Технология мясных продуктов из биомодифицированного сырья
УДК 637.5
Технология мясных продуктов из биомодифицированного сырья
Бараненко Д. А.
denis@baranenko.com
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
В статье рассматривается влияние параметров инкубации ферментного препарата СГ-50 на степень протеолиза мясного фарша. Приведены полуэмпирические зависимости содержания продуктов гидролиза мышечной и соединительной ткани телятины от концентрации СГ-50, температуры и продолжительности инкубации. Представлены рецептуры и технологическая схема производства фрикаделек из телятины, обоснованы сроки годности мясопродуктов при хранении в охлажденном состоянии. Ключевые слова: ферменты, СГ-50, телятина, протеолиз, фрикадельки, пищевая ценность.
Пищевая и биологическая ценность, качество и функциональнотехнологические свойства мясного сырья зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются вид и порода животных, части туш и их состояние, технологии первичной обработки и переработки. Химический состав мяса сложен и характеризуется составом мышечной, соединительной и жировой ткани. Низкосортное сырьё богато соединительной тканью, доля которой составляет 20-33% в зависимости от вида и породы животных. Таким образом, до 30% производимого мясного сырья используется не рационально или не используется вообще и требует дополнительных затрат на утилизацию. Между тем, в условиях глобальной недостаточности ресурсов белка животного происхождения, особую актуальность имеют технологии переработки обедненного вторичного сырья с целью для получения полноценных пищевых продуктов, богатых незаменимыми макро- и микронутриентами [1].
Для повышения пищевой и биологической ценности, функциональнотехнологических свойств (ФТС) и усвояемости такого сырья могут использоваться ферментные препараты протеолитического и липолитического действия, полученные из животного и растительного сырья, а также путём микробиологического синтеза [2]. Под действием ферментов происходит разрыв пептидных связей белковых молекул и сложно-эфирных молекул липидов. Преимущество ферментативной модификации в сравнении с физико-
1
химическими способами связаны с возможностью направленного
регулирования свойств, повышения биологической ценности и усвояемости
продукции.
Ферментные препараты отличаются специфичностью воздействия на
саркоплазматические
(водорастворимые),
миофибрилярные
(щелочерастворимые) и белки соединительной ткани (щелочерастворимые) [3].
Использование ферментных препаратов в технологии производства мясных
изделий позволяет интенсифицировать технологический процесс и вовлечь в
процесс нетрадиционное, более низкосортное сырьё [4]. Протеолиз белков,
образование полипептидов различной молекулярной массы и свободный
аминокислот зависит от типа и концентрации препарата, а также от
технологических параметров ферментации [5].
Цель работы – теоретически и экспериментально обосновать получение
продуктов биомодификации сырья животного и растительного происхождения
повышенной биологической ценности; разработать технологии
функциональных пищевых продуктов с их использованием и установить сроки
годности при хранении с применением искусственного холода.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
− исследовать и обосновать выбор ферментных препаратов для
биотехнологической модификации свойств мясного сырья с повышенным
содержанием соединительной ткани;
− исследовать и обосновать технологические параметры протеолиза
белковых фракции мясного сырья;
− разработать рецептуры мясных продуктов функционального
назначения на основе биомодифицированного сырья;
− исследовать пищевую, в том числе биологическую ценность,
показатели качества и безопасности разработанных продуктов;
− разработать технологию мясных продуктов на основе
биомодифицированного мясного сырья; обосновать сроки их годности с учетом
коэффициента резерва.
Объектами исследования выбраны:
- отруба телятины, отличающиеся повышенным содержанием
соединительной ткани и жёсткостью;
- ферментный препарат протеолитического действия СГ-50 активностью
100 тыс. ед., состоящий из химотрипсина и пепсина в соотношении 1:1.
В мясном сырье до и после ферментации определяли ФТС, массовую долю
белков, водо-, соле- и щелочерастворимые фракции белков, аминокислотный
состав, жирнокислотный состав. Использовались физико-химические,
биохимические,
структурно-механические,
микробиологические,
органолептические методы исследования; газовая и жидкостная
хроматография, спектрометрия, колориметрия, микроскопия.
