I~. H x ~ r : l)ber das WasserbindungsvermSgen des S~ugetiermuskels. VIII 335

EiweiB mi t ziemlieher Sicherhei t aus. Diese Ta t saehe isg wohl aueh die Ursaehe, wes- ha lb das P rob lem der E iweig t r / ibung vorwiegend im Anbaugeb ie t der Rebsor te l~ies- l ing eine so groBe Bedeu tung hat . :Bei den anderen l~ebsorten lie@ das Verh/i l tnis vom isoelekt r isehen P u n k t und ply-Weft des Weines weir gfinstiger.

I n , ,normalen" J a h r e n ffihrt im al lgemeinen eine Kurzze i t e rh i t zung zu einer , ,p rak t i sehen S tab i l i t g t " des Weines. Doeh in J a h r e n mi t hohen Eiweigmengen ist der Gehal t an Reste iweig noeh re la t iv groB, so dag bei e inem ungfinst igen Verhgl tnis zwi- sehen dem prr-Wert des Weines und dem isoelektr isehen P u n k t des ,,15sliehen" Tranbenpro te ins vor al lem bei den Ries l ing-Weinen noeh eine EiweiBtr / ibung zu bef/ i rehten ist. Sieherhei t b ie te t dann nu t die vollst/~ndige En t fe rnung des Wein- eiweiges du tch eine Bentoni t seh6nung.

Rotweine sind, wahrseheinl ich infolge der Maiseheg~rung, in , ,normalen" J a h r e n eiweigfrei. I n besonderen J a h r e n mug bei ihnen jedoeh auch mi t einer Eiweif3trtibung gereehnet werden, da bei e inem sehr hohen Eiweiggehal t des 2Vfostes anseheinend die Gerbs~offe der Maisehe nieht ausreiehen, u m alles EiweiB aus dem Most auszufgllen.

Ober das Wasserbindungsvermiigen des S~iugetiermuskels V I I I . Mitteilung

P r o t e i n l a d u n g u n d W a s s e r b i n d u n g s v e r m S g e n

Von

R. I:[AMM

~litteilung aus dem Institut /iir Chemie und Physik der Bundesanstalt /i~r Fleisch/orschung, Kulmbach*

Mi~ 2 Text~bbildungen

(Eingegangen am 24. Juli 1961)

Es ist yon Interesse, den Einflu$ des p~-Wer t e s auf das Wasse rb indungsvermSgen des Fleisehes zu s tudieren, da man auf diesem Wege die Bedeu tnng der Pro~einladung f/Jr die t t y d r a t a t i o n des Muskels e rkennen k a n n 1. Eine solehe Untersueh~mg gib t fiberdies Aufsehl/isse yon prak~iseher Bedeu~cung, da Lagerung nnd Vera rbe i tung des Fleisehes in der Regel yon p~-Anderungen begleite~ sind. GRAY n. a. 2 haben als erste gefunden, dab der zerkleinerge R inde rmuske l naeh E in t r e t en des Rigor mortis im pR-Bereieh 4,5 bis 5,0, also im isoelektr isehen Bereieh des Aetomyosins , ein Min imum des WasserbindungsvermSgens aufweis~. Dag der Muskel bei pI~ 5 ein Min imum des QuellungsvermSgens zeigt, war jedoeh sehon wesent l ieh fr / iher en tdeek t worden 3. Die Resu l t a t e yon G~A~r u. a. wurden yon anderen Au to ren bes t / i t ig t 4.

* Fr/~ulein HEDWm B~Em~ danke ich ftir fleigige und geschiekte Mitarbeit. 1 t t A ~ , R.: Advanc. Food Res. 10, 355 (1960). Hier sind auch die Definitionen fiir die Be-

griffe ,,Hydratation", ,,WasserbindungsvermSgen" und ,, Quellungsverm6gen" angegeben. 2 Gn~v, l~., R. HAM~ u. A. BACMA~-: Biochem. Z. 325, 1 (1953).

