Propriedades do colágeno

Propriedades do colágeno

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS

ESCOLA DE VETERINÁRIA E ZOOTECNIA

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ANIMAL

Disciplina: SEMINÁRIOS APLICADOS

PROPRIEDADES FUNCIONAIS DO COLÁGENO E SUA FUNÇÃO NO TECIDO MUSCULAR

Francine Oliveira Souza Duarte

Orientador: Prof. Dr. Moacir Evandro Lage

Goiânia

2011

FRANCINE OLIVEIRA SOUZA DUARTE

PROPRIEDADES FUNCIONAIS DO COLÁGENO E SUA FUNÇÃO NO TECIDO MUSCULAR

Seminário apresentado junto à Disciplina Seminários Aplicados do Programa de Pós-Graduação em Ciência Animal da Escola de Veterinária e Zootecnia da Universidade Federal de Goiás.

Nível: Mestrado

Área de Concentração:

Sanidade Animal, Higiene e

Tecnologia de Alimentos

Linha de Pesquisa:

Controle de Qualidade em Produtos de Origem Animal

Orientador:

Prof. Dr. Moacir Evandro Lage – UFG

Comitê de Orientação:

Profª. Dra. Cíntia Silva Minafra e Rezende - UFG

Prof. Dr. João Restle – UFT

GOIÂNIA

2011

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 01

2. REVISÃO DE LITERATURA 03

2.1. Características fundamentais 03

2.2. Síntese de colágeno 05

2.3. Classificação 08

2.3.1 Identificação e localização dos tipos de colágeno 09

2.4. Grau de estabilidade e ligações covalentes 11

2.5. Solubilidade e degradação do colágeno 13

2.6. Colágeno e sua influência na qualidade da carne 21

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS 25

REFERÊNCIAS 26

  1. INTRODUÇÃO

O tecido conjuntivo desempenha um importante papel morfo-estrutural do organismo. Constitui-se em um elemento fundamental para a manutenção da forma e da integridade dos tecidos. Atua como agregador na sustentação aos epitélios, no suporte de células, além de auxiliar na hidratação do corpo e funcionar como barreira na defesa do organismo contra agentes infecciosos.

O tecido conjuntivo possui células e fibras extracelulares envoltas por grande quantidade de substância fundamental amorfa. Os principais tipos de tecido conjuntivo são: tecido conjuntivo propriamente dito, tecido conjuntivo adiposo e tecido conjuntivo de sustentação. Dentre estes, o tecido conjuntivo propriamente dito é considerado o mais importante com relação ao tecido muscular e à carne, pois possui como constituintes três tipos de fibras extracelulares: as colágenas, as reticulares e as elásticas.

O colágeno forma o principal tipo de fibra extracelular, sendo a proteína mais abundante no organismo do animal, representando cerca de 20 a 25% do total de proteínas em mamíferos (SARCINELLI et al., 2007). É uma proteína fibrosa caracterizada por grande diversidade biológica e ampla força de tensão. Esta diversidade na sua estrutura e função pode ser observada nas diferentes formas de ocorrência do colágeno, como por exemplo: na presença de fibras colágenas nos tendões, fibras entrelaçadas formando camadas flexíveis na pele, películas transparentes de fibras finas na córnea, estrutura de membrana amorfa presente na cápsula e nos glomérulos renais, na lubrificação de cartilagem das articulações, presença de colágeno mineralizado no osso, na dentina e filamentos finos circundando e suportando as células; promovendo então, elasticidade e resistência à pele, aos músculos, tendões, ligamentos, distribuindo fluidos nos vasos sanguíneos e linfáticos, e auxiliando na deposição mineral nos ossos, entre outros.

O colágeno, portanto, pode ser encontrado sob várias formas no tecido de todos os organismos multicelulares, desde os invertebrados mais primitivos, esponjas, até o homem; assim, a base da organização estrutural do reino animal depende das propriedades das fibras de colágeno extracelular.

O interesse acerca das propriedades funcionais do colágeno se reflete nos numerosos e recentes estudos que abrangem todas as áreas do conhecimento, onde a análise destas moléculas permite uma maior compreensão da origem de várias doenças decorrentes da síntese defeituosa, excesso ou insuficiência da produção destas proteínas, associando-as a síndromes raras, má formações e fraturas ósseas, problemas de locomoção e de pele, escleroses múltiplas e até óbitos relacionados à ruptura de artérias e intestino (JUNQUEIRA, 2008).

Diversos trabalhos enfocam também os benefícios do uso e dos efeitos do colágeno nas terapias de regeneração e reparação de lesões ósseas, problemas cardíacos, cirurgias estéticas e outras.

A discussão sobre as propriedades funcionais do colágeno se estende além da sua utilização na medicina, em produtos cosméticos e fármacos; abrange também a produção de alimentos e a indústria da carne, sendo muito utilizado como constituinte na emulsão de carne para fabricação de embutidos como salsichas e mortadelas, influenciando ainda na qualidade da carne, de acordo com seu tipo e concentração no tecido muscular.

A variação na textura da carne é decorrente das várias propriedades do colágeno como: tamanho da fibra, tipo genético, conteúdo total e solubilidade do colágeno que se relaciona com a natureza e integridade de suas ligações cruzadas, determinando a interferência desta proteína na maciez da carne bovina.

Assim, mediante as considerações acima e demonstrando a importância e relevância do tema, será evidenciado nesta revisão desde a biosíntese do colágeno, bem como formação de sua estrutura molecular, grau de estabilidade e ligações covalentes entre moléculas, até a sua solubilidade, degradação e relação com a qualidade da carne e seus derivados.

  1. REVISÃO DE LITERATURA

O termo colágeno deriva do termo grego Kolla = cola e geno = produção, ou seja, a produção de cola a partir de diferentes matérias-primas. Classificada como a mais antiga cola do mundo, o colágeno era obtido pelo aquecimento da pele e tendões de cavalos, bovinos e outros animais, já sendo utilizado como adesivo pelos egípcios a cerca de 4.000 anos atrás e por outros povos como revestimento protetor sobre tecidos bordados, cestas de corda, e confecção de instrumentos musicais (SHIMOKOMAKI, 1991).

