyna rekombinowana 

Chymozyna rekombinowana:

•

enzym cielęcy jest produkowany przez genetycznie modyfikowane mikroorganizmy:
•

Escherichia coli (E. coli), Kluyveromyces lactis i Aspergillus niger

•

pierwszy GMO w żywności zatwierdzony przez FDA

•

stosowany powszechnie w Europie (90% w UK z E. coli) 

•

jest identyczna z chymozyną cielęcą: sekwencja aminokwasów, zasad w mRNA

•

nie zawiera komórek E. coli

•

ser nie jest produktem typu GMO bo enzym jest degradowany podczas dojrzewania sera

•

do produkcji nie jest wykorzystywany GMO lecz produkt GMO

ODWADNIANIE SERA:

•

cięcie skrzepu na kawałki (poziomo i pionowo – wywołuje synerezę)

•

ogrzewanie sera

•

prasowanie na specjalnych prasach „cheddarujących” umożliwia osiągnięci odpowiedniej kwasowości (pH 
5,4-5,5) i włóknistej struktury 

transformacja skrzepu (opcja)
→ ułatwia koalescencję  skrzepu,  co prowadzi  do wytworzenia unikalnej (charakterystycznej  dla  danego sera) 
tekstury, np. cheddarowanie serów Cheddar, rozciąganie serów Mozarella (zaparzanie w gorącej serwatce) 

Czynniki spływające na zwięzłość skrzepu:

•

skład mleka

•

zawartość wapnia

36

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

stężenie białka

•

pH

•

źródło reniny

•

termiczna obróbka mleka 

SOLENIE:

–

zanurzanie w roztworze solanki lub solenie powierzchniowe solą suchą

–

zawartość soli w różnych serach (%):
–

emmentaler

0,7

–

cheddar

1,7

–

gouda

2,5

–

blue

4

–

feta

5-6

–

dalsze odwadnianie i inhibicja wzrostu bakterii 

BIOCHEMIA DOJRZEWANIA SERÓW:

 

 

•

dojrzewanie serów ma na celu zmianę tekstury i smakowitości sera

•

podstawowe zmiany biochemiczne podczas dojrzewania:
•

fermentacja laktozy (kwas mlekowy + octowy, propionowy i CO2)

•

proteoliza wpływająca na teksturę i smakowitość

•

lipoliza zmieniająca smakowitość

Fermentacja:

–

prowadzona jest przez kultury starterowe

–

zakażanie   bakteriami   typu  E.   coli,  Aerobacter   aerogenes  powodują   wytwarzanie   kwasy   octowego, 
masłowego i CO

2

–

bakterie   niestarterowe:   bakterie   środowiska   stopniowo   opanowują   środowisko  (Lactobacillus, 
Enterococcus, Micrococcus, Pediococcus)

–

niektóre bakterie nie fermentują galaktozy

PROTEOLIZA:

–

przekształcanie para-kazeinianu wapnia głównie do podhydrolizowanych białek, peptonów, peptydów i 
aminokwasów oraz amoniaku zasadniczo przez reninę resztkową (10% aktywności)

–

ponieważ ser jest siecią białkową z zatrzymanymi cząstkami tłuszczu, zmiany w ilości i rodzaju białka 
mają decydujący wpływ na teksturę

–

zawartość wilgoci (stopień odwodnienia) decyduje o intensywności hydrolizy

–

źródła proteaz w serze:
–

enzymy natywne mleka (pepsyna, trypsyna – termolabilne, mało aktywne w warunkach produkcji; 
plamina – stabilna i aktywna)

–

bakterie (starterowe i niestarterowe)

–

pleśnie (gdy dodano)

–

renina resztkowa hydrolizuje głównie αs1- i β-kazeinę

–

frakcja αs1- kazeiny jest hydrolizowana szybciej,tworzy się αs1-I-kazeina

–

sól inhibuje hydrolizę β-kazeiny bardziej efektywne

–

degradacja   białek   związana   jest   także   z   aktywnością   proteolityczną   bakteryjnych   kultur   starterowych 
(egzo- i endopeptydazy)

–

proteoliza enzymatyczna dominuje przez 1 miesiąc, potem bakteryjna

Proteoliza a smakowitość sera:

•

związkami nadającymi smak i prekursorami związków zapachowych są aminokwasy

•

istnieje korelacja między azotem aminokwasowym (rozpuszczalnym w kwasie fosforowolframowym)  i 
smakowitością

