Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Характеристика коллагенсодержащего сырья 10
1.2. Строение и химический состав шкуры 13
1.3. Методы получения гидролизатов 22
1.3.1. Водно-тепловой гидролиз 22
1.3.2. Химический гидролиз 23
1.3.3. Ферментативный гидролиз 26
1.4. Получение гидролизатов из коллагенсодержащего сырья 28
1.5. Способы переработки шкуры на предприятиях мясной индустрии 32
1.6. Особенности производства мясных полуфабрикатов и Convenience food 33
1.7. Массоперенос при холодильной обработке пищевых продуктов 41
Выводы по литературному обзору 45
Глава 2. Объекты и методы исследования. Постановка эксперимента 47
2.1. Объекты исследования 47
2.2. Методы исследования 47
2.3. Постановка эксперимента 51
Глава 3. Теоретическая часть 56
3.1. Исследование процесса массопереноса при замораживании многослойных пищевых продуктов 56
3.1.1. Расчет усушки при охлаждении .57
3.1.2. Расчет усушки при замораживании 60
3.1.3. Расчет продолжительности процессов холодильной обработки 62
Глава 4. Результаты эксперимента и их обсуждение 67
4.1. Гидролизованная и денатурированная свиная шкура .67
4.2. Котлеты 68
4.3. Купаты 77
4.4 Тефтели 80
4.5. Фрикадельки 83
4.6. Многослойные полуфабрикаты 85
Заключение 92
Список литературы 94
Приложение 1 100
Приложение 2 104
Приложение 3 .107
- Строение и химический состав шкуры
- Массоперенос при холодильной обработке пищевых продуктов
- Котлеты
- Многослойные полуфабрикаты
Строение и химический состав шкуры
Шкура – покровная ткань, представляющая собой внешнюю оболочку организма животного. Она выполняет ряд важных функций:
защищает организм животного от химических и физических воздействий окружающей среды, от проникновения во внутреннюю среду микробов;
участвует в регуляции водного обмена (через кожу животного выделяется свыше 1 % всего запаса воды в теле);
регулирует теплоотдачу (около 80 % всех тепловых потерь организма осуществляется через кожу);
выполняет выделительную функцию (через кожу с потом удаляются различные соли, молочная кислота, продукты азотистого обмена);
является органом осязания, что обусловлено обилием нервных окончаний;
является депо крови (кожа пронизана густой сетью кровеносных сосудов, в которых способно задерживаться значительное количество крови) [12, 40].
В коже имеются потовые, сальные железы и волосяные фолликулы. Производными кожного покрова являются различные роговидные образования (волосы, щетина, перья, пух, рога, когти, копыта).
Шкура животного состоит из трех слоев:
эпидермиса – наружного слоя;
дермы – среднего слоя;
подкожной клетчатки – нижнего слоя (рисунок 1).
Эпидермис – самый поверхностный слой кожного покрова. Он состот из множественных слоев клеток, из которых только внутренние сохранили цитоплазматическую природу. Постепенно сплющиваясь, теряя ядро и цитоплазму, клетки в наружном слое эпидермиса превращаются в омертвелые, ороговевшие чешуйки. Роговой слой эпидермиса складывается из многих рядов роговых чешуек, который слущивается вследствие их износа и заменяется новым роговым слоем, образующимся из клеток глубинных слоев, поднимающихся на поверхность. Толщина эпидермиса составляет 0,2-5 % всей толщины шкуры. У животных эпидермис как правило окрашен. Пигмент содержится в нижнем слое эпидермиса. Различная пигментация кожи зависит от распределения в клетках пигмента меланина [12].
Дерма – средний слой, являющийся собственно кожей. Она состоит из плотной соединительной ткани, содержащей большое количество коллагеновых и эластиновых волокон. Коллагеновые волокна отвечают за прочность дермы, а эластиновые за ее эластичность. Волокна распространяются в различных направлениях, переплетаются, создавая собой сеть. Промежутки между волокнами заполнены основным веществом и значительным количеством клеток. У КРС дерма составляет около 84 % от общей толщины шкуры. Именно в дерме расположены волосяные сумки с волосом, потовые и сальные железы, кровеносные и лимфатические сосуды, нервные волокна.
Подкожная клетчатка состоит из рыхлой соединительной ткани из-за чего данный слой мягок, легкоподвижен. Он соединяет основу кожи с более глубоко лежащими мышцами, в нем залегают жировые клетки. Огромное скопление жировых клеток у упитанных животных придает их подкожному слою характер жировой ткани. Толщина подкожной клетчатки у КРС составляет примерно 15 % от общей толщины шкуры [65].
