Что такое коагуляция белков. Коагуляция молока — что это такое
Всем известно, что белки (протеины) - важная часть питания животных и человека. Белки представляют собой высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. Все мы, с разной степенью заинтересованности, изучали строение и значение белков в средней школе. В рамках кулинарного блога и этой статьи мы не будем углубляться в биохимию, а поговорим о белках с точки зрения кулинарии.
В кулинарии белки представлены, в основном, в мясных, рыбных, молочных продуктах, яйцах, частично – в злаках и орехах.
Белки не существуют в природе без связи с водой. Одни аминокислоты содержатся внутри самих белков, а другие находятся на поверхности и плотно связаны с молекулами воды. При этом белки имеют различные электрические заряды и некоторые из них сильно связаны друг с другом, а другие – нет. Кулинару любого уровня очень важно знать эту особенность белков для того, чтобы понимать, почему одни продукты более плотные по своей фактуре, а другие – рыхлые или почему одни белковые продукты прозрачные, а другие – нет.
Все белки можно разделить на 2 большие группы по принципу их взаимоотношения с водой: гидрофильные и гидрофобные . Гидрофильные белки очень «любят» воду, отлично с ней взаимодействуют, набухают, увеличиваются в объеме, становятся студенистыми, способствуют стабилизации различных суспензий и эмульсий. К гидрофильным белкам относится большинство белков цитоплазмы, ядра и межклеточного вещества продукта. Гидрофобные группы белков, напротив, неохотно взаимодействуют с водой и «стремятся» избежать контакта с ней. К гидрофобным белкам относится большинство белков, входящих в состав биологических мембран продукта. В своем обычном, естественном состоянии, все белки имеют снаружи лишь гидрофильные части. В процессе денатурации и коагуляции, речь о которых пойдет ниже, белки способны обнажать свои как гидрофильные, так и гидрофобные свойства.
В процессе тепловой обработки происходит множество химических и физических процессов, которые приводят к различным изменениям белковых структур продукта. С точки зрения кулинарии, самыми важными процессами, которые происходят с белками, можно назвать денатурацию и коагуляцию белков. Кулинару любого уровня необходимо эти процессы очень четко понимать, поэтому давайте рассмотрим их более подробно.
Денатурация белков.
Слабые связи, которые удерживают трехмерную структуру любого белка, можно очень легко разрушить, если подвергнуть продукт, содержащий белок, нагреванию или добавить к нему соль, пищевую кислоту и механически воздействовать на него (прижать к нагретой поверхности или активно пошевелить в процессе приготовления). По мере того, как связи, удерживающие белок, будут разрушаться, белки будут как бы разворачиваться в длинные цепочки. Именно этот процесс известен, как денатурация.
Изначально все белковые цепочки свернуты в довольно плотный клубок, внутри которого удерживается значительное количество воды. Когда белки разрушаются в процессе , они утрачивают способность удерживать влагу, вследствие чего выделяется жидкость, содержащая немало питательных веществ. Такая жидкость в кулинарии называется «соком» приготовляемого продукта или блюда.
Быстрее и полноценнее белки денатурируют под воздействием высоких температур, но также этот процесс происходит, если обрабатывать белки кислотой или большим количеством соли. Желудок человека гораздо лучше переваривает денатурированные белки. Именно поэтому обжаренное мясо предпочтительнее сырого маринованного, сушеного или вяленого. Популярная в японской кухне сырая рыба будет перевариваться гораздо хуже, чем любая рыба, термически обработанная. Вообще, любая пища, которая была приготовлена любым способом тепловой обработки, будет перевариваться лучше, чем незначительно обработанная, сырая, очень соленая или вяленая.
Коагуляция белков.
Если продукт, содержащий белок, будет подвержен термической обработке дольше, чем это необходимо для денатурации белков, то дополнительное воздействие тепла будет приводить к тому, что молекулы белков будут передвигаться гораздо активнее. Развернувшиеся белковые цепи будут притягиваться друг к другу, и формировать белковые сети. Именно этот процесс известен как коагуляция белков. Наглядно процесс коагуляции можно наблюдать, когда прозрачный яичный белок превращается в непрозрачный. Смыкающиеся в плотные сети белковые цепи не позволяют свету проникать внутрь, и яичный белок утрачивает свою прозрачность. При этом образующиеся плотные белковые сети в процессе коагуляции служат своеобразной ловушкой для воды. Когда вода попадает внутрь сети, она связывается с белками и жидкость превращается в нетекучий гель. Важно знать, что активной коагуляции белковых сетей способствуют пищевые кислоты, а присутствие крахмалов замедляет коагуляцию.
Говоря о белках и их роли в кулинарии, нельзя не упомянуть такое явление как синерезис . Синерезис (в кулинарии) – это процесс вытеснения жидкости из белковых сетей, которые с продолжительным временем обработки белкового продукта становятся все более плотными. Процесс синерезиса крайне нежелателен в приготовлении пищи, поскольку он приводит к тому, что обрабатываемый продукт станет очень сухим.
Процессы денатурации, а особенно коагуляции белков очень важны и могут быть как полезны для кулинара, так и доставлять существенные неудобства приготовлении пищи. Процессом коагуляции белков можно и нужно управлять. Давайте поговорим об этом подробнее.
Повторим, что коагуляции белковых сетей способствуют пищевые кислоты, а присутствие крахмалов замедляет коагуляцию. Так, например, мучные кулинарные изделия (пельмени, вареники, макароны, клецки) сохраняют при термической обработке свою форму благодаря именно коагуляции клейковинных белков , но также в них присутствует и большое количество крахмала. Поэтому, чтобы мучные кулинарные изделия не разваливались в процессе приготовления, можно добавить к ним в процессе варки несколько капель пищевой кислоты, например, столового уксуса – тогда изделия сохранят свою форму. В статье об я упоминала о том, что к некоторым видам теста добавляют пищевые кислоты – теперь вы понимаете, для чего это делается.
Яичный белок на 10% состоит из различных белков (среди которых количественно преобладают белки-глобулины) и на 90% из воды. Сырой яичный белок прозрачен потому, что содержащиеся в нем белки находятся в свернутом виде, а некоторые белковые цепи настолько малы, что не препятствуют проникновению света. При тепловой обработке белки яйца денатурируют и распускаются, затем коагулируют и формируются в белковую сеть, захватывая собой молекулы воды и образуя гель. Так яичный белок становится непрозрачным. Коагуляция яичного белка начинается при температуре 62˚С, и этой температуры достаточно для того, чтобы яичный белок дошел до готовности. При более высоких температурах, по мере того, как белки все больше коагулируют, консистенция приготовленного куриного яйца будет становиться тверже. Нагрев яичного белка до слишком высокой температуры (свыше 100˚С) будет вытягивать из образовавшихся белковых сетей воду, при этом сама структура отваренного яичного белка будет становиться все более плотной.
Каждый кулинар имел дело с взбиванием сырого яичного белка и наблюдал, как он насыщается воздухом и его объем увеличивается в несколько раз, а получившаяся пена остается плотной и устойчивой. Почему так происходит? Ведь не каждая воздушно-жидкостная смесь остается стабильной. Попробуйте взбить венчиком воду или молоко – ничего не получится. А вот когда взбивается жидкость, содержащая в себе белок, то воздух стабильно включается во взбиваемую смесь. Дело в том, что в процессе взбивания белки денатурируются, их гидрофильные и гидрофобные части становятся доступными, при этом гидрофильные части взаимодействуют с водой (из которой, напомню, на 90% состоит яичный белок), а гидрофобные – с воздухом. Именно поэтому получающаяся пена становится плотной, отлично удерживает собой воздух и не оседает. А что нужно сделать для того, чтобы денатурированные белки стали еще плотнее и коагулировали? Вы уже знаете: нужно добавить к ним немного кислоты. Отсюда и берет свое начало рекомендация добавлять к взбиваемой яичной пене несколько капель лимонного сока или уксуса.
В процессе приготовления яйца, как правило, подсаливают. Зачем? Можно ведь посолить яйца и после приготовления. Дело в том, что соль не только улучшает вкусовые качества яйца. Ионы соли Na + и Cl - окружают положительно и отрицательно заряженные области белков яйца, нейтрализуя их, и тем самым уменьшают отталкивание одинаково заряженных областей от соседствующих с ними белков. Это приводит к более быстрой коагуляции белков яйца при относительно низких температурах, а образующаяся белковая сеть будет менее жесткой. Проще говоря, если в процессе приготовления яичницы посолить белок яйца, то она получится более нежной.
