Коагуляция (от лат. Coagulatio — свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.
Свёртывание крови — это важнейший этап работы системы гемостаза, отвечающий за остановку кровотечения при повреждении сосудистой системы организма. Совокупность взаимодействующих между собой весьма сложным образом различных факторов свёртывания крови образуют систему свёртывания крови.
Свёртыванию крови предшествует стадия первичного сосудисто-тромбоцитарного гемостаза . Этот первичный гемостаз почти целиком обусловлен сужением сосудов и механической закупоркой агрегатами тромбоцитов места повреждения сосудистой стенки. Характерное время для первичного гемостаза у здорового человека составляет 1-3 мин. Собственно свёртыванием крови (гемокоагуляция, коагуляция, плазменный гемостаз, вторичный гемостаз) называют сложный биологический процесс образования в крови нитей белка фибрина, который полимеризуется и образует тромбы, в результате чего кровь теряет текучесть, приобретая творожистую консистенцию. Свёртывание крови у здорового человека происходит локально, в месте образования первичной тромбоцитарной пробки. Характерное время образования фибринового сгустка — около 10 мин. Свертывание крови — ферментативный процесс.
Коагуляция (свёртывание) — самопроизвольный процесс, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией. Однако такой переход затруднен, а иногда практически невозможен, если система агрегативно устойчива, т. е. способна противостоять укрупнению (агрегированию) частиц. Защитой от Коагуляция (свёртывание) при этом может быть электрический заряд и (или) адсорбционно-сольватный слой на поверхности частиц, препятствующий их сближению. Нарушить агрегативную устойчивость можно, например, повышением температуры (термокоагуляция), перемешиванием или встряхиванием, введением коагулирующих веществ (коагулянтов) и др. видами внешнего воздействия на систему. Минимальная концентрация введенного вещества, электролита или неэлектролита, вызывающая Коагуляция (свёртывание) в системе с жидкой дисперсионной средой, называется порогом коагуляции. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией , а разнородных — гетерокоагуляцией или адагуляцией .
Основоположником современной физиологической теории свертывания крови является Александр Шмидт . В научных исследованиях 21-го века, проведённых на базе Гематологического научного центра под руководством Ф. И. Атауллаханова , было убедительно показано, что свёртывание крови представляет собой типичный автоволновой процесс, в котором существенная роль принадлежит эффектам бифуркационной памяти.
Для выделения сывороточных белков необходимо изменить нативную структуру белка. При этом изменении (денатурации) нарушается его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развертывается. Процесс сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая глобула в процессе денатурации становится менее устойчивой.
Устойчивость глобул белков молочной сыворотки обусловлена конформацией частиц, зарядом и наличием гидратной оболочки (сольватного слоя). Для выделения белков необходимо нарушить равновесие трёх или хотя бы двух указанных факторов устойчивости .
В свежей молочной сыворотке белковые частицы находятся в нативном состоянии. При изменении нативного состояния белка (денатурации) прежде всего нарушается его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развёртывается, для чего необходимо нарушить от 10 до 20% связей, участвующих в ее образовании. Процесс денатурации сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая глобула в результате денатурации становится менее устойчивой.
Для преодоления потенциальных барьеров устойчивости белковых частиц можно применять различные способы денатурации: нагревание, облучение, механическое воздействие, введение десольватирующих веществ, окислителей и детергентов, изменение реакции среды. Введение в растворы некоторых веществ способствует тепловой денатурации .
Классификация методов коагулирования сывороточных, рассматриваемых в данной работе, представлена на схеме (рис. 3).
Рис. 3.
В конечном счете, к выделению белков приводят вторичные явления после денатурации, такие как ассоциация развернувшихся глобул и химическое изменение их. Здесь на первый план выступает образование межмолекулярных связей и агрегация в противоположность внутримолекулярным процессам, происходящим при денатурации.
В целом процесс выделения белков молочной сыворотки можно охарактеризовать как коагуляцию.
С учетом целесообразности извлечения и использования белков коагуляцию сывороточных белков необходимо закрепить во избежание процесса ренатурации (восстановления нативной структуры белков), а также максимально возможного ограничения распада образующихся агрегатов.
