Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор литературы 12
1.1. Современные представления о структуре коллагена; биологические, физико-химические, функционально-технологические свойства; способы модификации 12
1.2. Вторичные ресурсы мясной промышленности как источник получения коллагенсодержащих продуктов 37
1.3. Совершенствование и разработка технологий рационального использования коллагенсодержащего сырья 48
ГЛАВА 2. Проблемно-целевая структура работы, объекты исследования, экспериментальные и аналитические методы 77
2.1. Структура работы и схема исследований 77
2.2. Объекты исследования 80
2.2.1. Вторичное коллагенсодержащее сырье, полуфабрикаты и продукты на его основе 80
2.2.2. Отечественные ферментные препараты протеолитического и липолитического действия 84
2.2.3. Перспективные отечественные источники растительного белка 90
2.3. Общие методы исследований 105
2.4. Специальные и сложные методы исследований 112
2.4.1. Приборное обеспечение обработки коллагеновых пленок импульсным магнитным полем (ИМП) 112
2.4.2. Светооптический гистологический метод исследования структуры тканей
и коллагеновых пленок и статистический анализ результатов микроскопических исследований 114
2.4.3. Рентгенофазовый анализ коллагеновых белков 116
2.4.4. Методы термического анализа коллагеновых полуфабрикатов 119
2.4.5. Исследование структуры модифицированных биополимеров методом ИК-спектроскопии 120
2.5. Формализация методов расчета рецептур и технологических процессов получения продуктов с заданным химическим составом 121
2.5.1. Стохастическое моделирование и оптимизация состава поликомпонентных продуктов 121
2.5.2. Моделирование тепло-массообменных процессов при выделении очищенных коллагеновых субстанций из соединительных тканей 128
ГЛАВА 3. Дифференциация вторичных коллагенсодержащих ресурсов мясной отрасли 129
3.1. Гисто-морфологическая характеристика вторичных коллагенсодержащих ресурсов 129
3.2. Комплексная оценка свойств и обоснование принципов дифференциации вторичного коллагенсодержащего сырья на группы по прикладному значению 151
ГЛАВА 4. Разработка биотехнологических методов выделения и очистки коллагеновых субстанций 159
4.1. Биокаталитические свойства и субстратная специфичность промышленных препаратов протеиназ из разных источников 159
4.2. Закономерности процессов ферментной модификации балластных биополимеров коллагенсодержащего сырья 169
4.3. Идентификация структуры биомодифицированных коллагеновых белков 186
4.4. Физико-химическая характеристика, оценка безвредности очищенных коллагеновых субстанций как основы в производстве добавок и пищевых покрытий 199
4.5. Формализованное описание тепло-массообменных процессов при выделении очищенных коллагеновых субстанций из соединительных тканей 216
ГЛАВА 5. Принципы получения модифицированных коллагеновых ингредиентов, оценка их физиологической и технологической функциональности 230
5.1. Влияние физико-химических и биотехнологических факторов на структурообразующие свойства диспергированных коллагеновых белков 231
5.2. Обоснование экологически безопасных подходов к интенсификации структурообразования биомодифицированных коллагеновых субстанций 257
5.3. Комплексная оценка свойств и обоснование рациональных направлений использования модифицированных коллагеновых ингредиентов 273
ГЛАВА 6. Развитие научных основ применения функциональных коллагеновых ингредиентов в технологии мясных продуктов различных ассортиментных групп 282
6.1. Развитие и реализация принципов целенаправленного дозированного обогащения продуктов соединительнотканными аналогами пищевых волокон 283
6.2. Разработка сбалансированных пищевых систем путем комплиментарного сочетания животных и растительных белков 303
ГЛАВА 7. Практическая реализация частных технологий модифицированных и оригинальных продуктов 325
7.1. Получение комбинированных функциональных добавок и использование их в технологии колбасных изделий 325
7.2. Применение очищенных коллагеновых ингредиентов в технологии фаршевых изделий 337
7.3. Применение нейтральных коллагеновых дисперсий в технологии пастообразных продуктов 340
7.4. Технологическое обеспечение производства модифицированных и оригинальных продуктов в коллагеновых дисперсиях 345
7.4.1. Производство мясных натуральных, рубленых и комбинированных полуфабрикатов в коллагеновых дисперсиях 345
7.4.2. Применение коллагеновых дисперсий в технологии цельномышечных продуктов из свинины и говядины 362
7.4.3. Использование биополимерных дисперсионных систем при производстве функционального корма для домашних животных 373
7.5. Обогащенные экструдированные белковые продукты из коллагенсодержащего и растительного сырья 387
Выводы 396
Список использованных источников 399
- Вторичные ресурсы мясной промышленности как источник получения коллагенсодержащих продуктов
- Отечественные ферментные препараты протеолитического и липолитического действия
- Комплексная оценка свойств и обоснование принципов дифференциации вторичного коллагенсодержащего сырья на группы по прикладному значению
- Физико-химическая характеристика, оценка безвредности очищенных коллагеновых субстанций как основы в производстве добавок и пищевых покрытий
Введение к работе
Современная концепция совершенствования и развития производства базируется на ресурсосбережении как реальном источнике усиления сырьевой базы перерабатывающих отраслей АПК. Однако в отечественной мясоперерабатывающей отрасли около 14 % белоксодержащих ресурсов остаются невостребованными. Среди них особый интерес представляет вторичное сырье, богатое коллагеном, на долю которого приходится от 25 до 33 % общей массы белков убойных животных при выходе соединительной ткани 16 % к массе мяса на костях.
