Функциональные свойства мышечных белков

Под функциональными свойствами понимают физические и химические свойства белков, которые определяют их поведение в пищевых продуктах в процессе переработки, хранения и потребления. Они зависят от молекулярного строения и биохимических особенностей белка. Функциональные свойства белков оказывают влияние на многие показатели качества и органолептические характеристики продукта, ощущаемые и воспринимаемые потребителем. Понимание особенностей белков птицы, их свойств и функций необходимо для эффективного использования ингредиентов, разработки новых и модификации существующих продуктов, снижения количества отходов и контроля потребления энергии в ходе технологического процесса. Наиболее важные для конечного продукта функциональные свойства можно классифицировать на три общие категории:

    * взаимодействия белок-вода;
    * взаимодействия белок-жир;
    * взаимодействия белок-белок.

Важность какого-либо функционального свойства может меняться в зависимости от вида продукта, мясного сырья, вида и концентрации немясных добавок, используемого технологического оборудования, условий и степени переработки. Функциональные свойства мышечных белков зависят от содержания в рецептуре других ингредиентов и от условий переработки. Любые их изменения в рецептуре продукта или технологическом процессе требуют оценки возможного влияния этих изменений на структуру мышечных белков. Например, изменения в рецептуре могут повлиять на pH, концентрацию соли и белка в продукте, что наряду с другими факторами вызывает изменение биохимических, а следовательно и функциональных свойств мышечных белков. Изменения условий переработки, особенно температуры продукта или степени измельчения, также могут повлиять на биохимические свойства белков. Все это отражается на их структуре и, следовательно, оказывает непосредственное влияние на качество конечного продукта. Зачастую потребность в определенном функциональном свойстве изменяется в процессе переработки. Так, растворимость, способность к связыванию воды и жира являются наиболее важными функциональными свойствами сырых продуктов из мяса птицы. Способность к удержанию воды и жира и к гелеобразованию крайне важны для мясных продуктов в процессе термообработки. Чаще всего необходима многофункциональность белков, то есть предполагается, что любой белок проявляет не одно, а несколько функциональных свойств либо одновременно, либо последовательно в процессе переработки.

Мышечные белки

Мясо птицы содержит примерно 20-23% белков. Мышечные белки по их растворимости можно разделить на три группы: миофибриллярные, саркоплазматические и белки стромы.

Таблица 1. Белки скелетных мышц птицы
I
Миофибриллярные белки (55% от общего количества белков)
Сократительные белки

Пример: миозин, актин

Регуляторные белки
Пример: тропомиозин, тропонин

Цитоскелетные белки
Пример: тайтин, небулин

II
    
Саркоплазматические белки (35% от общего количества белков)

Гликолитические ферменты
Митохондриальные и окислительные ферменты

Лизосомальные ферменты
Миоглобин и другие гемовые ферменты

III
    
Белки стромы (3-5% от общего количества белков)
Коллаген
Эластин
Ретикулин

Миофибриллярные, или солерастворимые белки нерастворимы в воде, но большинство растворяется в растворах поваренной соли концентрацией более 1%. Эта группа состоит примерно из 20 отдельных белков, входящих в состав миофибрилл сократительной мышцы. Миофибриллярные белки могут быть разделены на три группы в зависимости от выполняемой функции: сократительные, которые ответственны за мышечные сокращения, регуляторные, участвующие в управлении процессом сокращения, и цитоскелетные, скрепляющие миофибриллы и способствующие сохранению их структурной целостности.

Сократительные белки миозин и актин оказывают большое влияние на функциональность мышечного белка. Поскольку в окоченевшей мышце актин и миозин находятся в виде актомиозинового комплекса, изменяется функциональность миозина как в эмульгированных, так и в формованных продуктах из мяса птицы. Свойства продуктов зависят также от общего соотношения актина и миозина и соотношения миозина и актина в свободном состоянии. Саркоплазматические белки и белки стромы, в свою очередь, влияют на функциональные свойства миофибриллярных белков.

