Тепловая денатурация белков

Обработка продуктов  /  Обработка мяса
Теги: обработка мяса денатурация

В фибриллярных белках группы миозина, фибриногена, эпидермина денатурирующее действие нагрева вызывает переход от изогнутой складчатой a -конфигурации полипептидных цепей к более растянутой b -спиральной конфигурации.  Этот переход сопровождается перегруппировкой водородных связей и дезориентацией полипептидных цепочек. При денатурации глобулярных белков происходит развертывание сложенных в складки полипептидных цепей, образующих глобулу. В результате перегруппировок водородных связей освобождающиеся цепи агрегируют в b - форме, приближаясь по структуре к фибриллярным белкам (денатурированные белки после ориентации дают рентгенограмму типа b - кератина). Таким образом, глобулярные белки при денатурации проходят через стадию фибриллярного состояния. Для развертывания полипептидных цепей необходимо присутствие воды, проникающей в пространства между складками цепей. В отсутствии воды нагрев даже выше 100° С не вызывает денатурации. Сухой яичный альбумин выдерживал пятичасовой нагрев при 120° С, не теряя своей растворимости. Повышение температуры, сопровождаясь увеличением скорости движения молекул воды, приводит к дегидратации полярных групп боковых цепей молекулы, вследствие чего становится возможным непосредственный контакт между ними. Дальнейший нагрев усиливает тепловое движение полипептидных цепей, образующих белковую глобулу или молекулу. В результате ослабляются и частью нарушаются нативные вторичные связи, обусловленные силами межмолекулярного взаимодействия (например, водородные мостики), и исчезает специфичная природная конфигурация белковой молекулы. При осторожной тепловой денатурации заметных нарушений первичных ковалентных связей не происходит. Об этом свидетельствует обратимость такой денатурации. Следовательно, денатурация представляется как модификация структуры белковой глобулы или молекулы (для фибриллярных белков типа миозина), которая приводит к заметному изменению их свойств без нарушения ковалентных связей. Нарушение ковалентных (например, пептидных) связей рассматривается как гидролиз. В условиях умеренного нагрева солевые мостики (связи) между цепями, образованные карбоксильными группами аспарагиновой и глутаминовой кислот и аминогруппами лизина или гуанидиновыми группами аргинина, а также дисульфидные мостики существенных изменений не претерпевают. Поэтому полного разрыва связей между полипептидными цепочками не происходит. При тепловой денатурации рвутся также не все водородные связи, удерживающие полипептидные цепи в белковой глобуле или молекуле, а какая-то их часть. Степень денатурации варьирует от небольших структурных изменений до существенного изменения положения пептидных цепей относительно друг друга. Между дегидратированными при денатурации полярными группами боковых цепей возникают вторичные солевые связи, а также и водородные. Но их количество и расположение носят случайный характер и зависят от степени нарушения первоначальной структуры белка, иначе говоря, от температуры и продолжительности нагрева. Если в нативном белке пептидные цепи строго ориентированы, то в денатурированном они дезориентированы. При неполной дезориентации, т. е. когда процесс денатурации приостановлен, может произойти более или менее полное восстановление некоторых первоначальных (нативных) свойств белка. Возникновение новых связей между пептидными цепями в белковой молекуле приводит к уменьшению числа гидрофильных центров за счет блокирования полярных группировок в результате их взаимодействия. Происходит изменение амфотерных свойств белка, которое находит выражение в небольшом сдвиге изоэлектрической точки в нейтральную область. В результате изменения природной пространственной конфигурации обнаруживаются гидрофобные группы белковых молекул. Уменьшение гидрофильных и увеличение гидрофобных свойств белковых молекул сопровождается уменьшением их гидратации, а вместе с этим и резким снижением защитного (стабилизирующего) действия гидратационных слоев вблизи полярных группировок. В этих условиях денатурированные белковые частицы могут оставаться в состоянии золя только в присутствии какого-либо иного стабилизирующего фактора (высокая концентрация водородных или гидроксильных ионов, мочевина, детергенты). В отсутствии этих факторов происходит агрегирование белковых частиц за счет межмолекулярных сил и коагуляция белка. При нагреве глобулярных белков (например, сывороточного альбумина) до 60° и при нейтральном рН