В связи с реализацией государственной политики здорового питания (до 2005 г.) в России в работах И.А. Рогова, Э.С. Токаева, Л.В. Антиповой, А.И. Жаринова, Н.Н. Липатова (мл.), Г .И. Касьянова, Ю.И. Ковалева, А.И. Мглинца и др. обоснованы подходы к рациональному использованию коллагенсодержащего сырья в технологии мясных продуктов с учетом медико-биологических требований к нутриентно адекватному питанию. Современные тенденции в области питания связаны с созданием ассортимента функциональных продуктов, способствующих поддержанию и коррекции здоровья при их ежедневном потреблении за счет регулирующего и нормализующего воздействия на организм в целом либо на определенные его органы или функции. В этом большая роль отводится соединительнотканным белкам как пищевым волокнам со всеми присущими им физиологическими свойствами.
Для обоснования наиболее рациональных путей использования сырья необходима систематизация вторичных коллагенсодержащих ресурсов мясной отрасли и формирование дифференцированных подходов, способов, методов его переработки на пищевые цели, что особенно актуально в условиях участившихся экстремальных ситуаций, наличия зон экологиче ского риска и техногенных катастроф, имеющих место практически во всех странах мира, в том числе в России.
Попытка максимального вовлечения соединительнотканных белков в производство пищевых продуктов в рамках традиционных технологий не дала желаемых результатов в связи с низкими функциональными и органо-лептическими свойствами нативных компонентов соединительных тканей в рецептурах мясных продуктов. Наиболее перспективным для расширения возможностей и областей применения соединительных тканей следует считать предварительную обработку методами биотехнологии для целенаправленной биомодификации структуры и на этой базе разработку новых подходов применительно к технологии пищевых продуктов. Здесь следует выделить как наиболее известный и перспективный метод энзиматической конверсии.
В теорию и практику разных аспектов ферментативной обработки мясного сырья внесли вклад работы многих отечественных и зарубежных ученых (Л.В. Антипова, В.Г. Боресков, А.С. Большаков, Л.А. Бушкова, А.А. Васильев, Н.К. Журавская, Н.Н. Крылова, Л.С. Кудряшов, Н.Н. Липатов, Е.Ф. Орешкин, Д.В. Павлов, П.Е. Павловский, И.А. Рогов, И.А. Смородинцев, В.И. Соловьев, А.А. Соколов, W.R. Dayton, T.R. Duton, R. Hamm, K.O. Honikel, S. Ishiura, R.R. Lawrie, H. Ockerman, A. Okitani и др.). Однако, несмотря на положительный ретроспективный итог пищевой биотехнологии в различных отраслях производства продуктов питания, темпы и масштабы ее внедрения в мясной отрасли нельзя признать удовлетворительными.
Это связано с недостаточной изученностью и дефицитом промыш-ленно выпускаемых ферментных препаратов, а также научных подходов к использованию коллагенсодержащего сырья.
Цель исследования - теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных путей использования коллагенсодержащего сырья с получением белковых ингредиентов и продуктов с привлечением методов биотехнологии.
