Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Структура коллагена и его свойства 10
1.2. Источники коллагенсодержащего сырья 14
1.3. Свойства, характеристика и классификация ферментов 18
1.4. Источники ферментных препаратов для мясной промышленности 26
1.5. Опыт применения ферментов в технологии переработки мяса и вторичного коллагенсодержащего сырья 33
Глава 2. Объекты, методы исследований и схема постановки эксперимента
2.1. Характеристика объектов исследований 41
2.2. Условия выполнения и схема постановки эксперимента 41
2.3. Методы исследований 44
Глава 3. Исследование воздействия ферментных препаратов различного происхождения на коллагенсодержащее сырье
3.1. Сравнительная оценка воздействия ферментных препаратов различного происхождения на коллагенсодержащего сырье 54
3.2. Исследование свойств ферментного препарата протепсина при гидролизе коллагенсодержащего сырья 58
3.3. Субстратная специфичность ферментного препарата протепсина 63
Глава 4. Исследование коллагенсодержащего сырья в процессе биомодификации
4.1. Физико-химические и биологические свойства коллагенсодержащего сырья 67
4.2. Изучение воздействия протепсина на свойства коллагенсодержащего сырья 73
4.3. Аминокислотный состав биомодифицированного коллагенсодержащего сырья 76
4.4. Жирнокислотный состав липидов нативного сырья и биомодифицированного коллагенсодержащего сырья 78
4.5. Гистоморфологическая характеристика губ и ушей КРС до и после обработки протепсином 80
4.6. Дифференциально-термический анализ нативного сырья и белкового полуфабриката 85
4.7. Технологическая схема производства белкового полуфабриката и оценка его основных показателей 88
Глава 5. Исследование возможности использования белкового полуфабриката в технологии мясопродуктов и оценка их качества и безопасности
5.1. Применение белкового полуфабриката в частной технологии производства мясного хлеба 101
5.2. Расчет экономической эффективности производства мясного хлеба с использованием белкового полуфабриката 120
Заключение 126
Выводы 129
Библиографический список 131
Приложения 146
- Источники коллагенсодержащего сырья
- Исследование свойств ферментного препарата протепсина при гидролизе коллагенсодержащего сырья
- Технологическая схема производства белкового полуфабриката и оценка его основных показателей
- Расчет экономической эффективности производства мясного хлеба с использованием белкового полуфабриката
Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие технологий на мясоперерабатывающих предприятиях диктует новую тенденцию использования вторичного белоксодер- жащего сырья. Отсутствие при мясокомбинатах цехов убоя и первичной переработки скота и, как следствие, нерациональное использование вторичного белоксодержащего сырья, приводит к тому, что мясоперерабатывающие предприятия для поддержания конкурентоспособности своей продукции на рынке вынуждены использовать различные белковые и растительные препараты, загустители, эмульгаторы различной природы и другие альтернативные компоненты.
Пищевая биотехнология наиболее быстроразвивающаяся отрасль биотехнологии, одним из основных направлений развития которой является получение и применение ферментов. Для получения ферментных препаратов пищевого назначения используют органы и ткани сельскохозяйственных животных, культурные растения (ананас, соя, папайя, инжир) и специальные штаммы микроорганизмов. В настоящее время наибольшее применение нашли ферменты животного происхождения.
Степень проработки темы исследований. Вопросами применения ферментных препаратов в мясоперерабатывающей промышленности посвящены научные труды многих отечественных и зарубежных ученых: Антиповой Л.В., Рогова И.А., Журав- ской Н.К., Ратушного А.С., Лисицина А.Б., Липатова Н.Н., Батаевой Д.С., Жебеле- вой И.А., Соловьева В.И., Крыловой В.Б., Muller W. и др. Большой вклад в развитие теоретических и прикладных аспектов обеспечения качества, безопасности и товароведной оценки мяса и мясопродуктов внесли российские ученые: Позняковский В.М., Ивашов В.И., Татулов Ю.В., Жаринов А.И., Кудряшов Л.С., Хвыля С.И., Устинова А.В., Гуринович Г.В., Криштафович В.И. и др.
