При каких условиях происходит коагуляция белка встряхивание. Белок в кулинарии

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.

Коагуляция (от лат. Coagulatio — свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.

Свёртывание крови — это важнейший этап работы системы гемостаза, отвечающий за остановку кровотечения при повреждении сосудистой системы организма. Совокупность взаимодействующих между собой весьма сложным образом различных факторов свёртывания крови образуют систему свёртывания крови.

Свёртыванию крови предшествует стадия первичного сосудисто-тромбоцитарного гемостаза . Этот первичный гемостаз почти целиком обусловлен сужением сосудов и механической закупоркой агрегатами тромбоцитов места повреждения сосудистой стенки. Характерное время для первичного гемостаза у здорового человека составляет 1-3 мин. Собственно свёртыванием крови (гемокоагуляция, коагуляция, плазменный гемостаз, вторичный гемостаз) называют сложный биологический процесс образования в крови нитей белка фибрина, который полимеризуется и образует тромбы, в результате чего кровь теряет текучесть, приобретая творожистую консистенцию. Свёртывание крови у здорового человека происходит локально, в месте образования первичной тромбоцитарной пробки. Характерное время образования фибринового сгустка — около 10 мин. Свертывание крови — ферментативный процесс.

Коагуляция (свёртывание) — самопроизвольный процесс, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией. Однако такой переход затруднен, а иногда практически невозможен, если система агрегативно устойчива, т. е. способна противостоять укрупнению (агрегированию) частиц. Защитой от Коагуляция (свёртывание) при этом может быть электрический заряд и (или) адсорбционно-сольватный слой на поверхности частиц, препятствующий их сближению. Нарушить агрегативную устойчивость можно, например, повышением температуры (термокоагуляция), перемешиванием или встряхиванием, введением коагулирующих веществ (коагулянтов) и др. видами внешнего воздействия на систему. Минимальная концентрация введенного вещества, электролита или неэлектролита, вызывающая Коагуляция (свёртывание) в системе с жидкой дисперсионной средой, называется порогом коагуляции. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией , а разнородных — гетерокоагуляцией или адагуляцией .

Основоположником современной физиологической теории свертывания крови является Александр Шмидт . В научных исследованиях 21-го века, проведённых на базе Гематологического научного центра под руководством Ф. И. Атауллаханова , было убедительно показано, что свёртывание крови представляет собой типичный автоволновой процесс, в котором существенная роль принадлежит эффектам бифуркационной памяти.

План

1. Денатурация и коагуляция белков: физико-химическая сущность.

2. Деструкция белков: физико-химическая сущность.

3. Влияние изменения белков на их пищевую ценность.

4. Проблема белковой недостаточности и пути ее решения.

1. 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, составляет 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.

2. Деструкция белков: физико-химическая сущность

При изготовлении кулинарной продукции изменения белков не ограничиваются денатурацией: для доведения продуктов до состояния кулинарной готовности нагрев ведут при температуре 100ºС и выше, при этом происходит дальнейшее измение белков, сопровождающееся разрушением макромолекулы белка.

Деструкция – дальнейшие постденатурационные изменения белков, протекающие при температуре 100ºС и выше и сопровождающиеся на первой стадии разрушением макромолекул белка с отделением летучих соединений (аммиака, сероводорода, фосфористого водорода и др.), участвующих в формировании аромата готового изделия. При длительной термической обработке происходит деполимеризация (разрушение белковой цепочки) с образованием водорастворимых азотистых веществ.

Ярким примером деструкции денатурированного белка является переход коллагена в глютин при варке бульонов и студней. Деструкция белков происходит в проивзодстве некоторых видов теста. В этом случае разрушение внутримолекулярных связей в белках происходит при участии протеолитических ферментов, содержащихся в муке и вырабатываемых дрожжевыми клетками.

Деструкция белков может быть целенаправленным приемом кулинарной обработки, способствующим интенсификации технологического процесса (использование ферментных препаратов для размягчения мяса, ослабления клейковины теста, получения белковых гидролизатов и др.)

Гидролиз белков – расщепление полипептидных цепей белковой молекулы с высвобождением аминокислот. Эта реакция протекает под действием ферментов в желудочно-кишечном тракте.

Гидратация белков сопутствует всем технологическим процессам и улучшает усвояемость белков. Денатурация в зависимости от глубины влияет на усвояемость по-разному: при легкой денатурации улучшается усвояемость белка (яйцо всмятку), а при дальнейшем уплотнении (яйцо вкрутую) усвояемость ухудшается. На содержание незаменимых аминокислот ни денатурация, ни коагуляция не влияют.

Уменьшение пищевой ценности связано с сильно длительным нагревом: при варке 2 часа разрушается 5,2% незаменимых аминокислот. Особенно сильное влияние на биологическую ценность оказывает повторный нагрев продуктов выше 100ºС.

