CC BY
120
Изменение водоудерживающей способности мяса и мясных продуктов
при их тепловой обработке
Вода - естественный компонент мяса, образующий устойчивые структурированные системы с другими его частями. Формы и прочность ее связи в этих системах влияют на свойства мяса, в том числе на водоудерживающую способность, по характеру изменения которой можно судить об изменении потерь массы в процессе тепловой обработки и о качестве продукта. В настоящее время под водоудерживающей способносью мяса понимается сила, с которой часть его собственной воды или собственной с небольшим количеством добавленной воды удерживается белками, а также другими веществами и структурными системами мяса при воздействии на него каких-либо сил извне.
На изменение водоудерживающей способности мяса в процессе его тепловой обработки влияют многие факторы: температура, до которой оно нагревается, длительность выдержки при ней, температура среды, способ тепловой обработки, скорость нагревания, величина рН обрабатываемого сырья, реологические характеристики, химический состав продукта, количество добавленной поваренной соли, воды, вид мяса, анатомическое происхождение мышц, возраст животных и др.
Структура воды и изменение ее в процессе нагревания
Белковая макромолекула окружена водой, которую нельзя рассматривать как нейтральное вещество, так как благодаря своим уникальным свойствам она, с одной стороны, подвергается воздействию растворенных в ней белковых макромолекул, с другой - сама активно влияет на конформацию белка. Известно, что вода служит связующим звеном между белковыми молекулами. Составляя 70...75 % массы живой клетки, она представляет собой ту жидкую среду, в которой осуществляется обмен и транспортирование веществ. Стабилизация пространственной структуры белка и других биополимеров в значительной мере происходит в результате их взаимодействия с водой.
Уникальные свойства воды обусловлены ее способностью образовывать четыре водородные связи между молекулами и одно гидрофобное взаимодействие, в результате которых возникают сильные межмолекулярные связи, приводящие к образованию ассоциации. При этом две водородные связи включают в себя два атома водорода молекулы воды, а две другие - неспаренные электроны кислорода и два атома водорода соседних
молекул, поэтому могут выступать одновременно в роли донора и акцептора электронов в процессе образования водородных связей. В этом случае одна из взаимодействующих молекул получает избыточный положительный заряд, приобретая «кислые свойства», а другая - отрицательный заряд и «основные» свойства. В результате молекулы, соединенные водородной связью, способны образовывать более прочные связи с другими молекулами. Таким образом, водородные связи в воде имеют кооперативный характер, то есть одновременно образуются или рвутся большие группы связей.
В настоящее время учеными разработан ряд моделей воды, объясняющих многие ее свойства и аномалии. Наиболее распространенная модель основана на сохранении в воде каркаса льда с заполнением пустот свободными диполями. Ближняя упорядоченность в воде может быть охарактеризована как размытая тепловым движением структура льда. С повышением температуры доля заполненных пустот увеличивается.
Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в воде при температуре 25 °С заполнена половина всех пустот структуры и что искажение каркаса ведет к нарушению межмолекулярных расстояний. Согласно предложенным представлениям воду следует рассматривать как расшатанный льдоподобный каркас, в который вплавлены области, обладающие более компактной, но ориентационно разупорядоченной структурой.
Другая модель, получившая в последнее время широкое распространение, - модель «текучих кластеров». Она основана на теории образования водородных связей на базе кооперативного эффекта. Согласно этой концепции водородная связь, имеющая в решетке льда частично ковалентную природу, использует на свое построение кроме собственной энергии диполя энергию, передаваемую соседними диполями в результате переноса неподеленных электронов атома кислорода одной молекулы на незанятые орбиты атома водорода соседней молекулы. Процесс сопровождается расщеплением заряда, в результате одна из взаимодействующих молекул воды подкисляется, а другая приобретает щелочные свойства. В конечном итоге это приводит к тому, что водородные связи не образуются и не распадаются одиночно: разрыв или образование одной индуцирует соответствующий процессу соседних водородных связей.
2
ВСЕ О МЯСЕ,6-2007
Следует отметить, что большинство исследователей связывают снижение водосвязывающей способности и потери влаги в процессе нагревания мяса только с изменением конформационной структуры белка. Белковая макромолекула в мясе всегда находится в окружении воды. Растворы неполярных веществ являются структурообразователями по отношению к воде. Наличие неполярного углерода в ней способствует возникновению гидрофобного взаимодействия. На основании этого можно считать, что вода в значительной степени определяет кон-формацию макромолекул. Однако это свойство воды обусловлено непосредственно структурой, которая, в свою очередь, может изменяться под воздействием различных факторов, в частности температуры.
