KURZUS: Élelmiszer-kémia

MODUL: VII. modul

7. lecke: Szerves vegyületek, enzimek

| Szerves vegyületek
Alkoholok
A hidroxilcsoportok száma szerint megkülönböztetünk egy-, két- és többértékű alkoholokat. Aszerint, hogy a hidroxilcsoportot tartalmazó szénatom hány másik szénatomhoz kapcsolódik, beszélünk primer, szekunder és tercier alkoholokról. A metil-alkohol (CH3OH) megtalálható gyümölcspálinkákban is, amelyekben a gyümölcs erjesztése során a pektin-metilészterből képződik. Az etil-alkohol (CH3CH2OH) színtelen, kellemes szagú folyadék az élő szervezetek számára méreg. Hazánkban főleg melaszból és kukoricából gyártanak ipari méretekben alkoholt. A butanol (C4H10O) enyhe kozmaolaj szagú, gőze köhögésre ingerlő, kissé toxikus hatású, erjedési folyamatokban képződik. Az etilénglikol (C2H4(OH)2) szirup sűrűségű, édes ízű, erősen higroszkópos, erősen mérgező folyadék, ezért élelmiszer-ipari célokra nem használható. Esetenként a bor hamisítására alkalmazzák. A glicerint az élelmiszer-iparban édesítésre és nedvszívó hatása miatt lágyításra használják. Széles körben alkalmazza a kozmetikai ipar és a gyógyszeripar.
Fenolok
A fenolok olyan aromás hidroxiszármazékok, amelyekben az aromás gyűrű egy vagy több hidrogénjét hidroxilcsoporttal helyettesítjük. Savas jellegű vegyületek, közéjük tartozik a fenol (C6H5-OH), mely átható szagú, füstre emlékeztető aromájú, erősen égető, színtelen, kristályos anyag. Előfordul a tea- és a dohánylevél olajában, a füstölt húsokban, az alkoholtartalmú italokban, a pörkölt kávéban, a paradicsomban. Az eugenol a szegfűszeg illóolajának domináns komponense, a karvakrol pedig antiszeptikus hatású, a majorannában és a szurokfűben található meg.
Fenol
Oxovegyületek
Az oxovegyületek jellemzője a =C=O karbonilcsoport, amely attól függően, hogy az oxocsoport láncvégi vagy láncközi C-atomhoz kapcsolódik, lehet aldehid vagy keton. Az aldehidek általános szerkezete R-CHO. Az aldehidcsoport odorofor, azaz szagadó. Jellemző illatuk révén a különböző élelmiszerek aromaanyagainak összetevői, és részt vesznek az élelmiszerek nem enzimes barnulási folyamataiban is. Az acetaldehid (etanal) kis koncentrációban gyümölcsillatú, az alkoholos erjedés és az ecetsavgyártás fontos köztiterméke. A propionaldehid (propanal) megtalálható a zsírban, a tejben, az alkoholos italokban, a kávéaromákban, az almában és az illóolajokban. A kapronaldehid (hexanal) illata a faggyúra és a zöld levélre emlékeztető benzaldehid a keserű mandulában az amigdalin nevű ciántartalmú glikozid egyik komponense. A vanillin a vanília hüvelytermésében található.