Саркоплазматические белки растворимы в воде или в растворах с малой ионной силой (< 0,6 ммоль/куб. дм). В данную группу входят окислительные ферменты, миоглобин и другие гемовые пигменты, гликолитические ферменты, ответственные за гликолиз, и липосомальные ферменты. Миоглобин определяет цвет мяса, однако в целом белки этой группы вносят небольшой вклад в функциональные свойства белков мяса.

Белки стромы, часто называемые белками соединительной ткани, служат каркасом, поддерживающим структуру мышцы. Основным белком стромы является коллаген. Эластин и ретикулин составляют небольшую часть стромы. Все эти белки нерастворимы в воде и солевых растворах. Нежность мяса, как правило, уменьшается с увеличением возраста животных благодаря образованию поперечных связей и другим изменениям коллагена.

Кожа птицы является основным источником коллагена в рецептурах продуктов из мяса птицы. Хотя этот вид сырья обычно используют в качестве источника жира, его добавление приводит к увеличению содержания коллагена. При высоких концентрациях в рецептурах коллаген может оказывать влияние на функциональные свойства миофибриллярных белков. Он способен вызвать уменьшение размеров (усадку) продуктов из измельченного мяса, особенно при высокотемпературной обработке, а также влиять на связывание кусков мяса в формованных продуктах.

Роль белков в эмульгированных и формованных продуктах

При изготовлении эмульгированных продуктов из мяса птицы мясо, вода, соль, фосфаты и другие ингредиенты измельчают или перемалывают до образования пастообразной массы – мясной эмульсии. Эмульсией заполняют оболочку желаемой формы и подвергают термообработке.

Мясная эмульсия представляет собой сложную систему, состоящую из гидратированных мышечных белков, мышечных волокон, фрагментов миофибрилл, жировых клеток, капель жира, воды, соли, фосфатов и других компонентов. Эмульгированные продукты, такие как сосиски, копченые и вареные колбасы, содержат примерно 17-20% белка, 0-20% жира и 60-80% воды. Таким образом, относительно небольшое количество белка должно связать достаточно большое количество воды и жира. В рецептурах мясных продуктов для экстракции и гидратации миофибриллярных белков используется обычно 1,5-2,0% соли.

В процессе эмульгирования происходит измельчение мышечной ткани, то есть ее физическое разрушение путем повреждения сарколеммы (оболочки мышечной клетки) и внутренней сети из соединительной ткани. В присутствии соли мышечные волокна набухают, миофибриллы разделяются на более короткие части, миофибриллярные белки экстрагируются и гидратируются. Эти явления приводят к образованию вязкой пастообразной массы, которая удерживает воду и стабилизирует жир. Под воздействием тепловой обработки экстрагированные и гидратированные мышечные белки эмульсии образуют поперечно-связанную матрицу геля, которая удерживает внутри себя воду и жир, а также формирует текстуру, характерную для готовых эмульгированных продуктов.

Формованные продукты из птицы изготавливают из ломтиков или кусков мяса, связанных или склеенных друг с другом. Рулеты из мяса грудок индейки и куриное мясо ломтями (chickencoldcuts) являются типичными примерами таких продуктов. При производстве эмульгированных и формованных продуктов происходят одни и те же явления. Главное различие заключается в том, что при производстве формованных продуктов большинство изменений происходит на поверхности кусков мяса. Для разрушения мышечных клеток, расщепления мышечных волокон и извлечения миофибриллярных белков с поверхности кусков мяса применяют тумблирование, массирование или перемешивание в присутствии соли. На поверхности кусков мяса при этом образуется склеивающий слой из выделившихся миофибриллярных белков. При тепловой обработке этот белковый раствор превращается в гель, который действует подобно клею и удерживает куски мяса вместе. Считается, что наибольший вклад в скрепляющую способность белкового раствора вносит миофибриллярный белок миозин. Было установлено, что в присутствие коллагена на поверхности снижает сцепление между кусками мяса.