В технологии мясных продуктов применяются ферментные препараты с протеоли- тической, липолитической, коллагеназной активностью, которые используются для тендеризации, увеличения сортности мяса и в производстве белковых гидролизатов.
Значение белковых гидролизатов при производстве мясных продуктов постоянно возрастает, и тем самым значительно увеличивается их роль в питании человека.
Цель исследования - исследование и разработка технологии мясного хлеба с использованием белкового полуфабриката (далее по тексту БП).
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
изучить коллагеназную активность ферментных препаратов микробного (прото- субтилин Г10х), растительного (папаин) и животного (протепсин) происхождения, обосновать выбор биокатализатора для гидролиза коллагенсодержащих субпродуктов II категории крупного рогатого скота (далее по тексту КРС);
определить оптимальные условия и каталитические параметры протепсина;
обосновать технологические режимы ферментативной обработки коллагенсодер- жащих субпродуктов II категории крупного рогатого скота КРС протепсином и разработать технологическую схему производства БП;
систематизировать основные характеристики БП, полученного из коллагенсо- держащих субпродуктов II категории КРС, по физико-химическим и функционально - технологическим свойствам;
оптимизировать нормативную документацию на производство мясного хлеба с использованием БП (рецептуру, технологическую схему, ТУ и ТИ);
-обосновать потребительские свойства, пищевую ценность и показатели безопасности мясного хлеба с использованием БП;
определить критические контрольные точки при производстве мясного хлеба с
БП;
провести расчет себестоимости выработанной продукции.
Научная новизна работы. Разработана технология получения БП ферментативным способом из коллагенсодержащих субпродуктов II категории. Определена оптимальная дозировка ферментного препарата животного происхождения протепсин для гидролиза коллагенсодержащих субпродуктов II категории. Систематизированы данные о применение протепсина при гидролизе коллагенсодержащих субпродуктов II категории КРС (губы и уши). Исследованы микроструктуры опытных образцов колла- генсодержащих субпродуктов II категории до обработки и после применения ферментного препарата протепсина. Доказаны целесообразность и эффективность применения БП в производстве мясного хлеба; научно обоснована и экспериментально подтверждена оптимальная дозировка БП. Изучено влияние БП на функционально - технологические свойства модельных фаршей. Изучен химический состав, физико- химические, структурно-механические, микробиологические и органолептические показатели мясного хлеба с использованием БП.
Практическая значимость работы. Разработана рецептура и технология производства мясного хлеба с БП; утверждена техническая документация на мясной хлеб «Белковый»» (ТУ 9213-002-65727032-11); подтверждена экономическая эффективность производства нового мясопродукта с БП. Новый вид мясного хлеба прошел апробацию в промышленных условиях ООО «ИК Антей» (акт производственных испытаний от 24.01.2012). Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс.
Методология и методы исследования. При организации и проведении исследований применялся комплекс общепринятых, стандартных и модифицированных методов исследований, в том числе физико-химических, микробиологических, биохимических, реологических, а также математические методы статистической обработки результатов исследований и построения математических моделей.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2009 г.); всероссийской научно- практической конференции «Биотехнология растительного сырья, качество и безопасность продуктов питания», (г. Иркутск, 2009 г.); межрегиональной научно- практической конференции «Проблемы развития АПК Саяно-Алтая» (г. Абакан, 2009 г.); международной научно-практической конференции «Инновационные технологии продуктов здорового питания, их качество и безопасность» (г. Алматы, 2009, 2010 гг.); II научно-практической конференции аспирантов и докторантов «Научный поиск» (г. Челябинск, 2010 г.); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновации, экобезопасность, техника и технологии в переработке сельскохозяйственной продукции» (г. Уфа, 2010 г.); III и V международных научно- практических конференциях «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2010, 2011 гг.); VI все-
u u u 1 T/*
российской научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (г. Магнитогорск, 2011 г.); научно- практическом семинаре «Качество и безопасность пищевых продуктов» (г. Челябинск, 2011 г.); LI международной научно - технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент РФ № 2446714 на «Способ производства мясного хлеба».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает следующие разделы: введение; обзор литературы; объекты, методы исследований и схема постановки эксперимента; исследование воздействия ферментных препаратов различного происхождения на коллагенсодержащее сырье; исследование коллагенсодержащего сырья в процессе биомодификации; исследование возможности использования белкового полуфабриката в технологии мясопродуктов и оценка их качества и безопасности; выводы и рекомендации; список литературы; приложения. Текст диссертации изложен на 145 листах печатного текста, иллюстрирован 41 таблицей, 34 рисунками и 7 приложениями. Список литературы включает 169 источника литературы.