•

zbyt   daleko   posunięta   hydroliza   (renina   mikrobiologiczna,   roślinna)   powoduje   generowanie   krótkich 
gorzkich peptydów z dużą zawartością hydrofobowych (leucyna, fenyloalanina)

37

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

sól częściowo maskuje gorzki smak 

Lipoliza

•

…

cośtam cośtam

Metabolizm kultury starterowej:

1. … 
2. … 
3. … 
4. …
5. Długotrwałe przechowywanie jogurtu daje nadmiar formy D
6. Kwas mlekowy to nie tylko smak, ale też i konserwant
7. Lactobacillus bulgaricus wytwarza aminokwasy konieczne do wzrostu Streptococcus thermophilus – efekt 

synergii

Lactobacillus bulgaricus:

–

homofermentacja

–

fermentuje glukozę i laktozę

–

wytwarza kwas mlekowy w stężeniach >1,5%

–

temperatura optymalna 42-45 ºC

–

syntetyzuje kwas foliowy, niacynę i niacyna, B6

Streptococcus thermophilus

–

homofermentacja

–

fermentuje glukozę i laktozę

–

wytwarza kwas mlekowy w stężeniu 1%

–

temperatura optymalna 42 – 48 ºC 

–

syntetyzuje B6 i B12

Synergizm:

•

Str. thermophilus produkuje kwas formowy, który faworyzuje wzrost Lb bulgaricus

•

Proteoliza przez Lb bulgaricus dostarcza aminokwaów dla wzrostu Str thermophilus 

TU CHYBA CZEGOŚ BRAKUJE!

W14, 03.06.2013

Reakcje Maillarda – etapy reakcji:

 

 

•

reakcja karbomylaminowa
•

kondensacja   grupy   α-aminowej   aminokwasów,   pepetydów,   amin   z   grupą   karbonylową   cukrów 
redukujących

•

reagują także grupy ε-aminowe lizyny peptydów i białek
D-glukoza → produkt kondensacji → zasada Schiffa → N-podstawiona glukozyloamina

•

przegrupowanie Amadori
•

poprzez cykl przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych tworzy się typowy związek Amadori

•

są to: alanino-fruktoza, leucyno-fruktoza, hydroksyprolina-fruktoza (coś-fruktoza)

•

nie mają wpływu na kolor, smak, ale obniżają wartość żywieniową (bo lizyna wchodzi w związek 
Amadori) 

•

tworzenie barwników (dwie drogi, zależne od pH)

*

Wpływ różnych czynników na reakcje Maillarda:

–

pH  (reakcja   karbonylaminowa   zachodzi   zarówno   w   środowisku   kwaśnym   jak   w   zasadowym   lecz 

38

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

środowisko zasadowe jest preferowane: reszty aminowe niezjonizowane, otwarty łańcuch heksoz;   wile 
badań wykazało wzrost intensywności reakcji Maillarda w miarę wzrostu pH; w układach sacharoza-białko 
niskie pH jest konieczne dla hydrolizy kwasowej)

–

temperatura (w zakresie 0 – 80 ºC prawo Arrheniusa – efekt temperaturowy zawsze w fukcji czasu, np. 
37ºC x 30 dni = 121ºC x 15 min; badania modelowe; glukoza/lizyna w 69ºC, zależność liniowa przez 2 
godziny, ekstrapolowano czas potrzebny do 90% redukcji lizyny...)

–

zawartość wilgoci (krzywa dzwonowa – najbardziej w aw=0,6-0,7) 

–

rodzaj   cukru  (pentozy  łatwiej   otwierają   łańcuch;   w   obrębie   heksoz   reaktywność:   D-galaktoza   >   D-
mannoza > D-glukoza 

–

obecność metali (miedź oraz żelazo katalizują, mangan inhibuje) 

* Tworzenie barwników:

I. Droga I (wyższe pH): enolizacja na pozycjach 2 i 3 B, utrata aminy przy C1
II. Droga II (niższe pH): tworzenie 1,2-eneaminolu, utrata hydroksylu C3, deaminacja przy C1, odwodnienie 

Alternatywne drogi tworzenia Amadori – przez związki C2:

