Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1. Проблемы использования вторичных биоресурсов в мясоперерабатывающей промышленности 9
1.2. Современное состояние технологий структурированных пищевых продуктов 10
1.3. Характеристика сырья 15
1.4. Тримминг. Направления использования 23
1.5. Ферменты 23
1.6. Трансглутаминаза 32
1.7. Свойства трансглутаминазы 38
1.8. Ферментные препараты на основе ТТЛ 43
1.9. Микробиология мяса 44
1.9.1. Общая характеристика пищевых заболеваний 46
1.9.2. Профилактика пищевых отравлений 47
1.9.3. Количественный и качественный состав микрофлоры мяса 48
1.9.4. Микрофлора охлаждённого мяса 48
1.9.5. Микрофлора замороженного мяса 50
1.9.6. Микрофлора мясных полуфабрикатов 53
1.9.7. Общие принципы микробиологического контроля 55
1.10. Теория регулярного теплового режима 58
2. Постановка эксперимента, объекты и методы исследований 61
2.1. Схема проведения эксперимента 61
2.2. Объекты исследования 62
2.3. Экспериментальные методы и методики исследований 64
2.3.1. Определение прочности «склеивания» свиного тримминга 64
2.3.2. Определение микробиологических показателей 69
3. Результаты и их обсуждения 71
3.1. Результаты исследований усилия на разрыв при различных температурах ферментации 71
3.2. Изменение физико-химических и функционально-технологических свойств свиного тримминга при внесении ферментного препарата Activa ЕВ 83
3.3. Исследование динамики развития микроорганизмов в процессе ферментации 85
3.4. Вывод формулы для расчёта конечного числа микроорганизмов в сферментированном продукте 102
Выводы 106
Список использованной литературы 107
Приложение 120
- Ферменты
- Теория регулярного теплового режима
- Результаты исследований усилия на разрыв при различных температурах ферментации
- Исследование динамики развития микроорганизмов в процессе ферментации
Введение к работе
Актуальность темы. На мясоперерабатывающих предприятиях_после обвалки мясной туши на костях остаётся более 5% мышечной ткани. В результате дообвалки формируется мясная обрезь - тримминг, который используется при производстве рубленых полуфабрикатов и вареных колбас.
Рациональное использование мясного сырья, в том числе малоценного, имеет важное значение, так как позволит получить продукты повышенной пищевой и биологической ценности за счёт применения различных ингредиентов и ферментных препаратов. Основные направления в переработке мясного сырья связаны с повышением функционально-технологических свойств с помощью применения ферментных препаратов и биологически активных веществ.
Лидирующее положение на рынке ферментных препаратов занимает компания «AJINOMOTO», представляющая линейку ферментных препаратов «ACTIVA». Для производства реструктурированных полуфабрикатов компанией разработан ферментный препарат актива ЕБ, активной частью которой является фермент трансглутаминаза. В настоящее время известна технология получения реструктурированных полуфабрикатов с использованием сырья мясного и рыбного происхождения и фермента трансглутаминаза. Существенными недостатками технологии являются длительность процесса ферментации и значительные энергозатраты, связанные с необходимостью поддержания низких положительных температур.
В настоящее время отсутствует научная информация о применении ферментного препарата трансглутаминаза в технологии полуфабрикатов из свиного тримминга, о влиянии технических и технологических параметров на структурно-механические свойства, функционально-технологические свойства и показатели качества исходного сырья и готовых изделий.
Исследование, посвященное обоснованию технологических параметров ферментируемого свиного тримминга, созданию полуфабриката и готового изделия, а так же повышению биологической ценности, является актуальным и имеет социально-экономическое значение.
Цель исследования - разработать технологию реструктурированных полуфабрикатов из малоценного свиного тримминга с применением трансглутаминазы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Определить оптимальную концентрацию фермента трансглутаминаза, необходимую для достижения требуемых прочностных характеристик реструктурированного полуфабриката;
Исследовать прочностные характеристики образцов мышечная ткань-мышечная ткань, мышечная ткань - жировая ткань, жировая ткань -жировая ткань при различных температурах ферментации;
Исследовать микробиологические характеристики реструктурированного полуфабриката, полученного в различных диапазонах температур ферментации и рН сырья;
Составить уравнение для расчета конечного количества микроорганизмов в ферментированном продукте;
Разработать технологию реструктурированного полуфабриката с применением трансглутаминазы.
Разработать техническую документацию для производства реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга 50 с применением фермента трансглутаминаза.
Научная новизна работы.
