Функциональные коллагенсодержащие субстанции на основе вторичных продуктов животноводства Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

NEW BIOPOLYMER COMPOSITIONS FOR ENCAPSULATED NUTRITIONAL SUPPLEMENTS

I.A. GLOTOVA, E.N. MAKARKINA, E.E. KURCHAEVA, M.V. PRONYAEVA

Voronezh State Agricultural University of Emperor Peter I,

1, Michurina st., Voronezh, 394087; ph.: (473) 253-71-66, e-mail: [email protected]

Prescription and component decisions and modes of receiving the biopolymeric dispersed compositions from the modified collagen-containing raw materials, on physical and chemical properties applicable for production of capsulated forms of food additives are offered. Research and a comparative assessment of a complex of indicators of quality of forming disperse systems with the analogs presented in the modern domestic market of encapsulated products, testifies to introduction possibility in production of collagenic bases for receiving food additives in the form of capsules.

Key words: capsulated foodstuffs, collagen, protein modification, biopolymer films, powdery semi-finished products.

612.398.11

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩИЕ СУБСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ЖИВОТНОВОДСТВА

И.А. ГЛОТОВА \ Н.А. ГАЛОЧКИНА \ Ю.В. БОЛТЫХОВ2

1 Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I,

394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1; тел.: (473) 253-71-66, электронная почта: [email protected], [email protected] 2Группа Компаний «Протеин. Технологии. Ингредиенты»,

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 19, корп. 1; электронная почта: [email protected]

Представлены результаты исследований по получению и исследованию структурных особенностей коллагенсодержащих дисперсионных систем методами рентгенофазового анализа и БОБ-электрофореза. В качестве исходных объектов использованы отходы жиловки говядины - жилки, сухожилия, фасции. Идентифицированы характерные дифракционные линии для коллагенсодержащих субстанций после различных вариантов предварительной обработки: пероксид-но-щелочной, ферментативного гидролиза с использованием препарата «Коллагеназа пищевая», а также их комбинации. Для варианта комбинированной пероксидно-щелочной и ферментативной обработки отходов жиловки говядины определены относительная электрофоретическая подвижность, молекулярная масса и массовая доля белковых фракций. Результаты рентгенофазового анализа и известный механизм действия коллагеназы позволяют говорить о низкомолекулярных фракциях коллагена, которые сохраняют упорядоченные области и способность к структурообразова-нию, с одной стороны, а с другой - способность к различным видам взаимодействия с биологически активными соединениями в реализации сорбционных процессов.

Ключевые слова: коллаген, биомодификация, рентгенофазовый анализ, диффузия, вторичные продукты животноводства.

Применение мясного сырья с высокой долей соединительнотканных белков в производстве пищевых продуктов в рамках традиционных технологий ограничено в связи с низкими функциональными и органолептическими свойствами нативных компонентов соедини-

Биоматериалы

Пищевые покрытия и оболочки

Косметические

средства

БАД

IС

Коллагеновые субстанции

Л

Отходы

шкуросырья

КРС

~П

□=

=с

Отходы

жиловки

мяса

=С

Отходы

кишечного

сырья

□=

=с

□_

Отходы натуральной колбасной оболочки

=Г

I ГРУППА

Вторичные коллагенсодержащие ресурсы

II ГРУППА

л

Свиная шкурка

Шквара

ЕЕ

Субпродукты П категории

|колбасы1 |соусы| [паштеты| |консервы| | эмульсии 11 гидролизаты11 гранулы] | начинки| Рис. 1

тельных тканей в рецептурах мясных продуктов. При обосновании рациональных путей использования вторичных коллагенсодержащих ресурсов мясной отрасли в производстве пищевых продуктов целесообразна их систематизация по микроструктурным характеристикам и соотношению белок-жир для формирования дифференцированных подходов, способов, методов переработки в пищевые добавки либо функциональные коллагеновые субстанции (рис. 1).

При этом свиная шкурка, шквара, субпродукты II категории могут быть эффективно использованы для получения биологически ценных пищевых добавок за счет комбинирования с комплиментарными по аминокислотному составу источниками растительного белка. Получаемые композиты служат структурообразующими компонентами в технологии эмульгированных продуктов на основе мясного сырья без снижения биологической ценности суммарного белка в составе комбинированных пищевых систем [1].

