Влияние экзогенного кальция на функционально-технологические свойства свинины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Влияние экзогенного кальция на функционально-технологические свойства свинины Санкт-Петербург — 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ АННОТАЦИЯ ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Белки мышечной ткани свинины

1.2 Свойства белков мышечной ткани свинины

1.3 Гидратация белков

1.4 Влияние температуры и рН на свойства белков мышечной ткани

1.4.1 Влияние температуры на свойства белков

1.4.2 Влияние рН на свойства белков

1.5 Влияние экзогенного кальция на свойства белков

1.5.1 Структурные изменения мышечной ткани под действием различных концентраций лактата кальция

1.5.2 Влияние экзогенных ионов кальция на деструкцию мышечной ткани post morten

1.5.3 Интенсификация процессов структурообразования цельномышечных и фаршевых мясных продуктов при использовании различных биотехнологических приемов

1.6 Влияние Са²⁺ на белки в зависимости от его концентрации

1.7 Выводы из обзора литературных источников

2. ОБОЗНАЧЕНИЕ ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ЛИТЕРАТУРНОГО ОБЗОРА

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

4.1 Графики зависимости рН от концентрации лактата Са²⁺ и хлорида Са²⁺

4.2 Графики зависимости влагоудерживающей способности от концентрации лактата Са²⁺ и хлорида Са²⁺

4.3 Графики зависимости количества амино-аммиачного азота от концентрации лактата Са²⁺ и хлорида Са²⁺

4.4 Математическая обработка результатов измерений

4.5 Выводы

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

7. ВЫВОДЫ ПО ТЭО

8. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА

9. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

9.1 Анализ опасных производственных факторов

9.2 Анализ пожарои взрывоопасности

9.3 Анализ вредных производственных факторов

9.4 Анализ отходов, стоков и выбросов

9.5 Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда

9.6 Мероприятия по пожарной профилактике

9.7 Мероприятия по обеспечению безвредных условий труда

9.8 Расчет защитного заземления

9.9 Схема расположения электродов

9.10 Вывод ВЫВОДЫ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

АННОТАЦИЯ Данная работа на тему «Влияние экзогенного кальция на функционально-технологические свойства свинины» включает в себя введение, краткий литературный обзор, цели и задачи исследования, объекты и методы исследования, результаты и их обсуждения, технико-экономическое обоснование, технико-экономические расчеты, разделы по гражданской обороне, охране труда и технике безопасности, заключение и список используемой литературы. Работа изложена на 125 страницах.

Введение

повествует о роли мяса и мясных изделий в жизни человека, о его необходимости для человека и об отношении самого человека к мясным изделиям. Затрагивается проблема качества мяса и мясных продуктов, которое непосредственно зависит от свойств сырья. В литературном обзоре рассказывается о составе и свойствах мышечной ткани свинины, о влиянии температуры, рН, экзогенного кальция на свойства белков мышечной ткани. Затем ставится цель разработать новые многофункциональные смеси, применение которых позволит регулировать функционально — технологические свойства мяса.

Объектом исследования является мышца свинины — часть туши вырезка. Определение показателя рН осуществляется на рН-метре, показателя ВУС — методом центрифугирования, показателя амино-аммиачного азота по методу А. М. Сафронова. После проведения исследований, полученные результаты обрабатываются, анализируются, строятся графики, по которым делаются выводы.

В разделе технико-экономическое обоснование идет речь об актуальности, необходимости и полезности нашей работы. Приведены технико-экономические расчеты затрат на проведение исследований (сырье, основные материалы, химические реактивы, лабораторную посуду и др.). В разделе гражданской обороны рассматриваются химические аварии (классы опасности химических веществ, классификация типовых химических аварий), защита окружающей среды и средства индивидуальной и коллективной защиты от хлора и хлористого водорода, техника безопасности при работе с хлором, ликвидация аварийных ситуаций. Раздел охрана труда и техника безопасности включает:

1. анализ основных производственных факторов;

2. анализ пожарои взрывоопасности;

3. анализ вредных производственных факторов;

4. анализ отходов, стоков и выбросов;

5. мероприятия по обеспечению безопасных условий труда;

6. мероприятия по пожарной профилактике;

7. мероприятия по обеспечению безвредных условий труда;

8. расчет защитного заземления.

В конце работы приводятся выводы, список литературы, который включает в себя общее количество источников литературы 32 и приложение с таблицами, в которых приведены численные результаты опытов.

ВВЕДЕНИЕ

Среди продуктов питания, которые пользуются наибольшим спросом у россиян, мясные изделия занимают четвертое место, уступая молочной продукции, овощам и фруктам, а также хлебобулочным изделиям. Спрос на продукцию постоянно растет. Потребитель становится все более могущественной силой на отечественном рынке. Именно потребитель диктует правила на рынке, определяя ассортимент и цены. Особенности мясного изделия как скоропортящегося продукта накладывают определенный отпечаток на характер его реализации в условиях потребления.

Вкусы потребителя с течением времени становятся избирательными и их приходится учитывать не только на ближайшее время, но и в перспективе. Времена, когда потребителю можно было спихнуть любой продукт, прошли. При росте доходов и повышении уровня жизни, спрос на продукцию деликатесной категории увеличивается. Однако потребителю все время приходится делать выбор, потому что на рынке присутствует большое количество различных марок и видов деликатесов. «Кого выбрать? Что предпочесть? А вкусно-то что?». В основном большое значение имеет качество предлагаемой продукции. Цена при выборе отходит на второй план.