С целью оптимизации концентрации ферментного препарата, температуры
и продолжительности инкубации в мясном фарше использовали метод
2
планирования полного трехфакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбрано содержание белков, растворимых в фильтрате продуктов гидролиза мышечной ткани. В качестве кодированных переменных Х1, Х2, Х3 выбраны массовая доля ферментного препарата, температура и продолжительность инкубации его в мясном фарше соответственно. При анализе воспроизводимости опытов определяли погрешность опытов, оценку дисперсии воспроизводимости и критерий Фишера. В табл. 1 приведены основные характеристики полного трехфакторного эксперимента.
Таблица 1
Результаты полного трехфакторного эксперимента по действию
ферментного препарата на мышечную и соединительную ткань
№
Концентрация ферментного препарата, %
Температура инкубации, ⁰С
Продолжительность
инкубации, ч
Y1
Y2
1 0,03
23
6
0,263
0,232
2 0,09
23
6
0,271
0,160
3 0,03
30
6
0,303
0,262
4 0,09
30
6
0,293
0,171
5 0,03
23
10
0,304
0,171
6 0,09
23
10
0,296
0,158
7 0,03
30
10
0,353
0,188
8 0,09
30
10
0,319
0,166
На основании представленных в табл. 1 данных, рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии, определена их значимость и составлены уравнения для мышечной и соединительной ткани (Y1 и Y2, соответственно):
Y1 = 0,292 – 0,012Х1 + 0,024Х2 + 0,025Х3 + 0,006Х2Х3 Y2 = 0,189 – 0,025Х1 + 0,0083Х2 – 0,0178Х3 + 0,016Х1Х3
Полученные уравнения использовали для оптимизации технологических параметров инкубации ферментного препарата СГ-50 в мясном фарше. Методом крутого восхождения (наискорейшего спуска) оптимизировали технологические параметры протеолиза белков. Для мышечной ткани рекомендуется температура 23 ⁰С, С = 0,04%, время выдержки 6 ч. Для соединительной ткани рекомендуемая температура 25 ⁰С, концентрация ферментного препарата 0,05%, время выдержки 8 ч.
Определены константы скорости реакции псевдопервого порядка при концентрации ферментного препарата 0,03% при температуре 23 и 30 ⁰С, составившие соответственно 0,154 ч-1 и 0,178 ч-1 для мышечной ткани; для соединительной ткани – 0,215 ч-1 и 0,235 ч-1.
3
В результате ферментации фарша наблюдается накопление свободных аминокислот, что способствует формированию специфического вкуса и аромата готового продукта. В аминокислотном составе преобладают глицин, гистидин, глутаминовая кислота и глутамин, лейцин. Кроме того, частичный протеолиз мышечной ткани под воздействием пробиотических микроорганизмов способствует повышению усвояемости и улучшению консистенции продукции.
С целью обогащения готовых изделий минеральными элементами, пищевыми волокнами, витаминами, антиоксидантами, полиненасыщенными жирными кислотами: омега-3 и омега-6 в качестве наполнителей использовали растительные компоненты. При составлении рецептур (табл. 2) использовали метод планирования для смеси, состоящей из трех и более компонентов.
Телятина
Таблица 2 Рецептуры мясных продуктов на основе телятины
Сырье, г на 100 г:
65 60
Брокколи зеленая отварная
15 -
Цветная капуста отварная
- 15
Чернослив сушеный
10 -
Морковь
- 15
Яйца куриные свежие
55
Масло подсолнечное и льняное (купажированное)
5
-
Масло оливковое
-5
итого
100 100
соль поваренная
Пряности, г на 100 г несоленого сырья: 2
перец черный молотый
0,1
2 0,1
На основании данных о химическом составе продукции следует, что фрикадельки, изготовленные по разработанным рецептурам, обладают высокой пищевой ценностью и функциональными свойствами, которые формируются за счет различных комплексов биологически активных веществ. Изделия, изготовленные по данным рецептурам, рекомендуются для детского и диетического питания за счет низкой калорийности телятины и большого содержания пищевых волокон, улучшающих деятельность желудочнокишечного тракта. Продукт так же богат калием и железом, поэтому полезен для стабильной работы сердца и при анемии.
