Мясные эмульсии. Факторы, определяющие их стабильность

Вариант II. Изготовление эмульсий на основе свиной шкурки

Вариант I. Изготовление белкового стабилизатора из свиной шкурки

а) Приготовление белкового стабилизатора из сырой шкурки.

Зачищенную свиную шкурку промывают водой, измельчают на волчке с диаметром отверстий решетки 2-3 мм, смешивают с 50 % воды и гомогенизируют на эмульситаторах либо коллоидной мельнице. Полученную массу выдерживают при 2-4 градусах С в течение 10-24 часов, затем вновь измельчают на волчке с диметром отверстий решетки 2-3 мм и вводят в рецептуры вареных колбас I и II сорта взамен основного сырья.

б) Приготовление белкового стабилизатора из вареной шкурки.

Зачищенную свиную шкурку помещают в кипящую воду (соотношение 1:1,5) и варят 6-8 часов при температуре 90-95 градусов С. Затем пропускают на волчке с диаметром отверстий решетки 2-3 мм, гомогенизируют на коллоидной мельнице с добавлением 50% к массе сырья бульона; полученную массу охлаждают до 2-4 градусов С в течение 10-24 часов, вторично измельчают на волчке с диаметром отверстий решетки 2-3 мм.

Необходимо иметь в виду, что наличие в рецептурах колбас свыше 15% коллагена соединительной ткани вызывает понижение стабильности сырого фарша, образование отёков желе, морщинистость наружного слоя и плохую снимаемость оболочки у готовых колбасных изделий.

а) Эмульсия с высокой ВСС.

Свиную шкурку варят в воде, охлаждают, измельчают на волчке, после чего гомогенизируют на куттере, добавляя 50% к массе сырья воды и 3% соевого изолята.

Полученную массу вводят в рецептуры сосисок и вареных колбас в количестве 5-7%.

б) Эмульсия с высокими эластично-пластическими свойствами.

Свиную шкурку (33%) варят в воде, охлаждают, измельчают на волчке, после чего гомогенизируют на куттере, добавляя 33% воды и 30% свиного шпика (жирной свинины) и 4% соевого изолята.

Полученную массу вводят в рецептуры вареных колбас, ливерных колбас, паштетов.

Комплексное использование соевого изолята, имеющего высокую эмульгирующцю и водосвязывающую способность, со свиной шкуркой либо другими видами низкофункционального коллагенсодержащего сырья даёт возможность существенно улучшить свойства мясных эмульсий, обогатить аминокислотный состав белкового компонента, расширить технологические возможности использования побочного белкового сырья, обеспечить высокую экономическую результативность работы предприятия.

Эмульгирование или переработка эмульсий лежат в основе многих технологических процессов получения пищевых продуктов. К эмульсиям относятся пищевые продукты природного происхождения (молоко, яичный желток), большинство молочных продуктов, тонко измельченные колбасные фарши. В настоящее время при производстве комбинированных продуктов питания и как самостоятельные продукты все шире используются искусственные эмульсии. К ним относятся эмульсии, стабилизированные немясными белками, использующимися взамен части мясного сырья при производстве колбасных изделий, рубленых полуфабрикатов, фаршевых консервов; эмульсии, являющиеся аналогами молока и молочных продуктов, стабилизированные различными белками; искусственные продукты эмульсионного типа, использующиеся для функционального (лечебного и диетического) питания.

В классическом определении под эмульсией понимают дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой, диспергированные в коллоидном состоянии.

Устойчивость эмульсий определяется наличием на поверхности раздела фаз адсорбционных оболочек, образованных либо двойным электрическим слоем третьего вещества, либо коллоидно-дисперсным слоем эмульгатора с гелеобразной структурой.

