Розділ 13. Біохімічні та інші зміни, що відбуваються з основними речовинами в процесі зберігання і технологічної обробки харчової продукції

13.1.Зміна стану та вмісту води

Як відомо, вода – найбільш розповсюджена сполука в живих організмах. Вона – реакційно здатна сполука, вона дуже сильно відрізняється від більшості інших рідин складом і властивостями. Вода і продукти її дисоціації визначають структуру і біологічні властивості білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та інших органічних речовин.

Вода у рідкому стані уявляє собою полімер, будова якого зумовлює специфічні фізичні властивості:

• висока температура плавлення, кипіння, випару;

• великий поверхневий натяг.

• при нагріванні від 0 до 4⁰С її об’єм зменшується, максимальна густина досягається при 3,98⁰С;

• при замерзанні об’єм води збільшується. Так об’єм льоду більше об’єму води, із якої він утворився; густина льоду 0,92 г/см³, він легше води;

• температура замерзання води знижується при збільшенні тиску;

• відрізняється високою діелектричною сталою і одним із самих великих поверхневих натягів;

• відрізняється високим ступенем змочування;

• здатна підніматися високо вгору в тонких капілярах і прилипати до поверхонь багатьох тіл;

• є універсальним розчинником багатьох речовин;

• володіє надмірно великою питомою теплоємністю.

Зберігання. Вода входить до складу всіх харчових продуктів. При виробництві харчових продуктів необхідно враховувати вміст в продуктах води, її фізіологічну роль в клітинах, вплив на зберігання продукту, характер зв’язку з матеріалом, а також мати уяву про формування кристалів при заморожуванні. У тваринних і рослинних тканинах вода є найбільш рухливим компонентом. Так, вміст води у свіжому оселедці в залежності від віку, статі, району і часу лову коливається в межах від 51,0 до 78,3 %, у трескових риб – від 70,6 до 86,2 %. У картоплі в залежності від сорту, району вирощування, грунту і вегетаційного періоду кількість води складає 67 - 83 %.

Велика частина води у свіжих овочах і плодах перебуває у вільній, рухливій формі, незначна частина (до 5 %) у зв’язаному стані. При випаровуванні води послаблюється тургор клітин і відбувається зів’янення тканин, посилюються процеси розпаду, збільшується витрата на дихання, порушується енергетичний баланс, стійкість овочів і плодів до ураження мікроорганізмами знижується.

Основна причина зменшення маси рослинної сировини – випаровування води. У середньому 2/3 втрат маси овочів і плодів при зберіганні відбувається за рахунок випаровування води і 1/3 за рахунок втрати органічни речовин (при температурі до 5⁰С), при більш високих температурах ці втрати збільшуються. Так, втрати маси бульб картоплі при температурі 0⁰С за рахунок випаровування води втричі більші, ніж у результаті дихання, а при 13⁰С – у 1,3 рази.

У більшій частині харчової сировини (м’ясо, субпродукти, птиця, риба та ін.) вміст води і розчинних речовин змінюється на наступних етапах обробки:

• зберігання;

• при розморожуванні сировини і зберігання напівфабрикатів із неї;

• в процесі вимочування солоної продукції.

Функції організму тварин і рослин здійснюються тільки при достатньому вмісті в тканинах води, так плоди, овочі при втраті води в кількості 5-7 % в’януть і втрачають свіжість. Специфіка хімічного складу овочів і плодів зумовлює необхідність їх зберігання при певних умовах, наведених в таблиці 13.1.