Em meados de 1930 apresentou-se a primeira evidência de que esta proteína possuía uma estrutura regular em nível molecular, mas só em 1983 surgiu sua primeira definição no dicionário como sendo o constituinte dos tecidos que por aquecimento dá origem a gelatina (JUNQUEIRA, 2008).

    1. Características fundamentais

O colágeno constitui a matriz extracelular do tecido conjuntivo; como proteínas principais desta matriz, elas perfazem aproximadamente 25% da massa protéica total do organismo possuindo importante papel na arquitetura tecidual mantendo a estrutura física de uma espécie, pois possui grande resistência mecânica conferida pela sua organização macromolecular que resulta na formação de fibras (RODRIGUES, 2009).

Tem como principal função no músculo suportar as fibras musculares, onde para se produzir movimento, promove a transmissão da força contráctil das unidades miofibrilares ao esqueleto. Desta forma, o colágeno é o principal componente dos ligamentos, tendões, constituindo ainda a rede protéica (endomísio, perimísio e epimísio) responsável pela estruturação e suporte muscular; além de fornecer a matriz sobre a qual ocorre a calcificação nos dentes, cartilagens e osso (RAMOS & GOMIDE, 2009).

A molécula de colágeno é uma glicoproteína composta por três cadeias polipeptídicas helicoidais, cada uma com aproximadamente 1000 aminoácidos denominada cadeia α. Com rotação óptica negativa (no sentido horário), as cadeias apresentam uma seqüência estrutural básica contendo grandes quantidades, aproximadamente um terço, do aminoácido glicina além de prolina, lisina e outros dois aminoácidos: a hidroxiprolina e hidroxilisina que são derivadas da prolina e lisina através de processos enzimáticos dependentes de vitamina C (Figura 1) (LEHNINGER et al., 2002).

FIGURA 1 - Representação esquemática da molécula de colágeno (a) forma de triplete presente nas matrizes colagênicas; (b) tropocolágeno; (c) tripla hélice; (d) modelo do quarto alternado pentafibrilar

FONTE: SMITH (1968)

As cadeias se enovelam formando uma tripla hélice estável e de tamanho variado. As moléculas de tripla hélice que são secretadas pela célula apresentando domínios globulares terminais são denominadas de procolágeno. Estas regiões globulares são clivadas em graus variados antes da agregação extracelular para origem de uma estrutura polimerizada, o tropocolágeno (LEHNINGER et al., 2002).

De acordo com GOMÉZ-GUILLÉN et al. (2002) o colágeno é caracterizado por ser uma das poucas proteínas constituídas com elevada quantidade de hidroxiprolina (13-14%) e por isso este aminoácido é muito utilizado na quantificação do conteúdo de colágeno presente no tecido muscular, na carne e em produtos derivados. A hidroxiprolina é, portanto, o aminoácido mais importante, uma vez que possui a capacidade de estabelecer pontes de hidrogênio através de seus grupamentos OH ajudando na estabilidade da molécula. Assim, a temperatura de desnaturação e a quantidade de hidroxiprolina e prolina presente nesta proteína são consideradas como fatores responsáveis pelo possível desdobramento e fácil solubilidade da hélice de colágeno.

    1. Síntese de colágeno

O colágeno é produzido por células como, por exemplo, os fibroblastos. Para sua síntese (Figura 2), as cadeias polipeptídicas de colágeno sintetizadas nos ribossomos possuindo domínios terminais globulares N- e C- são traduzidas e enviadas ao retículo endoplasmático rugoso sendo denominadas neste momento de cadeias pró-α ou pré-pró-colágeno. No retículo endoplasmático rugoso estas cadeias passarão pelos processos de hidroxilação dos aminoácidos prolina e lisina e glicosilação de resíduos hidroxilisil; pontes dissulfeto se formarão na região C-terminal permitindo a combinação entre cadeias e seu enrolamento na direção C-N formando uma tripla hélice estabilizada por pontes de hidrogênio, algumas formadas com resíduos de hidroxiprolina, outras com glicina no centro da hélice (RUBIN & STRAYER, 2006; GARVICAN et al., 2010).

FIGURA 2 - Representação esquemática da síntese de colágeno

FONTE: GREGÓRIO (2011)

Esta molécula helicoidal de fita tripla denominada então de pró-colágeno será posteriormente secretada para o meio extracelular. A agregação final do pró- colágeno e a conseqüente formação de fibrilas requerem a remoção dos domínios N e C terminais para formação de moléculas de tropocolágeno. Esta clivagem é realizada pelas proteinases extracelulares C- e N- garantindo a agregação espontânea das moléculas de tropocolágeno que se agruparão em polímeros dando origem às fibrilas que se associarão em feixes maiores formando então as fibras de colágeno (GARVICAN et al., 2010).

A disposição ordenada das moléculas de tropocolágeno para formação das microfibrilas ocorre de forma regular e específica onde a quinta molécula coincide com a primeira (Figura 3), contribuindo para que as fibras colágenas, posteriormente originadas, obtenham um padrão estriado (Figura 4).

FIGURA 3 - Representação esquemática das microfibrilas, onde cada seta corresponde a moléculas de tropocolágeno

FONTE: SENA (2004)

FIGURA 4 - Padrão estriado das fibras de colágeno

FONTE: NELSON & COX (2000)

Esta configuração estriada se dá devido à presença de interações de grupos apolares e polares. Tais forças são suficientes para agrupar as microfibrilas, entretanto, não conferem estabilidade mecânica suficiente ao colágeno que só é alcançada pela formação de ligações cruzadas covalentes intra ou intermoleculares (Figura 5) (LAWSON & CZERNUSZKA, 1998)

FIGURA 5: Ligações cruzadas entre moléculas de tropocolágeno

FONTE: GROSS et al. (2005)

    1. Classificação

A molécula de colágeno ocorre em várias formas polimórficas de acordo com a natureza dos três constituintes da cadeia polipeptídica onde três tipos de cadeia α se diferem quanto ao conteúdo de aminoácidos, sendo referidas como α1, α2 e α3. A distribuição dessas cadeias na molécula de colágeno varia com as variações genéticas específicas. (RAMOS & GOMIDE, 2009).

