Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Leif Skibsted, Institut for Fødevarevidenskab, Københavns Universitet
Salt påvirker proteiners opløselighed i vand. Koger man suppe på oksekød, vil suppen indeholde mere protein, hvis kødet koges med salt, end hvis salt tilsættes efter kogning. Det beskrives meget detaljeret i den klassiske ”Frøken Jensens Kogebog”, se boks 1.
Hofmeisters opdagelse
Nogle anioner som sulfat forårsager, at opløste proteiner udfældes af vandig opløsning. Andre anioner som klorid forårsager derimod, at proteiner opløses bedre, når man sammenligner anionerne i salte med den samme kation.
Hofmeister opstillede rækkefølgen af anioner efter effekten på proteiners opløselighed [1]. Figur 1 viser den originale rækkefølge afbildet på en mindetavle på Hofmeisters institut i Prag. Hofmeister bemærkede videre, at anioner havde større effekt på proteiners opløselighed end kationer. Til venstre i hvad der i dag kaldes Hofmeisters rækkefølge, og som er vist i boks 2, ses de såkaldte kosmotrope ioner som ammonium og sulfat. Ammonium og sulfat skaber orden i vand som opløsningsmiddel. Til højre i Hofmeisters rækkefølge ses de såkaldte kaotrope ioner som calcium og thiocyanat. Calcium og thiocyanat skaber uorden i vand som opløsningsmiddel.
Kosmotrope ioner er små og med høj ladning og bryder vandmolekylernes hydrogenbindinger. Denne elektrostatiske effekt skaber lokal struktur og orden. Kaotrope ioner er større og med lavere ladning og nedbryder vands struktur og skaber dermed uorden.
Kosmotrop og kaotrop er afledt af græsk for henholdsvis orden og uorden.
Salte og vands struktur
Hofmeisters rækkefølge blev oprindeligt forklaret ud fra de enkelte ioners effekt på vands struktur [2]. Ioner har ikke kun effekt på vandmolekyler bundet direkte til ionerne. Ioner kan også inducere mere langtrækkende strukturer og påvirke grænseflader mellem luft og vand.
Små anioner, der binder vand stærkt, kan stjæle vand fra proteiner, og synes at stabilisere proteiner. Store anioner, der binder vand svagere, synes at fremme denaturering af proteiner [3].
Proteiners opløselighed i vand afhænger af tilstedeværelse af salte og deres koncentration. Hæmoglobin og myoglobin har ofte været anvendt til at undersøge proteiners opløselighed og stabilitet, fordi de er små veldefinerede proteiner [4]. I den nu klassiske undersøgelse fra 1932 blev effekten af citrater, klorider og sulfater på hæmoglobins opløselighed fastlagt for stigende koncentration og dermed stigende ionstyrke. Som det fremgår af figur 2, var effekten meget forskellig. Alle salte øgede opløseligheden op til omkring fysiologisk ionstyrke på 0,16 M. Denne ”salting-in” blev for sulfaterne afløst af ”salting-out” for højere ionstyrke, men ikke for kloriderne.
De enkelte ioners virkning på vands struktur forklarer proteinernes opløselighed. Kosmotrope ioner som ammonium og sulfat hver for sig og især i kombination, mindsker proteinernes opløselighed og beskytter proteinerne mod denaturering. ”Salting-out” i mættede opløsninger af ammoniumsulfat benyttes derfor til at oprense enzymer, uden at enzymernes aktivitet ødelægges [5]. Calcium-ionen og thiocynat-ionen har modsat effekt. ”Salting-in” vil øge opløseligheden af proteiner og samtidig fremme deres denaturering. ”Salting-in” er knyttet til protein-denaturering, fordi den øgede opløselighed skyldes udfoldning af proteiner. ”Salting-out” derimod beskytter proteinernes rumlige struktur.
Ioner, specifikke effekter og ionpar
Ioner som Ca2+ har specifik effekt på mange proteiners opløselighed og deres denaturering, da mange kationer som Ca2+ binder sig til carboxylat-sidekæder af asparginsyre og glutaminsyre i proteiner [5].
Den fysiologisk vigtige klorid-ion, Clˉ, er midt i rækken mellem kosmotrope og kaotrope anioner. Klorid-ionen danner mere orden end den kaotrope perchlorat-ion, ClO4ˉ,selvom perchlorat-ionen generelt er mere inert og ikke danner ion-par.
Misfarvning af fersk oksekød skyldes auto-oxidation af det lyserøde oxymyoglobin til det brune metmyoglobin. Misfarvningen går hurtigere med faldende pH på grund af specifik syrekatalyse. Salt øger hastigheden af den syrekatalyserede misfarvning.
Det fysiologiske klorid synes at beskytte oxymyoglobin mod oxidation gennem en specifik effekt. Klorid-ionen binder sig til proteinet nær jern(II) centeret i oxymyoglobin og beskytter mod protonen i den syrekatalyserede oxidation. Den kaotrope perchlorat-ion har ikke denne beskyttende effekt, som det ses af figur 3. Det overraskende resultat, at klorid-ionen, men ikke perchlorat-ionen, beskytter mod syrekatalyseret oxidation, kan nu forklares ud fra Hofmeisters rækkefølge.
