Protein adsorption in the food industry
प्रोटीन अधिशोषण ठोस सतहों पर प्रोटीन के आसंजन को संदर्भित करता है। यह घटना खाद्य प्रसंस्करण उद्योग में एक महत्वपूर्ण मुद्दा है, विशेष रूप से दूध प्रसंस्करण और शराब और बीयर बनाने में। अत्यधिक अधिशोषण, या प्रोटीन की अशुद्धता, स्वास्थ्य और स्वच्छता के मुद्दों को जन्म दे सकती है, क्योंकि अधिशोषित प्रोटीन को साफ करना बहुत मुश्किल है और बैक्टीरिया को आश्रय दे सकता है, जैसा कि बायोफिल्म में होता है। उत्पाद की गुणवत्ता प्रतिकूल रूप से प्रभावित हो सकती है यदि अधिशोषित सामग्री पाश्चराइजेशन जैसे प्रसंस्करण चरणों में हस्तक्षेप करती है। हालांकि, कुछ मामलों में प्रोटीन अधिशोषण का उपयोग भोजन की गुणवत्ता में सुधार के लिए किया जाता है, जैसा कि शराब पर जुर्माना लगाने के मामले में होता है। प्रोटीन अधिशोषण प्रोटीन अधिशोषण और प्रोटीन की अशुद्धता खाद्य उद्योग (विशेष रूप से डेयरी उद्योग) में बड़ी समस्याओं का कारण बन सकती है जब भोजन से प्रोटीन प्रसंस्करण सतहों पर अवशोषित हो जाते हैं, जैसे कि स्टेनलेस स्टील या प्लास्टिक (जैसे। पॉलीप्रोपाइलीन)। प्रोटीन फाउलिंग एक सतह पर प्रोटीन समुच्चय का संग्रह है। यह उन ताप प्रक्रियाओं में सबसे आम है जो उपकरण और गर्म किए जा रहे थोक पदार्थ के बीच एक तापमान ढाल बनाते हैं। प्रोटीन-दूषित हीटिंग उपकरण में, अधिशोषित प्रोटीन हीटर और थोक सामग्री के बीच एक अवरोधक परत बना सकते हैं, जिससे हीटिंग दक्षता कम हो जाती है। इससे अक्षम नसबंदी और पाश्चराइजेशन होता है। इसके अलावा, हीटर से चिपके प्रोटीन थोक सामग्री में जले हुए स्वाद या रंग का कारण बन सकते हैं। इसके अतिरिक्त, निस्पंदन को नियोजित करने वाली प्रक्रियाओं में, फ़िल्टर की सतह पर इकट्ठा होने वाले प्रोटीन समूह थोक सामग्री के प्रवाह को अवरुद्ध कर सकते हैं और फ़िल्टर दक्षता को बहुत कम कर सकते हैं। अधिशोषण के उदाहरण बीयर स्टोन एक बिल्डअप है जो तब बनता है जब बीयर बनाने की प्रक्रिया में अनाज और पानी से ऑक्सीलेट, प्रोटीन और कैल्शियम या मैग्नीशियम लवण अवक्षेपित होते हैं और केग्स, बैरल और नल लाइनों पर पैमाने बनाते हैं। खनिज पहले पात्र की सतह पर अवशोषित हो जाते हैं, जो आवेश आकर्षण द्वारा संचालित होते हैं। प्रोटीन अक्सर घोल में इन खनिजों के साथ समन्वित होते हैं और उनके साथ सतह पर बांध सकते हैं। अन्य मामलों में प्रोटीन भी सतह पर खनिजों को अवशोषित करते हैं, जिससे जमा को निकालना मुश्किल हो जाता है, साथ ही एक ऐसी सतह प्रदान करता है जो आसानी से सूक्ष्मजीवों को आश्रय दे सकती है। यदि नल लाइनों के अंदर निर्मित बीयर स्टोन गुच्छेदार हो जाता है, तो यह बीयर को धुंधला बनाकर और "ऑफ" स्वाद का योगदान देकर तैयार उत्पाद की गुणवत्ता को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकता है। यह पोषण संबंधी दृष्टिकोण से भी हानिकारक हैः