–

odwrócona   reakcja   kondensacji   aldolowej   –   C2   ulegają   kondensacji,   tworząc   pierścienie,   które   mają 
charakter rodników i w wyniku reakcji łańcuchowej dają produkty odpowiedzialne za ciemnienie

Alternatywne drogi tworzenia Amadori – poprzez degradację Streckera:

–

reakcje z β-alaniną i donorem grupy karbonylowej, którym mogą być monocukrym ale też …

–

oksydacyjna   degradacja   aminokwasów   w   obecnośći   α-dikarbonyli,   np.   aldehyd   pirogrnowy 
(metyloglioksal)

–

aldehydy:  izomasłowy, izowalerianowy uczestniczą w tworzeniu związków heterocyklicznych: pirazyn, 
piroli, oksazoli, oksazolin, tiazoli, które są odpowiedzialne za smakowitość żywności 

Pirazyny:

•

silne związki samakowo-zapachowe izolowane z wołowiny, produktów z soi, kwasy, herbaty, ziemniaków

•

podstawowe   pirazyny   to   2,5-dimetylopirazyna,   trimetylopirazyna   (zapach   ziemi,   orzechów,   pieczeni, 
cynamonu, karmelu) 

•

tworzone są w wyniku reakcji związków α-dikarbonylowych z aminokwasami

•

źródło   azotu:   octan   amonu,   glicyna,   glutaminian   decyduje   o   ilości   i   rodzaju   pirazyn   tworzonych   w 
reakcjach brązowienia 

(s)Pirole:

•

pochodne furfuralu, bardzo silne związki zapachowe

Piroliny:

•

pochodne pirolu

•

związek zapachowy: zapach gotowanego ryżu 

•

np. 2-acetylo-1-pirolina 

Oksazole i oksazoliny:

•

związki zapachowe kawy, pieczonych ziemniaków, prażonych orzeszków, gotowanej wołowiny

Tiazole i tiazoliny:

•

tworzone z udziałem aminokwasów siarkowych

•

związki zapachowe kawy, prażonych orzeszków ziemnych, gotowanej wołowiny, chipsów ziemniaczanych

•

np. 2-acetylo-2-tiazolina 

Interakcje białko-lipidy

–

w wyniku reakcji utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych powstają m.in.:
–

aldehydy

–

ketokwasy

39

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

–

związki typu „epoksy”

–

związki te reagują z grupami aminowymi aminokwasów i białek

–

interakcja aldehydu malonowego z grupami ε-aminowymi lizyny 

–

reaktywność aminokwasów:
Met>Liz>Tyr>Arg

–

reakcje szczególnie intensywne przy braku protonacji reszt aminokwasowych (pH 8,5-9,0) 

Melanoidyny – polimery polimery tworzone w reakcjach Maillarda:

•

natura chemiczna melanoidyn (melanoidów) nie jest rozpoznana mimo wielu badań

•

podział na melanoidy dializowalne (Mw<16 kDa) i niedializowalne 

•

związki te ulegają sorpcji na silnych anionitach i mogą być potem wymyte kwasem 

Podstawowe rodzaje ciemnienia nieenzymatycznego:

–

reakcje Maillarda

–

reakcje karmelizacji

–

utlenianie kwasu askorbinowego

Reakcje karmelizacji

 

 :  

•

cukry ogrzewane powyżej temperatury topnienia brązowieją przy pH kwaśnym lub alkalicznym

•

karmelizacja różnych cukrów (sacharoza, glukoza, skrobia) daje podobne związki końcowe reakcji

•

wspólne ścieżki degradacji kwasowej i alkalicznej

•

zastosowanie: produkcja karmelu 

Środowisko kwasowe:

•

degradacja   kwasowa   cukrów:   Transformacja   Lobry   de   Bruyn   –   Alberda   van   Eckenstein's   (rodzaj 
izomeryzacji)

•

transformacja szczególnie silna przy pH 2,2-2,9

•

D-glukoza bardzo stabilna w tych warunkach: ogrzewając r-r glukozy przy pH 3-7 powstaje glukoza, 
natomiast ogrzewając r-r fruktozy w pH 3-7 powstaje glukoza 

•

dehydratacja 1,2-endiolu do 5-hydroksymetylo-2-furfuralu 

•

istotne związki tworzone: furfural, 2-hydroksyfurfural, izomaltol
Środowisko alkaliczne:

