Теоретическое обоснование денитрифицирующей способности активированных жидких сред в технологии производства мясопродуктов. | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 2 (18).

Теоретическое обоснование денитрифицирующей способности активированных жидких сред в технологии производства мясопродуктов.

Методами молекулярного моделирования и квантово-химического анализа молекул нитрозо- и оксимиоглобина проведена оценка их стабильности в различных условиях. Рассмотрена возможность применения активированных жидких сред с показателями активной кислотности рН=10,5-11,2 ед. и отрицательных значений окислительно-восстановительного потенциала для формирования благоприятных условий для вовлечения нитрита натрия в реакции цветообразования в мышечной ткани мясного сырья. Отмечается возможность снижения остаточного нитрита натрия в готовых мясопродуктах за счет интенсификации процессов его трансформации в оксид азота, стабилизации нитрозомиоглобина и улучшения условий сохранения окраски в течение срока хранения мясопродуктов. Прогнозируется, что использование электрохимически активированных рассолов при их кавитационной дезинтеграции будут интенсифицировать процессы формирования цвета мясопродуктов. Осуществление процесса посола сырья в условиях вакуумирования и механической обработки мяса тумблированием позволит исключить вероятность окислительных изменений и предотвратит распад пигментов.

Theoretical justification of denitrification properties of activated liquids in meat products production..pdf ВведениеЦветовые характеристики мясопродуктов зависят от содержания и строения пигментов, входящих в ткани мяса, их химических изменений после убоя, а также от методов и способов организации посола мясного сырья. Во избежание нежелательных изменений цветовых характеристик мясопродуктов вместе с посолочными компонентами вводят нитриты, которые обусловливают устойчивую розово-красную окраску мясных изделий.Механизм образования цвета соленого мяса весьма сложен. Розово-красную окраску можно получить лишь при равномерном введении окиси азота в виде нитрита натрия. Обязательным условием реакции цветообразования является восстановление нитрита до окиси азота, что является лимитирующим фактором скорости процесса образования нитрозомиоглобина.Проведены аналитические исследования существующих литературных данных, патентных источников, результатов теоретических и экспериментальных изысканий отечественных и зарубежных исследователей, выделены основные факторы, влияющие на процессы формирования и стабилизации цветовых характеристик мясопродуктов: технологические условия процесса посола, рецептура и физико-химические свойства посолочных рассолов, параметры термообработки. Из всей совокупности выделенных факторов особый научно-практический интерес представляют возможности направленного регулирования процессов цветообразования путем достижения оптимальных физико-химических свойств рассольных композиций (рН и окислительно-восстановительного потенциала- ОВП), применяемых для посола мясного сырья, а также технологические способы интенсификации процесса посола за счет механической обработки сырья.Перспективные безреагентные способы регулирования восстановительных условий в мясных системах предложены ведущими учеными в области практического применения активированных жидких систем А.А. Борисенко и Л.А. Борисенко [1, 2]. Исследованиями Л.А. Борисенко установлено, что применение омагничивания шприцовочного и заливочного рассолов и их струйное введение в мышечную ткань PSE свинины позволяет получить продукт с лучшими цветовыми характеристиками по сравнению с традиционной технологией посола мяса NOR. Сочетание инъецирования омагниченных рассолов с последующим тумблированием сырья в наибольшей степени усиливает процесс цветообразования ветчинных изделий, позволяет улучшить органолептические свойства готового продукта, сократить срок посола, увеличить его выход [1]. В работах А.А. Борисенко отмечается, что применение щелочной фракции электроактивированной воды (ЩВ) при производстве варёных колбас с использованием белоксодержащих добавок благотворно действует на процессы их цветообразования [2]. Теоретические предпосылки возможного увеличения интенсивности и устойчивости окраски продуктов при использовании активированных рассолов связаны с поддержанием оптимального значения показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала системы, что обусловливает создание благоприятных восстановительных условий в мясной системе, препятствующих или задерживающих образование метмиоглобина как непосредственно, так и за счёт уменьшения активности окислительных ферментов.