ऑक्सीलेट्स गुर्दे में पथरी बनने के जोखिम को बढ़ाने के अलावा शरीर में कैल्शियम के अवशोषण को कम कर सकते हैं। वाइन बनाने वाले अंगूर और वाइन प्रोटीन तैयार वाइन, विशेष रूप से सफेद वाइन में एकत्रित होते हैं और धुंध और तलछट बनाते हैं। धुंध पैदा करने वाले प्रोटीन कम बसने वाले वेग या अलग-अलग कणों पर आवेश विकर्षण के कारण शराब में बने रह सकते हैं। बेंटोनाइट मिट्टी जैसे खनन एजेंटों का उपयोग इन प्रोटीनों को हटाकर शराब को स्पष्ट करने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, एल्ब्यूमिन, कैसिइन या जिलेटिन जैसे प्रोटीनयुक्त एजेंटों का उपयोग वाइन स्पष्टीकरण में टैनिन या अन्य फिनोल को हटाने के लिए किया जाता है। बायोफिल्म एक सतह पर अवशोषित सूक्ष्मजीवों का एक समुदाय है। बायोफिल्म में सूक्ष्मजीव एक पॉलीमेरिक मैट्रिक्स में संलग्न होते हैं जिसमें एक्सोपॉलीसेकेराइड्स, एक्स्ट्रासेलुलर डीएनए और प्रोटीन होते हैं। एक सतह (आमतौर पर धातु) को एक घोल में रखे जाने के कुछ सेकंड बाद, अकार्बनिक और कार्बनिक अणु सतह पर अवशोषित हो जाते हैं। ये अणु मुख्य रूप से कूलोम्बिक बलों द्वारा आकर्षित होते हैं (ऊपर खंड देखें), और सतह पर बहुत दृढ़ता से चिपक सकते हैं। इस पहली परत को कंडीशनिंग परत कहा जाता है, और सूक्ष्मजीवों के लिए सतह से जुड़ना आवश्यक है। ये सूक्ष्मजीव तब वैन डेर वाल्स बलों द्वारा प्रतिवर्ती रूप से जुड़ते हैं, जिसके बाद पीली या फ्लैजेला जैसी स्व-उत्पादित लगाव संरचनाओं के माध्यम से अपरिवर्तनीय आसंजन होता है। बायोफिल्म ठोस सब्सट्रेट जैसे कि स्टेनलेस स्टील पर बनते हैं। एक बायोफिल्म का संलग्न पॉलीमेरिक मैट्रिक्स अपने रोगाणुओं को सुरक्षा प्रदान करता है, जिससे डिटर्जेंट और सफाई एजेंटों के प्रति उनका प्रतिरोध बढ़ जाता है। खाद्य प्रसंस्करण सतहों पर बायोफिल्म खाद्य सुरक्षा के लिए एक जैविक खतरा हो सकते हैं। बायोफिल्म में रासायनिक प्रतिरोध में वृद्धि से लगातार संदूषण की स्थिति पैदा हो सकती है। दुग्ध उद्योग अप्रत्यक्ष ताप द्वारा दुग्ध का तापीय उपचार (उदा. माइक्रोबियल लोड को कम करने और शेल्फ लाइफ को बढ़ाने के लिए पाश्चराइजेशन) आमतौर पर प्लेट हीट एक्सचेंजर द्वारा किया जाता है। ऊष्मा विनिमायक सतह अधिशोषित दूध प्रोटीन जमा द्वारा दूषित हो सकती है। गन्दगी की शुरुआत कमरे के तापमान पर एक प्रोटीन मोनोलेयर के निर्माण से होती है, जिसके बाद गर्मी प्रेरित एकत्रीकरण और मट्ठा प्रोटीन और कैल्शियम फॉस्फेट जमा के जमाव से होती है। अवशोषित प्रोटीन गर्मी हस्तांतरण की दक्षता को कम करते हैं और दूध को पर्याप्त रूप से गर्म करने से रोककर उत्पाद की गुणवत्ता को संभावित रूप से प्रभावित करते हैं। प्रोटीन अधिशोषण के लिए तंत्र खाद्य उद्योग में प्रोटीन अधिशोषण के सभी उदाहरणों में आम प्रवृत्ति सतह पर पहले अधिशोषित खनिजों के अधिशोषण की है। इस घटना का अध्ययन किया गया है