Таблиця 13.1

Умови і режими зберігання овочів і плодів

Вид продукту	Умови і режими зберігання
	Умови	Характер освітлення	Температура, 0С	Відносна вологість, %	Термін зберігання
1	2	3	4	5	6
Капуста білокачанна	Контейнери, стелажі, ящики	Розсіяне	0-10С	90-97	4-7 міс
Капуста квашена	Деревяні або бетонні чани – домники. Вона повинна бути вкрита розсолом	Затемнене	0-10С	90-95	4-7 міс
Морква	Контейнери, ящики	Затемнене	0-10С	90-97	3-7 міс
Листковий і качанний салат, цибуля-порій, зелень петрушки, сельдерея, укропу	Лотки, ящики	Розсіяне	00С	95-97	Від 1 тижня (зелень) до 3 міс
Томати	Лотки, ящики	розсіяне	1	85-90	Від 1 тижня до 1 міс
Огірки	Лотки, ящики	затемнене	10-12	90-95	До 1 міс

Продовження таблиці 13.1

1	2	3	4	5	6
Перець солодкий, баклажани	Лотки, ящики	розсіяне	0-1	80-85	До 20 днів
Яблука	ящики	затемнене	0-1	90-95	До 1 міс літні сорти, до 10 міс зимні сорти
Цитрусові	ящики	затемнене	1-5	85-90	Від 1 міс до 3 міс
Ягоди, виноград	Лотки, ящики	затемнене	0-2	85-95	Від 1 дня до 2 тижнів

Вода необхідна для хімічних, біохімічних реакцій і колоїдних процесів, що протікають у тваринних і рослинних тканинах під час їхньої переробки. Втрата води тваринами в межах 15-20 % призводить до їхньої загибелі.

Окрім наявності в харчових продуктах (м’ясо, риба, молоко, плоди, овочі) значної кількості води 70-93 %, вміст вуглеводів, азотистих речовин і жирів створює умови для розвитку мікроорганізмів, тому така продукція швидко псується. Між тим борошно, крохмаль, крупи, сушені овочі, плоди і ягоди зберігають при певних умовах на протязі тривалого часу.

Багато продуктів, насамперед, тваринного походження з метою збільшення терміну зберігання підлягають заморожуванню. В залежності від температури охолодження заморожених продуктів більша або менша частина води в них знаходиться у вигляді льоду. Волога, що утворюється в результаті відтаювання льоду, при розморожуванні продуктів може залишатися в них або виділятися в оточуюче середовище, що залежить від фізико-хімічних особливостей продуктів.

При заморожуванні м’язової тканини тварин і риб кристали льоду утворюються переважно в тканинній рідині між м’язовими волокнами і в меншому ступені в волокнах. Чим повільніше йде процес заморожування, тим в більшому ступені замерзає тканинна рідина між м’язовими волокнами і тим значніше зневоднюються м’язові волокна.

При відтаюванні м’язова тканина наземних тварин і риби веде себе по-різному.

Для м’яса в тому чи іншому ступені характерне відновлення структури після відтаювання, тобто поглинання вологи з тканинної рідини м’язовими волокнами. На відновлення структури м’яса впливають:

• швидкість заморожування;

• тривалість зберігання;

• тривалість і умови розморожування.

Правильно проведене розморожування дозволяє отримати м’ясо близьке за якістю до остиглого або охолодженого.

Найбільш сприятливими умовами і терміном розморожування вважаються для четвертин яловичини від 3 до 5 діб, для свинячих і баранячих туш – від 2 до 3 діб при температурі від 0 до 5⁰С.

Для субпродуктів швидкість відтаювання не має значення, виключенням є серце, яке для попередження значних втрат м’ясного соку відтаюють повільно. Печінка, клітинні оболонки якої при заморожуванні руйнуються, незалежно від термінів розморожування втрачає близько 11-12 % соку.

У риби м’язова тканина не відновлює своєї структури при розморожуванні, тому відтаювання її (крім риб осетрових порід і філе) проводять швидко у воді і при температурі не вище 25⁰С. При цьому риба поглинає 5-10 % вологи і втрачає близько 0,25 % органічних і 0,1 % мінеральних речовин. Втрати філе риби при розморожуванні на повітрі складають 4-7 %.

Напівфабрикати із риби і м’яса. Напівфабрикати із риби і м’яса, що підлягають швидкому відтаюванню, окрім втрат, пов’язаних з первинною обробкою, втрачають м’ясний сік при зберіганні. Порційні шматки вагою 100-140 г, укладені в один ряд за 6 годин при зберіганні при 18-20⁰С втрачають близько 1 % м’ясного соку, а великошматкові напівфабрикати із м’яса, які після прискореного відтаювання добу витримувалися при температурі 2-4⁰С за 24 год зберігання в холодильнику втрачають до 0,6 % соку. М’язова тканина риби слабкіше звязує воду, тому для попередження значних втрат сока її фіксують.