Взаимодействие белок-вода

В целом все функциональные свойства белков зависят от их взаимодействия с водой. Однако три свойства, зависящие от взаимодействия белок-вода, особенно важны для сырых продуктов из мяса птицы: извлечение (экстракция) и гидратация белков, влагоудерживающая способность, вязкость.

Термин «экстрагируемость» используется для описания того количества белка, которое освобождается или извлекается из миофибриллярной структуры в процессе обработки. При определенных внешних условиях экстрагированный мышечный белок растворим в водной фазе. Растворимость непосредственно зависит от распределения гидрофильных и гидрофобных аминокислот на поверхности молекул белка и термодинамики взаимодействий белок-вода. Экстрагируемость и растворимость мышечных белков зависят от рН, концентрации соли, вида солей и температуры.

Влагоудерживающая способность, как следует из названия, характеризует способность белкового матрикса удерживать влагу или абсорбировать добавленную воду при внешних воздействиях, таких как варка, центрифугирование и прессование. Вода может быть химически связана с белком, удерживаться за счет капиллярных сил или быть физически заключенной внутри белковой структуры. В высокоорганизованной миофибриллярной структуре белки химически связывают воду. Кроме того, вода удерживается физически в пространстве между волокнами. Влагоудерживающая способность также зависит от рН, от концентрации и вида присутствующей соли и температуры.

Вязкость, которая определяется в реологии как сопротивление течению, оказывает сильное влияние на стабильность сырого продукта перед тепловой обработкой. Вязкость мясного фарша увеличивается в процессе измельчения (куттерования), которое сопровождается набуханием мышечных волокон и абсорбцией ими воды. Экстрагированные белки, особенно крупные фибриллярные и хорошо растворимые, например миозин, могут увеличить вязкость растворов даже при очень малой концентрации. Вязкость фарша, с одной стороны, должна быть достаточно большой для обеспечения устойчивости сырого продукта, с другой стороны, не должна затруднять процессы перекачки и промежуточного накопления продукта на предприятии.

Добавление соли уменьшает электростатические взаимодействия между молекулами белка, что способствует увеличению экстрагируемости, растворимости и влагосвязывающей способности. Измельчение, или тумблирование мяса в присутствии соли приводит к разрушению мышечной ткани, способствует поглощению воды и набуханию мышечных волокон и в результате к увеличению вязкости мясного фарша. Вследствие солюбилизации и экстракции миофибриллярных белков происходит также разрушение структуры тонких и толстых нитей саркомера. Отдельные миофибриллы высвобождаются из мышечных волокон и дробятся на более короткие части. Экстрагированные белки, особенно миозин, также связывают воду и увеличивают вязкость фарша из мяса птицы, что способствует повышению устойчивости диспергированного жира. По этой причине в большинстве рецептур продуктов из мяса птицы дозировка соли составляет примерно 1,5-2,0%. Более высокая концентрация соли может увеличить влагоудерживающую способность фарша, однако это приводит к излишне соленому вкусу продукта.

На экстрагируемость, растворимость и влагоудерживающую способность мышечных белков влияет также рН фарша. В производстве продуктов из мяса птицы широко используются щелочные фосфаты, позволяющие повышать рН мясного фарша на 0,1-0,4 единиц рН, что приводит к увеличению влагосвязывающей способности мышечных белков.

В процессе переработки необходимо тщательно контролировать продолжительность и температуру измельчения для эмульсионных продуктов и тумблирования – для формованных продуктов. Избыточное измельчение или тумблирование могут привести к денатурации белка, а также к избыточному разрушению мышечных волокон и уменьшению вязкости фарша, что сопровождается снижением качества пространственной структуры белкового геля после тепловой обработки. Параметры измельчения и тумблирования должны быть подобраны таким образом, чтобы максимально увеличить степень экстракции белка, избегая при этом его денатурации.

