CC BY
104
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 637.52
А. А. Борисенко, А. А. Брацихин, Л. А. Сарычева, А. А. Борисенко, Д. С. Гайдо
Borisenko A. A., Bratsikhin A. A., Sarycheva L. A., Borisenko A. A., Guido D. S.
РЕАЛИЗАЦИЯ НОВЫХ НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНЫХ
БЕЛКОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЯСОПРОДУКТОВ
IMPLEMENTATION OF NEW SCIENTIFIC APPROACHES DURING THE STUDY THE FUNCTIONAL PROPERTIES OF VEGETABLE PROTEINS FOR MEAT PRODUCTION
Представлен анализ результатов молекулярного моделирования фрагмента молекулы глицинина в различных дисперсионных средах. Выявлены особенности взаимодействия молекулы белка с электрохимически активированной водой, позволяющие регулировать его функциональные свойства.
Ключевые слова: соевый белок, глобулин, функциональные свойства, электрохимически активированная вода, электростатический потенциал.
Presents an analysis of the results of molecular modeling of a fragment of the glycinin molecule in various dispersion media. Revealed the peculiarities of the interaction of the protein molecule to the electrochemically activated water which allow to regulate the its functional properties.
Key words: soy protein, 11S globulin, functional properties, electrochemically activated water, electrostatic potential.
Борисенко Александр Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный
университет»
г. Ставрополь;
доцент кафедры товароведения и технологии общественного питания
АНО ВО «Белгородский университет кооперации, экономики и права»
Ставропольский институт кооперации (филиал) г. Ставрополь Тел.: 8-918-772-48-77 E-mail: [email protected]
Брацихин Андрей Александрович -
доктор технических наук, заведующий кафедрой
технологии машиностроения
и технологического оборудования
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский
федеральный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652)94-41-40
E-mail: [email protected]
Сарычева Людмила Александровна -
доктор технических наук, ведущий научный
сотрудник института повышения квалификации
научно-педагогических кадров
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский
федеральный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-864-65-50
Borisenko Aleksandr Alekseevich -
Ph. D. of technical Sciences,
Docent of Department of Technology of mechanical
engineering and process equipment
FSAEI HE «North Caucasian Federal University»
Stavropol;
Docent of Department of Commodity Research
and Technology Catering
ANO HE «Belgorod University of cooperation,
еconomics and law» Stavropol Institute
of cooperation (branch)
Stavropol
Tel.: 8-918-772-48-77 E-mail: [email protected]
Bratsikhin Andrey Aleksandrovich -
Doctor of technical Sciences, Head of Department of Technology of mechanical engineering and process equipment FSAEI HE «North Caucasian Federal University» Stavropol
Tel.: 8(8652)94-41-40 E-mail: [email protected]
Sarycheva Lyudmila Aleksandrovna -
Doctor of technical Sciences,
Leading Researcher of Institute for training
scientific and pedagogical personnel
FSAEI HE «North-Caucasian Federal University»
Stavropol
Tel.: 8-918-864-65-50
Борисенко Алексей Алексеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Ставрополь Тел.: 8-918-864-65-45 E-mail: [email protected]
Borisenko Alexey Alekseevich -
Doctor of technical Sciences,
Professor of Department of Technology of mechanical
engineering and process equipment
FSAEI HE «North Caucasian Federal University»
Tel: 8-918-864-65-45
E-mail: [email protected]
в
естник АПК
Ставрополья
! № 1(25), 2017
Гайдо Дарья Сергеевна -
магистрант кафедры технологии
машиностроения и технологического оборудования
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский
федеральный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652)94-41-40
E-mail: [email protected]
Агроинженерия
Guido Daria Sergeevna -
master student of Department of Technology of mechanical engineering and process equipment FSAEI HE «North-Caucasian Federal University» Stavropol
Tel.: 8(8652)94-41-40 E-mail: [email protected]
5
Высокая пищевая ценность сои и развитые технологии белковых продуктов её переработки (изолятов, концентратов и соевой муки) обеспечили их широкое применение в пищевой промышленности [1, 2]. При производстве мясопродуктов важную роль играет решение проблем, связанных с регулированием таких функциональных свойств растительно-белковых продуктов, как растворимость, вязкость, влагосвязывающая, эмульгирующая и гелеобразующая способность. Основные направления в их решении заключаются в выборе оптимальных физико-химических и термодинамических параметров обработки, применении биотехнологических методов и физических воздействий [3, 4, 5].