Вместе с тем, специфика аминокислотного состава, уникальная пространственная структура молекул кол-

лагена в составе вторичных ресурсов при переработке крупного рогатого скота в условиях мясокомбинатов (отходы шкуросырья, кишечного сырья, натуральной колбасной оболочки, жилки и сухожилия при жиловке мяса) обеспечивают стойкость коллагеновых субстанций при выделении из тканей и отделении от других компонентов, способность к восстановлению из растворов с формированием различных надмолекулярных структур, свойства пищевого волокна, обусловливая широкие прикладные возможности модифицированных коллагеновых продуктов. С учетом микрострук-турных характеристик и физико-химических свойств коллагенсодержащих сырьевых источников продуктами переработки могут быть как пищевые добавки, пленки, покрытия, съедобные колбасные оболочки, физиологически активные ингредиенты в составе продуктов питания, так и препараты профилактического и лечебного действия для нужд медицины, ветеринарии, косметологии [2].

Перспективным подходом для расширения возможностей и областей применения соединительных тканей сельскохозяйственных животных в пищевых технологиях является целенаправленная модификация их структурных компонентов на основе физико-химических и биотехнологических воздействий.

Цель работы - получение и исследование структуры очищенных коллагеновых субстанций, в том числе применительно к технологии пищевых покрытий, пленок, формовочных материалов. Объектами исследования были коллагеновые дисперсии, полученные при различных вариантах обработки отходов жиловки говядины: I - пероксидно-щелочной гидролиз; II - ферментативный гидролиз с использованием ферментного препарата «Коллагеназа пищевая» (производитель -ЗАО «Биопрогресс», г. Щелково, Московской обл.); III - двухстадийная комбинированная обработка (I + II). Пероксидно-щелочную обработку проводили в условиях: массовая доля гидроксида натрия в растворе 7,5%, объемная доля пероксида водорода 2,5%, объемное соотношение растворов 5:1, продолжительность обработки 6 ч. Ферментативный гидролиз проводили при дозировке ферментного препарата 0,02% к массе субстрата при продолжительности 2,5-3 ч.

Рентгенофазовый анализ образцов коллагеновых фракций после каждого этапа двухстадийного гидролиза проводили на дифрактометре ДРОН 4-07 в автоматическом режиме с шаговым перемещением 0,01°, временем экспозиции в каждой точке 3 с, используя СиКа-излучение. Во время съемки дифрактограмм пластины вращали вокруг нормали к отражающей плоскости. Расчет межплоскостных расстояний йш и интенсивностей (по максимуму и интегральных) дифракционных линий проводили по специальным программам на ШМ РС. Молекулярно-массовое распределение белковых фракций изучали с помощью БЭБ-электрофореза по методу Лэммли [3]. Использовали прибор вертикального электрофореза УБ-1М (производитель - ООО «Биоклон»).

На рис. 2 представлены дифрактограммы коллагеновых дисперсий, полученных после гидролиза: а - пе-роксидно-щелочного; б - ферментативного; в - перок-сидно-щелочного и ферментативного.

Для полученных экспериментальных данных установлено хорошее совпадение межплоскостных расстояний и максимальных относительных интенсивностей с табличными значениями для образцов выделенного коллагена из разных источников [4, 5].

а

ТИП ЙН0ДА - Си ЧИСЛО ИНТЕРВАЛОВ - 1 РЕИИИ - НЕПРЕРЫВНЫЙ НОМЕР НАЧ.УГОЛ КОН.ЧГОЛ ИЙГ ЗКСПОЗ. СКОРОСТЬ МАКС.ИНТ.

1 10.00В 7В. иве а. 100 6. ее 1 542

Интенсивность абсолютная Вся икала - 542

* л»* ' ^ ЧР ;

—!---------------------------------------------------------------------------------------------1-1-1-1-1-1-т-I-1-:-?-?-1—

10.Э 16.В 24.0 32.0 40.0 4В.0 56.0 64.0 ?0.В

------► 2 0 град.

б

ТИП АНОДА - Си ЧИСШ? ИНТЕРВАЛОВ - 1 РЕНИМ - НЕПРЕРЫВНЫЙ НОМЕР НАЧ,УГОЯ КОН.УГОЛ НАГ ЗКСПОЗ. СКОРОСТЬ МАКС.ИНТ,

1 19.008 68.880 0.108 6.В0 1 32?

Ы&НОТОТНЛй В«» мгапа * 32?

в

ТИП АНОДА - Си ЧИСЛО ИНТЕРВАЛОВ - 1 РЕИИМ - НЕПРЕРЫВНЫЙ

НОМЕР НАЧ.УГОЛ КОН.УГОЛ ЫАГ ЗКСПОЗ. СКОРОСТЬ ИАКС.ИНТ. 1 10.000 70.000 0.100 6.00 1 1В4Э

Интенсивность абсолютная Вся икала = 410

Г Г I I I 1 1 Г.... I “I '1 I I Г

10.0 16.0 24.0 32.В 40.0 48.0 56.0 64.0 ?0.0

2 0 —► град.