Мы уже знаем, и еще раз повторим, что коагуляция белков будет проходить активнее в присутствии кислот. Поэтому, если в процессе приготовления добавить к яичному белку кислоту, то в присутствии положительно заряженных ионов водорода (Н +), входящих в состав кислоты, коагуляция белков яйца будет проходить активнее. Именно этот принцип используется в приготовлении , когда яйцо опускается в подкисленную воду. Одна из самых распространенных кулинарных рекомендаций – отваривать яйца в подсоленной воде, якобы так скорлупа не треснет, а если треснет, то белок не вытечет наружу. Это не совсем так. Точнее сказать, это верная рекомендация, поскольку мы с вами знаем, что соль способствует коагуляции, но в присутствии кислот процесс коагуляции будет проходить гораздо активнее. Поэтому, если в процессе варки цельных яиц вдруг треснула скорлупа, добавьте в кипящую воду немного столового уксуса – тогда яичный белок быстро коагулирует, закупорит отверстие и не успеет вытечь через трещину.
Если в процессе приготовления кондитерского заварного крема вдруг обнаруживается, что крем становится комковатым, это значит, что яичные белки, входящие в его состав, были нагреты до слишком высокой температуры, и в денатурированных белках начался процесс коагуляции. В приготовлении самого популярного и вкусного кондитерского многие кулинары точно также сталкиваются с тем, что яично-сахарный сироп при высокотемпературной термической обработке сворачивается. Именно для того, чтобы гарантированно избежать такой неприятности, рекомендуют готовить сироп для крема «Шарлотт» на желтках, а не на цельных яйцах.
Мясо животных на 75% состоит из воды, на 20% из белков и на 3-5% из жиров. Основной структурной тканью мяса является мышечная ткань, которая состоит из большого количества мышечных клеток или волокон, содержащих мышечный белок (актин и миозин). От состояния и возраста мышечной ткани животного зависит жесткость мяса. Мясо взрослого активного животного гораздо жестче, чем мясо молодого и ленивого. Мышечная ткань оплетена соединительной тканью, которая удерживает мышцы у костей и ограничивает количество белков, ответственных за сокращение мускулатуры. Соединительная ткань состоит из крепких волокон, основу которых составляют белки коллаген и эластин. Эластин – это белок, который обладает эластичностью и позволяет тканям восстанавливаться, а коллаген – очень жесткий белок, основа соединительной ткани, который обеспечивает именно ее прочность. Присутствие большого количества коллагена в тканях делает мясо очень жестким. Поскольку с возрастом животного соединительные ткани уплотняются и становятся жесткими, то и его мышцы также становятся все более и более жесткими. К счастью, коллаген частично растворяется в процессе приготовления мяса при температуре свыше 55˚С, а продуктом денатурации коллагена является желатин – он как раз таки делает мясо более нежным. А вот белок эластина в процессе денатурации сжимается и твердеет, именно поэтому его нужно срезать с мяса до начала приготовления – отсюда и берет начало рекомендация перед приготовлением зачистить мясо от соединительной ткани (всевозможных жил и пленок).
Каждый кулинар рано или поздно задается вопросом о том, как сделать жесткое мясо более нежным. Возможно ли это, и как сделать это правильно? Давайте разбираться.
В определенной степени любое жесткое мясо можно сделать нежным засчет его нагревания. Длительное воздействие тепла приводит к распаду жесткой ткани коллагена, однако, как мы помним, продолжительное нагревание белков при высоких температурах может привести к синерезису и продукт неизбежно получится очень сухим.
Жесткое мясо можно сделать более нежным, воздействуя на него физически. Этот способ подразумевает рубку или перекручивание мяса через мясорубку, что способствует разрушению жесткой соединительной и прочной мышечной тканей. Разрезание большого куска мяса на тонкие пластины или мелкие кусочки, а также его отбивание, также можно отнести к физическому способу размягчения: это воздействие делает коллагеновые волокна соединительной ткани и мышечную ткань более тонкими и слабыми. Поэтому, если вам для приготовления досталось очень жесткое и старое мясо, его можно несколько раз пропустить через мясорубку или отбивать до тех пор, пока оно не станет пригодным для блюда.
Самым распространенным способом искусственно смягчить мясо является его маринование. Всего можно выделить 3 сорта маринада: маринады кислотные, ферментные маринады и маринады на основе молочных продуктов. Рассмотрим подробнее каждый из них и разберем, как они влияют на мясо.
- Маринование мяса в кислоте. Популярные для маринования мяса кислоты, такие, как лимонный сок, уксус и вино помогают смягчить мясо через частичную денатурацию белков. Благодаря этой частичной денатурации белков под воздействием кислоты маринад будет существенно сокращать время приготовления основного продукта. Однако, маринады проникают в мясо очень медленно, поэтому, мелко и средне нарезанные куски рекомендуют мариновать довольно продолжительное время. В случае если маринуется большой кусок мяса, те белки, которые находятся в прямом контакте с кислотой, будут сворачиваться уже тогда, когда внутрь куска маринад еще не успеет проникнуть. Эту проблему можно решить, если при помощи специального шприца вводить маринад непосредственно внутрь куска мяса. Время маринования большого куска мяса в маринаде, содержащем кислоту, будет довольно продолжительным.
- Ферментные маринады. Это широко распространенные маринады на основе свежих фруктов. Чаще всего для таких маринадов используют киви, ананас, папайю, инжир и другие. Такие свежие фрукты содержат в себе особые ферменты (протеазы), которые воздействуют на сырое мясо, смягчая его. Эти ферменты отлично размягчают волокна мышечной ткани и коллагена, делая жесткое мясо более нежным. Такие маринады проникают внутрь куска еще хуже, чем кислотные, поэтому время маринования небольших кусков будет еще более продолжительным, чем в случае с кислотой, а введение ферментного маринада шприцом внутрь большого куска мяса – обязательная процедура. Важно заметить, что все ферменты свежих фруктов из маринада, воздействующие на белок, практически не работают при низких температурах, слабо активны при комнатной температуре и наиболее полно раскрывают свой потенциал 60˚С-70˚С. Именно поэтому ферментные маринады имеют наибольшее влияние на смягчение мяса именно в начале его приготовления.
- Маринады на основе молочных продуктов . Самыми распространенными ингредиентами для таких маринадов чаще всего выступают кефир или йогурт – слабые кисломолочные продукты. В отличие от маринадов, содержащих кислоту, маринады на основе молочных продуктов менее агрессивно воздействуют на белок мышечной ткани, поскольку являются слабокислыми веществами. Они не сделают часть кусков мяса, находящуюся в контакте с маринадом, настолько жесткой, как это делают кислотные маринады, поэтому мясо получается более нежным. Процесс денатурации под слабым воздействием кислоты идет более медленно. Кроме того, кальций, содержащийся в молочных продуктах, активирует собственные ферменты мяса, что приводит к естественному размягчению тканей и делает мясо более нежным.
На степень мягкости и нежности мяса влияет также количество жира, который в нем содержится или добавляется в процессе подготовки продукта к приготовлению. В рамках этой статьи мы не будем затрагивать этот вопрос, но обязательно поговорим на эту тему отдельно.
Особенности строения тканей, которые были описаны выше, в равной степени можно отнести и к птице и к дичи. Разница заключается лишь в том, что мясо птицы более нежное ввиду того, что оно, как правило, молодое и в нем отсутствует большое количество коллагена, а мясо дичи – жесткое, старое и обладает высоким содержанием соединительных тканей. Принципы обработки и размягчения мышечных тканей птицы и дичи останутся теми же.
А вот про особенности мышечных тканей рыб нужно рассказать отдельно.
Поскольку рыба плавает в воде, ей не нужно такое количество мышечной ткани, как животным. Мышечная ткань рыбы гораздо короче и тоньше, чем у животных, а соединительные ткани очень тонкие. Особенности соединительной ткани рыб таковы, что она выполняет свою основную функцию и поддерживает мышцы, но при этом она более нежная и тонкая, чем в мясе. Именно поэтому рыба не такая жесткая и ее даже можно есть сырой. Когда рыба подвергается тепловой обработке, белки ее мышечных волокон очень быстро денатурируют, соединительная ткань практически сразу же распадается, поэтому рыбу не нужно готовить так долго, как мясо. С увеличением времени термической обработки в рыбе распадается абсолютно весь коллаген соединительной ткани, вследствие чего мышечная ткань рыбы начинает расслаиваться и ей не на чем держаться. Когда это происходит, мы говорим, что «рыба развалилась». Рыбу необходимо готовить при максимально возможных для нее температурах, чтобы быстро довести до готовности и сократить время приготовления. Это предотвратит рыбу от высыхания, так как белки мышечной ткани рыбы быстро денатурируют, при этом не вся сеть коллагена соединительной ткани успеет разрушиться и готовая рыба будет меньше расслаиваться. Время приготовления рыбы можно дополнительно сократить, если добавить к ней в процессе приготовления кислоты, которые ускоряют денатурацию белков. Кислоту рекомендуется добавлять в бульоны, если рыба отваривается крупными кусками или целиком. А вот маринование рыбы в кислоте крайне нежелательно, поскольку присутствие кислот, как вы уже знаете, способствует активной коагуляции белков что, в случае с нежной мышечной тканью рыбы, крайне нежелательно.