W~B~n, H. It. : t~ioehem. Z. 1~8, 473 (1925). - - O~SKOV, S. L. : Biochem. Z. 244, 33 (1932). - - SMO~ODI~Z]~W, I. A., u. S. P. BYST~OW: C. 1~. Aead. Sei. USSt~ (N. S. ) 14, 369 (1937).

4 N ~ m v ~ a ~ , F. P., u. T. 1~. I~YY~-X~E~: Fleisehwirtseh. g, 261 (1953). - - MS~m~, K., u. F. t @ ~ : Diese Z. 96, 90 (1953). - - OKaDa, M., u. S. TADA: :Bull. Japan. Soe. Sei. Fisheries 19, 178 (1953). - - J ~ m c ~ , M. A., u. Z. W~ez~K: Przemysl Rolny i Sloozywezy 8, 404 (1954). - - N ~ V a A ~ , F. P., u. M. S. Pog5~: Fleischwirtsch. 6, 192 (1954). - - Fo~JA, M. S., u. F. P. N~m- VnA~: Fleischwirtseh. 9, 193 (1957). - - H ~ , t~. : Diese Z. 107, 1 (1958); 110, 95, 227 (1959). - - H ~ , t~., u. F. E. D ~ T ~ G ~ : Food l~es. 25, 573, 587 (1960). - - D ~ a w ~ G ~ , F. E., u. R. Ha~f~: Food Res, 25, 623 (1960).

336 R. HAyr~:

Die pH-tIydratat ions-Kurve, welehe die Abhgngigkeig des Wasserbindungsver- mSgens yore pH-Wert wiedergibt, wurde in der Regel im pg-Bereich zwisehen 3,5 und 7,5 gemessen. Wir konnten bei derartigen Untersuchungen h/~ufig beobaehten, dab der Hydratationsanstieg mit steigender Zugabe an S/~nre oder Alkali flaeher wurde. Bei PH 3,0 war sogar bisweilen eine Abnahme des WasserbindungsvermSgens festzu- stellen. Es ersehien daher notwendig, die Bestimmung der Muskelhydratation fiber einen gr6Beren pH-Bereieh anszudehnen.

M e t h o d i k

Die Methoden der Zerkleinerung, des Fremdwasserzusa~zes (60%), der pi~-Einstellung und der Bestimmung des WasserbindungsvermSgens warden bereits frtiher beschrieben ~.

Zur Untersuchung gelangte der yon Fett und Bindegewebe weitgehend befreite M. longissimus dorsi 5- bis 6j~hriger Xiihe der Handelklasse B film Tage nach dem Schlachten.

Ergebnisse Die Aufnahme der pi~-Wasserbindungs-Kurve des Muskels im p~-Bereich zwi-

sehen 1,5 und 11 ergab in allen Fallen (vier Tiere), dab neben dem bekannten t tydra- tat ionsminimum am isoelektrischen Punkt des Muskels (pH 5,0) zwei ausgepr~gte

7ZOO-

°f

7ZO

°/o

%8o

go e 8 1o pH

Abb. 1. EinJluB des p~-Wertes au] das Wasserblndungs- wrm~gen yon Bindermuskvlhomogenat. p~-Eins te l lung

m i t tIC1 u n d N a O H . 60% t t20-Zusa tz

Hydrata t ionsmaxima bei pg 3,0 und p~ 10,0 auftreten (Abb. 1).