Com o decorrer dos anos, vários novos colágenos têm sido identificados. Sabe-se que 25 tipos diferentes de colágeno já foram descobertos, evidenciando variações consider áveis no comprimento de sua tripla hélice quando comparados uns aos outros (VUORIO & GROMBRUOGIE, 1994).

Logo, podem-se observar os tipos de colágeno variando em diâmetro, composição aminoacídica, comprimento, estrutura molecular, concentração e localização nos diversos tecidos (RAMOS & GOMIDE, 2009).

Apesar dos vários tipos de colágeno, nem todos são capazes de constituir fibrilas e, portanto, podem ser agrupados em três grupos diferentes (Quadro 1). Dentre os já encontrados, vale ressaltar os onze tipos primeiramente identificados já que são os mais conhecidos e estudados:

QUADRO 1 – Propriedades moleculares dos tipos de colágenos geneticamente distintos. ¹α1,α2,α3 representam os três tipos de cadeias que diferem no conteúdo de aminoácidos. O número em parênteses apenas denota o tipo de colágeno formado. Cada molécula de colágeno possui três cadeias α. Sendo assim sua representação: [α1(I)]₂α2(I) = colágeno tipo I constituído por duas cadeias α1 e uma α2.

GRUPO I - COLÁGENO FIBRILAR

TIPO COMPOSIÇÃO MOLECULAR¹

I

II

[α1(I)]₂ α2(I)

[α1(II)]₃

[α1(III)]₃

III

GRUPO II - COLÁGENO NÃO FIBROSO

IV

[α1(IV)]₂α2(IV) ou [α1(IV)]₃

GRUPO III - COLÁGENO MICROFIBRILAR

MATRIZ

VI

VII

α1(VI)α2(VI)α3(VI)

α

PERICELULAR

V

IX

[α1(V)]₂α2(V) ou outra combinação

α1(IX)α2(IX)α3(IX)

[α1(X)]₃

X

NÃO CLASSIFICADO

VIII

XI

α

α1α2α3

FONTE: Adaptado de RAMOS & GOMIDE (2009)

2.3.1 Identificação e localização dos tipos de colágeno

De acordo com BAILEY (1987) e por serem os mais conhecidos, segue abaixo os principais tipos de colágeno e sua localização nos variados tecidos:

  • Colágeno tipo I: Primeiro tipo a ser caracterizado, sendo descrito como o mais comum e abundante dentre os outros grupos. Identificado nas cartilagens, tendões, ossos e pele.

  • Colágeno tipo II: Identificado pela primeira vez na cartilagem, onde é o principal componente estrutural. Está presente também nos discos intervertebrais, no humor vítreo e na notocorda.

  • Colágeno tipo III: Identificado inicialmente na derme fetal. Tem se mostrado presente em pequenas quantidades em muitos outros tecidos como: nas trabéculas dos órgãos hematopoiéticos (baço, nódulos linfáticos), no fígado, útero, nas camadas musculares do intestino e particularmente no sistema vascular. Uma alta proporção deste tipo de colágeno pode ser encontrada também no perimísio de músculos desempenhando papel fundamental na textura da carne.

  • Colágeno tipo IV: Presentes na membrana basal, constituindo películas não fibrosas subjacentes a células epiteliais e endoteliais, circundando células musculares e nervosas e fornecendo a estrutura da cápsula do cristalino ocular e dos glomérulos.

  • Colágeno tipo V: Isolado inicialmente de membranas placentárias e presente também nos ossos e tendões.

  • Colágeno tipo VI: Identificado originalmente na aorta.

  • Colágeno tipo VII: Isolado primeiramente da placenta através da digestão por pepsina. Encontrado na membrana basal da derme e na membrana corioalantóide.

  • Colágeno tipo VIII: Originalmente identificado em culturas de células endoteliais, embora não seja sintetizado por todas estas células. Está presente na aorta de bovinos, mas ausente na de humanos; há poucas evidências quanto a sua distribuição nos tecidos, estrutura ou composição.

  • Colágeno tipo IX: Isolado pela primeira vez da cartilagem articular de suínos, discos intervertebrais e da cartilagem esternal de pintainhos. Isolado também, posteriormente, de um tumor cartilaginoso e de cultura de células embrionárias de cartilagem hialina

  • Colágeno tipo X: Inicialmente identificado em meio a culturas de condrócitos. Presente em cartilagens.

  • Colágeno tipo XI : Presente nas cartilagens articulares.

    1. Grau de estabilidade e ligações covalentes

De acordo com LIRA (1997) existem dois tipos de ligações cruzadas no colágeno: ligações intramoleculares que ocorrem entre as cadeias α na molécula de tropocolágeno e com função ainda não bem esclarecida, e ligações intermoleculares que ligam uma tripla hélice a outra e são essenciais para o mecanismo de estabilidade da fibra de colágeno.

Segundo RAMOS & GOMIDE (2009) as ligações cruzadas intermoleculares ocorrem nos terminais N- e C- da fração não helicoidal da molécula de colágeno, denominada telopeptídeo. Os telopeptídeos constituem as regiões terminais não helicoidais das moléculas de tropocolágeno (Figura 6) e não contém a sequência característica Glicina-prolina-hidroxiprolina (Gly-Pro-Hyp).

FIGURA 6 - Estrutura terciária do colágeno

FONTE: SENA (2004)

Estudos têm demonstrado a grande relação entre o tamanho da fibra de colágeno, seu tipo genético, conteúdo total e solubilidade com a natureza e integridade de suas ligações covalentes determinando a contribuição desta proteína para a textura da carne (BAILEY, 1985).

A alta força de tensão gerada pelas pontes cruzadas intermoleculares é responsável pela relativa inextensibilidade e insolubilidade do colágeno que é notada por meio do aumento da estabilidade térmica e mecânica desta proteína, dificultando sua desnaturação e propiciando a diminuição da maciez da carne de acordo com o desenvolvimento do animal (NISHIMURA, 2010).