लेकिन यह अच्छी तरह से समझा नहीं गया है। मिट्टी जैसे खनिजों पर अवशोषित प्रोटीन की स्पेक्ट्रोस्कोपी सी = ओ और एन-एच बंधन हिस्सों में भिन्नता दिखाती है, जिसका अर्थ है कि ये बंधन प्रोटीन बंधन में शामिल हैं। कूलोम्बिक कुछ मामलों में प्रोटीन अत्यधिक सतह आवेश द्वारा सतहों की ओर आकर्षित होते हैं। जब किसी द्रव की सतह पर शुद्ध आवेश होता है, तो द्रव में आयन सतह पर अवशोषित हो जाते हैं। प्रोटीन की सतह पर चार्ज एमिनो एसिड अवशेषों के कारण प्रोटीन में चार्ज सतह भी होती हैं। सतह और प्रोटीन तब कूलोम्बिक बलों द्वारा आकर्षित होते हैं। एक आवेशित सतह () से एक प्रोटीन जो आकर्षण महसूस करता है, वह सतह के आवेश पर तेजी से निर्भर करता है, जैसा कि निम्नलिखित सूत्र द्वारा वर्णित हैः जहां प्रोटीन द्वारा महसूस की जाने वाली क्षमता सतह x की वास्तविक क्षमता है, वह प्रोटीन से सतह तक की दूरी है, और डेबी लंबाई है। एक प्रोटीन की सतह की क्षमता उसके पास चार्ज किए गए अमीनो एसिड की संख्या और उसके आइसोइलेक्ट्रिक बिंदु, पी. आई. द्वारा दी जाती है। थर्मोडायनामिक प्रोटीन अधिशोषण मिश्रण को गर्म करने के प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में भी हो सकता है। दूध प्रसंस्करण में प्रोटीन अधिशोषण का उपयोग अक्सर अन्य स्थितियों में इस प्रकार के अधिशोषण के लिए एक मॉडल के रूप में किया जाता है। दूध मुख्य रूप से पानी से बना होता है, जिसमें 20 प्रतिशत से भी कम निलंबित ठोस या घुलनशील प्रोटीन होते हैं। प्रोटीन कुल दूध का केवल 3.6 प्रतिशत है, और केवल 26 प्रतिशत घटक जो पानी नहीं हैं। ये सभी प्रोटीन पाश्चराइजेशन के दौरान होने वाली अशुद्धता के लिए जिम्मेदार हैं। चूंकि पाश्चराइजेशन के दौरान दूध को गर्म किया जाता है, इसलिए दूध में कई प्रोटीन विकृत हो जाते हैं। पाश्चराइजेशन का तापमान 161 डिग्री फारेनहाइट (71.7 डिग्री सेल्सियस) तक पहुंच सकता है। यह तापमान इतना अधिक है कि नीचे दिए गए प्रोटीन को विकृत कर देता है, जिससे दूध का पोषण मूल्य कम हो जाता है और दूषित हो जाता है। असंतुलन की मात्रा को कम करने के लिए दूध को थोड़े समय (15-20 सेकंड) के लिए इन उच्च तापमानों पर गर्म किया जाता है। हालांकि विकृत प्रोटीन से दूषित होना अभी भी एक महत्वपूर्ण समस्या है। विकृतीकरण प्रोटीन में हाइड्रोफोबिक अमीनो एसिड अवशेषों को उजागर करता है, जो पहले प्रोटीन द्वारा संरक्षित किए गए थे। उजागर हाइड्रोफोबिक अमीनो एसिड अपने आसपास के पानी की एन्ट्रापी को कम कर देते हैं, जिससे यह सतह के अवशोषण के लिए अनुकूल हो जाता है। कुछ β-लैक्टोग्लोबुलिन (β-lg) सीधे हीट एक्सचेंजर या कंटेनर की सतह पर अवशोषित हो जाएंगे। अन्य विकृत β-lg अणु कैसिइन माइसेल्स को अवशोषित करते हैं, जो दूध में भी मौजूद होते हैं। जैसे-जैसे अधिक से अधिक β-lg प्रोटीन कैसिइन माइसेल से जुड़ते हैं, यह एक समुच्चय बनाता है, जो फिर ताप