Результаты исследований в области практического применения электрохимически активированных растворов в качестве цветорегуляторов в технологии производства цельномышечных мясопродуктов [3] показали целесообразность использования рассольных композиций на основе щелочной фракции электрохимически активированной воды (ЭХА воды) с высокими показателями рН для формирования более стабильной окраски мясопродуктов с пониженным содержанием в них остаточного нитрита.Целью исследования являлось теоретическое обоснование денитрифицирующей способности активированных жидких сред путем молекулярного моделирования и квантово-химического анализа окси- и нитрозомиоглобина мясной мышечной ткани.Материалы и методики исследованияТеоретическое изучение свойств окси- и нитрозомиоглобина осуществляли методом молекулярного моделирования в программной среде HyperChem Professional 7.1 (разработчик Hypercube, Inc., США), согласно рекомендациям [4] и результатам практического апробирования метода в исследовательских работах различных авторов [5-9]. Данный метод предполагает моделирование органических и неорганических химических соединений в различных условиях с оценкой их энергетического состояния и химической активности. Возможно проведение квантово-химических расчетов таких систем методами молекулярной механики и динамики с высокой степенью достоверности.Для установления распределения электростатического потенциала молекул оксимиоглобина и нитрозомиоглобина проведен расчет частичных зарядов на выделенном гем-фрагменте белка методом ZINDO/1 (полуэмпирический метод) [4]. Метод ZINDO/1 является вариантом метода частичных пренебрежений с дифференциальным перекрыванием, адаптированного для проведения расчетов молекул, включающих атомы переходных элементов. ZINDO/1 позволяет вычислять энергетику и геометрию молекул, содержащих переходные металлы.Результаты исследования и обсуждение С учетом отмечаемого многими исследователями положительного влияния активированных жидких сред на формирование окраски мясопродуктов представляет научно-практический интерес анализ химической активности пигментов мышечной ткани (нитрозомиоглобина), а также промежуточных продуктов их образования (оксимиоглобина) в целях обоснования механизма цветообразования при использовании таких активированных сред в качестве основы рассольных композиций в технологии мясопродуктов. В каталоге базы данных белков Protein Data Base [10] выбрана молекула оксимиоглобина, состоящая из 153 аминокислотных остатков. Для оценки химической активности оксимиоглобина проведена геометрическая оптимизация молекулы белка в водном растворе методами молекулярной механики ММ+ [4], которая позволила рассчитать величину ее общей энергии (Е= -1863,875 ккал/моль), градиент (G = 0,09921 ккал/(моль·Å)) и дипольный момент (60,16 D). Известно, что гем в молекуле миоглобина окружен неполярным белком, благодаря чему при присоединении кислорода железо гемма не окисляется. Ввиду гидрофобности белка [11] он будет оказывать несущественноевлияние на процессы присоединения кислорода. В этой связи дальнейшие расчеты следует вести для фрагмента оксимиоглобина, состоящего из гема с присоединенным к нему кислородом, а также связанного с ним аминокислотного остатка гистидина. Аналогичный подход вполне правомерен и также использовался другими авторами. Так, например, при исследовании взаимодействия миоглобина с лактулозой авторы проводили молекулярное моделирование с гем-фрагментом миоглобина [5].Расчет частичных зарядов в гем-фрагменте указывает на формирование достаточно прочной связи двухвалентного железа гема с кислородом О2 - формируется область с избытком электронной плотности (рис. 1). Отрицательный электростатический потенциал ориентирован в направлении присоединенного к гему кислорода.Рис. 1. Карта распределения электронной плотности фрагмента оксимиоглобинаАналогичная оптимизация геометрии нитрозомиоглобина позволила установить энергетические параметры системы Е = -1785,635 ккал/моль, градиент G = 0,09595 ккал/(моль·Å) и дипольный момент системы 32,61 D.В сравнении с оксимиоглобином конформация нитрозомиоглобина имеет меньшую энергию и меньшее значение дипольного момента, характеризующего разности плотностей отрицательного и положительного центров молекулы.Рис. 2. Карта распределения электростатического потенциала в гем-фрагменте нитрозомиоглобинаВ представленном на рис. 2 гем-фрагменте наблюдается формирование областей с еще большей электронной плотностью, нежели у оксимиоглобина, наконцевых участках пиррольных колец гема. Области с дефицитом электронной плотности направлены в сторону азота имидазольного кольца гистидина и определяют пятую координационную связь атома железа в гем-фрагменте.