Целью работы являлось исследование влияния электрохимически активированной (ЭХА) воды (католита и анолита) [6] на функциональные свойства основных белков сои путем молекулярного моделирования и квантово-химического анализа механизма взаимодействий молекул белка с различными видами дисперсионной водной среды.
Известно, что функциональность соевого белка определяют 11S и 7S глобулины, общее содержание которых составляет более 80 % суммарных белков, а соотношение между ними обычно составляет 2:1 [7, 8]. Четвертичные структуры 11S и 7S глобулинов белков зернобобовых несколько отличаются друг от друга, однако установлено, что они имеют общее происхождение и схожие молекулярные свойства [8]. Поэтому можно полагать, что результаты представленных в настоящей статье квантово-химических расчетов будут характерными для молекул вышеуказанных фракций белков.
На основе результатов анализа международного банка данных Protein Data Bank [9] методом компьютерного моделирования с использованием программного пакета VMD (Visual
Molecular Dynamics) [10], а также в соответствии с результатами рентгеноструктурных исследований [8] установлено, что для молекулы 11S глобулина (глицинина) характерна гексамер-ная четвертичная структура, образуемая соединением двух тримеров. В связи с большим размером рассматриваемой молекулы (площадь поверхности, доступной растворителю, каждого триммера равна 10600 Á2 [8]) ее основные свойства исследовали на основе субъединицы А3В4 [9], состоящей из двух протомеров.
Для изучения характера и свойств исследуемой субъединицы молекулы 11S глобулина с помощью инструментария комплекса программ VMD и NAMD (Nanoscale Molecular Dynamics) она помещалась в центр водного бокса с различными видами дисперсионной среды. Затем выполнялась ее геометрическая оптимизация и, с применением метода молекулярной динамики, проводилось моделирование взаимодействий компонентов системы при температуре 293 К.
В результате проведенного компьютерного эксперимента на поверхности молекулы 11S глобулина установлены выраженные отрицательно и положительно заряженные области, которые, выступая в роли ее активных центров в водных растворах, определяют степень ги-дратационной способности белка [11, 12]. Наличие визуализированных гидрофильных и гидрофобных участков, установленное для исследуемой субъединицы, и позволяет молекулам 11S глобулина адсорбироваться на границе раздела фаз «жир-вода» с образованием слоя гелеобразной структуры, тем самым проявляя эмульгирующую способность и другие функциональные свойства белка.
Сравнительный анализ распределения электростатического потенциала на поверхности фрагмента молекулы 11S глобулина в различных видах водной дисперсионной среды проводили на основе расчета площадей пятен, образованных областями с различными значениями потенциала (табл.).
Таблица - Характеристика распределения электростатического потенциала на поверхности фрагмента молекулы 11S глобулина в различных видах водной дисперсионной среды
Интервал значений потенциала Расчетная площадь областей с различными значениями потенциала, Ä2 Изменение площади областей в ЭХА воде, % от общей площади
Питьевая вода (pH 7) Анолит (pH 3) Католит (pH 11) Анолит (pH 3) Католит (pH 11)
[1, 2656,81 3202,56 1810,06 + 7,72 -11,98
(-1; +1) 1836,73 1579,90 792,81 -3,63 -14,77
-1] 2573,13 2284,21 4463,80 -4,09 + 26,75
6
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
70
5S
! 60 Ю СП
о 50
н s
° g 40
^ я
* § 30
g с
Ц 20
о
гЗ 10
0
Области со значением потенциала в интервале:
■(-1; +1)
II [1, +да)
■ (-да; -1]
питьевая вода
анолит католит
Рисунок - Диаграмма распределения электростатического потенциала на поверхности фрагмента молекулы 11S глобулина
Известно, что для дальних взаимодействий, к которым относятся кулоновские, вогнутые и выпуклые поверхности аппроксимируются их проекциями на плоскость, перпендикулярную указанному направлению [13]. Поэтому площади областей определяли как площади их проекции на соответствующую плоскость системы координат. Для каждой области система координат выбиралась так, чтобы площадь проекции пятна на нее была наибольшей.