Химический состав шкуры животных, как и других объектов биологического происхождения, очень сложен. Все элементы шкуры находятся в виде разнообразных органических и неорганических соединений различной степени сложности. К первым относятся белки, липиды и углеводы, а также биоактиваторы – ферменты, гормоны и витамины, ко вторым – вода и минеральные вещества.
Элементарный состав шкуры довольно стабилен. Основными элементами шкуры являются углерод, кислород, водород, азот и сера. Из этих элементов построены основные органические соединения шкуры: белки, жиры и углеводы. В зависимости от вида, пола, возраста и условий содержания животного соотношения отдельных составных веществ шкуры могут изменяться. Поэтому представление о процентном содержании основных веществ шкуры может быть дано только в усредненном виде. В состав шкур млекопитающих входят: вода – 66%, сухое вещество – 34%, в. т. ч. белки – 23%, липиды – 7%, углеводы и экстрактивные вещества присутствуют, минеральные вещества – 0,6% [25]. Наибольший интерес, с точки зрения изучения химического состава и свойств составных частей шкуры как сырья пищевой промышленности, представляют белки.
Белки составляют примерно 95 % сухого остатка шкур. В состав шкуры входят склеропротеины (коллаген, кератин, эластин, ретикулин), мукоиды, альбумины, глобулины и некоторые другие белки. Более 90 % приходится на долю коллагена [40].
Изучение коллагена представляет, не только большой научный интерес, но имеет также большое практическое значение как в производстве кожи, желатина, клея и т. п., так и в выработке искусственных кожеподобные материалов.
Коллаген в организме играет роль нерастяжимого материала и образует большую часть защитных покровов. Основными отличительными признаками коллагена являются его механические свойства, сопротивление измененною длины в физиологических условиях, химическая инертность (особенно индифферентность к действию обычных протеолитических ферментов в нативном состоянии), необычный аминокислотный состав и способность превращаться в желатин при длительном нагревании в воде или щелочи.
Физиологическое значение коллагена очень велико. Он является основной составляющей соединительной ткани, которая поддерживает и обеспечивает подвижность различных органов.
Коллаген – это белок, имеющий четыре уровня структуры.
Первичная структура коллагена – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белка.
Считалось, что в состав коллагена входит 18 различных -аминокислот. Известно, что коллаген содержит 4-окси-l-пролин, но был обнаружен его изомер – транс-3-окси-l- пролин. Количество его невелико: на 70 остатков 4-оксидролина приходится один остаток 3-оксипролина. Данные по аминокислотному составу коллагена приведены в таблице 2.
Аминокислотный состав коллагена имеет ряд особенностей:
в полипептидных цепях присутствует большое количества остатков глицина (примерно треть от всех аминокислот);
в полипептидных цепях содержится около 64 % неполярных остатков, около 39% из них – глицин;
присутствие оксилизина и оксипролина;
примерно 22 % аминокислотных остатков приходятся на оксипролин и пролин; на оксикислоты приходится около 14 % от всех остатков аминокислот;
полярные аминокислоты содержатся в большом количестве;
количество аминокислотных остатков с кислотной боковой цепью несколько больше, чем с основной (12 % против 9%);
30 % карбоксилов боковых цепей аспарагиновой и глютаминовой кислот находится в виде амидов;
содержание остатков ароматических аминокислот низкое, а аминокислоты цистин и триптофан отсутствуют.
Аминокислотные остатки в коллагене соединены пептидными связями в длинные полипептидные -цепи. В структуре данного белка в небольшом количестве содержатся углеводы, которые ковалентно связаны с полипептидными цепями.
Стоит отметить биологическое и функциональное значение отдельных наиболее распространенных аминокислот коллагена.
Массоперенос при холодильной обработке пищевых продуктов
Во всех случаях охлаждения или замораживания неупакованного пищевого продукта происходит испарение влаги с поверхности, которое несет за собой потери массы или так называемую усушку [8, 66]. При этом происходит отвод тепла.
Значение усушки является очень важным на практике, так как данный показатель напрямую связан с качеством и выходом готового продукта.
Рынок пищевой продукции длительного хранения постоянно пополняется новыми видами и наименованиями такой продукции, отличающие по составу, свойствам, форме и степени потребительской готовности. Очевидно, что выбор рациональных технологических параметров холодильной обработки такой продукции с точки зрения минимальных массовых потерь представляет практический интерес. В связи с этим возникает необходимо выбрать способ и оценить достоверность получаемых результатов расчета величины массовых потерь при холодильной обработке (охлаждение, замораживание) подобной пищевой продукции.