Kaotrope anioner har større tendens til at danne ionpar med kaotrope kationer, og kromotrope anioner har større tendens til at danne ionpar med kromotrope kationer end tendensen for de to kaotrop/kromotrop kombinationer. Disse præferencer minder om præferencer for hårde og bløde metalioners kompleksdannelse med hårde og bløde ligander. Bløde polariserbare metaller foretrækker bløde polariserbare ligander, og små hårde metalioner foretrækker små hårde ligander.
Netop dannelse af ionpar eller komplekser i grænseflader som mellem luft og opløsning og mellem udfældede proteiner og opløsning synes vigtig for forskellige saltes indflydelse på proteiner i opløsning [5]. For klorider øges grænsefladespænding for alkalisalte som K+ >Na+ > Li+, mens rækkefølgen er omvendt for sulfater [6]. Effekten af anion og kation er således ikke additiv.
“Salting-in” eller “Salting-out”
Almindeligt salt, NaCl, som det anvendes til fødevarer, har typisk en opløselighedsfremmende effekt på proteiner. Figur 2 viser, at opløseligheden af hæmoglobin vokser op til mættet saltvand, der har ionstyrken omkring 5 M. Tilsættes 10 gram salt svarende til to teskefulde til 1 liter kogevand til suppekogning, bliver koncentrationen 0,17 M. Ved denne saltkoncentration er opløseligheden af kødproteiner væsentligt forøget, som det ses af Frøken Jensens Kogebog i boks 1. “Salting-in” giver den kraftige suppe. Det er også denne effekt, der udnyttes ved ansaltning af kød til fars, hvor salt tilsættes kødet, før farsen røres for at opløse mere protein, der kan virke som emulgator i farsen under stegning og holde på farsens fedt.
Resultater af teoretiske beregninger for “salting-in” og “salting-out” bliver i disse år sammenlignet med den praktiske udnyttelse i biokemi, herunder i fødevarekemi. Der er stadig mange uløste spørgsmål, og der er brug for at inddrage effekt af pH og temperatur og specifikke bindinger af ioner og ionpar i grænseflader. Et spørgsmål synes dog besvaret. Hvorfor det er de samme ioner, der udfælder proteiner, som også beskytter proteiner mod denaturering.
E-mail:
Leif Skibsted: ls@food.ku.dk
Litteratur
1. Hofmeister, F. (1888). Zur Lehre von Wirknung der Salze. Archiv Experimentelle Patologie und Pharmakologie (Leipzig), 24, 247-260.
2. Xie, W.J. & Gao, Y.Q. (2013). A Simple Theory of the Hofmeister Serie. Journal of Physical Chemistry Letters, 4, 4247-4252.
3. Jungwirth, P. (2013). Hofmeister Series of Ions: A Simple Theory of Not so Simple Reality. Journal of Physical Chemistry Letters, 4, 4258-4259.
4. Green, A.A. (1932). Studies in the Physical Chemistry of the Proteins. X. The solubility of Hemoglobin in Solutions of Chlorides and Sulfates of Varying Concentration. Journal of Biological Chemistry, 45, 47-66.
5. Gregory, K.P., Elliot, G.R., Robertson, H., Kumar, A., Wanless, E.J., Webber, G.B., Craig V.S.J., Andersson, G.G. & Page, A.J. (2022). Understanding specific ion effects and the Hofmeister series. Physical Chemistry Chemical Physics, 24, 12682-12718.
6. Pegram, L.M. & Record. M.T. (2008). Origin of Hofmeister Ion Effect. Journal of Physical Chemistry B, 112, 9428-9436.
7. Andersen, H.J., Bertelsen, G. & Skibsted L.H. Salt effect on Acid Catalyzed Autoxidation of Oxymyoglobin. Acta Chemica Scandinavica A 42, 226-236.
BOKS 1:
Hofmeister i køkkenet
Kogning af kraftig suppe ifølge Frøken Jensens Kogebog:
Kød tilsættes koldt vand, hvor salt allerede er opløst. Herefter koges, indtil suppen er færdig. Suppen vil nu være kraftig og velsmagende, mens kødet er udkogt og kedeligt.
Sådan forbliver kød smagfuldt efter kogning af suppe ifølge Frøken Jensens Kogebog:
Kød tilsættes kogende vand. Salt tilsættes først senere. Suppen bliver nu smagløs, men kødet bevarer sin smag.
Hvordan får man både kraftig suppe og smagfuldt kød ifølge Frøken Jensens Kogebog:
Del kødet i to dele: kog den ene del på den ene måde, og den anden del på den anden måde. Formodentlig er det smagfulde kød ofte blevet serveret sammen med den kraftfulde suppe for herskabet ”upstairs”, mens det udkogte kød og den tynde suppe er blevet serveret ”downstairs”.
Frøken Jensens Kogebog udkom første gang i 1901. Denne udgave har forfatteren arvet fra familien.
BOKS 2:
Fra orden til uorden
Hofmeisters rækkefølge fra kosmotrope ioner mod venstre til kaotrope ioner mod højre for både kationer og anioner:
NH4+ > K+ >Na+ > Li+ >Mg2+ > Ca2+
SO42- > HPO42- > CH3COO– > citrat3- > Cl– > NO3– > I– > ClO4– > SCN–
Ioner til venstre, for både kationer og anioner, har størst tendens til
• at øge overfladespænding
• at beskytte proteiner mod denaturering
• at udfælde proteiner.
Kosmotrop og kaotrop er afledt af græsk for henholdsvis orden og uorden.