• ',, ~

I I I I I I ] z 3 4 y .pH 6

Abb. 2. p~-Hygratations~urve des Muskels bei pH-Einstel- rung mit versehiedenen Sguren. • KC1; O !VIilchsiiure;

x Essigs~ure; 60% H20-Zusa tz

Beniitzt man zur Einstellung der pH-Werte auf der sauren Seite des isoelektrischen Punktes start HC1 Milchs/~ure oder Essigs/iure, so steigt die I-Iydratation des Muskel- gewebes anch bei pH-Werten < 3 mit sinkendem pH-Wert noeh weiter an (Abb. 2). Bei dem Versueh mit Essigsaure wurden - - um den Fremdwasserzusatz yon 60% nicht zu fiberschreiten - - die pH-Werte < 2,5 dureh gleiehzeitigen Zusatz yon 5 n-tiC1 eingestellt. Eine Abnahme der t Iydra ta t ion war hier ers~ bei p~-Wer~en < 1 zu beobaehten (Abb. 2).

Ein signifikanter EinfluB des S/iure-Anions ist ers~ bei p~-Werten under 3 zu beobaehten. Das S/~ureanion hat bei der yon nns angewendeten Messnng in Inter- vallen yon 0,5 pE-Einheiten keine merkliche Wirkung auf die Lage des isoelektri- schen Punktes des Mnskels (Abb. 2).

1 HAM~, R. : Diese Z. 109, 227 (1959).

~ber das WasserbindungsvermSgen des S~ugetiermuskels. VIII 337

D i s k u s s i o n

Der pH-Wert, bei welchem das Wasserbindungsverm6gen des I~indermuskels ein Minimum zeigt (p~ ~ 5,0), entsprieht etwa dem isoelektrisehen Punkt (I. P.) des Aetomyosins 1, w/~hrend der nattirliehe p~i-Wert des Fleisehes (urn 5,5) mehr auf der basisehen Seite des I. P. liegt. Wie aus Abb. 1 hervorgeht, k6nnen geringe Ver~nde- rungen im p~-Wert verh/fltnism/iBig starke Wirkungen auf das Wasserbindungs- vermSgen des FMsches ausfiben.

Wie G~A~r u. a. 2 zeigten, ist die p~-Quellungs-Kurve der pH-Wasserbindungs- Kurve des Muskels sehr/~hnlieh. Das Minimum der Quelhmg liegt um lO~ 5,0. Es ist aueh yon anderen EiweiBk6rpern, wie z. B. Gelatine a, bekannt, dab Proteingele an ihrem isoelektrisehen Punkt ein Quellungsminimum aufweisen. Naeh der ,,Zwitter- ionen-Theorie ''8 ist die quellende Wirkung yon Sguren oder Basen auf Proteingele einer Spaltung der elektrostatisehen Querbindungen zwisehen den Peptidketten des Proteins zuzusehreiben :

Protonendonator (S~ure) : R--CO0--- +NHa--R' + HA --> R--COOI-I +NH3--1~' + A-

Protonenaceeptor (Base) : R - -C00- - - +NHs--R' + B + -~ R--CO0- NH2--R' + HB

Man kann die starken, dureh Zusatz yon S~ure oder Base bedingten Quellungs- effekte verstehen, wenn man annimmt, dab dureh Spaltung yon Salz-Brtiekenbin- dungen mehr Wasser zwisehen den Peptidketten in immobilisiertem Zustand ein- gelagert werden kann und dab damit eine VergrSBerung der intermicellaren R£ume verbunden ist. Ob die dnrch Zusatz yon S£ure oder Base erhShte Nettoladung des Proteins zu einer elektrostatischen AbstoBung zwischen den Peptidketten fiihren und damit ihrerseits eine Aufweitung der micellaren Struktur unter erhShter Quellung bedingen kann, ist noch umstri t ten 4. K I J I ~ u. Mitarb. 5 stellten an B£ndern, die aus Polyacryls~ure und Polyvinylalkohol hergestellt waren, lest, dab ein Zusatz yon Natronlauge die Quellung stark erhSht. Damit ist eine Anderung der mechanischen Eigenschaften des Systems verbunden, die sich mit der Ersehlaffung des Muskels vergleichen l~Bt. KuI~N ist nun der Meinung, dab sich die Quellung eines derartigen Polyelektrolyt-Gels nur durch den osmotischen Effekt der aufgenommenen Natrium- Ionen und nicht durch elektrostatiseheAbstoBung t ie r - -CO0--Gruppen erkl~ren l~Bt; die Natr ium-Ionen k6nnten sich in dem Gel nicht sehr welt yon den Carboxyl-Grup- pen des Polyelektroly~s enffernen, und daher besttinden im Innern der Teilehen keine elektrostatischen KrMte. Wie KtmN selbst betont, ist es indessen sehr problematisch, die Befunde an diesem Modell auf die in der Myofibrille herrschenden Verh~ltnisse zu fibertragen. Wahrseheinlich handelt es sich bei der Alkali- und S£urequellung des Muske]s im pi~-Bereich 3--7 um das Zusammenwirken dreier Effekte: Spaltung der Salzbindung zwischen den Peptidketten, elektrostatisehe AbstoBung gleichsinnig geladener Gmlppen und osmotische Wirkung der ins Innere der Micellen diffundiel~en kleinen Ionen.