Потребитель ищет самую качественную продукцию не задумываясь о цене. При производстве продукции особое внимание уделяется качеству этой продукции. Качество — это первоочередная черта товара. Гарантировать постоянство качества, основная задача производителей. [1]

Качество мясных продуктов, прежде всего, связано со свойствами сырья, входящего в их состав. Радикальное изменение качества перерабатываемого сырья и, прежде всего, резко возросшее содержание в нем жира, высокий объем мяса с пороками и чрезвычайно низкими функциональными свойствами мышечных белков, потерей вкуса, цвета, запаха вызывает необходимость пересмотра и совершенствования традиционных способов производства продуктов для достижения высокого качества, пищевой и биологической ценности.

При разработке технологий производства мясных продуктов важно учитывать показатели функционально-технологических свойств (особенно влагоудерживающую способность), так как именно они определяют качество и выход готовой продукции. [2]

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Белки мышечной ткани свинины При разработке технологий производства мясных продуктов важно учитывать показатели функционально-технологических свойств, так как именно они определяют качество и выход готовой продукции. Влагоудерживающая способность определяет поведение белка как основного компонента в сложных мясных системах во взаимодействии с другими составляющими (жир, вода, минеральные вещества и др.) под влиянием различных технологических факторов. [2]

Свиное мясо отличается высоким содержанием полноценного и легкоусвояемого белка, незаменимых аминокислот. В нем меньше, чем в других видах мяса, таких неполноценных белков, как коллаген и эластин. [3]

Устойчивость коллагена к гидротермическому и другим воздействиям зависит от возраста животного. С увеличением возраста коллаген превращается в «зрелый» коллаген. В последнем возникают межмолекулярные поперечные связи в дополнение к внутримолекулярным поперечным связям, которые повышают устойчивость структуры зрелого коллагена. Мясо молодых животных, бедное зрелым коллагеном, отличается нежностью и мягкостью. [4]

В тушах свиней жирной упитанности содержится больше белков саркоплазмы, а в тушах нежирных свиней — больше миофибриллярных белков. Количество указанных фракций повышается с увеличением массы животного. При сильном истощении животных диаметр волокон уменьшается в два раза, и мясо становится более жестким, так как в нем повышается удельный вес соединительной ткани. В таблице 1 представлены обобщенные данные по содержанию белков и аминокислот в мясе свиней различной упитанности. Белки мышечной ткани свиней различной упитанности различаются по содержанию аминокислот. При этом с повышением жирности свинины и уменьшением количества белка содержание аминокислот соответственно уменьшается. [3]

Таблица 1

Содержание белка и аминокислот в свинине, полученной от животных различной упитанности, и в ее мышечной ткани

Вырезка свинины содержит 19% белка и 7% жира.

Пищевая ценность свинины зависит от содержания в туше тканей (табл.2).

Таблица 2

Состав тканей туши свиней

Белки мышечной ткани разнообразны по аминокислотному составу, строению и свойствам. По форме белковых молекул и отношению к растворителям их делят на три группы: саркоплазматические, миофибриллярные и белки стромы.

Саркоплазматические белки: миоген, глобулин Х, миоальбумин, миоглобин, кальмодулин. На их долю приходится около 40% мышечных белков. Они имеют глобулярное строение, извлекаются из мяса путем экстракции водой.

Белки стромы. Эти белки входят в состав сарколеммы, соединительнотканных оболочек, участвующих в построении мышц (эндомизий, перимизий, эпимизий). Основными белками стромы являются коллаген и эластин. В межклеточном веществе мышечной ткани содержатся муцины и мукоиды — сложные белки глюкопротеиды. К белкам стромы относят также нейрокератины и липопротеиды.

Миофибриллярные белки (сократительные, контрактильные): миозин, актин, актомиозин, тропомиозин, тропонин, десмин и др. По строению — это нитевидные, волокнистые белки, которые значительно хуже извлекаются из ткани, чем саркоплазматические. Растворяются в солевых растворах высокой ионной силы (например, 0,6 М КСl). [5]

Тропонин — единственный белок в актиновых и миозиновых филаментах поперечнополосатых мышц позвоночных животных, имеющий высокое химическое сродство к Са²⁺. Каждый тропониновый комплекс связывает четыре иона кальция. Тропониновые комплексы расположены вдоль актинового филамента через каждые 40 нм, прикрепляясь одновременно к актиновому филаменту и молекуле тропомиозина. В состоянии покоя положение тропомиозина конформационно препятствует соединению головок миозина с актиновым филаментом. Связывая Са²⁺, тропонин претерпевает конформационные изменения, в результате чего молекула тропомиозина смещается и освобождает дорогу миозиновым поперечным мостикам для прикрепления к актиновым центрам. Следовательно, присоединение Са²⁺ к тропонину устраняет постоянно существующее препятствие для взаимодействия поперечных мостиков с актином. Из результатов экспериментов, сделан вывод, что ингибирование присоединения мостиков снимается при концентрации свободного Са²⁺ свыше 10^-7 М.

Сказанное выше объясняет роль Са²⁺ в регуляции актин-миозинового взаимодействия в скелетных и сердечной мышце позвоночных животных. В большинстве других мышц роль кальция иная. Есть еще, по крайней мере, два механизма кальцийзависимой регуляции актинмиозинового взаимодействия. В поперечнополосатых мышцах большинства беспозвоночных животных кальций инициирует сокращение, присоединяясь к легким полипептидным цепям миозина в головках поперечных мостиков. В гладких мышцах позвоночных животных и в немышечном актомиозине сокращение контролируется кальцийзависимым фосфорилированием миозиновой головки. [6]

1.2 Свойства белков мышечной ткани свинины Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые, так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой аминокислот, а щелочные — радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и наоборот. [13]

Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие общий заряд белковой молекулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле. Вследствие этого в электрическом поле белки будут передвигаться к катоду или аноду в зависимости от величины их общего заряда. Так, в щелочной среде (рН 7−14) белок отдает протон и заряжается отрицательно (движение к аноду), тогда как в кислой среде (рН 1−7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом (движение к катоду):

Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. Однако при определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, то есть она не будет перемещаться в электрическом поле. Такое значение рН среды определяется как изоэлектрическая точка белков. При этом белок находится в наименее устойчивом состоянии и при незначительных изменениях рН в кислую или щелочную сторону легко выпадает в осадок. Для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8−5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот. [14]

Белки активно вступают в химические реакции. Это свойство связано с тем, что аминокислоты, входящие в состав белков, содержат разные функциональные группы, способные реагировать с другими веществами. Важно, что такие взаимодействия происходят и внутри белковой молекулы, в результате чего образуется пептидная, водородная, дисульфидная и другие виды связей. К радикалам аминокислот, а, следовательно, и белков, могут присоединяться различные соединения и ионы. [11]

Белки обладают большим сродством к воде, то есть они гидрофильны. Это значит, что молекулы белка, как заряженные частицы, притягивают к себе диполи воды, которые располагаются вокруг белковой молекулы и образуют водную или гидратную оболочку. Эта оболочка предохраняет молекулы белка от склеивания и выпадения в осадок. Величина гидратной оболочки зависит от структуры белка. Например, альбумины более легко связываются с молекулами воды и имеют относительно большую водную оболочку, тогда как глобулины, фибриноген присоединяют воду хуже, и гидратная оболочка и них меньше. Таким образом, устойчивость водного раствора белка определяется двумя факторами: наличием заряда белковой молекулы и находящейся вокруг нее водной оболочки. При удалении этих факторов белок выпадает в осадок. Данный процесс может быть обратимым и необратимым. [15]

Обратимое осаждение белков (высаливание) предполагает выпадение белка в осадок под действием определенных веществ, после удаления которых он вновь возвращается в свое исходное (нативное) состояние. Для высаливания белков используют соли щелочных и щелочноземельных металлов (наиболее часто в практике используют сульфат натрия и аммония). Эти соли удаляют водную оболочку (вызывают обезвоживание) и снимают заряд. Между величиной водной оболочки белковых молекул и концентрацией солей существует прямая зависимость: чем меньше гидратная оболочка, тем меньше требуется солей. Так, глобулины, имеющие крупные и тяжелые молекулы и небольшую водную оболочку, выпадают в осадок при неполном насыщении раствора солями, а альбумины как более мелкие молекулы, окруженные большой водной оболочкой — при полном насыщении. [7]

1.3 Гидратация белков В зависимости от количества воды растворимые белки животных тканей могут находиться в состоянии золя или геля, нерастворимые белки — только в состоянии геля. В клетках животных тканей существуют твёрдая и жидкая фаза. В составе твёрдой фазы находятся структурные белки, вообще не растворимые (белки типа коллагена и эластина), а частью хотя и растворимые в иных условиях, но остающиеся в состоянии геля при условиях, существующих в клетке (например, актин и миозин мышечной ткани).

В связи с посмертными изменениями клеток в твёрдую фазу переходит некоторая часть белков, которые при жизни находились в жидкой фазе. Например, в процессе развития посмертного окоченения часть белков саркоплазмы мышечной ткани образует гель.

Белковые вещества в водной среде являются многовалентными амфотерными электролитами, поэтому характер их взаимодействия с водой зависит от активной реакции среды.

В животных белках носители кислых функций — остатки аминокислот, содержащих карбоксильные группы (аспарагиновой и глутаминовой кислот); носители основных функций — остатки аминокислот, содержащих аминогруппы (аргинина, лизина, гистидина). Эти группы определяют зарядность молекулы и легко доступны для взаимодействия с ионами электролитов (в том числе и с Н⁺ и ОН^- ионами).

Они также обуславливают способность белковых молекул к взаимодействию друг с другом с образованием более крупных ассоциатов.

Изменение реакции среды в кислую сторону от изоэлектрической точки подавляет кислотную диссоциацию белков и они выступают как основания, неся на себе положительные заряды Сдвиг реакции среды в щелочную сторону вызывает противоположные последствия В обоих случаях способность белков мяса к гидратации возрастает в связи с увеличением числа заряженных групп по мере сдвига реакции среды.

Минимальная гидратация имеет место, когда число групп одного заряда в белковой молекуле становится равным числу групп противоположного заряда, т. е. когда суммарный заряд равен нулю и наступает изоэлектрическое состояние белка. При этом кислотные и основные группировки белковых молекул взаимно блокируются и роль гидрофильных центров играют лишь другие полярные группы (полярные группы цистина, цистеина, серина, метионина, тирозина, триптофана, оксипролина).

Кислотная и основная диссоциация белков отличаются по величине, а число кислых и основных групп в белковой молекуле неодинаково. Большинство белков животных тканей обладают явно выраженными кислыми свойствами и более высокой константой диссоциации их в сравнении с основными. Поэтому изоэлектрическое состояние этих белков наступает в кислой среде:

Белки Изоэлектрическая точка при рН Миозин… 5,1

Актин…4,7

Глобулин — Х…5,2

Миоген…6,5

Коллаген … 6,36 — 6,75

Желатин… 4,5 — 5,5

Альбумин сывороточный…4,6

Глобулин сывороточный… 4,8 — 6,4

Гемоглобин сывороточный…6,7

Фибриноген…6,4

Изоэлектрическая точка белков мышечного волокна лежит в границах рН 5,2 — 5,5, в среднем при рН 5,3.

В отсутствии солей при изоэлектрическом значении рН растворимые белки не только наименее гидратированы, но и наименее растворимы.

Кислоты и щёлочи при действии на белковые вещества, кроме изменения их растворимости за счёт изменения зарядности молекул, могут вызывать таутомерные превращения пептидных связей и образование нерастворимых в воде ацидальбуминов и алкалиальбуминов.