Задачи исследования:
- обобщение и дополнение информационных данных о структуре соединительных тканей в составе вторичных коллагенсодержащих ресурсов и идентификация коллагеновых белков;
- дифференциация коллагенсодержащих ресурсов для получения белковых ингредиентов и добавок;
- оптимизация процессов биомодификации компонентов соединительных тканей и математическая формализация методов расчета рецептур и технологических процессов получения продуктов с заданным химическим составом;
- теоретическое и экспериментальное обоснование новых подходов к стабилизации структуры биомодифицированных коллагеновых субстанций;
- теоретическое и экспериментальное обоснование частных технологий коллагеновых субстанций для получения модифицированных и оригинальных мясных продуктов, их опытно-производственная апробация и внедрение.
Научная концепция работы заключается в обосновании подходов, принципов и методов получения белковых препаратов, добавок, пищевых пленочных покрытий на основе рационального использования вторичных коллагенсодержащих ресурсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- дифференциация коллагенсодержащих ресурсов мясной отрасли для переработки в коллагенсодержащие продукты;
- особенности структуры коллагенов при различных способах обработки сырья;
- теоретические основы и режимы биомодификации коллагенсодер-жащего сырья с использованием ферментных препаратов;
- новые коллагеновые полуфабрикаты применительно к технологии функциональных добавок, продуктов и пленочных покрытий;
- обоснование и реализация подходов, способов, методов в реализации частных технологий.
Работа является составной частью НИР кафедры технологии мяса и мясных продуктов ВГТА в рамках федеральных грантов "Теория и практика продуктов лечебно-профилактического и специального назначения на основе рационального использования вторичного сырья мясной и птицеперерабатывающей промышленности" (1996-1997 гг., № г.р. 01970000494) и "Разработка теоретических аспектов биотехнологических процессов в создании биопрепаратов специального назначения на основе рационального использования второстепенных белковых ресурсов» (1998-1999 гг., № г.р. 01990004397), госбюджетной НИР Министерства образования РФ по единому заказ-наряду "Разработка теоретических и практических основ рационального использования коллагенсодержащих ресурсов мясной промышленности" (1996-1999 гг., № г.р. 01970000496); НТП Министерства образования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма "Технологии живых систем" по теме 204.01.014 (2000-2002 гг., № г.р. 01.200.1 16991), ИНТП «Технология экологического прогнозирования, мониторинга и рационального природопользования» по теме «Разработка и внедрения комплексной системы обеспечения производства лечебно-профилактических и специальных препаратов, экологической безопасности продуктов на основе сырьевых ресурсов перерабатывающих отраслей АПК» (1998-2000 гг., № г.р. 01200008973); региональной НТП "Черноземье" по разделу "Рациональное использование коллагенсодержащих ресурсов мясной промышленности на основе комплексного использования сырья" (1992-1995 гг.).
Тема диссертации соответствует плану госбюджетных НИР кафедры технологии мяса и мясных продуктов ВГТА "Разработка технологии и оборудования биологически полноценных экологически чистых мясных продуктов на основе рационального использования ресурсов" (1991-2000 гг., № г.р. 01930006724) и "Теоретические и практические аспекты производства биологически полноценных, лечебно-профилактических и функциональных продуктов питания на основе биотехнологий и рационального использования сельскохозяйственного сырья" (2001-2003 гг., № 01.200.1 16991).
Экспериментальные исследования и опытные работы проводились в сотрудничестве с учеными и специалистами кафедр аналитической химии и технологии эластомеров Воронежской государственной технологической академии, лаборатории гистохимии Всероссийского научно-исследовательского ветеринарного института патологии, фармакологии и терапии, кафедр физики твердого тела и ядерной физики Воронежского государственного университета, Югославского института технологии и гигиены мяса (Белград, Сербия), Ново-Садского университета (Новый Сад, Сербия).
Выражаем искреннюю благодарность за консультации и помощь при выполнении диссертационной работы.
Вторичные ресурсы мясной промышленности как источник получения коллагенсодержащих продуктов
Некоторые штаммы Streptomyces и Actinomyces являются источниками промышленных комплексных препаратов протеолитических ферментов, проявляющих и коллагенолитическую активность. Среди них - проназа, проте-лин, римопротелин и протофрадин [444,464,466].
Действие на нативный коллаген проназы, выделенной из Streptomyces griseus, приводит к переводу его в растворимое состояние. При 20 С проназа, гидро-лизуя молекулу коллагена, укорачивает ее приблизительно на 5 %. Повышение температуры до 30-35 С приводит к более сильной деструкции коллагена.