4
Технологическая схема производства мясных продуктов представлена на рис. 1.
Рисунок 1. – Технологическая схема производства мясопродуктов из телятины.
Предложены три варианта термообработки фарша после формования, которые оказывают влияние на органолептические характеристики и пищевую ценность готовой продукции.
Данные микробиологического анализа фрикаделек при хранении представлены на рис. 2.
5
Рисунок 2. – КМАФАнМ фрикаделек при хранении (t = 3±1 C).
Отмечено превышение установленных СанПиН 2.3.2.1078-01 значений КМАФАнМ для фрикаделек 1∙103 КОЕ/г после 3 сут хранения. Для увеличения сроков годности могут быть рекомендованы дополнительные к холоду мико- и бактериостатические средства и способы упаковки, а также хранение в замороженном состоянии.
Органолептическая оценка фрикаделек при хранении представлена на рис. 3.
Рисунок 3. – Органолептический профиль показателей качества фрикаделек, изготовленных по рецептуре № 1, при хранении (t = 3±1 C).
Органолептическая оценка показала, что фрикадельки, изготовленные по рецептуре № 1 более стойки при хранении, характеризовались более высокими
6
оценками дегустаторов в течение всего периода хранения, по сравнению с фрикадельками, изготовленными по рецептуре № 2, что можно объяснить наличием фитонцидов в черносливе. На всём протяжении хранения содержание амино-аммиачного азота фрикаделек, изготовленных по рецептуре №1, было меньше аналогичного показателя для фрикаделек рецептуры №2.
По комплексу органолептических, физико-химических показателей качества и микробиологических показателей безопасности обоснованы сроки годности охлажденных мясных изделий: τ = 48 ч при t = (3 ± 1)°C.
Использование биомодифицированного низкосортного мясного сырья открывает широкие возможности для производства полноценных высококачественных пищевых продуктов. Повышение доступности сырья для пищеварительной системы человека и улучшение консистенции продукции, даёт возможность применять такое сырьё при конструировании продуктов согласно теории рационального питания и пищевой комбинаторики. При последующих исследованиях следует особое внимание уделить подавлению развития нежелательной микрофлоры в процессе ферментации, а также увеличению сроков годности готовой продукции.
Список литературы 1. Pimentel D., Pimentel M. World population, food, natural resources, and survival // World Futures. – 2003. – 59. – P. 145–67. 2. Лукин А.А. Опыт применения ферментных препаратов в технологии переработки мяса и вторичных коллагенсодержащего сырья // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: материалы V междунар. науч.-практ. конф. в 2-х т. – Челябинск: ЮУрГУ, 2011. – Т. 1. – С. 114– 120. 3. Чернуха И.М., Сметанина Л.Б., Кузнецова Т.Г., Лисицын Б.А., Кракова В.З. Модификация низкосортного сырья ферментами животного происхождения при производстве мясопродуктов // Tehnologija mesa. – 2005. – 46. – C: 271–278. 4. Антипова Л.В., Подвигина Ю.Н., Косенко И.С. Применение ферментных препаратов в технологии производства мясных изделий // Фундаментальные исследования. – 2008. – № 6. – С. 124-125. 5. Иванкин А.Н., Кузнецова Т.Г., Миталева С.И. Биотрансформированные белки животного происхождения для получения нового поколения функциональных продуктов питания // Tehnologija mesa. – 2005. – 46. – C. 283-286.
7
Technology of meat products from biotechnologically modified raw materials
D. A. Baranenko
denis@baranenko.com National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Institute of Refrigeration and Biotechnologies Incubation parameters of the enzymatic agent SG-50 impact on the proteolysis degree of ground meat is studied in the paper. Semi-empirical relations of muscle and connective veal tissue hydrolysis products content from concentration of SG-50, temperature and duration of incubation are given. Formulations and technological scheme of veal meatballs and their estimated shelf life when stored refrigerated are submitted. Keywords: enzymes, SG-50, veal, proteolysis, meatballs, nutritional value.
