Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

19.8. Физико-химические процессы в мясе при хранении

рекиси. Процесс перекисного окисления протекает по механизму цепных реакций с вырожденным разветвлением цепей.

Инициирование цепных реакций могут осуществлять также радикалы, образующиеся при фотолизе молекул сенсибилизаторов, присутствующих в биогенных тканях в небольших количествах, но поглощающих основную часть действующего излучения. В биологических системах роль таких сенсибилизаторов могут выполнять многие соединения, включая ароматические аминокислоты (фенилаланин, тирозин, триптофан). При воздействии ультрафиолетового излучения образуются свободные радикалы. Кроме того, свободные радикалы могут образовываться и при наличии в тканях металлов переменной валентности (Fe2+, Fe3+, Cu2+, V2+, Mn2+, Co2+), инициирующих протекание одноэлектронных окислительновосстановительных реакций по следующей схеме:

R–OH + Co3+ → Co2+ + H+ + R—O

R′–OOH + Fe2+ → Fe3+ + OH– + R′O

Соединения, ускоряющие протекание перекисного окисления органических соединений, называются прооксидантами. Действие прооксидантов всегда основано на образовании в тканях радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами окисляющегося соединения с образованием нового радикала, который обладает высокой реакционной способностью и может реагировать с кислородом воздуха. В результате появляется перекисный радикал. Реакция протекает по следующему механизму:

A + RH → AH + R

R + O2 → RO2

Константа скорости этого процесса равна 107…108 М–1 · с–1. Поэтому при концентрации кислорода в среде выше 10–6 М все радикалы R превращаются в радикалы RO2 . Перекисные радикалы могут взаимодействовать с новыми молекулами, превращаясь в гидроперекиси ROОН, при этом вновь образуется свободный радикал R :

RO2 + RН → ROОН + R

Протекание свободнорадикальных реакций при низкой температуре ухудшает качество пищевого продукта.

Перед использованием мороженое мясо размораживают, при этом степень биохимических превращений в мясе до замораживания и режимы хранения мяса в замороженном виде, а также способ размораживания обуславливают потери его качества.

Лучшие результаты достигаются при размораживании мяса после быстрого замораживания и мяса, замороженного в стадии окоченения.

503

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

Наибольшие потери в содержании биогенных соединений наблюдаются в мясе, медленно замороженном в стадии окоченения и с длительным сроком хранения в присутствии кислорода (причем производилось размораживание мелких кусков мяса).

При проведении медленного размораживания мяса на воздухе при температуре от 0 до +4 °С отмечается постепенное разрушение кристаллической структуры льда, при этом белки мяса больше поглощают высвободившейся жидкости. Хорошие результаты получаются при размораживании мяса в паровоздушной среде при температуре около 18 °С. В этих условиях хорошо сохраняется внешний вид мяса. Тогда как мясо, размороженное при температуре 30…35 °С, может приобрести дополнительный вес за счет поглощения влаги из окружающей среды.

19.8.2.Отрицательное влияние холодового сокращения на качество мяса

Использование низких температур пока является самым надежным способом длительного хранения мяса. Для замораживания предлагаются методы быстрого и медленного воздействия низких температур на мясо. Однако быстрое охлаждение мяса сопровождается проявлением так называемого холодового сокращения, результатом которого служит повышение жесткости мяса.

Таким образом, быстрое охлаждение способствует проявлению отрицательного показателя качества мяса, который обусловлен механизмами холодового сокращения мышечных волокон.

При этом сам процесс сокращения имеет своеобразную динамику при разных температурах. Так, при понижении температуры мышц от 40 до 10 °С величина сокращения мышц несколько понижается, выходя на минимальные показатели при температуре 14 и 10 °С. Однако дальнейшее понижение температуры приводит к возрастанию величины сокращения мышц.