Вимочування. Солонина містить 6-12 %, а середньосолона риба 10-14 % кухонної сілі. Для видалення надлишку солі солоні продукти вимочують у воді, яку періодично міняють. Залишкова кількість солі повинна бути в сировині не більше 3-4 %). Вага продукції при цьому збільшується, але разом із кухонною сіллю у воду переходить значна частина розчинних поживних речовин: білків, екстрактивних та мінеральних речовин, тому за смаковими якостями і поживною цінністю ці продукти поступаються свіжим.

Як вже було сказано, вміст води в харчових продуктах відіграє важливу роль при формуванні і збереженні їхньої якості. Так, вода впливає на консистенцію продуктів (рідка, напіврідка або тверда), на стан поверхні і внутрішню будову ряду продуктів.

На збереження харчових продуктів впливає не тільки загальна кількість води, але і співвідношення вільної і зв’язаної, яке характeризує активність води.

Активність води виражається відношенням тиску водяних парів над продуктом до їхнього тиску над поверхнею чистої води при одній і тій же температурі.

Цей показник означає доступність води для фізичних, хімічних, фізико-хімічних і мікробіологічних процесів. Від величини активності води залежать:

• терміни зберігання м’яса і м’ясопродуктів;

• стабільність м’ясних консервів;

• формування кольору та запаху;

• втрати в процесах термообробки і зберіганні.

Цей показник дозволяє встановити взаємозв’язок між станом слабозв’язаної вологи в продукті і можливістю розвитку в ньому мікрорганізмів.

Між зв’язаною і вільною водою продуктів не спостерігається різкої межі. У рослинних і тваринних тканинах переважає вільна вода. Так, у м’язах тварин і риб основна частина води зв’’язана з гідрофільними білками за рахунок осмотичних (45-55 %), капілярних (40-45 %) сил, води змочування (0,8-2,5 %), а на частку зв’язаної води приходиться тільки 6,5-7,5 %. У плодах і овочах знаходиться до 95 % вільної води. Тому ці продукти сушать до вмісту залишкової вологості 8-20 %, тому що вільна вода з них легко видаляється.

При додаванні розчинних речовин, таких, як сіль, цукор, білкові інгредієнти, посилюється зв’язок вологи в харчовому продукті.

При видаленні вологи висушуванням, перетворенням вологи в лід в процесі заморожування також зменшується кількість слабозв’язаної води. Підвищення осмотичного тиску знижує парціальний тиск водяної пари і активність води зменшується. На цих ефектах грунтуються традиційні способи консервування продуктів.

Активність води можна змінювати, підбираючи сировину і рецептури з урахуванням використаної кількості кухонної сілі і жиру. Створення оптимальних умов зневоднення ковбас в процесі дозріванні також дає можливість регулювати активність води. В дозрілих ковбасах ріст небажаних мікроорганізмів стримується низькою активністю води, анаеробністю середовища, низьким значенням рН, наявністю хлориду і нітриту натрію, аттакож молочнокислої мікрофлори.

Ступінь впливу на активність води харчових добавок зменшується в наступному порядку: кухонна сіль, поліфосфат, цитрат, тартрат, гліцерин, лактоза, молочний білок, жир. Добавки, молекули яких мають більший ступінь дисоціації, сильніше знижують активність води, ніж макромолекулярні речовини.

Форми зв’язку води з речовинами і структурними елементами харчового продукту:

• фізико-механічна (волога змочування, волога в макро- і мікрокапілярах);

• фізико-хімічна (волога, набрякання, адсорбційна);

• хімічна (іонна і молекулярна).

Переважають перші дві форми зв’язку, хімічний зв’язок у продуктах зустрічається рідко.