Рис. 2

Анализ данных показывает, что в структуре коллагеновых белков, полученных методами химической и энзиматической обработки, имеются упорядоченные (кристаллические) и неупорядоченные (аморфные) участки с характерными интерференционными максимумами для коллагена, равные расстоянию 2,86 А, соответствующие длине одного аминокислотного остатка, и периодами с й 11,4 и 4,6 А, соответствующие расстоянию между боковыми цепями аминокислотных остатков; также присутствуют фазы желатина и аминокислотных остатков, полученные в результате глубокой деструкции волокон коллагена (рис. 2).

Наличие дифракционных линий, идентифицированных с дифракционными линиями коллагена в кристаллической фазе для образца, полученного после пе-роксидно-щелочного гидролиза (рис. 2, а), позволяет сделать вывод о сохранении в основных чертах структуры, свойственной нативному коллагену.

На всех дифрактограммах отмечено наличие аморфного гало, указывающего на присутствие некоторой доли аморфной фазы в исследуемых образцах. Ярко выраженная аморфная фаза наблюдается у образца 2, дисперсии полученной после обработки коллаге-назой (рис. 2, б), что свидетельствует о высокой степени деструкции трехцепочечных спиралей молекул коллагена с образованием различных трипептидов.

Двухстадийный гидролиз коллагена приводит к разрушению внутри- и межфибриллярных связей, уменьшению его молекулярной массы. В свою очередь это ведет к увеличению содержания фракций кристаллического кислоторастворимого коллагена, что подтверждается в дальнейшем при его диспергировании в аскорбиновой кислоте.

Степень упорядоченности структуры коллагеновых белков после различных вариантов модификации соединительной ткани оценивали по отношению между максимальной и приведенной интенсивностью каждого анализируемого образца. Расчеты показывают, что степень структурной упорядоченности образца после пероксидно-щелочного и ферментативного гидролиза в 3,4 раза выше, чем после пероксидно-щелочного гидролиза, и в 5,6 раза выше, чем после ферментативного гидролиза.

Результаты рентгенофазных исследований позволяют зафиксировать увеличение интенсивности в области интерференционных максимумов, а также смещение соответствующих им межплоскостных расстояний в зависимости от вида предварительной обработки коллагенсодержащего сырья как следствие конформа-ционных изменений спиральной структуры коллагена, а именно, деструкцию полипептидных цепей и модификацию функциональных групп под действием пе-роксидно-щелочной и ферментативной обработки.

Рентгенофазовый анализ позволяет выявить лишь упорядоченные структуры полипептидных цепей коллагена [4, 5], однако наличие значительного аморфного гало и неидентифицированные мелкие пики обусловливают целесообразность исследования молекуляр-

Рис. 3

но-массового распределения коллагеновых фракций с помощью БЭБ-электрофореза (рис. 3).

В результате разделения исследованного нами раствора коллагена методом БЭБ-электрофореза в ПААГ в препарате было выявлено 4 основных белковых фракции (таблица).

Таблица

Белок К/, отн. ед. 1§, Мг Молекулярная масса, Ба Массовая доля фракций, %

1 0,031 2,005 101100 18,4

2 0,077 1,950 89100 19,1

3 0,107 1,918 82700 22,3

БСА 0,246 1,826 67000

4 0,312 1,706 50800 40,1

Трипсин 0,650 1,380 24000

Лизоцим 0,830 1,158 14400

Результаты свидетельствуют, что выбранный вариант обработки обеспечивает деструкцию нативного коллагена, сопровождающуюся уменьшением его молекулярной массы от 3 до 5,9 раза в зависимости от идентифицируемой электрофоретической подвижности фракций. Однако результаты рентгенофазового анализа и известный из литературных источников механизм действия коллагеназы позволяют говорить о низкомолекулярных фракциях коллагена, которые сохраняют упорядоченные области и способность к структурообразованию, с одной стороны, а с другой -способность к различным видам взаимодействия с биологически активными соединениями в реализации сорбционных процессов [6].

Сорбционная емкость полученных коллагеновых продуктов по отношению к соединениям биологически активных веществ, детерминированная наличием специфических функциональных групп, позволяет рекомендовать их к использованию в качестве носителей в технологии пищевых пленкообразующих покрытий с барьерными свойствами [6], новых пищевых добавок-источников для дозированного обогащения продуктов

питания эссенциальными микроэлементами, в частности селеном [7], а также как биополимерную основу при разработке капсулированных форм пищевых и биологически активных добавок с пролонгированным сроком действия и возможностью доставки целевых веществ к определенному органу.