Однако следует учитывать, что в результате тепловой денатурации кроме разрыва водородных связей белковой частицы происходит их дегидратация, что облегчает последующую агрегацию белковые частиц. Ионы-коагулянты (кальций, цинк, и др.), активно сорбируясь на поверхности белковой частицы, обеспечивают коагуляцию, а при значительных дозах могут привести к высаливанию белков.
Система свертывания состоит из ферментов свертывания, неферментативных белковых кофакторов и ингибиторов свертывания. Целью работы этой системы является образование фермента тромбина, ответственного за превращение фибриногена в фибрин.
Факторы свертывания крови
1. Ферменты , являются сериновыми протеазами (кроме фактора XIII):
- фактор II – протромбин,
- фактор VII – проконвертин,
- фактор IX – антигемофильный глобулин В или фактор Кристмаса,
- фактор X – фактор Стюарта-Прауэра,
- фактор XI – антигемофильный глобулин С или фактор Розенталя,
- фактор XIII – фибринстабилизирующий фактор или фактор Лаки-Лоранда.
2. Белки-кофакторы , не обладающие протеолитической активностью. Роль этих белков заключается в связывании и закреплении ферментативных факторов на мембране тромбоцитов:
- фактор V – проакцелерин, является кофактором фактора Xа,
- фактор VIII – антигемофильный глобулин А, является кофактором фактора IXа,
- фактор Виллебранда.
- высокомолекулярный кининоген (ВМК, фактор Фитцжеральда-Флюже) – кофактор ф.XII и рецептор прекалликреина. Необходимо иметь в виду, что по новой клеточной теории эти белки относятся к системе фибринолиза.
3. Структурный белок тромбообразования – фактор I (фибриноген ).
Тромбин (фактор II)
Тромбин, ключевой фермент гемостаза, является сериновой протеазой . В печени при участии витамина К происходит синтез его неактивного предшественника – протромбина , который в дальнейшем циркулирует в плазме. В плазме крови превращение протромбина в тромбин происходит непосредственно под действием фактора Xa (совместно с Va).
Функции тромбина в гемостазе
В зоне коагуляции:
- превращение фибриногена в фибрин -мономеры,
- активация фибрин-стабилизирующего фактора (ф.XIII, трансглутаминаза),
- ускорение свертывания через активацию факторов V, VIII, IX, XI (положительная обратная связь ),
- активация тромбоцитов (секреция гранул),
- в комплексе с тромбомодулином (в высоких концентрациях) активирует TAFI (thrombin activatable fibrinolysis inhibitor ),
- активация гладкомышечных клеток,
- стимулирование хемотаксиса лейкоцитов,
Вне зоны коагуляции
- в комплексе с тромбомодулином активирует протеин С ,
- стимулирует секрецию из эндотелиальных клеток простациклина и t-PA .
Фибриноген (фактор I)
Фибриноген (фактор I) – большой многокомпонентный белок, который состоит из трех пар полипептидных цепей – Аα, Вβ, γγ, связанных между собой дисульфидными мостиками. Пространственная структура молекулы фибриногена представляет собой центральный Е-домен и 2 периферических D-домена, α- и β-цепи на N-конце имеют глобулярные структуры – фибринопептиды А и В (ФП-А и ФП-В), которые закрывают комплементарные участки в фибриногене и не позволяют этой молекуле полимеризоваться.
Строение фибриногена
Синтез фибриногена не зависит от витамина К, происходит в печени и в клетках РЭС. Некоторое количество фибриногена синтезируется в мегакариоцитах и в тромбоцитах. Превращение фибриногена в фибрин происходит под влиянием тромбина .
Фибринстабилизирующий фактор
Фибринстабилизирующий фактор (фактор XIII) относится к семейству ферментов трансглутаминаз. Он синтезируется в печени и в тромбоцитах, в плазме крови большая часть неактивного фактора ХIII связана с фибриногеном. Активация фактора ХIII происходит при помощи тромбина способом ограниченного протеолиза из неактивного предшественника.
Как и большинство других ферментов, фактор XIII выполняет в гемостазе несколько функций:
- стабилизирует фибриновый сгусток путем образования ковалентных связей между γ-цепями мономеров фибрина,
- прикрепляет фибриновый сгусток к фибронектину внеклеточного матрикса,
- участвует в связывании α2-антиплазмина с фибрином, что способствует предотвращению преждевременного лизиса фибринового сгустка,
- необходим тромбоцитам для полимеризации актина, миозина и других белков цитоскелета, используемых при ретракции фибринового сгустка.