Взаимодействие белок-жир

В грубо измельченных продуктах, таких как формованные продукты и многие колбасы, жир в основном сохраняется внутри неповрежденных жировых клеток. При их изготовлении обычно не возникает проблем, связанных с отделением жира в процессе переработки и тепловой обработки, так как он заключен внутри клеточных оболочек. Вязкость фарша и неповрежденные оболочки жировых клеток препятствуют появлению проблем, связанных с недостаточной связанностью жира.

В тонкоизмельченных эмульгированных продуктах, таких как колбасы и сосиски, жировые клетки разрушены, и жир находится в виде капель, образуя одну из фаз в эмульсиях. В эмульгированных продуктах капли жира образуют дисперсионную фазу, а непрерывная фаза состоит из воды, белков и солей. Для образования эмульсии необходима энергия, которая передается фаршу в процессе измельчения. Как правило, чем больше подводится энергии, тем меньше по размеру и многочисленнее образующиеся капли жира дисперсионной фазы фарша.

При высоких температурах и при достаточно большом поступлении энергии мембраны жировых клеток разрушаются, твердый жир плавится и эмульгируется, образуя жидкие капли. Основная часть жира птицы начинает плавиться при 13 °C, однако вследствие сложного липидного состава он плавится полностью лишь около 33 °С.

Капли жидкого жира нестабильны и со временем легко коалесцируют – маленькие жировые капли объединяются в крупные. Процесс этот крайне нежелателен, поскольку приводит к ряду дефектов качества эмульгированных продуктов. При достаточно низкой температуре жировые частицы могут находиться в частично кристаллизованном состоянии, и вероятность коалесценции в этом случае уменьшается.

Капли жидкого жира в тонкоизмельченных эмульгированных продуктах необходимо стабилизировать, чтобы избежать нежелательных изменений при переработке, перекачке и тепловой обработке. Этого можно достичь двумя способами. Во-первых, коалесценции препятствует высокая вязкость фарша. Во-вторых, наличие вокруг жировых капель белковой оболочки уменьшает межфазовое поверхностное натяжение между жиром и водой (то есть между диспергированной и непрерывной фазами) и стабилизирует капли.

Концентрация белка должна быть достаточно высокой, чтобы его молекулы могли взаимодействовать друг с другом и образовывать устойчивую непрерывную пленку на поверхности жировой капли. Общее количество растворимого белка также должно быть большим, чтобы образовать оболочки вокруг всех жировых капель. Существует еще одна причина возможной нестабильности тонкоизмельченных эмульгированных продуктов – мелкие жировые капли имеют большую площадь поверхности и для образования вокруг них стабильной белковой оболочки необходимо большее количество гидратированного белка. Миозин является главным компонентом оболочки, окружающей жировые капли, и считается, что он играет ключевую роль для обеспечения устойчивости жировых капель в процессе хранения и на ранних стадиях тепловой обработки.

Взаимодействие белок-белок

В процессе тепловой обработки взаимодействие молекул белка друг с другом приводит к формированию матрикса из белкового геля. Белковый гель образуется при нагревании в результате разворачивания и агрегирования мышечных белков, образующих прочную непрерывную поперечно связанную пространственную сеть, или матрикс. Образование непрерывной структуры белкового геля существенно влияет на текстурные и органолептические свойства, а также на выход продуктов из мяса птицы при тепловой обработке. Миофибриллярные белки образуют гель при термообработке как эмульгированных, так и формованных продуктов, и, по-видимому, гелеобразование является наиболее важным для готовых мясных продуктов, подвергаемых тепловой обработке, функциональным свойством белков. Однако на способность миофибриллярных белков образовывать прочный гель могут влиять саркоплазматические белки и соединительная ткань.

Миофибриллярные белки образуют термически необратимые гели. Это означает, что поперечная сшивка за счет химических связей, образующихся между белками в процессе нагрева, практически не изменяется при охлаждении или повторном нагреве.