Разработана энергосберегающая технология реструктурированных
полуфабрикатов из свиного тримминга.
Установлены свойства сырья, готового продукта, технологические
характеристики процесса ферментации и закономерности их изменений в
зависимости от свойств сырья и концентрации фермента.
Выявлены кинетические закономерности роста микроорганизмов в сырье и
готовом продукте в зависимости от технологических режимов ферментации.
Предложена математическая модель определения прочностных характеристик
реструктурированного продукта в зависимости от свойств ферментируемого
сырья.
Получено уравнение расчёта общей обсеменённости сырья и продукта в
зависимости от температуры ферментации и начальной обсеменённости сырья.
Выбран оптимальный технологический режим ферментации свиного
тримминга.
Практическая значимость работы. Разработана технология
реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга с применением трансглутаминазы в диапазоне температур 12 - 20С, и времени ферментации 7-8 ч.
Технология апробирована в производственных условиях и внедрена на ООО «Русская Еда» и 000 «Династия», г. Санкт-Петербург.
Новизна метода расчёта конечного количества микроорганизмов в ферментированном продукте подтверждена патентом на изобретение №2476086. Основные положения, выносимые на защиту.
Технология ферментации мясного тримминга трансглутаминазой с получением реструктурированного полуфабриката.
Температура ферментации +18 (+20)С уменьшающая время ферментации в 3 раза, что приводит к уменьшению энергозатрат.
Методы исследования прочностных характеристик продукта в зависимости от температуры и времени процесса.
Методы исследования динамики роста микроорганизмов в сферментированном продукте в зависимости от температуры и времени процесса.
Физико-математическая модель и расчётные соотношения определения роста микроорганизмов при ферментации продукта в условиях изменяющейся температуры.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях
профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского
государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, 2008-2012гг.; на Международном форуме "Безопасность продовольствия России", СПб, 2009г.; на IV Международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке", СПб, 2009г; на IV
INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE "MEAT IN TECHNOLOGY AND HUMAN NUTRITION", 20Юг.; на Петербургском форуме «Ситуация на продовольственном рынке Санкт-Петербурга и решение актуальных проблем агропромышленного комплекса региона в современных экономических условиях», (в рамках международной выставки «Агрорусь»), Санкт-Петербург, 2010г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые добавки и современные технологии переработки сельскохозяйственного сырья», СПб, 2011г.; на IX Петербургском продовольственном форуме "Торговля большого города" и "Ассамблея Директоров Санкт-Петербурга" (в рамках международной выставки «Петерфуд»), 2008-2011г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста и содержит 23 таблицы, 24 рисунка и 9 приложений. Список литературы включает 116 наименований, из них 25 зарубежных авторов.
Ферменты
Ферменты (от лат. fermentum - закваска), энзимы, специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Почти все биохимические реакции, протекающие в любом организме и в своём закономерном сочетании составляющие его обмен веществ, катализируются соответствующими ферментами. Направляя и регулируя обмен веществ, ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности [83].
Фермент, как и любой белок; построен из аминокислот, соединенных пептидными связями, т. е. по сути является полипептидом. Разные белки-ферменты отличаются по количеству аминокислот и по их последовательности. В природных (нативных) условиях молекула белка-фермента имеет определенную пространственную организацию, которая обозначается термином «конформация». Конформация отличается от других видов пространственной организации молекул тем, что способна обратимо изменяться в ответ на изменение условий среды. При очень сильных (не физиологических) воздействиях на белок (в том числе фермент) конформационный переход может стать очень значительным и практически необратимым. Это явление получило название «денатурация». Денатурированный фермент теряет свои природные свойства, а значит - не способен катализировать химическую реакцию [105].
Вещество, превращение которого катализирует фермент, называется субстратом этого фермента. Как правило, фермент взаимодействует с субстратом не всей своей молекулой, а определенным участком, который называется «активный центр фермента». Активный центр условно можно разделить на адсорбционный и каталитический участки. Адсорбционный центр изменяя свою конформацию специфически связывает субстрат, а каталитический центр собственно осуществляет катализ, что приводит к превращению субстрата в продукт реакции [112].
Некоторые коферменты не синтезируются в организме человека, поэтому должны поступать в организм из внешней среды. Такие коферменты или их структурные компоненты относятся к понятию «витамины». Имеется два источника витаминов для организма человека: пища и витамины, синтезируемые микрофлорой кишечника [105].
