Gıda Kimyası

Gıda Kimyası

01Giriş

Protein Yunanca proteois kelimesinden gelir Latince de yaşayan varlıklar için elzem azotlu bileşikleri ifade eder Proteinler hücrede yalnız ribozomlarda sentezlenirler ve diğer organik bileşikler gibi temel olarak karbon hidrojen ve oksijenden oluşurlar Bunların dışında en önemli bileşenleri azot ve kükürttür

02 Aminoasitler

Proteinlerin temel yapı taşı aminoasitlerdir Bugüne kadar belirlenmiş 20 aminoasit bulunmaktadır Aminoasitler dallanmış yapıda hidrokarbon zincirleridir Aminoasitler birbirlerine peptid bağlarıyla bağlanarak peptidleri oluştururlar Peptidler ise proteinleri meydana getirirler Her canlının kendine özgü bir protein yapısı vardır Bu durum farklı türlerin protein yapısının farklı yapıda olmasının yanında aynı türün bireyleri arasında da farklılıklar olduğu anlamına gelmektedir Bitkiler kök ve yapraklarıyla sağladıkları inorganik bileşiklerden kendilerine özgü proteinleri sentezleyebilirlerken hayvansal organizmalar bunu gerçekleştiremezler Bu nedenle proteinler besin zincirinde aşağıdan yukarıya doğru taşınır Otobur beslenen canlılar bitki yapısındaki proteini sindirim sistemlerinde aminoasitlerine kadar parçalayarak kendilerine özgü proteinleri sergilerler Etobur beslenen canlılar ise protein kaynaklarını başka hayvanlardan sağlayarak kendilerine özgü proteinleri sentezlerler

Proteinler kaynaklarına göre farklı aminoasitleri farklı miktarlarda içerirler İnsan vücudunda yaklaşık 20 farklı aminoasit bulunmaktadır ve 8 tanesi dışında organizma bunların hepsini sentezleyebilir Sentez karaciğerde bir dizi transaminasyon reaksiyonuyla gerçekleşir ve bu reaksiyonda transaminaz enzimleri ile B6 vitamini görev alır İnsan vücudunda sentezlenemeyen 8 aminoasit sağlığın korunması ve canlılığın devam edebilmesi için gereklidir ve mutlaka gıdalarla karşılanmalıdır Bu aminoasitler lizin alaninvalin lösin izolösin metiyonin threonin triptofan ve fenilalanindir

0201 Aminoasitlerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Aminoasitlerinin yapısında bulunan amino (-NH2) ve karboksil (-COOH) grupları sulu çözeltilerinin asidik bazik ya da amfoter karakter kazanmalarına neden olur Aminoasitlerin karboksil grupları bir proton verirken amino grupları bir proton alabilirler Karboksil grubun verdiği proton amino grubu tarafından alındığında aminoasit çözeltisi amfoter özellik gösterir Çözeltinin amfoter özellik gösterdiği pH ya izoelektrik nokta denir ve bu nokta her aminoasit için spesifik bir değerdir

Aminoasitler tuz benzeri yapıları nedeniyle kararlı kristal yapıda ve genellikle suda çözünürdürler Polar karakterleri nedeniyle alkollerdeki çözünürlükleri düşüktür Hidrofobik yapıda radikal gruplar içeren alanin valin lösin fenilalanin gibi aminoasitlerin sudaki çözünürlüğü sınırlıdır

Aminoasitlerin maksimum UV absorbsiyonunu ve floresans özelliğini farklı dalga boylarında gösterirler Örneğin fenilalanin maksimum absorbansı 260 nm de gösterirken triptofan 278 nm de gösterir

Glisin dışındaki tüm aminoasitlerin a-karbon atomu asimetriktir yani dört farklı grup bağlanmıştır Bu da optikçe aktif olmalarına neden olur Doğal aminoasitler L formunda bulunurlar D-aminoasitler atipik aminoasitlerdir ve bazı bakterilerin hücre duvarlarıyla antibiyotiklerin yapısında bulunurlar Polarize ışığı sağa çevirenler ?+ dekstrorotary?sola çevirenler ?- levorotary? olarak bilinirler Doğal aminoasitlerin çoğu polarize ışığı sağa çevirirler

Şekil2 Aminoasitlerde izomeri

0203Aminoasitlerin Kimyasal Reaksiyonları

Aminoasitler sahip oldukları reaktif grupların özellikleri nedeniyle çeşitli kimyasal reaksiyonlara katılabilirler Bu özelliklerinden yararlanarak aminoasitleri proteinleri veya kalıntılarının miktarlarını belirlemek mümkündür

