1 ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ (ΤΡΟΦΙΜΑ-ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ) Περιεχόµενο - Σκοπός του Μαθήµατος 6 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Ο ΗΓΙΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το µάθηµα Επιστήµη και Μηχανική Βιολογικών Συστηµάτων και Προϊόντων (Τροφίµα- Βιοτεχνολογία) παρέχει τις βασικές γνώσεις στην Επιστήµη των Τροφίµων, που αποτελεί τοµέα αιχµής για το Χηµικό Μηχανικό, για τα συστατικά των τροφίµων, τις φυσικοχηµικές, βιολογικές και λειτουργικές τους ιδιότητες και τη συµπεριφορά τους κάτω από το εύρος των συνθηκών που συναντούν κατά τις διεργασίες παραγωγής και κατά τη συντήρηση των τροφίµων. Εξετάζει τις αρχές των βασικών διεργασίων συντήρησης των τροφίµων. Σκοπός είναι η εισαγωγή στην πολυπλοκότητα και τις ιδιαιτερότητες που παρουσιάζουν τα τρόφιµαωςβιοµηχανικά προϊόντα και στην τεχνολογία παραγωγής τους. www.chemeng.ntua.gr/courses/trbio

Εβδοµάδα ΤΡΟΦΙΜΑ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 2 1 η Εισαγωγή στην Επιστήµη και Μηχανική Βιολογικών Συστηµάτων και Προϊόντων. Το τρόφιµο ως σύνθετο βιολογικό υλικό: σύσταση, δοµή, φυσικοχηµικές ιδιότητες, οργανοληπτικές 2 η ιδιότητες. Συστατικά των τροφίµων:ιδιότητες, λειτουργικότητα. 3 η Συστατικά των τροφίµων: Ιδιότητες, λειτουργικότητα. 4 η Συστατικά των τροφίµων: Ιδιότητες, λειτουργικότητα. Μικροβιολογία τροφίµων Εισαγωγή στην Επιστήµη και Μηχανική Βιολογικών Συστηµάτων και Προϊόντων. Κινητική των ενζύµων. Επίδραση των συνθηκών του περιβάλλοντος Ακινητοποιηµένα ένζυµα Παραγωγή ενζύµων. Βιοµηχανικές χρήσεις 5 η Μικροβιολογία τροφίµων. Μικροβιακή ανάπτυξη. Επίδραση των συνθηκών του περιβάλλοντος 6 η Ασφάλεια και υγιεινή. Μοντέλα µικροβιακής ανάπτυξης 7 η Θερµοφυσικές ιδιότητες των τροφίµων. ιεργασίες µικροβιακών καλλιεργειών 8 η ιεργασίες θέρµανσης και ψύξης των τροφίµων Στοιχειοµετρία µικροβιακής ανάπτυξης και παραγωγής προϊόντων 9 η Κατάψυξη Μικροβιακοί βιοαντιδραστήρες 10 η Παστερίωση -Aποστείρωση Ανάκτηση διαχωρισµός προϊόντων. Κυτταρική διάρρηξη 11 η Παστερίωση -Aποστείρωση ιαχωρισµός διαλυτών προϊόντων 12 η Αφυδάτωση ιαχωρισµός διαλυτών προϊόντων 13 η Μηχανικοίκαιφυσικοίδιαχωρισµοί Βιοδιεργασίεςχρήσηςκαλλιεργειών ζωικών και φυτικών κυττάρων

ΤΡΟΦΙΜΑ 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ µικροβιολογική, χηµική, φυσική ΠΟΙΟΤΗΤΑ

4 ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Το σύνολο των χαρακτηριστικών που επιτρέπουν τον διαχωρισµό του και καθορίζουν το βαθµό αποδοχής του από τον καταναλωτή ή τον χρήστη Τρόφιµο= Φυσικοχηµικά και βιολογικά ενεργό σύστηµα Ποιότητα= υναµική κατάσταση κινούµενη προς φθίνουσα κατεύθυνση 28/3/2006