Фізико-механічний зв’язок обумовлений утриманням вологи в проміжках структури (імобілізаційна вода), у мікро- і макрокапілярах і прилипанням її до поверхні часток або продукту (змочування), вилучається з матеріалу випарюванням або механічним способом (віджим, центрифугування та ін.), при цьому основна маса води знаходиться у вільному стані і не змінює своїх властивостей.

Волога змочування – волога у вигляді дрібних крапель утримується силами поверхневого натягу на поверхні розрізу тканин продуктів. Вода досить легко видається з продукту, тому що слабозв’язана із субстратом.

Капілярна волога заповнює пори і капіляри (наприклад, м’яса, фаршу). Її кількість залежить від ступеня капілярності сировини, матеріалу. При нарізанні м’яса, риби, плодів, овочів може відбуватися часткова втрата м’язового, плодового та овочевого соку, що має високу харчову цінність. В м’ясі роль капілярів виконують кровоносні і лімфатичні судини. Капілярна волога впливає на об’єм і соковитість продукту; чим вище капілярний тиск, тим міцніше капілярна волога, пов’язана з матеріалом. Капілярний тиск, в свою чергу, визначається розміром капілярів; чим менше діаметр капіляра (мікрокапіляр), тим він вище і тим міцніше утримується вода.

Навіть при однаковій формі зв’ язку вологи її міцність і вплив на властивості тканин неоднакові.

В технологічній практиці вологу за формою її звязку з м’ясом спрощено ділять на міцно зв’язану, слабо зв’язану корисну і слабко зв’язану надлишкову.

Міцно зв’язана волога – це в основному адсорбційна, а також волога мікрокапілярів і частина осмотичної вологи.

Слабко зв’язана корисна волога пом’якшує (пластифікує продукт), cтворюючи сприятливу консистенцію і сприяє засвоєнню їжі.

Слабко звязана надлишкова волога може відділятися в процесі технологічної обробки у вигляді бульону.

При виготовленні ковбас міцно зв’язана волога повинна складати приблизно 1/3 всієї рідини. У випадку виготовлення ковбаси із замороженого м’яса, яке довго зберігалося, частина вологи виявляється у вигляді слабозв’язаної надлишкової і консистенція продукту гірша, відбувається відділення бульйону і зменшується вихід продукту. При більшій кількості міцнозв’язаної вологи (більше 1/3 частини) продукт отримують дуже щільним, при цьому зменшується випаровування вологи. Так, при обжарці ковбас втрати за рахунок випарення вологи складають 7-8 %. При сушінні ковбасних виробів (особливо сирокопчених, сировялених) бажано, щоб міцнозв’язаної вологи було менше. Впливати на кількість вологи того чи іншого зв’язку можна змінюючи рН.

Водозвязуюча здатність сировини (м’ясо, риба та ін.) визначає її властивості на різних стадіях технологічної обробки і впливає на водозв’язуючу здатність готових продуктів, їх якість і вихід. Оскільки переважними компонентами (м’яса, риби) є м’язова і сполучна тканини, то їх водозв’язуюча здатність має найбільше значення.

Водозв’язуюча здатність м’яса залежить в основному від стану білків; жири лише в незначній мірі утримують вологу. Основна частина води (близько 90 %) міститься у волокнах м’язової тканини, при цьому в міофібрилах її більше, в саркоплазмі менше, тому водозв’язуюча здатність м’язової тканини в першу чергу визначається властивостями і станом білків міофібрил (актин, міозин, актоміозин). В сполучній тканині води менше, вона пов’язана головним чином з колагеном.

Окрім капілярного звязку існує адсорбційна і осмотична форми.

Фізико-хімічний зв’язок зумовлений вологою в гідратних оболонках або осмотичним утримуванням в клітинах у несуворо визначених співвідношеннях; вилучається з матеріалу випарюванням, десорбцією (адсорбційна), або внаслідок різниці концентрацій (осмотична).

Адсорбційна волога – найбільш міцно зв’язана волога, яка утримується за рахунок сил адсорбції, головним чином, білками. Диполі води фіксуються гідрофільними центрами білків. Число заряджених груп білку залежить від ряду факторів і може зменшуватися навіть до нуля (ізоелектрична точка).