Осталось сказать несколько слов о белках, содержащихся в молочных продуктах. Конкретно – в молоке, поскольку именно на его основе и производят все известные молочные продукты. Молоко состоит, в основном, из воды, молекул жира и белков. Белки молока условно разделяют на 2 группы: казеины и сывороточные. Сывороточные белки находятся в молоке в растворенном виде, в то время как казеины присутствуют в виде больших пучков, объединенных вместе ионами кальция и фосфатов. Эти пучки обладают отрицательным зарядами, что позволяет им далеко отталкиваться друг от друга. Уникальность казеиновых белков заключается в том, что они не денатурируют при нагревании. Однако, один из сывороточных белков – лактоглобулин –разворачивается при нагревании молока. Такие денатурированные белки стараются держаться заряженных пучков казеина, которые и удерживают отдельные денатурированные белки достаточно далеко друг от друга, чтобы они не склеивались и не уплотнялись. Именно поэтому термически обработанное молоко всегда останется жидким. А вот вспенивание горячего молока происходит благодаря активности денатурированных сывороточных белков, которые окружают собой пузырьки воздуха, образующиеся при нагреве молока до высоких температур. Вода, в свою очередь, успевает быстро испаряться с поверхности молока, а денатурированные белки имеют все большую концентрацию. При продолжительном нагреве их концентрация на поверхности горячего молока будет увеличиваться, денатурированные сывороточные белки начинают коагулировать и образуют собой пенку или пленку. Ту самую пенку или пленку, которую мы все так искренне терпеть не могли, когда в детском саду на полдник нам доставалось горячее прокипяченное молоко.
Вот, пожалуй, и все, что можно сказать в рамках этой статьи о белках и их значении в кулинарии. Надеюсь, вы смогли получить ответы на многие вопросы о том, как правильно работать с белковыми продуктами в рамках своих кулинарных экспериментов.
Чтобы не пропустить все самое вкусное!
Также я буду рада получить отзывы о вашем опыте приготовления по материалам моей статьи.
Лекция №3-4
Тема «Физико-химические изменения белковых веществ при кулинарной
Обработке продуктов: денатурация, коагуляция, деструкция»
1. Денатурация и коагуляция белков: физико-химическая сущность.
2. Деструкция белков: физико-химическая сущность.
3. Влияние изменения белков на их пищевую ценность.
4. Состав, строение мышечной ткани мяса и изменения, протекающие при тепловой обработке
5. Состав, строение мышечной ткани рыбы и изменения, протекающие при тепловой обработке.
6. Изменение белков яиц при тепловой обработке.
7. Проблема белковой недостаточности и пути ее решения.
Денатурация и коагуляция белков: физико-химическая сущность
Денатурация – нарушение пространственной структуры белковой молекулы под воздействием внешних факторов, чаще всего нагревания, которые приводят к изменениям природных свойств белка. С физической точки зрения денатурацию рассматривают как разупорядочение конформации полипептидной цепи без изменения первичной структуры. Денатурация может быть тепловой (в результате нагревания), поверхностной (при встряхивании, взбивании), кислотная или щелочная (в результате воздействия кислот и щелочей). Тепловая денатурация сопровождает изменение пищевых продуктов практически во всех процессах кулинарной обработки белоксодержащих продуктов.
Механизм тепловой денатурации : при комнатной температуре определенная пространственная укладка белковой глобулы сохраняется за счет поперечных связей между участками полипептидной цепи: водородных, дисульфидных (-S-S-). Эти связи не прочны, но обладают достаточной энергией, чтобы удерживать полипептидную цепь в свернутом состоянии. При нагревании белков усиливается тепловое движение атомов и полипептидных цепей белковых молекул, в результате поперечные связи разрушаются, ослабляются гидрофобные взаимодействия между боковыми цепями. В результате полипептидная цепь разворачивается, важную роль при этом играет вода: она проникает в участки белковой молекулы и способствует развертыванию цепи. Полностью обезвоженные белки, выделенные в кристаллическом виде, очень устойчивы и не денатурируют даже при длительном нагревании до температуры 100ºС и выше. Развертывание белковой глобулы сопровождается образованием новых поперечных связей, особенно активными при этом становятся дисульфидные.
Денатурация глобулярных белков протекает путем развертывания белковой глобулы и последующем ее сворачивании по новому типу. Прочные ковалентные связи при такой перестройке не разрушаются.
Денатурация фибриллярных белков (например, коллагена соединительной ткани мяса): связи, удерживающие пространственную структуру в виде спирали разрываются и нить белка сокращается, при длительной тепловой обработке коллагеновые волокна превращаются в стекловидную массу.
Денатурация сопровождается изменением важнейших свойств белка: потерей биологической активности (инактивация ферментов), видовой специфичности (изменение окраски, например, мяса), способности к гидратации (при изменении конформации на поверхности белковой глобулы появляются гидрофобные группы, а гидрофильные оказываются блокированными в результате образования внутримолекулярных связей), улучшением атакуемости протеолитическими ферментами, повышением реакционной способности белков, агрегированием белковых молекул. А
Агрегирование – взаимодействием денатурированных молекул белка с образованием более крупных частиц. Внешне это выражается по-разному: в малоконцентрированных белковых растворах – образование пены (хлопья на поверхности бульонов), в более концентрированных белковых растворах – образование сплошного геля при их одновременном уплотнении и отделении жидкости в окружающую среду (дегидратации). Так происходит денатурация белков в мясе, рыбе, яйце. Величина дегидратации зависит от кислотности среды – при подкислении влаги теряется меньше, так при мариновании мяса птицы, рыбы изделия получаются более сочными.
В неденатурированном состоянии белки представляют собой золь (раствор),в результате денатурации происходит переход раствора в студень (гель). Если белок находится в высококонцентрированном состоянии, то в процессе варки образуется сплошной студень, который охватывает весь объем системы (например, белок яйца).
Коагуляция – переход золя в гель, то есть из одного коллоидного состояния в другое. Между процессами денатурации и коагуляции нельзя ставить знак равенства, хотя в большинстве процессов коагуляция сопровождает денатурацию, но иногда и нет. Например, при кипячении молока лактоальбумин и лактоглобулин денатурируют и коагулируют, а казеин в тоже время не меняет своего коллоидного состояния.
Каждый белок имеет определенную температуру денатурации, Например, для белков рыбы низший температурный уровень денатурации, при котором начинаются видимые денатурационные изменения, состаялет около 30ºС, яичного белка – 55ºС.
Изменение рН среды оказывает влияние на температуру денатурации: при значениях рн близких к ИТБ, денатурация происходит при более низкой температуре и сопровождается максимальной дегидратацией белка. Создание кислой среды при тепловой обработке способствует снижению дегидратации и продукт получается более сочным.
Температура денатурации повышается в присутствии других более термостабильных белков и некоторых веществ небелковой природы, например, сахарозы.
Система свертывания состоит из ферментов свертывания, неферментативных белковых кофакторов и ингибиторов свертывания. Целью работы этой системы является образование фермента тромбина, ответственного за превращение фибриногена в фибрин.
Факторы свертывания крови
1. Ферменты , являются сериновыми протеазами (кроме фактора XIII):
- фактор II – протромбин,
- фактор VII – проконвертин,
- фактор IX – антигемофильный глобулин В или фактор Кристмаса,
- фактор X – фактор Стюарта-Прауэра,
- фактор XI – антигемофильный глобулин С или фактор Розенталя,
- фактор XIII – фибринстабилизирующий фактор или фактор Лаки-Лоранда.
2. Белки-кофакторы , не обладающие протеолитической активностью. Роль этих белков заключается в связывании и закреплении ферментативных факторов на мембране тромбоцитов:
- фактор V – проакцелерин, является кофактором фактора Xа,
- фактор VIII – антигемофильный глобулин А, является кофактором фактора IXа,
- фактор Виллебранда.
- высокомолекулярный кининоген (ВМК, фактор Фитцжеральда-Флюже) – кофактор ф.XII и рецептор прекалликреина. Необходимо иметь в виду, что по новой клеточной теории эти белки относятся к системе фибринолиза.
3. Структурный белок тромбообразования – фактор I (фибриноген ).
Тромбин (фактор II)
Тромбин, ключевой фермент гемостаза, является сериновой протеазой . В печени при участии витамина К происходит синтез его неактивного предшественника – протромбина , который в дальнейшем циркулирует в плазме. В плазме крови превращение протромбина в тромбин происходит непосредственно под действием фактора Xa (совместно с Va).