Известны четыре характерные температуры (15, 30, 45 и 60 °С), при которых резко изменяется состояние воды. Считают, что при этих температурах в ней осуществляются качественные структурные переходы.
Исследования зависимости снижения содержания влаги от температуры и рН образца фарша показали, что отделение ее начинается уже при температуре 35 °С. Однако, начиная с температур 45...50 °С, влага выделяется более интенсивно. Это объясняется изменением, с одной стороны, структуры воды при указанных температурах, с другой - конформацией белковой макромолекулы, которая обусловлена комплексом внутри - и межмолекулярных водородных связей и гидрофобных взаимодействий.
Поскольку нагревание сопровождается разрушением структур воды, действующие между про-тофибриллами вторичные силы Ван-дер-Ваальса стягивают молекулу белка в более компактную форму, то есть происходят полимеризация дискретных белков и увеличение их молекулярной массы. При этом с повышением температуры контакт воды с углеводородом приводит к энергетически менее выгодной замене взаимодействия вода - вода взаимодействием углерод - вода, структура белка уплотняется, что вызывает значительное выделение влаги в виде бульона.
Формы связи воды с дисперсными системами
Известно, что мясо и выработанные из него полуфабрикаты, фарши и другие продукты представляют собой сложные дисперсные системы. Их свойства зависят от объемного соотношения дисперсной фазы и дисперсионной среды (воды), характера и прочности связи между ними, а также между отдельными частицами.
Формы связи воды в дисперсных системах, по П. А. Ребиндеру, классифицируют следующим образом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.
К химической связи относятся ионная и молекулярная, которые характеризуются связью в строго молекулярных соотношениях. Химически связанная - гидратационная вода - является прочносвя-
занной, ее количество составляет 6.10 % к массе сухого вещества.
К физико-химической связи относятся адсорбционная и осмотическая, которые осуществляются в различных не строго определенных соотношениях.
К физико-механической относятся связи: в микро и макрокапиллярах, структурная и смачивания. Вода удерживается физико-механическими связями в неопределенных соотношениях.
Ионная, очень сильная связь может быть нарушена при химическом взаимодействии или прокаливании. Молекулярная связь также относится к сильным и может быть нарушена при нагревании мяса до температур выше 150 °С.
Наибольшее влияние на качество продукта и потери массы в процессе его тепловой обработки, по-видимому, оказывает физико-химически и фи-зико-механически связанная вода.
Выделяют три формы связывания воды с белком: гидратационная, иммобилизованная и свободная вода.
Гидратационная вода составляет примерно 10 % всей имеющейся в мясе воды, адсорбированной белком. Вследствие двухполюсного характера молекул она присоединяется к ионами другим полярным группам, имеет измененные физические показатели, не поддается физиологическому воздействию, не влияет на колебания водоудержива-ющей способности.
Иммобилизованная (связанная) вода прочно удерживается сетью мембран и волокнами мышечных белков, а также сцеплениями водородных носителей зарядов. Эта часть воды с большим трудом выжимается и не вытекает из мяса.
Свободная вода находится между клетками, очень «рыхло» связана и легко вытекает при нагревании. Это обусловливает, с одной стороны, потери массы от испарения при замораживании и холодильном хранении мяса и от вытекания сока при его размораживании, с другой - способствует сушке мясопродуктов.
В зависимости от состояния мышечных белков изменяется соотношение между иммобилизованной и свободной водой, причем оба ее вида следует рассматривать как единое целое: если количество иммобилизованной воды увеличивается, то свободной - сокращается, и водоудерживающая способность возрастает; при уменьшении количества иммобилизованной воды повышается содержание свободной, и влагоудерживающая способность понижается.
Считают, что ионная связь особенно важна для увеличения водоудерживающей способности мяса. Поскольку некоторые аминокислоты содержат по две карбоксильные и аминогруппы, то помимо блокированных пептидной связью имеются группы с кислой и щелочной реакцией, которые образуют анионы и катионы. Кроме названных в молекуле аминокислот содержатся и другие функциональные группы, например гидроксиль-
ВСЕ О МЯСЕ, 6-2007.
3
ные (- ОН) и сульфгидрильные (- SH). Они имеют полярный характер, вследствие чего также могут удерживать воду.
В зависимости от того, являются ли заряды соседствующих ионов одноименными или противоположными, они взаимно притягиваются, либо отталкиваются. Известно, что количество зарядов в изоэлектрической точке (рН ~ 5,0) минимально. Мясо, нагретое при изо-электрическом состоянии белков, характеризуется максимальным отделением бульона и минимальной водоудерживающей способностью.
