Роль ферментативных процессов при разрушении клеточной структуры. Окислительно-восстановительные ферменты. Их роль, механизм действия и значение при хранении и переработке сырья Биохимия

1 ответ(а)

1. 

   hubba-bubba 2018-11-03 12:00:04

   Изменение ферментативной системы.В процессе холодильного хранения мяса решающую роль при его созревании играет протеолиз, который катализируется катепсинами — группой протеолитических ферментов, гидролизующих пептидные связи белков и полипептидов. Они сосредоточены в лизосомах, где находятся также гидролазы — дезоксирибонуклеаза, рибонуклеаза, кислая фосфатаза, эстераза, гликозидаза и др.

       Лизосомы, как и другие клеточные органоиды, относятся к легко повреждаемым клеточным структурам. При этом ферменты органоидов обычно не теряют активности. При разрушении мемб­ран лизосом они контактируют с соответствующими субстратами и катализируют их расщепление. Аналогично ведут себя и фер­менты, входящие в состав мембран клеточных органоидов, на­пример митохондрий и эндоплазматического ретикулума, хотя разрушение этих мембран приводит к расстройству функций фер­ментативных систем в целом. Вместе с тем, несмотря на сохране­ние активности каждым ферментом, нарушается строгая после­довательность расположения ферментов, входящих в целостную структуру единых ферментных комплексов.

       Митохондриальное окислительное фосфорилирование начинает нарушаться, как только работающие цитохондрии вступают в кон­такт с разрушенными лизосомами, получая тем самым возможность реагировать с соответствующими структурами. Наблюдае­мое на начальных стадиях автолиза мышечной ткани повышение активности гидролаз сменяется ее снижением. Прежде всего умень­шается активность кислой фосфатазы, затем дезоксирибонуклеа-зы и в последнюю очередь катепсинов.

       Однако поведение этих ферментов при различных режимах хо­лодильной обработки и хранения мяса трудно спрогнозировать вследствие значительного количества взаимовлияюших факторов в недостаточной их изученности. Так, в предубойный период жи­вотные подвергаются воздействию целого ряда различных по силе и времени стрессовых факторов (нарушение кормления, транс­портирование и др.), поэтому реакция клеточных структур также может быть различной. Вследствие этого в тканях животных уже в предубойный период может формироваться различный исходный ферментативный фон, от которого и будут зависеть дальнейшие интенсивность и направленность развивающихся в мясе биохими­ческих и физико-химических процессов во время его обработки и хранения.

       Общее правило гласит, что с понижением температуры актив­ность ферментов уменьшается. Скорость реакций, которые ката­лизируют большинство ферментов V, можно определить по урав­нению Аррениуса:

   V = V0 e–Е / (RТ),

   где V0 — константа скорости (постоянная величина), не завися­щая от температуры; е — экспоненциальная функция; Е — энер­гия активации; R — газовая постоянная; Т — абсолютная темпе­ратура.

       Однако не все ферменты подчиняются этой зависимости. Не­которые полностью утрачивают активность при -20 0С, тогда как другие ферментативные реакции протекают даже при -60 °С. Та­ким образом, по мере понижения температуры вместо ожидаемо­го спада активности ферментов в отдельных случаях наблюдается ее рост.

       Ряд ферментов проявляет высокую активность при низких от­рицательных температурах. Так, липаза и пероксидаза активны при -29 °С, дегидрогеназа ниже -21 0С. Каталаза, тирозиназа и перок­сидаза более активны в замороженном продукте, чем в переохлажденном. Для этих ферментов существенное значение имеет про­исходящий при замораживании переход среды из жидкой фазы в твердую. Одни исследователи считают, что ускорение реакций в замороженных растворах — результат каталитического действия твердых поверхностей, в том числе и структурированной воды; дру­гие полагают, что при замораживании растворов скорость реакции замедляется в соответствии с уравнением Аррениуса; в то же время по мере вымерзания воды увеличивается концентрация реагирующих веществ в жидких включениях, что соответственно повышает скорость реакций (концентрационный эффект). Эти два фактора по-видимому, и определяют результирующую действительную ско­рость ферментативных реакций в замороженных растворах.

