CC BY
67
Нагдалян А.А.1, Оботурова Н.П.2 ©
Аспирант; 2к.т.н., доцент кафедры «Технологии мяса и консервирования», Северо-Кавказский федеральный университет
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА НА ГИДРАТАЦИЮ
БИОПОЛИМЕРОВ
Аннотация
В данной статье рассматривается возможность использования разрядно-импульсных технологий в пищевой промышленности с целью повышения гидратации биополимеров и улучшения физико-химических свойств продуктов. Приводится информация о свойствах воды и способах ее связи с молекулами белков. Также приведены результаты исследования влияния разрядно-импульсной обработки мясного сырья в рассоле на диаметр мышечных волокон. Сделаны выводы об интенсификации гидратации белков и перспективе использования электрогидравлического эффекта в производстве пищевых продуктов.
Ключевые слова: гидратация, разрядно-импульсные технологии, электрогидравлический эффект, гидравлические давления.
Keywords: hydration, the technology of pulsed discharge, electrohydraulic effect, hydraulic pressures.
В настоящее время установлено, что вода является неотъемлемым участником всех биологических процессов на Земле. Структура и подвижность воды составляет основу подвижности всех других компонентов живых систем. Среднее весовое содержание воды в клетках млекопитающих составляет 70-75%;на долю белков приходится 18%, а на все остальные компоненты живой клетки - 12%. [5, 22]
Вода является основным технологическим ресурсом многих химических, пищевых и других различных технологий.
Молекула воды обладает дисимметрией: кислородная часть молекулы имеет отрицательный заряд, а водородная - положительный. Они смещены относительно друг друга, поэтому молекула воды является электрическим диполем и, в тоже время, обладает магнитным моментом. Наличие пространственной асимметрии позволяет молекуле воды, связываясь между собой различным образом, образовывать весьма сложные и разнообразные стабильные структуры - кластеры.
Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кисло -род и водород. Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода) [1,96].
Вода может связываться с растворенными в ней веществами и с поверхностью биополимер -ных макромолекул с помощью сил ион-дипольного взаимодействия и водородных связей, сущность которых состоит во взаимодействии атома водорода одной молекулы с электронной парой атома кис -лорода другой молекулы [6,36]. Электроны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку на них создаются два положительных полюса. При этом атом водорода становится одновременно связанным с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атом водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является очень хорошим растворителем. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягиваются к атомам водорода, а отрицательно заряженные - к атомам кислорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, большое количество молекул воды могут окружить каждую молекулу растворимого вещества.
Энергия водородной связи в димере воды составляет 0,2 эВ, что всего на порядок больше, чем характерная энергия теплового движения при температуре 300 К. В то же время энергия ковалентной O-H связи в 200 раз больше тепловой энергии. Таким образом, водородные связи относительно слабы
© Нагдалян А.А., Оботурова Н.П., 2012 г.
и неустойчивы: предполагается, что они могут легко возникать и исчезать в результате тепловых флуктуаций. Это, в частности, приводит к тому, что вода должна рассматриваться не как «простая», а как «связанная жидкость». Вода представляется как сеть молекул, соединённых водородными связями [1,98].
В данных условиях наиболее перспективно исследование динамики и структуры связанной воды в легко выделяемых гидратированных биологических объектах, в том числе белковых биополи -меров.
Все белки представляют собой линейные полимеры аминокислот, содержащих амино-, алкил-и карбоксильную группу. В глицине алкильная группа включает углерод (называемый также альфа-углерод) и два протона. В других аминокислотах вместо одного из протонов алкильной группы фигурирует органический радикал, например, метил. В живых организмах встречается девятнадцать различных вариантов этих радикалов. Следовательно, существует всего двадцать (вместе с глицином) аминокислот, из которых строятся белки. Полимеризация аминокислот происходит за счет образования так называемой пептидной связи между атомом углерода карбоксильной группы одного аминокислотного остатка с аминогруппой другого остатка [5,18].
Таким образом, если не принимать в расчет радикалов, в белках на каждый аминокислотный остаток приходится два центра, способных связывать воду: атом кислорода карбоксильной группы -акцептор Н-связей и аминогруппа - донор Н-связей с молекулами воды. Если учесть еще радикалы, то среди них десять из встречающихся вариантов состоят только из гидрофобных радикалов - ме -тильных, алкильных, фенильных. В пяти радикалах содержатся как атомы кислорода, так и гидрок-сильные группы, т.е. как доноры, так и акцепторы Н-связей. Наконец, в составе семи радикалов со -держится только гидроксил и в одном - атом кислорода. В свою очередь доноры и акцепторы Н-свя -зей на поверхности белковой молекулы играют фундаментальную роль: Н-связи обеспечивают определенную пространственную конфигурацию макромолекулы, существенную для ее функционирования. Тем не менее, часть адсорбционных центров может оставаться открытой для молекулы воды [1, 244].