В результате проведенных расчетов (см. табл.) установлены значительные изменения в распределении электростатического потенциала фрагмента молекулы 11S глобулина в ЭХА воде по сравнению с питьевой водой. Это отражено на форме и размерах областей с различными значениями потенциала. В ЭХА воде зафиксировано изменение соотношения заряженных областей - увеличение доли положительно заряженных в анолите (в 1,2 раза) и отрицательно заряженных в католите (в 1,7 раза). При этом в исследуемых фракциях ЭХА воды установлено снижение площади областей со значением потенциала, близким к нулю - на 3,63 % в анолите и 14,77 % в католите (по отношению к общей площади поверхности исследуемой субъединицы, рис.).
Представленные результаты позволяют на молекулярном уровне прогнозировать повышение гидратационной способности 11S глобулина под влиянием ЭХА воды за счет увеличения площади активных центров на поверхности молекулы белка, подвергающихся в водных растворах атакам электрофильных и нуклеофильных агентов. Кроме того, установленное повышение гидрофильности поверхности молекул 11S глобулина в ЭХА воде (в большей степени в ка-толите) должно способствовать их расположению в белково-жировых эмульсиях вокруг капелек дисперсной фазы большей частью своей поверхности с внешней стороны, что препятствует коалесценции и является фактором стабилизации эмульсий [11].
Представленные результаты исследований позволяют утверждать, что за счет направленного изменения общего среднего заряда молекул белков и увеличения количества активных центров с различной электронной плотностью, путем применения ЭХА воды в качестве дисперсионной среды, можно повысить гидрата-ционную способность белков зернобобовых культур и оказать существенное влияние на стабильность получаемых на их основе белково-жировых эмульсий.
Литература
1. Пищевая биотехнология: научно-практические решения в АПК / А. И. Жаринов, И. Ф. Горлов, Ю. Н. Нелепов, Н. А. Соколова. Волгоград : Волгоградское научное издательство, 2009. 542 с.
2. Лисицын А. Б. Перспектива развития пищевой биотехнологии // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. 2013. № 1. С. 13-17.
3. Влияние белково-жировой композиции на свойства фаршевых мясных систем / Е. И. Титов, В. Н. Леонова, С. К. Апраксина, Л. Ф. Митасева, Е. В. Литвинова // Мясные технологии. 2014. № 4 (136). С. 69-72.
4. Шаззо Р. И., Касьянов Г. И. Функциональные продукты питания. М. : Колос, 2010. 248 с.
References
1. Food biotechnology: scientific-practical solutions in AIC / A. I. Zharinov, I. F. Gorlov, Yu. N. Nelepov, N. A. Sokolova. Volgograd : Volgograd scientific publishing, 2009. 542 p.
2. Lisitsyn A. B. Future development of food biotechnology // Technology for the food and processing industry of AIC - healthy food. 2013. № 1. P. 13-17.
3. The influence of protein-fat composition on the properties of the meat systems / E. I. Titov, V. N. Leonova, S. K. Apraksina, L. F. Mitaseva, E. V. Litvinova // Meat technology. 2014. № 4 (136). P. 69-72.
4. Shazzo R. I., Kasyanov G. I. Functional foods. M. : Kolos, 2010. 248 p.
в
естник АПК
Ставрополья
;№ 1(25), 2017
Агроинженерия
7
5. Омаров Р. С., Сычева О. В. Способы интенсификации реструктурирования при производстве ветчины // Мясной ряд. 2014. № 3. С. 32-38.