•

tworzenie kwasu metasacharynowego 

•

również Transformacja Albercika

•

w wysokich temperaturach reakcje cukrów są szybsze:
•

izomeryzacja

•

eliminacja wody; reagują wszystkie cukry, także nieredukujące

•

oksydacja

•

karamelizacja (dekompozycha termiczna) występuje:
•

w wysokich temperaturach (~150 ºC)

•

niska aktywność wody, wysokie stężenie cukru 

•

brak amin

•

tworzone są:
•

endiole

•

dikarbonyle

→ powstają z nich związki barwne i zapachowe karmelu 

•

tworzenie aromatycznych związków np. furanon izobenzenu i związki barwne np. alginetyna 

Utlenianie   kwasu   askorbinowego

 

   (kwas   askorbinowy   jest   także   utleniany   enzymatycznie:   oksydaza   kwasu

 

  

askorbinowego!):

•

kwas  askorbinowy  jest  odpowiedzialny za  brązowienie  soków  cytrusowych  i  koncentratów  z   cytryn  i 
grapefruitów

•

reakcje te silnie zależą od pH, proces ten jest odwrotnie proporcjonalny do pH w przedziale 2,0-3,5; sok  

40

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

pomarańczowy o pH 3,5 lub wyższym nie jest podatny 

•

w   warunkach  beztlenowych   brązowienie   zachodzi   znacznie   wolniej   (10%   szybkości);   odgazowywanie 
soków pod próżnią

•

brązowienie soków cytrusowych przebiega także klasyczną drogą Maillarda zwłaszcza przy pH <4,0

Aktywność antyoksydacyjna produktów ciemnienia nieenzymatycznego (MRP):

•

MRP zapobiegają jełczeniu tłuszczów

•

są bardziej aktywne w atmosferze beztlenowej

•

są mało stabilne po izolacji (MRP vs histydyna + glukoza)

•

utrata aktywności jest mniejsza przy pH niskim np. 2,0 niż przy alkalicznym (8-10)

•

wpływ stosunku molowego aminokwas/cukier na aktywność antyoksydacyjną

•

dializa powoduje utratę aktywności antyoksydacyjnej (niskocząsteczkowe związki Amadori są istotne)

•

zamiana sacharozy na glukozę oraz dodatek hydrolizatów białkowych podwyższały stabilność ciast na 
jełczenie

•

Arg + ksyloza → najlepsza aktywność antyoksydacyjna w badaniach modelowych

•

efekt antyoksydacyjny kwasu dehydroaskorbinowego + tryptofan porównywalny z BHA 

Reakcje Maillarda – skutki:

•

prowadzą do generowania przyjemnego zapachu i smaku

•

generują niekorzystne związki smakowo-zapachowych

•

zmniejszają stężenie niektórych egzogennych aminokwasów, np. lizyny

Podsumowanie:

•

pomiędzy cukrami redukującymi i resztami aminowymi

•

fruktoza mniej reaktywna od aldoz

•

ogrzewanie zwiększa szybkość:
•

brązowienie szybsze w żywności gotowanej

•

następuje powoli lecz istotnie w niższych temperaturach

•

reakcja jest najszybsza przy pH alkalicznym

Inhibicja:

1. metody fizyczne:

1. obniżanie temperatury
2. regulacja aktywności wodnej (poza optimum)
3. pakowanie w sztucznej atmosferze gazowej

2. metody chemiczne

1. SO

2

, siarczyny, sole wapnia (SO

2

/siarczyny reagują z glukozą dając hydroksysulfoniany, z których SO

2 

nie może być uwolniony; stąd SO

2

 „wolny”, „związany”, „ogólny”)

3. metody biologiczne:

1. metody fermentacyjne (fermentacja alkoholowa, drożdże)
2. metody enzymatyczne (oksydaza glukozowa – katalaza)

Zapobieganie:

•

usuń cukry redukujące lub białka

•

usuń prawie wszystką wodę

•

stosuj możliwie niskie pH

•

utrzymuj niskie temperatury

•

dodaj siarczynów (blokują reakcję dikarbonyli?)

