Природні білкові тіла наділені певною, строго заданою просторовою конфігурацією і мають ряд характерних фізико-хімічних і біологічних властивостей при фізіологічних значеннях температури і pН середовища.
Денатурація — це складний процес, при якому під впливом зовнішніх факторів (температури, механічної дії, дії кислот, лугів, ультразвуку та ін.) відбувається зміна вторинної, третинної і четвертинної структур білкової макромолекули, тобто нативної (природної) просторової структури. Первинна структура, а, отже, і хімічний склад білка не змінюється. При кулінарній обробці денатурацію білків найчастіше викликає нагрівання. Процес цей в глобулярних і фібрилярних білках відбувається по-різному.
Механізм денатурації
У глобулярних білках при нагріванні посилюється тепловий рух поліпептидних ланцюгів всередині глобули, водневі зв’язки, які утримували їх в певному положенні, розриваються і поліпептидний ланцюг розгортається, а потім згортається по-новому. При цьому полярні (заряджені) гідрофільні групи, які розташовані на поверхні глобули і забезпечують її заряд і стійкість, переміщуються всередину глобули, а на її поверхню виходять реакційноздатні гідрофобні групи (дисульфідні, сульфгідрильні та ін.), які не здатні утримувати воду.
Денатурація супроводжується змінами найважливіших властивостей білка:
- втратою індивідуальних властивостей (наприклад, зміна кольору м’яса при його нагріванні внаслідок денатурації міоглобіну);
- втратою біологічної активності (наприклад, в картоплі, грибах, яблуках та у ряді інших рослинних продуктів містяться ферменти, що викликають їх потемніння, при денатурації білки-ферменти втрачають активність);
- підвищенням атакування травними ферментами (як правило, продукти, що були піддані тепловій обробці і містять білки , перетравлюються повніше і легше);
- втратою здатності до гідратації (розчиненню, набуханню);
- втратою стійкості білкових глобул, яка супроводжується їх агрегуванням (згортанням або коагуляцією білка).
Білки, що представляють собою більш-менш обводнені гелі (м’язові білки м’яса, птиці, риби; білки круп, бобових, борошна після гідратації і ін.), при денатурації ущільняються, при цьому відбувається їх дегідратація з відділенням рідини в навколишнє середовище. Білковий гель, який піддають нагріванню, як правило, має менший обсяг, масу та більш великі показники по механічній міцності і пружності в порівнянні з вихідним гелем нативних (натуральних) білків. Швидкість агрегування золів білка залежить від рН середовища. Менш стійкі білки знаходяться поблизу ізоелектричної точки.
Агрегування — це взаємодія денатурованих молекул білка, яка супроводжується утворенням більш великих часток. Зовні це виражається по-різному в залежності від концентрації і колоїдного стану білків в розчині. Так, в малоконцентрованих розчинах (до 1%) білок, який згорнувся, утворює пластівці (піна на поверхні бульйонів). У більш концентрованих білкових розчинах (наприклад, білки яєць) при денатурації утворюється суцільний гель, який утримує всю воду, що міститься в колоїдній системі. Для поліпшення якості страв і кулінарних виробів широко використовують спрямовану зміну реакції середовища. Так, при маринуванні м’яса, птиці, риби перед смаженням; додаванні лимонної кислоти або білого сухого вина при припусканні риби, курчат; використанні томатного пюре при гасінні м’яса та ін., створюють кисле середовище зі значеннями рН значно нижче ізоелектричної точки білків продукту. Завдяки меншій дегідратації білків вироби стають більш соковитими.
Види денатурації
Розрізняють 2 види денатурації:
Оборотна денатурація — ренатурація або ренактивація — це процес, при якому денатурований білок, після видалення денатуруючих речовин знову самоорганізується в вихідну структуру з відновленням біологічної активності.
