Использование: сельское хозяйство, а именно, производство кормов для животных. Сущность изобретения: электрокоагуляция белка осуществляется постоянным током в камере, анодная и каводная области которой разделены мембраной. В процессе протекания тока регистрируют величину pH среды и при достижении ее значения 5 процесс прекращают. По мере удаления коагулята, из катодной области в анодную подают оставшуюся часть белковосодержащего материала. Температура материала при этом не превышает 39 - 40 o С. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к производству кормов для животных. Известен способ термической коагуляции белка из картофельного сока, заключающийся в его нагревании паром до 70-100 о С. Недостатками способа является низкий выход белка (70-80%), высокая энергоемкость (0,5 МДж/кг). Существует способ химической коагуляции, состоящий в осаждении белка без нагревания при подкислении его кислотами или солями тяжелых металлов до изоэлектрической точки (рН 4,8-5,2). Недостаток способа низкий выход белка (40-50%), необходимость нейтрализации среды. Наиболее близким к предлагаемому является способ электротермической обработки, при котором белковосодержащую среду нагревают электрическим током промышленной частоты до 70-100 о С. Напряженность электрического поля между электродами, расположенными в коагулируемой среде составляет (5-25) 10 2 В/м. Выход белка достигает 80-84% энергоемкость 0,12 МДж/кг. Цель изобретения увеличение выхода белка, снижение энергоемкости процесса. Для достижения поставленной цели, белок коагулируют в камере, разделенной мембранной перегородкой, проницаемой для неорганических соединений (в основном ионов Н+ и ОН-) и практически непроницаемой для ионов белка из-за их "крупных" размеров. При протекании, например, через картофельный сок постоянного тока от положительного электрода к отрицательному ионы Н + движутся к катоду, а ионы гидроксильных групп ОН - к аноду. Это приводит к уменьшению рН у анода и увеличению у катода. Кислая среда у анода коагулирует белок. Кроме того, электрический ток,проходя через картофельный сок, активизирует массоперенос и скорость химических реакций, не вызывая его значительный нагрев. Благодаря этому температура сока повышается только до 30-40 о С. Таким образом, вследствие термохимического действия электрического тока, белок коагулирует при температурах, значительно меньших, чем при известных термических способах, что снижает энергоемкость процесса до 0,05 МДж/кг. Совместное химическое и термическое действие электрического тока увеличивает выход белка до 97% Отработанную фракцию из катодной области вносят в анодную в пропорции, не нарушающей процесс коагуляции. П р и м е р. Сок картофеля (рН 6,6-6,8) помещают в рабочую камеру коагулятора, анодное (А) и катодное (К) пространства которой разделены мембранной перегородкой в отношении А:K 4:1, практически непроницаемой для компонентов сока в отсутствии электрического тока. К электродам камеры от выпрямителя подводят постоянный ток напряженностью электрического поля в межэлектродном пространстве (3-5)10 2 В/м, под действием которого рН понижается до 2,5-5. При протекании коагуляции регистрируют температуру. При достижении 30-40 о С процесс прекращают. В процессе коагуляции обработанный продукт из катодной области подают в анодную, смешивая его со "свежим" соком. Время обработки зависит от напряженности электрического поля и исходной температуры сока. Скоагулированный белок выделяют из сока общепринятыми методами. В таблице приведена сравнительная оценка различных способов коагуляции, полученная в лаборатории транспорта и регуляции обмена веществ растений Академии наук РБ. Исследования показали, что предлагаемый способ увеличивает выход белка на 10-15% снижает энергоемкость в 2-3 раза; При этом плотность постоянного тока при коагуляции не превышает 8000 А/м 2 , что позволяет уменьшить температуру обработки.
Формула изобретения
1. СПОСОБ КОАГУЛЯЦИИ БЕЛКА, включающий размещение белоксодержащего материала в камере, анодная и катодная области которой разделены мембранной перегородкой, и пропускание постоянного электрического тока между электродами, расположенными в указанных областях, отличающийся тем, что в процессе протекания тока регистрируют величину рН обрабатываемого материала в анодной области камеры и при величине рН не более 5 прекращают пропускание тока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после удаления коагулянта из анодной области камеры оставшийся в катодной области камеры белоксодержащий материал перемещают в анодную область и обе области дополняют до рабочего уровня новым белоксодержащим материалом. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плотность постоянного тока в процессе коагуляции выбирают не более 8000 А/м 2 .
Для выделения сывороточных белков необходимо изменить нативную структуру белка. При этом изменении (денатурации) нарушается его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развертывается. Процесс сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая глобула в процессе денатурации становится менее устойчивой.
Устойчивость глобул белков молочной сыворотки обусловлена конформацией частиц, зарядом и наличием гидратной оболочки (сольватного слоя). Для выделения белков необходимо нарушить равновесие трёх или хотя бы двух указанных факторов устойчивости .
В свежей молочной сыворотке белковые частицы находятся в нативном состоянии. При изменении нативного состояния белка (денатурации) прежде всего нарушается его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развёртывается, для чего необходимо нарушить от 10 до 20% связей, участвующих в ее образовании. Процесс денатурации сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая глобула в результате денатурации становится менее устойчивой.