       Особенности протекания ферментативных реакций с пониже­нием температуры определяются также изменениями физико-хи­мических показателей среды и свойств растворенных веществ (вяз­кость и рН среды, степень ионизации групп ферментов и субстратов и др.). Активность ферментов зависит и от продолжительности воздействия на них низких температур.

       Изменение растворимости белков.С одним из важнейших свойств мяса – нежностью — тесно связана растворимость белков. Изуче­ние растворимости белков при хранении мяса в охлажденном (2 °С) и переохлажденном (-2 °С) состоянии показало, что максималь­ная растворимость фибриллярных белков свойственна парному мясу. Сразу же после его охлаждения растворимость белков снижается. При этом в охлажденном мясе минимум растворимости белков приходится на 1—2-е сутки, а в переохлажденном — на 4 —5-е, что соответствует периоду максимального развития послеубойного окоченения. Растворимость белков охлажденного мяса при его хранении до 12 сут составляет 81 — 85 % по отношению к раство­римости белков парного мяса, а переохлажденного и хранивше­гося до 20 сут - 77-81 %.

       Физико-химические изменения мышечной ткани рыб при за­мораживании заключаются в дополнительном разрушающем воз­действии на них кристаллов льда, а также в денатурации мышеч­ных белков под действием солевых растворов, образующихся при вымораживании воды в тканях.

       Данные экспериментальных исследований по определению раст­воримости мышечных белков рыб указывают на ее понижение при холодильной обработке, причем наибольшие изменения проис­ходят в белках актомиозинового комплекса, а при длительном хра­нении — и в саркоплазматических. Постепенное понижение ра­створимости актомиозина отмечается при последующем после за­мораживания периоде холодильного хранения рыбы.

       При холодильном хранении и замораживании чистых раство­ров миозина происходит агрегация молекул белка. Обычно этому процессу предшествует денатурация белка. Данные о молекуляр­ной массе, константах седиментации и скорости диффузии обра­зующихся при замораживании и холодильном хранении белковых частиц миозина свидетельствуют о структурных изменениях этого белка. По некоторым данным, в процессе холодильной обработки рыбы возможно не только понижение, но и повышение раство­римости актомиозина. Так, в мороженой балтийской сельди раст­воримость актомиозина в мышечной ткани увеличивалась даже во время окоченения.

       Изменение липопротеидных комплексов и аминокислотного со­става.Важную роль в процессе холодильного хранения играют липопротеидные комплексы (ЛПК) мышечной ткани мяса и рыбы, липопротеиды составляют основу клеточных мембран, участвуя в регуляции активности находящихся в мембранах ферментов, а также в механизмах транспортировки многих веществ. Нативная структура мембранных ЛПК очень чувствительна к недостаточно­му энергообеспечению, которое немедленно возникает в послеубойный период.

       Во время хранения мяса создаются благоприятные условия для вторичного взаимодействия липидов с белками. Это происходит потому, что нативные ЛПК при хранении быстро разрушаются, структурная упорядоченность клеточных мембран утрачивается, пространственная разграниченность химических компонентов кле­ток нарушается. Во взаимодействие с белками вступают как по­лярные и нейтральные жиры, так и продукты их распада и окис­ления. С липидами взаимодействуют также измененные, частично или полностью денатурированные белки и продукты их полиме­ризации. На образование вторичных ЛПК влияют температура, рН среды и другие факторы.

       Таким образом, при хранении продуктов образуется большое количество вторичных ЛПК, различающихся природой, прочно­стью связи составных элементов, растворимостью, аминокислот­ным составом, степенью переваримости и рядом других свойств, формирующих качество. Взаимодействие между липидами и бел­ками происходит в продуктах и при хранении в замороженном состоянии.

       Результаты исследования мяса и рыбы на содержание и ста­бильность ЛПК при хранении в замороженном состоянии показа­ли, что процесс разрушения и образования липопротеидных комп­лексов имеет волнообразный характер. Кроме количества также волнообразно изменялись растворимость различных белковых фрак­ций мышечной ткани, содержание сульфгидрильных и дисульфидных групп в белках, а также активность ряда ферментов.