Источники коллагенсодержащего сырья
В процессе убоя скота и переработки мяса на мясокомбинатах и мясоперерабатывающих предприятиях образуется значительное количество вторичного сырья. Они отличаются различным химическим составом и физическими характеристиками, агрегатным состоянием [120].
В настоящее время для любого предприятия пищевой промышленности, в том числе и мясоперерабатывающего, стоит проблема рационального использования вторичного сырья, а также отходов от производства. Согласно официальной статистике, в целом по мясоперерабатывающей отрасли продукты переработки скота, направляемые на пищевые цели, составляют 64 % к живой массе, кормовые - 12 %; выработку технической продукции - 10 %. Остальные 14 % остаются невостребованными [3].
На мясокомбинатах и убойных пунктах животноводческих ферм в значительных количествах могут накапливаться ресурсы свиных шкур или их отходов. Известно, что свиная шкура составляет 9-13 % мяса на костях [8]. Отходы переработки свиных шкур (лоскут и обрезки шкур) практически не находят применения для пищевых целей. Однако имеются возможности использования этого некондиционного коллагенсодержащего сырья, например, для получения препаратов, обладающих высокими функционально-технологическими свойствами.
Шквара и фуза - еще один вид вторичного сырья, характеризуемого высоким содержанием белков (до 80 %), в том числе коллагена и эластина. Единственным недостатком такого сырья является высокое содержание жира, требующего дополнительных затрат для его удаления.
Среди вторичных продуктов убоя скота значительную долю составляют субпродукты. Выход субпродуктов первой категории, по данным Всероссийского научно-исследовательского института мясной промышленности, составляет в 3 %, а второй категории 7 % к живой массе скота.
По пищевой ценности субпродукты подразделяют на две категории в зави-мости от содержания коллегановых белков. К первой категории относятся: печень, почки, мозги, сердце, диафрагма говяжьи, свиные, бараньи, мясокостные хвосты говяжьи и бараньи; ко второй - селезенка, мясная обрезь, вымя говяжье, уши, трахеи, рубцы, сычуги, ноги, губы, уши, книжки говяжьи; ноги, хвосты и желудки свиные [109].
Рассмотрим характеристики субпродуктов II категории КРС. Субпродукты содержат в своей структуре коллагеновые белки (% от массы сырой ткани): сухожилия - от 25 до 35; хрящи - от 10 до 15; стенки сосудов - от 5 до 12; почки - от 0,4 до 1,0; печень - от 0,1 до 1,0; мозги - от 0,2 до 0,4; язык - 2,5; легкие - 3,3; селезенка - 1,38; рубец - 6,8. Кроме рубца, содержащего 6,8 % коллагенов от массы сырой ткани, следует выделить сухожилия, в которых 88,5 % массы суммарных белков представлено коллагенами; уши и губы, содержащие соответственно 77,2 и 75,7 % коллагенов от суммы всех белков (табл. 4) [120]. Такие субпродукты, как уши, губы, рубцы и вымя, содержат много коллагена и эластина [58].