5 ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ - Υ ΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ ΛΙΠΙ ΙΑ - ΝΕΡΟ ΒΙΤΑΜΙΝΕΣ-ΑΝΟΡΓΑΝΑ ΕΝΖΥΜΑ ΜΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΧΛΩΡΙ Α ΑΡΩΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ (flavors) -ΧΡΩΣΤΙΚΕΣ- ΑΝΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΣΥΝΘΕΣΗ + ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ - ΘΡΕΠΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΟΛΗΠΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

6 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ > 50% ξ.β. ζώντων κυττάρων οµικά στοιχεία κολλαγόνο, κερατίνη, ελαστίνη Ένζυµα (>2000) Βιολογική δράση Ορµόνες (ινσουλίνη,σωµατοτροπίνη), συστολικές (µυοσίνη,ακτίνη), µεταφοράς(αιµογλοβίνη, µυογλοβίνη), τοξίνες (µικροβιακές τοξίνες), αποθηκευτικές (οβαλµπουµίνη,γλιαδίνη,ζείνη), ανοσολογικές (ανοσογλοβουλίνες) C = 50-56 %, Η = 6,5-7 %, Ν = 15-17,6 % Ο = 19-24 %, S = 0.3-2.3 % (P, Fe, Cu, Zn) Πρωτεΐνη = Ν 6.25

7 Πρωτεΐνη L-α-αµινοξέα Υδρόλυση

8 Αµφολύτες, Zwitterions : ΒΑΣΗ ΟΞΥ + [ δέκτηςη ] log + [ δότηςη ] = pka 2 έκτης + - (H )( αµινοξυ ) -log ( αµινοξυ ) = ± (9-10) ότης pka 1 έκτης + ± (H )( αµινοξυ ) -log ( αµινοξυ ) = + (2-3) ότης ph - pka

ΙΣΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ pi 9 pi = pka + 1 pka 2 2

Καµπύλη ογκοµέτρησης γλυκίνης 10

Αµινογράφηµα Αµινογράφηµα των ουδέτερων και όξινων αµινοξέων της πρωτεΐνης των σπορίων τοµάτας. Στήλη 70 cm. Ρητίνη JEOL-LC-R-I). Ρυθµιστικά διαλύµατα ph 3,31 και 4,25. Χρόνος αλλαγής 140 min. Θερµοκρασία 55 C. 1. Ασπαραγινικό οξύ 2. Θρεονίνη 3. Σερίνη 4. Γλουταµινικό οξύ 5. Προλίνη 6. ΓΛυκίνη 7. Αλανίνη 8. Κυστεΐνη 9. Βαλίνη 10. Μεθειονίνη 11. Ισολευκίνη 12. Λευκίνη 13. Τυροσίνη 14. Φαινυλαλανίνη 11

R= αλειφατικό ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ R = αρωµατικό ή ετεροκυκλικό 12 1. R = µη πολικό, υδρόφοβο (Gly, Ala, Ile, Leu, Met, Phe, Pro, Trp, Val) 2. R = πολικό, υδρόφιλο (µη ιοντικό) Ser, Thr, Tyr (-OH) Asn, Gln (-CO-NH 2 ) Cys (-SH) 3. R = θετικά φορτισµένο (σε ph = 7) Lys, His, Arg 4. R = αρνητικά φορτισµένο (σε ph = 7) Asp, Glu Υδροφοβικότητα : G o = -RTln S S EtOH H 2 O

Αµινοξέα Αµινοξύ Μοριακό βάρος Όνοµα οµή 13 Όνοµα pi pka1 pka2 Αλανίνη 6,02 2,35 9,69 Σύµβολο 3 ή 1 γράµµατα Ala A 89.1 a-amino-propionic acid Αργινίνη 10,76 2,17 9,04 Ασπαραγίνη 5,41 2,02 8,80 Arg Asn R N 174.2 132.1 a-amino-δureinovalerianic acid 12,48 amide of Asp Ασπαρτικό οξύ 2,97 2,09 9,82 Asp D 133.1 a-amino-succinic acid 3,86 Κυστεΐνη 5,07 1,96 10,28 Γλουταµίνη 5,65 2,17 9,13 Cys Glu C Q 121.1 146.1 a-amino-βmercaptopropionic acid 8,18 amide of Glu