Широкое применение пищевых эмульсий обусловлено повышенной усвояемостью жиров в эмульгированном состоянии, возможностью направленного варьирования состава и свойств продуктов эмульсионного типа. Среди пищевых продуктов важное место занимают эмульсии типа жир в воде. Важнейшими стабилизаторами пищевых эмульсий типа Ж/В являются белки, эмульгирующие свойства которых во многом определяют свойства конечного продукта.

В мясной эмульсии, образуемой в результате интенсивного механического измельчения тканей, образуемая дисперсная система состоит из дисперсной фазы - гидратированных белковых мицелл и жировых частиц различных размеров, и из дисперсионной среды - раствора белков и низкомолекулярных веществ.

Мясные эмульсии представляют собой систему, состоящую из тонкоизмельченного мяса, воды и жира, причем вода и жир диспергированы, находятся в коллоидном состоянии, а белок и вода образуют пространственный каркас (матрицу), удерживающий жир.

Эмульсия — стабильная система «жир — белок — вода»

Факторы, обеспечивающие стабильность мясной эмульсии

Белок играет важную структурную роль в процессе получения эмульсий. Получение эмульсий рассматривают как наложение трех процессов: диспергирования жидкости, коалесценции и адсорбционного процесса образования защитных слоев, причем считается, что последний процесс главным образом и определяет свойства конечных эмульсий.

Коалесценция - это слияние капель, усиливающееся при флокуляции или криминге, в конечном счете приводящее к разрушению эмульсии; криминг - это гравитационное, т.е. седиментационное или флотационное, разделение масляных капель без изменения распределения по размерам; флокуляция - это агрегация капель при взаимодействии между ними без их слияния.

Если непрерывное перемешивание должно привести к динамическому равновесию между дроблением и коалесценцией, то в присутствии эмульгатора образование защитных пленок на поверхности капель дисперсионной фазы затрудняет коалесценцию. Вследствие этого равновесие в значительной степени смещается в сторону образования эмульсий.

Защитную функцию эмульгатора обусловливают его адсорбционные свойства (поверхностная активность) и способность к структурообразованию на границе раздела фаз. Происходящее вследствие адсорбции эмульгатора понижение поверхностного натяжения облегчает дробление жидкости. Количество поверхностно-активного вещества (ПАВ), адсорбированного на поверхности раздела фаз (ПРФ), т. е. величина адсорбции (Г) является одним из важнейших параметров, определяющих свойства межфазных адсорбционных слоев (MAC). Для белков величина адсорбции на каплях эмульсий при достижении насыщения MAC составляет 1-3 мг/м².

При высокой концентрации белка или в условиях интенсивного перемешивания время формирования MAC определяется стадиями: адсорбции, изменения конформационного состояния макромолекулы и образования большого числа нековалентных межмолекулярных связей, обусловливающих прочность возникающих межфазных структур, причем дисперсность эмульсии обеспечивается уже на первой стадии формирования MAC.

Различают понятия "эмульгаторы" и "стабилизаторы". К первым относят вещества, способствующие образованию и стабилизации ПРФ в процессе эмульгирования (низкомолекулярные ПАВ, например, лецитин), ко вторым - стабилизирующие полученные эмульсии (водорастворимые полисахариды: каррагинан, ксантан и др.). Пищевые белки, такие как казеин, желатин, обладают свойствами как эмульгаторов, так и стабилизаторов, являясь наиболее предпочтительными при производстве пищевых эмульсий.

Стабильность эмульсий - понятие кинетическое. С течением времени ряд самопроизвольных процессов приводит к следующим основным видам разрушения эмульсий: кримингу; флокуляции; коалесценции.

Скорость криминга V_s хорошо описывается уравнением Стокса для скорости движения незаряженной изолированной капли в ньютоновской среде

(1)

где А - радиус сферической капли, см;

r₀ - плотность дисперсионной среды, г/см³;

r - плотность дисперсной фазы, г/см³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - динамическая вязкость среды, Па^.с.