Em geral, animais mais velhos possuem maiores ligações cruzadas entre as fibras de colágeno do que os mais novos, sendo que a medida que o animal envelhece essas ligações covalentes tornam-se mais estáveis e resistentes ao calor (termoinsolúveis), resultando em resíduos que persistem mesmo após a hidrólise. Desta forma, a composição, a quantidade e o arranjo do tecido conjuntivo intramuscular afetam a textura da carne e as mudanças que ocorrem no músculo com a idade do animal (RAMOS & GOMIDE, 2009).

Embora a co ncentração de colágeno termossolúvel reduza com o aumento da maturidade fisiológica e cronológica do animal, o colágeno total presente no músculo não aumenta, podendo inclusive sofrer ligeira redução (RAMOS & GOMIDE, 2009).

A quantidade das ligações estáveis varia consideravelmente com os diferentes tipos de músculo e espécies animais. SWATLAND (1999) exemplifica esta variação de colágeno quando compara diferenças de maciez entre mesmos músculos de espécies diferentes como, por exemplo, o músculo Longissimus dorsi de suínos que apresentam menos ligações cruzadas entre as fibras colágenas do que o músculo Longissimus dorsi de bovinos; demonstrando também as diferenças na quantidade de ligações covalentes entre músculos de animais de mesma espécie, ou seja, em bovinos o músculo Semimembranosus apresenta mais ligações que o Longissimus dorsi.

Desta forma, o tipo de ligações cruzadas que há nas fibras de colágeno reflete diretamente sobre o grau de solubilidade do tecido conjuntivo.

    1. Solubilidade e degradação do colágeno

A musculatura como um todo, bem como os feixes e fibras musculares são recobertos por tecido conjuntivo que recebe diferentes nomes de acordo com sua localização; deste modo, o feixe de fibras colágenas espessas que envolvem e separam os músculos recebe o nome de epimísio, as bainhas de fibras de colágeno que circundam os feixes são chamadas de perimísio e a rede que recobre individualmente as fibras musculares chama-se endomísio.

O colágeno, um dos principais componentes do tecido conjuntivo intramuscular, está intimamente relacionado com a maciez da carne e outras propriedades qualitativas, estabelecendo-se uma relação direta entre sua estabilidade térmica e as ligações cruzadas de fibras colágenas. Muitas destas características térmicas do colágeno intramuscular, especialmente sua termo-estabilidade tem sido objetos de pesquisa para a avaliação da qualidade e textura da carne (HAI-JUN et al., 2009).

O tecido conjuntivo está presente em todos os cortes cárneos, porém com proporções diferentes em cada um deles, onde a textura dos vários grupos musculares estaria relacionada não somente ao conteúdo de colágeno total, mas também à existência destas ligações termoestáveis que acabam influenciando na sua solubilidade e interferindo principalmente na maciez da carne cozida.

No músculo a quantidade de colágeno do perimísio é bem maior que a fração de colágeno do endomísio. Estes dois tecidos diferem entre si quanto ao número e tipos de ligações cruzadas, sendo que quanto maior é o teor de colágeno no músculo, maior é a quantidade de ligações cruzadas (LIGHT et al., 1985; MCCORMICK, 1999).

LEPETIT (2007) em seu estudo buscou então avaliar os vários tipos de ligações cruzadas presentes tanto no perimísio quanto no endomísio, associando-as ao estabelecimento de maior ou menor dureza na carne cozida. Tais ligações podem ser covalentes, como é o caso das ligações peptídicas que ocorre entre os elementos das cadeias; podem ser divalentes, ligações entre duas moléculas de colágeno (hidroxilisinorleucina (HLNL), dihidroxilisinorleucina (DHLNL) e histidinohidroximerodesmosina (DMM)) ou trivalentes (hidroxilisilpiridinolina (HP) e lisilpiridinolina (LP)). Assim, observa-se que independente da espécie animal, do sexo, idade, castração e tipo de músculo, quanto mais ligações divalentes e trivalentes existirem, maior será a termo-estabilidade do colágeno e, portanto, mais dura será a carne cozida obtida.

Sob o ponto de vista da solubilidade, muitos trabalhos têm investigado os efeitos do processo de aquecimento na quebra das ligações cruzadas, na desnaturação do colágeno, bem como as decorrentes alterações nas características e textura da carne cozida, apontando alguns fatores que estariam relacionados a estas mudanças, como por exemplo: método de cozimento, binômio tempo-temperatura, grau de umidade e taxa de penetração do calor (HADLICH, 2011).

Durante o aquecimento, a molécula de colágeno, quando em solução, se desnatura a uma temperatura de 36ºC (temperatura de desnaturação térmica – TD), mantendo ainda sua estrutura e estabilidade devido à energia de cristalização da tríplice-hélice até a temperatura alcançar valores próximos de 64ºC, então denominada temperatura de encolhimento térmico (Ts). Á medida que a desnaturação continua na Ts, a tríplice-hélice começa a se quebrar nos terminais da molécula fazendo com que esta proteína encolha aproximadamente um quarto do seu comprimento original contribuindo para a dureza da carne. Entretanto, quando na presença de água e em aquecimentos superiores a 70 a 80ºC (temperatura de gelatinização – TG), ocorre uma maior desnaturação enzimática, o colágeno se solubiliza parcialmente devido a hidrólise de algumas ligações peptídicas nas regiões polares da molécula, resultando na formação de gelatina, o que torna a carne cozida mais tenra, aromática e macia (POWELL et al., 2000).