На данный момент в литературе авторами предложено ряд способов расчета усушки пищевых продуктов при холодильной обработке.
Так, исходя из того, что теплота, отводимая от продукта есть совокупность теплот, отводимых конвекций и испарением, получено расчетное соотношение величины усушки пищевого продукта при охлаждении и замораживании вида [8]: где G - масса продукта, кг; г - удельная теплота превращения, для испарения воды 2500 кДж/кг и тоже самое при сублимации льда 2835 кДж/кг; н и к – удельные энтальпии продукта для начальной и конечной среднеобъёмной температуры, кДж/кг; \i - коэффициент сопротивления испарению; р - давление водяного пара; fCT - средняя температура поверхности продукта при отсутствии массопереноса, С; t0 - температура теплоотводящего воздуха, С.
Разность влагосодержания воздуха у поверхности тела Хпов, кг/м3 и в ядре потока омывающего продукта воздухаХхл, кг/м3 являются движущей силой процесса испарения влаги с поверхности охлаждаемого тела. Потерю влаги тело (dM, кг) за время (dr, с) рассчитывается по формуле [9]: где 5П0В - площадь поверхности продукта, м2; /?пов - коэффициент массоотдачи с поверхности продукта, м/с.
Влагосодержание воздуха зависит от его относительная влажность ср температурыґ и определяется по формуле Филоненко
Полная усушка определяется интегрированием формулы (2) по времени охлаждения с учетом формулы, представленной в литературе [9].
В литературных источниках авторы предлагают различные технологические приемы, позволяющих сократить массоперенос (усушку) при холодильной обработке пищевой продукции.
Так, в институте ВНИКТИхолодпром [22] разработали способ охлаждения и замораживания творога в блоках на контактной поверхности который позволяет сократить потери массы более чем в 2 раза. Хорошее качество данного продукта получается при замораживании его со скоростью не менее 1,4 10-2м/ч.
Институтом ВНИИМП [57] разработана технология замораживания несоленого шпика. Установлено, что температурные условия практически не оказывают существенного влияния на изменения массы при замораживании не упакованного продукта.
В.З. Жадан [64, 7] считает, что усушка продукта находиться в прямой пропорциональной зависимости от теплопритоков к охлаждавшему продукт воздуху.
Ряд авторов [34] отмечают, что усушку при холодильной обработке продуктов с влажной поверхностью (например, мяса) можно значительно сократить применением современных технологий и прежде всего за счет увеличения скорости замораживания и сокращением продолжительности данного процесса. Это успешно достигается применением для замораживания криогенных жидкостей. Однако следует учитывать, что стоимость замораживания в криогенных жидкостях заметно превосходит замораживание в других средах, в том числе и в воздухе [14].
А.М. Войтко предлагает способ снижения усушки подачей к слою продукта холодного воздуха с мелкодисперсными кристаллами льда [14].
А.В. Федосеев [61] предложил способ двухстадийной холодильной обработки мяса свинины. При холодильной обработке свинины по данному способу на первой стадии поддерживают высокую относительную влажность воздуха близкой к 100%, что способствует уменьшению усушки на этом этапе. На второй стадии, когда корочка подмораживания на поверхности свиных полутуш сформирована, относительную влажность снижают до 85%. Это снижает энергозатраты на охлаждение при одновременном уменьшении усушки мяса.
Известен другой способ сокращения усушки мясного сырья применением режимов двух и трехстадийного охлаждения [61, 47]. Б.С. Тихоновым [61] предложен метод сокращения усушки при охлаждении мяса с перенасыщенным влагой воздухе. Отмечено, что в таких условиях испарения влаги с поверхности практически не происходит.
Котлеты
Экспериментальная проверка эффективности применения гелей проводилась на базе мясоперерабатывающего предприятия СПК Племзавод Детскосельский. С целью определения оптимальной доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1 переработанная по вышеописанной технологии свиная шкура вносилась в фаршевую систему котлет в соотношении 8, 10, 12, 16, 20 %. В качестве контрольного образца служили котлеты, вырабатываемые по стандартной рецептуре.
