Chỉ cần cho trứng vào nồi và luộc vài phút, lòng trắng vốn trong suốt sẽ chuyển sang màu trắng và đông chắc lại. Khi rưới nước cốt chanh lên cá sống thái lát rồi để một lúc, thịt cá chuyển sang màu trắng đục; còn khi đánh lòng trắng trứng thật lâu, bọt sẽ phồng lên thành meringue trắng muốt. Có lúc dùng nhiệt, có lúc không, nhưng đằng sau cả ba cảnh tượng ấy đều là cùng một hiện tượng. Đó là sự thay đổi hình dạng của protein trong thực phẩm, hay còn gọi là “sự biến tính protein (Protein Denaturation)”.
Nói một cách đơn giản, sự biến tính protein là “hiện tượng cấu trúc không gian được tạo nên từ chuỗi axit amin gấp cuộn tinh vi bị duỗi ra hoặc xáo trộn dưới tác động của nhiệt, axit hay lực cơ học”. Trình tự các axit amin tạo thành chuỗi vẫn được giữ nguyên, nhưng khi hình dạng thay đổi, tính chất và chức năng của protein cũng thay đổi đáng kể.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu protein gấp cuộn thành hình dạng như thế nào, những tác động gây biến tính, sự thay đổi theo nhiệt độ qua một quả trứng, và ảnh hưởng của biến tính đối với dinh dưỡng.
Sự biến tính protein diễn ra hằng ngày trong nhà bếp
Khoảnh khắc chuỗi gấp cuộn duỗi ra
Protein là một chuỗi dài gồm hàng chục đến hàng trăm axit amin nối tiếp nhau. Chuỗi này không duỗi ra tùy tiện mà gấp cuộn chặt chẽ theo một hình dạng nhất định. Cấu trúc ấy thường được giải thích theo bốn bậc.
(1) Cấu trúc bậc 1
Chỉ trình tự liên kết của các axit amin. Các axit amin được nối với nhau bằng một loại liên kết bền vững gọi là liên kết peptit.
(2) Cấu trúc bậc 2
Là hình dạng của một phần chuỗi cuộn thành xoắn hoặc gấp nếp như bình phong. Các liên kết hydro giữa các chuỗi giữ ổn định hình dạng này.
(3) Cấu trúc bậc 3 và bậc 4
Là hình dạng không gian trong đó toàn bộ chuỗi đã gấp cuộn tụ lại như một quả cầu; nhiều chuỗi cũng có thể tập hợp thành một khối.
Biến tính chủ yếu là sự phá vỡ các cấu trúc từ bậc 2 trở lên. Vì liên kết peptit không bị cắt đứt nên cấu trúc bậc 1 vẫn được giữ nguyên. Do đó, protein đã biến tính vẫn chứa những axit amin như trước, nhưng tính chất thay đổi như thể trở thành một chất hoàn toàn khác, chẳng hạn protein vốn tan trong nước lại kết tụ với nhau, hoặc enzyme mất chức năng vốn có.
Những tác động khác nhau gây biến tính
Hình dạng gấp cuộn của protein được duy trì bởi các liên kết tương đối yếu, nên dễ bị xáo trộn bởi nhiều tác động hơn chúng ta tưởng. Những trường hợp thường gặp trong nhà bếp gồm có:
- Nhiệt (Heat): Khi nhiệt độ tăng, các phân tử dao động mạnh và những liên kết yếu bị phá vỡ. Nướng thịt và luộc trứng đều thuộc trường hợp này.
- Axit (Acid): Axit làm thay đổi điện tích của protein, gây xáo trộn cấu trúc. Ví dụ điển hình là ceviche, món cá được làm chín bằng cách ngâm trong nước cốt chanh xanh, hoặc sữa chua, trong đó axit lactic làm protein sữa kết tụ.
- Lực cơ học (Mechanical Force): Khi đánh mạnh lòng trắng trứng, protein tiếp xúc với không khí sẽ duỗi ra và tạo thành một lớp màng mỏng. Lớp màng này bao quanh các bọt khí, tạo thành meringue.
- Muối và chất làm đông (Salt and Coagulant): Khi cho nước ót vào sữa đậu nành đã đun nóng, protein đậu nành kết tụ thành đậu phụ.