Области с высокой электронной плотностью направлены в сторону шестой координационной связи атома железа с оксидом азота. Следует отметить, что заряд атома железа в нитрозомиоглобине (0,041) изменил знак и имеет малый заряд, при этом активный центр сместился от атома железа к атому кислорода оксид азота.Области с высокой электроотрицательностью формируются на атоме кислорода оксида азота (-0,736), а также на концевых -СОО участках III и IV пиррольных колец гема (-0,705), что характеризует их как внешние активные центры гема. В щелочных средах (например, ЩВ ЭХА-воды) такие центры будут отталкивать одноименно заряженные гидроксильные ионы и стабилизировать пигмент, предотвращая его окисление до метмиоглобина.Установлено, что оптимальный уровень активной кислотности для образования нитрозомиоглобина рН = 5,6 [12]. С помощью программы расчета количества отрицательно и положительно заряженных групп белка, разработанной профессором А.А. Борисенко [13], установлено, что при указанном значении рН количество отрицательно и положительно заряженных групп миоглобина практически равно. При таких условиях глобин молекулы фактически является электронейтральным и не влияет на процесс присоединения оксида азота или кислорода к гему миоглобина. При смещении активной кислотности среды в область слабощелочных значений (рН = 7,0-7,5) количество отрицательно заряженных групп белка увеличивается в 1,3-1,5 раза, что приводит к поляризации молекулы белка. Смещение заряда белка в отрицательную сторону приводит к формированию электростатического отталкивания с одноименно заряженными ионами, что предотвращает его дальнейшее окисление и способствует стабилизации нитрозомиоглобина.В рамках проводимых исследований, направленных на установление возможности направленного регулирования свойств активированных жидких сред, с учетом результатов молекулярного моделирования (рис. 1, 2) прогнозируется эффективность применения активированных рассольных композиций на основе католита при производстве мясопродуктов в качестве цветорегулирующего фактора, влияющего на процессы формирования их окраски. Растворы поваренной и нитритной соли, приготовленные на основе ЩВ, обладают высокими значениями рН (10,5-11,2 ед.) и низким ОВП (-250 ÷ -300 мВ). Достаточно высокие показатели рН системы благоприятно влияют на формирование водоудерживающих характеристик готовых мясопродуктов, при этом общий показатель рН мышечных белков при установившихся условиях находится на уровне 5,5-6,0 ед., что также положительно сказывается на интенсивности протекания реакций цветообразования.ЗаключениеРезультаты проведенного молекулярного моделирования и анализа окси- и нитрозомиоглобина позволяют прогнозировать возможности регулирования процессов цветообразования в технологии мясопродуктов при использовании рассольных композиций с заданными показателями рН и ОВП, в частности при использовании активированных жидких сред. Наложение дополнительного активирующего воздействия посредством кавитационной дезинтеграции [14] в большей степени будет интенсифицировать процессы формирования цвета мясопродуктов. При кавитационной обработке раствора поваренной и нитритной соли существенным образом интенсифицируются процессы диссоциации солей на ионы, что в присутствии восстановителей (например, лактозы) ускорит образование оксида азота и его взаимодействие с миоглобином мышечной ткани. Интенсивная диссоциация нитрита при кавитационной обработке также будет способствовать его более полному вовлечению в реакции цветообразования и сокращению остаточного содержания в готовых мясопродуктах, что улучшит их биологическую безопасность. ОВП таких рассолов находится в области отрицательных значений или близко к нулю, что будет инициировать более вероятностное протекание восстановительных реакций и способствовать стабилизации окраски готовых мясопродуктов. Применение при посоле мясного сырья дополнительного механического воздействия тумблированием будет способствовать более равномерному распределению посолочных ингредиентов, в том числе и нитрита натрия, по объему мяса и достижению равномерной окраски цельномышечных мясопродуктов. Кроме того, гистологическими исследованиями установлено [1], что интенсивная механическая обработка способствует разрыхлению структуры мышечного волокна, что существенным образом облегчит доступ продуктов восстановления нитрита к миофибриллярным белкам мышечной ткани и тем самым ускорит образование нитрозомиоглобина. Одновременно обеспечение вакуумирования при тумблировании мясного сырья исключит вероятность окислительных изменений и предотвратит распад пигментов. Установлено, что в условиях вакуума нитрозомиоглобин остается стабильным и не теряет связанной окиси азота в течение неограниченного времени [15].