Como visto, o cozimento da carne altera a estrutura e as propriedades mecânicas do tecido conjuntivo intramuscular devido à desnaturação do colágeno. A composição e força de tensão do endomísio, que está ligada a perda de água do músculo, e principalmente do perimísio, que fornece resistência mecânica a carne, é um importante elemento de transformação a ser considerado durante este processo de aquecimento (BERNAL & STANLEY, 1987)

Baseando-se nisso, PALKA (1999) objetivou em seu estudo, determinar mudanças estruturais no tecido conjuntivo intramuscular e na solubilidade do colágeno do músculo Semitendinosus de bovino durante o processo de autoclavagem em temperaturas variando de 50 até 121ºC. O autor não observou alterações no tecido conjuntivo de amostras submetidas a 50ºC, porém, a uma temperatura de 60ºC foram evidenciadas granulações como possíveis resíduos da desnaturação do perimísio e do sarcolema. Houve ainda, pouca variação na porcentagem de colágeno solúvel da carne cuja temperatura interna era de 60ºC; entretanto, notou-se que à medida que se aumentava a temperatura, maiores eram os valores encontrados para solubilidade, ou seja, a uma temperatura de 70ºC essa quantidade de colágeno solubilizado havia praticamente dobrado. Já nas amostras cozidas a temperaturas de 80 a 121ºC pôde-se analisar a presença de estruturas fibrosas de tecido conjuntivo na carne com compressão e encurtamento gradual das mesmas; este achado estaria ligado provavelmente com a gelatinização e perda de colágeno intramuscular, principalmente do perimísio, e com os efeitos da renaturação de colágeno do endomísio durante o resfriamento da carne após o cozimento.

LI et al. (2010) também avaliaram a desnaturação térmica do colágeno durante o cozimento e seus efeitos sobre a resistência ao corte da carne. Para isso, submeteu 11 bifes obtidos do músculo Semitendinosus a um processo de cozimento com temperatura interna da carne variando em 40, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 e 90ºC; determinando conteúdo e solubilidade do colágeno, bem como a temperatura de transição para alterações das propriedades mecânicas do perimísio e endomísio.

Os resultados mostraram que nas temperaturas internas inferiores a 75ºC ocorreram encolhimento tanto da fibra muscular quanto do tecido conjuntivo intramuscular, em especial o perimísio, aumentando os valores de força de cisalhamento, atribuindo à temperatura interna de 65ºC um ponto crítico onde a carne cozida se tornava mais dura. O perimísio, portanto, é o contribuinte mais importante para o aumento da dureza da carne. À temperatura interna de 50ºC se pôde observar a desnaturação térmica do endomísio; já no perimísio, sua desintegração estrutural e granulações da fibra de colágeno foram notadas somente quando as carnes atingiam temperaturas internas entre 75 e 90ºC (LI et al., 2010).

Além dos efeitos da cocção sobre as fibras colágenas, outro processo como a maturação do tecido muscular promove interferência na solubilização desta proteína em diferentes cortes cárneos.

OLIVEIRA et al. (1998) avaliaram a influência da maturação de carne bovina na solubilidade do colágeno onde amostras de diferentes músculos, Biceps femoris e Triceps braquial, foram retirados de cada meia carcaça e divididos em duas porções, acondicionados à vácuo e maturados por 28 dias a 2ºC. Em uma porção, transcorrido o rigor mortis, realizou-se as análises físico-químicas e processo de cozimento até a temperatura interna de 70ºC. Nos cortes maturados, as análises e cozimento foram realizados aos 14, 21 e 28 dias de maturação. A solubilidade do colágeno, após o cozimento dos cortes cárneos, foi obtida a partir da quantificação da hidroxiprolina.

Como resultado, OLIVEIRA et al. (1998) observaram maior teor de colágeno no músculo Triceps braquial quando comparado ao Biceps femoris; esta diferença estaria relacionada a variada distribuição de tecido conjuntivo nos músculos de distintas regiões corporais, onde os músculos de locomoção apresentariam maiores quantidades de colágeno do que músculos de suporte como os lombares e torácicos. Entretanto, apesar do músculo Triceps braquial ter apresentado maior concentração de colágeno, foi no músculo Biceps femoris que se pôde constatar maior quantidade de colágeno solubilizado durante a maturação.

De acordo com STANTON & LIGHT (1987) essa diferença na solubilidade do colágeno entre os músculos, durante a maturação, seria decorrente dos variados tamanhos dos feixes e fibras de colágeno destes músculos e da maior ou menor eficiência das enzimas colagenolíticas na degradação desta proteína. Foi observado ainda no decorrer da maturação, um aumento maior do pH no músculo Biceps femoris, indicando um processo de maturação mais intenso neste corte cárneo, o que explicaria a maior solubilidade do colágeno neste músculo.

Nos músculos maturados a quantidade de colágeno solubilizado foi maior do que nos não maturados, com aumento gradual até 28 dias de maturação; isto se dá pela ação proteolíticas das catepsinas B e L, enzimas ativadas em pH ácido que estão presentes no interior dos lisossomos. Com a diminuição do pH no período post mortem e com o decorrer da maturação, ocorre uma ruptura progressiva dos lisossomos com elevada liberação destas proteases no meio extracelular que agirão degradando o colágeno, já que são capazes de clivar o colágeno insolúvel a fragmentos solúveis (OLIVEIRA et al.,1998; SENTANDREU et al. 2002).

HADLICH et al. (2006) obteve resultados similares nas amostras de músculo Longissimus dorsi, onde observou maior solubilidade em carnes com 10 dias de maturação quando comparadas a carnes não maturadas.

Desta forma, visando a melhoria da qualidade da carne, seja por propiciar a ruptura física das fibras de colágeno ou por aumento da degradação enzimática, o que levaria a uma maior maciez, torna-se constante a aplicabilidade de alguns tratamentos à carne, como por exemplo, a utilização de ultra-som em nível industrial e a aplicação de enzimas exógenas na carne para avaliar sua atividade na degradação dos componentes do tecido conjuntivo e efeitos no amaciamento da carne.

O uso de ultra-som na indústria de alimentos é uma tecnologia moderna cuja empregabilidade abrange principalmente o monitoramento das condições de processamento de produtos, a irradiação e descontaminação de superfícies de alimentos e de materiais funcionando como eficaz método antimicrobiano (ARANHA et al., 2009).

A utilização de baixa freqüência (2 – 10 kHz) e alta potência (100 – 1000 W) do ultra-som é capaz de alterar as propriedades de alguns materiais e alimentos comprometendo a integridade física destes, além de acelerar certas reações químicas uma vez que são geradas pressão e temperatura no meio (JAYASOORIYA et al., 2004).

