Электрофизическое воздействие на белковое сырье

Особой формой существования химических соединений является полимерное состояние веществ. При этом они качественно отличаются от низкомолекулярных веществ в физикохимических проявлениях.

Главное место среди них занимают органические полимеры, у которых основная цепь молекул построена из четырех элементов (углерода, азота, кислорода, водорода). Ассортимент полимерных продуктов постоянно расширяется. Они по объему производства и потреблению значительно опережают производство и потребление

важных промышленных материалов – металлов и неорганических полимеров [1–3].

При этом основным требованием современной техники является разработка «умных» материалов, способных оперативно изменять комплекс физико-химических и технологических свойств полимеров при различных условиях их существования [4].

Главными полимерами среди органических веществ являются белки – незаменимые компоненты живой материи, относящиеся к классу полиэлектролитов. Они обладают особой сложностью строения и значительными размерами

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

своих макромолекул, а также высокой мобильностью при изменении внешних условий. Это облегчает создание органических веществ с новыми свойствами [5].

Характеристика казеина. Казеин (лат. caseus – сыр) – сложный белок (фосфопротеид), образующийся из предшественника казеина – казеиногена при створаживании молока. Его содержание в коровьем молоке составляет 75–87% от суммы всех белков (2,8–3,5%) [6]. Основное преимущество данного белка – мощный аминокислотный состав. В состав казеина с химической формулой C 81 H 125 N 22 O 39 P и молекулярной массой 24000 а.е.м., входят 8 важных для человека аминокислот [7].

Элементарный состав казеина (в%): углерод – 53,1; водород – 7,1; кислород – 22,8; азот – 15,4; сера – 0,8; фосфор – 0,8. Он широко используется в различных областях жизни. Казеин хорошо известен не только, как спортивная добавка к питанию спортсменов. Его активно применяют в медицинской практике [8]. Белки как полипептиды чувствительны к концентрации ионов водорода (рисунок 1).

Рисунок 1. Влияние рН среды на структуру макромолекул белка

Figure 1. The effect of the pH of the medium on the structure of protein macromolecules

Из рисунка 1 следует: при рН<7 на макромолекуле казеина имеются положительно заряженные аминогруппы (NH 3 ⁺); при pH=7 на макромолекуле белка одновременно находятся положительные (NH 3 ⁺) и отрицательные (СОО-) группы; при pH>7 имеются только отрицательные группы (СОО). Важным физикохимическим и технологическим свойством казеина и всех белковых соединений является изоэлектрическое состояние белка – наличие изоэлектрической точки белка (ИЭТБ). При этом состоянии (определенное значение рН) число отрицательных зарядов равно числу положительных, а рН определяют по известной формуле Михаэлиса [9]: рН=(рКк+рКо)/2, где рКк; рКо – это константы диссоциации белков по типу кислоты и основания соответственно.

Управление величиной ИЭТБ имеет важное практическое значение, т. к. она определяет многие физико-химические свойства белков: минимум вязкости и набухания, наименьшее осмотическое давление, максимальная скорость застудневания, способность связывать воду и др. [10–11].

Использование фуллерена. К наноматериа- лам, производимых из природного материала – шунгита и востребованных на практике, относятся наноуглеродные продукты – фуллерены разного строения (рисунок 2) [12].

Рисунок 2. Схема структуры фуллерена С 60

Figure 2. Diagram of the C 60 fullerene structure

Из рисунка 2 следует, что молекула угле- рода имеет замкнутую структуру, сочлененную из пятиугольников и шестиугольников. Это сложная сопряженная электрофильная структура, имеющая чередующиеся одинарные и двойные связи. Они могут при контакте с водой резко менять ее свойства. Его чистые образцы получают лазерным воздействием на графит [13–15].

Микроволны. Микроволны (МВ) имеют частотный диапазон электромагнитного излучения, расположенный в спектре между ультравы- сокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм, поэтому его называют так же диапазо- ном дециметровых или сантиметровых волн.

Поглощение электромагнитного поля водой в зависимости от частоты МВ представлено на рисунке 3 [16–18].

В настоящее время МВ – обработка применяется в качестве стимулирующего фактора, направленного на интенсификацию технологи- ческих процессов и повышение пищевой ценности сырья, полуфабрикатов и готовой продукции [19–23].

Частота, Гц | Frequency, Hz

Рисунок 3. Поглощение электромагнитного поля водой в зависимости от частоты МВ

Figure 3. Absorption of the electromagnetic field by water depending on the frequency of MV

Цель работы – управление изоэлектрическим состоянием белков на примере казеина за счет его взаимодействия с водой, содержащей примеси современного наноматериала – фуллерена, и с водой, предварительно обработанной микроволнами.

