I.4. Khả năng tạo gel của surimi
I.4.4. Sự hình thành hệ khung mạng protein trong gel
Khi protein bị biến tính các cấu trúc bậc cao bị phá hủy, liên kết giữa các phần tử bị đứt, các nhóm bên của axit amin trước ẩn ở phía trong thì bây giờ xuất hiện ra ngoài. Các mạch polypeptid bị duỗi ra, gần nhau, tiếp xúc với nhau và liên kết lại với nhau thành mạng lưới không gian 3 chiều mà mỗi vị trí tiếp xúc của mạch là một nút. Các phần còn lại hình thành mạng lưới không gian vô định hình, rắn, trong đó có chứa đầy pha phân tán là nước [9].
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Phạm Công Thành
Học viên: Đinh Thị Kim Hoa Lớp cao học thực phẩm 2008 - 2010 23 Khi nồng độ tăng thì khả năng gel hóa tăng vì số những vị trí tiếp xúc để tạo ra nút mạng lưới tăng lên. Phân tử càng có nhánh thì gel hóa càng dễ vì ở những vị trí đặc biệt ở đầu mút, những góc cạnh các yếu tố bền dễ bị mất do đó dễ tạo ra nút mạng lưới. Có bốn loại liên kết chính tham gia vào sự hình thành mạng không gían gồm liên kết cầu muối, liên kết hydro, liên kết cầu sunfua và các tương tác kỵ nước [14].
I.4.4.1. Liên kết hydro (Hydrogen bonds)
Là liên kết giữa nhóm -OH của axit amin tirozine, serin, treonin với các nhóm -COOH của axit glutamic hoặc aspatic.
Protein Protein – OH…O = C
NH2
Hoặc C = O…H – N
RCH HCR N – H…O = C
O = C N - H Cấu trúc β của protein
Với R là gốc axit amin
Ái lực của liên kết hydro chủ yếu là nhờ lực Coloumb. Khi gia nhiệt, ái lực này sẽ bị suy yếu làm các liên kết hydro bị đứt, ngược lại ái lực tương tác kỵ nước sẽ tăng lên. Nhưng khi để nguội liên kết tái hợp và gel lại hình thành.
Đây là nguyên nhân tại sao gel của gelatin tan chảy khi gia nhiệt còn khi để nguội gel lại hình thành vì các mắt lưới trong gel gelatin chủ yếu là do các liên kết hydro tạo thành.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Phạm Công Thành
Học viên: Đinh Thị Kim Hoa Lớp cao học thực phẩm 2008 - 2010 24 Nhiệt độ càng thấp liên kết hydro càng được tăng cường và củng cố vì càng có nhiều điều kiện tạo ra nhiều cầu hydro. Liên kết hydro là một liên kết yếu tạo ra một độ linh động nào đó giữa các phân tử với nhau, do đó làm cho gel có độ dẻo nhất định. Các liên kết hydro giữa các mạch trong protein rất bền, tại đây các phân tử nước không thể thấm qua được. Nếu cho rằng giảm nhiệt độ, gel actomyosin qua gia nhiệt được tăng cường thì các liên kết hydro sẽ đóng vai trò nhất định để làm bền cấu trúc mạng không gian của gel surimi nguội.
Khi nghiên cứu cấu trúc xoắn β của protein dưới tác dụng của tia hồng ngoại và tia X, cho thấy hầu hết các protein của tơ cơ bị chuyển thành các cấu trúc này khi bị mất nước [7].
I.4.4.2. Liên kết cầu muối (Salt Linkages)
Đôi khi người ta cho rằng việc chuyển hoá từ hệ sol surimi sang dạng gel còn do các liên kết cầu muối tạo ra.
Trên một nửa axit amin trong phân tử myosin rất háo nước và khoảng 80% số đó là axit amin dạng axit và kiềm tính [8]. Hầu hết các nhóm gốc của chúng quay ra bên ngoài bề mặt phân tử, chính những nhóm gốc này tham gia liên kết với nước. Tại pH nhất định của thịt cá xay, các nhóm carboxyl (COO- ) của axit glutamic và aspatic mang điện tích âm, trong đó nhóm amin (NH2+) của lysin và arginin mang điện tích dương. Do đó, liên kết giữa các phân tử được hình thành nhờ những nhóm chức này, và các protein tơ cơ liên kết với nhau tạo thành một tập hợp không tan trong nước. Khi thêm muối vào, bình thường những ion muối này cũng đã có liên kết với nước sẽ gắn vào các nhóm chức có điện tích trái dấu làm các phân tử myosin từ dạng không tan chuyển thành hòa tan. Khi xay nhuyễn thịt cá, mức độ xay nhuyễn có quan hệ mật thiết với lượng muối cho vào, do muối có thể làm tăng khả năng hoà tan của
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Phạm Công Thành
Học viên: Đinh Thị Kim Hoa Lớp cao học thực phẩm 2008 - 2010 25 protein, cải thiện cấu trúc đàn hồi của hệ gel khi gia nhiệt. Mặt khác, muối còn làm mất tính ổn định cấu trúc phân tử đến khả năng biến tính nhiệt.