В процессе работы определялись функционально-технологические характеристики сырого котлетного фарша (содержание сухого вещества, влагоудерживающая способность (ВУС), прочность, содержание белка и жира), и готового продукта после охлаждения и последующего обжаривания (содержание сухого вещества, ВУС, ужарка, прочность, модуль упругости, усилие резанию), а также функционально-технологические характеристики готового продукта после замораживания и последующего обжаривания (содержание сухого вещества, ВУС, ужарка, прочность, модуль упругости, усилие резанию). Экспериментальные данные приведены в Приложении 1 таблицах 14, 15, 16. На основании табличных данных были построены графики зависимостей функционально-технологических и структурно-механических Анализ результатов исследования, представленных на рисунке 8, показывает, что прочность котлетного фарша возрастает с увеличением доли внесения композиции. Так замена основного сырья на композицию в количестве 10 % увеличивает прочность котлетного фарша в 1,5 раза. Это положительно сказывается на процессе формования котлет.
Однако, внесение такой композиции в продукт может повлиять на содержание сухих веществ в нем. Экспериментальная проверка показала, что внесение данной композиции в котлетный фарш практически не изменяет содержание сухого вещества в нем. На рисунке 9 представлена зависимость содержания сухих веществ в котлетном фарше от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1. Рисунок 9. Зависимость содержания сухих веществ в котлетном фарше от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1
Незначительное снижение содержания сухих веществ, находящееся в пределах ТУ, вызвано тем, что начальное содержание сухих веществ в фарше без добавок составляет примерно 33 %, а в гелях из свиной шкурки 28,5...29%. Это связано с тем, что внесение добавки в продукт незначительно увеличивает содержание воды в нем. Содержание сухих веществ в продукте после внесения в него добавки можно сохранить на уровне контрольного образца путем соответствующего уменьшения количества воды в рецептуре самого продукта.
На рисунке 10 представлена зависимость ВУС котлетного фарша от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1.
Данные графика показывают, что внесение в продукт добавки из свиной шкурки увеличивает его ВУС на 61,5-65,5 %. Это объясняется тем, что денатурированный и гидролизованный коллаген хорошо связывает воду и это положительно сказывается на сочности готового продукта. Кроме того, внесение полученной добавки из свиной шкуры повышает содержание белка и снижает содержание жира в котлетном фарше поскольку композиция из гидролизованного и денатурированного коллагена содержит значительное количество белка и небольшое количество жира. Таким образом, использование композиции из гидролизованного и денатурированного коллагена в производстве котлет повышает пищевую ценность и понижает калорийность готового продукта. На рисунке 11 представлена зависимость содержания белка в котлетном фарше от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1. Рисунок 11. Зависимость содержания белка в котлетном фарше от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1
На рисунке 12 представлена зависимость содержания жира в котлетном фарше от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1.
На рисунке 13 представлена зависимость содержания сухих веществ в жареных котлетах от доли замены основного сырья на композицию из денатурированного и гидролизованного коллагена в соотношении 1:1.
При увеличении доли замены основного сырья на добавку из шкуры происходит уменьшение содержания сухого вещества в готовом продукте и как следствие увеличение его влагосодержания. Незначительное увеличение этого показателя в пределах 2 % вызвано повышением ВУС котлетного фарша при увеличении доли замены основного сырья.
Исследование прочностных характеристик термически обработанных до потребительской готовности котлет показало, что обжаренные после охлаждения котлеты, имеют более высокую прочность, чем котлеты, обжаренные после замораживания. Это объясняется тем, что кристаллы льда, образующиеся при замораживании продукта, нарушают структуру фарша, снижая тем самым прочностные характеристики готового продукты. Полученные закономерности подтверждаются данными по прочности предварительно охлажденных и замороженных жареных котлет, представленными на рисунок 14
Многослойные полуфабрикаты
Данная часть работы посвящена исследованию процессов массопереноса при замораживании многослойных пищевых продуктов и оценке достоверности расчетных соотношений. Для практического применения расчетных соотношений усушки необходимо знать зависимость температуры поверхности продукта от времени, а также продолжительность процессов понижения температуры продукта от начальной до криоскопической (охлаждение) и от криоскопической до конечной среднеобъемной (собственно замораживание).
Расчет усушки при замораживании продукта проводился по методике, указанной в главе 3 «Теоретическая часть».
Для оценки достоверности результатов расчета величины усушки при холодильной обработке многослойных продуктов питания по предлагаемой методике была проведена экспериментальная проверка. В качестве объектов исследования выбраны чебуреки с мясной начинкой, содержащей в составе композицию из гидролизованной и денатурированной свиной шкуры, изготовленные в производственных условиях ООО «Синтез-Ресурс», в количестве 6 образцов. Определялась масса, геометрические размеры, объем, влагосодержание, криоскопическая температура для каждого слоя (тесто, начинка) исследованных образцов. Тепло физические характеристики взяты из справочной литературы [10].