Уравнение Стокса указывает три пути замедления криминга в разбавленных эмульсиях. Один из них - уменьшение размеров капель, например, при гомогенизации под давлением. Поскольку пищевые эмульсии являются полидисперсными, размер наибольших капель является критическим, т.е. определяющим скорость всего процесса. На практике, даже после интенсивной гомогенизации, частичный криминг происходит из-за наличия в эмульсиях капель, диаметр которых выше 5 мкм.

Величина А² в уравнении (1) рассчитывается по формуле

(2)

где Ni - число капель радиусом А (например, измеренное счетчиком Коултера).

Теоретически криминг может быть устранен выравниванием плотностей дисперсной и непрерывной фаз. На практике возможности технологов в этом плане ограничены. Разность плотностей растительных масел и воды составляет около 10² кг/м³. Эту разницу можно сократить на 50 % при создании условий, способствующих кристаллизации масла, а также добавлением сахара и спирта. Увеличение плотности масляной фазы – другой путь выравнивания плотностей. В большинстве стран в настоящее время применение бромированного масла запрещено или ограничено. Это относится и к другим "утяжеляющим" компонентам. Процесс криминга можно также замедлить, увеличивая вязкость основной фазы (если позволяют требования, предъявляемые к эмульсиям).

Коалесценция представляет собой необратимый процесс окончательного разрушения эмульсий. Уменьшение свободной энергии в результате коалесценции обеспечивается снижением площади поверхности раздела (S) при постоянстве межфазного натяжения (). Экспериментальное разделение флокуляции и коалесценции во времени невозможно для низкомолекулярных ПАВ, поскольку два процесса следуют один за другим. Для высокомолекулярных ПАВ временной интервал между флокуляцией и коалесценцией может быть значительным.

Влияние рН на коалесценцию является одним из наиболее ценных источников информации о роли белка в стабилизации эмульсий. Можно выделить четыре основных фактора влияния рН на стабильность эмульсий:

Ø неполная растворимость некоторых белков в изоэлектрической точке;

Ø при pI, где электростатическое отталкивание между молекулами белка минимально, жесткость MAC максимальна. Это может способствовать стабилизации капель против их деформации и разрушения;

Ø поверхностный потенциал белковых пленок равен нулю при рН = pI; при этом электростатическое отталкивание препятствует разрыву белковых MAC;

Ø электростатическое отталкивание между отдельными частями молекулы адсорбированного белка минимально при рН = pI, что приводит к формированию более компактной конфигурации молекулы, а, следовательно, к уменьшению эффекта стерической стабилизации.

При термическом воздействии в результате взаимодействия денатурирующих при нагреве белков возникает пространственный каркас - термотропный гель, прочность которого зависит от количества и степени взаимодействия миофибриллярных белков. Основная роль в процессе формирования сетки и геля принадлежит миозину, однако, актин и другие белки также могут образовывать гель как индивидуально, так и в присутствии других белков.

Роль саркоплазматических белков в образовании геля миозина несущественна, напротив, содержащиеся в этой фракции ферменты (протеазы и фосфатазы), инактивируемые при температурах более 60 градусов ⁰С, способствуют деградации структуроообразующих белков и снижению прочности геля.

Положительное влияние на гелеобразование актина, миозина и тропомиозина оказывают низкомолекулярные фосфаты.

Способность мясного сырья поглощать и удерживать влагу определяется гидрофильными свойствами белков мышечного волокна, в частности, миозином, актином и в некоторой степени тропомиозином, на поверхности молекул которых имеются полярные группы, способные взаимодействовать с диполями воды. Количество присоединенной воды или величина водосвязывающей способности в тонкоизмельченном мясном сырье в основном обусловлено числом гидрофильных центров у белков, что в свою очередь зависит от:

- природы белка (глобулярные либо фибриллярные) и его состояния;

- количества белка в системе;

- интервалом от изоточки белка, т. е. от рН среды. При рН ниже 5,4 связывание воды минимально. В практике сдвиг рН в нейтральную сторону осуществляют путем введения в фарш щелочных фосфатов;

