CC BY
33
0
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ / Технологический потенциал
Гццротермическая стабильность
фибриллярных белков при переработке в пищевые продукты
А. Ю. Соколов, канц. техн. наук,
ФГБОУ Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова
Различные свойства фибриллярных белков, включая термохимические, коллоидные, коллигативные (например, осмотическое давление), реологические и другие, могут служить теоретической основой цля решения прикладных задач - использования белкового сырья в пищевых целях. Например, такие характеристики как гидрофильные, способность к студ-необразованию, коррелируют с потребительскими свойствами готовой продукции, а именно, консистентными и текстурными.
УДК 637.614:577.112
Ключевые слова: фибриллярные белки, конформационная стабильность белков, ГОСТ Р 53221-2008, белковый продукт из шкур, нативные белки
^ Цель настоящей работы -оценить влияние гидролитических обработок неорганическими соединениями (гидрокси-дами одновалентных металлов, одноосновными кислотами в присутствии нейтральной соли) на гидротермическую устойчивость биополимеров и получаемых из них многофункциональных белковых препаратов для пищевых целей. Отходы конту-рирования кожевенного сырья от свиней II или III категорий по ГОСТ Р 53221-2008 [1], служили объектами изучения. В основу данной работы легли представления об изменениях тканей кожного покрова при подготовительных процессах производства желатина, кожевенных материалов и т.п. Полученные полуфабрикаты условно названы «белковым продуктом из шкур» (БПШ) и предназначены для использования в составе мясных продуктов.
В настоящее время сложилась тенденция комплексных исследований структурных биополимеров соединительной ткани. Однако большинство исследований, посвященных коллагеновым белкам, либо были связаны с обоснованием процессов дубления кожевенного производства, либо с получением желатина. В меньшей степени изучены особенности изменений фибриллярного белкового сырья при переработке в пищевые продукты.
Набухание. Молекулярная сорбция и т.п.
Повышение способности к студнеобразованию_
Контракция. Разрыхление структуры. Диспергирование, волокон
ОБРАБОТКА СЫРЬЯ жиривание. Деструкция белков группы кератина
Улучшение органолептиче-ских свойств (осветление, дезодорация) и переваримости
Рисунок 1. Изменения коллагенсодержащего сырья, вызванные гидролитической обработкой
Характерным для коллагено-вых белков является особый характер взаимодействия с основаниями, кислотами, солями, что в целом можно назвать поэтапным процессом обводнения, вплоть до перехода в коллоидный раствор.
В результате, можно получить биополимеры (белки) разной степени очистки от сопутствующих компонентов. Представление об их строении было получено на основании физических методов, в т.ч. электронной микроскопии (для наиболее полного представления о микроструктуре), дифракции рентгеновских лучей и т.п. В последние десятилетия используется дифференциально-термический анализ, дающий более информативные показатели, которые коррелируют с результатами метода изучения гидротермической стабильности, являющегося стандартным при изучении кожевенных материалов по ГОСТ 938.25-73 [2].
Известно, что нативные
белки имеют широкий диапазон температур денатурации (°С):
Коллаген 58-65
Эластин 125
Миоглобин 60-70
Актин 50-55
Миозин 45-55
Различные процессы, происходящие при гидролитической обработке фибриллярного белкового сырья растворами электролитов, представлены на рисунке 1.
В результате можно наблюдать коллоидно-химические изменения, такие как обводнение, набухание, молекулярная сорбция, эффект щелочных поверхностно активных веществ, возможность студнеобразования, механические и микроструктурные - контракция, разделение и диспергирование волокон. Очевидны химические изменения в виде ослабления связей, частичного удаления жиров и некоторых кератиновых производных, неустойчивых к основаниям. Все это положительно влияет на потребительские характе-
22
ё О МЯСЕ № 1 февраль 2013
Технологический потенциал / МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЁР
ристики продуктов - дезодорацию, осветление, улучшение переваримости и микробиологического состояния.
Белки группы коллагена in vivo характеризуются структурообразующей функцией. Их основная структурная единица - тропоколла-ген. Обводненный коллаген кожного покрова при температуре порядка 60 °С, резко контрастирует до 1 /3 или 1 /4 нормальной длины. Он после сокращения приобретает совершенно новые свойства: появляется эластичность, дифракционная картина под малыми углами исчезает полностью, обычная дифракционная картина - частично.