Điều tương tự cũng xảy ra khi nướng thịt. Protein cơ chịu nhiệt sẽ biến tính và co lại, ép lượng nước giữ giữa các sợi cơ thoát ra. Đây là lý do thịt nấu quá lâu trở nên khô và dai. Vì vậy, với miếng thịt dày, người ta thường nướng mặt ngoài trước, sau đó làm chín bên trong từ từ ở nhiệt độ thấp và tắt bếp trước khi protein co lại quá mức.
Ngay cả cùng một loại protein cũng có thể tạo nên những kết cấu hoàn toàn khác nhau như gel mọng nước, bọt mềm mịn hay khối rắn chắc, tùy theo tác động mà nó chịu.
Phép màu của nhiệt độ qua một quả trứng
Trứng là nguyên liệu rất thích hợp để quan sát sự biến tính protein. Bởi lòng trắng chứa hàng chục loại protein, và nhiệt độ biến tính của mỗi loại lại hơi khác nhau.
Lòng trắng và lòng đỏ thay đổi theo nhiệt độ
Trong các protein của lòng trắng, ovotransferrin biến tính trước ở khoảng 61 độ, nên đến khoảng 65 độ, lòng trắng bắt đầu đông mềm và chuyển sang màu đục. Lòng đỏ bắt đầu sánh lại ở khoảng 65 độ rồi đông ở khoảng 70 độ. Ovalbumin, chiếm hơn một nửa lượng protein trong lòng trắng, chỉ bắt đầu đông khi nhiệt độ vượt quá 80 độ. Vì vậy, khi ngâm trứng lâu trong nước ở khoảng 65 độ, ta sẽ có trứng onsen với lòng trắng mềm và lòng đỏ ẩm mượt.
Ngược lại, nếu luộc quá lâu trong nước sôi, gần như toàn bộ protein sẽ kết tụ và đẩy nước ra ngoài, khiến lòng trắng dai như cao su. Như vậy, chỉ chênh lệch vài độ hoặc vài phút cũng đủ làm thay đổi hoàn toàn kết cấu của cùng một quả trứng. Đây cũng là lý do các phương pháp nấu kiểm soát nhiệt độ chính xác như sous vide được ưa chuộng. Trứng hấp trên lửa lớn có nhiều lỗ rỗ, còn hấp trên lửa nhỏ lại mịn màng, cũng là kết quả của việc điều chỉnh tốc độ đông của protein bằng độ lớn của lửa.
Biến tính có làm mất giá trị dinh dưỡng không?
Khi nghe nói protein bị biến tính, người ta dễ hiểu lầm rằng chất dinh dưỡng bị phá hủy, nhưng phần lớn trường hợp lại ngược lại. Các axit amin vẫn được giữ nguyên, trong khi cấu trúc gấp cuộn chặt chẽ duỗi ra giúp enzyme tiêu hóa tiếp cận chuỗi dễ dàng hơn. Trên thực tế, có nghiên cứu cho thấy protein trong trứng chín được hấp thu tốt hơn nhiều so với trứng sống. Một protein trong lòng trắng sống có tên avidin liên kết chặt với biotin, cản trở sự hấp thu biotin; khi được nấu chín, avidin biến tính và tác dụng này cũng yếu đi.
Biến tính không phải lúc nào cũng là quá trình không thể đảo ngược. Vào khoảng năm 1961, Christian Anfinsen đã làm duỗi enzyme ribonuclease trong dung dịch urê, rồi chứng minh rằng khi loại bỏ chất này, protein tự gấp cuộn trở lại hình dạng ban đầu; ông nhận giải Nobel Hóa học năm 1972 nhờ nghiên cứu này. Công trình cho thấy thông tin về cách gấp cuộn đã có sẵn trong trình tự axit amin. Tuy nhiên, trong những trường hợp các chuỗi đã duỗi ra kết tụ với nhau như ở trứng luộc, chúng không thể trở lại thành trứng sống.
Hiểu khoảnh khắc protein thay đổi hình dạng và biết điều chỉnh lửa cùng thời gian chính là bước đầu tiên trong khoa học nấu ăn ngon.