В период холодового сокращения реализуются те же механизмы, которые проявляются в период послеубойного окоченения, только развивающиеся на фоне быстрых изменений температуры охлаждаемых мышц. При этом высокие скорости охлаждения обуславливают развитие холодового сокращения. Причем на этот процесс оказывает влияние содержание подкожных и внутримышечных липидов, замедляющих скорость охлаждения. Так, при охлаждении свинины из-за толстого слоя шпика холодового сокращения мышц не происходит.

Инициирующим началом в холодовом сокращении являются нарушения, возникающие в структурах и функционировании мембран. Лабильность этих структур обусловливает появление в среде при их нарушении ряда функционально активных веществ.

504

19.8. Физико-химические процессы в мясе при хранении

Быстрое понижение температуры мышц ниже 20 °С сказывается на работе Са2+-АТФазы, которая практически утрачивает активность. Всвязи с этим ионы кальция начинают выходить из цистерн и трубочек сакроплазматического ретикулума, инициируя процесс сокращения мышечных белков. Причем при быстром охлаждении концентрация АТФ в мышцах сохраняет более высокие значения, чем при постепенном их охлаждении. Это обусловливает появление большей жесткости у мяса, подвергнутого быстрому охлаждению, у которого проявляется холодовое сокращение, чем у мяса при послеубойном созревании.

Таким образом, чтобы понизить эффекты, вызванные холодовым сокращением, в первую очередь необходимо уменьшить содержание АТФ в мышечной ткани мяса до момента его быстрого охлаждения. Для этого используется метод электростимуляции, который позволяет полностью предотвратить проявление холодового сокращения. Кроме того, можно использовать двухступенчатый способ охлаждения, выдержав туши определенное время при положительной температуре и таким способом понизить темпы охлаждения мяса.

На практике это реализуется путем выдерживания мяса, полученного сразу после забоя животноых, при +10 °С в течение 14 ч.

Эффект холодового сокращения особенно выражен у изолированных мышц. Однако в случае, если мышцы фиксировались и при этом действия, вызывающие растяжение, преобладают над силой сокращения мышц, то это будет препятствовать проявлению холодового сокращения, которое осуществляется за счет имеющейся энергии АТФ.

19.8.3.Белки мяса при низкотемпературном режиме хранения

Молекулы высокомолекулярных соединений (белков) имеют определенную конформацию в полярной среде, структурные особенности которой задаются количеством аминокислотных остатков в полипептидной цепи, их природой и порядком расположения в первичной структуре. Сворачивание полипептидной цепочки зависит от функциональной принадлежности белка. Причем стабильность структуры белка определяется количеством окисленных поверхностных SH-групп, образующих S–S-связи, число которых коррелирует с устойчивостью молекулы белка к действию денатурирующих факторов, в том числе и к температуре. Дисульфидные (–S–S–) связи относятся к ковалентным неполярным типам связи. Кроме того, стабильность белков в водной среде может возрастать в присутствии других белков, а также ионов кальция.

Подвижность фрагментов белковой глобулы способствует уменьшению взаимодействия между доменами белка, чрезмерная подвижность

505

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

которых может привести к разрушению ее нативной структуры. Нарушение природной конформации белка наблюдается при воздействии ультрафиолета, присутствия тяжелых металлов, изменения полярности среды, а также при автоокислении, обусловленном действием активных форм кислорода. Процесс денатурации белков активно протекает при высоких температурах, но также может наблюдаться и при низких температурах.

Действие высокой температуры приводит к нарушению нативной структуры белка за счет увеличения подвижности фрагментов полипептидной цепочки, разрушению стабилизирующих ее слабых водородных, гидрофобных и гидрофильных связей.

При понижении температуры окружающей среды происходит процесс агрегирования белков в сложные комплексы с понижением их растворимости, которые обычно выпадают в осадок. Хранение мяса при низкой температуре проявляет изменения, которые возникают в структуре белков, обусловленные физико-химическими процессами, протекающими в охлажденном или замороженном мясе.

Переход из состояния охлаждения в замороженное мясо определяется кристаллизацией воды. В замороженном мясе основная масса воды (более 70 %) находится в виде кристаллов. Причем показатель растворимости белков коррелирует с пластичностью мышечных волокон.