Использование: сельское хозяйство, а именно, производство кормов для животных. Сущность изобретения: электрокоагуляция белка осуществляется постоянным током в камере, анодная и каводная области которой разделены мембраной. В процессе протекания тока регистрируют величину pH среды и при достижении ее значения 5 процесс прекращают. По мере удаления коагулята, из катодной области в анодную подают оставшуюся часть белковосодержащего материала. Температура материала при этом не превышает 39 - 40 o С. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к производству кормов для животных. Известен способ термической коагуляции белка из картофельного сока, заключающийся в его нагревании паром до 70-100 о С. Недостатками способа является низкий выход белка (70-80%), высокая энергоемкость (0,5 МДж/кг). Существует способ химической коагуляции, состоящий в осаждении белка без нагревания при подкислении его кислотами или солями тяжелых металлов до изоэлектрической точки (рН 4,8-5,2). Недостаток способа низкий выход белка (40-50%), необходимость нейтрализации среды. Наиболее близким к предлагаемому является способ электротермической обработки, при котором белковосодержащую среду нагревают электрическим током промышленной частоты до 70-100 о С. Напряженность электрического поля между электродами, расположенными в коагулируемой среде составляет (5-25) 10 2 В/м. Выход белка достигает 80-84% энергоемкость 0,12 МДж/кг. Цель изобретения увеличение выхода белка, снижение энергоемкости процесса. Для достижения поставленной цели, белок коагулируют в камере, разделенной мембранной перегородкой, проницаемой для неорганических соединений (в основном ионов Н+ и ОН-) и практически непроницаемой для ионов белка из-за их "крупных" размеров. При протекании, например, через картофельный сок постоянного тока от положительного электрода к отрицательному ионы Н + движутся к катоду, а ионы гидроксильных групп ОН - к аноду. Это приводит к уменьшению рН у анода и увеличению у катода. Кислая среда у анода коагулирует белок. Кроме того, электрический ток,проходя через картофельный сок, активизирует массоперенос и скорость химических реакций, не вызывая его значительный нагрев. Благодаря этому температура сока повышается только до 30-40 о С. Таким образом, вследствие термохимического действия электрического тока, белок коагулирует при температурах, значительно меньших, чем при известных термических способах, что снижает энергоемкость процесса до 0,05 МДж/кг. Совместное химическое и термическое действие электрического тока увеличивает выход белка до 97% Отработанную фракцию из катодной области вносят в анодную в пропорции, не нарушающей процесс коагуляции. П р и м е р. Сок картофеля (рН 6,6-6,8) помещают в рабочую камеру коагулятора, анодное (А) и катодное (К) пространства которой разделены мембранной перегородкой в отношении А:K 4:1, практически непроницаемой для компонентов сока в отсутствии электрического тока. К электродам камеры от выпрямителя подводят постоянный ток напряженностью электрического поля в межэлектродном пространстве (3-5)10 2 В/м, под действием которого рН понижается до 2,5-5. При протекании коагуляции регистрируют температуру. При достижении 30-40 о С процесс прекращают. В процессе коагуляции обработанный продукт из катодной области подают в анодную, смешивая его со "свежим" соком. Время обработки зависит от напряженности электрического поля и исходной температуры сока. Скоагулированный белок выделяют из сока общепринятыми методами. В таблице приведена сравнительная оценка различных способов коагуляции, полученная в лаборатории транспорта и регуляции обмена веществ растений Академии наук РБ. Исследования показали, что предлагаемый способ увеличивает выход белка на 10-15% снижает энергоемкость в 2-3 раза; При этом плотность постоянного тока при коагуляции не превышает 8000 А/м 2 , что позволяет уменьшить температуру обработки.
Формула изобретения
1. СПОСОБ КОАГУЛЯЦИИ БЕЛКА, включающий размещение белоксодержащего материала в камере, анодная и катодная области которой разделены мембранной перегородкой, и пропускание постоянного электрического тока между электродами, расположенными в указанных областях, отличающийся тем, что в процессе протекания тока регистрируют величину рН обрабатываемого материала в анодной области камеры и при величине рН не более 5 прекращают пропускание тока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после удаления коагулянта из анодной области камеры оставшийся в катодной области камеры белоксодержащий материал перемещают в анодную область и обе области дополняют до рабочего уровня новым белоксодержащим материалом. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плотность постоянного тока в процессе коагуляции выбирают не более 8000 А/м 2 .