        О начавшихся в химических компонентах мышечной ткани изменениях можно судить по содержанию низкомолекулярных летучих веществ, которые в большинстве случаев являются про­дуктами распада высокомолекулярных соединений и активно уча­ствуют в формировании вкуса и аромата продуктов. Так, по со­держанию аминокислот в мясе можно судить о скорости и глуби­не протеолиза, а также направленности автолитических измене­ний, протекающих в мышечной ткани во время обработки и хра­нения мяса. При холодильном хранении мяса в процессе автолиза содержание свободных аминокислот возрастает, а скорость их об­разования в основном зависит от активности катепсинов. Так, в следствие того что в мышцах большинства рыб активность катепсинов выше, чем в мышцах животных, в мышцах первых на­капливается гораздо больше свободных аминокислот.

       Динамика изменения содержания аминокислот при хранении мяса кроме их накопления в результате протеолиза определяется также их распадом в результате декарбоксилирования и дезаминирования с освобождением аммиака. Активность оксидаз и декарбоксилаз, катализирующих эти реакции, наиболее высока у парного мяса и в начальный период охлаждения, тогда как повы­шение активности катепсинов, вызывающее накопление амино­кислот, происходит позднее, по мере высвобождения их из раз­рушающихся лизосом. Различием в скорости этих ферментатив­ных процессов можно объяснить первоначальное понижение и последующее увеличение содержания свободных аминокислот в процессе хранения мяса.

       Реакции декарбоксилирования аминокислот приводят к обра­зованию аминов в мясе и рыбе, которые являются нестойкими соединениями и быстро разрушаются.

       Качественный состав аминокислот в процессе хранения про­дукта определяется многими факторами и зависит от активности различных ферментов мышечной ткани, катализирующих протеолиз в целом и индивидуальные превращения аминокислот, от аминокислотного состава расщепляемых белков, их количества и степени атакуемости ферментами, изменения рН, температуры и других взаимосвязанных факторов.

       Наиболее полно изучено изменение нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ). По мере хранения мяса количество фосфорилированных нуклеотидов довольно быстро понижается, а гипоксантина воз­растает. Скорость распада нуклеотидов зависит от температуры и продолжительности хранения. Спонтанный распад АТФ протека­ет до образования АМФ — относительно устойчивого продукта, дальнейшие превращения которого вплоть до образования гипо­ксантина катализируются целой группой ферментов.

       Из низкомолекулярных азотсодержащих соединений в мясе находят аммиак, летучие амины — метиламин, диметиламин, а в рыбе, кроме того, триметиламин, триэтиламин, изобутиламин. Из летучих соединений около 99 % приходится на долю аммиака. Быстрое накопление аммиака в мясе в процессе хранения может указывать на развитие в нем микроорганизмов. Понижение темпе­ратуры хранения мяса задерживает развитие микроорганизмов, и накопление аммиака происходит медленнее.

       Изменение окислительно-восстановительной системы.Во время хранения мяса, птицы и рыбы происходят волнообразные изме­нения элементов окислительно-восстановительной системы, след­ствием чего является существенное снижение содержания аскор­биновой кислоты и увеличение количества ее окисленных форм - дегидроаскорбиновой и дикетогулоновой. Аскорбиновая кислота предохраняет от окисления белки, содержащие HS-группы, ко­торые определяют устойчивость последних к замораживанию. Со­храняемость аскорбиновой кислоты увеличивается с понижением температуры.

       В послеубойный период в парном мясе резко снижается коли­чество кислорода, и его концентрационный градиент смещается в направлении от сосудов к тканям. Это определяет соотношение различных форм миоглобина и цветовые оттенки мяса по глубине (на разрезе). Продолжающееся в послеубойный период (не более суток) поглощение кислорода клетками ткани без одновремен­ной его подачи по сосудам приводит к понижению содержания окисленной формы миоглобина до 15 % и повышению содержа­ния восстановленной формы до 75 %. В дальнейшем существенное снижение аэробного обмена вызывает уменьшение потребления кислорода клетками, однако в поверхностных слоях его содержа­ние может возрастать вследствие диффузии из воздуха. С увеличе­нием срока хранения начинает быстро увеличиваться количество метмиоглобина. Это происходит в результате денатурационных изменений белков, а также истощения окислительно-восстано­вительных систем мышечной ткани в целом.