Говяжьи субпродукты II категории по содержанию коллагена и, следовательно, потенциальной возможности получения из них белковых продуктов располагаются в следующей последовательности: уши - губы - рубец - легкие [48, 109,117].
Плотность различных видов субпродуктов при температуре 20 С характеризуется следующими значениями (табл. 5) [120]:
В состав жира субпродуктов КРС II категории входят в основном нейтральные жиры с большим количеством жироподобных веществ - фосфатидов, холестерина и церебразидов [133, 144]. В жире субпродуктов II категории относительно высокое содержание арахидоновой и линолиевой кислот.
Субпродукты КРС II категории уступают мышечной ткани по содержанию полноценных белков, но присутствие в пище продуктов распада коллагена (глю-тозы, желатозы) при использовании субпродуктов с большим количеством соединительной ткани стимулируют секреторную и перистальтическую функцию кишечника [10,20].
Кроме того, субпродукты КРС II категории содержат большую массовую долю солерастворимого белка, известного своей функциональностью в образовании структуры мясных систем и перспективного для разработки мясных эмульсий. Перспективным направлением использования вторичного коллагенсодер-жащего сырья на пищевые цели является получение из них гидролизатов или белковых препаратов. Белковые компоненты, выделенные из соединительной ткани субпродуктов II категории убойных животных имеют ограниченное применение в натуральном виде и требуют наибольших затрат труда при переработке традиционным способом.
Применение биотехнологических методов обработки вторичного и низкосортного коллагенсодержащего позволяет выделять отдельные компоненты фракции белков.
Кроме того, продукты, полученные биомодификацией коллагенсодержащего сырья, способствуют расширению ассортимента, улучшению потребительских характеристик и позволяют создать продукты функционального и профилактического назначения [76].
Исследование свойств ферментного препарата протепсина при гидролизе коллагенсодержащего сырья
Общеизвестно, что ферментные препараты лабильны от внешних условий: кислотности среды, присутствия в растворе солей и их количества, продолжительности нагревания и т. д.
При температуре выше оптимальной происходит резкое снижение активности фермента, что объясняется денатурацией ферментного белка. При снижении температуры ниже оптимальной активность ферментов снижается, а при температуре ниже нуля она полностью утрачивается, однако в этих условиях структура фермента не разрушается. Поэтому при повышении температуры фермент полностью останавливает свою активность. Влияние температуры на протеолитиче-скую активность ферментного препарата протепсин показано на рисунке 4.
Протеолитическая активность ферментного препарата протепсин на графике имеет вид кривой в форме «колокола» с максимумом значения 40 С, что говорит о высокой скорости инактивации, которая, носит лавинообразный характер.
Протепсин проявляет максимальную протеолитическую активность при средних значениях температур (35-40 С).
В мясной и мясоперерабатывающей промышленности процессы посол, выдержки колбасного фарша происходят при низких температурах 0-4 С, данная температура является рабочей для многих процессов, протекающих в мясном сырье в результате физико-химических, биохимических и др. процессах на стадии посола мясного сырья. К сожалению, ферментный препарат протепсин в данном диапазоне температур активен лишь около 15 % от своей максимальной протео-литической активности. Температурный диапазон 60-65 С также является очень важным, именно в данном температурном диапазоне осуществляются гидролитические процессы взаимодействия ферментного препарата с нативным коллагеном при тепловой обработки исходного сырья. Любая тепловая обработка в производственном процессе ограничена во временных рамках, и поэтому протеолити-ческая активность подобранного ферментного препарата имеет очень важное значения. Термоинактивация протепсина происходит при температуре свыше 70 С. Проведенные исследования показали, что по достижении 72 С протепсин полностью инактивируется в течение 5 минут (рис. 5).
Лабораторные исследование доказали, что при термической обработки сырья протепсином свыше установленного температурного диапазона в течении 5 минут, подобранный ферментный препарат не будет сохранять своей активности в системе, что в дальнейшем будет обеспечивать полную безопасность при употреблении готового продукта человеком.