Estes princípios têm sido utilizados em laboratórios de pesquisa a fim de promover rompimentos celulares, extração de enzimas e proteínas, formação de emulsões e dispersão de materiais agregados (GUAN et al., 2009)

Na indústria da carne, a aplicação do ultra-som em alta intensidade é capaz de alterar propriedades físicas e químicas da carne e de seus derivados. Alguns trabalhos buscaram investigar os efeitos do ultra-som no amaciamento da carne, entretanto, muitas conclusões obtidas foram diferentes. Esta técnica foi então testada, avaliando sua capacidade de induzir o rompimento da membrana das células do tecido muscular, o que poderia contribuir para uma maior maciez (HAI-JUN et al. 2009).

Alguns pesquisadores afirmaram maior amaciamento da carne quando estas foram submetidas a tratamentos com baixa freqüência e alta potência de ultra-som (24 kHz, 12 W/cm²) (JAYASOORIYA et al.,2007), e tratamentos com alta frequência e alta intensidade de ultra-som ( 2,6 MHz, 10 W/cm²) (GOT et al., 1999).

Diante de tais resultados, HAI-JUN et al. (2009) avaliou os efeitos do processamento ultra-som sobre as características do colágeno intramuscular termo-estável e nas propriedades físico-químicas do músculo Semitendinosus. Amostras do músculo foram submetidas a uma baixa freqüência e alta potência (40 kHz, 1.500W) de ultra-som em tempos distintos: 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos.

Os resultados do experimento indicaram que o tratamento por ultra-som reduziu o diâmetro da fibra muscular e exerceu influência significativa sobre o conteúdo de colágeno termo-insolúvel.

Na análise das características térmicas do colágeno foi evidenciado o enfraquecimento das suas ligações covalentes e conseqüentemente redução na estabilidade de suas moléculas. Após o uso do ultra-som as fibras de colágeno haviam perdido seu arranjo e se encontravam desorganizadas; desnaturação e granulações também foram identificadas no espaço extracelular. Entretanto, apesar da desnaturação, foi observado nas amostras expostas por 10 minutos, uma mínima atividade das enzimas lisossomais β-galactosidase e β-glucuronidase que desempenham importante papel na degradação da matriz mucopolissacarídica do colágeno, o que contribuiria para melhoria na maciez da carne (HAI-JUN et al., 2009).

Ainda segundo HAI-JUN et al. (2009) a atividade destas enzimas lisossomais deveria ter sido maior no citosol da célula. Buscando então explicar tal fato, GOT et al. (1999) afirma que a atividade enzimática apresentou considerável redução devido aos danos causados pela ação direta das ondas ultra-sônicas nestas enzimas.

Sabe-se que o ultra-som enfraquece a membrana celular devido o efeito de cavitação, efeito gerado quando uma onda sonora intensa passa através de um líquido criando regiões de compressão (pressão positiva) e rarefação (pressão negativa); assim, a agitação ultra-som de líquidos aumenta a transferência de massa e o aquecimento do material devido à absorção de energia das ondas, aumentando a taxa de reações bioquímicas (ARANHA et al., 2009).

A degradação do colágeno é controlada por várias enzimas denominadas de colagenases, que são derivadas de granulócitos, macrófagos, células epidérmicas e fibroblastos. Em geral, a molécula triplo-helicoidal de colágeno é extremamente resistente à ação da maioria destas proteases.

Em 1962, GROSS & LAPIÈRE isolaram da cauda de girino em metamorfose, uma enzima endógena que poderia digerir colágeno maduro, evidenciando a síntese e secreção, pelas células do tecido conjuntivo, de um grupo de metalo-proteinases que em pH fisiológico são capazes de degradar os principais componentes da matriz extracelular.

As metalo-proteinases foram inicialmente classificadas como endoproteases dependentes de zinco e capazes de digerir fibras colágenas, entretanto com o desenvolvimento da ciência, muitos outros tipos destas proteases foram isolados originando um grupo constituído por aproximadamente 24 tipos diferentes desta enzima (COUSSENS et al., 2002; KUO et al., 2003) .

Com o passar dos anos, outras proteinases com função de degradação do colágeno acabaram sendo identificadas como é o caso das serinas e cisteínas. Durante a degradação pelas colagenases e proteinases em geral, diferentes fragmentos de colágeno são gerados a partir da fibra que são então fagocitados e degradados, por hidrólise ácida, no interior do sistema fago-lisossomal (BAILEY, 1987).

Alguns pesquisadores sabendo, portanto, da importância destas colagenases e observando seus eficientes mecanismos de ação na degradação do colágeno, abordam em seus trabalhos estratégias que visem o amaciamento da carne a partir da aplicação de enzimas proteolíticas exógenas obtidas por diversas fontes como: as extraídas de plantas, bactérias e fungos (CALKINS & SULLIVAN, 2007).

Pesquisas sobre a adição destas enzimas exógenas à carne têm sido conduzidas há mais de 60 anos. Atualmente, apenas cinco das muitas enzimas exógenas estudadas foram classificadas e reconhecidas como seguras pelo Serviço de Inspeção de Segurança Alimentar dos Estados Unidos (Food Safety Inspection USDA Service - FSIS) e conseqüentemente somente estas podem ser utilizadas na carne a fim de se melhorar a textura (CALKINS & SULLIVAN, 2007). A cinco enzimas são:

  • Papaína: uma mistura de enzimas obtidas a partir do mamão, estudadas por seus efeitos de amaciamento da carne desde a década de 1940; causa degradação significativa do colágeno, resultando em fragmentos de proteínas de variados tamanhos. É mais eficaz quando injetada no produto devido sua pouca habilidade de penetrar superfícies. A faixa de temperatura ideal para sua maior atividade é 65 a 80ºC. Entretanto há certa controvérsia sobre sua capacidade de para solubilizar o colágeno.

  • Bromelina: Uma mistura de enzimas provenientes do abacaxi (protease cisteína). Estudada desde a década de 1950, a bromelina age degradando primeiramente 40% do colágeno presente no sarcolema seguido dos componentes miofibrilares. Apresenta atividade aumentada a uma temperatura de 50 a 70ºC.

  • Ficin: enzima derivada de figos. Apresenta menor atividade contra todos os tipos de proteínas quando comparada às papaínas e às bromelinas; possui pouca atividade contra o colágeno em temperaturas abaixo de 40ºC e ótima ação entre 60 e 70ºC.

