CC BY
12
УДК 664.95 : 66.083 DOI 10.24411/2311-6447-2020-10074
Экспериментальное исследование влияния входных параметров на качество готового продукта при переработке рыбного сырья
Experimental study of the influence of input parameters on the quality of the finished product in the processing
of fish raw materials
Профессор C.A. Соколов, доцент О.В. Яковлев, доцент А.А. Яшонков,
(Керченский государственный морской технологический университет) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(978)081-12-34 E-mail: [email protected]
ст. преподаватель А.А. Малич (Луганский национальный аграрный университет) кафедра технологии мяса и мясопродуктов E-mail: [email protected]
Professor S.A. Sokolov, Associate Professor O.V. Yakovlev, Associate Professor A.A. Yashonkov,
(Kerch State Maritime Technological University) chair of machines and apparatus of food production, tel. 8(978)081-12-34 E-mail: [email protected]
Senior Lecturer A.A. Malich (Lugansk National Agrarian University) chair of meat and meat products technology E-mail: [email protected]
Реферат. Уменьшение объемов вылова рыбного сырья требует от промышленных предприятий применения современных безотходных энергоэффективных способов его переработки и консервирования. Представлено обоснование необходимости применения консервирования рыбного сырья, добытого промыслом и выращенного на аквафермах. Показаны основные проблемы консервирования рыбного сырья. В работе представлено экспериментальное исследование абсорбционным методом зависимости степени денатурации белка от абсолютного значения внешнего гидростатического давления, которое использовалось для обработки рыбного фарша в течение 5 мин при температуре 295 К. Разработана математическая модель процесса денатурации белковых молекул в рыбном фарше под воздействием высокого гидростатического давления. На основании экспериментальных данных определена константа равновесия К = 0,0019439869 денатурации белковых молекул после 5-минутного воздействия внешнего гидростатического давления при комнатной температуре. Экстраполяцией экспериментальных данных с помощью модельной кривой определено давление Р = 520 МПа, при котором концентрация молекул денатурированного белка в фарше рыбы в течение 5 мин при температуре 295 К становится равной концентрации молекул денатурированного белка в вареном фарше рыбы.
Summary. Decreased fish yields require using the modern non-waste energy-efficient methods of processing and canning in the industrial enterprises. Rationale for using techniques of fish raw material canning is presented, raw fish being caught or farmed in aquaculture. Main problems in raw fish canning are reviewed. The paper presents an experimental study of the absorption method of the dependence of the degree of protein denaturation on the absolute value of external hydrostatic pressure, which was used to process minced fish for 5 minutes at a temperature of 295 K. A mathematical model of the process of denaturation of protein molecules in minced fish under the influence of high hydrostatic pressure has been developed. Based on experimental data, the equilibrium constant К = 0,0019439869 of denaturation of protein molecules after 5-minutes action of external hydrostatic pressure at room temperature was determined. Extrapolation of experimental data using a model curve determined the pressure P = 520 MPa, at which the concentration of denatured protein molecules in minced fish for 5 minutes at a temperature of 295 К becomes equal to the concentration of denatured protein molecules in boiled minced fish.
© C.A. Соколов, O.B. Яковлев, A.A. Яшонков, A.A. Малич, 2020
Ключевые слова: переработка рыбного сырья, денатурация белка, гидростатическое давление, рыбный фарш.
Keywords: fish material processing, protein denaturation, hydrostatic pressure, minced fish.
Основная задача технологии использовании высокого давления состоит в том, чтобы получить из белковых и других пищевых веществ полноценную, высокопривлекательную пишу с длительным сроком хранения. Пищевые технологии с использованием высокого давления представляют несомненные удобства покупателям: стерилизованные высоким давлением основные продукты питания сохраняют цвет, запах, консистенцию, структуру, как это наблюдается в продуктах, прошедших тепловую обработку, либо замораживание. Известно, что величина степень денатурации белка зависит от величины избыточного давления. Впервые это было установлено Бриджменом [1] при обработке ячного альбумина.
Обработка высоким давлением до 1000 МПа влияет на конформацию белка мяса и вызывает его денатурацию, агрегацию или гелеобразование, в зависимости от белковой системы мяса, используемого давления, температуры и продолжительности обработки. Высокое давление может изменить структуру и функцию мясных белков. Например, миозин мяса, и рыбы денатурирует после обработки давлением и впоследствии образует гелеобразную текстуру [2]. Эти структурные изменения будут влиять на текстуру мышечной ткани и вызывают связывающий эффект. Гелеобразование мясных белков под давлением зависит от белковой системы и условий протекания процесса обработки высоким давлением. Температура является важным фактором, при этом давление и температура неразрывно связаны. Механизм денатурации белка различный и зависит от комбинаций давления и температуры [3].