1 o-fitaldialdehit ile reaksiyonları: Aminoasitler o-fitaldialdehit ile 2-merkaptoetanol varlığında reaksiyona girdiğinde floresas veren bir ürün meydana gelir

2 Karboksil gruplarının esterifikasyonu: Aminoasitler genellikle asitlerin katalizörlüğünde etil esterler oluştururlar

3 Amino gruplarının alkolle inaktivasyonu: Aminoasitlerin sulu çözeltilerinde amino grubu proton bağlayarak NH3+ a dönüşürler Ancak ortama alkol ilave edilirse amino grupları inaktive edilmiş olur

4 Formol titrasyonu: Aminoasitler nötral veya hafif alkali çözeltilerde formaldehitle muamele edilirlerse formol serbest amino gruplarıyla birleşir Böylece aminoasitin mono ya da dimetiol türevleri ya da schiff bazı oluşur Bu da ortamda sadece karboksil gruplarının kalmasını sağlar Aminoasitlerdeki karboksil grupları bu reaksiyon sonrasında yapılan titrasyonla belirlenir

5 Ninhidrin reaksiyonu: Bu reaksiyon çok düşük miktarlardaki aminoasitleri belirlemede kullanılır Aminoasitler ninhidrin gibi güçlü oksidatif ajanlarla ısıtıldıklarında mavi renkli bir ürün oluştururlar

6 Floreskamin ile reaksiyon: Bu reaksiyon nicel olarak aminoasitlerin peptid ve proteinlerin belirlenmesinde kullanılır Bu bileşikler floreskaminle reaksiyona girdiğinde güçlü floresans özellik gösteren bir bileşik oluşur

7 Isıl işlemle aminoasitlerin bozulma reaksiyonları: Proteinler pişirme işlemleri sırasında bir dizi bozulma reaksiyonuna uğrarlar Bozulması sırasında oluşacak ürünlerin çeşidi ve miktarı aminoasit cinsine uygulanan sıcaklığın şiddetine ve uygulama süresine göre değişir

8 Nitröz asit reaksyonu: Aminoasitler nitröz asitle reaksiyona girdiğinde her bir amino grubu için bir molekül azot oluşur Açığa çıkan azot miktarından aminoasit miktarı tespit edilir

9 Tuz oluşturma: Cu+2 Co+2 Fe+2 gibi ağır metaller aminoasitlerin karboksil amino ve sülfidril gruplarıyla tuz oluştururlar Aminoasitlerin saf olarak elde edilmesi amacıyla bu reaksiyondan yararlanılır

03 Proteinler

Bir aminoasidin karboksil grubu başka bir aminoasidin amino grubuyla bir mol su açığa çıkararak birleşirler ve peppdid zinciri oluştururlar Peptidler peptid zincirinde yer alan aminoasit sayısına göre mono di tri gibi ön ekler verilerek isimlendirilirler Genel bir kural olarak yapısında 10 kadar aminoasit içeren peptid zincirleri oligopeptid daha uzun zincirli peptidler ise polipeptid olarak adlandırılırlar

1Proteinlerde primer yapı: Peptid bağlarıyla bağlanmış ve düz zincir yapıdaki proteinlerin hepsi primer yapıdadır ve L- konfigürasyonunda bulunurlar Primer yapı belirlenirken aminoasit skalıntı sayısı ve aminoasitlerin sıralanış şekilleri belirlenir

2Proteinlerde sekonder yapı: Peptid zinciri üzerinde belirli bölgeler yan zincirlerle ve/veya kendi üzerine katlanarak bağlar oluştururlar Polipeptid zincirindeki bu katlanmalar periyodik olarak tüm zincir boyunca yinelenir İki elektronegatif atom arasındaki hidrojen bağı polipeptid zincirinde heliksel yapı oluşmasına neden olur Sekonder proteinler heliksel yapıda ya da plakalı yapıda olabilir Heliksel proteinler a-heliks 310-heliks ve p-heliks yapıdadır Bu yapılara kararlılık kazandıran aynı polipeptid zinciri üzerinde kurulan H köprüleridir ve en stabil yapı göstereni a-heliks proteinlerdir a-heliks proteinlerin çoğunda heliksin bir yüzü hidrofobik iken diğer yüzü ve yan zincirler hidrofilik kalıntılarla bağlanmıştır