W~BEI~, It. H.: Bioehem. Z. 158, 443, 473 (1925). - - HOLnWEDE, W., u. H. H. WIlhElm: Bioehem. Z. 295, 205 (1938).

2 GI~&U, t~., I~. HAM1K 11. n . BAUMANN: Zi~. S. 335, Anm. 2. s PAIJLI, W., u. E. VALKO : Elektroehemie der Kolloide. Wien: Springer 1929. - - WEBEI~, H. H. :

Bioehem. Z. ~18, 1 (1930). 4 Kt~Tz~L, A. : In GRass~xx, W. : tIandbueh der Lederfabrikation. Bd. I, Tefl 1, S. 511.

Wien: Springer 1944. Klmx, W., A. R~MEL, D. H. WALTON, G. EBNEI~ U. 14. J. Kt~m~: Yortsehr. Hoehpolymer.

Forseh. 1, 5~0 (1960).

338 R. H ~ :

Xnderungen im pH-Wer~ kSnnen yon erheblichem Einflnl3 anf die Feinstruktur des Muskeleiweil3es sein. PAUTAI~D 1 verfolgte die Syngrese yon Aetomyosin bei An- s~nern yon pI~ 7 auf pl~ 5 anhand yon RSntgendiagrammen nnd fand, da~ hierbei eine Superkontraktion des Proteins eintritt, ftir welehe das Proton nnd nicht die Bindnng des S~ureanions ver~ntwortlieh ist, wie fiberhaupt Actomyosin gegeniiber Protonen extrem empfindlich zn sein scheint.

Bald naehdem wir in einer vorlgnfigen Mitteilung 2 die in Abb. 1 wiedergegebene pi~-Hydratationsknrve des Rindermuskels verSffentlicht batten, erschien der Berieht eines Vortrages yon SUI, zBACI~m~ n. ~.s, arts welehem hervorgeht, dal3 diese Antoren mit einer anderen Methodik (Zentrifugier-Teehnik) ebenfalls bei pI~ 3 und 10 Maxima des WasserbindnngsvermSgens feststellten.

Die Bildung eines Maximums des WasserbindungsvermSgens bei niedrigen pi~-Werten (Abb. 1) zeigt, d~l~ ein T3bersehuI3 yon Salzs~nre die Hydratat ion des Muskels herabsetzt. Wahrscheinlieh schirmt die mit sinkendem pH-Wert immer fester werdende Bindung des Sgureanions die p0sitiven Ladungen der Amino- und Imidazol- grnppen ab. Hierdnrch wird die Abstol3ung zwischen diesen Ladungsgruppen nnd damit aueh zwischen den Molekfilen vermindert; die Peptidketten kSnnen wieder enger zusammenriieken, nnd daher nimmt die Menge an immobilisiertem Wasser ab. Ein entsprechender Vorgang wird auf der basisehen SeRe des I . P . dnreh die mit steigendem pi~-Wert zunehmende Bindung des Basenkations bewirkt.