A ketonok többsége jellegzetes, de nem kellemetlen illatú vegyület. Az aceton (2-propanon) az élő szervezetben az acetecetsav dekarboxileződésével képződik. A zingeron a gyömbér csípős ízű komponense. A makrociklikus ketonok közül a muszkon mósusz illatanyaga, a maltol pedig frissen sült kalácsra emlékeztető illatú anyag.
Szerves savak
A szerves savak karboxilcsoportot (-COOH) tartalmazó, szerves szénvegyületek. Az ecetsav (CH3COOH) fontos ipari nyersanyag, az élelmiszeripar savanyításra és ízesítésre is használja. Az n-vajsav [CH3(CH2)2COOH] kellemetlen, átható szagú,élelmiszerekben fordul elő, amelyek gyártása során erjedési folyamatok mennek végbe, így megtalálható a kenyérben, a savanyú káposztában, sajtokban, számos növényben. A kapronsav a tejben, sajtban, sörben, teában fordul elő. A propionsav (CH3CH2COOH) gyenge sav, amelyet a propionsav-termelő baktériumok hexózokból állítanak elő. A glikolsav okozza az éretlen szőlő savanyú ízét. A tejsav kellemes, savanyú íze miatt különböző élelmiszerek ízesítésére alkalmas. A benzoesav és származékai, valamint a szalicilsav baktericid és fungicid hatásúak.
Észterek
A szerves savak észterei rendkívül fontos aromaképző vegyületek, ugyanis a szerves savak alifás alkohollal képzett észtereire jellemző, hogy kis szénatomszámú képviselőik gyümölcsillatúak. A metil-acetát és az etil-acetát kellemes, friss gyümölcsillatú folyadék; az utóbbi a gyümölcsökben leggyakrabban előforduló észter.
Illóolajok
Kellemes illatú, olajszerű termékek, melyek részben optikailag aktívak. Az illóolaj-összetevők több mint 90%-a a terpének közé tartozik. Alapvázuk az izoprén (C5H8). A molekulát alkotó izoprénrészek száma szerint lehetnek monoterpének (C10H16), szeszkviterpének (C15H24), diterpének (C20H32), és így tovább. A monoterpének könnyen illó és rendkívül intenzív illatú vegyületek. Ilyen a mircén, amely kellemes illatú folyadék, a citronellol, rózsához hasonló illatú, vagy a mentol. Az L-mentol kellemes, hűsítő illatú, a D-izomer viszont csak enyhén hűsítő, dohos pince- és káposztaszagú vegyület. A kámfor lágy, jellegzetes szagú, illékony vegyület. Monociklikus szeszkviterpén szénhidrogén a zingiberén (gyömbérolajban) és a humulén (komlóban).
Alkaloidok
Az alkaloidok a növényekben található erős élettani hatású, nitrogéntartalmú, bázikus tulajdonságú, többnyire heterociklikus vegyületek, ezért rendszerezésük alapja a vegyületben előforduló heterociklikus alapváz (imidazol, indol, kinolizidin, kinolin, purin, akridin, kinazolin, pirrolidin, tropán). Az alkaloidok az agy különbözőközpontjainak működését befolyásoló, jelentős élettani hatású vegyületek. A purinvázas alkaloidok közé tartozik a xantin és annak n-metilezett származékai, a koffein, a teobromin és a teofillin. A papaverinaz ópiumban található, izokinolinvázas alkaloida. A kinin kinolinvázas. A nikotin pedig a dohány fő alkaloidja, pirrolidin vázas.