Plakalı protein yapısı heliksel yapıdan farklı olarak pili benzeri yapı oluşturacak şekilde katlanmalar gösterir Plakalı yapılarda hidrojen köprüleri farklı polipeptid zincirleri arasında kurulur

Bazı proteinler kollajen heliksi oluşturur Bu üçlü bir sarmaldır Kollajen proteinler yüksek elastikiyetlerini bu yapı sayesinde kazanırlar Bu yapının kararlılığı çok sayıda hidrojen bağı içermesinden kaynaklanır

İki paralel polipeptid zinciri seconder yapı oluşturduğunda zincirlerin birbirine yaklaştığı yerlerde kükürtlü aminoasitlerin aracılığıyla disülfit bağları oluşur Kovalent yapıdaki bu bağlar son derece kararlıdır ve bu nedenle yapıya kararlılık kazandırır Bu nedenle sekonder yapı denatürasyon koşullarında parçalanmaz

3Proteinlerde tersiyer yapı: Proteinlerde tersiyer yapı hidrojen bağlarının yanında van der Walls bağları polar bağlar sülfidril bağlar iyonik bağlar gibi kovalent ve non-kovalent bağlar aracılığıyla oluşur Bu yapıda çok sayıda farklı bağlarla oluştuğundan seconder proteinlere göre daha fazla katlanmalar meydana gelir Globuler proteinler proteinlerin tersiyer yapısına örnek teşkil ederler

4Proteinlerde kuarterner yapı: Bazı proteinler tersiyer yapıda oluşan bağlarla bir araya gelmiş çok sayıda polipeptid zincirinden oluşur Hemoglobin ve miyoglobin bu yapıdadırlar

0301Proteinlerin Sınıflandırılması

Proteinleri değişik özelliklerini dikkate alarak farklı şekillerde sınıflandırmak mümkündür İlk sınıflandırma sistemi protein yapısında aminoasitlerin dışında başka bileşiklerin olup olmadığına göre bir gruplandırma yapar Yalnızca aminoasitlerden meydana gelen proteinlere homoproteinler (basit proteinler) denirken heteroproteinler prostetik grup olarak adlandırılan bir grup bileşiği daha içerirler Lipoproteinler glikoproteinler hemoproteinler heteroprotein grubuna dahil iken albuminler globulinler prolaminler homoprotein grununa dahildir

Kimyasal yapıları ve çözünürlükleri dikkate alındığında proteinler iki gruba ayrılırlar

· Fibröz proteinler

· Globüler proteinler

Fibröz proteinler düz bir zincir üstünde sıralanmış polipeptidlerin ya da bu polipeptidlerin birbirlerine paralel uzanarak meydana getirdikleri yapılardır Suda çözünmezler Deritırnak saç kıkırdak boynuz benzeri yapılar bu tür proteinlerden oluşur

1 Kollajenler: Glisin prolin hidroksiprolin ve arjinin içerirler Soğuk suda çözünmezler Ancak seyreltik asit ve baz çözeltilerinde ya da suda kaynatılırlarsa çözünürler

2 Keratin fibrin miyosin elastin ve epidermin: asit ve bazik çözeltilerde çözünürlükleri azdır Suda çözünmezler ya da çok az çözünürler Fibrin kanın pıhtılaşmasında görev alır Miyosin kas hücrelerinde bulunur Elastin elastik bağ dokularda bulunur Bir çeşit kollajen olsa da diğer kollajenler gibi ısıtıldıklarında jelleşmezler Epidermin deridekeratin saç tırnak boynuz yapısında bulunur

Globüler proteinlerde düz zincir yapısı kendine özgü kıvrılmalar meydana getirir Bu nedenle üç boyutlu bir yapıları vardır Hemen hemen tamamı sulu ortamlarda çözünürler Enzimler hormonlar antikorlar albuminler bu gruba dahidir

1 Albuminler: Suda ve seyreltik asit çözeltilerinde kolayca çözünürler ve yüksek sıcaklıklarda koagüle olurlar Amonyum sülfatla doyurulmuş çözeltilerinde çökelirler Bazıları toksik özellik gösterir Kükürlü aminoasitlerce zengindirler ancak glisin içermezler Yumurta beyazındaki ovalbumin buğdaydaki löykozin sütteki laktalbumin bu gruptadır

2 Globulinler: Seyreltik amonyumsülfat ve tuz çözeltilerinde çözünürler Amonyum sülfatla yarı yarıya doyurulduğunda çökelirler Albuminlerle oluşturdukları karışımlardan bu yolla ayrılırlar Isıtıldıkalrında koagüle olurlar Yumurta sarısındaki ovoglobulin sütteki laktoglobullin bu gruba girer