литература

1. Пат. 2209056 РФ. МПК7 А 23 Ь 1/314, 1/317, 1/312, 1/20. Способ получения структурообразователя для пищевых продуктов, преимущественно мясных / Л.В. Антипова, И.А. Глотова, А.Н. Кузнецов // БИПМ. - 2003. - № 22.

2. Глотова И.А. Инновационные направления в использовании вторичного коллагенсодержащего сырья // Мясные технологии. - 2010. - № 7. - С. 56-59.

3. Westermeier R. Electrophoresis in Practice: A Guide to Methods and Applications of DNA and Protein Separations, 4th, Revised and Updated Edition. - Wiley, 2004. - 426 p.

4. Зайдес A.A. Структура коллагена и ее изменения при обработках. - М.: Легкая индустрия, 1972. - 168 с.

5. Михайлов A.H. Химия и физика коллагена кожного покрова. - М.: Легкая индустрия, 1980. - 230 с.

6. Глотова И.А., Болтыхов Ю.В., Василенко В.В., Сит-никова М.Е. Технология получения пищевых покрытий с барьерными свойствами из биомодифицированных коллагеновых белков // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2010. - № 4. - С. 15-18.

7. Галочкина Н.А., Макаркина Е.Н., Глотова И.А., Вто-рушина И.В. Квантово-механическое моделирование в разработке новых пищевых добавок с биопротекторными свойствами // Совр. проблемы науки и образования. - 2012. - № 1. - www.science-education.ru/101-5614 (дата обращения 25.05.2012).

Поступила 28.05.12 г.

FUNCTIONAL SUBSTANCES CONTAINING COLLAGEN ON BASIC OF ANIMAL SECONDARY PRODUCTS

I.A. GLOTOVA1, N.A. GALOCHKINA1, YU.V. BOLTYCHOV2

1 Voronezh State Agricultural University of Emperor Peter I,

1, Michurina st., Voronezh, 394087;ph.: (473) 253-71-66, e-mail: [email protected], [email protected]

2 Group of Companies "Protein, Technologies, Ingredients”,

19, build. 1, Yaroslavskoye Highway, Moscow, 129337; e-mail: [email protected]

The results of the research on the study of collagen dispersive systems structural features by roentgen-phase analysis methods and SDS electrophoresis are presented. The basic objects wastes of beef preparation - veins, sinews are used. Characteristic diffraction lines for collagenic substances after various options of preliminary processing: peroxid-alkaline, fermental hydrolysis with «Collagenase Food», and their combinations are identified. For processing of waste of beef preparation relative electrophoretic mobility, molecular weight and mass fraction of albuminous fractions are defined. The results of the roentgen-phase analysis and the known mechanism of action of a collagenase allow to discuss low-molecular fractions of collagen which keep the ordered areas and the ability to structurization, on the one hand, and on the other - ability to different types of interaction with biologically active connections in realization of sorption processes.

Key words: collagen, bioupdating, roentgen-phase analysis, diffusion, animal secondary products.

637.07:544

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ МОДИФИКАЦИИ СОСТАВА И СЕНСОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Е.Е. КУРЧАЕВА, Н.В. КОРОЛЬКОВА, Н.А. СОСКОВА, С.В. КАЛАШНИКОВА

Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I,

394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1; тел./факс: (473) 253-86-51, электронная почта: [email protected]

Исследована возможность использования в составе нового мясного продукта биомодифицированного вторичного мясного сырья. Представлен подход к прогнозированию показателей качества мясных продуктов с привлечением структурирования функции качества и сенсорных технологий.

Ключевые слова: мясные системы, управление качеством, развертывание функции качества, биомодифицированное мясное сырье.

Управление качеством продукции охватывает все Цель настоящего исследования - проектирование и

этапы его формирования, начиная с маркетинговых ис- управление качеством нового вида мясного продукта с

следований рынка и требований к качеству, включая привлечением методов биотехнологии и оценки его

разработку, подготовку производства и выпуск продук- сенсорных характеристик.

ции. В связи с этим на всех этапах производства необ- В качестве основного сырья при получении нового

ходимо обеспечить контроль технологических опера- вида мясного продукта использовали говядину высше-

ций в соответствии со стандартом ИСО 9001-2008, ко- го, 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 779-55 в парном и замо-

торому отводится главное место в системе управления роженном состоянии, модельные фарши, белковый

качеством [1]. композит (биотрансформированное вымя КРС); чис-