Белковые гели удерживают в сетчатой структуре большое количество воды, связанной как в результате химических реакций, так и механически захваченной в ячейки. Матрикс белкового геля физически предотвращает коалесценцию жира в термообработанном мясном фарше. Под воздействием нагревания образуются также поперечные связи между белковой пленкой, окружающей жировую каплю, и непрерывным матриксом белкового геля.

В зависимости от рН и концентрации соли могут образовываться гели со структурой разного типа, что обуславливает получение продуктов с разными текстурными и влагоудерживающими свойствами. Как правило, при рН от 6 до 6,5 получаются эмульгированные продукты с максимально прочной текстурой и приемлемой упругостью. При более низких значениях рН, близких к pIмышечных белков, получаются гели с мягкой текстурой и слабой влагоудерживающей способностью, так как белки переходят в нерастворимое состояние и сильно агрегируются.

В общем случае миофибриллярные белки птицы начинают денатурировать при температуре примерно 40 °С, точка их гелеобразования достигается при температуре около 55 °С. Прочность геля и влагоудерживающая способность в процессе тепловой обработки повышаются до температуры 65-70 °С. Нагревание свыше 70 °С зачастую плохо влияет на качество гомогенизированных продуктов вследствие избыточной агрегации белка внутри сетки геля, что приводит к синерезису – отделению воды из продукта. Причиной синерезиса и выделения влаги при температурах свыше 70 °С может также быть желатинизация белка стромы – коллагена. На структуру образующегося геля и соответственно на качество готовых продуктов из мяса птицы может также влиять скорость нагрева. Считается, что при низкой скорости формируются гели с более упорядоченной структурой и соответственно с большей влагоудерживающей способностью. Например, для образования структуры белкового геля с высокой влагоудерживающей способностью сосиски с низким содержанием жира следует прогревать с меньшей скоростью, чем такой же продукт, содержащий больше жира.

Модельные системы в исследовании функциональных свойств белка

С увеличением ассортимента продуктов из мяса птицы все большую важность приобретает необходимость изменения и контроля функциональных свойств белка. Изучение этих свойств может привести к более глубокому пониманию изменений, происходящих в процессе изготовления и термообработки эмульгированных и формованных продуктов из мяса птицы. Целенаправленная модификация функциональных свойств белков может применяться в целях использования более дешевых или нетрадиционных источников мясного сырья, улучшения качества существующих продуктов и более эффективного использования немясных компонентов. Кроме того, изменение функциональных свойств белков мяса птицы позволяет снизить энергетические и технологические затраты, а также количество отходов производства.

Для исследования функциональных свойств белков мяса птицы было разработано множество различных модельных систем. Наиболее простым решением является использование определенной мышцы в тонкоизмельченном виде. Однако в такой системе зачастую бывает очень сложно выявить действительные причины и следствия из-за огромного количества составных частей и возможных взаимодействий. Поэтому в целях ограничения числа ингредиентов и снижения уровня сложности применяются более простые. Так, для установления функций белков в продуктах из мяса птицы использовались модельные системы на основе фракционированных белков, включающих в себя миофибриллы, миофибриллярные белки, солерастворимые белки, актомиозин и даже миозин.

Так как состав белков в конкретной фракции зависит от способа подготовки, то зачастую сложно сравнивать результаты, полученные в разных исследованиях модельных систем. Например, фракция солерастворимых белков состоит из смеси 15 и более белков, взаимодействующих при нагревании. Известно, что состав солерастворимой фракции может меняться в зависимости от условий экстракции и исходного материала. Таким образом, разные количества общего миозина или различное соотношение актина и миозина в солерастворимой фракции могут влиять на получаемые результаты исследований. С учетом этих факторов выбор испытательной системы следует осуществлять с особой тщательностью. При проведении исследований по разработке продукта наилучшее решение – работать с реальным продуктом или выбрать систему, как можно более близкую к нему. При проведении более фундаментальных исследований лучше начинать с упрощенной системы, например с чистого миозина, а затем переходить к более сложным, что позволит проверить, сохраняются ли закономерности, установленные для простой системы, при добавлении других компонентов.