       Изменения липидов, входящих в состав тканей, связаны с из­менениями других компонентов, в их основе лежат важнейшие химические и биохимические процессы.

       Основными процессами, которые определяют изменения ли­пидов при обработке и хранении мяса и жиров, являются гидро­лиз и окисление. Глубина и скорость изменения состава и свойств липидов в этих процессах играют первостепенную роль в форми­ровании таких важных показателей качества мясных и жировых товаров, как цвет, запах и вкус. Процессы изменения липидов достаточно сложны, происходят они в результате химических, био­логических и ферментативных превращений, часто протекающих параллельно, но приводящих, как правило, к образованию одних и тех же промежуточных и конечных продуктов (перекисей, сво­бодных жирных кислот, альдегидов, кетонов, продуктов полимеризации и др.). Способность жиров соединяться с кислородом за­висит от степени ненасыщенности жирных кислот, наличия со­путствующих веществ, являющихся активаторами или ингиби­торами окисления, следов тяжелых металлов, тепла, света и т.д. При хранении некоторых продуктов способность липидов всту­пать в реакцию усиливается вследствие замедления биохимичес­ких процессов, разрушения структуры клеток и появления в ре­зультате этого новых реагентов. Разнообразие реакций взаимо­действия липидов с другими составными компонентами клеток по мере хранения продуктов возрастает, поскольку продукты фер­ментативного расщепления липидов реагируют сними весьма специфично.

       Скорость процессов гидролиза и окисления липидов определя­ется активностью липолитических ферментов, которая в значи­тельной степени зависит от температуры.     Так, интенсивность гид­ролиза уменьшается с понижением температуры хранения мяса. Установлено, что активность липолитических ферментов свини­ны ниже, чем рыбы, мяса крупного рогатого скота и домашней птицы, что объясняется видовыми различиями и функциональ­ными особенностями исследованных мышц. Об интенсивности гидролиза судят главным образом по содержанию свободных неэтерифицированых жирных кислот (НЭЖК). Количество этих кис­лот в говядине, замороженной через 2 ч после убоя и хранившей­ся при -10, -18 и -30 °С, увеличивается по-разному. Так, за 12 мес хранения при температуре -10 0С содержание НЭЖК возросло в 21,6 раза по сравнению с исходным, при -18 °С — в 13,5 и при -30 °С — в 3,3 раза (определения были проведены на основании изменения кислотного числа жира). Известно, что НЭЖК — один из факторов, инициирующих процесс денатурации, установлена также тесная связь между ее интенсивностью и степенью накоп­ления НЭЖК в белках рыбы, мяса и птицы.

       Если о скорости денатурации белков судить по степени умень­шения их растворимости, то можно предположить, что при холо­дильном хранении мяса и рыбы денатурируют в основном миофибриллярные белки, а ферменты, вызывающие эти изменения, сохраняют активность в течение продолжительного времени хра­нения продукта и при отрицательных температурах.

       Общий уровень накопления НЭЖК и их качественный состав при холодильном хранении продуктов животного происхождения зависят от состава тканевых липидов, уровня и продолжительно­сти сохранения активности липолитических ферментов, источ­ника образования НЭЖК, типа мышц, видовых различий, усло­вий хранения и других факторов.

       Качество и количество НЭЖК, накапливающихся в результате гидролиза липидов, оказывают существенное влияние на скорость и глубину их последующего окисления. Чем выше скорость накоп­ления и степень их ненасыщенности, тем интенсивнее протекает процесс окисления, и окислительная порча такого жира наступа­ет раньше. Именно этим во многом определяются различия в сро­ках хранения рыбы, птицы, мяса и мясопродуктов, причем они неодинаковы даже для одного вида продукта, а так как процессы окисления жиров относят к типу цепных реакций, то по мере увеличения сроков хранения мяса и рыбы степень окисления увеличивается, что определяется по накоплению перекисей, а также вторичных продуктов окисления. Последние могут принимать участие в реакциях взаимодействия с белками.

