Protein cross-linking with oxidative enzymes and transglutaminase : Effects in meat protein systems

The effects of tyrosinase, laccase and transglutaminase (TG) were studied in different meat protein systems. The study was focused on the effects of the enzymes on the gel formation properties of myofibrils, and on the textural and water-holding properties of the heated meat systems. The cross-linking efficiency of a novel Trichoderma reesei tyrosinase was compared to that of the commercial Agaricus bisporus tyrosinase. Trichoderma tyrosinase was found to be superior compared to the Agaricus enzyme in its protein cross-linking efficiency and in the incorporation of a small molecule into a complex proteinaceous substrate. Tyrosinase, laccase and TG all polymerised myofibrillar proteins, but laccase was also found to cause protein fragmentation. A positive connection between covalent cross-link and gel formation was observed with tyrosinase and TG. Laccase was able to increase the gel formation only slightly. With an excessive laccase dosage the gel formation declined due to protein fragmentation. Tyrosinase, laccase and TG had different effects on the texture and water-holding of the heated chicken breast meat homogenates. Tyrosinase improved the firmness of the homogenate gels free of phosphate and with a low amount of meat. TG improved the firmness of all studied homogenates. Laccase weakened the gel firmness of the low-meat, low-salt and low-salt/phosphate homogenates and maintained the firmness on the control level in the homogenate free of phosphate. Tyrosinase was the only enzyme capable of reducing the weight loss in the homogenates containing a low amount of meat and a low amount of NaCl. TG was the only enzyme that could positively affect the firmness of the homogenate gel containing both low NaCl and phosphate amounts. In pilot scale the test products were made of coarsely ground chicken breast fillet with a moderate amount of salt. Increasining the amount of meat, salt and TG contents favoured the development of firmness of the test products. The evaporation loss decreased slightly along with increasing TG and NaCl amounts in the experimental conditions used, indicating a positive interaction between these two factors. In this work it was shown that tyrosinase, laccase and TG affected the same myofibrillar proteins, i.e. myosin and troponin T. However, these enzymes had distinguishable effects on the gel formation of a myofibril system as well as on the textural and water-holding properties of the finely ground meat homogenates, reflecting distinctions at least in the reaction mechanisms and target amino acid availability in the protein substrates for these enzymes.

Työssä verrattiin elintarviketeollisuudelle tuntemattomien hapettavien entsyymien tyrosinaasin ja lakkaasin sekä teollisessa mitassa paljon käytetyn transferaasiensyymin transglutaminaasin (TG) katalysoimien kovalenttisten ristisidosten vaikutuksia myofibrilliproteiinien geelinmuodostukseen sekä jauhetun ja kuumennetun lihan rakenteeseen ja vedensidontaan. Lisäksi uuden Trichoderma reesei- ja kaupallisen Agaricus bisporus- tyrosinaasin ristisidontatehokkuutta verrattiin toisiinsa käyttäen substraatteina lyhyitä peptidejä, liukoisia proteiineja ja proteiinikuitua. Trichoderma tyrosinaasin havaittiin olevan tehokas ristisidosten muodostaja proteiinimatriiseissa, toisin kuin Agaricus entsyymin, joka suosi pienimolekyylisiä substraatteja. Tämän tuloksen perusteella oli perusteltua tutkia Trichoderman tyrosinaasin käyttäytymistä myös lihaproteiinisysteemeissä. Tyrosinaasi, lakkaasi ja TG polymeroivat samoja myofibrilliproteiineja, myosiinia ja troponiini T:tä. Lakkaasin todettiin lisäksi pilkkovan näitä proteiineja. Myofibrillien geelinmuodostus tehostui tyrosinaasin ja TG:n katalysoimien ristisidosten vaikutuksesta. Lakkaasin proteiinia pilkkova ominaisuus havaittiin geelinmuodostuksen heikkenemisenä. Mainituilla entsyymeillä todettiin olevan toisistaan poikkeavat vaikutukset broilerin rintalihasta valmistetun kuumennetun homogenaatin rakenteeseen ja vedensidontaan. Tyrosinaasi paransi fosfaatittoman ja alhaisen lihapitoisuuden sisältävän homogenaatin rakennetta. TG paransi rakennetta lisäksi myös homogenaatissa, jossa oli alhainen suolapitoisuus. TG oli rakenteen kiinteyttäjänä selvästi tutkituista entsyymeistä tehokkain. TG:n rakennetta parantavat vaikutus on entuudestaan tunnettu ja sitä hyödynnetään teollisesti useissa liha- ja maitotuotteissa. Lakkaasi pääsääntöisesti heikensi rakennetta. Tyrosinaasin todettiin olevan entsyymeistä ainoa, joka pystyi parantamaan lihasysteemien vedensidontaa. TG:lla ja lakkaasilla vedensidontaominaisuus yleisesti heikkeni. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että tyrosinaasi, lakkaasi ja TG reagoivat samojen myofibrilliproteiinien kanssa, vaikka näillä entsyymeillä on erilaiset reaktiomekanismit ja ne katalysoivat sidoksia osin eri aminohappotähteiden välille. Kuitenkin nämä entsyymit aiheuttivat toisistaan selkeästi eroavia vaikutuksia myofibrillien geelin muodostukseen sekä jauhetun, kuumennetun lihan rakenne- ja vedensidontaominaisuuksiin. Tyrosinaasin todettiin olevan mielenkiintoinen uusi entsyymi lihasysteemien vedensidonnan parantajana.