Многие ферменты содержат металлы, без которых ферменты не активен. Эти металлы называются кофакторами. Так, пероксидаза и каталаза содержат железо, аскорбинатоксидаза, катализирующая окисление аскорбиновой кислоты, - медь, алкогольдегидрогеназа, окисляющая спирты в соответствующие альдегиды, - цинк [105].
Получение ферментов. Обычно ферменты выделяют из тканей животных, растений, клеток и культуральных жидкостей микроорганизмов, биологических жидкостей (кровь, лимфа и др.). Для получения некоторых труднодоступных ферментов используются методы генетической инженерии. Из исходных материалов ферменты экстрагируют солевыми растворами. Затем их разделяют на фракции, осаждая солями [обычно (NH SOJ или, реже, органическими растворителями, и очищают методами гельпроникающей и ионо-обменной хроматографии. На заключительных этапах очистки часто используют методы аффинной хроматографии. Контроль за ходом очистки ферментов и характеристику чистых препаратов осуществляют, измеряя каталитическую активность ферментов с применением специфических (обычно дающих цветные реакции) субстратов. За единицу количества фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоля субстрата в 1 мин в стандартных условиях. Число единиц фермента, отнесенное к 1 мг белка, наз. удельной активностью [29,105].
Применение ферментов. В : неочищенном состоянии ферменты с древнейших времен используют для получения продуктов питания и выделки изделий в хлебопечении, сыроделии, виноделии, технологии мяса и мясопродуктов, обработке кож и так далее. Достаточно очищенные ферменты применяют в производстве аминокислот и их смесей для искусственного питания, в производстве сахарных сиропов из углеводсодержащего сырья, для удаления лактозы из молока и в производстве ряда лекарственных средств [29].
Ферменты имеют ряд достоинств перед небиологическими катализаторами: во-первых, скорость ферментативного катализа на несколько порядков выше (от 103 до 109); во-вторых, большинство из них отличается исключительно высокой субстратной специфичностью; в-третьих, ферменты катализируют реакции в мягких условиях (при атмосферном давлении, температуре от 20 до 70С, рН от 4 до 9) [83].
Классификация и номенклатура ферментов. Современная классификация и номенклатура ферментов была разработана Комиссией по ферментам Международного Биохимического Союза и утверждена на V Международном Биохимическом Конгрессе в 1961 году. В основе классификации и номенклатуры ферментов лежит тип катализируемой ферментом химической реакции. Согласно номенклатуре все ферменты делят на шесть классов:
1. Оксидоредуктазы (ферменты, катализирующее окислительно-восстановительные реакции);
2. Трансферазы (ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса какой-либо химической группы с одного субстрата на другой);
3. Гидролазы (ферменты, катализирующие реакции гидролиза, т. е. расщепления субстрата с присоединением молекулы воды);
4. Лиазы (ферменты, катализирующие реакции расщепления субстрата без присоединения воды);
5. Изомеразы (ферменты, катализирующие взаимопревращения изомеров);
6. Лигазы или синтетазы (ферменты, катализирующие реакции синтеза) [29].
Каждый класс ферментов разделяется на подклассы, каждый подкласс -на подподклассы. В каждом подподклассе имеется список ферментов. В соответствии с номенклатурой каждый фермент получает свой индекс. Индекс состоит из четырех чисел, разделенных точками. Первое число указывает на номер класса, второе - номер подкласса, третье - номер подподкласса, четвертое - порядковый номер фермента в списке ферментов каждого подподкласса [107].
Механизм ферментативного катализа. Как все катализаторы, ферменты работают путем снижения энергии активации (Е3 или AG ) для реакции, таким образом значительно увеличивая скорость реакции. Как со всеми катализаторами, ферменты не потребляются реакциями которые они катализируют, а также не изменяют равновесие этих реакций [41].
Функционирование фермента начинается с сорбции субстрата на адсорбционном центре, что приводит к образованию фермент-субстратного комплекса. Движущей силой этого процесса является формирование слабых связей (ионной, водородной, гидрофобного взаимодействия) между компонентами адсорбционного центра и химическими группами субстрата. Чем больше возникает таких связей, тем прочнее фермент-субстратный комплекс, а значит и выше сродство фермента к субстрату [105]. Механизм взаимодействия фермента (Е) с субстратом (S) представлен на рис. 1.1.
Теория регулярного теплового режима
Расчёт продолжительности охлаждения или нагревания тела можно построить на основе теории регулярного теплового режима. В холодильной технологии этим методом пользуются особенно широко в силу его простоты и универсальности [115].