विनिमायक और/या पात्र की सतह पर फैल जाएगा। जबकि समुच्चय दूध प्रसंस्करण में पाए जाने वाले अधिकांश प्रोटीन अपवित्रता की व्याख्या कर सकते हैं, यह सब इसके लिए जिम्मेदार नहीं है। एक तीसरे प्रकार की अशुद्धता की खोज की गई है जिसे विकृत β-lg प्रोटीन की रासायनिक अंतःक्रियाओं द्वारा समझाया गया है। β-lg में 5 सिस्टीन अवशेष होते हैं, जिनमें से चार सहसंयोजक रूप से एक दूसरे से जुड़े होते हैं, जिससे एक S-S बंधन बनता है। जब β-lg विकृत हो जाता है, तो पाँचवाँ सिस्टीन अवशेष पानी के संपर्क में आ जाता है। यह अवशेष तब अन्य β-lg प्रोटीनों के साथ जुड़ जाता है, जिसमें वे भी शामिल हैं जो पहले से ही सतह पर अवशोषित हैं। यह विकृत प्रोटीन और पात्र की सतह के बीच एक मजबूत अंतःक्रिया उत्पन्न करता है। आइसोथर्म्स आइसोथर्म्स का उपयोग सतह के ऊपर प्रोटीन की सांद्रता के आधार पर एक स्थिर तापमान पर सतह पर अधिशोषित प्रोटीन की मात्रा को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रोटीन अधिशोषण के लिए प्रयोगात्मक मूल्यों का वर्णन करने के लिए लैंगमुइर-प्रकार के आइसोथर्म मॉडल का उपयोग किया है। इस समीकरण में अधिशोषित प्रोटीन की मात्रा प्रति अणु सतह क्षेत्र है प्रोटीन की आंशिक दाढ़ मात्रा प्रति इकाई क्षेत्र में अधिशोषण की गिब्स मुक्त ऊर्जा का नकारात्मक है और संतुलन प्रोटीन सांद्रता है। इस समीकरण को प्रोटीन और पानी के मॉडल घोल से 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर प्रोटीन अधिशोषण की प्रयोगशाला सेटिंग पर लागू किया गया है। यह विशेष रूप से दूध प्रसंस्करण में प्रोटीन की अशुद्धता के प्रतिरूपण के लिए उपयोगी है। अधिशोषित प्रोटीन को हटाना अधिशोषित प्रोटीन खाद्य संपर्क सतहों से हटाने के लिए सबसे कठिन खाद्य मिट्टी में से हैं। विशेष रूप से, गर्मी-विकृत प्रोटीन (जैसे कि डेयरी उद्योग अनुप्रयोगों में पाए जाने वाले) सतहों पर कसकर चिपक जाते हैं और हटाने के लिए मजबूत क्षारीय क्लीनर की आवश्यकता होती है। यह महत्वपूर्ण है कि सफाई के तरीके दिखाई देने वाली और गैर-दिखाई देने वाली प्रोटीन मिट्टी दोनों को हटाने में सक्षम हों। बैक्टीरिया के विकास के लिए पोषक तत्वों के साथ-साथ खाद्य संपर्क सतह पर बनी बायोफिल्म को भी हटाया जाना चाहिए। प्रोटीन पानी में अघुलनशील होते हैं, अम्लीय घोल में थोड़े घुलनशील होते हैं और क्षारीय घोल में घुलनशील होते हैं, जो सतह से प्रोटीन को हटाने के लिए उपयोग किए जा सकने वाले क्लीनर के प्रकार को सीमित करते हैं। आम तौर पर, पेप्टाइजिंग और वेटटिंग एजेंटों के साथ अत्यधिक क्षारीय क्लीनर खाद्य संपर्क सतहों पर प्रोटीन हटाने में सबसे प्रभावी होते हैं। प्रभावी प्रोटीन हटाने के लिए तापमान की सफाई भी एक चिंता का विषय है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सफाई परिसर की गतिविधि बढ़ जाती है, जिससे मिट्टी को निकालना आसान हो जाता है। हालांकि, उच्च तापमान (> 55 डिग्री सेल्सियस) पर प्रोटीन विकृत हो जाते हैं और सफाई की प्रभावकारिता कम हो जाती है। क्षारीय क्लीनर को पी. एच. 7-14 वाले यौगिकों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। 