В присутствии нейтральных солей щелочных и щелочноземельных металлов гидратация и растворимость белковых веществ изменяются. Характер действия этих солей зависит от их химической природы и концентрации. Неорганические ионы в той или иной мере и форме взаимодействуют с белками. В разбавленных растворах (0,1 — 0,6 М) с ионами солей щелочных и щелочноземельных металлов, прежде всего, реагируют наиболее активные группы белковых молекул: аминные и карбоксильные группы боковых цепей, не участвующие в образовании внутримолекулярных связей. При этом водородные и гидроксильные ионы вытесняются в раствор.

Катионы и анионы нейтральных солей чаще связываются в неодинаковых количествах. Когда в основном фиксируется катион, раствор незначительно подкисляется вследствие преимущественного вытеснения гидроксильных ионов, при адсорбции аниона — наоборот Пептидные группы главных цепей обладают слабо выраженными амфотерными свойствами и также, по-видимому, связывают неорганические ионы. Предполагается, что эти группы способны образовывать резонансные формы.

Общее количество ионов электролитов, связываемых белками, велико. Оно в 10 — 20 раз меньше кислотной ёмкости белка.

При неодинаковом количестве катионов и анионов, фиксируемых белком в разбавленных растворах, соотношение зарядов разного знака в белковой частице меняется. Изоэлектрическое состояние белка достигается при ином значении рН, т. е. происходит сдвиг изоэлектрической точки в ту или иную сторону. В большинстве случаев, но не всегда, для белков животных тканей изоэлектрическая точка сдвигается в кислую сторону.

Если белок присоединяет к себе такое количество катионов, которое достаточно для уравновешивания избыточных отрицательных зарядов в молекуле белка, он переходит в изоэлектрическое состояние, а его гидратация и растворимость достигают минимума.

Если при преимущественном фиксировании иона начинают преобладать заряды одного знака над другим, гидратация и растворимость белка увеличиваются как в изоэлектрической точке, так и при отклонении в любую сторону от неё. Так, например, повышение концентрации ионов калия или натрия сверх необходимой для достижения изоэлектрического состояния миозина приводит к повышению его гидратации и растворимости соответственно увеличению концентрации электролита. При концентрации около 0,6 М достигается максимум растворимости актина и миозина.

В растворах электролитов (нейтральных солей щелочных и щелочноземельных металлов) каждая группа белковой молекулы с адсорбированными на ней ионами оказывается окружённой слоем ионов противоположного знака так что общий заряд всей частицы становится равен нулю, а полярные группы её несут на себе двойной электрический слой ионов электролита. Этот слой, взаимодействуя с диполями воды, повышает гидратацию белковых частиц и стабилизирует белок в растворе.

Растворимость белка увеличивается соответственно возрастанию ионной силы раствора электролита (в особенности ионов с зарядом больше единицы). Логарифм растворимости возрастает пропорционально ионной силе раствора. При этом действие одновалентных анионов эффективнее двухвалентных, а двухвалентных катионов эффективнее действия одновалентных.

Соотношение количеств фиксируемых белками ионов зависит не только от природы белка, но и от вида соли. Из растворов хлористых солей кальция, бария, калия адсорбируются преимущественно катионы, а из растворов оксалатов, роданатов и пирофосфатов — анионы.

Растворимость многих белков растёт с повышением температуры, но бывает и наоборот, например, растворимость сывороточного альбумина, инсулина уменьшается. При повышении температуры гидратация белковых молекул, как правило, уменьшается вследствие повышения интенсивности теплового движения молекулы воды, удерживаемых молекулярно-силовым полем гидрофильных центров белковых молекул.

Фиксации ионов электролитов белковой молекулой сопутствует пептизирующий эффект. Он заключается в нарушении тех межмолекулярных связей, которые являются центрами фиксации ионов и осуществляют межмолекулярное взаимодействие белков.

В концентрированных растворах солей щелочных и щелочноземельных металлов, как правило, гидратация белков уменьшается и большинство растворимых белков высаливается из растворов. Это происходит в результате понижения активности молекул воды, связываемых силовым полем ионов. Благодаря этому ослабляется взаимодействие между молекулами воды и полярными группами белковой молекулы.

Характер действия ионов солей щелочных и щелочноземельных металлов в разбавленных и концентрированных растворах определяется их способностью к взаимодействию с полярными группами белковых молекул и диполей воды. Ионы, способные к сильной гидратации и характеризующиеся слабой адсорбируемостью полярными группами белков (например SO₄^2-, CO₃^2-), обладают сильным обезвоживающим действием. Ионы, хорошо взаимодействующие с заряженными центрами белковой молекулы, и сами менее склонные к гидратации, в умеренных концентрациях увеличивают гидратацию и растворимость белков.

По характеру влияния неорганических солей на гидратацию и растворимость животных белков их можно разбить на три группы. [16]

1. Соли, вызывающие высокую гидратацию белков. К ним можно отнести соли бария, кальция, магния. Они вызывают сильное набухание коллагена, сопровождающееся резким укорочением и утолщением коллагеновых волокон и снижением температуры сваривания коллагена. В концентрированных растворах этих солей коллаген сваривается при комнатной температуре. В их присутствии золи желатина не застудневают.

2. Соли, не вызывающие резких изменений способности белков к гидратации. Это такие, как хлористый натрий, хлористый калий. Они в умеренных концентрациях несколько повышают гидратацию и способствуют растворению белков, а в высоких — вызывают неполное их обезвоживание.

3. Соли с невысокой адсорбируемостью, но с большим обезвоживающим действием. К ним относятся сульфаты и (в меньшей степени) карбонаты. В концентрированных растворах этих солей происходит сильное обезвоживание белков. Насыщенные растворы сульфатов осаждают желатин и применяются для выделения клея из клеевых бульонов. Сульфаты используются для усиления обезвоживающего действия рассолов при консервировании шкур.