Протелин, также полученный из Streptomyces griseus, расщепляет про-коллаген более глубоко, чем трипсин, при оптимуме рН 7,0-7,5. Сходным по механизму действия является ферментный препарат римопротелин, выделенный из штамма Streptomyces rimosus.
Протофрадин способен частично гидролизовать нативный коллаген с образованием растворимых пептидов, содержащих оксипролин, но значительная степень гидролиза субстрата может быть достигнута лишь при длительном про-теолизе и высокой концентрации фермента. Наибольшее практическое значение, однако, имеют методы обработки соединительной ткани, приводящие к дезагрегации надмолекулярных структур с образованием продуктов диспергирования коллагена двух типов: а) продукты денатурации, растворы которых состоят из частиц, утра тивших трехцепочечную спиральную структуру нативного коллагена (при мером продуктов такого типа является желатин); б) надмолекулярные агрегаты, состоящие из молекул коллагена, сохра нивших структуру трехцепочечных спиралей, например, препарат ПРК [239]. Их выделение может быть осуществлено одностадийно (непосредственно из волокон и их агрегатов, подвергнутых измельчению) или при многостадий ном диспергировании. В последнем случае волокнистый коллаген или рас 35 твор его молекул подвергается различным предварительным механическим, химическим или ферментативным воздействиям. К этой группе методов следует отнести тепловую обработку в условиях сухого или влажного нагрева при повышенных либо умеренных температурах [421], взаимодействие с химическими реагентами кислотного [196] и щелочного характера, как правило, гидроксидом кальция [58, 62], комбинированную щелочно-солевую обработку [77, 261, 273]; физические методы, например, ионизирующие излучения, которые в связи с многочисленностью функциональных групп в структуре коллагена могут приводить к разнообразным как деструктивным, так и модифицирующим эффектам [239], УЗ-обработку [157, 163, 201]. Для интенсификации технологических процессов весьма эффективно сочетание щелочно-солевой обработки и ультразвукового воздействия [265]. Хотя способность коллагена к дезагрегации при действии высоких температур нашла широкое применение при обработке коллагенсодержащего сырья в технологии клея, желатина, при получении бульонов и в ряде других традиционных технологических процессов мясной промышленности, необходимо подчеркнуть, что такой метод не пригоден при переработке источников коллагена животного происхождения в биоматериалы различного назначения, где нашли реализацию два основных подхода: - выделение коллагена из соединительной ткани или его очистка от других компонентов с полным сохранением молекулярной и незначительными изменениями надмолекулярной структуры; - перевод сырья в раствор с сохранением основных молекулярных характеристик и последующим восстановлением находящихся в растворе мак-ромолекулярных структур в коллагеновые материалы той или иной формы. При этом все типы растворимого коллагена можно разделить на две группы: растворимые фракции коллагена, получаемые прямой экстракцией из соединительной ткани, и солюбилизированный коллаген, полученный по 36 еле механической, химической или ферментативной обработки нерастворимого зрелого коллагена.
Химическая природа реагентов обусловливает различный механизм и степень нарушения молекулярной структуры коллагена в процессах подготовки его к растворению. В настоящее время наиболее широко реализуемыми методами селективного разрушения межмолекулярных связей с сохранением трехспиральнои структуры тропоколлагена являются щелочно-солевой и ферментативный с использованием протеиназ из животных (пепсин) и микробных (протеаза С, протосубтилин ГЗх, мегатерии) источников [60, 80].
Действие щелочи сводится в основном к разрыхлению волокнистых структур, удалению сопутствующих веществ и разрыву межмолекулярных связей, а также деполимеризации фибриллярных структур (А.И. Сычеников и др., 1978; W. Lasek, 1978). Применение нейтральной соли в процессе разрыхления сырья гидроксидом натрия позволяет осуществить направленный гидролиз его структуры по линии разрыва поперечных межфибриллярных связей, препятствуя при этом щелочному набуханию коллагена [59].
Морфологические и биохимические исследования показали, что ще-лочно-солевая обработка приводит к разрушению основного цементирующего вещества соединительной ткани, в частности, кислых гликозаминоглика-нов [238], дезорганизации и дезинтеграции структурных элементов коллагена, нарушению межмолекулярных связей, что делает возможным диспергирование его в уксусной кислоте низкой молярной концентрации [419].