  • Proteases Bacillus subtilis: uma mistura de enzimas proteolíticas (elastase alcalina e protease neutra) derivadas da bactéria Bacillus subtili; degradando especificamente o colágeno. A atividade da protease neutra aumenta rapidamente a 50ºC, com uma drástica queda a 65ºC. Esta protease bacteriana é utilizada como uma alternativa mais barata que o uso da ficin.

  • Proteases Aspergillus oryzae: protease aspártica obtida do fungo Aspergillus oryzae. Possui atividade auto-limitante, degradando pouco o colágeno. Apresenta atividade mínima durante o armazenamento refrigerado da carne por 14 dias, com ótima ação a uma temperatura de 55ºC (ASHIE et al. 2002).

Como visto, a temperatura, além do pH, é provavelmente o principal fator que influencia a atividade enzimática; a maioria das enzimas exógenas utilizadas para amaciar a carne tem uma atividade ótima na faixa de 50 a 70ºC, assim, a maior parte desta atividade ocorre durante o processo de cozimento, sendo que cada enzima possui ação diferenciada sobre o colágeno e as miofibrilas (CALKINS & SULLIVAN, 2007).

CALKINS & SULLIVAN (2007) conduziram um experimento a fim de comparar todas as enzimas de uso seguro ao consumo, avaliando seus respectivos efeitos na degradação do colágeno. Estes efeitos de degradação e amaciamento foram comparados entre os músculos supra-espinhal, tríceps braquial e a atividade das enzimas foi medida por meio de quatro ensaios. Primeiramente, houve a injeção de diferentes quantidades de cada enzima em bifes, para determinar o nível mais elevado da enzima que poderia ser usado sem causar amaciamento exagerado ou textura “farinácea” da carne. Em outras porções dos músculos foram injetados uma solução de água e enzima, a peça cárnea passou por um processo de “tumbling” (tombeamento) por 10 minutos, descansando por uma hora antes do corte em bifes. Dois bifes foram congelados por quatro horas após a injeção, sendo posteriormente cozidos a 70ºC e avaliados pela força de cisalhamento e painel sensorial; e um bife foi armazenado em refrigerador a 4ºC para ser utilizado em laboratório na comparação da solubilidade do colágeno e das proteínas miofibrilares com um indicador de degradação das proteínas.

Ao final do experimento, e como resultado mais importante a se considerar neste contexto, a solubilidade do colágeno apresentou-se maior nas amostras de carnes tratadas com papaína. Embora a papaína tenha apresentado os melhores resultados na ação colagenolítica, é necessário ressaltar que cada tratamento enzimático tem sua finalidade, sendo escolhido e utilizado na indústria da carne para obter o grau de degradação desejado; assim, antes de decidir sobre qual enzima usar, devem-se levar em conta alguns fatores como: matéria-prima, tempo de armazenamento, temperatura, ingredientes constituintes da salmoura, forma de preparo na cozinha, entre outros (CALKINS & SULLIVAN, 2007).

    1. Colágeno e sua influência na qualidade da carne e derivados

Dentre os diversos tipos de colágenos já identificados, pode-se observar a presença dos tipos I, III, IV, V, VI, XII e XIV na musculatura esquelética dos animais, sendo que os tipos I e III se encontram em maiores proporções. O conteúdo total de colágeno no tecido muscular dos bovinos pode variar de 1 a 15% de seu peso seco estando intimamente relacionado à textura da carne (NISHIMURA, 2010).

Embora a principal proteína constituinte do tecido conjuntivo, o colágeno, esteja em baixa quantidade no tecido muscular, o mesmo possui significativa importância ao se considerar as propriedades físicas da carne, já que o tipo e a elevada quantidade deste no tecido promovem a firmeza, a contração das fibras e a dureza miofibrilar (RODRIGUES & ANDRADE, 2004).

A morfologia, composição e quantidade de colágeno intramuscular variam enormemente entre os músculos, espécies, raças e principalmente conforme o sexo e o aumento da idade do animal, além da castração, demonstrada em alguns estudos como condição redutora desta proteína no tecido muscular, constatando menor resistência ao corte das carnes de bovinos castrados, verificando, portanto, maior maciez quando comparados aos inteiros (MORGAN et al. 1993).

O sexo do animal e a idade ao abate são pontos a se considerar quanto ao nível e estruturação do colágeno, uma vez que animais machos apresentam uma maior quantidade de tecido conjuntivo intramuscular que as fêmeas (LUCHIARI FILHO, 2000).

Apesar da pouca variação na concentração de colágeno do músculo com o crescimento e aumento da idade, é possível notar que a dureza da carne está mais relacionada à estruturação desta proteína de sustentação.

Em animais jovens a proporção de colágeno no músculo é maior, porém é termo-solúvel, ou seja, é passível de solubilização com a aplicação do calor, deixando a carne mais tenra; ao oposto, os animais mais velhos possuem menor concentração deste constituinte (FEIJÓ, 2011).

Segundo SMITH & JUDGE (1991), com o aumento da idade do animal, as moléculas de colágeno se tornam mais estáveis, formando pontes cruzadas entre elas, dificultando sua desnaturação e digestão enzimática. Em seus estudos, reuniram animais com diferentes maturidades para avaliar variações na solubilidade e ligações cruzadas do colágeno no músculo Semimembranosus; verificando a diminuição da solubilidade e o aumento significativo das ligações cruzadas com aumento da estabilidade térmica do colágeno intramuscular em animais mais maduros. Assim, conforme mencionado, quanto mais velho o animal e estruturado for o colágeno, mais intensas serão as ligações intermoleculares, mais rígidas serão as fibras de colágeno e mais dura será a carne.

Segundo NISHIMURA (2010), muitos pesquisadores têm tentado esclarecer a relação entre o conteúdo de colágeno e a resistência da carne utilizando uma combinação de avaliação organoléptica e alguns testes mecânicos. Muitos estudos sugerem que a obtenção de carnes de qualidade, mais macias, independe da concentração de colágeno no músculo; em contrapartida, outros demonstram que quanto mais rico em colágeno for o músculo esquelético, maior a dureza da carne; dureza esta que pode ser comprovada pela aplicação da força de cisalhamento.