11 या उससे अधिक के पी. एच. वाले क्लीनर द्वारा प्रोटीन को सतहों से सबसे प्रभावी ढंग से हटा दिया जाता है। एक मजबूत क्षारीय सफाई एजेंट का एक उदाहरण सोडियम हाइड्रॉक्साइड है, जिसे कास्टिक सोडा भी कहा जाता है। यद्यपि सोडियम हाइड्रॉक्साइड (एन. ए. ओ. एच.) खाद्य संपर्क सतहों जैसे कि स्टेनलेस स्टील पर क्षरण का कारण बन सकता है, यह प्रोटीन को भंग करने और खाद्य मिट्टी को फैलाने/पायसीकारी करने में इसकी प्रभावकारिता के कारण प्रोटीन हटाने के लिए पसंदीदा सफाई एजेंट है। धातु की सतहों पर क्षरण को कम करने के लिए अक्सर इन सफाई यंत्रों में सिलिकेट जोड़े जाते हैं। प्रोटीन में क्षारीय सफाई क्रिया का तंत्र तीन-चरणीय प्रक्रिया का अनुसरण करता हैः जैल का निर्माणः क्षारीय घोल के संपर्क में आने पर, प्रोटीन मिट्टी फूल जाती है और एक हटाने योग्य जेल बनाती है। प्रोटीन निकालनाः प्रोटीन जेल को बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के माध्यम से हटा दिया जाता है, जबकि सफाई एजेंट मिट्टी के माध्यम से फैलता रहता है, जिससे जेल का निर्माण बढ़ता है। क्षय अवस्थाः प्रोटीन जेल को उस बिंदु तक नष्ट कर दिया गया है जहां यह एक पतली जमा है। इस स्तर पर हटाने को कतरनी तनाव बलों और जेल के बड़े पैमाने पर हस्तांतरण द्वारा नियंत्रित किया जाता है। हाइपोक्लोराइट को अक्सर प्रोटीन को पेप्टाइज़ करने के लिए क्षारीय क्लीनर में मिलाया जाता है। क्लोरिनेटेड क्लींजर प्रोटीन में सल्फाइड क्रॉसलिंक को ऑक्सीकृत करके काम करते हैं। मिट्टी के मैट्रिक्स में क्लीनर के बढ़ते प्रसार के कारण सफाई की गति और दक्षता में सुधार हुआ है, जो अब छोटे, अधिक घुलनशील प्रोटीन से बना है। एंजाइम क्लीनर एंजाइम-आधारित क्लीनर विशेष रूप से बायोफिल्म हटाने के लिए उपयोगी हैं। पारंपरिक क्षारीय या एसिड क्लीनर से बैक्टीरिया को निकालना कुछ मुश्किल होता है। एंजाइम क्लीनर जैव फिल्मों पर अधिक प्रभावी होते हैं क्योंकि वे जीवाणु संलग्नक स्थलों पर प्रोटीन को तोड़कर प्रोटीज के रूप में काम करते हैं। वे उच्च पी. एच. और 60 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर अधिकतम दक्षता पर काम करते हैं। बायोडिग्रेडेबिलिटी और अन्य पर्यावरणीय कारकों, जैसे कि कम अपशिष्ट जल उत्पादन और ठंडे पानी का उपयोग करने से ऊर्जा की बचत के कारण एंजाइम क्लीनर पारंपरिक रासायनिक क्लीनर के लिए एक तेजी से आकर्षक विकल्प हैं। हालांकि, वे आम तौर पर क्षारीय या एसिड क्लीनर की तुलना में अधिक महंगे होते हैं। अरोमा केयर सॉल्यूशंस यू. के. में एक प्रमुख आपूर्तिकर्ता हैं। संदर्भ जैव रसायन खाद्य उद्योग प्रोटीन