Использование непродолжительного охлаждения при низких положительных температурах и с последующим хранением мяса при низких субкриоскопических температурах от –2 до –4 °С позволило получить продукт, по свойствам малоотличающимся от охлажденного мяса.

Исследование влияния различных режимов охлаждения позволило выявить следующее. Было показано, что максимальная экстрагированность белков свойственна парному мясу, тогда как охлаждение понижает растворимость белков. При этом минимум растворимости белков для охлажденного до +2 °С мяса приходится на 1…2-е сутки, а для переохлажденного, подвергнутого воздействию в течение 2 ч при –18 °С и хранившегося при –2 °С, аналогичные изменения отмечались на 4…5-е сутки.

После завершения окоченения растворимость миофибриллярных белков постепенно возрастает, но не достигает растворимости парного мяса.

Наиболее существенные изменения в составе белков происходят в мясе при хранении в охлажденном состоянии (+2 °С). При этом отмечалось уменьшение количества белковых фракций, в состав которых входит тропонин Т, а также увеличение почти в 4 раза экстрагированности актина. Аналогичные изменения наблюдались и в охлажденном мясе, тогда как в переохлажденном мясе эти изменения появляются несколько раньше.

Следует отметить, что влагоудерживающей способностью обладают белки мышечной ткани парного мяса. Минимальная влагоудерживающая

506

19.8. Физико-химические процессы в мясе при хранении

способность для мышц при одноступенчатом охлаждении отмечается на 5…6-е сутки хранения, а при двухступенчатом — через 7 суток после забоя животных. Однако со временем происходит восстановление влагоудерживающей способности белка до 90 % от исходного уровня.

Отмечается, что влагоудерживающая способность белков выдержанного замороженного мяса снижается быстрее, чем у быстрозамороженного, но в дальнейшем при хранении эти показатели выравниваются и существенных различий не наблюдается — они остаются на низком уровне.

Кроме того, установлено, что скорость замораживания влияет на качество мяса птицы и может изменяться в процессе его длительного хранения при низкой температуре. При хранении мяса бройлеров до 14 месяцев при –30 °С оптимальной является скорость замораживания 7,9 · 10–6 м/с. При этом несколько понижается растворимость саркоплазматических белков. Наибольшие различия в растворимости отмечались у миофибриллярных белков. Так, к 4…5 месяцам хранения растворимость миофибриллярных белков мяса при скорости замораживания 1,4 · 10–6 м/с уменьшалась на 21,1…24,5% от исходной, а при скорости замораживания 7,9 · 10–6 м/с составляла уже 17,3…21,0 %. Однако к 10-му месяцу хранения растворимость миофибриллярных белков возрастала до исходных значений.

Отмечены наиболее высокие качественные показатели мяса птицы к 10-му месяцу холодильного хранения, которые не зависели от скорости замораживания.

Воздействие низкой температуры на мышечную ткань приводит к разрушению мембран клеток. Основу мембран составляют липопротеиды, относящиеся к группе сложных белков, в состав которых входят еще и липиды. В организме животных липопротеиды выполняют транспортную функцию, осуществляют перенос нерастворимых в полярных растворителях соединений.

Из-за сложности структуры липопротеиды крайне чувствительны к понижению температуры среды, что является условием послеубойного созревания и хранения мяса.

Низкие отрицательные температуры способствуют быстрому разрушению упорядоченных клеточных структур, способствуя протеканию процессов вторичного взаимодействия белков и липидов. Во взаимодействие с белками вступают различные виды гидрофобных молекул, особенно активно эти действия протекают с денатурированными формами белков. Причем уровень этих процессов определяется сроками и условиями хранения мяса. Этот процесс усиливается при участии гидролитических ферментов, высвобождающихся в цитоплазму клетки из разрушенных кристаллами воды лизосом. Кроме того, разрушение клеточных структур активно протекает при действии механизмов апоптоза.

