Владельцы патента RU 2281656:
Изобретение относится к биотехнологии. Биомассу личинок насекомых измельчают. Экстракцию белка из биомассы проводят 0,01-0,5%-раствором щелочи, при соотношении 1:3-1:11, температуре 20-100°С и постоянном перемешивании в течение 10-60 мин. Экстракт отделяют от нерастворимых частиц суспензии. Белок выделяют, подкисляя экстракт кислотой. Осевший белок отделяют. Белковый препарат отличается большим содержанием высокоценного белка. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к биотехнологии, касается получения белка из биомассы насекомых мухи и может быть использовано в пищевой и комбикормовой промышленности.
Известен способ получения белковой пищевой добавки из животного сырья (измельченных замороженных органов и тканей млекопитающих), экстрагированием в щелочном растворе, удалением балластных веществ, подкислением экстракта, промывкой осадка и высушиванием (1).
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает получения высокобелкового продукта, содержание протеина в сухом продукте не более 26%.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к достигаемому результату является способ получения белкового препарата из растительного сырья (2-прототип), включающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка путем подкисления и центрифугирования.
Недостатками этого способа являются:
Невысокое содержание белка в исходном сырье, в отрубях содержится 16,8-17,0% белка;
Присутствие в отрубях полиуглеводов требует их предварительного осаждения подкислением экстракта с последующим отделением осадка, что влечет потерю части белковых компонентов;
Лимитированность растительного белка рядом незаменимых аминокислот;
Продолжительность и низкая эффективность процесса получения белка;
Сезонность поступления растительного сырья.
Известно, что белковые препараты, полученные из растительного сырья, содержат ряд антипитательных соединений (тиогликозиды, сапонины, танины и др.).
Сущностью изобретения является способ получения белка, на основе нового типа высокобелкового сырья - личинок насекомых и совокупности приемов извлечения белка, увеличение качества, выхода и удешевление целевого продукта.
Технический результат изобретения - предложено новое высокобелковое сырье, использование которого позволяет достичь сверх суммарного результата по содержанию белка и аминокислот в целевом препарате пищевого и кормового назначения. Достигнута рациональная переработка вторичного продукта утилизации отходов пищевых производств и сельского хозяйства - личинок насекомых, а также сточных вод молочного производства - молочной сыворотки.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, предусматривающем экстракцию растительного сырья, отделение экстракта и осаждение из него белка соляной кислотой, согласно изобретению в качестве исходного сырья используют биомассу личинок насекомых, экстракцию белка из гомогенизированной биомассы проводят 0,01-0,5% - раствором щелочи, при соотношении 1:3-1:11, температуре 20°С-100°С и постоянном перемешивании в течение 10-60 мин. Экстракт отделяют от нерастворимых частиц суспензии. Белок выделяют добавлением раствора кислоты или использованием в качестве осаждающего агента 8-10% молочной сыворотки с кислотностью 200-300°Т до достижения рН 4,0-6,0, осевший белок отделяют и высушивают.
Биомасса личинок насекомых отличается тем, что при экстракции белка на воздухе при комнатной температуре биомасса быстро темнеет, белок приобретает темный цвет. Отличительной особенностью нового способа являются условия экстракции белка из сырья, а именно проведение процесса извлечения белка при повышенной температуре до 100°С. Предлагаемый температурный режим повышает органолептические характеристики конечного продукта и степень экстракции белковых компонентов.
Оптимальная совокупность предлагаемых физических и химических методов получения белка из биомассы насекомых позволяет достичь максимального, по степени извлечения, содержанию и качеству белка результата.
В сухом белковом препарате, полученном по предлагаемому способу, содержится 78-96% протеина.
В таблице 1 приведены данные, характеризующие достижение поставленной цели по предлагаемому способу в сравнении с прототипом.
Предложенный способ за счет использования в качестве сырья для получения протеина личинок различных насекомых дает сверхсуммарный результат по содержанию незаменимых аминокислот в белковом концентрате и выходу протеина. Способ позволяет расширить сырьевую базу, рационально использовать дешевый вторичный продукт переработки производственных стоков и отходов - личинки насекомых, удешевить белок, рационально использовать стоки молочного производства, утилизировать молочную сыворотку.