Белковые вещества с различными катионами и анионами способны образовывать плохо растворимые соли, а с другими белками и нуклеиновыми кислотами — комплексы. Для этого необходимо, чтобы взаимодействующие молекулы несли противоположные заряды в области рН, лежащей между их изоэлектрическими точками. В образовании таких комплексов существенная роль принадлежит водородным связям.

Органические соли способны вызывать пептизацию белковых комплексов. Пептизирующее действие возрастает в такой последовательности: янтарная кислота > лимонная > винная > молочная > щавеливая > пропионовая.

Нагревание белков в водной среде до достаточно высокой температуры, специфичной для каждого белка, приводит к их денатурации. Она сопровождается изменением гидрофильных свойств белков. Уменьшается гидратация и резко падает растворимость, особенно вблизи изоэлектрической точки, в результате агрегирования белковых частиц за счёт межмолекулярных сил. Изоэлектрическая точка белков смещается в щелочную сторону. [17]

1.4 Влияние температуры и рН на свойства белков мышечной ткани

1.4.1 Влияние температуры на свойства белков Структура молекул белков сравнительно легко изменяется при воздействии различных физических и химических факторов, при этом теряется ряд первоначальных свойств, и прежде всего растворимость белков. Это явление получило название денатурации. Под влиянием теплоты, ультразвука, ультрафиолетового и ионизирующего излучений, высокого давления, при воздействии солей тяжёлых металлов и других химических веществ происходит поверхностная денатурация белковых молекул — изменение нативной пространственной четвертичной структуры, не сопровождающееся разрывом ковалентных связей. При этом развёртывается в пространстве спираль полипептидной цепочки и образуется беспорядочный клубок. В зависимости от степени денатурации могут разрушаться также вторичная и третичная структуры белка, что приводит к потере биологической активности. Денатурация белков происходит в присутствии воды.

При тепловой денатурации (60 — 100^о С) белки теряют способность растворяться в воде, растворах солей и органических растворителях, снижается и их способность к набуханию. Изменение белка при тепловой денатурации тем значительнее, чем выше температура и продолжительность нагревания, причём белок в водном растворе денатурирует быстрее, чем в высушенном состоянии.

Денатурация белков играет важную роль при изготовлении колбасных изделий, производстве кормовой муки, сушке яичного порошка, крови и кровепродуктов, варке мяса, стерилизации мясных баночных консервов.

Изменения белка мяса при тепловой обработке влияют на технологические и качественные показатели готовых изделий. [3]

Деструкция белков. При длительной тепловой обработке белки подвергаются более глубоким изменениям, связанным с разрушением их макромолекул. На первом этапе изменений от белковых молекул могут отщепляться функциональные группы с образованием таких летучих соединений, как аммиак, сероводород, фосфористый водород, углекислый газ и др. Накапливаясь в продукте, они участвуют в образовании вкуса и аромата готовой продукции. При дальнейшей гидротермической обработке белки гидролизуются, при этом первичная (пептидная) связь разрывается с образованием растворимых азотистых веществ небелкового характера (например, переход коллагена в глютин). Деструкция белков может быть целенаправленным приемом кулинарной обработки, способствующим интенсификации технологического процесса (использование ферментных препаратов для размягчения мяса, ослабления клейковины теста, получение белковых гидролизатов и др.).

1.4.2 Влияние рН на свойства белков Кислотность (рН), обусловленная наличием ионов водорода, является важным показателем качества мяса. Данный показатель всегда возрастает после убоя. Показатель рН мяса влияет на его микроструктуру, развитие микрофлоры, интенсивность процессов гниения и аутолитические изменения после убоя, а в конечном итоге на органолептические характеристики и способность кулинарной переработки.

Сдвиг рН мяса в кислую сторону запускает механизм превращений миофибриллярных белков:

— изменяется проницаемость мембран миофибрилл;

— ионы кальция выделяются из каналов саркоплазматического ретикулума, концентрация их возрастает;

— ионы кальция повышают АТФ-азную активность миозина;

— глобулярный Г-актин переходит в фибриллярный (Ф-актин), способный вступать во взаимодействие с миозином в присутствии энергии распада АТФ;

— энергия распада АТФ инициирует взаимодействие миозина с фибриллярным актином с образованием актомиозинового комплекса.

Результатом сокращения является нарастание жёсткости мяса, уменьшение эластичности и уровня водосвязывающей способности.

Уменьшение гидратации белков влияет на жесткость мяса, поскольку рН мышечной ткани приближается к рН изоэлектрической точки основных белков. Наибольшая жесткость мяса наблюдается при рН = 5,5. При смешении рН в любую сторону от изоэлектрической точки белков увеличивается нежность мяса. Смещение рН приводит к расклиниванию полипептидных цепей отдельных белков, увеличению гидрофильных центров и соответственно росту влагопоглощающей способности мяса. [5]

1.5 Влияние экзогенного кальция на свойства белков

1.5.1 Структурные изменения мышечной ткани под действием различных концентраций лактата кальция В последние годы большое внимание уделяется использованию молочной кислоты и ее солей при выработке широкого ассортимента мясных продуктов для придания им различных потребительских свойств, в том числе для повышения стойкости продуктов при хранении и увеличения сроков их годности. Однако имеющаяся информация посвящена главным образом исследованию воздействий на продукты, прошедшие тепловую обработку. В связи с этим изучение механизма действия и возможностей целенаправленного изменения процессов, протекающих при обработке мясного сырья солями молочной кислоты, позволит выявить их потенциальные свойства и способность сохранения качества мясных продуктов.

Ранее было показано, что обработка парного мяса рассолом, содержащим 100 ммоль СаС1₂, ускоряет процесс деградации белков цитоскелета, ответственных за нежность мяса, и тем самым способствует более быстрой тендеризации мышечной ткани (за трое суток).