Необоротна денатурація — це процес, при якому біологічна активність не відновлюється після видалення денатуруючих агентів. Отже, денатурацію викликають фізичні фактори: температура, тиск, механічні дії, ультразвукові та іонізуючі випромінювання; хімічні фактори: кислоти, луги, органічні розчинники, алкалоїди, солі важких металів. Збивання яєчного білка, вершків перетворює їх в піну, що складається з бульбашок повітря, які оточені тонкими білковими плівками, утворення яких супроводжується розгортанням поліпептидних ланцюгів в результаті розриву зв’язків при механічному впливі. Таким чином, при утворенні плівок відбувається часткова або повна денатурація білка. Такий вид денатурації називається поверхневою денатурацією білка.
Для технологічних процесів особливе значення має теплова денатурація білків. Протягом тривалої теплової обробки білки піддаються більш глибоким змінам, які пов’язані з руйнуванням їх макромолекул. На першому етапі змін від білкових молекул можуть відщеплятися функціональні групи з утворенням таких летючих сполук, як аміак, сірководень, фосфористий водень, вуглекислий газ і ін. Накопичуючись в продукті, вони беруть участь в утворенні смаку і аромату готової продукції . При подальшій гідротермічній обробці білки гідролізуються, при цьому первинний (пептидний) зв’язок розривається з утворенням розчинних азотистих речовин небілкового характеру (наприклад, перехід колагену в глютен). Деструкція білків може бути цілеспрямованим прийомом кулінарної обробки, що сприяє інтенсифікації технологічного процесу.
Зміна структури і властивостей м’яса
Денатурація м’язових білків м’яса при тепловій обробці істотно впливає на властивості готових виробів. Білки саркоплазми при денатурації утворюють суцільний гель, а білки міофібрил, які вже знаходяться в стані гелю, ущільняються. Діаметр м’язових волокон при цьому зменшується на 36-42%, тканини ущільняються, опір різанню в поперечному напрямку зростає. При варінні тканини ущільняються більше, ніж при смаженні, так як в останньому випадку температура в центрі шматків буде нижчою і час обробки сировини менше. У молекулі міоглобіну, що додає червоне забарвлення сирому м’ясу, міститься хромофорна група (яка обумовлює забарвлення) — гем.
При денатурації іон двовалентного заліза, який входить до неї, окислюється. При цьому з гема утвориться гемін, що обумовлює сіре забарвлення м’яса. Зміна забарвлення яловичини починається при температурі 60°С, при температурі від 60 до 70°С червоне забарвлення слабшає і при подальшому підвищенні переходить в сіро-коричневе. Міозин повністю денатурує при температурі трохи вище 40°С, а 90% інших білків м’яса денатурують при температурі 65°С. Однак для досягнення кулінарної готовності необхідно нагрівати м’ясо при смаженні до температури 80-85°С, а при варінні — до температури 95°С протягом певного часу. При цьому денатуровані білки частково піддаються більш глибоким змінам з утворенням сірководню, фосфористого водню, меркаптанів та інших летких речовин. Частина амінокислот руйнується і вступає в реакцію меланоїдиноутворення. Тому дуже тривала теплова обробка може знизити харчову цінність м’яса. Способи теплової обробки і її терміни визначаються властивостями сполучної тканини. Кулінарна готовність настає при перетворенні 20-45% колагену в глютен. Опір різанню при цьому значно знижується. Саме тому смажити краще тільки ті частини м’яса, в яких цей процес встигає відбутися раніше, ніж виріб висохне і почне підгоряти.
Значно змінюється маса м’ясних напівфабрикатів при тепловій обробці. Втрати маси складають 35-40%. Викликано це в основному трьома причинами: виділенням вологи (30-35%), витоплюванням жиру (близько 5%) і втратами розчинних речовин в результаті дифузії і виділення соку (в середньому 1-2% маси м’яса). Виділення вологи при тепловій обробці м’яса викликано тим, що при денатурації білків зменшується їх здатність утримувати воду, а скорочення волокон колагену (зварювання) призводить до зменшення геометричних розмірів напівфабрикатів і випресовування з них вологи, яка виділяється.