Большинство исследований, которые связаны с применением высокого давления к морепродуктам, проводились с целью выявления его воздействия на рыбные белки [4-6]. Обработка высоким давлением сурими обеспечила получение нового гелевого продукта, обладающего повышенными органолептическими показателями, в том числе ароматическими свойствами. Полученный продукт в значительной в положительную сторону отличался от аналогичных продуктов, обработанных под температурой. Более того, гели, подвергнувшиеся давлению, сохранили свои естественные свойства (т.е., цвет и аромат) сырья без образования цвета и аромата приготовленного продукта [7]. Гели, полученные при обработке гидробионтов, в том числе различных видов рыб, становились мягче, более упругими и более вкусными по сравнению с обработанными нагреванием [8-9]. Таким образом, актуальной становится задача исследования по изучению изменения структуры белка при обработке рыбного сырья повышенным давлением. В качестве объекта исследования приняли фарш из синца (Abram is Ballerus).
Как известно, аминокислоты, входящие в состав молекул нативного белка в конгломератах, абсорбируют энергию электромагнитных волн в ультрафиолетовой области спектра, которая невидима невооруженным глазом. Размеры молекул белка в конгломератах и отдельные структурные элементы дисперсной фазы, образующие в рыбном фарше фазовую неоднородность, меньше, чем длины волн высокоэнергетического участка видимого света. Поэтому, слой сырого рыбного фарша проявляет слабое молекулярное светорассеивание света (Релеевское рассеяние) и на вид имеет синеватую окраску малой интенсивности. При прохождении пучка видимого света сквозь тонкий плоскопараллельный слой рыбного фарша, интенсивность прошедшего излучения уменьшается незначительно. С повышением внешнего давления полипептидные цепи аминокислот начинают разворачиваться и переплетаться между собой, в результате чего объем молекул белка (объем светорассеи-вающих центров) увеличивается, и рыбный фарш становится светорассеивающей мутной (непрозрачной) средой. При этом, чем больше абсолютная величина внешнего давления, тем более мутным становится рыбный фарш и тем больше он рассеивает свет.
Вместе с этим, под действием давления происходит незначительное гидростатическое сжатия молекул белка [10], их объем уменьшается, понижается мутность фарша и снижается количество рассеянного света. При сбросе давления объем молекул развернутого (денатурированного) белка и мутность фарша восстанавливаются и количество рассеянного света повышается. Интенсивность света, прошедшего через слой обработанного рыбного фарша, связана с (количеством) концентрацией молекул белка, денатурированных под действием внешнего гидростатического давления.
Целью работы является экспериментальное исследование абсорбционным методом зависимости степени денатурации белка от абсолютной величины внешнего гидростатического давления 0,1; 100; 200; 300 и 400 МПа, которым обрабатывали рыбный фарш в течение 5 минут при температуре 295 К (комнатная температура).
В первом приближении, считая абсорбцию слоя в области электронных переходов постоянной и не зависимой от давления, для качественного анализа степени денатурации белка рыбного фарша после действия давления можно использовать значения показателя ослабления света (показателя экстинкции) т, который равен сумме
цп = Const И = (ип + Ир). _
показателей поглощения тп ( ) и рассеивания тр При одина-
ковой толщине слоя ц будет пропорционален концентрации денатурированных мо-
JU ~ с
лекул белка с ( ). Тогда, для показателя ослабления света m и концентрации де-
натурированных молекул белка с будет соблюдаться равенство:
с-ц = с-(цп+цр)= с ■ (const. + цр).
(1)
В этом случае объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера для интенсивности света, прошедшего через плоскопараллельный слой рыбного фарша толщиной d, будет иметь вид:
/ = 70 ■ ехр(-с ■ ц • d\ ^
где L - интенсивность света, прошедшего через плоскопараллельный слой рыбного фарша;
1о - интенсивность падающего света;
jli - показатель ослабления света;
с - концентрация денатурированных молекул белка;
d - толщина слоя рыбного фарша.
Для обработки образцов рыбного фарша была использована лабораторная автоматизированная установка АУВД типа поршень-цилиндр с рабочим объемом 5 см3, в котором достигаются давления от 0,1 до 1000 МПа с точностью автоматического поддержания давления ±10 МПа. Рабочий диапазон температур АУВД от 278 до 397 К поддерживается так же автоматически с точностью ±0,5 К. В качестве передающей давление среды в АУВД используется силиконовое масло ПЭС-3.
Образцы рыбного фарша загружали в герметичные полиэтиленовые пакеты низкой плотности. Каждый отдельный пакет с образцом помещали в камеру АУВД и подвергали действию заданного гидростатического давления 0,1; 100; 200; 300 и 400 МПа в течение 5 минут при температуре 295 К. Время выхода на заданное давление и сброса давления было не больше 10 секунд.