6. Современные тенденции в области направленного регулирования свойств пищевого сырья и производства безопасных продуктов питания нового поколения / А. А. Брацихин, А. А. Борисенко, Л. А. Бо-рисенко, В. И. Огнев // НаукаПарк. 2010. № 1 (1). С. 81-85.
7. Изменение молекулярных параметров гли-цинина под действием ограниченного про-теолиза папаинов / А. В. Поляков, А. Н. Да-ниленко, А. В. Кривандин, С. В. Рудаков,
A. С. Рудакова, А. Д. Шутов, И. Г. Плащи-на, Г. Е. Заиков, О. Н. Кузнецова // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 9. С. 184-189.
8. Crystal structure of 11S globulin: glycinin A3B4 homohexamer / М. Adachi, J. Kanamori, Т. Masuda, К. Yagasaki, К. Kitamura,
B. Mikami, S. Utsumi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. Vol. 100. P. 7395-7400.
9. Международный банк данных пространственных структур белков и нуклеиновых кислот «Protein Data Bank», 2013-2017. URL: http://www.wwpdb.org (дата обращения: 10.11.2016).
10. VMD User's Guid. Theoretical and Computational Biophysics Group, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois at Urbana-Champaign. 2014. 260 p.
11. Андрианов А. М. Конформационный анализ белков: теория и приложения. Минск : Белорусская наука, 2013. 518 с.
12. Брацихин А. А., Борисенко А. А., Борисенко Л. А. Молекулярное моделирование процесса кавитационной дезинтеграции растворов NaCl // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 9. С. 10-13.
13. Электростатический вклад во взаимодействие некоторых белков с полиэлектролитами / Е. А. Сабурова, Ю. Н. Дыбовская, В. С. Сивожелезов, Л. И. Елфимова // Биофизика. 2005. Т. 50, № 3. С. 423-433.
5. Omarov R. S., Sycheva O. V. Ways of intensification of restructuring in the production of ham // Meat ryad. 2014. № 3. P. 32-38.
6. Modern trends of the directed regulation of properties of food raw materials and the production of safe food products of new generation / A. A. Bratsikhin, A. A. Borisenko, L. A. Borisenko, I. V. Ognev // NaukaPark. 2010. № 1 (1). P. 81-85.
7. Changes of molecular parameters glycinin under the influence of limited proteolysis of papainov / A. V. Polyakov, A. N. Danilenko, A. V. Krivandin, S. V. Rudakov, A. S. Rudakova,
A. D. Shutov, I. G. Plashina, G. E. Zaikov, O. N. Kuznetsova // Bulletin of Kazan State Agrarian University. 2013. T. 16, № 9. P. 184-189.
8. Crystal structure of 11S globulin: glycinin A3B4 homohexamer / M. Adachi, J. Kanamori, T. Masuda, K. Yagasaki, K. Kitamura,
B. Mikami, S. Utsumi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. Vol. 100. P. 7395-7400.
9. International database of 3D structures of proteins and nucleic acids «Protein Data Bank», 2013 - 2017. Available at: http:// www.wwpdb.org (Accessed 10.11.2016).
10. VMD User's Guid. Theoretical and Computational Biophysics Group, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois at Urbana-Champaign. 2014. 260 p.
11. Andrianov A. M. Conformational analysis of proteins: theory and applications. Minsk : Belarusian science, 2013. 518 p.
12. Bratsikhin A. A., Borisenko A. A., Borisenko L. A. Molecular modeling of the process of cavitation disintegration of NaCl solutions // Storage and processing of agricultural products. 2009. № 9. P. 10-13.
13. Electrostatic contribution to the interaction of some proteins with polyelectrolytes / E. A. Saburova, Yu. N. Dybowskaya, V. S. Sivozhelezov, L. I. Elfimova // Biophysics. 2005. T. 50, № 3. P. 423-433.