8
Технология мясных продуктов из биомодифицированного сырья
Бараненко Д. А.
denis@baranenko.com
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий
В статье рассматривается влияние параметров инкубации ферментного препарата СГ-50 на степень протеолиза мясного фарша. Приведены полуэмпирические зависимости содержания продуктов гидролиза мышечной и соединительной ткани телятины от концентрации СГ-50, температуры и продолжительности инкубации. Представлены рецептуры и технологическая схема производства фрикаделек из телятины, обоснованы сроки годности мясопродуктов при хранении в охлажденном состоянии. Ключевые слова: ферменты, СГ-50, телятина, протеолиз, фрикадельки, пищевая ценность.
Пищевая и биологическая ценность, качество и функциональнотехнологические свойства мясного сырья зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются вид и порода животных, части туш и их состояние, технологии первичной обработки и переработки. Химический состав мяса сложен и характеризуется составом мышечной, соединительной и жировой ткани. Низкосортное сырьё богато соединительной тканью, доля которой составляет 20-33% в зависимости от вида и породы животных. Таким образом, до 30% производимого мясного сырья используется не рационально или не используется вообще и требует дополнительных затрат на утилизацию. Между тем, в условиях глобальной недостаточности ресурсов белка животного происхождения, особую актуальность имеют технологии переработки обедненного вторичного сырья с целью для получения полноценных пищевых продуктов, богатых незаменимыми макро- и микронутриентами [1].
Для повышения пищевой и биологической ценности, функциональнотехнологических свойств (ФТС) и усвояемости такого сырья могут использоваться ферментные препараты протеолитического и липолитического действия, полученные из животного и растительного сырья, а также путём микробиологического синтеза [2]. Под действием ферментов происходит разрыв пептидных связей белковых молекул и сложно-эфирных молекул липидов. Преимущество ферментативной модификации в сравнении с физико-
1
химическими способами связаны с возможностью направленного
регулирования свойств, повышения биологической ценности и усвояемости
продукции.
Ферментные препараты отличаются специфичностью воздействия на
саркоплазматические
(водорастворимые),
миофибрилярные
(щелочерастворимые) и белки соединительной ткани (щелочерастворимые) [3].
Использование ферментных препаратов в технологии производства мясных
изделий позволяет интенсифицировать технологический процесс и вовлечь в
процесс нетрадиционное, более низкосортное сырьё [4]. Протеолиз белков,
образование полипептидов различной молекулярной массы и свободный
аминокислот зависит от типа и концентрации препарата, а также от
технологических параметров ферментации [5].
Цель работы – теоретически и экспериментально обосновать получение
продуктов биомодификации сырья животного и растительного происхождения
повышенной биологической ценности; разработать технологии
функциональных пищевых продуктов с их использованием и установить сроки
годности при хранении с применением искусственного холода.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
− исследовать и обосновать выбор ферментных препаратов для
биотехнологической модификации свойств мясного сырья с повышенным
содержанием соединительной ткани;
− исследовать и обосновать технологические параметры протеолиза
белковых фракции мясного сырья;
− разработать рецептуры мясных продуктов функционального
назначения на основе биомодифицированного сырья;
− исследовать пищевую, в том числе биологическую ценность,
показатели качества и безопасности разработанных продуктов;
− разработать технологию мясных продуктов на основе
биомодифицированного мясного сырья; обосновать сроки их годности с учетом
коэффициента резерва.
Объектами исследования выбраны:
- отруба телятины, отличающиеся повышенным содержанием
соединительной ткани и жёсткостью;
- ферментный препарат протеолитического действия СГ-50 активностью
100 тыс. ед., состоящий из химотрипсина и пепсина в соотношении 1:1.
В мясном сырье до и после ферментации определяли ФТС, массовую долю
белков, водо-, соле- и щелочерастворимые фракции белков, аминокислотный
состав, жирнокислотный состав. Использовались физико-химические,
биохимические,
структурно-механические,
микробиологические,
органолептические методы исследования; газовая и жидкостная
хроматография, спектрометрия, колориметрия, микроскопия.