| Önellenőrző kérdések I.
1. Mi az etil-alkohol képlete?
| CH3OH
| C6H5-OH
| CH3CH2OH
| C4H10O
2. Melyik édes ízű?
| metanol
| butanol
| etilénglikol
| etanol
3. Melyik a szeszkviterpének képlete?
| C20H32
| C15H24
| C10H16

| Enzimek
Nagymolekulájú, szerves vegyületek, amelyek az élő sejtekben keletkeznek, és meghatározott kémiai reakciókat katalizálnak. Felhasználhatók élelmiszer előállításához.
Az élő szervezetek termodinamikai szempontból nyílt rendszerek. A sejtekben a nyomás és a hőmérséklet állandó, így a kémiai energiát alakítják át munkavégzésükhöz. Működésük megértéséhez ismernünk kell a termodinamikai tételeket. A termodinamika I. főtétele alapján a rendszer és a környezet összes energiája állandó, ez az energiamegmaradás törvénye.
Δ E=Q−W
Q = a rendszer által elnyelt hő, W = a rendszer által végzett munka.
Az egyenlet segítségével egy folyamatról megállapítható, hogy spontán végbemegy-e, a spontán reakciók ugyanis az energiacsökkenés irányába haladnak.
A termodinamika II. főtétele szerint minden folyamat olyan irányba tart, amelyben a rendszer + környezet entrópiája nő, amíg be nem áll az egyensúly. A nagy entrópianövekedéssel járó folyamatok nem megfordíthatók, irreverzíbilisek, míg reverzíbilis folyamatoknál nincs jelentős entrópianövekedés. Híg, vizes oldatokban, állandó hőmérsékleten és nyomáson érvényes az alábbi egyenlet:
Δ G=Δ H−T Δ S
T = abszolút hőmérséklet, Δ S = entrópiaváltozás, Δ H = entalpiaváltozás.
A sejtekben zajló kémiai folyamatok általában gyorsak, azonban hőmérséklet növelése, pH és egyéb jellemzők megváltoztatása valamint enzimek segítségével növelhető a reakcióidő. Szervezetünkben minden reakcióban részt vesznek enzimek, azaz biokatalizátorok. Specifikusak, minden anyagcsoportra külön enzim jött létre. Vannak reakciófajlagosak és szubsztrátfajlagosak.
Egy adott molekula (S) termékké (P) való alakulásának egyensúlyi állandója (K) felírható:
S P sebességi állandója 10-2 s-1, míg a visszaalakulásé 10-4 s-1
K= { P } { S } = k o k v = 10 −2 10 −4 =100
Egyensúlynál a termék koncentrációja 100-szorosa a kiindulási anyagénak, mindez független az enzimtől, mert az csak a reakció sebességét befolyásolja. A Michaelis-Menten kinetika alapján az enzim (E) reagál a szubsztráttal (S), melyből egy átmeneti komplex képződik (ES), majd egy újabb komplex (EP), mely szétválik és kialakul a termék (P), valamint visszakapjuk az enzimet (E).
Elnevezésük a szubsztrát nevéből, vagy a folyamat nevéből ered egy -áz végződéssel. (amilóz-amiláz, hidrolízis-hidroláz). Az enzimeket 6 csoportba osztották, oxidoreduktázok, transzferázok, hidrolázok, liázok, izomerázok és ligázok. Hőmérsékleti és pH optimumuk van, mely alatt vagy felett inaktiválódik az enzim. Bizonyos vegyületekkel gátolható az enzim működése, az oldallánc megkötése, konformáció megváltoztatása során. Az irreverzíbilis gátlást okozó anyagokat destruktoroknak hívjuk. Az enzimek hatékonyságát fokozó anyagokat pedig aktivátoroknak. A reakció az enzim aktívcentrumában megy végbe, melynek a kötőhelyéhez kapcsolódik a szubsztrát, kofaktor, a katalitikus hely pedig az átalakulást teszi lehetővé.
Oxidoreduktázok
Ide soroljuk a dehidrogenázokat, melyek a szubsztrátról hidrogént hasítanak le, az oxidázokat, melyek a hidrogént oxigénnek átadva víz kialakulását okozzák, az oxigenázokat, melyek a szubsztrát oxigénfelvételét segítik és a hidrogenázokat, amik a hidrogénezést segítik elő. A biológiai oxidációban fontos szerepe van a piridinenzimeknek, flavinenzimeknek.
Transzferázok
A szubsztrátról egy másik molekulára történő atomcsoportok, gyökök átvitelét katalizálják.
Hidrolázok
Főként a lebontási folyamatokban vesznek részt, a szubsztrátok kovalens kötéseit víz mellett bontják. Az észterázok észterek, a lipázok trigliceridek, a glikozidázok a glikozidok, az amilázok az amilóz hidrolízisét katalizálják. A proteázok a fehérjék peptidkötéseit hidrolizálja. Ide tartozik még a tripszin és az ureáz is.
Liázok
Szerepük az intermedier anyagcserében jelentős, C-O, C-N, C-C kötéseket bontanak.
Izomerázok
Szubsztráton belüli szerkezetváltozást katalizálja.
Ligázok
Két molekula kapcsolódását katalizálja, C-C, C-O, C-N.

| Önellenőrző kérdések II.
1. Melyik nem enzimcsoport?
| oxidoreduktázok
| hidrolázok
| oxidánsok
| transzferázok
2. Minek a jele a Δ S ?
| entrópiaváltozás
| entalpiaváltozás
| sebességváltozás