На рисунках 19 и 20 представлены графики изменения температуры во времени при охлаждении теста и мясной начинки до температуры ниже криоскопической.
Анализ графиков изменения температуры при холодильной обработке продуктов, представленных на рисунках 19 и 20, показал, что криоскопическая температура теста равна tKp = -3,2 С, мясной начинки tKp = -1,8 С.
Образцы замораживали от начальной температуры +20 С до конечной температуры в центре продукта -18 С. Замораживание проводилось в одноступенчатом скороморозильном аппарате с направленным псевдоожжиженным слоем (СМАНПС) при температуре воздуха -29 С и скорости его движения 3 м/с.
Суммарное время замораживания, состоящее из времени охлаждения и замораживания, было 38,9…41,1 мин. Максимальное расхождение при расчете времени охлаждения на основе использования приближения регулярного теплового режима составляет +1,2 / -4,4 %, при расчете доохлаждения +5,2 / -8,3 %. При расчете времени замораживания на основе уравнения фронта движения замораживания на базе классической формулы продолжительности замораживания Планка максимальное расхождение составляет +7,7 %.
По окончании процесса замораживания образцы продукта помещали в герметичную упаковку, закладывали в термостат с целью выдержать в нем до выравнивания температуры по всему объему продукта. Изменение температуры в процессе выдержки и установившуюся в результате этого постоянную величину среднеобъемной температуры фиксировали электронным термометром. Далее образцы выдерживали некоторое время при положительной температуре, дабы исключить конденсацию влаги на её внешней поверхности, после чего с помощью весов ВК-3000 по разности масс образцов до и после замораживания определяли опытное значения величины усушки, которую сравнивали с расчетной.
В таблице 11 приведены расчетные и экспериментальные величины суммарной усушки при охлаждении и замораживании для каждого образца.
Из таблицы 11 следует, что максимальное расхождение опытных и расчетных величин усушки для чебуреков с мясом составляет +8,1 / -1,3 %. Полученные опытные данные величины усушки при замораживании и продолжительности данного процесса для двухслойного пищевого продукта хорошо коррелируют с расчетными значениями.
Таким образом, исследование теплофизических процессов холодильной обработки многослойных пищевых продуктов показало, что предложенная методика расчета величин продолжительности и усушки при охлаждении и замораживании таких продуктов дает достаточно надежные для практических целей результаты определения этих показателей. Наилучшая сходимость опытных и расчетных данных получена для стадии охлаждения исследованного вида многослойного пищевого продукта. Установлено, что основная потеря массы такого продукта при замораживании происходит в начальной его стадии, т.е. при охлаждении. С точки зрения практической значимости полученных результатов следует, что при оценке технологической эффективности процесса замораживания указанного вида пищевой продукции от начальной до конечной среднеобъемной температуры результатами расчета величины усушки на стадии понижения его температуры от криоскопической до конечной среднеобъемной температуры можно пренебречь.
Часть работы, связанная с разработкой технологии применения функционального белкового ингредиента из гидролизованной и денатурированной свиной шкуры при производстве тестовых полуфабрикатов, проводилась на предприятии ООО «ФудКомпания».
Объектом исследования были чебуреки, произведенные по ТУ 9119-005-61144405-02. Данный продукт имеет высокую калорийность за счет содержания в его составе бараньего курдючного жира. Калорийность такого чебурека составляет 224 ккал в сыром виде. Следует также учесть, что традиционно данный вид пищевой продукции обжаривается в масле, в результате чего калорийность возрастает. Кроме того, бараний жир содержит значительное количество холестерина и по этой причине такой продукт подходит не для всех потребителей. В этой связи возникает интерес к возможности замены части курдючного жира на менее калорийный функциональный белковый ингредиент, полученный из гидролизованной и денатурированной свиной шкуры.
В производственных условиях была проведена выработка чебуреков по стандартной рецептуре с бараньим курдючным жиром (контрольный образец) и по экспериментальным рецептурам с композицией из гидролизованного и денатурированного коллагена в соотношении 1:1 (экспериментальный образец № 1, экспериментальный образец № 2). В экспериментальном образце № 1 на композицию из гидролизованного и денатурированного коллагена было заменено 50 % бараньего курдючного жира, в экспериментальном образце № 2 на композицию из гидролизованного и денатурированного коллагена было заменено 75 % бараньего курдючного жира. В процессе исследований изучались функционально-технологические свойства сырого фарша для чебуреков при температуре 4 С (содержание влаги, белка, жира, ВУС, прочность). Данные исследований приведены в таблицах 12.