С целью оптимизации концентрации ферментного препарата, температуры
и продолжительности инкубации в мясном фарше использовали метод
2
планирования полного трехфакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбрано содержание белков, растворимых в фильтрате продуктов гидролиза мышечной ткани. В качестве кодированных переменных Х1, Х2, Х3 выбраны массовая доля ферментного препарата, температура и продолжительность инкубации его в мясном фарше соответственно. При анализе воспроизводимости опытов определяли погрешность опытов, оценку дисперсии воспроизводимости и критерий Фишера. В табл. 1 приведены основные характеристики полного трехфакторного эксперимента.
Таблица 1
Результаты полного трехфакторного эксперимента по действию
ферментного препарата на мышечную и соединительную ткань
№
Концентрация ферментного препарата, %
Температура инкубации, ⁰С
Продолжительность
инкубации, ч
Y1
Y2
1 0,03
23
6
0,263
0,232
2 0,09
23
6
0,271
0,160
3 0,03
30
6
0,303
0,262
4 0,09
30
6
0,293
0,171
5 0,03
23
10
0,304
0,171
6 0,09
23
10
0,296
0,158
7 0,03
30
10
0,353
0,188
8 0,09
30
10
0,319
0,166
На основании представленных в табл. 1 данных, рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии, определена их значимость и составлены уравнения для мышечной и соединительной ткани (Y1 и Y2, соответственно):
Y1 = 0,292 – 0,012Х1 + 0,024Х2 + 0,025Х3 + 0,006Х2Х3 Y2 = 0,189 – 0,025Х1 + 0,0083Х2 – 0,0178Х3 + 0,016Х1Х3
Полученные уравнения использовали для оптимизации технологических параметров инкубации ферментного препарата СГ-50 в мясном фарше. Методом крутого восхождения (наискорейшего спуска) оптимизировали технологические параметры протеолиза белков. Для мышечной ткани рекомендуется температура 23 ⁰С, С = 0,04%, время выдержки 6 ч. Для соединительной ткани рекомендуемая температура 25 ⁰С, концентрация ферментного препарата 0,05%, время выдержки 8 ч.
Определены константы скорости реакции псевдопервого порядка при концентрации ферментного препарата 0,03% при температуре 23 и 30 ⁰С, составившие соответственно 0,154 ч-1 и 0,178 ч-1 для мышечной ткани; для соединительной ткани – 0,215 ч-1 и 0,235 ч-1.
3
В результате ферментации фарша наблюдается накопление свободных аминокислот, что способствует формированию специфического вкуса и аромата готового продукта. В аминокислотном составе преобладают глицин, гистидин, глутаминовая кислота и глутамин, лейцин. Кроме того, частичный протеолиз мышечной ткани под воздействием пробиотических микроорганизмов способствует повышению усвояемости и улучшению консистенции продукции.
С целью обогащения готовых изделий минеральными элементами, пищевыми волокнами, витаминами, антиоксидантами, полиненасыщенными жирными кислотами: омега-3 и омега-6 в качестве наполнителей использовали растительные компоненты. При составлении рецептур (табл. 2) использовали метод планирования для смеси, состоящей из трех и более компонентов.
Телятина
Таблица 2 Рецептуры мясных продуктов на основе телятины
Сырье, г на 100 г:
65 60
Брокколи зеленая отварная
15 -
Цветная капуста отварная
- 15
Чернослив сушеный
10 -
Морковь
- 15
Яйца куриные свежие
55
Масло подсолнечное и льняное (купажированное)
5
-
Масло оливковое
-5
итого
100 100
соль поваренная
Пряности, г на 100 г несоленого сырья: 2
перец черный молотый
0,1
2 0,1
На основании данных о химическом составе продукции следует, что фрикадельки, изготовленные по разработанным рецептурам, обладают высокой пищевой ценностью и функциональными свойствами, которые формируются за счет различных комплексов биологически активных веществ. Изделия, изготовленные по данным рецептурам, рекомендуются для детского и диетического питания за счет низкой калорийности телятины и большого содержания пищевых волокон, улучшающих деятельность желудочнокишечного тракта. Продукт так же богат калием и железом, поэтому полезен для стабильной работы сердца и при анемии.