Основой теории регулярного теплового режима является следующее утверждение, доказываемое в курсах математической физики.
В случае, когда: 1) теплофизические характеристики тела и коэффициент внешней теплоотдачи не зависят ни от температуры, ни от времени (но могут зависеть от координат); 2) температура окружающей среды постоянна (не зависит ни от координат, ни от времени). Решение задачи описывается выражением - некоторые числа, зависящие от размеров, формы и теплофизических характеристик тела, но не зависящие от координат и времени; f,(x,y,z)- некоторые функции от координат тела, но не зависящие от времени; V = tr - переменная избыточная температура, С [115,71].
Поскольку при достаточно больших временах процесса каждый последующий член ряда мал по сравнению с предыдущим, температура в каждой точке тела может быть приближено описана первым членом ряда.
Вводя среднеобъёмную начальную избыточную температуру н = t„r, получим где величина m=mb с"1, называемая темпом охлаждения, не зависит от того, в f какой точке тела измеряется температура t, а коэффициент А = — от неё зависит. Это называется приближением регулярного теплового режима. Таким образом, процесс охлаждения или нагревания тела разбивается на две стадии [71,115].
Первая стадия простого охлаждения или нагревания тела значительно зависит от его начального распределения температуры; это иррегулярная стадия охлаждения или нагревания, когда нельзя пренебрегать последующими членами ряда [69].
Вторая стадия независимо от начального температурного поля характеризуется экспоненциальным изменением температуры во всех точках тела, а также его среднеобъёмной температуры во времени; эта стадия называется регулярным тепловым режимом. Таким образом, регулярный тепловой режим наступает лишь спустя некоторое время (при достаточно большой величине критерия Фурье) после начала теплообмена, но затем длиться неограниченно длительный срок [81].
Из формулы (1.2) несложно выразить искомое время охлаждения или нагревания
Известно, что чем быстрее понижается температура тела, тем больше будет угол наклона а, а значит, тем больше т. Поэтому параметр m назван темпом охлаждения, так как его величина позволяет судить о скорости процесса [115].
Отметим, что избыточная температура и близка к начальной ин, то выражение под логарифмом может оказаться меньше единицы (в случае А 1), т.е. время т окажется отрицательным. Это означает, что время охлаждения (или нагревания) очень мало и теория регулярного теплового режима здесь неприменима [61,82,115].
Результаты исследований усилия на разрыв при различных температурах ферментации
Производились исследования усилия на разрыв в сферментированных образцах свиного тримминга при различных температурах ферментации. Все эксперименты с ферментным препаратом «ACTIVA ЕВ» проводились в рН-оптимуме его максимальной эффективности. Прочность «склеивания» мясного сырья после математической обработки охарактеризована конкретной физической величиной - усилием на разрыв [Н/м2]. Исследования проводились для систем мясо-мясо (М-М), мясо-жир (М-Ж) и жир-жир (Ж-Ж) при различных концентрациях фермента трансглутаминаза и температуры ферментации.
Значения прикладываемого усилия на разрыв при температуре 4-6С для систем М-М, М-Ж и Ж-Ж в зависимости от концентрации фермента трансглутаминаза приведены в табл.3.1.1 .-3.1.3. и на рис. 3.1.1.-3.1.3.
На рисунках 3.1.1-3.1.6 представлены результаты прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при Ц = 4-7С в образцах М-М, М-Ж и Ж-Ж. Установлено, что введение в мясное сырье с не разрушенной или частично разрушенной клеточной структурой (свиной тримминг) ферментного препарата «ACTIVA ЕВ» происходит «сшивание» кусков мяса и жира, получение монолитного продукта, обладающего прочностными свойствами не разрушенной структуры. Установлено, что оптимальное значение прикладываемого усилия на разрыв составляет 7000-7500 Н/м2. Таким образом, оптимальное время ферментации при температуре 4-6 С составляет 18-20 часа.
Показано, что наилучшие результаты по «склейке» свиного тримминга достигаются для образцов М-М при внесении 0,36 грамм ферментного препарата, с содержанием трансглутаминазы 1%. При дальнейшем увеличении концентрации ТГЛ прочность существенно не изменяется.
В вариантах «склейки» образцов М-Ж и Ж-Ж прочностные характеристики ухудшаются. Это объясняется более низким содержанием аминокислот лизина и глутамина в жировой ткани. Соответственно, наихудшие значения прочностных характеристик получены при «склейке» образцов Ж-Ж.