HA~x~ESS n. WASSEI~A~¢¢ 4 erklgrten die Viseosit~tsabnahme yon Actomyosin bei steigendem pH-Wert im basischen Bereich des I. P. mit einer znnehmenden Ab- sehirmung yon Proteinladnngen dnreh Bindung yon Gegenionen, wodureh die elektrostatisehe AbstoBung herabgesetzt wird. Es besteht hier offenbar eine Analogie zwischen ttydratations- nnd Viseositgtserscheinungen. Dal3 tats~ehlieh die Bindung des Gegenions fiir die Ausbildung eines Hydratationsmaximums anf der sauren Seite des I . P . raal3gebend ist, ergibt sich aus dem Einflnl3 des S~Lure-Anions anf die pg-I{ydratationskurve des Muskels (Abb. 2). Bei Ansgnern mit Essigsgure oder Milch- s~ture, deren Anionen wesentlieh schwgeher gebunden werden als das Chlor-Ion 5, steigt die Hydratat ion auch bei p~t-Werten < 3,0 mit sinkendem pI~ weiter an. Soweit ein Maximum des WasserbindungsvermSgens fiberhanpt zu erfassen ist, liegt dieses bei wesentlich niedrigeren pH-Werten als bei Ansauern mit tIC1. Damit stehen l~esultate yon OI~ADA u. TADA 6 an Makrelenmuskel in Einklang, wonach bei gleichem pg-Wert H2SO 4 die Quellung des Gewebes weniger stark erhSht als Essigsgure oder Phosphors~ure.

Grundsgtzlieh ware es mSglieh, die Gestalt der in Abb. 1 gezeigten Kurve start mit der eben er6rterten ,,elektrostatischen Theorie der maximalen Quellung", die zuerst yon TOL~AI~ n. STEAI~:bT 7 anfgestell~ wurde, anch mit der Quellungstheorie yon P~OC~ER n. WInso~ s zu erkl/~ren. Diese Autoren sehreiben den Einflul3 yon S/~nren und Basen auf die Quellung der Tatsaehe zu, dab naeh der Donnansehen Theorie des Membrangleichgewichts die Ionenverteilung zwisehen dem s/~ure- oder a]kali- gequoilenen Proteingel nnd der £nl3eren Flfissigkeit nngleieh ist; die Konzentration

PAVTI~ARD, F. G. E.: :Nature (Lond.) 183, 1392 (1959). HAM~, 1~. : Zit. S. 335, Anm. 1.

a SU~ZBACgv,~, W. L., E. J . GIBes, C. E. SWIFT u. A. J. F~YA~: Proc. XI I th Res. Confer., American Meat Inst . Found., S. 61 (1961).

4 HAI~KNESS, M. n. R., 11. A. WASS:EI~IVIAI~h~: J. chem. Soc. 1954, 1344. H ~ z ~ , 1~., u. R. GnAv: Diese Z. 108, 280 (1958).

60KADA, M., II. S. TADA: :Bull. Japan. Soc. Sci. Fisheries 19, 178 (1953). TO~A~, 1%., II. A. E. ST~A~ : J. Amer. chem. Soc. 40, 272 (1917),

s P~ocTn~, H. 1%., u. J . H. W i l s o n : J. chem. Soc. 109, 307 (1916).

