CC BY
15
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ПИЩЕВОМ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
= ТЕМА НОМЕРА
УДК 637.52.66.04/.001.57
Компьютерное моделирование
термической обработки мясопродуктов
А.Г. Храмцов, акад. РАСХН, Ю.И. Куликов, канд. техн. наук
Северо-Кавказский государственный технический университет
С.Н. Шлыков, канд.техн. наук, В.В. Садовой, д-р техн. наук, И.А. Трубина
Ставропольский государственный аграрный университет
К настоящему времени синтезированы десятки миллионов органических соединений различной химической структуры. Практическое применение из них находят десятки тысяч веществ. Каждое соединение имеет свои характерные физико-химические свойства. Однако далеко не для всех соединений имеются надежно определенные экспериментальные значения различных свойств. Поэтому чрезвычайно важная задача нахождения количественных корреляционных зависимостей между структурой и свойствами химических соединений. Установление таких зависимостей позволит не только быстро выбрать из имеющихся соединений наиболее желательное, но и определить направление синтеза новых соединений.
Метод молекулярной механики может быть использован для исследования систем, включающих несколько тысяч атомов, таких, как олигомеры, белки и полисахариды. С его применением решаются задачи конформацион-ного анализа: поиск стабильных состояний путем минимизации энергии молекулярной системы. Компьютерная химия не ограничивается только кван-тово-химическими расчетами и включает широкий круг различных эмпирических и полуэмпирических методов определения физико-химических свойств веществ, базирующихся на применении методов искусственного интеллекта, в том числе нейронных сетей, базы данных, численного моделирования статистических характеристик и динамики химических процессов. Визуализация пространственной структуры молекул и расчет их геометрического строения позволят осуществить прогноз физико-химических свойств органических соединений.
Используя метод ланжевеновской динамики, выполнено моделирование процесса термической обработки а-ка-зеина, лактоглобулина, миозина и сис-
которой и за ее пределами расположены молекулы воды. Кроме этого, в процессе модификации не происходило разрушение внутримолекулярных связей анализируемых фрагментов.
При моделировании процесса термической обработки лактоглобулина в воде (рис. 3, 4) также наблюдали незначительное изменение конформации системы с образованием пространственной структуры по всему объему гидратной ячейки.
темы этих белков при 72 °С, что соответствует технологическим режимам производства вареных колбасных изделий. Процесс имитации обработки компонентов в воде осуществляли методом ланжевеновской динамики в модуле Periodic boundary conditions (периодические граничные условия). Смысл периодических граничных условий состоит в том, что с помощью данного метода решается проблема моделирования системы, включающей большое число молекул воды. По окончании процесса моделирования а-казеина (рис. 1, 2), лактоглобулина и миозина отмечено незначительное изменение конформации исследуемых молекул.
В результате термической обработки в воде а-казеина образуется пространственная сетчатая структура, в ячейках
После процесса компьютерного моделирования термической обработки миозина в воде (рис. 5, 6) отмечено более значимое изменение конформа-ции системы.
Проведенный анализ процесса (см. таблицу) термической обработки белковых молекул а-казеина, лактоглобу-лина и миозина в воде показал, что происходит снижение общей энергии без разрушения ковалентных связей. По величине дипольного момента можно предположить образование водородных связей, а среднеквадратичный градиент свидетельствовал об эффективно выполненной процедуре компьютерного моделирования.
На основании проведенного анализа принято решение рассмотреть молекулярные свойства этих соединений в комплексе. Белковую систему молекул
Рис. 5. Ячейка периодичности с молекулой миозина до термической обработки
Рис. 6. Ячейка периодичности с молекулой миозина после термической обработки
а-казеина, лактоглобулина и миозина помещали в модуль периодических граничных условий и проводили ее геометрическую оптимизацию (рис. 7, 8).
После геометрической оптимизации менялась конформация системы. С помощью модуля ланжевеновской дина-
Рис. 7. Ячейка периодичности с белковой системой до геометрической оптимизации
Рис. 8. Ячейка периодичности с белковой системой после геометрической оптимизации
ANALYTICAL DEVICES FOR FOOD PROCESSING INDUSTRY
мики определены термодинамические и физико-химические свойства системы - энергия составила 26663,1 ккал/ моль, что ниже суммарной энергии систем в автономном состоянии (ЕЕ = = 29838,2 ккал/моль).
Данный результат свидетельствует, что комплексное использование этих компонентов способствует снижению энергии и стабилизации системы в целом.
Некоторые физико-химические свойства систем а-казеин-вода, лактоглобулин-вода и миозин-вода
Система Суммарная энергия, ккал/моль Диполь- ный момент, Дебай Среднеквадратичный градиент, ккал/Ахмоль)
а-Казеин-вода 13945,1 74,3 18,9
Лактоглобу- 6865,7 46,6 19,7
лин вода
Миозин-вода 9027,4 69,1 16,4
Рис. 9. Распределение молекул лактулозы в Рис. 10. Распределение молекул лактулозы в
белковой системе до термической белковой системе после термической
обработки обработки
В связи с тем, что в рецептурах разрабатываемых продуктов предполагается использование лактулозы, обладающей бифидогенными свойствами, определено ее влияние на физико-химические свойства белковой системы. Количество добавляемой лактулозы составляло 3 % от молекулярной массы белкового комплекса. Как и в предыдущем случае, проводили геометрическую оптимизацию, а затем имитацию термической обработки в модуле ланжевеновской динамики (рис. 9, 10).
Анализ конфигурации системы (см. рис. 9, 10) показал, что при термической обработке происходит диффузия лактулозы в молекулу белка, однако при этом не происходит химической реакции. Лактулоза сохраняет свою структуру и бифидогенную активность.
Общая энергия комплекса составила 28361,2 ккал/моль, что на 1698,1 ккал/ моль выше, чем у комплекса белков без лактулозы, но на 1477,0 ккал/моль ниже суммарной энергии систем в автономном состоянии.
Таким образом, на основании моделирования процесса термической обработки и анализа физико-химических и термодинамических свойств молекул а-ка-зеина, лактоглобулина и миозина, установлено, что общая энергия этих компонентов в комплексе ниже, чем в автономном состоянии (ЕЕ = 3175,1 ккал/моль), что свидетельствует о стабилизации системы. Введение лактулозы не оказывает существенного влияния на общую энергию комплекса. Анализ пространственной структуры после термической обработки выявил диффузию молекул лактулозы и воды в белковый комплекс без разрыва ковалентных связей.
Результаты компьютерного моделирования послужили основой для разработки рецептурных композиций мясопродуктов с молочными белково-уг-леводными препаратами.
ЛИТЕРАТУРА
ГЬеН Voityuk А.// .1. РЬуБ. 1996. № 100. Р. 616-626.