В связи с достигнутыми на рубеже XX-XXI веков успехами в отраслях народного хозяйства и общими преимуществами биотехнологий [6, 7, 226, 351], особую перспективу ученые и специалисты связывают с биотехнологическими способами модификации коллагена, которые могут быть основаны как на самостоятельном целенаправленном применении ферментных препаратов [56, 282], так и в сочетании с химическими [68] или электрофизическими [270] методами обработки. Таким образом, по результатам обзора научно-технической и патентной литературы приоритет и перспективу имеют биотехнологические методы обработки коллагенсодержащих тканей животных с целью получения биомо-дифицированных коллагеновых белков заданной функциональности.
Представляется целесообразным дать анализ использования коллаген-содержащего сырья в перерабатывающих отраслях АПК в аспекте реализации безотходных технологий и обеспечения экологической безопасности производств.
Отечественные ферментные препараты протеолитического и липолитического действия
Использование достижений биотехнологии приобретает особое значение в расширении ассортимента отечественных мясных продуктов при рациональном использовании белкового сырья. Следует выделить, как имеющую особое значение для мясной промышленности, проблему ферментной модификации белков и белковых систем упроченной структуры, решение которой сопряжено с повышением биологической и технологической функциональности коллагенсодержащего сырья, возможностью частичной или полной замены традиционного сырья, улучшением свойств и выхода продуктов за счет молекулярной конверсии белков и трансформации свойств сложных биологических систем в получении высококачественных мясопродуктов -известного источника полноценных белков в рационах. В то же время, практическая реализация методов инженерной энзимологии в решении частных задач технологии мясных продуктов лимитируется двумя факторами: с одной стороны, отсутствием или ограниченным промышленным выпуском ферментных препаратов требуемой специфичности, а, с другой, отсутствием научно-обоснованных рекомендаций по их применению.
Теория и практика этого направления сопряжена с расширением сведений в области физико-химии и кинетики биокатализа при обработке гетерогенных белковых систем, разработкой тонких экологически чистых технологий модифицированных и оригинальных пищевых продуктов, полезных ингредиентов для обогащения физиологически активными веществами рационов питания, а также формующих и пленочных материалов, обеспечивающих барьерные технологии хранения и товарный вид изделий [371].
Требования к ферментным системам для направленной трансформации химического состава и структурно-механических свойств коллагенсо-держащего сырья обусловлены преобладанием различных фракций белков и липидов в составе сухого остатка всех его видов в соответствии с известными из литературы данными, прежде всего, связаны с высокой субстратной специфичностью к гидролизу балластных белковых фракций (альбуминов, глобулинов) и белково-липидных комплексов, наличием коллагеназного и эластазного эффектов, максимальной активности в нейтральной зоне рН и умеренном интервале температур.
В работе использованы промышленные ферментные препараты отечественного производства из животных (панкреатин), микробных источников (Bacillus subtilis, Bacillus megaterium) и гидрооионтов (гепатопанкреас камчатского краба), выбор которых основан на выполненной нами сравнительной оценке биохимических (табл. 2.1) и физико-химических свойств ферментных комплексов известных продуцентов (табл. 2.2) применительно к обработке коллагенсо-держащего сырья мясной промышленности [8, 19, 115,322, 345]. Панкреатин - комплексный ферментный препарат, получаемый экстрагированием гомогенизированной поджелудочной железы и высушиванием водного экстракта методом распылительной сушки [349], содержащий, наряду с трипсином и химотрипсином, фракции различной молекулярной массы, обладающие коллагеназной и эластазной активностью, причем фракция, обладающая наибольшей коллагеназной активностью, в количественном отношении незначительна (L. D. Satterlee, 1971).
Установлено (А.С. Ратушный, 1976), что активность экстрактов свиной и говяжьей поджелудочной железы по отношению ко всем фракциям коллагена в 4-5 раз выше, чем у панкреатина, при этом более высокой коллагеназной активностью по сравнению с говяжьей обладает свиная поджелудочная железа. Оптимальными условиями ферментативного гидролиза соединительнотканных белков являются рН 6,0, температура 55 С при массовой концентрации поджелудочной железы 11,9 мг/см3.
В работе использован медицинский панкреатин производства завода биопрепаратов ОАО «Самсон» (г. Санкт-Петербург).
Протосубтилин ГЛОХ и мегатерии ПОх - препараты микробных про-теиназ, получаемые путем культивирования микроорганизмов Bacillus subtilis и Bacillus megaterium с дальнейшим выделением, очиской и сушкой препаратов, которые используют для производства белковых гидролизатов и в аналитических целях.