- степени взаимодействия белков друг с другом. В процессе посмертного окоченения в результате образования актомиозинового комплекса, сопровождающегося блокированием полярных групп, величина водосвязывающей и эмульгирующей способности резко снижается;

- наличия нейтральных солей и, в частности, поваренной соли, присутствие которой повышает растворимость актина и миозина, препятствует их комплексованию и, следовательно - увеличивает величину водосвязывания;

- температуры среды. Повышение температуры среды выше 42-45°С приводит к денатурации белков, их агрегированию и, соответственно, снижению количества гидрофильных групп;

- степени измельчения мышечной ткани. Увеличение степени гомогенизации обеспечивает разрушение мышечных волокон, выход из них белков и таким образом увеличивает возможность контакта с водой.

Направленное повышение величины водосвязывающей способности мясных эмульсий можно осуществлять с применением пищевых добавок и компонентов трех видов.

1. Веществ, повышающих гидратацию мышечных белков за счет сдвига рН и разблокирования гидрофильных центров, к которым относятся натриевые соли фосфорных кислот.

2. Веществ, не влияющих на степень гидратации мышечных белков, но хорошо связывающих воду (как правило после термообработки), к которым относятся крахмал, пшеничная мука, желатин, белковый стабилизатор из свиной шкурки.

3. Веществ - белкового происхождения (соевый изолят, казеинат натрия, сухое молоко, кровь и её фракции), обеспечивающих повышение как концентрации растворимых белков в системе, так и пищевой ценности готовых мясных изделий.

Эмульгирующие свойства мышечных белков уменьшаются в ряду:

миозинÞактомиозинÞсаркоплазматические белкиÞактин.

Максимальная эмульгирующая емкость саркоплазматических белков проявляется при рН 5,2, миозина и актомиозина - при рН 6-8, т. е. в интервале, характерном для большинства мясопродуктов. Увеличение ионной силы за счет введения поваренной соли способствует росту эмульгирующей емкости саркоплазматических белков при указанном рН, миофибриллярных – в интервале рН 5-6.

Свойства получаемых мясных эмульсий зависят не только от ФТС индивидуальных белков, но и от соотношения в системе солерастворимых белков и жира. Эмульгирующая способность белка ограничена, поэтому наиболее рациональным соотношением жир: белок в гомогенизированных фаршах является диапазон от 0,6:1,0 до 0,8:1. В отечественной практике принято считать оптимумом соотношение белок: жир: вода равное 1:0,8: (3¸5).

Контроль за содержанием мышечного белка в эмульсии - главное условие получения стабильных мясных систем. Высокое содержание общего белка (и мышечной и соединительной ткани) ещё не свидетельствуют о высоком уровне потенциальной эмульгирующей способности, т. к. коллаген в нативном виде не участвует в процессе жиропоглощения, эмульгирования и стабилизации эмульсий. Эти функции выполняют только мышечные белки.

Уменьшение содержания солерастворимых белков в системе или чрезмерное введение жира неизбежно (в отсутствии специальных стабилизаторов эмульсий) приведет к получению мясных фаршей с нестабильными свойствами, что обусловлено дефицитом группировок, находящихся на поверхности белка и ответственных за взаимодействие с жировыми каплями.

Напротив, чрезмерное повышение содержания мышечных белков в системе при одновременном снижении доли жира, хотя и сопровождается образованием весьма стойких эмульсий, но приводит после термообработки к ухудшению органолептических показателей (появление сухости, повышение жесткости, снижение пластических свойств).

Введение хлорида натрия (поваренной соли) и низкомолекулярных фосфатов улучшает ФТС солерастворимых белков и повышает стабильность эмульсий.

Температура мясного сырья является важным фактором, определяющим эффективность эмульгирования. Миозин и актомиозин - термолабильны (температура денатурации лежит в интервале 42-50°С), и в случае локального нагрева фарша при куттеровании белки могут денатурировать раньше, чем начнется эмульгирование.