устанавливается равновесие между числом молекул мономера и числом образующихся агрегатов. В результате тепловой денатурации уменьшается гидратация белковых веществ и резко падает их растворимость, в особенности в изоэлектрической точке или вблизи нее. Таким образом, внутренняя перестройка белковой молекулы (собственно денатурация) находит свое продолжение в агрегировании раскрученных полипептидных цепей в крупные образования. Внутримолекулярные связи заменяются межмолекулярными. Вслед за этим образуется нерастворимый сгусток, т. е. происходит коагуляция белка. В разбавленных растворах выделяются хлопья, в концентрированных образуется коагель. Дальнейший нагрев коагеля сопровождается его уплотнением с выделением части жидкости. Коагуляция ускоряется с повышением температуры. При известных условиях (например, в присутствии кислот и щелочей) коагуляции может и не быть. Но при тепловой обработке мясопродуктов она происходит всегда. Во всех случаях тепловая денатурация белковых веществ сопровождается изменением числа определяемых заряженных и сульфидрильных групп. Увеличение числа этих групп наряду с утратой физиологической активности белков является одним из наиболее характерных признаков денатурации. Однако температура, при которой начинается процесс, и сам ход денатурации различных белков — неодинаковы. Кроме того, имеют значение и связи белков друг с другом и с другими составными частями тканей. В этих условиях температура денатурации повышается, белки денатурируются медленнее. Наиболее чувствителен к нагреву миозин. При нагреве мышечной ткани до 45° С резких изменений структуры миозина не обнаруживается, число определяемых сульфидрильных групп увеличивается незначительно, однако растворимость его резко уменьшается. Денатурация и дезориентация структуры актина начинается при температуре около 50—55° С, актомиозина — около 50° С. Основные белки саркоплазмы начинают денатурироваться при 50—54° С. С повышением температуры денатурационные изменения резко ускоряются и углубляются. Нагрев мышечной ткани до 70° С сопровождается значительным увеличением числа определяемых кислотных групп мышечных белков, в то время как основных групп практически не изменяется. В связи с этим уже при 50° С начинается смещение рН среды в нейтральную область. При этом степень смещения зависит от начального рН ткани: при 5,3 его величина после нагрева до 70° С достигает 5,7, а при 6,1 доходит до 6,6. Нагрев между 70 и 120° С заметных изменений рН не вызывает, так как и число кислотных и число основных групп незначительно уменьшается примерно в одинаковой степени. Одновременно с увеличением рН среды смещается и изоэлектрическая точка мышечных белков также в нейтральную область, но в большей мере. Таким образом, происходит сближение фактической величины рН с изоэлектрической точкой мышечных белков, что является основной причиной уменьшения их водосвязывающей способности. Количество прочно связанной влаги в мышечной ткани уменьшается на 15—20% . Это приводит к повышению жесткости и уменьшению сочности ткани. Степень смещения изоэлектрической точки при денатурации зависит от величины изоэлектрической точки нативных белков: чем она меньше, тем меньше смещение. При изоэлектрической точке нативных белков менее 4,5 смещения практически не наблюдается. Число определяемых сульфидрильных групп мышечных белков возрастает с повышением температуры до 70° С. В промежутке между 70° и 120° С оно уменьшается. Вполне вероятно, что это связано с возникновением взаимодействия белковых молекул. Изменению числа свободных кислотных групп мышечных белков сопутствует освобождение ионов кальция и магния, которое начинается уже при 40° С. При обычных значениях рН мышечной ткани максимальное количество этих ионов освобождается по достижении 70° С. При температуре, близкой к 70° С, начинается денатурация миоглобина и гемоглобина, которая, как это характерно для сложных белков, сопровождается ослаблением связи между глобином и простетической группой — гемом. При этом последний отщепляется и, вступая в побочные реакции, изменяет свою окраску. При двухчасовом нагреве мяса до 80° около 95% извлекаемых пигментов составляют метпигменты. Таким образом, основные денатурационные изменения белков мышечной ткани завершаются по достижении температуры около 70° С. При нагреве сывороточного альбумина значительное увеличение числа определяемых сульфидрильных групп обнаружено уже при 40° С. Дальнейший нагрев сопровождался их уменьшением. При нагреве сыворотки крови отмечается три стадии денатураций