В соответствии с техническими условиями, по степени воздействия на организм препараты относятся к IV классу опасности. Штаммы-продуценты не обладают патогенностью. ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 10 клеток в 1 м"\
В работе использовали промышленные препараты «Протосубтилин ПОх» (СТП 100-02-88, введ. 23.03.88) и "Мегатерии ПОх" (ТУ оп 00479942-002-94, введ. 01.01.94) производства Вышневолоцкого завода ферментных препаратов (пос. Зеленогорский Тверской области), а также экспериментальный препарат липоризин ПОх (разработан в НИЛ МГУПП, г. Москва). Нейтральный интервал значений рН среды, неограниченность источников, низкий удельный расход ферментных препаратов протосубтилин ПОх и мегатерии ПОх и связанные с ним невысокие затраты на вспомогательные материалы удовлетворяют требованиям мясной промышленности. Идентичные физико-химические характеристики препаратов (см. табл. 2.2) - температурный оптимум действия 37-40 С, рН-оптимум 6,8-7,2 для протосубтилина ПОх; 7,0-7,2 для мегатерина ПОх; 7,0 для липоризина ПОх - создают предпосылки для совместного их использования в виде мультиэнтизимных композиций [244].
Препарат "Коллагеназа пищевая" (ТУ 9281-004-11734126-00, гигиеническое заключение МЗ РФ от 06.12.2000 г. выдано на основании заключения ГИЦ ИП РАМН № 72/з-3578/м-2000 от 21.11.20000 г.) производства ЗАО "Биопрогресс" (г. Щелково Московской обл.), получаемый из гепатопанкреа-са камчатского краба Paralithodes camtshatica экстракциией раствором соли щелочного металла с последующей очисткой микро- и ультрафильтрацией и лиофильной сушкой [283], является протеиназой со специфической направленностью к расщеплению пептидных связей в молекулах нативного коллагена - основного структурного компонента соединительной ткани.
Коллагенолитические протеиназы краба проявляют высокую активность по отношению к различным типам природного коллагена, особенно к коллагену III типа из кожи теленка и коллагену IV типа из хрусталика глаза быка, которые устойчивы к действию микробных коллагеназ рода Clostridium. Коллагеназы краба не гидролизуют пептидный фрагмент коллагена Z-Gly-Pro-Ala-GIy-Pro-Ala, легко гидролизуемый коллагеназами Clostridium sp., что является еще одним доказательством различной субстратной специфичности коллагеназ краба и истинных коллагеназ. В отличие от микробиальных коллагеназ коллагенолитические протеазы краба гидролизуют синтетические субстраты химотрипсина, трипсина и эластазы и относятся к классу сериновых протеиназ.
Комплексная оценка свойств и обоснование принципов дифференциации вторичного коллагенсодержащего сырья на группы по прикладному значению
Получение очищенных коллагеновых ингредиентов в форме коллагеновых масс традиционно реализуется в технологии съедобных колбасных оболочек типа «белкозин», «натурин», «кутизин» [138]. Объемы их производства, однако, во многом лимитируются дефицитностью ресурсов, что, в свою очередь, связано со специфическими требованиями к морфологическому строению сырья для их изготовления по принятой в промышленности технологии, которой удовлетворяет гольевой спилок шкур крупного рогатого скота [196, 391, 395]. Так, для получения белковых оболочек с удовлетворительными физико-химическими свойствами предпочтительна обработка соединительнотканного сырья с длиной волокон коллагена порядка 10 мм и средней толщиной коллагеновых пучков 30-50 мкм.. Имеется положительный опыт увеличения сырьевой базы для выпуска искусственных оболочек на основе коллагена, главным образом, за счет совершенствования технологии получения гольевого спилка КРС, использования свиного спилка, а также расширения номенклатуры топографических участков шкуры, пригодных для указанной цели [343,359].
Однако степень внедрения этих разработок ограничена, с одной стороны, малым числом предприятий, специализирующихся на выпуске пищевых оболочек и пленок, с другой - малой изученностью свойств коллагенов различных тканей, составляющих значительную часть отходов мясоперерабатывающего производства.
Проблема дефицита съедобных колбасных оболочек и пищевых покрытий ставит задачу увеличения ресурсов традиционного и изыскания новых источников сырья для их производства. В то же время возможность использования вторичных коллагенсодержащих ресурсов мясной промышленности в указанных целях исследована недостаточно и требует систематизации сведений о структуре, биологических и функциональных свойствах формирующих их соединительных тканей и структурных биополимеров с целью обоснования и создания эффективных технологий коллагеновых субстанций - основы для получения пленок, покрытий, формовочных материалов.