В основе процесса образования хлопьев белков при кипячении сусла лежит тепловая коагуляция, которая протекает в две стадии. Первой стадией является дегидратация белковой молекулы и переход ее в состояние суспензоида - происходит денатурация белка, т. е. превращение гидрофильного золя в гидрофобный, В таком превращении решающее значение имеет тонкий слой на границе между дисперсной фазой (в данном случае белком) и дисперсионной средой (в данном случае суслом), который у этих двух золей различен; у лиофобных коллоидов поверхностный слой характеризуется очень высокой чувствительностью к действию электролитов, наличие которых в сусле всегда возможно.
Денатурированные белки удерживаются в суспендированном состоянии благодаря собственным электрическим зарядам, которые не позволяют сближаться отдельным молекулам белка.
Вторая стадия коагуляции состоит в том, что дегидрированные молекулы денатурированного белка под действием электролитов соединяются в более грубые, большие по объему хлопья (образование бруха).
Несмотря на полное завершение первой стадии, вторая стадия может происходить нс полностью. Белки могут денатурировать при любом значении pH, а коагуляция легче всего протекает вблизи изоэлектрической точки.
Так как в сусле находятся разные фракции белков, осаждающиеся при разных значениях pH, то, естественно, не вес они в одинаковой степени будут подвергаться коагулированию. Например, изоэлектрическая точка ячменного альбумина (лейкозина) лежит при pH 5,75; разными изоэлектрически ми точками обладают отдельные фракции ячменного глобулина (эдестина); ?-глобулин - при pH 5,0; ?-глобулин - при pH 4,9; ?-глобулин - при pH 5,7.
Как известно, ?-глобулин является главной белковой составной частью мути пива, Изоэлектрическая точка этого белка обычно достаточно далеко отстоит от pH сусла.
Понижение pH затора благоприятно действует на выделение коагулируемого белка.
При кипячении сусла белковые вещества, несущие положительный заряд, стремятся соединиться с веществами, заряженными отрицательно, поэтому вполне естественно образование комплексов белков с дубильными веществами, так как танины имеют отрицательный заряд.
К ионам, способствующим коагуляции белков, относятся сульфатный ион. Гипсованная вода, например, вызывает очень хороший брух.
Как видно из сказанного, коагуляция белков при кипячении сусла, да еще в присутствии веществ хмеля, является сложным процессом. При этом образуются комплексные соединения белков с другими соединениями (ионами неорганических солей, танинами, кремневой кислотой и находящимися в сусле коллоидными соединениями). Они образуют сложные белково-коллоидные мицеллы, обладающие адсорбционными свойствами, для которых требуются другие условия осаждения, чем для чистых белков.
Влияние pH на выпадение белков при кипячении как неохмеленного, так и охмеленного сусла, очевидно, по данным, полученным Д.П. Щербачевой, показано в табл. 71.
В практике пивоварения максимальная коагуляция белков наблюдается при pH 5,2-5,0; в этом преимущество подкисления заторов.
Концентрация водородных ионов при кипячении сусла повышается; pH снижается на 0,2-0,3. Хмелевые кислоты плохо диссоциируют и поэтому не могут быть причиной такого сильного увеличения концентрации водородных ионов (снижение pH на 0,3 соответствует увеличению [Н+] в два раза). Основная причина этого явления связана с образованием трехосновных фосфорнокислых солей кальция и магния, которые нерастворимы в воде и выпадают из сусла.
На коагуляцию белков значительное влияние оказывает продолжительность кипячения. В табл. 72 приведены данные, полученные тем же исследователем при кипячении неохмеленного сусла.
В первом опыте при трехчасовом кипячении была достигнута максимальная коагуляция белков, во втором - коагуляция продолжалась еще и после трехчасового кипячения. В литературе имеются указания, что при семичасовом и даже девятичасовом кипячении сусла не удаляются полностью все способные к коагуляции белки.
Значительное влияние па коагуляцию белков при кипячении оказывает концентрация сусла. Белки быстрее коагулируют в сусле низкой экстрактивности; в более плотном сусле коагуляция протекает медленнее.
Автор проследил динамику уменьшения белка в сусле разной плотности в течение 6 ч кипячения без добавления хмеля и с хмелем (рис. 27, а и б).