507

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

19.9.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНСЕРВИРОВАНИЯ МЯСА

19.9.1. Химические изменения мяса при посоле

Посол мяса и мясопродуктов является одним из основных и определяющих методов технологического процесса производства цельномышечных мясопродуктов, в результате чего у изделий происходит формирование необходимых технологических и потребительских свойств: вкуса, аромата, нежности, цвета. Кроме того, посол позволяет законсервировать сырье для обеспечения длительного его хранения. С этой целью применяют различные соли (хлорид натрия, нитрит натрия и др.), а также сахар и аскорбиновую кислоту. Чаще для посола мяса используют хлорид натрия, который в сочетании с другими соединениями, улучшающими качество продукта, может быть нанесен на поверхность сырья или же сырье погружают в концентрированный раствор соли (рассол).

Введение в мясо хлорида натрия изменяет коллоидно-химическое состояние белков, способствует направленному развитию биохимических процессов автолитического и микробиального происхождения, оказывает прямое и косвенное консервирующее действие, т. е. предохраняет сырье

иготовую продукцию от порчи.

Впроцессе посола происходит накопление соли в мышечных тканях, а также удаляются и связываются молекулы воды. При этом происходит изменение структуры и консистенции мяса, которое приобретает характерную окраску, специфический вкус и аромат, меняются технологические свойства мяса. Эти изменения сильно зависят от условий посола.

Процесс посола инициируется при соприкосновении соли с поверхностью мяса. При этом соль за счет диффузии проникает в мышечную ткань и начинает там равномерно перераспределяться, вытесняя воду

ирастворимые компоненты мяса. В растворе соль присутствует в виде ионов, которые и проникают в мясо и перемещаются в ткани за счет действия диффузно-осмотических сил. Движущей силой процесса посола служит разность концентраций соли, а скорость накопления ионов соли в тканях зависит от концентрации соли. Ускорение этого процесса может быть при повышении температуры или концентрации соли.

Водосвязывающая способность мяса перед посолом определяется его морфохимическим составом, величиной рН, степенью автолиза, действием температуры и др. Ионы соли, взаимодействуя с мышечными белками, повышают их связывающую способность за счет увеличения заряда белков. При этом белки начинают адсорбировать преимущественно ионы хлора. Поэтому при посолке происходит насыщение белков ионами хлора, которые способствуют смещению величин их изоэлектрических то-

508

19.9. Физико-химические методы консервирования мяса

чек на 0,5…0,8 единиц. При этом возрастает разность между рН белков и величинами рН мяса, что приводит к увеличению заряда белков и доли связанных с ними молекул воды.

В мясе может накапливаться до 2…3 % соли, способствуя созданию концентрации тканевой жидкости, близкой к растворяющей миофибриллярные белки. В результате повышается растворимость белков актомиозинового комплекса.

Воздействие соли на белки мышечных волокон может происходить только при их контакте, поэтому измельчение мяса способствует достижению эффекта посола.

Высокие концентрации соли разрушают нативную структуру белков, в частности гемсодержащих (гемоглобина, миоглобина и др.). При этом Fe2+ гема окисляется до Fe3+, а свободный гемин образует в растворе димерные структуры. Окисленные формы геминов обусловливают появление у мяса серо-коричневой окраски. Поэтому для предотвращения появления нежелательной окраски мясо обрабатывают нитритом натрия или калия. После этого мясо приобретает ярко-красную окраску за счет образования нитрозомиоглобина, у которого окись азота ковалентно связывается с железом гема. Этот процесс протекает по следующей схеме:

NaNO2 + H2O ←→ HNO2 + Na+ + OH–

4HNO2 → N2O4 + 2NO + 2H2O

NO + Mb → Mb-NO

Таким образом, окраска мяса зависит от содержания миоглобина и концентрации образующегося из нитрита оксида азота. Кроме того, оксид азота может окислять миоглобин до метмиоглобина. Однако необходимо помнить, что при использовании нитрита натрия в высоких концентрациях соль проявляет токсичность и может вызывать канцерогенные заболевания. Поэтому содержание нитрита натрия при посоле не должно превышать 5,0…7,5 мг% к массе мяса.