На данном этапе работы решали задачу обобщения и дополнения информационных данных о структуре соединительных тканей в составе вторичных коллагенсодержащих ресурсов. Для этого проводили гистохимическую идентификацию коллагеновых белков в составе объектов исследования: шкуросырья крупного рогатого скота и свиней с учетом различия топографических участков (вороток, лапа, пола); сухожилий, различных анатомических частей пищеварительного тракта (тонкая, толстая, слепая, прямая кишка); некоторых малоценных субпродуктов II категории (легкое, селезенка) крупного рогатого скота. Микрофотографии объектов исследования представлены на рис. 3.1-3.12.
При изучении особенностей микроструктуры шкуросырья особое внимание обращали на структуру дермального пласта и его компонентов, в частности, коллагеновых образований. Толщина эпидермиса шкур крупного рогатого скота изменяется при переходе от одного участка к другому в убывающем ряду: полы лапы вороток.
Толщина сосочкового слоя дермы крупного рогатого скота в зависимости от породы и топографического участка находится в пределах 680-1200 мкм, что составляет 13,4-18,2 % от общей толщины шкуры. На поле сосочковый слой имеет наименьшую толщину по сравнению с воротком и лапой (рис. 3.1-3.3). Пучки коллагеновых волокон в сосочковом слое переплетаются в разных направлениях, образуя войлокообразную вязь. Толщина коллагеновых пучков колеблется в пределах 6-14 мкм. Эластиновые волокна имеют толщину 1-4 мкм и располагаются преимущественно горизонтально к поверхности кожного покрова, образуя сеть, оплетающую волосяные луковицы и другие структурные элементы сосочкового слоя.
Толщина сетчатого слоя дермы крупного рогатого скота колеблется в значительных пределах в зависимосимости от топографического участка шкур и составляет от 77 до 80 % толщины дермы. Сетчатый слой, как правило, наиболее развит на лапе и воротке и в меньшей степени - на поле. В отличие от сосочкового, сетчатый слой сформирован более толстыми пучками коллагеновых волокон - от 34,5 до 62 мкм, которые образуют различные типы переплетений. На краевых участках (полы) пучки коллагеновых волокон имеют преимущественно горизонтально-петлистую форму вязи, в то время как в хребтовой части - ромбовидную и петлистую.
Наименьший угол наклона характерен для пучков коллагеновых волокон на полах - 30-35, наибольший на лапах - 50-60. В воротковой части шкуры угол наклона составляет 38-45.
Гистоструктура шкур свиней в связи с высоким (до 20 % в пересчете на абсолютно сухое вещество) содержанием липидных фракций отличается от структуры шкур крупного рогатого скота обильным скоплением жировых клеток и массивными прослойками рыхлой соединительной ткани в дерме. Нижний слой дермы свиной шкуры представляет собой сплетение тонких коллагеновых волокон, окруженных прослойками рыхлой соединительной ткани (рис. 3.4-3.5).
В верхней части сосочкового слоя дермы свиных шкур диаметр пучков коллагеновых волокон составляет 25-30 мкм, в нижней части - 30-50 мкм. Степень развитости фибриллярных структур и толщина пучков зависит от толщины и количества формирующих их волокон. Пучки коллагеновых волокон отделены друг от друга прослойками рыхлой тонковолокнистой ткани. Переплетаясь друг с другом, пучки образуют различного типа вязь, определяющую наряду с толщиной пучков прочность и другие структурно-механические свойства дермы.
Пучки коллагеновых волокон в гистоструктуре свиных шкур тоньше, чем в структуре шкур крупного рогатого скота; при этом они образуют менее совершенную вязь за счет менее сложных и менее плотных переплетений по сравнению с развитыми фибриллярными структурами в дерме шкур крупного рогатого скота.
Физико-химическая характеристика, оценка безвредности очищенных коллагеновых субстанций как основы в производстве добавок и пищевых покрытий
Ферментные препараты находят все большее применение в различных отраслях перерабатывающей промышленности. Особое значение они приобретают в создании экологически чистых и безотходных производств, превращении малоценных и труднодоступных форм пищевых веществ в продукты высоких функциональных свойств и качества.