Выход белка зависит от его общего содержания в сырье. Использование в качестве сырья личинок насекомых позволяет достичь более высоких значений параметров технологического процесса, так как их биомасса содержит более 58% белка. Из биомассы личинок извлекается до 62,0% протеина.
Повышение качества белкового концентрата достигается за счет использования высокобелкового сырья - личинок насекомых, увеличения содержания в концентрате протеина и незаменимых аминокислот (табл.2).
Результаты исследований свидетельствуют, что заявляемый способ позволяет получить белок улучшенного состава. Использование в качестве сырья для получения белка, дешевого вторичного продукта, высвобождающегося в процессе переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов и стоков, снижает стоимость целевого продукта, т.е. обеспечивает решение поставленной задачи.
Пример 1. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 3 л 0,01% раствора NaOH при t 20°C при постоянном перемешивании в течение 110 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,0, центрифугировали при 2000 об/мин в течение 5 мин.
Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 78%, сумма незаменимых аминокислот белка 49,5%.
Пример 2. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 60°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид серого, рассыпчатого порошка, содержит 86% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,0%.
Пример 3. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок комнатной мухи Musca domestica экстрагировали в 11 л 0,5% раствора NaOH при температуре 100°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.
Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 89% протеина, сумма незаменимых аминокислот 50,2%.
Пример 4. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок термитов Cryptotermes domesticus экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 50 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли введением 10% молочной сыворотки кислотностью 200°Т до рН 5,0, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.
Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,4%.
Пример 5. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок мучного червя Tenebrio molitor экстрагировали в 9 л 0,4% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.
Пример 6. 1 кг измельченной в блендере биомассы личинок саранчи Locusta migratoria экстрагировали в 9 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 60 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.
Пример 7. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок зеленых мясных мух Lucilia sericata экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин.
Белковый препарат имеет вид белого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.
Пример 8. 1 кг измельченной в блендере, обезжиренной биомассы личинок синей мясной мухи Calliphora vicina экстрагировали в 8 л 0,5% раствора NaOH при температуре 95°С при постоянном перемешивании в течение 30 мин. Суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Полученный экстракт подкисляли 5%-ным раствором HCl до рН 4,5, центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Белковый препарат имеет вид темно-серого, рассыпчатого порошка, содержит 96% протеина, сумма незаменимых аминокислот белка 50,5%.
Литература
1. Патент РФ, №2075944, С1, А 23 J 1/2, БИ №9, 27.03.97.
2. AC СССР, №1177966, А 23 J 1/12. Способ получения белка из отрубей. БИ №29, 07.08.86.
| Таблица 2 Аминокислотный состав белка, полученного на основе личинок комнатной мухи |
||||
| Аминокислота | Содержание, % к сумме аминокислот | |||
| Предлагаемый способ | Известный способ (прототип) | Эталон ФАО | ||
| 9 | 1 | |||
| Аспарагиновая | 7,93 | 8,82 | 5,7 | |
| Треонин | 4,26 | 5,13 | 4,2 | 2,8 |
| Серии | 3,55 | 3,43 | 6,5 | |
| Глутаминовая | 12,25 | 12,66 | 26,0 | |
| Пролин | 9,03 | 11,43 | 6,3 | |
| Глицин | 3,64 | 4,75 | 3,1 | |
| Аланин | 4,28 | 4,43 | 3,4 | |
| Цистеин | x | x | 0,57 | 2,0 |
| Валин | 6,43 | 6,41 | 3,17 | 4,2 |
| Метионин | 4,26 | 3,92 | 0,83 | 2,2 |
| Изолейцин | 4,64 | 4,79 | 3,0 | 4,2 |
| Лейцин | 5,79 | 5.69 | 8,18 | 4,8 |
| Тирозин | 9,99 | 7,47 | 1,9 | 2,8 |
| Фенилаланин | 8,94 | 8,15 | 5,7 | 2,8 |
| Лизин | 6,18 | 5,01 | 6,4 | 4,2 |
| Гистидин | 5,86 | 4,27 | 4,5 | |
| Аргинин | 2,98 | 3,66 | 6,7 | |
| Триптофан | x | x | 3,09 | 1,4 |
| Сумма незаменимых аминокислот: | ||||
| 50,49 | 46,57 | 37,04 | 31,4 | |
| Примечание: х - (цистеин и триптофан) не определяли Препараты получены: 1 - гидролизом биомассы опарышей, 9 - щелочной экстракцией из биомассы опарышей. |
1. Способ получения белка, предусматривающий экстракцию сырья, отделение экстракта и выделение из него белка, отличающийся тем, что в качестве источника сырья используют измельченную биомассу личинок насекомых, экстракцию белка проводят 0,01-0,5%-ным раствором щелочи при соотношении биомассы и экстрагента 1:3-1:11, температуре 20-100°С и постоянном перемешивании 10-60 мин, удаляют нерастворившиеся частицы, осаждают белок из экстракта добавлением осаждающего агента.