I.4.4.3. Liên kết cầu disunfua (Disunfide Bonds)
Khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao (to> 40oC), liên kết disunfua được tạo thành.
Liên kết cầu disunfua (-S-S-) giữa các phân tử được tạo thành khi oxy hoá hai gốc cystein
Protein – SH + HS – Protein +O2 Protein – S – S – Protein Trong trường hợp này gel có tính bất thuận nghịch bởi nhiệt, rất chắc và bền. Sự gia nhiệt có thể làm phơi bày các nhóm –SH ở bên trong, do đó thúc đẩy việc hình thành hoặc trao đổi các cầu disunfua. Người ta cho rằng sự trao đổi sunfit diễn ra khi gia nhiệt hỗn hợp bột nhuyễn surimi làm cho các mối liên kết -S-S- nội phân tử chuyển thành các mối liên kết -S-S- giữa các phân tử.
Người ta đã chứng minh rằng ở nhiệt độ cao hơn (≥ 80oC) thì sự hình thành liên kết cầu -S-S- sẽ diễn ra mạnh mẽ đối với cá chép. Điều này cho thấy rằng hiện tượng duỗi mạch của protein tơ cơ diễn ra mạnh mẽ ở nhiệt độ cao
Khi có mặt nhiều nhóm –SH và -S-S- sẽ tăng cường hệ thống mạng giữa các phân tử và gel tạo ra bền với nhiệt.
I.4.4.4. Các tương tác kỵ nước (Hydrophobic Interaction)
Các tương tác kỵ nước thường diễn ra giữa các phân tử không có cực (các nhóm ưa béo) [23]. Khoảng 25% các axit amin có trong phân tử myosin là các axit amin kỵ nước như analine, valine, leucine, isoleucine, proline, trytophan và phenylanalin. Những gốc này liên kết với các phân tử nước tự do tạo thành một tập hợp gọi là núi băng hoặc mạng lưới mà tại đó các phân tử
Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Phạm Công Thành
Học viên: Đinh Thị Kim Hoa Lớp cao học thực phẩm 2008 - 2010 26 nước liên kết với nhau bằng các cầu hydro xung quanh những gốc này (sự hydrat háo kỵ nước). Tuy nhiên trật tự sắp xếp này của các phân tử không bền với nhiệt bởi vì nó sẽ làm giảm entropi của hệ. Trong khi đó lẽ ra entropi của hệ phải tăng thì hệ mới bền. Vì vậy, trái với các gốc axit amin háo nước, các gốc kỵ nước thường có trong mạch bên trong của các phân tử protein chứ không phải dưới dạng liên kết với nước. Nhờ đó chúng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các cấu trúc của phân tử protein. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết hydro trở nên kém bền hơn sự hydrat háo kỵ nước khó hơn.
Những liên kết trên khác với liên kết cầu muối và liên kết hydro, nó được hình thành không phải nhờ các liên kết giữa các gốc kỵ nước mà nhờ các phân tử nước xung quanh. Các cầu kỵ nước được hình thành khi đun nóng protein do vậy các liên kết kỵ nước mạnh lên khi tăng nhiệt độ, ít nhất là đến 58oC.
Khi giữ nhiệt ở khoảng 40oC protein tơ cơ của các loài cá có tốc độ tạo gel chậm, các nhóm kỵ nước quay ra phía ngoài mặt phân tử protein. Điều này chứng tỏ rằng các tương tác kỵ nước đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng tạo gel.
Quá trình tạo gel chỉ xảy ra khi có mặt muối. Một số loại muối có khả năng kết hợp với nước làm tăng cường các tương tác kỵ nước như các muối có chứa ion Li+ và Na+, do các ion trên làm tăng sự tạo thành mạng lưới. Trái lại, các muối chứa ion I+ lại ngăn cản sự hình thành mạng lưới.