Водозвязуюча здатність білків тим вища, чим більше інтервал між рН середовища і ізоелектричною точкою. Так, якщо тварина перед забоєм отримала стрес, то автолітичні і гліколітичні процеси в м’ясі тварин посилюються, а рН різко зсувається в кислу сторону, тобто наближається до ізоелектричної точки. Таке мясо втрачає багато соку, а також має понижєену гідратацію. Туша тварини стає особливо водянистою при рН 5,2-5,5. Число неіонізованих полярних груп звичайно залишається незмінним, зберігається здатність білка зв’язувати деяку кількість води і в ізоелектричній точці.

Число груп, які фіксують вологу за рахунок сил адсорбції залежить від взаємодії білків. Наприклад, в процесі розвитку післязабійного задубіння це пов’язано з утворенням актоміозину із актину і міозину.

Осмотична волога утримується в незруйнованих клітинах за рахунок різниці осмотичного тиску з обох боків клітинних оболонок (напівпроникних мембран) і в клітинних мембранах. В міжклітинних просторах, як і в тканинах з неклітинною структурою, роль напівпроникної перетинки виконує каркас білкових гелів, у вічках якого міститься вода.

Осмотична волога міститься в м’ясі, рибі тим більше, чим менше руйнування напівпроникних мембран або структурних утворень, які виконують їх роль. Вона частково виходить із м’яса при зануренні його в розчин з більш високим осмотичним тиском (посол) і при тепловій денатурації білків. Кількість осмотичної вологи впливає на пружність тканин.

Теплова обробка. В продуктах тваринного і рослинного походження при всіх видах теплової обробки відбувається зміна вмісту води. Величина втрат залежить від хімічного складу сировини і способу обробки.

Поглинання води колагеном лише частково компенсує втрату її мязовими білками. Тому мясо – яловичина, свинина, - птиця, риба при тепловій обробці в більшому або меншому ступені зневоднюються. В рослинних продуктах зміни вмісту води залежить від кількості і стану білків, вуглеводів (насамперед крохмали) і способу термічної обробки. Так, при варінні картоплі втрати води складають від 3 до 5 %, а при жарінні до 50-60 %.

Процес виділення води з м’яса і риби протікає по-різному. Чим вище температура нагрівання м’яса, тим більше воно втрачає води. При нагріванні риби такої закономірності не спостерігають і максимальна кількість води виділяється при t 65-75⁰С, з підвищенням температури втрати води зменшуються. Різниця вказує на те, що поглинання води колагеном компенсує втрати її мязовими білками риби в більшому ступені, ніж мяса.

Як при варінні, так і при повному прожарюванні різні види мяса втрачають близько 50 %, а різні види риби – близько 25 % води, що в них міститься. Але в характері виділення води є значна різниця. Під час варіння у воді вся волога, що міститься у тваринному продукті, надходить в оточуюче середовище в рідкому стані. При жарінні тільки частина вологи виділяється в рідкому стані, утворюючи сік. Основна її маса випарюється спочатку на поверхні шматка і в шарах, що безпосередньо прилягають до неї, а потім по мірі пргрівання в більш глибоких шарах. При варінні продуктів тваринного походження на пару, припусканні і тушінні виділення вологи відбувається менше, ніж при варінні у воді, але більше, ніж при жарінні.

Таким чином, вода в харчових продутах при переробці і зберіганні може переходити з вільної в зв’язану і навпаки, що викликає зміну властивостей сировини і готової продукції. Наприклад, при випіканні хліба, варінні картоплі, виробництві мармеладу, пастили, драглів, желе, кремів відбувається перетворення частини вільної вологи в адсорбційно зв’язану з колоїдними частками білків, крохмалю і інших речовин, а також зростає кількість осмотично утримуваної води. У соках із плодів, ягід, овочів змінюються форми зв’язку води в порівнянні з вихідною сировиною. При відмоканні мармеладу в результаті старіння драглів, при відтаванні замороженого м’яса і картоплі спостерігається перехід частини зв’язаної води у вільну.