сывороточных белков: конденсации в интервале 42,5—52,5° С, для которой характерно уменьшение числа кислотных и основных групп; гидратации (дезагрегации) в интервале 52,5—57,5° С, когда увеличивается число кислотных, основных и сульфидрильных групп; агрегации (гелеобразования) в интервале 57,5—65,5° С, сопровождающейся резким уменьшением числа определяемых функциональных групп, возрастанием вязкости раствора и появлением опалесценции. Белок яйца денатурируется ступенчато на пяти различных температурных уровнях, начиная от 57,5° и до 82° С. Денатурация яичного желтка начинается при 60° С, а полная коагуляция наступает примерно при 70° С. Денатурирующее действие тепла существенным образом зависит от условий, в которых происходит нагрев. Устойчивость большинства животных белков к денатурации максимальна при физиологических значениях рН. Наименее устойчивы белки при рН, близком к изоэлектрической точке. В то же время высокие концентрации водородных и гидроксильных ионов сами по себе могут выступать в качестве денатурирующих факторов. Большинство белков в связи с этим денатурируется при рН ниже 3 и выше 10 (но пепсин инактивируется при рН выше 6,0, гемоглобин и липопротеиды заметно денатурируются при рН около 5,0). Нейтральные соли щелочных металлов (например, хлористый натрий) повышают устойчивость животных белков к тепловой денатурации. Высоким защитным действием обладают длинноцепочечные органические анионы (например, анионы жирных кислот с числом углеродных атомов 7—12) и другие органические вещества (например, сахара). Защитное действие органических анионов обусловлено их фиксацией положительно заряженными группами белковых молекул. Способность таких веществ повышать температуру денатурации белков может быть использована, например, для повышения температуры денатурации белков крови (сыворотки) при упаривании. Внутренняя перестройка белковых молекул при тепловой денатурации сопровождается потерей физиологической (ферментативной и гомональной) активности белков и повышением реакционной способности групп, входящих в структуру белковых молекул. Увеличение реакционной способности белковых веществ находит выражение, в частности, в повышении чувствительности денатурированных глобулярных белков к протеолитическим ферментам. Это объясняется тем, что при развертывании полипептидных цепочек внутренние пептидные связи становятся доступными действию ферментов, а поэтому умеренно денатурированные белки лучше перевариваются. Белки мясного сока, нагретые до 70° С, переваривались in vitro желудочным соком лучше белков сырого сока. Пепсин действует на сваренный яичный белок быстрее, чем на сырой. Как показали опыты, денатурированный яичный белок усваивается лучше, чем нативный. Однако длительный нагрев или нагрев при более высоких температурах не меняет устойчивости белков к ферментам или даже повышает ее. Так, белки мясного сока, нагретого до 95° С, переваривались так же, как белки сырого мяса. Нагрев яичного белка до 100° С в течение 1,5 мин повышал скорость его гидролиза трипсином, а более 30 мин не менял ее. Сильный нагрев желтка ухудшает его перевариваемость. При нагреве продуктов животного происхождения денатурация белков происходит в определенном температурном интервале и каждой температуре в нем отвечает определенное количество денатурированных белков. Если судить по состоянию нагреваемой мышцы, то заметные денатурационные изменения наступают при температуре около 45° С, когда мышца сокращается; по охлаждении исходная длина ее восстанавливается. Эта температура близка к температуре первой (обратимой) стадии денатурации миозина. При повышении температуры происходит дальнейшее укорочение мышцы и при этом она теряет способность к расслаблению. При 65° С уменьшается диаметр мышечного волокна в говядине на 12—16%. Но изменение растворимости белков мышечной ткани начинается при температуре ниже 45° С. По данным Д. И. Лобанова, растворимость основных белковых фракций говядины при нагревании изменялась следующим образом. Температура, °С Растворимость, % к начальной Температура, °С Растворимость, % к начальной глобулинов в 10%-ном хлористом натрии альбуминов в воде глобулинов в 10%-ном хлористом натрии альбуминов в воде 35 82 — 55 20 27 40 68 90 60 11,5 8,5 45 49,5 66 65 8 6,5 50 24,5 60 95 4 — Судя по этим данным, большая часть белков мяса (более 90% общего количества белков) денатурируется по достижении примерно 65° С, но даже и при 100° С небольшое количество белковых веществ не теряет растворимости.

Автор:  - -

Показать все статьи