Влияние рН на каталитическую активность ферментных препаратов заключается во взаимодействие фермента с активным центром. При разных значениях рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента и т. п. Кроме того, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции, оказывает большое влияние на состояние фермента, определяя соотношение в нем катионных и анионных центров, что сказывается на третичной структуре белковой молекулы. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания, так как определенная третичная структура белка-фермента необходима для образования фермент-субстратного комплекса. Ферменты активны только в определенном интервале рН, и в большинстве случаев для действия каждого фермента имеется определенный оптимум рН. Наличие такого оптимума может иметь несколько причин:
- истинное обратимое влияние рН на скорость реакции V (в условиях, когда фермент насыщен субстратом);
- влияние рН на сродство фермента к субстрату (в этом случае падение активности по обе стороны оптимума рН будет следствием понижения насыщения фермента субстратом в силу понижения сродства);
- влияние рН на стабильность фермента, который может необратимо инак-тивироваться при рН по одну или по обе стороны от оптимума.
Согласно современным представлениям, влияние изменении рН на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние и степень ионизации кислотных и основных групп (в частности, СООН- группы дикарбоновых аминокислот, SH- группы цистеина, имидазольного азота, гистидина, NH2- группы лизина и др.). При резких сдвигах от оптимума рН среды ферменты могут подвергаться конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы фермента.
В результате одной химической реакции при участии определенного фермента рН, оптимум которого лежит в пределах 7,0-7,2, образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5-6,0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продукта замедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению.
Исследование влияния рН на активность препарата проводили в диапазоне от 2,0 до 10,0 при температуре 40 С.
Полученные результаты влияния рН на протеолитическую активность ферментного препарата протепсин представлены на рис. 6.
Стабильность ферментного препарата животного происхождения протепсин подтверждает широту диапазона возможного использования ферментного препарата. Протепсин в исследуемых диапазонных значениях сохранил свой протеолитическую активность около 40 % в течении 6 часов. При температуре от 10 до 12 С термостабильность протепсина составила не менее 60 % от первоначальной активности, а при температуре свыше 40 С термостабильность протепсина существенно снижается (рис. 6), что является следствием диспергирующего взаимодействия ферментного препарата с представленным субстратом. Кинетическая инактивации протепсина при различных температурах в представленном температурном диапазоне показывает, что наиболее стабилен ферментный препарат в диапазоне температур 10-40 С, а при температурах свыше 40 С наблюдается резкое падение протеолитической активности и как следствие протепсин сохраняет остаточную активность не менее 20 мин при 60 С.
Технологическая схема производства белкового полуфабриката и оценка его основных показателей
Для приготовления белкового полуфабриката (рис. 24) говяжьи уши и губы (размороженные) в соотношении 1:1 измельчают на волчке с диаметром решетки 2-3 мм. Смешивают с водой при гидромодуле 1:1. Гидромодуль выбран эмпирически, с учетом полного покрытия слоем жидкости обработанного сырья. Смесь прогревают до 40—45 С. Ферментный препарат протепсин вносят в количестве 0,05-0,1 % к массе сырья и проводят гидролиз в течение 1,5-2 часа. После гидролиза смесь нагревают до температуре 80-90 С в течение 15-20 минут с целью инактивации ферментного препарата. Лишнюю влагу удаляют с помощью сита. Смесь измельчают и гомогенизируют.
Белковые гидролизаты, используемые в пищевой промышленности должны отвечать следующим свойствам: содержать максимальное количество полноценного и легкоусвояемого белка; содержать минимальное количество жира и углеводов; иметь высокую биологическую ценность; обладать рН в диапозоне 5,4-7,0; обладать хорошей растворимостью; обладать высокой термостабильностью; обладать низкой вязкостью даже при высоких концентрациях; обладать высокими органолептическими свойствами, характерными для данного вида продукта; удовлетворять требованиям санитарно-гигиеническим требованиям; обеспечивать экономическую эффективность применения.