Ключевые слова

tumbling, cavitational disintegration, electrochemical activation, activated liquid systems, oxymyoglobin, nitrozomyoglobin, тумблирование, кавитационная дезинтеграция, электрохимическая активация, активированные жидкие среды, оксимиоглобин, нитрозомиоглобин

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Брацихин Андрей АлександровичСеверо-Кавказский федеральный университет (г. Ставрополь)доцент, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования факультета энергетики, машиностроения и транспортаa_bracihin@mail.ru
Борисенко Алексей АлексеевичСеверо-Кавказский федеральный университет (г. Ставрополь)профессор, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной биотехнологии факультета биотехнологии пищевых продуктовa_bracihin@mail.ru
Черлянцев Антон ЕвгеньевичСеверо-Кавказский федеральный университет (г. Ставрополь)аспирант кафедры прикладной биотехнологии факультета биотехнологии пищевых продуктовtoshka_87@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Рогачева С.М. Роль водной компоненты и полисахаридов клеточной поверхности в процессах коммуникации живых систем: анализ молекулярных моделей : автореф. дис. … д-ра биол. наук. Воронеж, 2008. 40 с.
Серов А.В. Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования химико-технологических проблем получения, определения и использования лактозы и ее производной лактулозы : дис. … д-ра техн. наук. Ставрополь, 2004. 308 с.
Соловей А.Б., Лобышев В.И. Промежуточный максимум на кривой радиального распределения воды и его связь с топологией сетки водородных связей в жидкой воде // Физическая химия. 2006. № 10. С. 185-189.
Шапошник В.А. Кинетическая теория водных растворов электролитов // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2003. № 2. С. 81-85.
Protein Data Base. URL: http://www.rcsb.org\pdb
Рахимов Р.Х. Керамические материалы и их применение. Ташкент : Изд-во УзПФИТИ, 2002. Ч. II. 667 с.
Крылова Н.Н., Лясковская Ю.Н. Биохимия мяса. М. : Пищевая промышленность, 1968. 351 с.
Борисенко А.А. Теоретические и практические аспекты полифункционального использования электроактивированных жидкостей в технологии производства мясопродуктов : дис. … д-ра техн. наук. Ставрополь, 2002. 505 с.
Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. М. : ЕВА-пресс, 2001. 173 с.
Жаринов А.И., Кузнецова О.В., Черкашина Н.А. Краткие курсы по основам современных технологий переработки мяса, организованные фирмой «Протеин Технолоджиз Интернэшнл». Ч. II: Цельномышечные и реструктурированные мясопродукты. М. : Протеин Технолоджиз Интернэшнл, 1997. 178 с.
Соловьев М.Е., Соловьев М.М. Компьютерная химия. М. : СОЛОН-Пресс, 2005. 536 с.
Шипулин В.И. Денитрифицирующая способность лактулозы и ее использование при производстве вареных колбас // Сборник докладов XI Международной конференции «Тенденции и перспективы развития инновационных и информационных технологий перерабатывающей промышленности. М. : ВНИИ мясной промышленности, 2008. С. 181-186.
Виноградова Н.А., Борисенко Л.А., Борисенко А.А. и др. Изучение влияния электроактивированных жидких систем на формирование цветовых и качественных характеристик мясных изделий // Труды Кубанского аграрного университета. 2008. № 11. С. 32-36.
Борисенко А.А., Чичко А.А. Изучение влияния активированной многокомпонентной системы на качественные характеристики колбасных изделий // Материалы международной НПК «Проблемы и перспективы совершенствования производства пищевых продуктов с высокими потребительскими свойствами на основе улучшения качества животноводческого сырья». Волгоград, 2002. Т. 3.
Борисенко Л.А., Борисенко А.А., Брацихин А.А. Биотехнологические основы интенсификации производства мясных соленых изделий : учеб. пособие. М. : ДеЛи принт, 2004. 168 с.
 Теоретическое обоснование  денитрифицирующей способности активированных жидких сред в технологии  производства мясопродуктов. | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 2 (18).

Теоретическое обоснование денитрифицирующей способности активированных жидких сред в технологии производства мясопродуктов. | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2012. № 2 (18).