Агрегирование(свертывание, или коагуляция белка) - это взаимодействие денатурированных молекул белка, которое сопровождается образованием более крупных частиц. Внешне это выражается по разному в зависимости от концентрации и коллоидного состояния белков в растворе. Так, в малоконцентрированных растворах(до 1%) свернувшийся белок образует хлопья(пена на поверхности бульонов). В более концентрированных белковых растворах(белки яиц) при денатурации образуется сплошной гель, удерживающий всю воду, содержащуюся в коллоидной системе. Белки, представляющие собой более или менее обводненные гели(мышечные белки мяса, птицы, рыбы, белки круп, бобовых, муки после гидрации и др.), при денатурации уплотняются, при этом происходит их дегидратация с отделением жидкости в окружающую среду. Белковый гель, подвергнутый нагреванию, как правило, имеет меньшие объем, массу, большие механическую прочность и упругость по сравнению с исходным гелем нативных(натуральных) белков. Скорость агрегирования золей белка зависит от РН. Менее устойчивы белки вблизи изоэлектрической точки. Для улучшения качества блюд и кулинарных изделий широко используют направленное изменение реакции среды. Так, при мариновании мяса,птицы, рыбы перед жаркой; добавлении лимонной кислоты или белого сухого вина, при припускании рыбы, цыплят; использование томатного пюре при тушении мяса и др. создают кислую среду со значением РН значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. Благодаря меньшей дегидратации белков изделия получаются более сочными. Подготовленное мясо закладывают в горячую воду(на 1кг мяса 1-1,5л воды) и варят без кипения(97-98С) до готовности, которая определяется с помощью поварской иглы. Она должна легко входить с сварившееся мясо, а выделяющийся при этом сок должен быть бесцветным. С целью улучшения вкуса и аромата мяса в воду при варке кладут коренья и репчатый лук. Соль и специи добавляют в бульон за 15-20мин до готовности мяса, лавровый лист-за 5мин. В среднем время варки составляет:говядины-2-2,5ч, баранины-1-1,5, свинины-2,2,5, телятины-1,5ч.Отварное мясо нарезают поперек волокон по 1-2 куска на порцию, заливают небольшим кол-вом бульона, доводят до кипения и хранят в бульоне до отпуска(но не более 3ч) при температуре 50-60С.

Белки в свежей крови находятся в нативном, неизмененном состоянии.
При технологической переработке крови в одних случаях необходимо предотвратить или уменьшить денатурацию белков, в других случаях она обязательна.
При получении сухой плазмы или крови, называемой в технологии альбумином, стремятся произвести высушивание таким образом, чтобы как можно меньше денатурировать белки крови, сохранить их способность к растворению. С этой целью кровь сушат в распылительных сушилках. Осторожно и быстро высушенный белок в дальнейшем не денатурируется под действием высокой температуры. Этот факт был установлен еще в 1857 г. гениальным русским ученым. Д. И. Менделеевым, доказавшим, что сухой белок не изменяется при нагревании до 100-110°.
Для белков пищевого и технического альбумина высокая растворимость является обязательной. Из технического альбумина получается клей; чем больше он содержит растворимых белков, тем выше его клеящая способность.
При изготовлении различных препаратов из крови также следует помнить о том, чтобы в процессе ее обработки не произвести денатурацию белка, сопровождающуюся коагуляцией. Например, при производстве жидкого гематогена недопустимо непосредственное смешивание крови со спиртом, так как последний, соприкасаясь с белком, вызывает коагуляцию и снижает растворимость; при этом выпадает осадок, который мешает получить прозрачный препарат гематогена. Чтобы не произошла тепловая коагуляция белков крови, флаконы с гематогеном пастеризуют при температуре не выше 52-53°.
При изготовлении заменителей плазмы крови необходимо денатурированные белки сохранить в растворе. Для этого в качестве стабилизатора, препятствующего выпадению белков в осадок при нагревании, используют формальдегид и глюкозу. Стабилизирующее действие глюкозы, по-видимому, обусловлено тем, что она адсорбируется на глобулярных молекулах белков, в связи с чем последние становятся центром большого растворимого комплекса. Формальдегид, блокируя аминогруппы, не дает возможности образоваться внутри молекулы солевым группам и тем самым предотвращает свертывание.
При изготовлении коагулятов, наоборот, необходимо денатурировать белки, с тем чтобы добиться свертывания их и отделения большей части воды от белкового сгустка. В этом случае денатурирующим фактором является воздействие кислотой или нагреванием.
Тепловая коагуляция разных белков крови происходит при неодинаковых температурах. Раствор фибриногена в 10%-ном растворе NaCl свертывается при 52-53°. раствор фибрина - около 56°, раствор альбумина в чистой воде - при 50°; при добавлении солей (5%-ный раствор NaCl) температура свертывания повышается до 72-75°; раствор глобулина в 10%-ном растворе NaCl свертывается при 75°. Дефибринированная кровь свертывается при 61°. Сыворотка начинает мутнеть при 64°.