ВЛИЯНИЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ НА СВОЙСТВА И КАЧЕСТВО МЯСА

Лабораторная работа №7

ВЛИЯНИЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ НА СВОЙСТВА И КАЧЕСТВО МЯСА

 

Замораживание обеспечивает длительное низкотемпературное хранение мяса и мясопродуктов благодаря предотвращению развития микробиологических процессов и резкого уменьшения скорости ферментативных и физико-химических реакций.

Преимущества замораживания в отношении энергозатрат и экономической эффективности по сравнению с другими методами консервирования предопределило интенсивное развитие во многих странах производства быстрозамороженных полуфабрикатов и готовых блюд.

Выполнение исследования послужили основанием для создания гипотез повреждающего действия замораживания, согласно которым изменение свойств биологических объектов обусловлено процессами кристаллизации воды, которые могут сопровождаться конформацией макромолекул белков и изменением состояния липопротеидов в результате повышения концентрации растворенных и жидкой фазе веществ, нарушением мембранных систем клеток, механическим повреждением морфологических элементов тканей и перераспределением между ними воды. Фазовый переход воды в лед влияет на характер и интенсивность химических и биохимических реакции может способствовать межмолекулярному взаимодействию компонентов системы.

Замораживание сопровождается понижением концентрации и активности микроорганизмов без их уничтожения и инактивации ферментов. Биологические основы гибели микроорганизмов недостаточно ясны. Помимо того, что понижение температуры связано с нарушением согласованности метаболических реакций из-за различий на уровне изменений их скоростей, замораживание приводит к повышению концентрации растворенных веществ вследствие миграции влаги из микробной клетки во внешнюю среду на первой стадии замораживания и внутриклеточной кристаллизации воды на последующих стадиях. Указанные процессы являются причинами повреждений мембранных структур клетки в результате изменения состояния белково-липидных комплексов и механического разрушения оболочки кристаллами льда.

Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от вида и рода микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания, состава среды.

Длительное хранение замороженных продуктов при температуре выше –10 ⁰С приводит к отмиранию части психрофильных и мезофильных микроорганизмов. Это обстоятельство определяет верхнюю границу допустимых температур.

Различия в степени выживаемости разных видов микроорганизмов на белковых средах в зависимости от условий замораживания были подтверждены исследованиями ВНИКТИхолодопрома. В пределах температур замораживания до –30 ⁰С гибель микроорганизмов увеличивается с повышением температур. В то же время при замораживании психрофильных микроорганизмов их выживаемость при –196 ⁰С примерно в 2 раза ниже. чем при –18 ⁰С.

Хранение мяса при отрицательных температурах сопровождается дальнейшим понижением концентрации микроорганизмов.

Данные по хранению отрубов говядины и свинины в полимерных пленках свидетельствуют о том, что значительной разницы в выживании микроорганизмов в зависимости от температурных режимов не наблюдается.

Сохранение на мясе при замораживании и последующем хранении патогенных и токсикогенных микроорганизмов, а также наличие активных ферментных систем погибшей микрофлоры предопределяют необходимость строгого соблюдения требований к санитарно-гигиеническим режимам обработки мяса.

Процесс кристаллизации состоит из двух этапов – зарождения кристаллов и их роста. Зарождение кристаллов происходит при упорядочении группы молекул воды и сохранении структуры, которая затем начинает укрупняться путем вовлечения в нее все новых молекул воды. Скорость этих двух этапов и характеристику полученной кристаллической системы можно контролировать.

Особенно сложен 1-ый этап формирования, первоначальных ядер кристаллов, т.к. необходимо, чтобы сформировалась кристаллическая решетка и образовался миникристалл, который был бы в равновесии с жидкой фазой. Затруднение связано с подвижностью молекулы воды. Вот почему при понижении температуры перед началом кристаллообразования процесс проходит через так называемую стадию переохлаждения: если температура появления первых кристаллов –2.5 С, то при понижении температуры данного раствора она достигает значения ниже –25 С без формирования кристаллов льда. Этот процесс переохлаждения, однако, не оказывает влияния на качество замороженных продуктов, в отличие от процесса кристаллообразования.

Существует 2 типа формирования кристаллов льда: гомогенный и гетерогенный. Первый характерен для чистой воды и не несет практического значения, т.к. применительно к продуктам и микроорганизмам речь идет о замораживании сложных растворов.

Гетерогенное, или называемое еще каталитическим, формирование ядер кристаллов льда характерно для пищевых продуктов и живых систем. Оно состоит в формировании ядер по соседству с растворенными в них частицами, в формировании поверхностного кристаллического слоя который будет подвергаться замораживанию. В этих случаях переохлаждение происходит в значительно меньшей мере.