На основании проведенных исследований установлено, что длительность тепловой обработки при исследуемых режимах оказывает большее влияние, чем температура греющей среды. В целом снижение количества отпрессованной и увеличение неотпресованной влаги могут быть объяснены развитием процесса дезагрегации коллагена.
Кроме изменения структуры воды, денатураци-онных изменений мышечных белков и дезагрегации коллагена существенное влияние на изменение водоудерживающей способности оказывает рН сырья.
На изменение рН в процессе нагревания мяса более сильное влияние, чем температура греющей среды, оказывают рН исходного сырья и температура образца. Несмотря на то, что с повышением последней прирост рН возрастает (величина прироста зависит от рН исходного фарша), водо-удерживающая способность его снижается, так как параллельно происходит сдвиг изоэлектриче-ской точки фибриллярных белков к более высоким значениям рН. Качественный состав бульонов, приготовляемых из мяса и мясопродуктов, одинаков, в него входят экстрактивные и минеральные вещества, белки, липиды и витамины. Белки представлены в основном глютином, который образуется в результате деструкции коллагена в условиях влажного нагревания. Белки мышечных волокон переходят в бульон в количествах, не превышающих 0,2 % массы мясного сырья. Эмульгированный жир содержится в бульонах, приготовляемых из жирного мяса (грудинка, покромка), жирной птицы (утки, гуси), языков; количество его не превышает 0,8 % массы мясного сырья. Таким образом, основными водорастворимыми компонентами мясных и костных бульонов являются экстрактивные, минеральные вещества и глютин. Количественное содержание указанных компонентов в бульоне зависит от вида мясного сырья, использованного для варки.
Как уже отмечалось, экстрактивные, минеральные и другие низкомолекулярные водорастворимые вещества, а также витамины сосредоточены в саркоплазме мышечных волокон. Из этого следует, что бульоны, сваренные из говядины 1-го и 2-го сорта, содержат больше экстрактивных и минеральных веществ по сравнению с бульонами,
сваренными из говядины 3-го сорта, содержащей до 20 % соединительной ткани.
Механизм образования мясных бульонов связан с тепловой денатурацией мышечных и соединительнотканных белков. Мышечные белки при денатурации свертываются, отдают в окружающее пространство часть влаги (около 50 %), которая, выходя из мышечных волокон, увлекает за собой часть экстрактивных и минеральных веществ. Этот концентрированный раствор попадает в межмышечное пространство, однако в нем не задерживается из-за тепловой деформации прослоек мускульной соединительной ткани. Куски мяса сжимаются во всех направлениях, в результате чего отпрессованная белками жидкость вместе с растворенными в ней экстрактивными и минеральными веществами вытесняется в окружающую воду, образуя бульон. Определенную роль в образовании бульона играет диффузия водорастворимых веществ из мяса в окружающую воду при варке мяса. Возможность для диффузии возникает в результате денатурации белков мяса, в том числе сарколеммы мышечных волокон и соединительнотканных прослоек. Движущей силой диффузии является разность концентраций растворимых веществ мясе и бульоне. Переход растворимых веществ из мяса в бульон в результате диффузии может быть усилен двумя путями: увеличением гидромодуля (соотношения воды и мяса) и более мелкой нарезкой мяса, в результате чего возрастает поверхность контакта между мясом и водой.
Погружение мяса для варки в холодную или горячую воду не влияет на количество растворимых веществ, переходящих из мяса в бульон. При варке говядины без костей крупными кусками (1.2 кг) в воду переходит около 2 % растворимых веществ от массы мяса, в том числе 1,5 % органических и 0,5 % минеральных. При варке языков в бульон переходит около 1,5 % растворимых веществ от массы сырья, в том числе около 30 % составляют минеральные вещества.
При варке кур в виде целых тушек в воду переходит 1,65 % растворимых вещ еств от их массы, в том числе минеральных - 0,25 %, экстрактивных - 0,68 %.
При варке костных бульонов в течение 3 ч в воду переходит от 2,0 до 2,5 % растворимых веществ от массы костей.
Если сухой остаток мясного бульона принять за 100 %, то он распределится так, %: экстрактивные вещества - 49, минеральные вещества - 25, белки (в основном глютин) - 24 и эмульгированный жир - 2,0. В костном бульоне сухой остаток распределится следующим образом, %: экстрактивные вещества - 4,0, минеральные вещества - 6,0, глютин - 77,6 и эмульгированный жир - 12,4. Своеобразный состав костного бульона объясняется низким содержанием в костях экстрактивных веществ, наличием минеральных веществ в виде нерастворимых фосфатов и карбонатов кальция.
ВСЕ О МЯСЕ,6-2007