IJber das Wasserbindungsverm6gen des S/iugetiermuskels. VIII 339

der Ionen ist im Innern des Gels h6her Ms augen. Das Wasser wandert daher yon der AuBenflfissigkeit in das Gel hinein. DO~AN~ ,,Membrangleiehgewieht" existiert aueh bei Proteingelen ohne Membran, da die Protein-Ionen dutch Kohgsion daran gehin- deft werden, in die umgebende L6sung zu diffundieren. Die Bedeutung osmotiseher Vorggnge bei der Quellung synthetiseher Hochpolymeren wurde oben bereits erwghnt. Ki~NTZEL 1 weist jedoeh naehdr/icklieh darauf hin, dab der Einflug des Dissozia- tionszusta~ndes des Proteins nieht vernaehlgssigt werden darf. Dieser EinfluB diirfte wesentlieh sehwerwiegender sein als der osmotisehe Effekt der elektrostatiseh gebun- denen Gegenionen (z. B. CI-, Na+). Es ist nieht einzusehen, dag der zahlenmfigig geringe IoneniibersehuB im Innern der Muskelmieellen die sehr erhebliehe Vergr6ge- rung yon Volumen und Wasserbindungsverm6gen bei S/iure- und Laugenquellung hervorrufen solt. So ist es nieht m6glieh, eine drei- bis zehnfaehe Volumenzunahme mit PaOCTEa-WILSONs Theorie zu erkl/~renL Die Annahme, dag das Proteinsalz voll- kommen dissoziiert sei, ist ein grundlegender I r r tum dieser Theorie 1. NETTE~ ~ sehreibt zwar: ,,Die quantitative Untersuehung der Donnan-Verteilung zwisehen Gel und Quellfl/issigkeit zeigt, dal3 die pH-AbMngigkeit der Quellung dem Donnansehen Gesetz folgt. I)aher ist die Annahme als bewiesen anzusehen, dab die vom Io~ ab- h~ngige Wasseraufnahme dureh den Donnansehen osmotisehen ~berdruek bewirkt wird"; da aber die pH-Abhgngigkeit der Muskelquellung sehr wohl aueh mit Hilfe der elektrostatisehen Theorie erkl/~rt werden kann, darf die maBgebende Bedeutung Donnan-osmotiseher Vorg/~nge f/Jr die Quelhng noeh nieht Ms bewiesen angesehen werden.

KOTTE~ ~ vermutete, dab bei der Messung des p~-Einflusses auf das Wasserbin- dungsvermSgen des Muskels mittels der PreBmethode aueh Aufl6sungsvorg~inge des ~{uskeleiweiges erfagt werden. I m pt~-Bereieh 3--10 ist jedoeh, ~de die Untersuehung yon SULZBACI~E~ u. a. ~ beweist, der EinfluB des lot~-Wertes auf die Menge an extra- hierbaren Proteinen nut sebr gering.

Zusammen/assung Es wird der Einflul3 des p~-Wertes auf das Wasserbindungsverm6gen yon Rinder-

muskel-Homogenaten im p~-Bereich yon 1,5 bis 11 untersucht. Am isoelektrisehen Punkt des Actomyosins zeigt der Rindermuskel ein Minimum

des Wasserbindungsverm6gens. Es sind ferner zwei Hydrata t ionsmaxima bei pH 3 und 10 zu beobaehten. Der Verlauf der loH-/C[ydratationskurve bei p~-Werten < 3 wird yon der Art des S/~ure-Anions bestimmt. Die p~-AbMngigkeit des Wasser- bindungsverm6gens 1/~13t sich auf Grund der elektrostatisehen Theorie der Quellung deuten. Donnan-osmotische Vorg~nge dtirften im postmortMen zerkleinerten lV[uskel nur yon sekund~rer Bedeutung sein.

1 Kff~-TZEn, A. : Zit. S. 337, Anm. 4. NETTEd, H.: Theoretische Bioehemie. Berlin-G~Sttingen-Iteidelberg: Springer 1959.

3 KOTT~, L. : Zur Wirkung kondensierter Phosphate und anderer Salze auf tierisches Eiweil3. Hambm'g: M. H. Schaper 1960.

SVLZBAe~Em W. L., 1%. J. GIBBS, C. E. SWIFT u. A. J. F~Y~x: Zit. S. 338, Anm. 3.