Функции тромбина в гемостазе
В зоне коагуляции:
- превращение фибриногена в фибрин -мономеры,
- активация фибрин-стабилизирующего фактора (ф.XIII, трансглутаминаза),
- ускорение свертывания через активацию факторов V, VIII, IX, XI (положительная обратная связь ),
- активация тромбоцитов (секреция гранул),
- в комплексе с тромбомодулином (в высоких концентрациях) активирует TAFI (thrombin activatable fibrinolysis inhibitor ),
- активация гладкомышечных клеток,
- стимулирование хемотаксиса лейкоцитов,
Вне зоны коагуляции
- в комплексе с тромбомодулином активирует протеин С ,
- стимулирует секрецию из эндотелиальных клеток простациклина и t-PA .
Фибриноген (фактор I)
Фибриноген (фактор I) – большой многокомпонентный белок, который состоит из трех пар полипептидных цепей – Аα, Вβ, γγ, связанных между собой дисульфидными мостиками. Пространственная структура молекулы фибриногена представляет собой центральный Е-домен и 2 периферических D-домена, α- и β-цепи на N-конце имеют глобулярные структуры – фибринопептиды А и В (ФП-А и ФП-В), которые закрывают комплементарные участки в фибриногене и не позволяют этой молекуле полимеризоваться.
Строение фибриногена
Синтез фибриногена не зависит от витамина К, происходит в печени и в клетках РЭС. Некоторое количество фибриногена синтезируется в мегакариоцитах и в тромбоцитах. Превращение фибриногена в фибрин происходит под влиянием тромбина .
Фибринстабилизирующий фактор
Фибринстабилизирующий фактор (фактор XIII) относится к семейству ферментов трансглутаминаз. Он синтезируется в печени и в тромбоцитах, в плазме крови большая часть неактивного фактора ХIII связана с фибриногеном. Активация фактора ХIII происходит при помощи тромбина способом ограниченного протеолиза из неактивного предшественника.
Как и большинство других ферментов, фактор XIII выполняет в гемостазе несколько функций:
- стабилизирует фибриновый сгусток путем образования ковалентных связей между γ-цепями мономеров фибрина,
- прикрепляет фибриновый сгусток к фибронектину внеклеточного матрикса,
- участвует в связывании α2-антиплазмина с фибрином, что способствует предотвращению преждевременного лизиса фибринового сгустка,
- необходим тромбоцитам для полимеризации актина, миозина и других белков цитоскелета, используемых при ретракции фибринового сгустка.
Изменение белков мяса в процессе нагрева
Белковая молекула при нагреве подвергается сложным физико-химическим изменениям, прежде всего денатурации и коагуляции, глубина которых зависит от температуры, продолжительности тепловой обработки и некоторых других факторов. При изучении всех классов белков необходимо установить уровни организации их макромолекулярной структуры. По терминологии Линдерштрема-Ланга и Бернала эти уровни принято именовать первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами белка. Под первичной структурой понимают вид, число и последовательность соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, под вторичной - взаимосвязь и характер спирализации полипептидных цепей, под третичной - закономерное свертывание цепей, обладающих вторичной структурой в макромолекуле, под четвертичной - агрегацию макромолекул.
Любое изменение, рассматриваемое как взаимодействие белков друг с другом, предполагает предварительное разрушение этих связей, которыми они удерживаются в системе, и замену их другими. Образование новых случайных структур в сложных белковых системах представляется как следствие замены лабильных связей между белковыми частицами более стабильными связями. Если воздействие тех или иных факторов приводит к разрушению третичной или четвертичной стриктуры, то ослабляется защитное действие гидратационных слоев вблизи полярных группировок и образование новых более прочных структур становится неизбежным. Уменьшение гидрофильной и увеличение гидрофобной способности и, следовательно, снижение защитного (стабилизирующего) действия гидратационных слоев вблизи полярных группировок происходят в результате внутримолекулярной перестройки белковой молекулы при денатурации. В этих условиях происходит агрегирование белковых частиц за счет межмолекулярных сил и коагуляция белка.
В свете подобных представлений рассмотрим вопрос о сущности и механизме денатурации белков. Денатурация, по мнению Жоли, - это любая модификация вторичной, третичной или четвертичной структуры белковой молекулы, за исключением разрыва ковалентных связей.
Влияние температуры и способа нагрева на скорость и температуру денатурации белков
Скорость тепловой денатурации зависит от температуры, влажности, способа нагрева и других факторов.
Денатурация тормозится при добавлении определенных веществ, таких, как пирофосфат, многоатомные спирты, сахара и F-актин, хотя механизмы торможения различны. Скорость денатурации АТФазы увеличивается при расщеплении мышечного протеина в результате уменьшения размера, плотности и симметрии молекул. Скорость денатурации белков зависит и от некоторых других факторов. Например, денатурация фибриногена мочевиной ускоряется при увеличении концентрации мочевины и при понижении pH ниже 7, однако в интервале pH 7,0...8,6 скорость реакции почти постоянна.
Присутствие тяжелой воды стабилизирует нативную структуру ферментов, обусловленную наличием водородных связей, уменьшая скорость инактивации.
В настоящее время установлено, что белки, входящие в состав мяса, денатурируют по мере достижения определенной для каждого белка температуры. Наиболее чувствителен к нагреву миозин. Температура денатурации, °С: миозина - 45...50, актина - 50, актомиозина - 42...48, миоальбуминов - 45...47, глобулина - 50, миогена - 50...60, коллагена - 58...62, миопротеидов - около 100. В интервале температур 45...50 °С денатурирует основная часть структурных белков мышц. Саркоплазматические белки (миоген и миоглобин) денатурируют при более высоких температурах (55...65 °С). Наиболее устойчивы к денатурации миопротеиды (большая часть ферментов), а также гемоглобин, сывороточный альбумин, коллаген.
Установлено, что денатурация происходит ступенчато, т.е. при достижении белком определенной температуры он приобретает соответствующую структуру с определенными свойствами. Согласно данным М. А. Калейджиева, денатурация сывороточного альбумина кролика осуществляется через три ступени. Зегель показал, что денатурация кристаллического альбумина проходит через 4 ступени: первая ступень наступает при температуре 60 °С, вторая - 61 ...65, третья лежит между 65 и 80, четвертая - при температуре выше 85 °С.
Изменение заряженных групп и pH белков в процессе тепловой обработки мяса
В процессе тепловой денатурации и последующей коагуляции происходят структурные изменения белков, разрыв прежних и образование новых связей при участии водородных связей, сульфгидрильных, дисульфидных, кислых и основных групп белков и гидрофобных взаимодействий.
Р. Гамм показал, что нагрев мяса в воде от 20 до 70 °С вызывает ступенчатое уменьшение числа карбоксильных групп в белках миофибрилл при существенно не изменяющемся количестве основных групп. Достоверные изменения кислых групп начинаются при температуре 40 °С. В интервале 40...50 °С количество их снижается, при 50...55 °С оно остается неизменным. При температуре выше 55 °С число кислых групп продолжает уменьшаться, а при температуре около 60 °С оно уменьшается очень значительно. Общее снижение числа кислых групп при нагревании до 70 °С составляет 85 %. При температуре от 70 до 120 °С наряду с дальнейшим сокращением числа кислых групп начинается уменьшение числа основных.
Изменение соотношения заряженных (кислых и основных) групп в результате денатурации и постденатурационных превращений связано с изменением pH. В то же время установлен факт прямой корреляционной зависимости между значением pH сырья, водоудерживающей способностью и выходом готового продукта. Чем выше исходное значение pH сырья, тем лучше качество (сочность) готового продукта. Величина изменений pH зависит от температуры и способа нагрева, исходного значения pH сырого мяса.
На величину смещения pH влияет также анатомическое происхождение мышц.
С повышением температуры нагрева изменяется водоудерживающая способность и сдвигается изоточка фибриллярных белков к более высоким значениям pH, увеличивается число основных групп. При тепловой денатурации происходит также сдвиг изоточки к более высоким значениям pH, видимо, вследствие расщепления водородных связей и освобождения дополнительных положительных зарядов.
Изменение растворимости мышечных и дезагрегация соединительнотканных белков в процессе нагрева мяса
Растворимость белков - один из показателей, характеризующих их денатурационные изменения. Известно, что нагрев сопровождается уменьшением растворимости белков. Разорвавшиеся при денатурации внутримолекулярные связи взаимодействуют межмолекулярно, в результате чего происходит агрегирование частиц. Иными словами, денатурационные изменения макромолекул белка, изменяя поверхностный слой молекулы, ведут к нарушению соотношения гидрофильных и гидрофобных группировок в сторону повышения последних, что и приводит к уменьшению растворимости.