Получение дрожжевого белка
С технологической точки зрения наилучшими продуцентами кормового и пищевого белка являются дроожжи. Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности»: дрожжи легко выращивать в условиях производства. Клетки дрожжей крупнее, чем бактерий, и легче отделяются от жидкости при центрифугировании. Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25 % сухих веществ. Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы – белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот. По содержанию витаминов дрожжи превосходят все белковые корма, в том числе и рыбную муку. Кроме того, дрожжевые клетки содержат микроэлементы и значительное количество жира, в котором преобладают ненасыщенные жирные кислоты. При скармливании кормовых дрожжей коровам повышаются удои и содержание жира в молоке, а у пушных зверей улучшается качество меха.
Культивирование дрожжевой биомассы на углеводном сырье. Исторически одним из первых субстратов, используемых для получения кормовой биомассы, были гидролизаты растительных отходов, предгидрализаты и сульфитный щелок – отходы целлюлозно-бумажной промышленности.
В связи с тем, что гидролизаты представляют собой сложный субстрат, состоящий из смеси гексоз и пентоз, среди промышленных штаммов-продуцентов получили распространение виды дрожжей C. utilis, C. scottii и C. tropicalis , способные наряду с гексозами усваивать пентозы, а также переносить наличие фурфурола в среде.В гидролизатах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве практически все необходимые для роста дрожжей микроэлементы. Недостающие количества азота, фосфора и калия вводятся в виде общего раствора солей аммофоса, хлорида калия и сульфата аммония.Процесс культивирования дрожжей осуществляется в непрерывном режиме при рН 4,2 – 4,6. Оптимальная температура от 30 до 40 о С.Кормовые дрожжи, полученные при культивировании на гидролизатах растительного сырья и сульфитных щелоках, имеют следующий состав (%): белок 43 – 58; липиды 2,3 – 3,0; углеводы 11 – 23; зола – до 11.Культивирование дрожжевой биомассы на низших спиртах. Культивирование на метаноле. Основное преимущество этого субстрата – высокая чистота и отсутствие канцерогенных примесей, хорошая растворимость в воде, высокая летучесть позволяющая легко удалять его остатки из готового продукта. Биомасса, полученная на метаноле, не содержит нежелательных примесей, что дает возможность исключить из технологической схемы стадии очистки. Однако, необходимо учитывать при проведении процесса и такие особенности метанола, как горючесть и возможность образования взрывоопасных смесей с воздухом.В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктивном обмене, были изучены как дрожжевые, так и бактериальные штаммы. У дрожжей были рекомендованы в производство Candid boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris , оптимальные условия для которых (Т 34 – 37 о C, рН 4,2 – 4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скорости протока в интервале 0,12 – 0,16 ч. На стадии выделения для всех видов продуцентов предусмотрено отделение грануляции с целью получения готового продукта в гранулах.Культивирование на этаноле. Кроме метанола, в качестве высококачественного сырья используют этанол, который имеет малую токсичность, хорошую растворимость в воде, небольшое количество примесей.В качестве микроорганизмов – продуцентов белка на этиловом спирте как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala .Кормовые дрожжи, полученные на спиртах, имеют следующий процентный состав: сырой протеин 56 – 62; липиды 5 – 6; зола 7 – 11.
Культивирование дрожжевой биомассы на углеводородном сырье. Дрожжевые клетки в качестве источника углерода для роста способны использовать неразветвленные углеводороды с числом от 10 до 30 углеродных атомов в молекуле. В основном они представлены жидкими фракциями углеводородов нефти с температурой кипения 200 – 320 °С (нормальные парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты и отходы промышленных предприятий).
