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
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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
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 01
2. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................ 03
2.1. Características fundamentais ........................................................................ 03
2.2. Síntese de colágeno ...................................................................................... 04
2.3. Classificação ................................................................................................. 07
2.3.1 Identificação e localização dos tipos de colágeno ....................................... 09
2.4. Grau de estabilidade e ligações covalentes .................................................. 10
2.5. Solubilidade e degradação do colágeno ....................................................... 12
2.6. Colágeno e sua influência na qualidade da carne ......................................... 21
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 25
REFERÊNCIAS .................................................................................................... 26
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1. INTRODUÇÃO
O tecido conjuntivo desempenha um importante papel morfo-estrutural do
organismo sendo um elemento fundamental para a manutenção da forma e da
integridade dos tecidos atuando 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.
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 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 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,
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ligamentos, distribuindo fluidos nos vasos sanguíneos e linfáticos, 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).
Por sua vez, diversos trabalhos enfocam 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.
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2. 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 a 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).
2.1 Características fundamentais
O colágeno é uma proteína fibrosa e insolúvel que 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).
Sua principal função no músculo é 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
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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
(LEHNINGER et al., 2002).
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.
2.2 Síntese de colágeno
O colágeno é produzido por células como, por exemplo, os fibroblastos. Sua
síntese pode ser acompanhada na Figura 1 onde 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 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
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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 1 - 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
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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 2), contribuindo para que as fibras colágenas,
posteriormente originadas, obtenham um padrão estriado (Figura 3). Esta
configuração 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 4)
(LAWSON & CZERNUSZKA, 1998)
FIGURA 2 - Representação esquemática das microfibrilas, onde cada seta
corresponde a moléculas de tropocolágeno
FONTE: SENA (2004)
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FIGURA 3 - Padrão estriado das fibras de colágeno
FONTE: NELSON & COX (2000)
FIGURA 4: Ligações cruzadas entre moléculas de tropocolágeno
FONTE: GROSS et al. (2005)
2.3 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 consideráveis 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.
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Apesar dos vários tipos de colágeno, nem todos são capazes de constituir
fibrilas e, portanto, podem ser agrupados em três grupos diferentes (Tabela 1).
Dentre os já encontrados, vale ressaltar os onze tipos primeiramente identificados
já que são os mais conhecidos e estudados:
TABELA 1 – Propriedades moleculares dos tipos de colágenos geneticamente
distintos
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
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.
FONTE: Adaptado de RAMOS & GOMIDE (2009)
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2.3.1 Identificação e localização dos tipos de colágeno
De acordo com BAILEY (1987) segue abaixo os diferentes 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.
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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.
2.4 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 5) e não contém a sequência
característica Gly-Pro-Hyp (Glicina-prolina-hidroxiprolina). Assim, pode-se
observar que nas ligações cruzadas de alguns tipos de colágeno como os do tipo
I, II e III há a presença de moléculas de lisina-aldeídos na região dos
telopeptídeos e um resíduo de hidroxilisina na molécula de tripla hélice.
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FIGURA 5 - Estrutura terciária do colágeno
FONTE: SENA (2004)
Muitos 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 concentração 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.
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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.
2.5 Solubilidade e degradação do colágeno
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 se diferem 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).
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LEPETIT (2007) buscou então analisar em seu trabalho 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, pôde-se observar que independente da espécie
animal, do sexo, idade, castração, 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
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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 trabalho, 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
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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
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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 a 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, entretanto, 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.
17
Esta técnica foi testada avaliando sua capacidade de induzir o rompimento
da membrana das células do tecido muscular, o que poderia contribuir para uma
maior maciez.
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 ao final 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, se observou ainda 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).
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
18
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 um 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.
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.
Pesquisas sobre a adição destas enzimas exógenas à carne têm sido
conduzidas por 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
19
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).
20
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 ―farinhenta‖ 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).
21
2.6 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,
22
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.
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).
23
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 são conduzidos a fim de se
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) pôde 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
24
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).
25
3. 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 a 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.
26
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