При традиционных методах нагрева выпадение саркоплазматических белков наблюдается при температуре около 40 °С, причем наиболее сильно - при pH 5,5. Основная масса этих белков коагулирует в интервале 55...65 °С.
Имеются сведения о наличии термостойких белков: например, аденилкиназа выдерживает температуру около 100 °С.
Изменение коллагена под воздействием тепла - сложный процесс, складывающийся из двух этапов: сваривания и гидролиза коллагена. Коллаген является гликопротеидом, в котором содержание ковалентно связанных углеводов варьирует в зависимости от источника получения белка.
Растворимая часть коллагена - проколлаген и нерастворимая - колластромин различаются температурами денатурации и характером денатурационных превращений. Денатурация проколлагена протекает двухстадийно и заканчивается при температуре 36,5 °С, образуя при этом гомогенную прозрачную массу, переходящую в раствор. Колластромин переходит в гомогенное состояние при более высокой температуре или при более длительном тепловом воздействии.
В интервале температур 62...64 °С при нагреве в воде происходит мгновенное сморщивание коллагеновых волокон, которые, складываясь втрое по отношению к своей первоначальной длине, превращаются в резиноподобную массу. В процессе сморщивания трехспиральная структура пептидных цепей отдельных молекул коллагена приобретает форму клубка. Однако неструктурированные пептидные цепи еще связаны ковалентными связями и не могут перейти в раствор.
В результате влажного нагрева коллагенсодержащих тканей образуются полидисперсные продукты распада. При медленном нагреве преобладают высокомолекулярные соединения, при интенсивном - соединения с меньшей молекулярной массой. При сваривании коллагена в раствор переходит около 60 % содержащихся в ткани мукоидов.
На дезагрегацию коллагена в процессе нагрева влияют и некоторые другие факторы. Смещение pH мяса от изоэлектрической точки усиливает дезагрегацию, увеличение возраста животных от одного до полутора лет снижает ее примерно в 2 раза.
Таким образом, степень дезагрегации коллагена и образование продуктов распада зависят не только от температуры, до которой нагревается продукт, состояния и состава мяса, но и от скорости, а следовательно, и способа нагрева.
Коагуляция белков и ее влияние на качественные изменения и структуру мясопродуктов
Процесс нагрева белков сопровождается развертыванием глобул и высвобождением свободных радикалов, в связи с чем возникает возможность образования межмолекулярных связей, агрегации частиц и их осаждения, что ведет к уменьшению растворимости белков.
Внутренняя перестройка белковой молекулы - собственно денатурация - проявляется в агрегировании полипептидных цепей. Процесс агрегирования протекает в две стадии: укрупнение размеров частиц без выхода из раствора и последующая коагуляция. Агрегация денатурированных белковых молекул, или изменение их четвертичной структуры, являющаяся следствием предшествующей перестройки вторичной и третичной структур, сопровождается сокращением лиофильных центров белковой молекулы и снижением водоудерживающей способности мяса. Агрегация и коагуляция белков определяют образование непрерывного пространственного каркаса готового продукта.
Перестройка белковой молекулы при денатурации ухудшает гидрофильные и усиливает гидрофобные свойства ткани, следовательно, защитное (стабилизирующее) действие гидратационных слоев вблизи полярных группировок ослабляется. Внутримолекулярные связи заменяются межмолекулярными, образуется нерастворимый сгусток т. е. происходит коагуляция белков (из разбавленных растворов выпадают хлопья, из концентрированных - коагель).
Процесс денатурации белков сопровождается разрушением структуры воды, вследствие чего действующие между протофибриллами вторичные силы (силы Ван-дер-Ваальса) придают молекуле миозина более компактную форму, при этом выделяется часть жидкости.
В результате денатурации и коагуляции мышечных белков прочностные свойства мяса возрастают, а сваривание коллагена и последующий его гидролиз, напротив, их ослабляют.
Изменение жиров при нагреве мяса
Тепловая обработка мяса и мясопродуктов вызывает разрушение сложной внутриклеточной коллоидной системы, в составе которой содержится жир. Он при этом плавится, а затем коалесцирует, образуя в клетке гомогенную фазу в виде капли. Если жировые клетки были разрушены до тепловой обработки или разрушаются в процессе нагрева, расплавленный жир оттекает, сливаясь в единую объемную фазу. В тех случаях, когда нагрев происходит в водной среде, небольшая часть жира образует с водой эмульсию.
При достаточно длительном нагреве с водой (в том числе с внутриклеточной) жир претерпевает существенные химические изменения, при умеренной - они невелики, но легко обнаруживаются. Возрастание кислотного числа свидетельствует о гидролитическом распаде жира, уменьшение йодного числа - о насыщении непредельных связей радикалов жирных кислот, увеличение ацетильного числа - о присоединении гидроксильных групп к жирнокислотным радикалам. На фоне уменьшения йодного числа увеличение ацетильного числа можно считать свидетельством присоединения гидроксильных групп по месту двойных связей в результате взаимодействия триглицеридов с водой.
Если гидролиз жира в небольших масштабах не ведет к снижению пищевой ценности, то присоединение гидроксильных групп к кислотным радикалам - прямое свидетельство снижения пищевой ценности части жира.
При варке мясопродуктов и костей в большом количестве воды при кипении (бульоны, супы) часть выплавленного жира эмульгируется, распределяясь по всему объему бульона в виде мельчайших шариков. Эмульгированный жир придает бульону неприятный салистый привкус и мутность. Эмульгирование жира усиливается при увеличении гидролиза и интенсивности кипения. Периодическое удаление жира с поверхности бульона снижает степень его эмульгирования.
В условиях сухого нагрева, например при жарке, на первый план выступают окислительные изменения жиров и процессы полимеризации. Рост числа омыления свидетельствует о накоплении низкомолекулярных кислот, а ацетильного числа - об образовании оксикислот.
В процессе нагрева возрастает перекисное число жира и значительно увеличивается содержание в жире акролеина. Цвет жира темнеет, запах ухудшается главным образом в результате перехода в него окрашенных продуктов пирогенетического распада органических веществ. При длительном использовании жира для жарки уменьшается усвояемость в результате накопления в нем продуктов окисления и полимеризации. Нагрев жира до высоких температур даже под вакуумом приводит к небольшому снижению йодного числа и увеличению его вязкости.
Окислению, полимеризации и циклизации подвергаются в первую очередь линоленовая и линолевая кислоты. При этом возможно образование шестичленных непредельных циклических соединений, окисленных полимеров и других веществ, вредных для организма. Эти процессы становятся заметными при высоких температурах нагрева, поэтому при жарке температура жира не должна превышать 170 °С.
Прогревание бульона при 100 °С в течение часа предохраняет жир от прогоркания. По-видимому, это обусловлено образованием антиокислителей.
Изменение экстрактивных веществ
Экстрактивные вещества мяса при его тепловой обработке претерпевают существенные изменения, которые играют решающую роль в образовании специфических аромата и вкуса вареного мяса. Тщательно отмытое от растворимых в воде веществ мясо после варки обладает очень слабым запахом, а водная вытяжка из него имеет вкус и запах вареного мяса. После диализа эта вытяжка почти утрачивает запах, присущий вареному мясу.
Изменения, обусловливающие появление такого запаха, еще не полностью изучены. Известно, однако, что важную роль в этом играют глутаминовая кислота и продукты распада инозиновой кислоты. Глутаминовая кислота и ее натриевая соль даже в незначительных количествах (0,03 %) придают продукту вкус, близкий к вкусу мяса.
При нагревании усиливается распад инозиновой кислоты: при 95 ⁰С через 1 ч распадается около 80 % кислоты с образованием преимущественно гипоксантина. При этом несколько возрастает количество неорганического фосфора в результате образования фосфорной кислоты.
В процессе варки изменяется также содержание других экстрактивных веществ. Около 1/3 креатина, обладающего горьковатым вкусом, превращается в креатинин. Распадается около 10..15 % холина. В результате распада соединений, содержащих лабильно связанную серу, в вареном мясе образуется сероводород, количество которого зависит от вида и состояния мяса, а также от условий варки. Оно возрастает с повышением температуры и увеличением продолжительности нагрева. В вареной говядине сероводорода меньше, чем в свинине, а в ней меньше, чем в телятине, в мороженом мясе больше, чем в охлажденном. Выделение сероводорода при умеренных температурах связывают с распадом глутатиона (трипептид, образуемый глицином глутаминовой кислоты и цистином), так как он возникает при исчезновении серы глутатиона. Одновременно с выделением сероводорода в результате распада глутамина и глутатиона образуется глутаминовая кислота. Введение окислителей (нитрита, нитрата) уменьшает скорость образования сероводорода.