Ввиду большого разнообразия аминокислотного состава белков и их конкретных конфигураций количество и характер подобных центров априори предсказать очень сложно. Вокруг гидрофильных и гидрофобных групп в воде возникают различные типы гидратационных оболочек. Около гидрофобных групп, не способных к участию в водородных связях, выстраивается ажурная ячейка из молекул воды, связанных только друг с другом, образуя клатраты, или клеточные гидраты.
Если аминокислотный остаток несет электростатический заряд или взаимодействует с молекулами воды как донор или акцептор водородной связи, то вокруг него образуется более плотный слой гидратационной воды. Дипольные моменты молекул воды в этом слое ориентированы под действием локального электростатического поля гидратируемой группы. Ионизация карбоксильной или аминогруппы аминокислот приводит к изменению типа гидратации от клатратного до гидратно -го, что отображается в системе водородных связей ближайшего окружения.
Одним из важнейших параметров воды является ее «заряд»- окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). ОВП является интегральным показателем, отражающим структуру и биологическую активность воды, и может быть различным, даже при одном и том же значении рН. Этот по -казатель является характеристикой меры химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах.
Разрядно-импульсная обработка воды позволяет изменить структуру воды и ее окислительно-восстановительный потенциал за счет интенсивной ионизации. Как правило, такая вода имеет отрицательное значение окислительно-восстановительного потенциала и способность сохранять свои свойства в течение 7 дней. Поэтому, вода, обработанная низкотемпературным плазменным разрядом, оказывает очень сильное влияние на различные биологические системы.
Использование активированной высоковольтными электрическими импульсами воды способствует увеличению катионной проницаемости мембран клетки вследствие фазового перехода компо -нентов мембраны, приводящего к образованию белковых кластеров, вытесняющих полярные боковые цепи аминокислот на поверхность мембраны. Если в процессе гидратации в обрабатываемой воде растворить консервант, например, поваренную соль, то она полностью диссоциирует на ионы и будет прочно связана в образующихся сольватных оболочках белка. Это приводит к увеличению содержания связанной воды и возрастанию пассивного и активного транспорта ионов в примембранной об -ласти.
При создании внутри объема жидкости специально сформированного импульсного высоковольтного электрического разряда, вокруг зоны его образования возникает сложный комплекс физи-
ческих и химических явлений: высокие и сверхвысокие гидравлические давления, кавитационные процессы, световое излучение канала разряда, ионизация и разложение молекул вещества в плазме канала и возле него, интенсивные ультрафиолетовое и ультразвуковое излучение, импульсное магнитное поле и т.д. В совокупности эти процессы образуют электрогидравлический эффект и приводят к самым разнообразным физико-химическим изменениям самой жидкости и тех объектов, которые находятся в ней [3, 246].
Интенсивная гидратация протеинов дает значимый экономический эффект. Согласно учению академика В.И. Вернадского, связанная в результате реакции гидратации вода становится неотъемлемой частью белков, то есть естественным образом увеличивает их массу, поскольку соединяется с ними благодаря действию механизмов, аналогичных тем, которые имеют место в живой природе в процессе их синтеза [6, 37].
С целью исследования влияния электрогидравлического эффекта на гидратацию белков мышечной ткани была произведена разрядно-импульсная обработка вырезанного из тазобедренной части говядины мясного сырья в рассоле с концентрацией хлористого натрия 7%. Обработка проводилась в следующем режиме: уровень запасаемой энергии - 1,81 кДж, напряжение - 9,5 кВ, емкость конденсаторных батарей - 40 мкФ, период заряда конденсаторной батареи - 1 с (частота разряда 1 Гц), количество импульсов: 100 (образец №1), 200 (образец №2) и 300 (образец №3).
Согласно результатам гистологического исследования, приведенных в таблице 1, разряд -но-импульсная обработка оказала значительное влияние на диаметр мышечных волокон опытных об -разцов мясного сырья.
Таблица 1.
Диаметр мышечных волокон контрольного и опытных образцов
№ п/п Контрольный образец, мкм Опытные образцы, мкм
№1 (100 имп) №2 (200 имп) №3 (300 имп)
1 21,182 32,437 27,718 34,969
2 17,061 26,307 34,607 33,388
3 14,438 28,435 33,613 29,313
4 10,394 21,994 26,296 21,272
5 13,716 24,064 29,952 22,801
6 11,985 30,819 18,349 27,455
7 23,243 31,944 21,523 39,137
8 18,353 36,144 25,731 24,286
9 18,353 23,544 27,718 25,210
10 19,946 30,299 20,446 32,087
11 18,764 41,211 29,032 27,269
12 20,168 28,248 20,056 25,336
13 19,978 34,031 21,099 29,594
14 14,700 28,682 21,680 33,312
15 22,379 26,374 27,100 34,419
Среднее значение 17,392 29,443 25,661 29,329
СКО 4,965 7,972 3,289 2,967
На рисунке 1 представлена динамика изменения толщины мышечных волокон в зависимости от интенсивности разрядно-импульсного воздействия (гистограмма).