На изменения белков соединительной ткани влияет комплекс факторов. В частности, коллагенсо-держащее сырье может включать примерно 27 типов и разновидностей белков. В дерме основной представитель белков этой группы-коллаген I типа. При этом типы III, IV и в малых количествах типы V и VI также присутствуют в кожном покрове [3].
Роль комплексообразователей для таких белков играют соединения класса гексоз (0,4-0,6 %), например, глюкоза, галактоза, ман-ноза, гексозамины (около 0,2 %), которые стабилизируют такие структуры с формированием надмолекулярных ассоциатов. Углеводы локализуются преимущественно на поверхности фибрилл, и, видимо, разрушаются в процессах гидратации, гидролиза, включая отмочно-зольные операции кожевенного или желатинового производств.
Ковалентные и нековалентные взаимодействия в молекуле белка обу-славливают его стабилизацию -водородные, ван-дер-ваальсовы, гидрофобные и т.п. В частности, водородные связи -межспиральные взаимодействия типа электростатических, обусловливают, ввиду их многочисленности, стабильность молекулярной структуры фибриллярных белков. В то же время известны и особые связи в коллагене, которые образуют точки разветвления и поперечные сшивки между пептидными цепями, находящиеся внутри трехспиральной молекулы. Некоторые из таких связей одно-
временно являются и поперечными (альдегидные, карбонильные связи углеводный компонентов).
Например, ковалентные поперечные связи необычного типа образуются между двумя остатками лизина, расположенными в соседних цепях [3, 5]. Аналогичны по структуре основания Шиффа, образующиеся на одной из стадий биосинтеза коллагена.
При щелочном гидролизе происходит, вероятно, деструкция поперечных ковалентных связей. Для наиболее точного представления об этих изменениях используют термодинамическую характеристику теплового сокращения коллагена.
Длительность обработки сырья зависит от того, какой продукт по агрегатному состоянию и структуре необходимо получить. При этом исходили из того, что целесообразно было сохранить структуру коллагеновых белков, а кератино-вые включения - удалить [4].
В настоящем эксперименте были проведены три серии обработок отходов свиного кожевенного сырья, которые различались продолжительностью воздействия; концентрация гидроксида натрия в каждой серии также варьировалась. Во всех вариантах использован раствор гидроксида натрия в присутствии хлорида натрия для снижения осмотического набухания макромолекул коллагеновых белков - таблица 1.
Выбор режимов гидролитической модификации вызван тем, чтобы с одной стороны обеспечить гидратацию, разволокнение белковых волокон, с другой - подавить
Таблица 1.
Вариант обработки Концентрация, %: Длительность (т), ч
NaOH NaCl
I серия
3/6 3 6 6
5/6 5 6 6
7/6 7 6 6
9/6 9 6 6
II серия
3/13 3 6 13
5/13 5 6 13
7/13 7 6 13
9/13 9 6 13
III серия
3/20 3 6 20
5/20 5 6 20
7/20 7 6 20
9/20 9 6 20
чрезмерное осмотическое набухание [6]. Это достигается использованием растворов хлорида натрия в вышеуказанных концентрациях. При содержании этой соли 5 % и более степень обводнения может снижаться.
Закономерности изменения набухания и упругости различны: так, например, кислоты в отношении влияния на увеличение степени набухания располагаются в следующий ряд:
сн3соон<н^о4<сн3снон
•СООН<НС1. В кислой и щелочной средах присутствие хлорида натрия понижает набухание, причем в первом случае при концентрации соли в 0,5 М поглощение воды фибриллярным белком происходит в меньшей степени, чем в присутствии чистой воды.
На рисунке 2 представлены результаты измерений гидротермиче-
20 ч
Т, Ч
Рисунок 2. Влияние параметров обработки на изменение гидротермической устойчивости сырья
№ 1 февраль 2013 ВСЁ О МЯСЕ
23
0
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ / Технологический потенциал
ской стабильности сырья.
В нативном состоянии устойчивость спирали отдельной цепи тро-поколлагена зависит от количества чередующихся остатков аминокислот «основной» последовательности: глицина, пролина и гидрокси-пролина. Такая внутрицепочечная конформация формирует поперечные связи (в основном нековалент-ные взаимодействия). Гидролитическая обработка сырья приводит к их разрушению.
Температура гидротермического сокращения показывает степень модификации, т.е. наличие межмолекулярных мостиков в молекуле. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что с возрастанием концентрации, и с увеличением продолжительности щелочно-солевого воздействия, гидротермическая устойчивость снижается (для образцов нативных свиных шкур данный показатель составлял 60,4 °С). Наибольшая гидротермическая устойчивость, после проведения обработок, была установлена для образцов после воздействия 3 % щелочно-солевым раствором, продолжительностью шесть часов, а наименьшая - при модификации 9 % раствором также в течение шести часов. При обработках согласно вариантам 9/13 и 9/20 (рис. 2) этот показатель определить не удалось вследствие значительной пластификации образцов и отсутствия момента контракции.