При выращивании дрожжей на парафинах нефти в приготовленную из них питательную среду добавляют макро- и микроэлементы, необходимые витамины и аминокислоты. Выход биомассы может достигать при их использовании до 100 % от массы субстрата. Качество продукта зависит от степени чистоты парафинов. Дрожжи, выращенные на недостаточно очищенных парафинах, содержат неметаболизированные компоненты. При использовании парафинов достаточной степени очистки, полученная дрожжевая масса может успешно применяться в качестве дополнительного источника белка в рационах животных.
Высушенная дрожжевая масса гранулируется и используется как белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий до 50 – 60 % белковых веществ, для кормления сельскохозяйственных животных.
Оптимальная норма добавления дрожжевой массы в корм сельскохозяйственных животных обычно составляет не более 5 -10 % от сухого вещества.
Наряду с технологией использования дрожжевых белков в качестве кормовой добавки в рационы сельскохозяйственных животных разработаны технологии получения из них пищевых белков. В некоторых странах пивные и пищевые дрожжи (Saccharomyces cerevisiae, Candida arborea, C. utilis) широко используют в качестве белковых добавок к различным пищевым продуктам. Так, разработана рецептура приготовления сосисок из мяса индейки с добавлением 25 % белка. В результате ферментации дрожжевыми клетками глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала, синтезирован белковый продукт мукопротеин, используемый при производстве колбас в качестве замены основного сырья (Великобритания).
Получение автолизата дрожжей. Ценные компоненты биомассы дрожжей – аминокислоты белков, витамины, и др. – могут бытьиспользованы для приготовления натуральных и полусинтетических сред, применяемых как в лабораториях, так и для нужд промышленного микробиологического синтеза. Однако большинство ценных компонентов клетки находится в виде различных белковых комплексов, поэтому добавление к среде нативных дрожжей не дает эффекта.
Гидролиз белков можно провести ферментативно или используя кислоты и щелочи. При щелочном гидролизе белков возможно разрушение некоторых аминокислот или их изомеризация в. D-формы, которые в биологических системах используются не полностью. Надо отметить, что в щелочной среде инактивируются некоторые витамины. При кислотном гидролизе белков разрушаются незаменимая аминокислота – триптофан и некоторые витамины группы В. Гидролиз белков можно осуществить, используя препараты протеолитических ферментов. Кроме того, в самих клетках дрожжей есть активные протеолитические ферменты, которые при определенных условиях в среде могут разрушать клеточные белки (автолиз).
Для приготовления дрожжевого автолизата сначала получают дрожжевую пасту влажностью 65 – 76 %. В реакторе из дрожжевой пасты и воды (50 °С) в соотношении 1:1 готовят суспензию, которую выдерживают 1 – 2 сут при температуре 45 °С. В это время идет автолиз клеток. Активировать процесс автолиза можно добавлением фосфатов или добавляя к суспензии дрожжей в воде 2,5 % хлорида натрия (на сухую массу дрожжей).
Полученную жидкую массу подкисляют, добавляя на каждые 100 л автолизата 0,25 л концентрированной серной кислоты, которую предварительно разбавляют в 4 раза. После этого автолизат кипятят 15 – 20 мин. После охлаждения он готов к употреблению.
После автолиза 10 – 12 % (по сухой массе) суспензии дрожжей в течение 24 ч при 45 °С в жидкой фракции автолизата содержится до 5 % сухих веществ. Из общего количества азота фильтрата 50% приходится на аминный азот аминокислот тирозина, триптофана, метионина, цистеина, аргинина, гистидина и др. Кроме того, в фильтрат переходят витамины группы В.
Выпаривая в вакууме и затем лиофилизируя или высушивая в распылительной сушилке жидкий дрожжевой автолизат, можно получить сухой препарат, который удобно хранить. Особо обработанный автолизат можно использовать в медицине при парентеральном питании как источник аминокислот и витаминов.
БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ
Белки играют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различных по строению и функциям белков. Белки - это биополимеры сложного строения, макромолекулы (протеины) которых, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей, построенных из остатков аминокислот (полипептидных цепей), в макромолекулу белка могут входить также остатки или молекулы других органических соединений. На одном кольце каждой пептидной цепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом - свободная или амидированная карбоксильная группа.