12 3 4
Исследуемые образцы
Рисунок 1- Динамика изменения толщины мышечных волокон контрольного и опытных образцов.
Качество мясных продуктов напрямую зависит от состояния белков мышечной ткани и связи их с водой. Белковый состав мышечной ткани довольно сложен. В соответствии со структурой мы -шечного волокна белки подразделяются на саркоплазматические, миофибриллярные, белки ядер и сарколемм [2,16]. В общей сложности мышечная ткань представлена в разном соотношении 27 белками. Большинство из них имеют высокомолекулярное строение и содержат более 100 аминокислотных остатков, что предполагает высокий водосвязывающий потенциал.
Ударные гидравлические давления и кавитационные процессы захлопывания парогазовых пузырьков выводят воду из термодинамического равновесия, дезинтегрируя ее. Например, вода комнатной температуры после дезинтеграции ее кластерной структуры, образованной водородными связями молекул между собой, на время релаксации этого термодинамически неравновесного состояния при -обретает такую растворяющую способность, какой в условиях равновесия она обладает при +80°С. [6,37] Это исключительно важно для процессов гидратации сырья в пищевой и перерабатывающей промышленности и позволяет предотвратить микробиологическую порчу его самого и продуктов из него меньшим количеством консервантов, связать максимальное количество воды в сольватных оболочках биополимеров без риска их термической или химической денатурации, химического и микробиологического загрязнения. Бактерицидное действие кавитации прямо пропорционально энергии разряда, частоте пробоев или продолжительности обработки. Воздействие кавитации на водные растворы сводится к расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Действие кавитации на воду приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации моле -кул [4, 18].
Высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, возникающие при пробое разряда в рассоле, приводят к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями вследствие развития и схлопывания кавитационных полостей. Ударные перемещения жидкости способствуют возникновению микроразрывов мышечной ткани и, как следствие, ее разрыхлению. Разрыхление морфологической структуры мяса повышает значение коэффициента диффузии посолочных веществ. Помимо высоких и сверхвысоких гидравлических давлений, возникающих во время образования ударной волны и захлопывания парогазовых пузырьков, электрогидравлический эффект характеризуется мощным комплексным воздействием на жидкость и помещенные в нее объекты. Мощные электромагнитные поля (десятки тысяч эрстед) оказывают сильное влияние на ионные процессы, протекающие в рабочей жидкости. Многократная ионизация соединений и элементов, содер -жащихся в рассоле, приводит к возрастанию гидратации белков, т.е. к повышению ВСС мышечной ткани. Ультразвуковые колебания, сопровождающие электрогидравлический эффект, дополнительно диспергируют компоненты рассола, тем самым увеличивая площадь контакта с сырьем. Ультрафиолетовое излучение в определённом спектре длин волн (181 и 254 нм) оказывает бактерицидное воздействие на находящуюся в воде и на сырье микрофлору. Дезинфицирующие свойства такого света обусловлены их действием на клеточный обмен и, особенно, на ферментные системы бактериальной клетки. При этом бактерицидный свет уничтожает не только вегетативные, но и споровые формы бактерий.
Интенсификация реакций гидратации позволяет уменьшить количество, либо вовсе исключить из продуктов питания пищевые фосфаты, которые используются для искусственного связывания влаги, что во многом решает проблемы избыточного веса и нормализации обмена веществ в организ -ме человека.
В итоге посредством высоковольтного импульсного воздействия можно производить устойчивые к микробиологической порче продукты питания с большим выходом и пониженным содержанием пищевых добавок.
Литература
1. Габуда С.П. Связанная вода. Факты и гипотезы. -Новосибирск, изд. «Наука», -157с.: 1982г.
2. Куликова В.В., Постников С.И., Оботурова Н.П. Физико-химические и биохимические основы производства мяса и мясных продуктов. - Ставрополь: Бюро новостей, 2011. -260с.
3. Нагдалян А.А., Оботурова Н.П. Разрядно-импульсные технологии как способ интенсификации процесса посола мясопродуктов/ А.А.Нагдалян, Н.П. Оботурова// Материалы V международной научно-практической конференции "Инновационные направления в пищевых технологиях" г.Пятигорск.- 2012.- с.245-247
4. Сытник И.А. Электрогидравлическое действие на микроорганизмы. -К, Здоровья: 1982, -94с.
5. Шатаева Л.К., Хавинсон В.Х., Ряднова И.Ю. Пептидная саморегуляция живых систем (факты и гипотезы). - СПб.: Наука, 2003, 222с.
6. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности // Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 2003.- с.35-37
