Сравнение с денатурацией белков под давлением

Полученные в работе кривые инактивации микроорганизмов под давлением (рисунок 4.3 и 4.4) странным образом коррелируют с результатами экспериментов [124] с денатурацией белков под давлением (рисунок 4.7). Этот факт доказывает, что денатурация белков является ключевым данным механизма инактивации микроорганизмов и подтверждается допущение про химическую природу процесса инактивации.

Рисунок 4.7 – степень денатурации белка 33=kDa под давлением (за данными: Ruan K., Xu C., Li T. Et al. [124]) для разных концентраций сахарозы (указаны крайние значения)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Как задание комплексного экспериментального исследования общего действия факторов давления температуры и времени обработки решено на примере вишневого сока?

2. Какое давление является граничным для инактивации микроорганизмов и плесени?

3. Как сдвигает порог полной стерилизации увеличения температуры и времени обработки?

4. Как изменяется целостность витамина С при стерилизации высоким давлением относительно тепловой стерилизации?

5. Для чего необходимы модельные эксперименты на чистых растворах?

6. Влияет ли кислотность пищевых продуктов на инактивацию микроорганизмов и сохранность витаминов при обработке продуктов высоким давлением?

ЗАДАЧИ И ПРИМЕРЫ

1. По экспериментальным данным относительно влияния давления, температуры и времени обработки на содержание витамина С в вишневом соке, серии 1- 3, которые приведены в таблицах А.2, А.3, А.4, рассчитать средние значения и стандартные отклонения относительных концентраций витамина С в вишневом соке.

2. По экспериментальным данным относительно влияния давления, температуры и времени обработки числа КУО МАФАМ в вишневом соке, серии 1-3, которые приведены в таблицах А.5, А.6, А.7, рассчитать средние значения и стандартные отклонения относительных числе КУО МАФАМ в вишневом соке.

3. По экспериментальным данным относительно влияния давления, температуры и времени обработки числа КУО плесени в вишневом соке, серии 1-3, которые приведены в таблицах А.8, А.9, А.10, рассчитать средние значения и стандартные отклонения относительных числе КУО плесени в вишневом соке.

5.ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА МИКРООРГАНИЗМЫ

В предыдущем разделе были выполнены экспериментальные исследования совместного действия факторов Р,Т и t на концентрацию витамина С и некоторые микроорганизмы на примере обработки вишневого сока и яблочного пюре. Также исследовалась деградация витамина С под действием температуры и давления в средах с различной кислотностью.

В этом разделе полученные данные интерпретируются в рамках общих термодинамических принципов, для чего на основе экспериментальных данных рассчитываются параметры кинетической модели, строятся теоретические кривые, описывающие эксперимент в рамках линейной кинетической модели, оказывается связь между нелинейной кинетикой по наблюдению и адиабатическим нагревом, а также роль изменения кислотности при повышении давления и температуры. Обсуждается возможный микроскопический механизм действия давления на белки.

Предлагается способ оптимизации обработки продуктов и набор критериев для стандартизации этого процесса. Делаются выводы о механизме процессов, протекающих в биосистемах под действием высокого давления, температуры и измененной кислотности среды.

Физика деградации биосистем под действием давления

Любой пищевой продукт - природный, полученный в результате переработки каких-либо организмов, или искусственный, синтезированный с неживых компонентов - представляет собой комплекс очень сложных подсистем на разных уровнях организации. Для оптимизации процесса обработки, для выбора параметров действия (P, T и t) нужна математическая модель процесса, то есть способ предсказания реакции системы на тот или иной набор параметров действия. Построить подробную физическую модель такой сложной системы и рассчитать ее реакцию не представляется возможным. Однако можно попробовать пойти по пути параметризации и феноменологического описания усредненных характеристик поведения такой системы в условиях, близких к термодинамического равновесия.

Идея такой работы заключается в следующем: известно, что при высоких давлениях и температурах в любой системе возникают нарушения или изменения взаимодействий на молекулярном и межмолекулярном уровнях, регулируются общими термодинамическими соотношениями [60]. По диапазону давлений (0-800 МПа) и температур (20-80 °С), исследуется, следует говорить прежде всего о нарушениях в гидрофобных взаимодействиях, поляризационных силах, водородных связях, отвечающих за стабильность белков[97]. На следующем надмолекулярном или макромолекулярном уровне процессы протекают со скоростями гораздо меньше, чем скорости межмолекулярных процессов, объясняется, прежде всего, существенно большими массами этих структурных элементов. К этому уровню относятся различные возможные нарушения процессов метаболизма, нарушение клеточной структуры, полимеризация, кристаллизация и т.д. - все то, что определяет сложность и результирующую реакцию живых систем на внешнее воздействие [77] и не подвергается детальному моделированию. Будем считать, что денатурация белков, которая связана с нарушением или искажением межмолекулярных взаимодействий при высоких давлениях, является тем «узким местом», которое определяет результирующую реакцию биосистемы на высокое давление.

Исходя из сказанного, нужно описывать кинетику реакции биосистемы на воздействие высокого давления и температуры феноменологически с помощью таких параметров, как активационный барьер реакций, изменение молярного объема и тому подобное. При этом конкретные детали строения микроорганизмов или молекул можно не рассматривать, поскольку задача состоит не в описании деталей процесса инактивации какого-либо микроорганизма, деградации какого фермента или витамина, а в определении термодинамических параметров и внешних условий, при которых нарушения химического равновесия на межмолекулярном уровне приводят к нарушению целостности или функционирования системы в целом.

Как показывает анализ литературы (тема 1), принято считать, что сжатие инактивирует бактерии путем изменения белков, ответственных за воспроизведение, целостность и метаболизм. Высокое давление не может разрушить ковалентные связи, однако способно модифицировать водородные и ионные связи, отвечающие за сохранение белков в их биологически активной форме. Именно особенностям денатурации белков приписывают обычно большое расхождение в сопротивляемости к высоким давлениям в различных биологических структур [53]. Давно отмечена устойчивая параллель между действием тепла и давления на активацию и инактивацию белков (тема 2), обусловлена той же природой этих факторов - давления как усредненной скорости передачи импульса молекул, колеблются, и температуры как средней кинетической энергии этих колебаний.