Целью настоящей работы было изучение структурных изменений мышечной ткани и ее белков под действием различных концентраций лактата кальция.

Объект исследований — длиннейшая мышца спины говядины I категории упитанности с рН 5,74. Через 1−1,5 ч с момента убоя животного парное мясо подвергали жиловке с отделением видимой жировой и соединительной ткани.

Для проведения опытов отбирали образцы мышечной ткани массой 500 г, которые шприцевали соответствующими рассолами в количестве 15% от массы мяса. Были исследованы образцы мышечной ткани, обработанные 10%-ным рассолом в отсутствие или в присутствии лактата кальция в интервале концентраций от 4 до 100 ммоль. Образцы, обработанные таким образом, хранили при 4±2 °С в течение 120 ч. Через каждые 24 ч от каждого образца отбирали пробы для исследований с помощью микроструктурного анализа и дифференциально-сканирующей микрокалориметрии.

В результате проведенных исследований микроструктуры мышечной ткани контрольных и опытных образцов установлено, что с увеличением концентрации экзогенного кальция выраженность деструктивных процессов возрастала.

Наибольшую глубину деструкции мышечной ткани отмечали при использовании ионов кальция в концентрации, равной 100 ммоль. Уже через 72 ч хранения в мышечных волокнах наблюдали множественные микротрещины, а к 96 ч — гомогенизацию, разрыхление миофибрилл в мышечных волокнах и множественный распад их по Z-пластинам. При созревании мяса в таких условиях к 120 ч инкубации деструктивные процессы принимали распространенный характер, охватывая основную массу мышечных волокон в образце, в то время как в контрольных образцах нарушение целостности мышечных волокон к 120 ч хранения носило локальный характер. Необходимо отметить, что обработка мышечной ткани рассолами, содержащими лактат кальция, приводила к нарушению структуры Z-линий, служащих опорным аппаратом саркомеров, их гомогенизации и деструкции. Отмеченные изменения в конечном итоге лежали в основе нарушения целостности волокон и обусловили ускорение процесса автолиза и повышение нежности мяса по сравнению с контрольными образцами.

Термодинамические характеристики мышечных белков исследовали с помощью современного метода — дифференциально-сканирующей микрокалориметрии. Наиболее информативным параметром, описывающим структурную и температурно-денатурационную стабильность белков мышечной ткани, служит зависимость температуры середины денатурационных переходов от времени хранения посоленных образцов. Ранее было показано, что ионы кальция действуют в первую очередь на миофибриллярные структуры и индуцируют деструкцию цитоскелетных белков. Первый денатурационный переход, вероятнее всего, отражает изменения в структурно-денатурационной стабильности белков цитоскелетного матрикса. Второй переход обусловлен в основном изменениями в структурно-денатурационной стабильности белков актомиозинового комплекса. По мнению этих же авторов, третий переход можно отнести к тепловой денатурации соединительнотканных белков и коагуляции мышечных белков.

Были исследованы изменения температуры в середине необратимых денатурационных переходов для образцов, обработанных рассолом, содержащим разные концентрации лактата кальция в течение 120 ч. Температуры рассчитывали по гауссовым кривым, описывающим каждый необратимый переход. Этот параметр отражает изменение структурной стабильности белков мышечной ткани.

При хранении образцов мяса, обработанных 10%-ным рассолом без лактата кальция (контроль), выявляли постепенное понижение температуры первого денатурационного перехода с 58 °C при 24 ч посола до 55 °C после 120 ч посола. Это свидетельствует о постепенном уменьшении термостабильности и структурной стабильности миофибриллярных белков в процессе автолиза посоленного мяса. Изменение температур второго и третьего денатурационных переходов в этих образцах не обнаружено даже после 120 ч хранения.

Обработка мясного сырья рассолом, содержащим 4 ммоль лактата кальция, приводит к аналогичному уменьшению температуры первого денатурационного перехода, как и в контроле. В то же время в присутствии 4 ммоль лактата кальция обнаруживается уменьшение температуры второго денатурационного перехода с 69,5 до 65 °C. Это может свидетельствовать о деструктивном действии такой концентрации ионов кальция на белки актомиозинового комплекса. Третья денатурационная компонента в данном случае не претерпевает изменений.

Наиболее показательны изменения термодинамических характеристик в случае обработки мышечной ткани 10%-ным рассолом в присутствии 100 ммоль лактата кальция. Температура первого денатурационного перехода снижается с 60,6 °С через 24 ч хранения до 55,5 °С через 120 с. Изменение температуры второго денатурационного перехода носит такой же характер (69 °С при 24 ч, 64 °C при 120 ч посола). Температура третьего перехода, отражающего тепловую денатурацию соединительнотканных белков и переход всех мышечных белков в коагулированное состояние, также понижается с 77 °C (24 ч посола) до 72 °C (120 ч посола).

Таким образом, методом микроструктурного анализа установлено, что наибольшая глубина деструкции мышечной ткани отмечается при использовании 10%-ного рассола, содержащего 100 ммоль лактата кальция, введенного в сырье в количестве 15% к исходной массе. К 96 ч хранения в мышечных волокнах обнаруживаются множественные микротрещины, гомогенизация, разрыхление миофибрилл и множественный распад их по Z-пластинам.

Микрокалориметрические исследования мышечной ткани показали, что структурная стабильность и термостабильность белков мышечной ткани, обработанной 10%-ным рассолом, содержащим 100 ммоль лактата кальция, значительно ослабляются по сравнению с контрольными образцами. [18]

1.5.2 Влияние экзогенных ионов кальция на деструкцию мышечной ткани post mortem

Нежность текстуры мясного сырья определяется общей суммой механического напряжения мышечной ткани и ее ослабления в процессе послеубойного созревания. Стадии созревания и соответственно тендеризации (повышения нежности) мяса при его технологической обработке длятся достаточно долго: от 3−4 недель до 10−14 дней для говядины, 7−10 дней для баранины и 5—6 дней для свинины.

