Mitochondrial oxygen consumption and myoglobin redox stability in beef

Abstract

Myoglobin is the main pigment in meat and exists in three predominant states; deoxymyoglobin (DMb), oxymyoglobin (OMb), and metmyoglobin (MMb). The different myoglobin states are dependent on the production of mitochondrial reducing equivalents. Several approaches were considered in order to elucidate the mitochondrial role as a natural antioxidant and the improvement of color stability in meat. In paper I, a method to prepare the different myoglobin states and predictive model for myoglobin states was created. Three different myoglobin states were prepared by using oxygen partial pressure (OPP) instead of the traditional method using chemicals (CHEM). The samples were measured using selected wavelengths (SW) or multivariate reflectance mode (400-1100nm) with partial least square regression (PLS). Transformations of the spectra were done using Kubelka-Munk transformation or extended multiplicative scatter correction (EMSC). The OPP method with PLS and EMSC yielded the lowest prediction error for both DMb and OMb. The CHEM method remained as the best approach for creation of MMb. The study in paper II was conducted on isolated mitochondria as well as permeabilized tissue to understand the mitochondrial activity in post mortem muscle and after freeze-storage. The results showed that complex II was more resistant to post mortem inactivation than complex I and the freeze-thaw cycle increased oxygen consumption. However, the freeze-thaw cycle reduced the mitochondrial oxygen consumption at low pH, indicating damage in the membrane, as verified by a cytochrome c addition. Significant animal to animal differences in oxygen consumption of muscles were identified as presented in Paper III when muscles from 41 random cattle were followed from arrival at the abattoir to chill storage over three weeks. The early (4 hours post mortem) and late (3 weeks post mortem) oxygen consumption were measured and compared to color (L*a*b*, lightness, redness and yellowness, respectively) and myoglobin redox state changes. The results were related to an array of animal and muscle characteristics, where it was found that complex I respiration declined with increasing carcass temperature and time post mortem. It was intriguing to learn that an oxygen consuming side-reaction (ROX) most often increased under the same conditions. In the last Paper, the synergy between mitochondrial metabolites on myoglobin redox states and color stability was investigated. Solutions were made containing combinations and pure forms of malate, glutamate, pyruvate, citrate and succinate. The various mixtures were added to the ground meat of M. semimembranosus and packaged in modified atmospheres containing high and low oxygen for 8 and 13 days, respectively. The mixtures’ ability (combined with age and fat) to reduce metmyoglobin was surveyed. Results showed that a removal of oxygen in the headspace was crucial for myoglobin reduction and a mixture of 50% succinate and 50% glutamate-malate yielded mainly reduced myoglobin (DMb) in low oxygen packaging. High oxygen packaging yielded myoglobin in the form of OMb and was mediated by glutamate (or malate) with 0.02 kg/mol citrate. Furthermore, the concentration (0.05 mol/kg and 0.1 mol/kg) of the additives did not significantly affect color stability during the observation time.

Myoglobin er det viktigste farge-pigmentet i kjøtt og kan eksistere i tre dominante former; deoxymyoglobin (DMb), oxymyoglobin (OMb) og metmyoglobin (MMb). Oksyderte myoglobin former er avhengig av mitokondrier for a bli redusert. Flere tilnærminger er brukt for å undersøke mitokondriets rolle som en naturlig antioksidant og farge-stabilisator i kjøtt. En metode for å lage de ulike myoglobin-formene og lage en modell for prediksjon av myoglobin-tilstand, ble utviklet i Artikkel I. Det ble laget metoder for opparbeidelse av de tre myoglobin formene ved bruk av oksygen partialtrykk (OPP) i stedet for den tradisjonelle metoden som brukte kjemikalier (CHEM). Provene ble målt ved hjelp av utvalgte bølgelengder (SW) eller i refleksjonsmodus (bolgelengde 400-1100nm) etterfulgt av ”partial least square” regresjon (PLS). Transformasjon av spektrene ble gjort ved hjelp Kubelka-Munk eller utvidet multiplikativ spredningskorreksjon (EMSC). OPP metoden kombinert med PLS og støykorreksjon ved EMSC ga den beste prediksjonen med lavest feilmargin for både DMb og OMb. CHEM-metoden ga best tilnærming for produksjon av MMb. For å forstå mitokondrie aktivitet i tidlig post mortem muskel og etter fryse-lagring ble studien i artikkel II utført på både isolerte mitokondrier og permeabilisert vev. Resultatene viste at kompleks II var mer motstandsdyktig mot post mortem inaktivering enn kompleks I og at fryse-tine syklusen økte oksygenforbruket i mitokondrier. Imidlertid reduserte fryse-tine syklusen mitokondriets oksygenforbruk ved lav pH, noe som indikerer skader i den ytre mitokondrie-membranen, og dette ble verifisert ved å tilsette cytokrom c. Betydelige dyr til dyr variasjoner i musklers oksygenforbruk ble funnet i artikkel III da 41 tilfeldige storfe ble undersøkt for oksygenforbruk fra ankomst til slakteriet fram til 3 ukers lagring i kjølerom. Tidlig (4 timer etter avliving) og sent (3 uker etter avliving) oksygenforbruk ble målt og sammenlignet med farge (L*, a*, b*, lyshet, rødhet og gulhet) og endringer i myoglobin. Resultatene ble knyttet til en rekke egenskaper ved dyr og muskler, hvor det ble funnet at oksygenforbruket i kompleks I falt med økende skrottemperatur og tid post mortem. Det var interessant å finne at en side-reaksjon (ROX) forbrukte oksygen og økte oksygenforbruket ved de samme vilkår som inaktiverte kompleks I. Synergieffekten av mitokondrie-metabolitter på myoglobinets redoks-former og fargestabilitet ble undersøkt i artikkel IV. Det ble laget en løsning som inneholdt kombinasjoner av malate, glutamat, pyruvat, sitrat og succinat. De ulike løsningene ble blandet i kjøttdeigen fra M. semimembranosus og pakket i modifisert atmosfære. Pakningene inneholdt en høy eller en lav konsentrasjon av oksygen og kjøttet ble lagret i henholdsvis 8 og 13 dager. Blandingenes evne til å redusere myoglobin ble kartlagt. Resultatene viste at en fjerning av oksygen i pakkens frivolum var avgjørende for reduksjon av myoglobin (DMB) og en blanding av 50% succinate og 50% glutamat-malat ga mest redusert myoglobin ved lav konsentrasjon av oksygen i pakken. En høy konsentrasjon av oksygen i pakken ga myoglobin i form av OMb og ble stabilisert av glutamat (eller malat) med 0,02 mol/kg sitrat til stede. Videre var konsentrasjonene 0,05mol/kg og 0,1 mol/kg av tilsetningsstoffer ikke signifikant forskjellige med hensyn til fargestabilitet i det tidsrommet forsøket fant sted.