| Elvégzendő gyakorlatok
1. Alkoholszonda készítése
Szükséges eszközök: kémcső, vatta, üvegcső, csipesz, pipetta
Anyagok: 96%-os etanol, cc. kénsav, kálium-bikromát
Végrehajtás: A kémcsőbe pipettázzunk 3cm3 kénsavas kálium-bikromát oldatot (50ml cc.kénsav+ 2 g K2Cr2O7) majd az üveg csőbe a pipettahegybe helyezzük az etanollal átitatott vattát. Vagy egy percig fújjunk bele az üvegcsőbe.
Beadandó: A színváltozás magyarázata.
2. Ismeretlen anyagok meghatározása
1. Szükséges eszközök: kémcső, univerzálindikátor, csipesz, pipetta, mérőhenger, vegyszeres kanál
Anyagok: fenol, ecetsav, NaHCO3-oldat
Végrehajtás: A rendelkezésre álló anyagok, eszközök segítségével állapítsa meg, melyik kémcsőben melyik anyag van (fenol, ecetsav).
Beadandó: A meghatározás menetének leírása, és a kémcsövekben levő anyagok neve. Melyik anyagnak mennyi a pH-ja?
2. Szükséges eszközök: kémcső, főzőpohár, pipetta
Anyagok: etil-acetát, benzin, etanol, Lugol-oldat
Végrehajtás: A rendelkezésre álló anyagok, eszközök segítségével állapítsa meg, melyik kémcsőben melyik anyag van (etil-acetát, benzin, etanol)!
Beadandó: A meghatározás menetének leírása, és a kémcsövekben levő anyagok neve.
3. Illóolajok oldódása
Anyagok: illóolaj, deszt.víz, etil-alkohol, méz, tejszín, étolaj
Szükséges eszközök: kémcső, pipetta
Végrehajtás: Tegyen a kémcsövekbe rendre 2 cm3 desztillált vizet, etil-alkoholt, mézet, tejszínt és étolajat. Csepegtessen mindegyikhez illóolajat, majd jól rázza össze.
Beadandó: Miben oldódik és miben nem? Mi az oka?
4. Murexid-reakció koffein kimutatására
Anyagok: 0,5 mol/dm3-es H2SO4 oldat, 25%-os NH3 oldat, 35%-os cc. H2O2 oldat, cc. HCl, kloroform, univerzális indikátorpapír, őrölt kávé, desztillált víz
Szükséges eszközök: 3db főzőpohár, üvegbot, választó tölcsér, 2db mérőhenger, cseppentő, szűrőállvány, szűrőkarika, üvegtölcsér, vatta, vegyszeres kanál, táramérleg, Bunsen égő, vasháromláb, kerámiaháló, vízfürdő
Végrehajtás: Mérjen be 10 g őrölt kávét egy főzőpohárba. Adjon hozzá 5 cm3 0,5 mol/dm3-es H2SO4 oldatot és gázláng felett melegítse, majd vattán keresztül szűrje le, a szűrlet pH-ját 25%-os NH3 oldattal pH 9 körülire állítsa be. A kémhatást indikátorpapírral ellenőrizze. A szűrletet öntse választótölcsérbe és 2,5 cm3 kloroformot adjon hozzá. A választótölcsért dugójával alaposan zárja le és a tölcsérben lévő elegyet alaposan rázza össze. Vigyázzon a kloroformmal! Üvegét csak addig hagyja nyitva, míg kiméri belőle a megfelelő mennyiséget, utána azonnal zárja vissza!
Várja meg, míg a választótölcsérben a kloroformos fázis szétválik a vizes fázistól. Ha ez megtörtént az alsó, kloroformos fázist óvatosan engedje a tölcsérbe helyezett vattára és a szűrletet fogja fel egy főzőpohárban. Vigyázzon, hogy a vizes fázisból ne kerüljön a főzőpohárba! A kloroformos elegyet tegye 65 °C-os vízfürdőbe és párolja be szárazra. A szárazra párolt főzőpohár tartalmát vegye ki a vízfürdőből és adjon hozzá 3 csepp 35%-os H2O2 oldatot, valamint nagyon óvatosan 3 csepp cc. HCl-t és ismét párolja be szárazra. A szárazra párolt főzőpohárba adjon néhány csepp 25%-os NH3 oldatot. A főzőpohárban bíbor színű színreakció jelzi a koffein jelenlétét.
5. Enzimes reakció aktiválása és gátlása
Szükséges eszközök: kémcső, cseppentő, főzőpohár
Anyagok: keményítő, nyálamiláz, élesztő, NaCl, CuSO4, H2O
Végrehajtás: Öntse össze az anyagokat a kémcsövekbe a táblázat szerint duplán
Oldatok | A | B | C | D
1%-os keményítő | 1 ml | 1 ml | 1 ml | 1 ml
Nyálamiláz | 1 ml | 1 ml | 1 ml | -
Élesztő | - | - | - | 1 ml
0,1 mol NaCl | 1 ml | - | - | -
0,1 mol CuSO4 | - | 1 ml | - | -
H2O | - | - | 1 ml | 1 ml
Az egyik sorozatot A D tegye a fagyasztóba, míg a másikat A D 37 °C-ra.
2 percenként vegyen mintát mindkét sorozatból és végezzen pár cseppel Lugol-próbát.
Táblázatosan írja le a színreakciókat! Magyarázza a tapasztaltakat.