Образование оксида азота из нитрита натрия можно ускорить, используя аскорбиновую кислоту и ее соли, а также редуцирующие сахара. Аскорбиновая кислота восстанавливает нитрит натрия по следующей реакции:

2HNO2 + C6H8O6 → 2NO + 2H2O + C6H6O6

Кроме того, аскорбиновая кислота ускоряет восстановление метгемоглобина в миоглобин. Для этих условий готовят 5 %-ный раствор аскорбиновой кислоты, который используют из расчета 0,05 % аскорбата к массе мяса. Кислотность аскорбиновой кислоты нейтрализуют раствором NaHCO3.

509

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

В целом во время посола в мышечной ткани протекают процессы, обусловленные действием соли, которая вначале проникает, а затем распределяется и накапливается в мясе. Действие соли сопровождается возможными потерями водо-, солерастворимых веществ, а также изменением состояния белковых веществ и ферментных систем, форм связи влаги, водосвязывающей способности и массы мяса. При этом меняется микроструктура мяса, развиваются химические и ферментативные процессы, способствующие образованию комплекса вкусоароматических веществ, а также изменению качественного и количественного состава микрофлоры и развитию реакций цветообразования.

19.9.2.Физико-химические изменения мяса при его термической обработке

Термическая обработка мяса широко используется в мясной промышленности с целью предотвращения порчи, а также для его стерилизации, пастеризации, вытопки жира и выварки желатина. Кроме того, нагрев применяют при сушке и копчении мяса и мясопродуктов. Нагрев мяса осуществляется водой, паром, горячим воздухом, переменным электрическим током. Степень изменений, вызываемых нагреванием, зависит от времени и температуры нагрева.

В результате действия на мясо высоких температур происходит денатурация белков, разрушение структуры биогенных молекул. При этом могут инициироваться многие химические реакции между различными биогенными молекулами, а также могут протекать реакции с участием кислорода и его активных форм.

Действие высокой температуры нарушает структуру фибриллярных белков (миозин, тропомиозин, фибриноген и др.), что сопровождается переходом от изогнутой складчатой структуры полипептидной цепи к более растянутой конфигурации. При этом структура глобулярных белков утрачивает компактность и становится более рыхлой и развернутой, приближаясь к структуре фибриллярных белков. В результате денатурации белки утрачивают не только нативную структуру, но и функциональную активность. Так, ферменты перестают катализировать химические реакции, транспортные белки осуществлять перенос биогенных молекул, сократительные белки участвовать в механизме сокращения и т. д. При этом возрастает количество свободной воды, а масса мышечной ткани уменьшается на 15…20%.

Таким образом, действие высоких температур приводит к потере массы мяса, а также сопровождается повышением его жесткости и уменьшением сочности.

При варке несоленого мяса в зависимости от температуры и времени варки теряются растворимые соединения мышечных тканей и около

510

19.9. Физико-химические методы консервирования мяса

35…40 % воды. У денатурированных белков пептидные связи становятся доступны действию протеолитических ферментов, и поэтому такое мясо может хорошо усваиваться в организме. Однако при длительном воздействии высоких температур происходит агрегирование белков, что может затруднить их переваривание ферментами желудочно-кишечного тракта.

Таким образом, процесс агрегации денатурированных белков сопровождается образованием крупных ассоциатов, связанных между собой за счет межмолекулярных связей и в результате происходит их коагуляция, т. е. слипание и формирование неупорядоченных структурных образований. Процесс коагуляции ускоряется с повышением температуры и времени нагрева. Обычно денатурация белков наблюдается при температуре 50…70 °С. При этой температуре денатурируют миоглобин и гемоглобин, что сопровождается утратой ими простетической группы — гема. При этом Fe2+ окисляется до Fe3+. В результате мясо утрачивает свою естественную окраску и приобретает серо-коричневый цвет.