Конец цепи с аминогруппой называется М-концом, конец цепи с карбоксильной группой - С-концом пептидной цепи. Между СО-группой одной пептидной группировки и NH-группой другой пептидной группировки могут легко образовываться водородные связи.
Группы, входящие в состав радикала R аминокислот, могут вступать во взаимодействие друг с другом, с посторонними веществами и с соседними белковыми и иными молекулами, образуя сложные и разнообразные структуры.
В макромолекулу белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных друг с другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу (дисульфидные мостики, образуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.
Для построения пространственной структуры белка пептидные цепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, которая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородных связей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремясь к образованию максимального числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.
Впервые такая структура на основе рентгеноструктурного анализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти-кератина Полингом американским физиком и химиком... Ее назвали а-структурой или а-спиралью. На один виток спирали приходится по 3,6-3,7 остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра. Строение спирали стабилизируется внутримолекулярными водородными связями.
При растяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающую линейную.
Но образованию правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения, возникающие между группами аминокислот, или стерические препятствия, например, за счет образования пирролидиновых колец пролина и оксипролина, которые заставляют пептидную цепь резко изгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далее отдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая в некоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутую пространственную структуру.
Пространственная структура закреплена вследствие взаимодействия радикалов R и аминокислот с образованием дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяет химические и биологические свойства белков.
В зависимости от пространственной структуры все белки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).
Полипептидные цепи фибриллярных белков имеют форму спирали, которая закреплена расположенными вдоль цепи внутримолекулярными водородными связями. В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидные цепи расположены параллельно оси волокна, они как бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидные структуры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимы или совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворы высокой вязкости. К фибриллярным белкам относятся белки, входящие в состав тканей и покровных образований. Это миозин-белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основой седиментационных тканей и кожных покровов; кератин, входящий в состав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этому же классу белков относится белок натурального шелка - фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, затвердевающая на воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеет вытянутые полипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярными водородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическую прочность натурального шелка.
Пептидные цепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жестких шариков-глобул. Молекулы глобулярных белков обладают низкой степенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белки крови-гемоглобин, альбумин, глобулин и др.
Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промежуточной структурой.
Свойства белка могут сильно изменяться при замене одной аминокислоты другой. Это объясняется изменением конфигураций пептидных цепей и условий образования пространственной структуры белка, которая в конечном счете определяет его функции в организме.
СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Число аминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно: в инсулине 51, в миоглобине - около 140. Поэтому и относительная молекулярная масса белков колеблется в очень широких пределах - от 10 тысяч до многих миллионов На основе определения относительной молекулярной массы и элементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы - гемоглобина крови (C 738 H 1166 O 208 S 2 Fe) 4 Меньшая молекулярная масса может быть у простейших ферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная масса гормона инсулина около 6500, а белка вируса гриппа - 320 000 000. Вещества белковой природы (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшую молекулярную массу и меньшую степень пространственной организации макромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу между белками и полипептидами трудно. В большинстве случаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала, целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулы одинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, в составе которой входят макромолекулы с молекулярной массой 12 000- 70000.
Строением белков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разную растворимость: некоторые растворяются в воде, другие - в разбавленных растворах нейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости (например, белки покровных тканей). При растворении белков в воде образуется своеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярного вещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белок куриного яйца, гемоглобина крови).
Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварении белковые молекулы перевариваются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наибольшая часть аминокислот расходуется на синтез белков различных органов и тканей, часть-на синтез гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служат как энергетический материал. Т.е. белки выполняют каталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемоглобин, церулоплазмин и др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции
Белки - важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Совокупность непрерывно протекающих химищеский превращений белков занимает ведущее место в обмене веществ организмов. Скорость обновления белков у живых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологической ценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот
Белки растений беднее белков животного происхождения по содержанию незаменимых аминокислот, особенно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля по аминокислотному составу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корме незаменимых аминокислот приходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена. Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышение качества белкового состава зерна.
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.
При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.
Протеины.
Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови.
Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.
Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.
Склеропротеины - нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.
Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами).
Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин-белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.
БЕЛКИ - это азотсодержащие высокомолекулярные органические вещества со сложным
составом и строением молекул.