Αµινοξέα Αµινοξύ Μοριακό βάρος Όνοµα οµή 14 Όνοµα Γλουταµινικό οξύ 3,22 2,19 9,67 Σύµβολο 3 ή 1 γράµµατα Glu E 147.1 a-amino-glutaric acid 4,25 Γλυκίνη 6,06 2,34 9,78 Gly G 75.1 a-amino-acetic acid Ιστιδίνη 7,58 1,82 9,17 Ισολευκίνη 6,02 2,36 9,68 His Ile H I 155.2 131.2 a-amino-β-imidazol propionic acid 6,00 a-amino-β-methyl valerianic acid Λευκίνη 6,00 2,36 9,64 Leu L 131.2 a-amino-isocaproic acid Λυσίνη 9,74 2,18 8,95 Lys K 146.2 a-ε-diamino-caproic acid 10,53

Αµινοξέα 15 Αµινοξύ Μοριακό βάρος Όνοµα οµή Όνοµα Σύµβολο 3 ή 1 γράµµατα Μεθειθονίνη 5,75 2,28 9,21 Met M 149.2 a-amino-α-methyl thiol-n-butyric acid Φαινυλαλανίνη 5,53 1,83 9,24 Phe F 165.2 a-amino-β-phenyl propionic acid Προλίνη 6,30 1,99 10,6 Pro P 115.1 Pyrrolidine-2- carboxylic acid Σερίνη 5,68 2,21 9,15 Ser S 105.1 a-amino-β-hydroxy propionic acid Θρεονίνη 6,16 2,71 9,62 Thr T 119.1 a-amino-β-hydroxy n- butyric acidisocaproic acid Τρυπτοφάνη 5,89 2,38 9,39 Trp W 204.2 a-amino-β-3-indolylpropionic acid

Αµινοξέα 16 Αµινοξύ Μοριακό βάρος Όνοµα οµή Όνοµα Σύµβολο 3 ή 1 γράµµατα Τυροσίνη 5,65 2,20 9,11 Tyr y 181.2 a-amino-β-(ρhydroxy-phenyl propionic) acid 10,07 Βαλίνη 5,97 2,32 9,62 Val V 117.1 a-aminoisovalerianic acid

ΠΕΠΤΙ ΙΑ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ- ΟΜΗ 17 1. ΠΡΩΤΟΤΑΓΗΣ ΟΜΗ (primary structure) Γραµµική αλληλουχία αµινοξέων

Χαρακτηριστικά πεπτιδικού δεσµού: 18 Σταθεροποιείται µε συντονισµό δύο µεσοµερικών µορφών -ΝΗ- δεν πρωτονιώνεται για ph = 0-14 C-N- δεν περιστρέφεται, πολύ σταθερός ( > 400 kj/mol) 4 άτοµα του δεσµού + α άνθρακες στο ίδιο επίπεδο Πολυπεπτιδική αλυσίδα = σειρά άκαµπτων επιπέδων, -HCR-

οµή ενός τµήµατος µιας α-l-πολυπεπτιδικής αλυσίδας (διαµόρφωσης trans). Ενδοατοµικές αποστάσεις (Å) και γωνίες µεταξύ δεσµών ( ). Τα έξι άτοµα στα τετράγωνα είναι στο ίδιο επίπεδο. Το φ και ψ είναι οι δυνατές γωνίες συστροφής περί τον α-άνθρακα. Ο καθένας από τους πεπτιδικούς δεσµούς αµφίπλευρα του α-άνθρακα είναι σε ένα επίπεδο. Τα R 1, R 2, R 3 είναι σε θέση trans. (φ=ψ=180 C) 19