A maioria das pesquisas, entretanto, revela uma ligação direta entre conteúdo de colágeno e a maciez, relação que pode ser prejudicial às qualidades desejáveis na carne.

O teor do colágeno é abordado ainda, na produção de embutidos e demais produtos derivados da carne como: salsichas, almôndegas, hambúrgueres, lingüiças, salames, sendo que a presença deste constituinte acaba influenciando a qualidade do produto final (OLIVO, 2011).

Geralmente, retalhos e cortes menos nobres ricos em tecido conjuntivo, utilizados em produtos cárneos processados pode apresentar altas porcentagens de proteínas com baixo valor nutritivo, sobretudo de colágeno (REIS et al. 1999).

Nas emulsões cárneas este uso de matéria-prima com elevado conteúdo de colágeno resulta em alguns defeitos no produto final; quando submetido à uma determinada temperatura, as fibras de colágeno se contraem gerando consistência mais dura aos produtos, entretanto, quando passa por tratamento térmico mais intenso, o colágeno começa a se gelatinizar liberando glóbulos de gordura após o resfriamento do produto. Outras alterações indesejáveis são a formação de granulações e bolsas de gelatina, inchamento e ruptura de produtos embutidos como salsichas e mortadelas (ROCHA & ELIAS, 2001).

Na indústria da carne, o colágeno está presente sob a forma de emulsão de couro suíno ou de pele de frango. Pesquisas mostram a ação do colágeno na estabilização dos glóbulos de gordura, na capacidade de retenção de água o que evidencia certo benefício na melhora da textura de produtos reestruturados e emulsionados; entretanto, dependendo do alto teor de composição na elaboração destes produtos, o colágeno pode prejudicar a estabilidade da massa (OLIVO, 2011).

Com isso, PEREIRA et al. (2011) trabalhando com carnes de aves mecanicamente separadas (CMSA), buscou avaliar os efeitos das diferentes concentrações de CMSA e fibras colágenas na qualidade da emulsão para salsichas examinando seu papel nas propriedades texturais.

A carne de aves mecanicamente separada é usada freqüentemente em produtos de carne cominuída devido sua consistência fina e baixo custo, porém durante o processo mecânico de remoção da carne do osso ocorre ruptura de células, desnaturações protéicas, aumento de lipídios e grupos heme livres, prejudicando algumas propriedades sensoriais do alimento (DAROS et al.,2005; BODNER & SIEG, 2009)

Partindo desta premissa, diversos estudos tem sido conduzidos a fim de otimizar e melhorar as características de vários alimentos que são essenciais para a aceitação do produto pelo consumidor. Assim, muitos ingredientes funcionais que influenciam na capacidade de retenção de água e são capazes de modificar a textura são de grande valia para o processamento de carne, que utiliza preparações de colágeno para melhorar os atributos qualitativos do produto final (TARTE, 2009).

As fibras de colágeno (fração grossa) e o pó de colágeno (fração fina) utilizado são provenientes de subprodutos de curtumes, como derme e tecido subcutâneo que foram previamente submetidos a tratamento químico e térmico. Portanto, baseando-se no baixo custo e nas propriedades funcionais do colágeno, a incorporação do mesmo como aditivo oferece alternativa para recuperar a textura de produtos formulados com alto conteúdo de CMSA e que apresentam consistência indesejável (PEREIRA et al. 2011).

PEREIRA et al. (2011) puderam verificar como resultado de sua pesquisa, que a adição de colágeno na emulsão afeta as características da salsicha, entretanto isto depende da quantidade de CMSA usado, sendo demonstrado então, que a adição entre 0,4 e 1%, foi capaz de minimizar os efeitos negativos da elevada quantidade de carne de aves mecanicamente separadas, principalmente com relação a coloração e perda de água pelo cozimento, melhorando as características organolépticas das salsichas

Além de sua influência na estabilidade das emulsões e massas de produtos processados, o colágeno é usado também como envoltórios para embutidos, devido sua fácil mecanização, condições higiênicas favoráveis além de se eleger a permeabilidade ao vapor e à fumaça, como é o caso das tripas artificiais de colágeno comestíveis e não comestíveis (GUERREIRO, 2006).

  1. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A estrutura e a composição do tecido conjuntivo intramuscular têm sido revisadas e estudadas por muitos autores que buscam compreender melhor os mecanismos de síntese e propriedades funcionais de sua mais importante proteína constituinte, o colágeno.

Os variados tipos de colágenos presentes no organismo dos seres vivos possuem distribuição específica nos tecidos e exercem funções essenciais para a manutenção da vida, evidenciando, portanto, sua grande diversidade biológica e seu papel fundamental para manter a integridade estrutural dos músculos.

O tecido muscular contém uma pequena quantidade de colágeno que, entretanto, exerce enorme influência sobre a textura da carne, que dependerá do baixo teor e alto grau de solubilidade e degradação desta proteína para ser melhorada.

Os estudos a cerca das propriedades funcionais do colágeno envolve não somente a medicina e a estética, mas também a indústria da carne e produtos processados, uma vez que sua concentração nos músculos, bem como seu nível de organização estrutural, termo-estabilidade e presença de ligações cruzadas entre moléculas influenciam diretamente a maciez da carne fresca, cozida ou maturada.

O colágeno está ligado ainda, a emulsões e elaboração de produtos cárneos; já que este constituinte do tecido conjuntivo em quantidades elevada na matéria-prima promove o aparecimento de características indesejáveis no produto final.

Deste modo, considerando a importância do colágeno em nível industrial, pesquisas buscam verificar e elucidar a relação entre conteúdo de colágeno, solubilidade e maciez da carne na obtenção de produtos de qualidade, no entanto, ainda sem relação significativa estabelecida. Isso demonstra a necessidade de mais estudos a respeito das interferências e efeitos do colágeno na carne e nos alimentos em geral, assim como também no desenvolvimento de técnicas aplicadas na indústria que visem estimular a degradação desta proteína, observando, compreendendo e relatando na íntegra, os mecanismos de síntese, estruturação, ação, função e degradação do colágeno.

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