Значения прикладываемого усилия на разрыв при температуре 18-20С для систем М-М, М-Ж и Ж-Ж в зависимости от концентрации фермента трансглутаминаза приведены в табл.3.1.4.-3.1.6. и на рис. 3.1.4.-3.1.6.
На рисунках 3.1.6-3.1.9 представлены результаты прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при Ц = 18-20С в образцах М-М, М-Ж и Ж-Ж. Исследования проводились с целью выявления возможности ускорения процесса ферментации при увеличении температуры ферментации.
Наилучшие результаты, также как и в первом случае, были достигнуты для образцов М-М. Значения прикладываемого усилия на разрыв в образцах М-Ж и Ж-Ж уступают им. Также, как и в первом случае, наилучшие результаты были достигнуты при внесении 0,36 грамм трансглутаминазы. Дальнейшее увеличение концентрации ферментного препарата практически не оказывает никакого влияния на прочностные характеристики сферментированного продукта.
Установлено, что при ферментации при комнатной температуре (18-20 С) время достижения оптимального усилия склейки составляет 7-8 часов. Таким образом, появляется возможность ускорения процесса ферментации приблизительно в 2,5 раза в сравнении с существующей технологией (ферментация при 4-6 С). Кроме того, в данном случае не требуется дополнительных энергозатрат на создание необходимых условий для процесса ферментации.
Аналогичные результаты были получены и при ферментации при Ц = 30-35 С. Значения прикладываемого усилия на разрыв при температуре 18-20 С для систем М-М, М-Ж и Ж-Ж в зависимости от концентрации фермента трансглутаминаза приведены в табл.3.1.7.-3.1.9. и нарис. 3.1.7.-3.1.9.
Ферментация при таких высоких температурах является нецелесообразной в силу значительного ускорения динамики роста микроорганизмов в сферментированном продукте. Кроме того, в данном случае процесс ферментации сопровождается значительными энергетическими затратами. Оптимальное время ферментации при такой температуре при внесении 0,36 грамм трансглутаминазы составляет 6-7 часов, т.е. всего лишь на 1-2 часа меньше, чем при ферментации при температуре 18-20 С.
Таким образом, оптимальное значение прикладываемого усилия на разрыв составляет 5000-5800 Н/м2. Наилучшие результаты были достигнуты для варианта ферментации при комнатной температуре. В данном случае существенно снижается время процесса ферментации и не требуется дополнительных энергозатрат для поддержания необходимых условий процесса.
Исследование динамики развития микроорганизмов в процессе ферментации
Поскольку в ряде случаев ферментация производилась при повышенных положительных температурах были проведены исследования развития микрофлоры. Исследования производились при различных значениях рН сырья. Результаты измерений размножения микрофлоры при различных значениях рН и температуры ферментации приведены в табл. 3.3.1 - 3.3. На рис. 3.3.1- 3.3. представлена зависимость количества КОЕ микроорганизмов от рН среды при различных температурах ферментации.
Показано, что с увеличением температуры ферментации и рН склеиваемого сырья ускоряется рост и развитие микрофлоры. Исследование было проведено с целью установления содержания количества микроорганизмов в сферментированном продукте на момент достижения оптимального значения усилия на разрыв. Наибольший интерес представляли варианты, где ферментация производилась при комнатной температуре. Установлено, что на момент достижения оптимального усилия на разрыв количество микроорганизмов соответствовало нормам, прописанным в СанПин. Таким образом, наиболее целесообразно проводить процесс ферментации при температуре 18-20 С в течение 7-8 часов.
Это связано с тем, что такой процесс не требует дополнительных расходов энергии для достижения заданной температуры процесса. Использование более низких температур требует дополнительных расходов энергии, а, кроме того, значительного времени процесса, значит, потребует и значительных технологических объёмов оборудования. При более высоких температурах, несмотря на то, что время ферментации существенно сократится, развитие микрофлоры существенно и по своим значениям приближается к уровню разрешённому СанПин.
Также была изучена зависимость микробной обсеменённости от рН сырья при различных температурах ферментации. Результаты исследований приведены нарис. 3.3.19-3.3.21.
Показано, что с ростом температуры и рН сырья развитие микрофлоры существенно приближается к уровню, разрешённому СанПиН.
Также было исследовано изменение температуры в контрольных образцах во время ферментации при различных температурах. Результаты исследований представлены на рис. 3.3.22.
Похожие диссертации на Разработка технологии реструктурированных полуфабрикатов из малоценного мясного сырья с использованием фермента трансглутаминазы