Для дальнейшего рассмотрения были отобраны по сенсорным по-казателямобразцы 9/6, 7/13 и 7/20 с гидротермической стабильностью 38,7, 42,0 и 40,2 °С, соответственно. Различия в этих показателях коррелируют с одной стороны с разрушением межцепных связей, с другой - содержанием пролина и гидроксипролина в фибриллярных белках. Была показана тенденция снижения содержания оксипролина - 9,92, 9,04 и 8,70 (% к белку) для образцов 9/6, 7/13 и 7/20, соответственно, вследствие
Литература
Рисунок 3. Микроструктура сырья (а) и БПШ (б)
интенсификации обработки.
Сравнение этих значений с таковыми же для тропоколлагеновой частицы (около 43 °С) показывает большее приближение к варианту 7/13. По данным монографии [5], после щелочно-солевой обработки дермы КРС в 10 % гидроксиде натрия в присутствии 14 % сульфата натрия, гидротермическая устойчивость ее составила 44 °С, что также не противоречит полученным результатам. Однако использование сульфата натрия в качестве обезвоживающей соли неприемлемо в пищевых целях и соответственно в наших исследованиях.
Поскольку щелочи в большей мере гидролизуют белки группы кератина, в отличие от коллагена, то образцы 9/6, 7/13 и 7/20 характеризовались практически 100% удалением корней щетины и волосяных фолликулов, что мы и наблюдаем на рисунке 3. В сырье (рис. 3, а) можно выявить сравнительно плотные конгломераты и отдельные волокна, элементы волосяных фолликулов.
Корни и стержни волос в БПШ практически не дифференцируются; пучки коллагеновых волокон разрыхлены, что заметно даже в глубоких слоях дермы. Поэтому, при выборе наиболее рационального варианта обработки, наряду с определением гидротермической устойчивости, оценивали визуально
и методом сканирующей электронной микроскопии полноту удаления кератиновых включений.
В целом, общая архитектоника соединительной ткани сравнима с нативной. Это свидетельствует о сохранении природных коллоидно -химических свойств фибриллярных биополимеров и возможности гидратации и студнеобразования в процессах переработки в пищевые продукты.
Таким образом, снижение показателей гидротермической устойчивости свидетельствует не только об ослаблении межмолекулярных связей, но и, по-видимому, об уменьшении значений структурно-механических показателей сырья, которое в нативном состоянии обладает значительной жесткостью.
Полученные данные свидетельствуют о значительном сохранении молекулярных характеристик фибриллярных белков сырья, их кон-формационной стабильности и функционально -технологического потенциала сырья.
Результаты могут использоваться при создании экологически безопасных малоотходных технологий на мясокомбинатах, включая разработку новых видов продукции, производственный контроль качества.
Контакты:
Александр Юрьевич Соколов +7(499)237-4079
1. ГОСТ Р 53221-2008. Свиньи для убоя. Свинина в тушах и полутушах. Технические условия. - Режим доступа : http://protect.gost.ru.
2. ГОСТ 938.25-73. Кожа. Метод определения температуры сваривания. - Режим доступа : // http://standard.gost.ru/wps/portal/interstandards.
3. Антипова Л.В. и др. Использование вторичного коллагенсодержащего сырья мясной промышленности : Монография / Л. В. Антипова, И. А. Глотова. - СПб: ГИОРД, 2006. - 384 с.
4. Соколов А.Ю. Изучение свойств коллагенсодержащего сырья (свиных шкур) и научное обоснование возможности его использования в пищевых целях : Автореф. дис. ...канд. техн. наук. -М.: МГАВМиБ, МГУПБ, 2002. - 199 с.
5. Сычеников И.А. Коллагенопластика в медицине. Под ред. В.В. Кованова и И.А. Сыченикова /И.А. Сычеников, Р.К. Абоянц, А.Ф. Дронов и др.: Монография. - М.: Медицина, 1978. - 256 с.
6. Васильев М.П. Коллагеновые нити, волокнистые и пленочные материалы: монография / М. П. Васильев. - СПб.: СПГУТД, 2004. - 397 с.
24
ё О МЯСЕ № 1 февраль 2013