CIEMNIENIE ENZYMATYCZNE:

•

występuje w owocach, warzywach (ziemniaki, grzyby kapeluszowe, jabłka, banany)

•

ekspozycja tkanki na działanie powietrza (obicie, cięcie, obieranie, uszkodzenie, choroba) 

41

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

•

związki fenolowe → brązowe melaniny

•

enzymy: monooksydaza fenolowa: tyrozynaza, oksydaza polifenolowa: lakkaza 

•

oksydazy polifenolowe są dwie: 
► oksydaza katecholowa (EC 1.10.3.1)

▪ w funkcji krezolazowej (fenol → orto-difenol) 
▪ w funkcji katecholazowej (o-difenol → o-chinony) 

► lakkaza (EC 1.10.3.2)

▪ utlenia p-difenol do p-chinonów (reakcja charakterystyczna)
▪ o-difenol → o-chinon 
▪ !szersza specyficzność substratowa
▪ nie utlenia tyrozyny 
▪ utlenia kwas askorbinowy

Oksydazy polifenolowe:

•

katalizują dwa typy reakcji:
•

hydroksylację monofenoli do o-difenoli (aktywność krezolazowa, np. tyrozynaza)
tyrozyna + enzym z miedzą Cu

+

 + O

2

 + 2e

-

 → 3,4-hydroksyfenyloalanina + enzym-Cu

2+

 + H

2

O

•

aktywność katecholazowa (np. katechol → o-benzochinon)
katechol + enzym-Cu

2+

 + O

2

 → o-benzohinon + enzym-Cu

2+

 + H

2

O

W15, 10.06.2013

Ciemnienie enzymatyczne cd.

•

oksydaza katecholowa jest ihibowana przez CO, utlenia tyrozynę

•

lakkaza nie jest inhibowana przez CO, utlenia p-difenole

•

są to oksydazy miedzioproteinowe pozamitochondrialne

•

aktywują tlen czterema elektronami

•

przenoszą elektrony z o- lub p-fenoli oraz endioli na tlen

•

produktem reakcji jest woda

•

etap przejściowy: tworzenie oksytyrozyny <??>

Biologiczne znaczenie oksydaz polifenolowych:

–

końcowa oksydaza w procesie oddychania (1955)

–

udział w biosyntezie lignin (1955)

–

w latach 70tych odkryto wyłączny udział peroksydazy w procesie polimeryzacji rozpuszczalnych fenoli do 
ligniny

–

występują wyłącznie w plastydach

–

związki fenolowe (substraty) zlokalizowane w wakuolach izolowanych od chloroplastów

–

w zdrowych, zielonych roślinach występują jako nieaktywny enzym związany z błoną tylakoidów

–

aktywowana w komórkach roślin starych, przejrzałych i uszkodzonych

–

jedna z teorii: w chloroplastach być może uczestniczą w pewnych fragmentach transportu tlenu: mediacja 
procesu fosforylacji fotosyntetycznej pseudocyklicznej 

–

PPO odgrywa rolę w oporności roślin na infekcję wirusowe, grzybicze czy bakteryjne → nierozpuszczalne 
polimery   działają   jako   bariera   przed   rozprzestrzenianiem   się   infekcji,   przyłączają   się   do   cząsteczek 
wirusów i enzymów

–

malenina i chinony inaktywują częściowo wirusa zarazy ziemniaczanej 

Związki fenolowe w żywności:

1. fenole proste

◦

np. tyrozyna, katechol, kwas galusowy

◦

jeden ring fenolowy

2. pochodne kwasu cynamonowego

42

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

◦

jeden ring fenolowy + stercząca reszta karboksylowa 

◦

kwas cynamonowy jest dość mocno reaktywny, dlatego mówimy raczej o jego pochodnych

◦

np.   kwas   chlorogenowy   (difenol   złożony   z   reszty   kwasu   chinonowego   i   kawowego),  
kwas p-kumarowy

3.

flawonoidy
◦

zawierają pierścień flawonu

◦

dzielą się na:
1. katechiny (w tym galokatechiny, tj. katechinowe eksty kwasy galusowego), np. epigalokatechinian 

galusanu [w zielonej herbacie]

2. leukoantocyjanidyny (taniny)
3. antocyjaniny 
4. flawonole, np. kwercetyna ☺, kempferol, myricetyna oraz rutyna (skórka jabłka i liścia herbaty) 

Specyficzność substratowa oksydaz :

•

o-dihydroksyfenole są utleniane szybciej niżmonofenole

•

rekacja utlenienia o-di do o...

•

….

szlag. 