4
Технологическая схема производства мясных продуктов представлена на рис. 1.
Рисунок 1. – Технологическая схема производства мясопродуктов из телятины.
Предложены три варианта термообработки фарша после формования, которые оказывают влияние на органолептические характеристики и пищевую ценность готовой продукции.
Данные микробиологического анализа фрикаделек при хранении представлены на рис. 2.
5
Рисунок 2. – КМАФАнМ фрикаделек при хранении (t = 3±1 C).
Отмечено превышение установленных СанПиН 2.3.2.1078-01 значений КМАФАнМ для фрикаделек 1∙103 КОЕ/г после 3 сут хранения. Для увеличения сроков годности могут быть рекомендованы дополнительные к холоду мико- и бактериостатические средства и способы упаковки, а также хранение в замороженном состоянии.
Органолептическая оценка фрикаделек при хранении представлена на рис. 3.
Рисунок 3. – Органолептический профиль показателей качества фрикаделек, изготовленных по рецептуре № 1, при хранении (t = 3±1 C).
Органолептическая оценка показала, что фрикадельки, изготовленные по рецептуре № 1 более стойки при хранении, характеризовались более высокими
6
оценками дегустаторов в течение всего периода хранения, по сравнению с фрикадельками, изготовленными по рецептуре № 2, что можно объяснить наличием фитонцидов в черносливе. На всём протяжении хранения содержание амино-аммиачного азота фрикаделек, изготовленных по рецептуре №1, было меньше аналогичного показателя для фрикаделек рецептуры №2.
По комплексу органолептических, физико-химических показателей качества и микробиологических показателей безопасности обоснованы сроки годности охлажденных мясных изделий: τ = 48 ч при t = (3 ± 1)°C.
Использование биомодифицированного низкосортного мясного сырья открывает широкие возможности для производства полноценных высококачественных пищевых продуктов. Повышение доступности сырья для пищеварительной системы человека и улучшение консистенции продукции, даёт возможность применять такое сырьё при конструировании продуктов согласно теории рационального питания и пищевой комбинаторики. При последующих исследованиях следует особое внимание уделить подавлению развития нежелательной микрофлоры в процессе ферментации, а также увеличению сроков годности готовой продукции.
Список литературы 1. Pimentel D., Pimentel M. World population, food, natural resources, and survival // World Futures. – 2003. – 59. – P. 145–67. 2. Лукин А.А. Опыт применения ферментных препаратов в технологии переработки мяса и вторичных коллагенсодержащего сырья // Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания: материалы V междунар. науч.-практ. конф. в 2-х т. – Челябинск: ЮУрГУ, 2011. – Т. 1. – С. 114– 120. 3. Чернуха И.М., Сметанина Л.Б., Кузнецова Т.Г., Лисицын Б.А., Кракова В.З. Модификация низкосортного сырья ферментами животного происхождения при производстве мясопродуктов // Tehnologija mesa. – 2005. – 46. – C: 271–278. 4. Антипова Л.В., Подвигина Ю.Н., Косенко И.С. Применение ферментных препаратов в технологии производства мясных изделий // Фундаментальные исследования. – 2008. – № 6. – С. 124-125. 5. Иванкин А.Н., Кузнецова Т.Г., Миталева С.И. Биотрансформированные белки животного происхождения для получения нового поколения функциональных продуктов питания // Tehnologija mesa. – 2005. – 46. – C. 283-286.
7
Technology of meat products from biotechnologically modified raw materials
D. A. Baranenko
denis@baranenko.com National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
Institute of Refrigeration and Biotechnologies Incubation parameters of the enzymatic agent SG-50 impact on the proteolysis degree of ground meat is studied in the paper. Semi-empirical relations of muscle and connective veal tissue hydrolysis products content from concentration of SG-50, temperature and duration of incubation are given. Formulations and technological scheme of veal meatballs and their estimated shelf life when stored refrigerated are submitted. Keywords: enzymes, SG-50, veal, proteolysis, meatballs, nutritional value.
8