Πρωτοταγής δοµή β-λακτογλοβουλίνης 20

2. ΕΥΤΕΡΟΤΑΓΗΣ ΟΜΗ Τρισδιάστατος τρόπος διάταξης κατά τον άξονα : 21 Φυσική διαµόρφωση (native) : G = min α-έλικας ( α-helix) -P-N-P-P-N-N-P- 3,6 αµινοξέα / περιστροφή, δεξιόστροφος εσµοί Η 2 µεταξύ πεπτιδικών δεσµών υψηλή σταθερότητα µεγάλη «πυκνότητα» µικρές επιδράσεις µε άλλα µόρια Η 2 Ο

Προλίνη :µη συµβατή µε a-έλικα, διακόπτει δοµή 22 Τµήµατα τυχαίας σπείρας π.χ. καζεΐνη Τυχαία σπείρα (random coil) επίσης λόγω φορτισµένων ή ογκωδών αλύσων) β-πτυχωµένα φύλλα (β-pleated sheets) οµή ζιγκ-ζαγκ, πιο τεντωµένη από α-έλικα. Πεπτιδικές αλυσίδες σχηµατίζουν µε ενδοαλυσικούς δεσµούς Η 2 πτυχωµένα φύλλα : παράλληλα ή αντιπαράλληλα R-οµάδες : πάνω και κάτω από τα φύλλα (εκτός Asn, Glu, His, Lys, Pro, Ser) β-κάµψεις (β-bends) 3 10 -έλικας, υπερέλικας κολλαγόνου (πολυπρολίνη ΙΙ αριστερόστροφος, 3 α.ο./περιστροφή)

Αµφιφιλική διάταξη : Υδρόφοβα R εσωτερικά - Υδρόφιλα R εξωτερικά 23

Σχηµατική παράσταση τρισδιάστατης δοµής β-πτυχωµένων φύλλων: 24

3. ΤΡΙΤΟΤΑΓΗΣ ΟΜΗ Τρισδιάστατη οργάνωση µεγάλων τµηµάτων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας που περιέχει περιοχές σαφώς καθορισµένης δευτεροταγούς δοµής κσι περιοχές µε ασαφή ή χωρίς δοµή. 25 Ινώδεις πρωτεΐνες (κυρίως α-έλικες) Σφαιροειδείς (globular). Υδατοδιαλυτές σφ. Πρωτεΐνες Υδρόφοβα α. Οξέα στο εσωτερικό και υδρόφιλα οµοιόµορφα στην επιφάνεια. εσµοί υδρογόνου

Ανθρακική ανυδράση Τριτοταγής δοµή 26

Τριτοταγής δοµή ΚΑΖΕΙΝΕΣ 27

4. ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΗΣ ΟΜΗ Είναι αποτέλεσµα συσχετισµού πρωτεϊνικών µονάδων, όχι απαραίτητα µε καθορισµένη συµµετρία. Ίδιες δυνάµεις ή δεσµοί ως τριτοταγή δοµή + δισουλφιδικοί δεσµοί (-s-s-) 28 Ακτοµυοσίνη : Μυοινίδια (myofibrils) Μυοσίνη 55% : 475,000, 6 υποµονάδες Ακτίνη 20% : G-ακτίνη, σφαιροειδής 42,000 F-ακτίνη, ινώδης Τροποµυοσίνη, τροπονίνες

Ακτοµυοσίνη : Μυοινίδια (myofibrils) Μυοσίνη 55% : 475,000, 6 υποµονάδες Ακτίνη 20% : G-ακτίνη, σφαιροειδής 42,000 F-ακτίνη, ινώδης Τροποµυοσίνη, τροπονίνες 29 Σχηµατική αναπαράσταση της τεταρτοταγούς δοµής των µυοινικών πρωτεΐνών (a-e) Υποµονάδες της µυοσίνης και των µορίων της (f) Τεταρτοταγής δοµή της F-ακτίνης

Ιδιότητες δοµής σηµαντικών πρωτεϊνών τροφίµων 30