Inhibitory:

–

analogi substratów (hamowanie kompetycyjne)
→ estry metylowe (np. gwajakol)
→ m-difenole (np. rezorcynol, floroglucynol)

–

związki chelatujące (inhibitory metaloenzymów)
→ EDTA, azydek sodu

–

inhibitory specyficzne
→ CO
→ cysteina, kwas askorbinowy (związki redukujące, które łączą się ze związkami pośrednimi)

Oksydazy polifenolowe w przetwórstwie żywności:

•

produkcja czarnej herbaty zależy od zmian oksydazyjnych w polifenolach liści herbaty

•

proces oksydacji jest konieczny do uzyskania:
▪ pełnego koloru
▪

redukcji gorzkiego smaku nieutlenionych tanin

•

główne frakcje polifenolowe liści herbaty:
▪ katechiny
▪ epikatechiny
▪ gallokatechiny
▪ epigalokatechiny
▪ epikatechinian galusanu
▪ epigalokatechinian galusanu – główny składnik

•

etapy produkcji herbaty:
▪ bielenie – „withering” – suszenie na słońcu
▪ zwijanie liści na zwijarkach powoduje uszkodzenie tkanek liści umożliwiając proces oksydacji
▪ fermentacja – przetrzymywanie fragmentów liści w temperaturze pokojowej przy wysokiej wilgotności 

i przy ciągłym napowietrzaniu

▪ „palenie” – suszenie w temperaturze 90-95 ºC do zawartości wilgoci 3-4%

epikatechinian galusanu →oksydacja→ o-chinony →oksydacja→ teaflawiny →oksydacja→ teorubiginy 

▪ zawartość tealfawin w herbacie koreluje z jakością napoju

•

produkcja herbaty zielonej
▪ jest to herbata niefermentowana

43

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

▪ cieplna inaktywacja oksydaz we wczesnych etapach produkcji

•

produkcja krewetek:
▪ w niektórych partiach krewetek spotyka się przebarwienia tkanki – ciemne punkty, tzw. melanoza → 

produkt nieatrakcyjny

▪ w   1988   r.   wyizolowano   oksydazę   polifenolową   z   krewetek   i   stwierdzono   jej   miedzioproteinowy 

charakter 

Metody inhibicji i kontroli ciemnienia enzymatycznego:

•

kategorie metod inhibicji PPO:
▪ eliminacja ważnych reagentów np. tlenu

▫ przed gotowaniem zanurzenie w wodzie (np. ziemniaki) 
▫ powierzchniowe traktowanie roztworem kwasu askorbinowego, który wiąże tlen (np. mrożone 

krojone brzoskwinie) 

▪ denaturacja białka enzymatycznego

▫ blanszowanie (inaktywacja enzymów engogennych tkanki)
▫ pasteryzacja HTST (high temperature short time); nie można zagotować powierzchniowo owoców
▫ efektywność zależy od pH, optymalna temperatura: morele 25 ºC, banany 37 ºC, jabłka 30 ºC, 

winogrona 30 ºC, ziemniaki 25-30 ºC

▪ interakcja z grupą prostetyczną miedzi

▫ kwasowa kontrola ciemnienia enzymatycznego:

•

kwas askorbinowy:
→ obniża pH (do ok. 3)
→

łączy się z miedzią w centrum aktywnym enzymu

→ „zwraca” reakcję
→ dodatkowo   zużycie   tlenu   rozpuszczonego   w   soku,   jest   witaminą,   dawka   zazwyczaj 

300 mg/lb

•

kwaśny pirosiarczan sodowy:
→ jest inhibitorem ciemnienia enzymatycznego, który zapobiega wtórnemu ciemnieniu, np. 

ziemniaków

→ zazwyczaj stosowany łącznie z kwasem cytrynowym (ziemniaki, jabłka, brzoskwinie)
→ zalety: można go stosować, gdy metody cieplne dają niepożądane zmiany, ma właściwości 

aseptyczne, tani i łatwy w użyciu, modyfikuje białko PPO

→ wady:   nieprzyjemny   zapach,   przyspiesza   korozję   opakowań,   toksyczny   w   wyższych 

stężeniach,   destrukcyjnie   działa   na   tiaminę   (B1),   zakazany   do   konserwacji   świeżych 
owoców i warzyw w USA, efekt inhibicji zależy od pH