Роль дубильных веществ в коагуляции белков до сих пор полностью нс выявлена. По-видимому, это обусловлено тем, что дубильные вещества имеют сложный состав и как о оболочке ячменя (солода), так и в хмеле находятся совместно с горькими веществами. В неохмеленном сусле Гартонг установил наличие 111 мг дубильных веществ в 1 л, а за счет хмеля количество их увеличилось только на 80 мг/л, Из солода дубильных веществ переходит в сусло больше, чем из хмеля. Общепринятым считается, что дубильные вещества хмеля способствуют выделению белковых веществ, Работы Шустера и Рааба показали, что в сусле как до кипячения, так и после кипячения без хмеля содержалось, примерно одинаковое количество дубильных веществ (365,1 и 363,9 мг/л), в то время как количество азотистых веществ снизилось от 803 до 760 мг/л. Это может указывать на то, что коагуляция белков при кипячении сусла происходит без участия дубильных веществ.
Однако непродолжительное кипячение сусла перед добавлением в него хмеля, применяемое на некоторых заводах, позволяет получить пиво с более чистым вкусом.
Дубильные вещества хмеля и оболочки ячменя имеют разный характер. По-видимому, дубильные вещества хмеля оказывают большое влияние на образование вкуса нива. Характерные свойства своего пива чешские исследователи связывают с наличием в сортах чешского хмеля больших количеств дубильных веществ по сравнению с хмелем других стран и с определенным соотношением отдельных фракций этих веществ.
Танины являются химически нестойкими веществами и при окислении конденсируются во флобафены, которые по существующему в пивоварении мнению образуют с белками сусла комплексы, нерастворимые как в горячем состоянии, так и при охлаждении. Соединения же дубильных веществ с белками не склонны к коагуляции в горячем состоянии и поэтому не выпадают в горячем сусле, но при охлаждении частично выпадают и обусловливают помутнение охлажденного сусла. Так как происходит только частичное выпадение, то некоторое количество их попадает и пиво.
При окислении дубильных веществ образуются соединения, подобные флобафенам, что является одной из причин появления коллоидной мути пива. Так как вещества этой мути способны образовывать в дальнейшем хлопьевидный осадок, окрашенный и коричневый цвет, то можно предполагать, что одной из составных частей этого осадка является флобафен.
Как известно, полифенолы, и в частности танины, подобно пиррогаллолу обладают свойством легко соединяться с атмосферным кислородом к образовывать тем неокрашенные вещества. Примесь этих веществ к белковым соединениям, вероятно, вызывает потемнение последних, особенно при экспозиции на воздухе.
Важным фактором для выделения белка из сусла является интенсивность кипячения.
Антоцианидины, содержащиеся в хмеле, переходят в сусло и переносят кипячение, однако обычно общее количество их в сусле не увеличивается, так как антоцианогены адсорбируются частично белками, выделяющимися при кипячении. Количество антоцианогенов, поступающих в сусло, примерно составляет 1/12-1/6 того количества, которое выделяется из солода и несоложеного ячменя.
Вещества сусла, находящиеся на поверхности, играют особо важную роль з образовании осадка. Самопроизвольное стремление к уменьшению поверхностного натяжения на границе раздела сусло - воздух вызывает быструю миграцию на поверхность частиц белков, являющихся поверхностно-активными веществами. Концентрация их в поверхностном слое увеличивается, и возможность столкновения одной частицы с другой становится гораздо больше, чем в глубоких слоях. На пленке, окружающей пузырек пара, молекулы белка конденсируются, агглютинируют и при лопания пузырьков белки выделяются в виде крупных нерастворимых агрегатов, которые в дальнейшем выпадают в осадок. Поэтому интенсивное кипячение сусла в сусловарочном котле всегда благоприятствует образованию хорошего бруха и уменьшает возможность помутнения пива в дальнейшем.
Хмелевые шишки содержат ряд макро- и микроэлементов, среди которых алюминий занимает первое место; медь, железо и цинк находятся в меньшем количестве. Содержание микроэлементов очень небольшое. Все они в какой-то мере оказывают свое влияние на коагуляцию белков при кипячении сусла. А.В. Андрющенко и Г.И. Фертман, исследуя состав белкового коагулянта после кипячения сусла, установили, что особо важное значение в указанном процессе имеют железо и цинк, значительно меньшее - хром и олово.