       Взаимодействие переоксидных радикалов жирных кислот с бeлками ведет к образованию различного рода полимеров — белков и перекисей жирных кислот либо (если перекисные радикалы жир­ных кислот инициируют образование свободных радикалов в бел­ках) полимеров самих белков. Возможно также более глубокое воз­действие пероксидных радикалов липидов на белки, вызывающее разрушения ряда аминокислот в их молекуле.

       Продукты окисления жирных кислот могут участвовать в обра­зовании липопротеидных комплексов, которые в отличие от комп­лексов белков с жирными кислотами еще менее растворимы и устойчивы к гидролизу.

       Таким образом, взаимодействие белка с продуктами окисле­ния жирных кислот может сопровождаться значительным изме­нением его свойств. Полная его нерастворимость, способность к образованию полимеров и устойчивость к расщеплению (гидро­лизу) протеолитическими ферментами существенно снижают пищевую ценность и качество продукта в целом.

       Образующиеся при окислении жирных кислот первичные и вторичные продукты вовлекают в этот процесс и другие компо­ненты мышечной ткани. Претерпевают изменения многие вита­мины, каротины, пигменты, ароматические вещества. Эти про­цессы приводят к изменению запаха, вкуса, цвета мяса и рыбы, понижению их биологической ценности.

       При хранении сливочного масла в нем протекают физические, химические, биохимические и микробиологические процессы. Сливочное масло отличается от других жиров животного проис­хождения большим разнообразием входящих в его состав жир­ных кислот и высоким содержанием воды. В нем имеются в боль­шом количестве насыщенные низкомолекулярные жирные кис­лоты, ненасыщенные жирные кислоты и вода (25 % и более), в значительной степени определяющая консистенцию и стойкость продукта. В сливочном масле летней выработки больше естествен­ных антиоксидантов и других биологически активных соедине­ний. При его хранении могут происходить нежелательные изме­нения, вызванные окислением молочного жира, которое обыч­но предшествует его гидролизу, но может происходить и одно­временно с ним.

       Исследование качества масла, хранившегося при -10, -18 и -25 °С в течение 7 мес, показало, что кислотное число, характе­ризующее глубину гидролитических процессов, возросло к концу хранения в 1,2— 1,6 раза. При этом липаза, катализирующая про­цесс, отличалась высокой активностью при всех режимах хране­ния. В то же время интенсивность окислительных процессов, зави­сящая от активности липоксигеназы, замедлялась по мере сниже­ния температуры. Нарастание содержания пероксидных соедине­ний происходит неравномерно: в начале хранения их количество Увеличивается, к 4-му месяцу — понижается, а к 7-му — вновь возрастает. Увеличение содержания пероксидных соединений в первые месяцы хранения происходит за счет кислорода, проникаю­щего через упаковку, а также за счет кислорода, получаемого из оксидов. При этом может выделяться активный кислород, спо­собный дальше окислять жирные кислоты с образованием пероксидных соединений.

       Гидролиз триглицеридов и фосфатидов протекает ступенчато: в начале расщепления образуются диглицериды, затем моноглицериды, при этом чем меньше верифицирован жир, тем быстрее он гидролизуется. Глицериды низкомолекулярных жирных кислот атакуются липазой легче, чем высокомолекулярных. Следователь­но, в сливочном масле условия для интенсивного гидролиза и быстрого накопления НЭЖК достаточно благоприятны, причем поскольку НЭЖК окисляются легче, чем их эфиры, ускоряется процесс окисления в целом.

       Раннее образование и интенсивное накопление низкомолеку­лярных НЭЖК могут вызвать ухудшение вкуса и запаха еще до окисления жирных кислот.