Для сокращения времени созревания и улучшения нежности мяса необходима разработка технологического режима, включающего стадии предотвращения/минимизации жесткости и ускорения/повышения тендеризации мясного сырья.

Тендеризация мяса проходит в две стадии — быструю и медленную. В быстрой стадии происходит структурное ослабление миофибрилл, а в медленной — структурное ослабление эндомизия и перимизия. Основные факторы, влияющие на послеубойную модификацию миофибрилл, — ослабление Z-дисков, разрушение актомиозинового комплекса, расщепление коннектиновых филаментов и фрагментация небулиновых филаментов.

Процесс тендеризации, вероятнее всего, включает два вида механизмов. Первый из них обусловлен протеолизом мышечных белков, который до сих пор считается первичным и основным механизмом. Другой механизм — физико-химический, рассматривает значительное увеличение осмотического давления в клетках мышечной ткани post mortem как причину существенных изменений в структуре миофибрилл и ее ослабления.

В качестве еще одного физико-химического механизма была предложена «кальциевая теория» тендеризации. На основе многочисленных экспериментальных данных были сформулированы основные ее постулаты:

— уровень Са²⁺ в саркоплазме вполне достаточен для ослабления Z-дисков и ригорных сшивок;

— в присутствии 0,1 мМ Са²⁺ происходят расщепление коннектиновых филаментов, фрагментация небулиновых филаментов и деполимеризация промежуточных (десминовых) филаментов;

— увеличение концентрации Са²⁺ в мышечной ткани ускоряет процессы созревания и тендеризации мяса.

К настоящему времени опубликованы экспериментальные данные, подтверждающие влияние экзогенных ионов Са²⁺ на скорость процессов созревания и тендеризации мяса разных видов животных. Однако в этих работах не рассматриваются возможные механизмы деструктивного действия экзогенных ионов Са²⁺ на структуру мышечной ткани post mortem. Обсуждается лишь традиционный взгляд на их роль как активаторов Са²⁺-зависимых протеаз.

Настоящая работа посвящена изучению действия различных концентраций СаС1₂ (0,2—5 мМ) на структуру мышечной ткани и ее клеточных компонентов в процессе созревания. Степень деструкции исследуемых образцов регистрировали методом световой микроскопии.

Для проведения исследований использовали участок длиннейшей мышцы спины (М. longissimus dorsi), отобранный между 9- и 12-м позвонками от пяти животных (телочки в возрасте 30 мес.) не позднее 45 мин после убоя. Парное мясо подвергали жиловке с отделением видимой жировой и соединительной тканей. Мышечную ткань измельчали в мясорубке на холоде. Навески фарша массой не более 15 г выдерживали при 4 °C в течение 1−5 сут в буферном или солевом растворах (в соотношении 1:4 по массе) следующего состава: 1 — фосфатный буфер: 0,01 М КН₂Р0₄, 0,075 М КС1, 0,02% (w/v) NaN₃, рН 5,8; 2 — 10%-ный раствор NaCl. Растворы содержали СаС1₂ в концентрациях от 0,2 до 5 мМ. В качестве контроля использовали образцы фарша, обработанные растворами в отсутствие СаС1₂.

Для гистологических исследований контрольные и опытные образцы фиксировали в 15%-ном (v/v) растворе нейтрального формалина в течение 48 ч при комнатной температуре. После завершения фиксации образцы промывали проточной водой и пропитывали 12,5- и 25%-ными (w/v) растворами желатина при температуре 37 °C в термостате в течение 6 и 12 ч соответственно.

Срезы толщиной 10−12 мкм получали с помощью микротома-криостата МК-25 (Россия). Для дифференцирования структурных элементов тканей и клеток срезы окрашивали гематоксилином Эрлиха с дополнительной окраской 0,5%-ным (w/v) раствором эозина.

Окрашенные срезы изучали под световым микроскопом Jenoval (Германия) при увеличении 400 раз.

Контрольные и опытные образцы мышечной ткани при созревании в течение 1−5 сут характеризовались структурными особенностями, свойственными комплексу посмертных изменений: послеубойному сокращению мышечных волокон (rigor mortis), расслаблению послеубойного сокращения и последующей деструкции мышечных волокон. Проведенные исследования показали, что динамика и глубина этих изменений находятся в прямой зависимости от концентрации экзогенного Са²⁺.

Наименьшие изменения в структуре мышечных волокон наблюдали при введении в опытные образцы 0,2 мМ Са²⁺. Однако, начиная с концентрации 0,6 мМ и до 5 мМ Са²⁺ отчетливо выявляются деструктивные процессы в мышечной ткани опытных образцов по сравнению с контролем. Так, если в контрольных образцах разрешение rigor mortis наступает через 72 ч (рис. 2), то в присутствии 3 мМ Са²⁺ — через 48 ч, а 5 мМ Са²⁺ к этому времени индуцируют образование множественных микротрещин в волокнах.

Через 72 ч инкубации при этой концентрации Са²⁺ обнаруживаются гомогенизация мышечных волокон, нарушения упорядоченного расположения миофибрилл в волокнах и множественный их распад по Z-пластинкам — опорному аппарату саркомеров. На это же указывают данные по динамике изменения величин коэффициента деструкции мышечной ткани.