При варке мяса в бульон выделяются вещества, в состав которых входят карбонильные группы, обладающие различным ароматом. В бульоне обнаружены ацетальдегид, ацетоин, диацетил.
Эти вещества возникают благодаря реакции взаимодействия свободных аминокислот с редуцирующими сахарами (в том числе глюкозой), которая приводит к образованию меланоидинов. В ходе сложной окислительно-восстановительной реакции в качестве побочных продуктов выделяются карбонильные соединения.
В бульоне, полученном варкой обезжиренной говядины, с помощью хроматографического метода обнаружены низкомолекулярные жирные кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная), также обладающие ясно выраженным ароматом.
Можно полагать, что специфичность запаха вареного мяса связана с составом липидной фракции мышечной ткани, так как запах различных видов обезжиренного мяса мало различается.
Вопрос о том, какие именно вещества придают мясу его специфические аромат и вкус после тепловой обработки, еще до конца не решен. Однако экспериментально доказана связь вкуса мяса с содержанием в нем свободных пуринов, в частности гипоксантина. Количество этих веществ в мышечной ткани различно и зависит от глубины развития посмертных изменений в тканях. Запахом бульона обладает также кетомасляная кислота.
Изменения витаминов
Тепловая обработка продуктов животного происхождения при умеренных температурах (до 100 °С) уменьшает содержание в них некоторых витаминов из-за химических изменений, но главным образом в результате потерь во внешнюю среду. В зависимости от способа и условий тепловой обработки мясо теряет, %: тиамина 30...60, пантотеновой кислоты и рибофлавина 15...30, никотиновой кислоты 10...35, пиридоксина 30...60, часть аскорбиновой кислоты.
При варке изделий в оболочке потери витаминов несколько меньше. Так, при паровой варке теряется 25...26 % тиамина и
10.. .20 % рибофлавина, а при варке в воде - 10 % тиамина и 14 % рибофлавина.
Таким образом, тепловая обработка продуктов животного происхождения даже при умеренных температурах приводит к некоторому снижению их витаминной ценности.
Нагрев при температуре выше 100 °С вызывает различное по степени разрушение многих витаминов, содержащихся в мясе.
Степень разрушения зависит от природы витаминов, температуры и продолжительности нагрева.
Аскорбиновая кислота (витамин С) также разрушается и тем больше, чем выше температура и продолжительнее нагрев.
Из числа жирорастворимых витаминов наименее устойчив витамин D, который при температуре выше 100 °С начинает разрушаться. Содержание витамина А в отсутствие кислорода мало изменяется при нагреве вплоть до 130 °С. Витамины Е и К наиболее устойчивы к нагреву.
Сухой нагрев в контакте с воздухом, например при жарке мясопродуктов, вызывает еще более интенсивное разрушение витаминов, в особенности тех, которые легко окисляются (витамины А, Е, С).
Изменение водоудерживающей способности мяса и мясопродуктов при их тепловой обработке
Вода - естественный компонент мяса, образующий устойчивые структурированные системы с другими его частями. Формы и прочность связи воды в этих системах влияют на свойства мяса, в том числе на водоудерживающую способность, по характеру изменения которой можно судить об изменении потерь массы в процессе тепловой обработки и о качестве продукта. В настоящее время под водоудерживающей способностью мяса понимается сила, с которой часть его собственной воды или собственной с небольшим количеством добавленной воды удерживается белками, а также другими веществами и структурными системами мяса при воздействии на него каких-либо сил извне.
На изменение водоудерживающей способности мяса в процессе его тепловой обработки влияют многие факторы: температура, до которой оно нагревается, длительность выдержки при ней, температура среды, способ тепловой обработки, скорость нагрева, величина pH обрабатываемого сырья, реологические характеристики, химический состав продукта, количество добавленной поваренной соли, воды, вид мяса, анатомическое происхождение мышц, возраст животных и др.
Структура воды и изменение ее в процессе нагрева. Белковая макромолекула окружена водой, которую нельзя рассматривать как нейтральное вещество, так как благодаря своим уникальным свойствам она, с одной стороны, подвергается воздействию растворенных в ней белковых макромолекул, с другой - сама активно влияет на конформацию белка. Известно, что вода служит связующим звеном между белковыми молекулами. Составляя 70...75 % массы живой клетки (в протоплазме ее содержится около 70...80 %, в фибриллах - около 70, в саркоплазме - 20, во внеклеточном пространстве - 10 %), вода представляет собой ту жидкую среду, в которой осуществляются обмен и транспортировка? веществ. Стабилизация пространственной структуры белка и других биополимеров в значительной мере осуществляется в результате их взаимодействия с водой.
Уникальные свойства воды обусловлены ее способностью образовывать четыре водородные связи между молекулами и одно гидрофобное взаимодействие, в результате которых возникают сильные межмолекулярные связи, приводящие к образованию ассоциации. При этом две водородные связи включают два атома водорода молекулы воды, а две другие - неспаренные электроны кислорода и два атома водорода соседних молекул, поэтому могут выступать одновременно в роли донора и акцептора электронов в процессе образования водородных связей. В этом случае одна из взаимодействующих молекул получает избыточный положительный заряд, приобретая «кислые свойства», а другая - отрицательный заряд и «основные» свойства. В результате молекулы, соединенные водородной связью, способны образовывать более прочные связи с другими молекулами. Таким образом, водородные связи в воде носят кооперативный характер, т. е. одновременно образуются или рвутся большие группы связей.
В настоящее время учеными разработан ряд моделей воды, объясняющих многие ее свойства и аномалии. Наиболее распространенная модель основана на сохранении в воде каркаса льда с заполнением пустот свободными диполями. Ближняя упорядоченность в воде может быть охарактеризована как размытая тепловым движением структура льда. С повышением температуры доля заполненных пустот увеличивается.
Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в воде при 25 °С заполнена половина всех пустот структуры и что искажение каркаса ведет к нарушению межмолекулярных расстояний. Согласно изложенным представлениям воду следует рассматривать как расшатанный льдоподобный каркас, в который вплавлены области, обладающие более компактной, но ориентационно-разупорядоченной структурой.
Другая модель, получившая в последнее время широкое распространение, - модель «текучих кластеров». В основе ее лежит теория образования водородных связей на базе кооперативного эффекта. Согласно этой концепции водородная связь, имеющая в решетке льда частично ковалентную природу, использует на свое построение кроме собственной энергии диполя энергию, передаваемую соседними диполями в результате переноса неподеленных электронов атома кислорода одной молекулы на незанятые орбиты атома водорода соседней молекулы. Процесс сопровождается расщеплением заряда, в результате чего оказывается, что одна из взаимодействующих молекул воды подкисляется, а другая приобретает щелочные свойства. В конечном итоге это приводит к тому, что водородные связи не образуются и не распадаются одиночно: разрыв или образование одной индуцирует соответствующий процесс у соседних водородных связей.
Следует отметить, что большинство исследователей связывают снижение водосвязывающей способности и потери влаги в процессе нагрева мяса только с изменением конформационной структуры белка. Белковая макромолекула в мясе всегда находится в окружении воды. Растворы неполярных веществ являются структурообразователями по отношению к воде. Наличие неполярного углерода в ней способствует возникновению гидрофобного взаимодействия. На основании этого можно считать, что вода в значительной степени определяет конформацию макромолекул. Однако это свойство воды обусловлено непосредственно структурой, которая, в свою очередь, может изменяться под воздействием различных факторов, в частности температуры.
Известны четыре характерные температуры (15, 30, 45, 60 °С), при которых происходят резкие изменения состояния воды. Считают, что при указанных температурах в воде совершаются качественные структурные переходы.
Исследования зависимости снижения содержания влаги от температуры и pH образца фарша показали, что отделение влаги начинается уже при температуре 35 °С. Однако, начиная с температур 45...50 °С, влага выделяется более интенсивно. Это объясняется изменением, с одной стороны, структуры воды при указанных температурах, с другой - конформацией белковой макромолекулы, которая обусловлена комплексом внутри- и межмолекулярных водородных связей и гидрофобных взаимодействий.
Поскольку нагрев сопровождается разрушением структур воды (водородных связей и гидрофобных взаимодействий), действующие между протофибриллами вторичные силы Вандер- Ваальса стягивают молекулу белка в более компактную форму, т. е. происходят полимеризация дискретных белков и увеличение их молекулярной массы. При этом с повышением температуры контакт воды с углеводородом приводит к энергетически менее выгодной замене взаимодействия вода-вода взаимодействием углерод-вода, структура белка уплотняется, что вызывает значительное выделение влаги в виде бульона.
Формы связи воды с дисперсными системами. Известно, что мясо и выработанные из него полуфабрикаты, фарши и другие продукты представляют собой сложные дисперсные системы. Их свойства зависят от объемного соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды (воды), характера и прочности связи между ними, а также между отдельными частицами.