Материалы и методы

Объектами исследования являются: 1 – определение влияния фуллерена на ИЭТБ; 2-определение влияния микроволн на ИЭТБ.

Экспериментальные исследования проводили двумя способами: 1 – в качестве основного экспериментального приема выбран контакт дистиллированной воды с шунгитом (произведен по ТУ 1916–002–55154581–2009), содержащем наноматериал – фуллерен С60). Настаивание воды на шунгите проводили в течение 3-х суток; 2- использование воды, предварительно обработанной микроволнами с частотой 2.45 ГГц в течении 3 сек. Определение ИЭТБ казеина проведено фотометрически и визуально по стандартной методике, описанной в различных источниках [23]. Определение рН раствора с помощью рН-метра ЭВ-74.

Результаты и обсуждение

Подготовка воды с фуллереном. В результате контакта образуется гидратированный фуллерен С 60 – C 60 HyFn – это прочный, гидрофильный высокомолекулярный комплекс с размером 1,6–1,8 нм. В настоящее время, максимальная концентрация С 60 , в виде C 60 HyFn, которую удалось создать в воде, эквивалентна 4 мг/мл [25].

Определение ИЭТБ казеина. Опытные растворы были приготовлены из раствора казеина (10% от объема пробы), с добавкой ацетатного буфера. Для создания рН среды в интервале 2–6,5 использованы растворы уксусной кислоты и воды с примесью фуллерена. Созревание растворов после перемешивания проходило в течение 10 минут. Для каждого раствора с помощью рН-метра определяли величину рН и визуально прозрачность. Установлено, что коагуляция казеина (ИЭТБ) наблюдалась при значении рН=5,8 (стандартное значение области ИЭТБ составляет рН=4,6–4,7) [26–28]. Этот факт указывает на связывание излишних отрицательных зарядов на макромолекуле белка примесью фуллерена по схеме на рисунке 4.

Выявлено, что отрицательные заряды на макромолекуле казеина экранируются сопряженными системами фуллерена. При этом снижается доля отрицательного заряда в электростатическом балансе макромолекул и наблюдается повышенное значение ИЭТБ. Такое новое явление раннего осаждения белка в присутствии наноматериала – фуллерена имеет большую практическую значимость для ускоренного промышленного производства казеина и кисломолочных продуктов на его основе (творог, сыр).

Рисунок 4. Схема взаимодействия макромолекул белков с фуллереном

Figure 4. Diagram of the interaction of protein macromolecules with fullerene

Подготовка воды микроволнами. Микроволны (МВ) имеют частотный диапазон электромагнитного излучения, расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм, поэтому его называют так же диапазоном дециметровых или сантиметровых волн.

При воздействии электромагнитного излучения с водой происходит накапливание энергии в кластерной структуре до некоторого критического значения, затем происходит разрыв связей как между кластерами, так и других, происходит лавинообразное освобождение энергии, которая может затем трансформироваться в другие типы (рисунок 3). В случае биологических систем это может служить первичным механизмом сложных процессов. Из рисунка 3 следует, что при частоте волн 2.45х109 Гц наблюдается интенсивное поглощение водой энергии микроволн (эффект резонанса).

В настоящее время МВ – обработка применяется в качестве стимулирующего фактора, направленного на интенсификацию технологических процессов и изменения качества исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Определение ИЭТБ казеина. При обработке воды микроволнами наблюдается дополнительное растворение кислорода в воде с образованием примесей перекиси водорода с последующим ее разложением по реакциям:

О 2 + 2Н 2 О + 2е = Н 2 О 2

Н 2 О 2 +2е = 2ОН

Поэтому можно сделать вывод о появлении дополнительных количеств гидроксильных ионов в воде, обрабатываемой микроволнами. При этом происходит нейтрализация части положительных зарядов на макромолекуле белка по предлагаемой схеме (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема взаимодействия ОН – групп с молекулами белка

Figure 5. Diagram of the interaction of OH groups with protein molecules

Из рисунка 5 следует, что в проведенных испытаниях снижается положительный заряд в электростатическом балансе макромолекул и наблюдается пониженное (рН=3.2) значение ИЭТБ.

Такое новое явление позднего осаждения белка водой, обработанной МВ, имеет большую практическую значимость для промышленного производства восстановленного молока с повышенным сроком хранения без добавки консервантов.

Заключение

В результате проведенных исследований предложены альтернативные методы управления ИЭТБ при использовании современных наноматериалов и микроволновой обработки водной системы, что является основой интенсификации ряда промышленных производств.