Myofibrillar protein denaturation in freezing-thawing : Effect on thaw loss

The thesis aimed to study the effects and mechanisms of freezing-thawing treatments on myofibrillar protein denaturation and to explore the role of myofibrillar protein denaturation in causing the formation of thaw loss. The freezing-thawing of porcine M. longissimus thoracis et lumborum (LTL) increased the free Ca2+ concentration and the subsequent chilled storage promoted an accelerated decrease of activities of calpain-1 and calpain-2, compared to unfrozen meat. Proteasome activity was observed to be around 40% lower after freezing-thawing. The observed increased purge loss and decreased water-holding capacity (WHC) of myofibrils indicated myofibrillar protein denaturation occurring during the freezing-thawing treatment. In the investigation of freezing-induced denaturation of myofibrillar and sarcoplasmic proteins of LTL in relation to freezing rate, fast frozen samples (cold metal plate/-80°C) had a characteristic freezing time of 12 min, while samples frozen at slow rate (air/-20°C) had a freezing time of around 174 min. Slow freezing led to around 30% larger thaw loss in parallel with reduced WHC and increased surface hydrophobicity of myofibrils, indicating more severe myofibrillar protein denaturation in slow compared to fast freezing. A model is proposed to explain the importance of myofibrillar protein denaturation in relation to the freezing rate in the origin of thaw loss: In slow freezing, protons are accumulated with concentrating solutes in the unfrozen water leading to a decline of pH causing denaturation of structural proteins. In fast freezing small ice crystals might trap protons inducing less decline of pH and thus less myofibrillar protein denaturation and reduced thaw loss when compared with slow freezing. Sarcoplasmic protein denaturation also was shown to occur in freezing-thawing as evaluated by differential scanning calorimetry and tryptophan fluorescence properties of drip, which was, however, independent of freezing rate. The role of decreased pH (from pH 5.5 to 5.2), combined with high ionic strength (2 M KCl), in causing myofibrillar protein denaturation was studied by exposing fresh minced meat to either high ionic strength only or to high ionic strength with decreased pH to mimic conditions estimated to be in the unfrozen water of frozen meat during freezing. Exposure to high ionic strength caused an increase of WHC of the isolated myofibrils, whereas exposure to high ionic strength combined with low pH reduced WHC and increased surface hydrophobicity of the myofibrils. These results suggest that decreased pH combined with increased ionic strength in the unfrozen water of frozen meat largely would explain myofibrillar protein denaturation and thus the thaw loss occurring in frozen-thawed meat. The storage at -3 °C of fast or slow frozen pork prior to final thawing at 2 °C diminished the impact of the freezing rate on myofibrillar protein attributes, and differences between fast and slow freezing were no longer significant for WHC and surface hydrophobicity of the isolated myofibrils when frozen samples subsequently were kept at -3 °C for 7 days. The results suggest that a marked myofibrillar protein denaturation is taking place with extended storage time at -3 °C. In conclusion, freezing-thawing increases water loss in meat and slow freezing causes a higher increase when compared to freezing at fast rate. Myofibrillar and sarcoplasmic protein denaturation occurs in freezing and thawing. The rate of freezing produces a significant effect in the myofibrillar fraction: A slow freezing will develop a more severe protein denaturation than a fast freezing. Consequently, the myofibrillar protein denaturation, related to the freezing rate, is proposed to contribute to the generation of thaw loss. However, a subsequent storage of frozen meat at -3 °C before final thawing seems to diminish the beneficial effects of fast freezing on myofibrillar protein characteristics, compared to slow freezing, due to an additional protein denaturation. Therefore, it is recommended that meat industry adjusts the thawing capacity to minimize the passage time in temperature of -3 °C in meat.

Tutkimuksessa selvitettiin jäädytys-sulatusprosessin vaikutuksia lihan proteiinien denaturoitumiseen sekä tutkia denaturoitumisen mahdollista merkitystä sulatushävikin muodostumisessa. Sulatusvaluman kasvu ja lihan proteiinirihmojen vedenpidätyskyvyn aleneminen viittasivat proteiinien denaturoitumiseen jäädytys-sulatusprosessin seurauksena. Hitaasti jäädytettäessä (ilma -20 °C) sulatushävikki oli 30 % suurempi, vedenpidätyskyky alempi ja lihasten hienorakenneosaset hylkivät vettä enemmän kuin nopeassa jäädytyksessä (kylmä levy/- 80 °C), mikä osoitti voimakkaampaa proteiinien denaturaatiota verrattuna nopeasti jäädyttämiseen. Tämän perusteella esitettiin selitysmalli proteiinien denaturaation merkityksestä sulatusvaluman muodostumiseen ja jäädytysnopeuden vaikutuksesta siihen: hitaassa jäädytyksessä happamuutta aiheuttavat protonit ja muuta liukoiset aineet kasautuvat vielä jäätymättömään vesiosaan, mistä johtuu pHn lasku, ja siitä edelleen proteiinien denaturoitumista. Nopeassa jäädytyksessä pienet jääkiteet ehkä pidättävät protonit sisällään, jolloin pHn lasku on vähäisempää, proteiinit denaturoituvat vähemmän ja sulatusvaluma on pienempi kuin hitaasti jäädytettäessä. Tutkimuksessa selvitettiin myös alennetun pHn (normaali pH 5.5 -> 5.2) ja korkean suolapitoisuuden (n. 10 % kaliumkloridia) yhteisvaikutusta proteiinien denaturoitumiseen. Jauhettuun lihaan lisättiin korkea suolapitoisuus tai korkea suolapitoisuus ja alennettu pH mallittamaan jäädytyksessä jäätymättömään vesiosan pitoisuuksia. Korkea suolapitoisuus aiheutti proteiinien vedenpidätyskyvyn nousun, kun taas korkea suolapitoisuus ja matala pH yhdessä alensivat vedenpidätyskykyä. Siten matala pH ja korkea ioniväkevyys jäätymättömässä vesiosassa paljolti selittäisi proteiinien denaturoitumisen ja siten jäädytys-sulatusvaluman muodostumisen. Kun jäädytettyä lihaa säilytettiin -3 °C:ssa 7 vrk ennen lopullista sulatusta 2 °C:ssa, se häivytti jäädytysnopeuden vaikutuksen proteiinien ominaisuuksiin, koska merkittävää proteiinien denaturoitumista tapahtuu myös säilytettäessä lihaa pitempään -3 °C:ssa. Yhteenvetona todetaan, että jäädytys-sulatusprosessi lisää lihan valumaa, ja hidas jäädytys aiheuttaa suuremman valuman ja proteiinien denaturoitumisen kuin nopea jäädytys. Denaturoituminen näyttää aiheuttavan sulatusvaluman Jäätymättömän vesiosan matalan pH:n ja korkea suolapitoisuuden yhteisvaikutus jäätymisen aikana näyttää olevan merkittävä tekijä jäädytyksen aiheuttaman proteiinien denaturoitumisen kannalta. Myös lihan pitkä säilyttämien lihan ollessa osittain vielä jäässä alentaa vedenpidätyskykyä.