•

kwas cynamonowy działa podobnie

▪ interakcja z substratem fenolowym lub chinonami
▪ inhibitory kiełkowania np. izopropylo-N-3(chlorofenylokarbaminian) - CIPC, inhibuje PPO

44

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Spis treści

BIOCHEMIA TKANKI MIĘŚNIOWEJ.....................................................................................................................1

Mięso.....................................................................................................................................................................1
Mięśnie..................................................................................................................................................................1

Dwa typy włókien mięśniowych.......................................................................................................................2
Gruby filament miozynowy..............................................................................................................................3
Cienki filament aktynowy:................................................................................................................................4
Etapy skurczu mięśnia......................................................................................................................................4
Przemiany ATP.................................................................................................................................................4
Źródła ATP.......................................................................................................................................................5

RIGOR MORTIS...................................................................................................................................................5

Glikoliza pośmiertna.........................................................................................................................................6
Mechanizm dojrzewania mięsa.........................................................................................................................8

Cytoszkielet mięśniowy.........................................................................................................................................9

BARWNIKI MIĘSA.................................................................................................................................................10

Mioglobina..........................................................................................................................................................10

PRZEMIANY BIOCHEMICZNE W OWOCACH I WARZYWACH......................................................................12

Skład chemiczny warzyw....................................................................................................................................12
Skład chemiczny owoców....................................................................................................................................12
Oddychanie owoców i warzyw............................................................................................................................13
Inicjacja dojrzewania...........................................................................................................................................14
Czynniki towarzyszące wzmożonej aktywności oddechowej..............................................................................14

Cykl metioninowy..........................................................................................................................................14

ZMIANA BARWY DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW...........................................................................................15

Związki barwne w żywności (owocach)..............................................................................................................15
Zmiany barwy......................................................................................................................................................16
Chlorofil..............................................................................................................................................................16
Karotenoidy.........................................................................................................................................................17
Antocyjaniny.......................................................................................................................................................18
Witamina C..........................................................................................................................................................19

ZMIANY SMAKOWITOŚCI DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW I WARZYW.....................................................20

Zapach.................................................................................................................................................................21
Smak....................................................................................................................................................................21

PRZECHOWYWANIE OWOCÓW I WARZYW....................................................................................................22
ZMIANY TEKSTURY DOJRZEWAJĄCYCH OWOCÓW I WARZYW................................................................22

Tekstura...............................................................................................................................................................22
Składniki ściany komórkowej..............................................................................................................................23
Biosynteza ściany komórkowej...........................................................................................................................24
Degradacja ściany komórkowej...........................................................................................................................24

ZBOŻA.....................................................................................................................................................................25

Struktura ziarna zbożowego.................................................................................................................................25
Struktura ziarna zbożowego.................................................................................................................................25
Skrobia.................................................................................................................................................................25

Skład chemiczny skrobi..................................................................................................................................25
Biosynteza skrobi...........................................................................................................................................26

Białka...................................................................................................................................................................26
Tłuszcze zbożowe................................................................................................................................................27
Kiełkowanie zbóż................................................................................................................................................28
Przechowywanie ziarna.......................................................................................................................................30

MLEKO....................................................................................................................................................................30

Mleko – skład chemiczny....................................................................................................................................30
Czynniki wpływające na skład chemiczny mleka................................................................................................31
Tłuszcz mleka......................................................................................................................................................31

Biosynteza tłuszczów mleka...........................................................................................................................31

Białka mleka........................................................................................................................................................31

Kazeiny...........................................................................................................................................................32

45

BIOCHEMIA ŻYWNOŚCI - wykłady

Biosynteza białek mleka......................................................................................................................................32
Laktoza................................................................................................................................................................33

Biosynteza laktozy..........................................................................................................................................33

Enzymy mleka.....................................................................................................................................................33
Produkcja mleka..................................................................................................................................................34

SER...........................................................................................................................................................................34

Etapy produkcji....................................................................................................................................................35
Biochemia dojrzewania serów.............................................................................................................................37

Reakcje Maillarda.....................................................................................................................................................38
Podstawowe rodzaje ciemnienia nieenzymatycznego...............................................................................................40

Reakcje karmelizacji............................................................................................................................................40
Utlenianie kwasu askorbinowego........................................................................................................................40

CIEMNIENIE ENZYMATYCZNE..........................................................................................................................41

46