Оценка общего химического состава и физико-химических показателей представлена в таблице 17.
Оценка общего химического состава БП показывает, что массовая доля белка в нем составляет 7,50 %. Массовую долю золы определяли путем сжигания навески опытного образца в муфельной печи. Высокое содержание золы в исследуемом образце говорит о том, что полученный БП богат минеральными солями.
Величина рН раствора БП, определенная потенциомегрическим методом на универсальном ионометре Анион-7010, составила 5,8-6,2. Экспериментальные данные показывают, что БП имеет слабокислую среду. Эффективная вязкость БП, определенная на ротационном вискозиметре RHEOTEST 2.1 (Германия) составила 0,34-0,36 Пас.
Из данных таблицы 18 видно, что лимитирующими аминокислотами являются в БП из субпродуктов II категории - все незаменимые аминокислоты; хотя в гидролизате небольшое количество аминокислот, кроме того в этих соединениях содержится значительное количество изолейцина, фенилаланина, тирозина и лизина.
Нами также проведена органолептическая оценка БП (табл. 19).
В лабораторных условиях были исследованы образцы БП на хранимосбо-собность, при температурах от 6 С до 12 С. В результате эксперимента было установлено, что БП в среднем хранится от 2 до 3 суток.
Расчет экономической эффективности производства мясного хлеба с использованием белкового полуфабриката
С целью подтверждения экономической эффективности выработанного мясного хлеба «Белковый» , были рассчитана стоимость мясного сырья и БП, а также уровень замены мясного сырья на этот БП. Известно, что в отраслях перерабатывающих животное сырье, доля данного сырья в себестоимости выпускаемой продукции составляет 60-90 %.
Для расчета себестоимости производимых мясных продуктов, мясного хлеб «Белкового» с использованием БП, принималась в расчетную смету такие показатели как стоимость сырья, основных и вспомогательных материалов (в ценах за 2011г.).
В первую очередь рассчитывали себестоимость производства БП. Производительность мясоперерабатывающего предприятия ИК «ИК Антей» составляет 10 т в месяц. Затраты на сырье, основные и вспомогательные материалы представлены в табл. 36.
По следующей основной статье себестоимости - по затратам на топливо и воду для технологических целей - расчет представлен в табл. 37.
В статью расходов по заработной плате работников включены основная заработная плата и установленные доплаты. При повременной оплате труда, зарплата (Зп) составит
Основная заработная плата (0ЗП) состоит из основной зарплаты сотрудникам и доплат. Размер доплат обычно принимают равным около 50 % от 0ЗП. Поэтому величина доплат составит: 0,5 5280,0=2640,0 руб./мес. Отсюда, О31=7920,0 руб. Дополнительная заработная плата (Дзп) составляет 15 % от основной, т. е. 0,15 7920,0=1188,0 руб./мес. Принимая во внимание месячную производительность Ют, данные для калькуляции себестоимости будут следующими: 0ЗП - 792 руб., Дзп - 118,8 руб. Персонал составляет 1 чел. в смену.
Помимо рассмотренных статей затрат, в себестоимость выпускаемой продукции включают и другие затраты представлены в табл. 38.
Калькуляцию себестоимости мясных хлебов с использованием БП проводили, сравнивая затраты на выработку мясного хлеба по базовому варианту (мясной хлеб «Любительский» высшего сорта) и мясного хлеба с добавлением БП.
Стоимость сырья, основных и вспомогательных материалов, необходимых для получения 1 т продукции, приведена в табл. 39.
Экономия сырья и материалов в стоимостном выражении, при уровне замены мясного сырья на БП равном 15 %, составила 9660,0 руб./т.
Проведенный расчет расходов на производство мясного хлеба с использованием БП, позволил выявить снижение себестоимости при их производстве на 11,3 % (102,65 руб./кг), по сравнению с базовым вариантом продукции, обусловленное экономией но статье калькуляции затрат на сырье.