Термическая обработка мяса изменяет свойства основного белка соединительной ткани — коллагена. Денатурация коллагена при 58…62 °С сопровождается разрывом водородных и нековалентных связей, стабилизирующих полипептидные цепи в структуре коллагена, а также разрыхлением структуры тропоколлагена. При разрушении структуры коллагена фибриллярные волокна укорачиваются и утолщаются. При этом возрастает гидратация белков и их доступность действию протеаз.

При дальнейшем нагреве наблюдается гидротермический распад коллагена, который происходит за счет утраты поперечных связей в структуре коллагена. При этом коллаген переходит в водорастворимый продукт — желатин (глютин). Скорость перехода коллагена в глютин зависит от типа сырья, условий его предварительной обработки, а также температуры и времени нагрева. Затем начинается гидролиз образующегося глютина, продукты которого называются глютозами, или желатозами. При температуре сваривания коллагена скорость образования глютина превышает скорость его гидролиза, поэтому разрушение структуры коллагена происходит с преимущественным образованием глютина. Однако с повышением температуры скорость гидролиза глютина начинает преобладать над скоростью его образования. Поэтому в продуктах распада увеличивается содержание глютоз.

Растворы желатина уже при 1%-ной концентрации способны образовать гели. Однако при кипячении в воде или кислой среде желатин гидролизуется, утрачивая способность к гелеобразованию.

Высокая температура обусловливает плавление жира, а в присутствии воды липиды образуют с водой эмульсию. При длительном термическом воздействии липиды претерпевают химические изменения, сопровождаемые реакциями гидролиза. Отщепившиеся после гидролиза жирные кис-

511

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

лоты участвуют в формировании запаха мяса после варки. Кроме того, вкус

изапах вареного мяса обусловлен присутствием экстрактивных веществ, среди которых глутаминовая кислота и ее соли, а также инозиновая кислота, креатин, креатинин, меркаптаны, летучие карбоновые кислоты и др.

Нагревание способствует взаимодействию аминокислот с редуцирующими сахарами, продукты которых придают мясу специфический аромат

ивкус. В реакции образуются меланоидины, содержание которых обусловливает окрашивание мяса в темно-коричневый цвет.

Тепловая обработка мяса способствует разрушению некоторых витаминов. В зависимости от способа и условий термической обработки мясо теряет тиамина до 30…60 %, пантотеновой кислоты и рибофлавина — 15…30, никотиновой кислоты — 10…35, пиридоксина — 30…60, аскорбиновой кислоты — 40…50 %.

19.9.3. Физико-химические изменения мяса при копчении

Копчение относится к технологиям обработки мяса и мясопродуктов с использованием коптильного дыма. В результате действия дыма изменяются органолептические свойства мяса и продлевается срок его хранения.

Мясные продукты обрабатываются как горячим, так и холодным дымом. Коптильный дым представляет собой сложную дисперсионную систему типа аэрозоля, основу которого составляет парогазовая смесь, состоящая из воздуха, газообразных продуктов горения, паров коптильных веществ и водяного пара. Дисперсная среда состоит из жидких и твердых веществ, которые образуются при неполном сгорании древесины. Основная масса коптильных веществ находится в дисперсной фазе, а частицы золы и сажи относятся к нежелательным примесям.

Всоставе коптильного дыма присутствуют органические кислоты, альдегиды и кетоны, спирты, фенолы и их эфиры, амины, ароматические углеводороды. Коптильный дым образуется при медленном горении (тлении) древесины без пламени, что обычно регулируется подачей кислорода. Состав и качество коптильного дыма зависят от вида древесины и условий

еесжигания. Последнее регулируется подачей воздуха, скоростью отвода дыма, степенью измельчения древесины. Лучший по составу и свойствам дым получается при нагреве древесины до 220…300 °С. При температуре выше 300 °С возникает опасность образования канцерогенных полициклических ароматических углеводородов.

Впроцессе копчения мясо претерпевает изменения, которые обусловлены осаждением коптильных веществ на ее поверхности. Кроме того, коптильные вещества способны за счет диффузии проникать в мышечную ткань и там накапливаться. Это может способствовать при определенных

512