Таким образом, введение в мышечную ткань экзогенного Са²⁺ сокращает сроки rigor mortis, ускоряет процесс послеубойного расслабления мышечной ткани, приводит к деструкции миофибрилл и их ультраструктуры, индуцирует, как было ранее показано, разрушение цитоскелетных белков. Все Са²⁺-индуцируемые процессы деструкции напрямую зависят от его концентрации и максимально проявляются в присутствии 5 мМ Са²⁺. При замене буферного раствора рассолом (10%-ный раствор NaCl) деструкция мышечной ткани даже в контрольных образцах (в отсутствие Са²⁺) развивается в более ранние сроки по сравнению с контролем в буферных растворах. Процесс rigor mortis мышечных волокон к 48 ч инкубации сглаживается, отмечаются усиление набухания волокон, ослабление или исчезновение поперечной исчерченности, гомогенизация и пикноз ядер, появление зернистой массы в поверхностных слоях ткани. Это связано с физико-химическим воздействием рассола на мышечные волокна: изменением осмотического давления, повышением проницаемости клеточных мембран, выходом из клеток солерастворимых белков.

Наибольший эффект на деструкцию мышечной ткани оказывало совместное действие СаС1₂ и рассола. При инкубации образцов в рассоле, содержащем 5 мМ Са²⁺, деструктивные изменения отмечались уже через 24 ч, а через 48 ч деструкция приобретала множественный характер: восстановление поперечной исчерченности, набухание волокон, множественные микротрещины в них, мелкозернистая белковая масса между пучками волокон и в соединительнотканных прослойках.

Дальнейшая инкубация (до 120 ч) мышечной ткани в этих условиях приводила к чрезмерному разрушению волокон и коагуляции белков, что ухудшало ее текстуру. Таким образом, наиболее приемлемым временем обработки мясного сырья в этих условиях можно считать 48 — 72 ч.

Представленные результаты показывают, что сочетание Са²⁺ с рассолом значительно сокращает периоды rigor mortis и его последующего разрешения, ускоряет деструкцию миофибриллярных структур. Вследствие этого сокращаются периоды созревания и тендеризации мясного сырья.

Возникает вопрос, какие механизмы лежат в основе вызываемых ионами Са²⁺ процессов созревания и тендеризации мяса. Сторонники протеолитической гипотезы полагают, что ионы Са²⁺ являются лишь активаторами Са²⁺-зависимьгх эндогенных протеаз (в основном кальпаинов), играющих ключевую роль в этих процессах.

Тем не менее все авторы подчеркивают, что улучшение текстуры и нежности мясного сырья наступает после его обработки 30−150 мМ СаС1₂. Эти концентрации более чем на два порядка превышают концентрацию Са²⁺, необходимую даже для активации m-кальпаина. На это же указывают в своих публикациях Neyraud и Dransfield и Gerelt и др., причем отмечается, что причины этого явления до сих пор не исследованы.

Представленные экспериментальные данные о концентрационной зависимости Са²⁺-индуцированной деструкции мышечной ткани дают основание предполагать, что этот процесс обусловлен не только активацией Са²⁺-зависимых протеаз, но и другими механизмами. Ранее было показано, что ослабление Z-дисков миофибрилл скелетных мышц, обработанных 0,1 мМ СаС1₂ в присутствии кальпастатина, приводит к вымыванию из них только фосфолипидного матрикса, не затрагивая структуру Z-филаментов. Авторы показали, что этот процесс обусловлен взаимодействием фосфатных групп фосфолипидов с ионами Са²⁺. Z-филаменты, состоящие из молекул б-актинина, сохраняют свою структуру.

В мышечной ткани post mortem все регуляторные и сигнальные системы разрушены, саркоплазматический ретикулум и митохондрии не способны аккумулировать Са²⁺ при нефизиологических условиях. Его предельная концентрация может возрастать в миоплазме до 2−10^-4 М. В этих условиях происходит насыщение всех центров связывания Са²⁺ в белковых и мембранных структурах мышечной ткани. Это, в свою очередь, приводит к необратимым структурным изменениям в Са²⁺-связывающих доменах некоторых цитоскелетных белков, диссоциации межмолекулярных взаимодействий в тропонин-тропо-миозиновом и актомиозиновом комплексах, что вызывает ослабление ригорных сшивок и ослабление структуры Z-дисков.

Введение

в послеубойную мышечную ткань СаС1₂ в более высоких концентрациях ускоряет эти деструктивные процессы и сокращает время послеубойного окоченения и его последующего разрешения, интенсифицируя процессы созревания и тендеризации мяса.

Из вышепредставленных результатов следует, что обработка мясного сырья 5 мМ СаС1₂ ускоряет первую стадию тендеризации — структурное ослабление миофибрилл.

Таким образом, и представленные результаты, и данные, опубликованные другими авторами, еще раз экспериментально подтверждают основное положение «кальциевой теории» о том, что увеличение концентрации свободного Са²⁺ ускоряет процессы созревания и тендеризации мяса.

Вышеизложенные собственные экспериментальные данные и анализ опубликованных ранее результатов показывают, что созревание и тендеризация — это сложный мультифакторный процесс включающий множество взаимосвязанных эндогенных и других биологических механизмов.

Процесс Са²⁺-индуцированной тендеризации может протекать следующим образом. Вначале, под влиянием высокой ионной силы (10%-ный раствор NaCl) и избыточной концентрации Са²⁺ происходит разрушение миофибриллярных структур, индуцируемое Са²⁺ ослабление Z-дисков и ригорных сшивок. В результате этого значительно сокращается время послеубойного окоченения мышечной ткани и его последующего разрешения. Далее ионы Са²⁺ инициируют изменения в третичной структуре молекул цитоскелетных белков, белков актомиозинового и тропомиозин-тропонинового комплекса. Благодаря этому уменьшается их структурная стабильность и увеличивается доступность многих пептидных связей в молекулах этих белков для действия тканевых протеаз.

Предлагаемый вариант механизма Са²⁺-индуцированной тендеризации мясного сырья не исключает участия эндогенных протеаз в этом процессе. Однако, несмотря на громадное количество исследований, до сих пор не получены убедительные экспериментальные данные о том, какие именно ферменты играют ключевую роль в протеолизе мышечной ткани. [19]