Природные белковые тела наделены определенной, строго заданной пространственной конфигурацией и обладают рядом характерных физико-химических и биологических свойств при физиологических значениях температуры и рН среды.
Денатурация — это сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия кислот, щелочей, ультразвука и др.) происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. нативной (естественной) пространственной структуры. Первичная структура, а, следовательно, и химический состав белка не меняются. При кулинарной обработке денатурацию белков чаще всего вызывает нагревание. Процесс этот в глобулярных и фибриллярных белках происходит по-разному.
Механизм денатурации
В глобулярных белках при нагревании усиливается тепловое движение полипептидных цепей внутри глобулы водородные связи, которые удерживали их в определенном положении, разрываются и полипептидная цепь разворачивается, а затем сворачивается по-новому. При этом полярные (заряженные) гидрофильные группы, расположенные на поверхности глобулы и обеспечивающие ее заряд и устойчивость, перемещаются внутрь глобулы, а на поверхность ее выходят реакционноспособные гидрофобные группы (дисульфидные, сульфгидрильные и др.), не способные удерживать воду.
Денатурация сопровождается изменениями важнейших свойств белка:
- потерей индивидуальных свойств (например, изменение цвета мяса при его нагревании вследствие денатурации миоглобина);
- потерей биологической активности (например, в картофеле, грибах, яблоках и ряде других растительных продуктов содержатся ферменты, вызывающие их потемнение, при денатурации белки-ферменты теряют активность);
- повышением атакуемости пищеварительными ферментами (как правило, подвергнутые тепловой обработке продукты, содержащие белки, перевариваются полнее и легче);
- потерей способности к гидратации (растворению, набуханию);
- потерей устойчивости белковых глобул, которая сопровождается их агрегированием (свертыванием, или коагуляцией, белка).
Белки, представляющее собой более или менее обводненные гели (мышечные белки мяса, птицы, рыбы; белки круп, бобовых, муки после гидратации 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, большую механическую прочность и упругость по сравнению с исходным гелем нативных (натуральных) белков. Скорость агрегирования золей белка зависит от рН среды. Менее устойчивы белки вблизи изоэлектрической точки.
Агрегирование — 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 (например, белки яиц) при денатурации образуется сплошной гель, удерживающий всю воду, содержащуюся в коллоидной системе. 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; использовании томатного пюре при тушении мяса и др. создают кислую среду со значениями рН значительно ниже изоэлектрической точки белков продукта. Благодаря меньшей дегидратации белков изделия получаются более сочными.
Виды денатурации
Различают 2 вида денатурации:
Обратимая денатурация — ренатурация или ренактивация — это процесс, при котором денатурированный белок, после удаления денатурирующих веществ вновь самоорганизуется в исходную структуру с восстановлением биологической активности.
Необратимая денатурация — это процесс, при котором биологическая активность не восстанавливается после удаления денатурирующих агентов. Итак, денатурацию вызывают физические факторы: температура, давление, механические воздействия, ультразвуковые и ионизирующие излучения; химические факторы: кислоты, щелочи, органические растворители, алкалоиды, соли тяжелых металлов. Взбивание яичного белка, сливок превращает их в пену, состоящую из пузырьков воздуха, окруженных тонкими белковыми пленками, образование которых сопровождается развертыванием полипептидных цепей в результате разрыва связей при механическом воздействии. Таким образом, при образовании пленок происходит частичная или полная денатурация белка. Такой вид денатурации называется поверхностной денатурацией белка.
Для технологических процессов особое значение имеет тепловая денатурация белков. При длительной тепловой обработке белки подвергаются более глубоким изменениям, связанным с разрушением их макромолекул. На первом этапе изменений от белковых молекул могут отщепляться функциональные группы с образованием таких летучих соединений, как аммиак, сероводород, фосфористый водород, углекислый газ и др. Накапливаясь в продукте, они участвуют в образовании вкуса и аромата готовой продукции. При дальнейшей гидротермической обработке белки гидролизуются, при этом первичная (пептидная) связь разрывается с образованием растворимых азотистых веществ небелкового характера (например, переход коллагена в глютин). Деструкция белков может быть целенаправленным приемом кулинарной обработки, способствующим интенсификации технологического процесса.
Изменение структуры и свойств мяса
Денатурация мышечных белков мяса при тепловой обработке существенно влияет на свойства готовых изделий. Белки саркоплазмы при денатурации образуют сплошной гель, а белки миофибрилл, уже находящиеся в состоянии геля, уплотняются. Диаметр мышечных волокон при этом уменьшается на 36-42%, ткани уплотняются, сопротивление резанию в поперечном направлении возрастает. При варке ткани уплотняются больше, чем при жарке, так как в последнем случае температура в центре кусков ниже и время обработки сырья меньше. В молекуле миоглобина, придающего красную окраску сырому мясу, содержится хромофорная группа (обусловливающая окраску) — гем.
При денатурации входящий в нее ион двухвалентного железа окисляется. При этом из гема образуется гемин, обусловливающий серую окраску мяса. Изменение окраски говядины начинается при температуре 60°С, при температуре от 60 до 70°С красная окраска ослабевает и при дальнейшем повышении переходит в серо- коричневую. Миозин полностью денатурирует при температуре немногим выше 40°С, а 90% остальных белков мяса денатурируют при температуре 65°С. Однако для достижения кулинарной готовности необходимо мясо при жарке нагревать до температуры 80-85°С, а при варке — до температуры 95°С в течение некоторого времени. При этом денатурированные белки частично подвергаются более глубоким изменениям с образованием сероводорода, фосфористого водорода, меркаптанов и других летучих веществ. Часть аминокислот разрушается и вступает в реакцию меланоидинообразования. Поэтому слишком длительная тепловая обработка может снизить пищевую ценность мяса. Способы тепловой обработки и ее сроки определяются свойствами соединительной ткани. Кулинарная готовность наступает при превращении 20-45% коллагена в глютин. Сопротивление резанию при этом значительно снижается. Отсюда жарить лучше только те части мяса, в которых этот процесс успевает произойти раньше, чем изделие высохнет и начнет подгорать.
Значительно изменяется масса мясных полуфабрикатов при тепловой обработке. Потери массы составляют 35-40%. Вызвано это в основном тремя причинами: выделением влаги (30-35%), вытапливанием жира (около 5%) и потерями растворимых веществ в результате диффузии и выделения сока (в среднем 1-2% массы мяса). Выделение влаги при тепловой обработке мяса вызвано тем, что при денатурации белков уменьшается их способность удерживать воду, а сокращение волокон коллагена (сваривание) приводит к уменьшению геометрических размеров полуфабрикатов и выпрессовыванию из них выделяющейся влаги.