Белок можно рассматривать как сложный полимер аминокислот.
Белки входят в состав всех живых организмов, но особо важную роль они играют
в животных организмах, которые состоят из тех или иных форм белков (мышцы,
покровные ткани, внутренние органы, хрящи, кровь).
Растения синтезируют белки (и их составные части a-аминокислоты) из углекислого
газа СО 2 и воды Н 2 О за счет фотосинтеза, усваивая
остальные элементы белков (азот N, фосфор Р, серу S, железо Fe, магний Mg) из
растворимых солей, находящихся в почве.
Животные организмы в основном получают готовые аминокислоты с пищей и на их
базе строят белки своей организма. Ряд аминокислот (заменимые аминокислоты)
могут синтезироваться непосредственно животными организмами.
Характерной особенностью белков является их многообразие, связанное с
количеством, свойствами и способах соединения входящих в их молекулу
аминокислот. Белки выполняют функцию биокатализаторов - ферментов,
регулирующих скорость и направление химических реакций в организме. В
комплексе с нуклеиновыми кислотами обеспечивают функции роста и передачи
наследственных признаков, являются структурной основой мышц и осуществляют
мышечное сокращение.
В молекулах белков содержатся повторяющиеся амидные связи С(0)-NH, названные
пептидными (теория русского биохимика А.Я.Данилевского).
Таким образом, белок представляет собой полипептид, содержащий сотни или
тысячи аминокислотных звеньев.
Структура белков:
Особый характер белка каждого вида связан не только с длиной, составом и
строением входящих в его молекулу полипептидных цепей, но и с тем, как эти
цепи ориентируются.
В структуре любого белка существует несколько степеней организации:
1. Первичная структура белка - специфическая последовательность аминокислот
в полипептидной цепи.
Вторичная структура белка - способ скручивания полипептидной цепи в
пространстве (за счет водородной связи между водородом амидной группы -NH- и
карбонильной группы - СО-, которые разделены четырьмя аминокислотными
фрагментами).
Третичная структура белка - реальная трехмерная конфигурация закрученной
спирали полипептидной цепи в пространстве (спираль, скрученная в спираль).
Третичная структура белка обуславливает специфическую биологическую
активность белковой молекулы. Третичная структура белка поддерживается за
счет взаимодействия различных функциональных групп полипептидной цепи:
· дисульфидный мостик (-S-S-) между атомами серы,
· сложноэфирный мостик – между карбоксильной группой (-СО-) и
гидроксильной (-ОН),
· солевой мостик - между карбоксильной (-СО-) и аминогруппами (NH 2).
Например, гемоглобин представляет из себя комплекс из четырех макромолекул
Физические свойства
Белки имеют большую молекулярную массу (10 4 -10 7), многие
белки растворимы в воде, но образуют, как правило, коллоидные растворы, из
которых выпадают при увеличении концентрации неорганических солей, добавлении
солей тяжелых металлов, органических растворителей или при нагревании
(денатурация).
Химические свойства
1. Денатурация - разрушение вторичной и третичной структуры белка.
2. Качественные реакции на белок:
n биуретовая реакция: фиолетовое окрашивание при обработке солями меди в
щелочной среде (дают все белки),
n ксантопротеиновая реакция: желтое окрашивание при действии
концентрированной азотной кислоты, переходящее в оранжевое под действием
аммиака (дают не все белки),
n выпадение черного осадка (содержащего серу) при добавлении ацетата свинца
(II), гидроксида натрия и нагревании.
3. Гидролиз белков - при нагревании в щелочном или кислом растворе с
образованием аминокислот.
Синтез белков
Белок - сложная молекула, и синтез его представляется трудной задачей. В
настоящее время разработано много методов прекращения [ГМВ1]
a-аминокислот в пептиды и синтезированы простейшие природные белки - инсулин,
рибонуклеаза и др.
Большая заслуга в создании микробиологической промышленности по производству
искусственных пищевых продуктов принадлежит советскому ученому
А.Н.Несмеянову.
Литература:
“ХИМИЯ” М.,”СЛОВО” 1995.
Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман
“Химия 11. Органическая химия”
М., “Просвещение”,1993.
А.И.Артеменко, И.В. Тикунова
“Химия 10-11. Органическая химия”
М., “Просвещение” 1993.