Для преодоления потенциальных барьеров устойчивости белковых частиц можно применять различные способы денатурации: нагревание, облучение, механическое воздействие, введение десольватирующих веществ, окислителей и детергентов, изменение реакции среды. Введение в растворы некоторых веществ способствует тепловой денатурации .
Классификация методов коагулирования сывороточных, рассматриваемых в данной работе, представлена на схеме (рис. 3).
Рис. 3.
В конечном счете, к выделению белков приводят вторичные явления после денатурации, такие как ассоциация развернувшихся глобул и химическое изменение их. Здесь на первый план выступает образование межмолекулярных связей и агрегация в противоположность внутримолекулярным процессам, происходящим при денатурации.
В целом процесс выделения белков молочной сыворотки можно охарактеризовать как коагуляцию.
С учетом целесообразности извлечения и использования белков коагуляцию сывороточных белков необходимо закрепить во избежание процесса ренатурации (восстановления нативной структуры белков), а также максимально возможного ограничения распада образующихся агрегатов.
Однако следует учитывать, что в результате тепловой денатурации кроме разрыва водородных связей белковой частицы происходит их дегидратация, что облегчает последующую агрегацию белковые частиц. Ионы-коагулянты (кальций, цинк, и др.), активно сорбируясь на поверхности белковой частицы, обеспечивают коагуляцию, а при значительных дозах могут привести к высаливанию белков.
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.
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.
Под коагуляцией понимают сближение и склеивание белковых частиц, в результате чего увеличивается их размер, и они легко выпадают в осадок. Явление коагуляции может быть обратимым, когда при устранении факторов коагуляции белок-коллоид может снова возвратиться к своему первоначальному состоянию. При подогревании растворов белка выше С большинство белков коагулирует, особенно легко этот процесс протекает в изоэлектрической точке. При этом разрушается гидратационная оболочка белковой частицы, и третичная структура молекулы белка теряет гидрофильность, становится гидрофобной и легко осаждается. Соли тяжёлых металлов (Си,Pb, Ag) в небольших концентрациях способны вызывать коагуляцию белков в их растворах. Коагуляция белков как под давлением ионов тяжёлых металлов, так и под действием высокой температуры – процесс необратимый. Коагуляцию белка можно вызвать с помощью концентрированных растворов некоторых минеральных кислот (азотная, серная, соляная). Механизм действия этих веществ сводится к подавлению электрического заряда, дегидратации и частичного гидролиза белковой частицы. Под влиянием солей щелочных металлов (NaCl, ) происходит обратимая коагуляция и осаждение белков, которое называется высаливанием. Механизм этой коагуляции состоит в том, что приведённые электролиты нейтрализуют электрический заряд коллоидных частиц белка и, как сильные водоотнимающие средства, разрушают их гидратационную оболочку. Под влиянием высоких или низких температур, изменений рН, действия ионов тяжёлых металлов и некоторых химических веществ в молекулах белков происходят изменения, называемые денатурацией. Наиболее ярким проявлением денатурации глобулярных белков является уменьшение их растворимости и выпадение в осадок. У многих белков денатурация наступает в результате нагревания их до 50-60 С, а некоторые белки денатурируют при охлаждении до температуры ниже 10-15 С. При денатурации белки теряют свою биологическую активность.
13.Классификация белков. Простые белки. Сложные белки – протеиды.
По химическому строению белки разделяются на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот, а сложные при гидролизе распадаются на аминокислоты и различные вещества небелкового характера. К группе простых белков относят альбумины, глобулины, гистоны, протамины, протеиноиды, глютелины и проламины. Альбумины – наиболее распространённая группа белков, они встречаются во всех тканях животных и растений, хорошо растворимы в воде и ненасыщенных солевых растворах. Глобулины – наиболее многочисленная группа белков в организме животных. Гистоны – группа ядерных белков, в состав молекул которых входит от 20 до 30% диаминомонокарбоновых кислот (лизин, аргинин) и циклической аминокислоты – гистидина. Гистоны в значительной степени обусловливают уникальную структуру ДНК и дезоксинуклеопротеидов в ядре, что служит необходимым условием для биосинтеза белков. Протамины – белки, отличающиеся высоким содержанием диаминомонокарбоновых кислот (от 50 до 80%). Протамины, как и гистоны, составляют белковую часть нуклеопротеидов. Протеиноиды – белки опорных тканей – костей, хрящей, сухожилий, связок, шерсти, волос, копыт. Проламины – группа белков растительного происхождения, встречаются главным образом в семенах злаков. Отличительной чертой проламинов является хорошая растворимость в 60-80% этиловом спирте. Глютелины – большая группа белков растительного происхождения, которые растворимы только в слабых растворах щелочей (0,2%). Их обнаруживают вместе с проламинами в семенах злаковых растений.К группе сложных белков относят: нуклеопротеиды, хромопротеиды, фосфопротеиды, гликопротеиды, липопротеиды, металлопротеиды и белки ферменты. Нуклеопротеиды построены из простого белка и нуклеиновых кислот. Белки, входящие в состав нуклеопротеидов, чаще всего представлены гистонами и протаминами. Хромопротеиды построены из простого белка и какого-либо окрашенного соединения небелкового характера. Фосфопротеиды построены из простого белка и остатков фосфорной кислоты. Гликопротеиды – группа сложных белков, которые построены из простого белка и небелковой части, состоящей из углеводов, производных углеводов (гексуроновые кислоты), серной и уксусной кислот.