Имеющийся зарубежный и отечественный опыт ферментных технологий в различных отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности убедительно свидетельствует об их эффективности; очевидные преимущества состоят в возможности глубокой переработки основного и вторичного сырья, реализации технологических режимов в естественных диапазонах температур, рН среды и давления, с минимальными затратами материальных и энергоресурсов.
Важное значение приобретает использование современных достижений биотехнологии в расширении ассортимента отечественных мясных продуктов, рациональном использовании сырья. Следует выделить, как имеющую особое значение для мясной промышленности, проблему ферментной модификации белков и белковых систем упроченной структуры, решение которой сопряжено с повышением биологической и технологической функциональности коллагенсодержащего сырья, возможностью частичной или полной замены традиционного сырья, улучшением свойств и выхода продуктов за счет молекулярной конверсии белков и трансформации свойств сложных биологических систем в получении высококачественных мясопродуктов - известного источника полноценных белков в рационах. В то же время, практическая реализация методов инженерной энзимологии в решении частных задач технологии мясных продуктов лимитируется двумя факторами: с одной стороны, отсутствием или ограниченным промышленным выпуском ферментных препаратов требуемой специфичности, а, с другой, отсутствием научно-обоснованных рекомендаций по их применению.
Теория и практика этого направления сопряжена с расширением сведений в области физико-химии и кинетики биокатализа при обработке гетерогенных белковых систем, разработкой тонких экологически чистых технологий модифицированных и оригинальных пищевых продуктов, полезных ингредиентов для обогащения физиологически активными веществами рационов питания, а также формующих и пленочных материалов, обеспечивающих барьерные технологии хранения и товарный вид изделий [371].
Для специалистов мясной промышленности наибольший интерес представляют данные, касающиеся действия ферментов на мышечные и соединительнотканные белки мяса при условиях, используемых в традиционных технологиях переработки мясного сырья, сведения о влиянии различных технологических факторов на активность ферментных препаратов, о субстратной специфичности ферментов для оценки их способности воздействовать на коллаген внутримышечной соединительной ткани. Еще более важным моментом является влияние ферментных препаратов на функционально-технологические, структурно-механические, реологические свойства мясного сырья и, в конечном итоге, на качественные показатели готовых продуктов. Такая информация необходима для выбора и реализации наиболее эффективных путей внедрения ферментных препаратов в технологии мясных продуктов.
При подборе протеолитического ферментного препарата для использования огромное значение имеет его специфичность к гидролизу тех или иных белков мясного сырья, известных своей многокомпонентностью и различием функций. На основе различной растворимости белки мяса условно делят на три группы: водорастворимые, солерастворимые, щелочераствори-мые (белки стромы) [9]. Представляется рациональным подход, реализующий целенаправленное применение ферментных препаратов, проявляющих преимущественную активность по отношению к одной или нескольким группам белков в зависимости от цели биомодификации. Так, при получении белковых гидролизатов, где конечной целью является максимальное разрушение первичной структуры белков независимо от их вида, наиболее эффективным является применение ферментов широкого спектра действия, что наряду с высоким уровнем активности будет являться основным критерием выбора. Если же ставится задача избирательного гидролиза какой-либо белковой фракции, степень субстратной специфичности в таком случае превалирует над всеми остальными показателями.
Показателем специфичности ферментного препарата является значение константы Михаэлиса-Ментен, представляющей концентрацию субстрата, при которой конкретный фермент обеспечивает скорость реакции, равную половине максимально возможной в данных условиях [140], Анализ кинетики ферментативных реакций базируется на уравнении Михаэлиса-Ментен (4.1), которое позволяет определить константу Михаэлиса (Кт) и максимальную скорость реакции (Vmax):
Изучение кинетики ферментативного катализа и оценку субстратной специфичности ферментов проводили при оптимальных для соответствующих ферментных препаратов значениях температуры и рН на стандартных (казеин по Гаммерстену) и специфических белковых субстратах, в качестве которых использовали очищенные препараты коллагеновых белков, выделенные из сухожилий крупного рогатого скота по методике Лемпитт и Бей-кер [18] и из гольевого спилка крупного рогатого скота путем жидкостных химических обработок [196], а также суммарную фракцию водорастворимых белков мяса и миофибриллярных белков (на примере актомиозинового комплекса).
Выбор ферментных препаратов для сравнения (папаин, трипспн) обусловлен их известными свойствами, а, следовательно, возможностью использования как эталонов.