Формы связи воды в дисперсных системах, по П. А. Ребиндеру, классифицируют следующим образом: химическая, физикохимическая, физико-механическая.
К химической связи относятся ионная и молекулярная, которые характеризуются связью в строго молекулярных соотношениях. Химически связанная - гидратационная вода - является прочносвязанной, ее количество составляет 6... 10 % к массе сухого вещества.
К физико-химической связи относятся адсорбционная и осмотическая, которые осуществляются в различных не строго определенных соотношениях.
К физико-механической относятся связи: в микро- (r < 10 - 7 м) и макрокапиллярах (r > 10 -7 м), структурная и смачивания. Удерживание воды физико-механическими связями осуществляется в неопределенных соотношениях.
Ионная, очень сильная связь может быть нарушена при химическом взаимодействии или прокаливании. Молекулярная связь также относится к сильным и может быть нарушена при нагреве мяса до температуры выше 150 °С.
Наибольшее влияние на качество продукта и потери массы в процессе его тепловой обработки, по-видимому, оказывает физико-химически и физико-механически связанная вода. Используя классификацию форм связи П. А. Ребиндера, связанную в мясе воду подразделяют на четыре основных вида.
Первый (слой а) - гидратационная вода, связанная электростатически с полярными группами белков посредством положительных или отрицательных зарядов водных диполей. Второй (слой b) - связан с белками посредством притяжения водных диполей (диполь-диполь). Третий (слой с) - капиллярно связанная и адсорбированная вода. Четвертый (слой d) - вода смачивания.
Выделяют три формы связывания воды с белком: гидратационная, иммобилизованная и свободная вода.
Гидратационная вода составляет примерно 10 % всей имеющейся в мясе воды, адсорбированной белком. Вследствие двухполюсного характера молекул она присоединяется к ионам и другим полярным группам, имеет измененные физические показатели, не поддается физиологическому воздействию, не влияет на колебания водоудерживающей способности.
Иммобилизованная (связанная) вода прочно удерживается сетью мембран и волокнами мышечных белков, а также сцеплениями водородных носителей зарядов. Эта часть воды с большим трудом выжимается и не вытекает из мяса.
Свободная вода находится между клетками, очень «рыхло» связана и легко вытекает при нагреве. Это обусловливает, с одной стороны, потери массы от испарения при замораживании и холодильном хранении мяса и от вытекания сока при его размораживании, с другой - способствует сушке мясопродуктов.
В зависимости от состояния мышечных белков изменяется соотношение между иммобилизованной и свободной водой, причем оба ее вида следует рассматривать как единое целое: если количество иммобилизованной воды увеличивается, то свободной - сокращается, и водоудерживающая способность возрастает; при уменьшении количества иммобилизованной воды повышается содержание свободной, и влагоудерживающая способность понижается.
Для оценки прочности связи воды в мясных изделиях А. А. Соколов предложил следующую динамическую схему: вода, содержащаяся в мясе, подразделяется на прочносвязанную и слабосвязанную, а слабосвязанная - на полезную (которая остается в продукте после тепловой обработки) и избыточную.
В этом случае к прочносвязанной воде относится адсорбционная, удерживаемая молекулярно-силовым полем у поверхности раздела дисперсных частиц - мицелл с окружающей средой и гидрофильными центрами белковых молекул, а также влага микрокапилляров с r< 10 -7 м и механически удерживаемая.
Вода слабосвязанная необходима для обеспечения желательных свойств и нормированного выхода продукта. Вода слабосвязанная избыточная в основном отделяется при тепловой обработке мясопродуктов. Повышение влагосодержания фарша путем увеличения доли слабосвязанной избыточной воды приводит к значительному ее отделению в процессе нагрева продукта и, следовательно, к снижению качества готовых изделий.
Считают, что ионная связь особенно важна для увеличения водоудерживающей способности мяса. Поскольку некоторые аминокислоты содержат две карбоксильные и две аминогруппы, то помимо блокированных пептидной связью имеются группы с кислой и щелочной реакцией, которые образуют анионы и катионы. Кроме названных в молекуле аминокислот содержатся и другие функциональные группы, например гидроксильные (-ОН) и сульфгидрильные (-SH). Они имеют полярный характер, вследствие чего также могут удерживать воду.
В зависимости от того, являются ли заряды соседствующих ионов одноименными или противоположными, они взаимно притягиваются либо отталкиваются. Известно, что количество зарядов в изоэлектрической точке (pH ~ 5,0) минимально. Мясо, нагретое при изоэлектрическом состоянии белков, характеризуется максимальным отделением бульона и минимальной водоудерживающей способностью.
Влияние pH мясного фарша. Кроме изменения структуры воды, денатурационных изменений мышечных белков и дезагрегации коллагена существенное влияние на изменение водоудерживающей способности оказывает pH сырья.
На изменение pH в процессе нагрева мяса более сильное влияние, чем температура греющей среды, оказывают pH исходного сырья и температура образца. Несмотря на то что с повышением последней прирост pH возрастает (величина прироста зависит от pH исходного фарша), водоудерживающая способность его снижается, так как параллельно происходит сдвиг изоэлектрической точки фибриллярных белков к более высоким значениям pH.
Состав мясных и костных бульонов из мяса птицы и субпродуктов. Качественный состав бульонов, приготовляемых из мяса и мясопродуктов, одинаков, в него входят экстрактивные и минеральные вещества, белки, липиды, витамины. Белки представлены в основном глютином, который образуется в результате деструкции коллагена в условиях влажного нагрева. Белки мышечных волокон переходят в бульон в количествах, не превышающих 0,2 % массы мясного сырья. Эмульгированный жир содержится в бульонах, приготовляемых из жирного мяса (грудинка, покромка), жирной птицы (утки, гуси), языков; количество его не превышает 0,8 % массы мясного сырья. Таким образом, основными водорастворимыми компонентами мясных и костных бульонов являются экстрактивные, минеральные вещества и глютин. Количественное содержание указанных компонентов в бульоне зависит от вида мясного сырья, использованного для варки.
Как уже отмечалось, экстрактивные, минеральные и другие низкомолекулярные водорастворимые вещества, а также витамины сосредоточены в саркоплазме мышечных волокон. Из этого следует, что бульоны, сваренные из говядины 1-го и 2-го сорта, содержат больше экстрактивных и минеральных веществ по сравнению с бульонами, сваренными из говядины 3-го сорта, содержащей до 20 % соединительной ткани.
Механизм образования мясных бульонов связан с тепловой денатурацией мышечных и соединительнотканных белков. Мышечные белки при денатурации свертываются, отдают в окружающее пространство часть влаги (около 50 %), которая, выходя из мышечных волокон, увлекает за собой часть экстрактивных и минеральных веществ. Этот концентрированный раствор попадает в межмышечное пространство, однако в нем не задерживается из-за тепловой деформации прослоек мускульной соединительной ткани. Куски мяса сжимаются во всех направлениях, в результате чего отпрессованная белками жидкость вместе с растворенными в ней экстрактивными и минеральными веществами вытесняется в окружающую воду, образуя бульон. Определенная роль в образовании бульона принадлежит диффузии водорастворимых веществ из мяса в окружающую воду при варке мяса. Возможность для диффузии возникает в результате денатурации белков мяса, в том числе сарколеммы мышечных волокон и соединительнотканных прослоек. Движущей силой диффузии служит разность концентраций растворимых веществ в мясе и бульоне. Переход растворимых веществ из мяса в бульон в результате диффузии может быть усилен двумя путями: увеличением гидромодуля (соотношения воды и мяса) и более мелкой нарезкой мяса, в результате чего возрастает поверхность контакта между мясом и водой.
Погружение мяса для варки в холодную или горячую воду не влияет на количество растворимых веществ, переходящих из мяса в бульон.
При варке говядины без костей крупными кусками (1...2 кг) в воду переходит около 2 % растворимых веществ от массы мяса, в том числе 1,5 % органических и 0,5 % минеральных. При варке языков в бульон переходит около 1,5 % растворимых веществ от массы сырья, в том числе около 30 % составляют минеральные вещества.
При варке кур в виде целых тушек в воду переходит 1,65 % растворимых веществ от их массы, в том числе минеральных - 0,25 %, экстрактивных - 0,68 %.
При варке костных бульонов в течение 3 ч в воду переходит от 2 до 2,5 % растворимых веществ от массы костей.
Если сухой остаток мясного бульона принять за 100 %, то он распределится так: 49 % - экстрактивные вещества, 25 - минеральные вещества, 24 - белки (в основном глютин), 2 % - эмульгированный жир. В костном бульоне сухой остаток распределится следующим образом: 4 % - экстрактивные вещества, 6 - минеральные вещества, 77,6 - глютин, 12,4 % - эмульгированный жир. Своеобразный состав костного бульона объясняется низким содержанием в костях экстрактивных веществ, наличием минеральных веществ в виде нерастворимых фосфатов и карбонатов кальция.