3 Glutelinler: Yüksek sıcaklıklarda kuagüle olurlar ve suda çözünmezler Hububatlar için önemli bir proteindir Gliadinlerle birlikte bulunurlar Ekmek kalitesi açısından önemlidirler Buğdayda glutenin arpada hordenin mısırda zeanin bu gruba örnek teşkil eder

4 Prolaminler: %50-90 lık alkol çözeltilerinde çözünebilirlerken safa alkolde ve suda çözünemezler Genellikler tohumlarda bulunurlar Yapılarında lizin bulunmaz histidin ve arjinin açısından fakirdirler Lizin ve triptofan içeren glutelinler birlikte bulunmaları birbirlerini tamamlamalarını sağlar Yine de düşük biyolojik yararlılık gösterirler Buğdaydaki gliadin darıdaki kafirin arpadaki horderin ve mısırdaki zein bu gruptadır

5 Protaminler: 15-21 peptidten oluşan kuvvetli bazik bir proteindir Kükürtlü aminoasit içermezler Pek çok proteinin aksine ısıtıldıklarında koagüle olmazlar Seyreltik asit ve baz çözeltilerinse ve suda çözünürler

6 Histonlar: Hücre çekirdeğindeki nükleoproteinler bu yapıdadır Suda çözünürler ve ısıtıldıklarında protaminler gibi koagüle olmazlar

Aktin miyosin ve fibrinojen gibi bazı proteinlerde hem fibröz hem de globuler yapıdadır

Şu ana kadar genel özellikleri kısaca anlatılan proteinler aynı zamanda basit protein sınıfına dahildir Bazı proteinler prostetik grup adı verilen ve protein yapısında olmayan bileşiklere bağlanırlar Bileşik proteinler olarak adlandırılan bu proteinleri şu şekilde sınıflandırmak mümkündür

1 Fosfoproteinler: Bu gruptaki proteinlerin prostetik grubu fosforik asittir Serin ve treonin fosforik asitle bağlandığında protein asidik karakter kazanır Fosfoproteinler suda neredeyse hiç çözünmezler Nötral koşullarda ısıtıldıklarında koagüle olmazlar ancak asidik pH da ısıtıldıklarında koagülasyon gözlenir Sütteki kazein kinazlar ve fosforilazlar bu gruptadır

2 Lipoproteinler: Proteinlerin lipidlerle kompleks yapılardır Hücre zarında kanda ve yumurta sarısında bulunurlar

3 Proteolipidler: Lipoproteinlere benzer bir yapıları vardır Çözünürlükleri lipoproteinlerin aksine lipidlerin özelliklerine yakındır Miyelin ve lipovitelenin bu gruba örnek verilebilir

4 Glikoproteinler ve Mukoproteinler: Amino şekerler hekzuranik asitler ve silialik asit gibi karbohidratlar kovalent bağlarla basit proteinlere bağlanarak glikoproteinleri oluşturur Mukoproteinler ve glikoproteinler birbirlerinde içerdikleri heksozamin (amino şeker) miktarıyla ayrılırlar Buna göre mukoproteinler % 4 den az amino şeker içerirken mukoproteinlerde amino şeker oranı %4 den fazladır Yapışkan vücut sıvılarında deride idrarda tükürükte vb yerlerde bulunurlar

5 Nükleoproteinler: Bu proteinlerde prostetik grup RNA ya da DNA dır Diğer bileşen bazik bir basit proteindir ama fazla miktarda fosfat içerdiklerinde asidik özellik gösterirler

6 Kromoproteinler: Prostetik grup Fe Mg gibi bir metal içeren bir pigmenttir Bu pigmentler porfirin yapıdadır Hemoglobin miyoglobin sitokrmlar katalazlar sitokrom oksidazlar ve peroksidazlar bu grup proteinlerdir

7 Metaloproteinler Bu grupta prostetik grup metallerdir

İşlevlerine göre sınıflandırıldıklarında proteinler üçe ayrılırlar Yapısal proteinler biyolojik aktivite gösterenler gıda proteinleri Keratin kollajen elastin gibi proteinler saçderi iç organlar gibi yapıları oluştururlar Biyolojik aktivite gösteren proteinler enzimlerhormonlardır ve toksinlerdir Biyolojik sistemlerde sentezlenen bütün proteinler gıda proteini olarak kullanılabildiğinden tüm gruplardaki proteinler bu grupta yer alırlar