       Исследования гидролитических процессов в липидах сливоч­ного масла при -10 и -18 °С показали, что они протекают весьма активно, причем интенсивность гидролиза и скорость нарастания НЭЖК при -18 0С больше, чем при -10 °С (аномальный гидролиз сливочного масла). По органолептическим свойствам масло, хра­нившееся при -10 0С, оказалось лучше масла, температура хране­ния которого была -18 и даже -27 °С. Это явление объясняется возникающими при хранении масла различиями в скорости обра­зования и окисления НЭЖК. В результате продолжающегося при отрицательных температурах ферментативного гидролиза молоч­ного жира накопление НЭЖК происходит весьма интенсивно, скорость же процесса окисления по мере понижения температуры замедляется. При замедлении процесса окисления время сохране­ния жирных кислот в неокисленном состоянии увеличивается, в результате общее содержание НЭЖК при более низкой темпера­туре хранения оказывается выше.

       Активность липолитических ферментов тесно связана с фазо­вым переходом воды в лед. Так как процесс кристаллизации воды в масле начинается, как правило, при температуре ниже -10 °С, то и процесс активации ферментов возникает в районе этой тем­пературы, чем и объясняется накопление НЭЖК при более низ­кой температуре.

       Одним из наиболее часто встречающихся видов порчи сливоч­ного масла является штафф — результат физико-химических из­менений, проявляющийся в появлении на поверхности масла темноокрашенного слоя с неприятным горьковатым или приторно-едким вкусом, своеобразным затхлым или гнилостным запахов В основе этого явления — развивающиеся на фоне обезвожива­ния поверхностного слоя масла процессы полимеризации глицеридов и окисления молочного жира. Интенсивность образования штаффа и степень его выраженности зависят от качества сырья, способа производства масла, условий и сроков хранения, упаков­ки. Скорость его образования велика, и при температуре -10 °С штафф образуется уже через 2 нед.

       При хранении свиного жира интенсивность процессов окисле­ния уменьшается по мере снижения температуры, а процессы гидролиза протекают относительно медленно. Интенсивность об­разования карбонильных соединений, содержание которых в це­лом и определяет изменение качества, в значительной степени зависит от предшествующих процессов образования НЭЖК и пер­вичных пероксидов.

       Углеводы содержатся в животных тканях в незначительных ко­личествах, но они легко расщепляются, наиболее активны в ме­таболическом отношении и особенно чувствительны к изменяю­щимся условиям функционального состояния мышечной ткани.

       Распад углеводов в мышечной ткани в послеубойный период протекает весьма интенсивно: вначале он аналогичен прижизнен­ному механизму окисления углеводов; по прекращении кровооб­ращения и поступления кислорода к тканям окисление продол­жается за счет кислорода миоглобина мышц. Этот кислородный резерв невелик, и в мышцах быстро наступает состояние кисло­родной недостаточности. В результате распад из аэробного перехо­дит в анаэробный, который заканчивается образованием молоч­ной кислоты и понижением рН мышечной ткани. В то же время превращения белков и жиров в этот период протекают с отстава­нием.

       Поскольку процессы биосинтеза белков, жиров и углеводов вследствие распада макроэргических соединений практически прекращаются (по этой же причине прекращается и аэробное окисление этих веществ), лишь способные к анаэробному рас­щеплению углеводы продолжают активно распадаться. Быстро на­ступающие изменения рН мышечной ткани, обусловленные пре­вращениями углеводов, являются начальным звеном в последо­вательной цепи дальнейших превращений составных компонен­тов мяса.

       Следовательно, углеводы создают общий фон, на котором раз­виваются процессы распада белков и жиров. Состоянием этого фона определяется не только интенсивность дальнейших изменений составных компонентов мяса, но и их направленность. Тем самым Углеводы участвуют в формировании важнейших потребительских свойств мяса. Благодаря высокой реакционной способности они легко вступают во взаимодействие с другими компонентами мяса, образуя ряд соединений, в том числе и низкомолекулярных, ко­торые определяют вкус и запах продукта. В формировании послед­них принимают участие моносахариды и их производные.