В основе процесса образования хлопьев белков при кипячении сусла лежит тепловая коагуляция, которая протекает в две стадии. Первой стадией является дегидратация белковой молекулы и переход ее в состояние суспензоида - происходит денатурация белка, т. е. превращение гидрофильного золя в гидрофобный, В таком превращении решающее значение имеет тонкий слой на границе между дисперсной фазой (в данном случае белком) и дисперсионной средой (в данном случае суслом), который у этих двух золей различен; у лиофобных коллоидов поверхностный слой характеризуется очень высокой чувствительностью к действию электролитов, наличие которых в сусле всегда возможно.
Денатурированные белки удерживаются в суспендированном состоянии благодаря собственным электрическим зарядам, которые не позволяют сближаться отдельным молекулам белка.
Вторая стадия коагуляции состоит в том, что дегидрированные молекулы денатурированного белка под действием электролитов соединяются в более грубые, большие по объему хлопья (образование бруха).
Несмотря на полное завершение первой стадии, вторая стадия может происходить нс полностью. Белки могут денатурировать при любом значении pH, а коагуляция легче всего протекает вблизи изоэлектрической точки.
Так как в сусле находятся разные фракции белков, осаждающиеся при разных значениях pH, то, естественно, не вес они в одинаковой степени будут подвергаться коагулированию. Например, изоэлектрическая точка ячменного альбумина (лейкозина) лежит при pH 5,75; разными изоэлектрически ми точками обладают отдельные фракции ячменного глобулина (эдестина); ?-глобулин - при pH 5,0; ?-глобулин - при pH 4,9; ?-глобулин - при pH 5,7.
Как известно, ?-глобулин является главной белковой составной частью мути пива, Изоэлектрическая точка этого белка обычно достаточно далеко отстоит от pH сусла.
Понижение pH затора благоприятно действует на выделение коагулируемого белка.
При кипячении сусла белковые вещества, несущие положительный заряд, стремятся соединиться с веществами, заряженными отрицательно, поэтому вполне естественно образование комплексов белков с дубильными веществами, так как танины имеют отрицательный заряд.
К ионам, способствующим коагуляции белков, относятся сульфатный ион. Гипсованная вода, например, вызывает очень хороший брух.
Как видно из сказанного, коагуляция белков при кипячении сусла, да еще в присутствии веществ хмеля, является сложным процессом. При этом образуются комплексные соединения белков с другими соединениями (ионами неорганических солей, танинами, кремневой кислотой и находящимися в сусле коллоидными соединениями). Они образуют сложные белково-коллоидные мицеллы, обладающие адсорбционными свойствами, для которых требуются другие условия осаждения, чем для чистых белков.
Влияние pH на выпадение белков при кипячении как неохмеленного, так и охмеленного сусла, очевидно, по данным, полученным Д.П. Щербачевой, показано в табл. 71.
В практике пивоварения максимальная коагуляция белков наблюдается при pH 5,2-5,0; в этом преимущество подкисления заторов.
Концентрация водородных ионов при кипячении сусла повышается; pH снижается на 0,2-0,3. Хмелевые кислоты плохо диссоциируют и поэтому не могут быть причиной такого сильного увеличения концентрации водородных ионов (снижение pH на 0,3 соответствует увеличению [Н+] в два раза). Основная причина этого явления связана с образованием трехосновных фосфорнокислых солей кальция и магния, которые нерастворимы в воде и выпадают из сусла.
На коагуляцию белков значительное влияние оказывает продолжительность кипячения. В табл. 72 приведены данные, полученные тем же исследователем при кипячении неохмеленного сусла.
В первом опыте при трехчасовом кипячении была достигнута максимальная коагуляция белков, во втором - коагуляция продолжалась еще и после трехчасового кипячения. В литературе имеются указания, что при семичасовом и даже девятичасовом кипячении сусла не удаляются полностью все способные к коагуляции белки.
Значительное влияние па коагуляцию белков при кипячении оказывает концентрация сусла. Белки быстрее коагулируют в сусле низкой экстрактивности; в более плотном сусле коагуляция протекает медленнее.
Автор проследил динамику уменьшения белка в сусле разной плотности в течение 6 ч кипячения без добавления хмеля и с хмелем (рис. 27, а и б).
Роль дубильных веществ в коагуляции белков до сих пор полностью нс выявлена. По-видимому, это обусловлено тем, что дубильные вещества имеют сложный состав и как о оболочке ячменя (солода), так и в хмеле находятся совместно с горькими веществами. В неохмеленном сусле Гартонг установил наличие 111 мг дубильных веществ в 1 л, а за счет хмеля количество их увеличилось только на 80 мг/л, Из солода дубильных веществ переходит в сусло больше, чем из хмеля. Общепринятым считается, что дубильные вещества хмеля способствуют выделению белковых веществ, Работы Шустера и Рааба показали, что в сусле как до кипячения, так и после кипячения без хмеля содержалось, примерно одинаковое количество дубильных веществ (365,1 и 363,9 мг/л), в то время как количество азотистых веществ снизилось от 803 до 760 мг/л. Это может указывать на то, что коагуляция белков при кипячении сусла происходит без участия дубильных веществ.
Однако непродолжительное кипячение сусла перед добавлением в него хмеля, применяемое на некоторых заводах, позволяет получить пиво с более чистым вкусом.
Дубильные вещества хмеля и оболочки ячменя имеют разный характер. По-видимому, дубильные вещества хмеля оказывают большое влияние на образование вкуса нива. Характерные свойства своего пива чешские исследователи связывают с наличием в сортах чешского хмеля больших количеств дубильных веществ по сравнению с хмелем других стран и с определенным соотношением отдельных фракций этих веществ.
Танины являются химически нестойкими веществами и при окислении конденсируются во флобафены, которые по существующему в пивоварении мнению образуют с белками сусла комплексы, нерастворимые как в горячем состоянии, так и при охлаждении. Соединения же дубильных веществ с белками не склонны к коагуляции в горячем состоянии и поэтому не выпадают в горячем сусле, но при охлаждении частично выпадают и обусловливают помутнение охлажденного сусла. Так как происходит только частичное выпадение, то некоторое количество их попадает и пиво.
При окислении дубильных веществ образуются соединения, подобные флобафенам, что является одной из причин появления коллоидной мути пива. Так как вещества этой мути способны образовывать в дальнейшем хлопьевидный осадок, окрашенный и коричневый цвет, то можно предполагать, что одной из составных частей этого осадка является флобафен.
Как известно, полифенолы, и в частности танины, подобно пиррогаллолу обладают свойством легко соединяться с атмосферным кислородом к образовывать тем неокрашенные вещества. Примесь этих веществ к белковым соединениям, вероятно, вызывает потемнение последних, особенно при экспозиции на воздухе.
Важным фактором для выделения белка из сусла является интенсивность кипячения.
Антоцианидины, содержащиеся в хмеле, переходят в сусло и переносят кипячение, однако обычно общее количество их в сусле не увеличивается, так как антоцианогены адсорбируются частично белками, выделяющимися при кипячении. Количество антоцианогенов, поступающих в сусло, примерно составляет 1/12-1/6 того количества, которое выделяется из солода и несоложеного ячменя.
Вещества сусла, находящиеся на поверхности, играют особо важную роль з образовании осадка. Самопроизвольное стремление к уменьшению поверхностного натяжения на границе раздела сусло - воздух вызывает быструю миграцию на поверхность частиц белков, являющихся поверхностно-активными веществами. Концентрация их в поверхностном слое увеличивается, и возможность столкновения одной частицы с другой становится гораздо больше, чем в глубоких слоях. На пленке, окружающей пузырек пара, молекулы белка конденсируются, агглютинируют и при лопания пузырьков белки выделяются в виде крупных нерастворимых агрегатов, которые в дальнейшем выпадают в осадок. Поэтому интенсивное кипячение сусла в сусловарочном котле всегда благоприятствует образованию хорошего бруха и уменьшает возможность помутнения пива в дальнейшем.
Хмелевые шишки содержат ряд макро- и микроэлементов, среди которых алюминий занимает первое место; медь, железо и цинк находятся в меньшем количестве. Содержание микроэлементов очень небольшое. Все они в какой-то мере оказывают свое влияние на коагуляцию белков при кипячении сусла. А.В. Андрющенко и Г.И. Фертман, исследуя состав белкового коагулянта после кипячения сусла, установили, что особо важное значение в указанном процессе имеют железо и цинк, значительно меньшее - хром и олово.