Для спектральных измерений слой рыбного фарша толщиной d = 0,3 мм формировали между двумя плоскопараллельными кварцевыми пластинами.
В качестве эталона концентрации денатурированных молекул белка использовали рыбный фарш, обработанный температурой 373 К в течении 30 минут при атмосферном давлении 0,1 МПа (вареный рыбный фарш).
Измерения спектров поглощения образцов проводили на экспериментальной установке при помощи однолучевого модернизированного спектрографа PGS-2 производства фирмы «Carl Zeiss» с плоской дифракционной решеткой. Анализ зарегистрированных спектров проводили при помощи программы Origin.
Измеренная спектральная зависимость интенсивности падающего излучения и излучения, прошедшего через эталонный образец и образцы рыбного фарша, обработанного давлением 0,1; 100; 200; 300 и 400 МПа в течение 5 минут при температуре 295 К, приведена на рис. 1.
200»
s 1500 s
-С
1000
500
4000
5000
6000
7000
-0.1 МПа
-1Г)0 МПа
-21И) МПа
-31)0 МПа
-41)0 МПа
Эталон
Рис. 1. Спектральная зависимость интенсивности падающего излучения и излучения, прошедшего через эталонный образец и образцы рыбного фарша, обработанного давлением (для наглядности, интенсивность падающего излучения уменьшена в 5 раз)
Спектральную зависимость натуральной оптической плотности О (Л) образцов рассчитывали по измеренным спектральным зависимостям интенсивности падающего и прошедшего излучения по формуле
4(100
5000
6000
7000
Л, А
Рис. 2. Спектральная зависимость натуральной оптической плотности эталонного образца и образцов рыбного фарша, обработанного давлением
Как видно из рис. 2, спектры всех измеренных образцов имеют одну полосу поглощения с максимумом при 4000 А, относительная интегральная интенсивность которой практически не зависит от давления и одинакова на всех кривых. Максимальные значения оптической плотности всех образцов совпадают с максимумом соответствующей полосы поглощения, абсолютная величина которой зависит от давления и связана с повышением соответствующей кривой. С ростом давления концентрация денатурированного белка в рыбном фарше увеличивается, и образец начинает рассеивать свет в большей степени, что приводит к повышению экспериментальных кривых.
Интегральную натуральную оптическую плотность Дз образцов рыбного фарша, обработанного давлением 0,1; 100; 200; 300 и 400 МПа в течение 5 минут при температуре 295 К, нормировали на величину интегральной натуральной оптической плотности эталонного образца.
Как видно из рис. 3, с повышением давления зависимость В&(Р\ монотонно растет и не достигает максимально возможного значения, соответствующего эталонному образцу. Поскольку нормированная интегральная оптическая плотность Дз пропорциональна концентрации с денатурированных молекул белка в образцах рыбного фарша (С^~с), то в рамках принятых в работе допущений, экспериментальные кривые на рисунке 2 непосредственно отображают функциональную зависимость с
{Р1-
Таким образом, в образцах рыбного фарша, обработанного в течение 5 мин при комнатной температуре наибольшим в эксперименте высоким гидростатическим давлением 400 МПа, концентрация денатурированных молекул белка в 1,37 раза меньше, чем их концентрация в образце вареного рыбного фарша.
1,0
Рис. 3. Экспериментальная зависимость Бз(Р): штриховая линия соответствует величине нормированной интегральной натуральной оптической плотности эталонного образца
Для математического моделирования процесса денатурации молекул белка от абсолютной величины давления обработки рыбного фарше запишем константу равновесия К в виде соотношения:
ьг _ Сд(Р)
где Со(Р), Си(Р) - концентрации молекул нативного и денатурированного белка при давлении Р.
Уравнение изменения константы равновесия под действием давления при постоянной температуре представим в виде уравнения изотермы биохимической реакции:
/81пК\ _ ДУ
V др )Т ~ ~р~'
(1)
где /\У*- изменение активационного объема биохимической реакции; Р- давление. Решение уравнения (1) имеет вид
, кР р 1п — = 1п —, Крс р0
(2)
где Кр и Кр0 - значения константы равновесия соответственно при давлениях Ри Ро.
Из уравнения (2) следует линейная зависимость константы равновесия К от давления Р. Для подгонки модельной кривой к экспериментальным данным на рисунке 5 использовали линейную регрессию по методу наименьших квадратов (метод Гаусса- Ньютона). Модельная линейная кривая имеет вид
У = а ■ х,
где а - постоянный числовой коэффициент.
(3)
В соответствии с решением уравнения (1) рассчитанное значение постоянного коэффициента модельной кривой (7) а = 0,0019439869 равно константе равновесия К(К = 0,0019439869).
Величину внешнего гидростатического давления, при котором концентрация денатурированных молекул белка в образцах обработанного рыбного фарша станет равной концентрации денатурированных молекул белка в эталонном образце, находили экстраполяцией экспериментальных данных модельной кривой (рис. 4).