0302Protein Denatürasyonu

Proteinlerin sekonder ve tersiyer yapısını oluşturan bağlar bazı koşullarda parçalanarak üç boyutlu yapının bozulmasına neden olur Denatürasyon sırasında kovalent bağlar korunurlar ancak disülfit bağları kırılarak çok sayoda sülfidril grubu açığa çıkarırlar Proteinlerin denatürasyonunu tetikleyen etmenler ısıl işlemler radyasyon çeşitli kimyasallar asidik bazik çözeltiler konsantre tuz çözeltileridir

Protein denatürasyonu sonucunda:

· Proteazların protein yapısı üzerine etkisi azalır

· Viskozite artar

· Çözünürlük azalır

· Enzimler ve toksinler aktivitelerini kaybederler

· Su bağlama kapasitesi azalır

· Rotasyon ve difüzyon stabilitesi değişir

· Protein kristalizasyonu önlenir

Disülfit bağlarının kırıldığı ve konformasyon değişikliklerinin olduğu denatürasyonlar tersinmezdir Proteinler kuru ortamlarda ısıl denatürasyona daha dirençlidirler Ortamda suyun bulunması denatürasyonu kolaylaştırır ve sıcaklıktaki her 10 °C lik artış denatürasyon hızını iki katına çıkarırBazı proteinler soğuk uygulamalarında aktivitelerini kaybederler Dondurulduklarında agregasyona ya da presipitasyona uğrayan proteinler çözünürlüklerini kaybederler ancak bu geri dönüşümlü bir durumdur Lipazlar ve oksidazlar yalnız ısıl işlemlere değil aynı zamanda soğuk uygulamalarına karşı da dayanıklıdırlar

Parçalama yoğurma çırpma gibi mekanik işlemlerde proteinler hava-sıvı yüzeyi arasına hapsolurlar ve buradaki enerji kitle fazın enerjisinden fazla olması proteinlerde konformasyonel değişime neden olur Esnek olan proteinler diğerlerine göre daha kolay denatüre olurlar

Bazı proteinler 50 kPa lın üzerindeki basınç uygulamalarında denatüre olurlar Aromatik grup içeren proteinler ultraviyole ışınların bu grup tarafından absorbe edilmesi nedeniyle denatüre olabilirler Absorbe olan UV ışınları disülfit bağlarının kırılmasına neden olurken konformasyonel değişiklikler de meydana gelir (Proteinlerin denaturasyonu)

Proteinler jel oluşturabilirler: Proteinler belirli koşullarda sol halden jel hale geçreler Jelleşmede ortam sıcaklığı divalent iyonlar ya da bazı enzimler etkili olabilirler Protein denatüre olduktan sonra ağ benzeri bir yapı oluşturur Soğutulduklarında bu yapı bir miktar da suyu yapısında tutarak jel benzeri bir yapı oluşturur Proteinlerin jel oluşturma mekanizması tam olarak bilinmemekle birlikte bu özellikleri gıda sanayiinde su tutma kapasitesini artırmak köpük stabilizasyonu kalınlaştırma gibi proseslerde yaygın olarak kullanılmaktadır

Proteinler yapı oluşturma özelliğine sahiptiler: Bir çok bitkisel ve hayvansal protein gıda sanayiinde yapının geliştirilmesi amacıyla kullanılırlar Bu yapısal özellikler çiğnenebilrliksu tutma kapasitesi yumuşaklık serlik gibi sıralanabilir

Bazı proteinler hamur oluşturma özelliğine sahiptir: Buğday endosperminde bulunan gluten hamur oluşumu sırasında karakteristik bir yapı oluşturur Un suyla karıştırıldığında gluten proteinleri bellibir diziliş sergiler ve çapraz disülfit bağları meydana gelir Bu çapraz bağlanma üç boyutlu viskoelastik bir yapının oluşmasına neden olur bu ağ yapı nişasta ve diğer komponentleri yapısında hapseder Ekmek ve diğer fırıncılık ürünlerinin pişirilmesi sırasında son ürünün hacmi ve diğer fiziksel özelliklerinden bu ağ yapı sorumludur

Proteinler yüzey aktif bileşiklerdir: Proteinler disper sistemlerde iki yüzey arasında yüksek viskoelastik özellik gösteren bir film oluştururlar Bu film gıdalara mekanik direnç kazandırır Bu nedenle proteinlerle stabilize edilmiş köpük ve emülsiyonlar başka ajanların kullanıldığı sistemlere göre daha stabildir