Экстракция белка наиболее эффективно происходит при температуре мяса около точки замерзания (около -2°С), в связи с чем при куттеровании сырья целесообразно использовать подмороженное мясо, либо добавлять снег, лёд или ледяную воду. По вышерассмотренной причине температура сырья перед началом куттерования не должна превышать 1±1°С.

При этом использование чрезмерно перемороженного сырья, превращающегося при измельчении в гранулы либо порошок с низкой вязкостью и гомогенностью, непригодно для приготовления эмульсий вследствие нахождения воды в кристаллическом твердом состоянии (лёд), что ограничивает уровень растворения белков.

Идеальным температурным диапазоном для готовых мясных эмульсий в конце процесса куттерования является 10-18°С, причем возможные отклонения от рекомендуемого интервала, как правило, связаны с видом используемого жира: при работе с тугоплавким говяжьим жиром температура фарша может быть несколько выше; при применении легкоплавкого свиного - ниже.

Продолжительность куттерования и степень измельчения сырья предопределяет уровень стабильности мясных эмульсий.

При обработке мяса на куттере в течение первых 1-2 минут преобладает механическое разрушение тканей, выход белков, их интенсивное набухание, взаимодействие между собой и добавляемой водой с образованием белковой пространственной матрицы, внутри которой находятся полуразрушенные мышечные волокна, обрывки соединительной ткани, жировые клетки и фрагменты других морфологических элементов мяса. Дальнейшая гомогенизация сырья приводит к диспергированию жира, уменьшению линейных размеров морфологических элементов эмульсии, перемешиванию компонентов фарша, что обеспечивает получение стабильной водо-белково-жировой эмульсии с высокой липкостью.

В зависимости от числа ножей и скорости их вращения, вида сырья рекомендуемая продолжительность куттерования составляет 8-10 минут. Сокращение периода куттерования не обеспечивает необходимой степени гомогенизации сырья, выхода белка в систему фарша, эффективного перемешивания; при слишком длительном куттеровании частицы сырья чрезмерно измельчаются, что требует дополнительного введения в эмульсию солерастворимых белков (например соевого изолята); кроме того происходящее при этом повышение температуры фарша ухудшает стабильность эмульсии.

Нагрев на заключительном этапе производства колбас фиксирует свойства мясных эмульсий, однако, конечный технологический результат - качество готовой продукции - зависит от условий термообработки. Чем выше относительная влажность и температура греющей среды, тем больше вероятность получения нестабильной эмульсии.

Таким образом, выполнен анализ состава, свойств и механизма образования мясных эмульсий, произведена оценка функций каждого из компонентов мяса в формировании эмульсии, рассмотрены факторы, определяющие стабильность получаемых эмульсий.

Предложена градация (Жаринов А.И.), позволяющая идентифицировать сырье по уровням ФТС.

Показатели ФТС	Диапазоны значений ФТС для групп

ВУС, ВСС, % к общей влаге	20-40	41-60	61-80	81-90	91-100
ВПС, % к исходной массе	4-10	11-30	31-60	61-100	101-120
ЖУС, % к исходной массе	1-10	11-20	21-30	31-40	41-50
Пластичность, см²/г	4-6	7-10	11-15	16-20	21-30

5-я группа – очень высокие свойства, 4-я – высокие, 3-я – средние, 2-я – ниже среднего, 1-я – низкие. В соответствие с предложенной градацией была разработана классификация мясного сырья (табл.), предназначенная для определения условий совместимости компонентов в рецептурах при проведении процесса конструирования мясопродуктов.

Вид сырья

До термообработки

После термообработки

ВСС, % к общей влаге

Пластичность, см²/г

ВПС, % к исходной массе

ЖУС, % к исходной массе

ВСС, % к общей влаге

Пластичность, см²/г

ВПС, % к исходной массе

ЖУС, % к исходной массе

3 мм