200 31)11
Р, МРа
Рис. 4. Экстраполяция экспериженталъных данных модельной кривой
Как видно из рис. 4, модельная кривая пересекает штриховую линию эталонного образца примерно при 520 МПа. Это означает, что если рыбный фарш обработать давлением 520 МПа в течение 5 минут при температуре 295 К, то концентрация денатурированных молекул белка в нем станет равной концентрации денатурированных молекул белка в вареном рыбном фарше.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bridgman P. W. The coagulation of albumen by pressure // The J. of biol. chemistry. - 1914. - Vol. 19. - P. 511-512.
2. Van Eldik R. High Pressure Chemistry. Synthetic, Mechanistic, and Supercritical Applications. - Weinheim: Wiley, 2002. - 474 p.
3. Knorr D. Advantages, opportunities and challenges of high hydrostatic pressure application to food systems // Proceedings of the International Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology. - Kyoto, Japan, 1996. - P. 279-287.
4. Angsupanich K., Ledward D. High pressure treatment effects of cod (Gadus morhua) muscle // Food Chemistry. - 1998. - Vol. 63, № 1. - P. 39-50.
5. Angsupanich K., Edde M., Ledward D. A. Effects of high pressure on the myofibrillar proteins of cod and turkey muscle //J. of Agr. and Food Chemistry. - 1999. -Vol. 47, pt. 1. - P. 92-99.
6. Etienne M. [et al.] Species identification of formed fishery products and high pressure-treated fish by electrophoresis: a collaborative study // Food Chemistry. -2001. - Vol. 72, № 1. - P. 105-112.
7. Yoshioka K., Yamada A. Textural properties and sensory evaluation of soft suri-mi gel treated by high pressurization // Trends in high pressure bioscience and biotechnology : proc. First Intern. Conf. on High Pressure Bioscience and Biotechnology, 26-30 Nov. 2000, Kyoto, Japan. - 2002. - P. 475-480.
8. Thakur B. R., Nelson P. E. High pressure processing and preservation of food // Food Rev. Intern. - 1998. - Vol. 14, № 4. - P. 427-447.
9. Venugopal V., Kamat A., Bongirwar D. Processing of foods using high hydrostatic pressure // Ind. Food Industry. - 2001. - Vol. 20, № 1. - P. 65-69.
10. Pérez-Mateos M., Montero P. High□ Pressurelnduced Gel of Sardine (Sardina pilchardus) Washed Mince as Affected by Pressure Time Temperature // Journal of Food Science. - 2006. - Vol. 62. - P. 1183-1188.
REFERENCES
1. Bridgman P. W. The coagulation of albumen by pressure, The J. of biol. chemistry, 1914, Vol. 19, pp. 511-512 (English).
2. Van Eldik R. High Pressure Chemistry. Synthetic, Mechanistic, and Supercritical Applications, Weinheim, Wiley, 2002, 474 p (English).
3. Knorr D. Advantages, opportunities and challenges of high hydrostatic pressure application to food systems, Proceedings of the International Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology, Kyoto, Japan, 1996, pp. 279-287 (English).
4. Angsupanich K., Ledward D. High pressure treatment effects of cod (Gadus morhua) muscle, Food Chemistry, 1998, Vol. 63, No 1, pp. 39-50 (English).
5. Angsupanich K., Edde M., Ledward D. A. Effects of high pressure on the myofibrillar proteins of cod and turkey muscle, J. of Agr. and Food Chemistry, 1999, Vol. 47, pt. 1, pp. 92-99 (English).
6. Etienne M. [et al.] Species identification of formed fishery products and high pressure-treated fish by electrophoresis: a collaborative study, Food Chemistry, 2001, Vol. 72, No 1, pp. 105-112 (English).
7. Yoshioka K., Yamada A. Textural properties and sensory evaluation of soft suri-mi gel treated by high pressurization, Trends in high pressure bioscience and biotechnology : proc. First Intern. Conf. on High Pressure Bioscience and Biotechnology, 26-30 Nov. 2000, Kyoto, Japan, 2002, pp. 475-480 (English).
8. Thakur B. R., Nelson P. E. High pressure processing and preservation of food, Food Rev. Intern, 1998, Vol. 14, No 4, pp. 427-447 (English).
9. Venugopal V., Kamat A., Bongirwar D. Processing of foods using high hydrostatic pressure, Ind. Food Industry, 2001, Vol. 20, No 1, pp. 65-69 (English).
10. Pérez-Mateos M., Montero P. High□ PressureDInduced Gel of Sardine (Sardina pilchardus) Washed Mince as Affected by Pressure□ Time□ Temperature, Journal of Food Science, 2006, Vol. 62. pp. 1183-1188 (English).
149