Когда начинается кристаллизация, дальнейшее понижение температуры ведет к непрерывному повышению скорости кристаллообразования. Молекулы воды из жидкой фазы прикрепляются к сформированным ядрам кристаллов, и таким способом осуществляется процесс роста кристаллов. Молекулы воды с термодинамической точки зрения предпочитают этот процесс процессу формирования новых ядер кристаллообразования.

Скорость кристаллообразования в растворе определяется скоростью массо- и теплообмена. В процессе кристаллизации молекулы воды движутся от жидкой фазы к стабильному состоянию на поверхности кристалла, в молекулы растворенных веществ диффундируют в обратном направлении. Т.к. молекулы воды мелкие, легко подвижные и их много, они не могут играть решающей роли в скорости роста кристаллов льда. Это может произойти в конце процесса замораживания, когда вязкость среды большая, молекул воды мало и их подвижность понизилась из-за низкой температуры.

Принять считать, что лимитирующую роль в скорости кристаллообразования и роста кристаллов играет перенос теплоты. Это легко понять, если иметь в виду большую скрытую теплоту кристаллообразования. Кроме того, в пищевых продуктах теплообмен осуществляется прежде всего путем теплопроводности, а не путем конвекции. Скорость роста кристаллов будет увеличиваться с увеличением отвода теплоты.

Связывая механизм роста кристаллов в зависимости от теплообмена с механизмом образования ядер кристаллов при переохлаждении растворов, можно сделать вывод о том, что при быстром охлаждении образуется много ядер и соответственно много кристаллов, а при медленном охлаждении – мало ядер, но кристаллы крупные.

Безусловно, на этот процесс оказывает влияние и другие факторы. Например, в мясе, которое перед замораживанием не достигло состояния окоченения, размеры кристаллов будут отличаться от размеров кристаллов в мясе, прошедшем эту стадию, при одной и той же скорости замораживания.

Рекристаллизация – другое явление, характерное для этого метода консервирования. Она определяется результатом нестабильного состояния сформированных кристаллов. Из-за этого кристаллы подвергаются метаморфическим изменениям, известным под общим названием рекристаллизация, которая включает любое изменение в количестве, размере, форме, ориентации и т.д. Рекристаллизация наблюдается во многих пищевых продуктах и во льду, полученной их чистой воды. Ее скорость зависит от вида продукта и температуры. С понижением температуры скорость рекристаллизации уменьшается. Наличие растворенных веществ тоже понижает скорость рекристаллизации. Вот почему рекристаллизация в чистом льде протекает при –98 ⁰С, а в тканях – при –18 ⁰С.

В соответствие со вторым законом термодинамики рекристаллизация – процесс стремления системы достичь состояния равновесия, при котором свободная энергия минимальна и наступило выравнивание химического потенциала между всеми наличными фазами в системе. Свободная энергия уменьшается выравниванием размера и формы реальных кристаллов.

Основном механизм рекристаллизации в пищевых продуктах основывается из флуктуации температуры, что является причиной миграции водяных паров с поверхности кристаллов, имеющих более высокую температуру. Рекристаллизацию можно уменьшить поддержанием возможно более низкой и более постоянной температуры в камерах хранения замороженных продуктов.

Значение для качества готовой продукции, а также гибельного действия замораживания на микроорганизмы имеет локализация кристаллов льда в тканях и клеточных субстанциях. Медленное замораживание (скорость охлаждения 1 С/мин) растительных и животных тканей, клеточных суспензий, как правило, является протекания внеклеточной кристаллизации. Внеклеточное кристаллообразование характеризуется формированием больших кристаллов, большой диссоциацией воды.

Когда охлаждение происходит очень быстро (замораживание при низкой температуре), кристаллы внутри и вне клеток распределены очень равномерно. Чем больше размеры замораживаемых клеток, тем выше должны быть скорость охлаждения, чтобы кристаллы внутри и вне клеток распределялись равномерно. Равномерное распределение кристаллов обеспечивает более высокое качество продукта.

Характерно, что даже при наиболее высоких скоростях охлаждения кристаллизация начинается в первую очередь с межклеточном пространстве.

В результате постепенного и непрерывного замораживания воды в тканях постоянного повышается концентрация растворенных компонентов в не замерзшей воде. В определенный момент, характерный для каждого компонента, наступает концентрация насыщения, когда кристаллизуется вода и данный компонент и существует равновесие между эвтектической или криоскопической точки. Каждое растворенное вещество имеет характерную точку: хлорид кальция –55 ⁰С, хлорид натрия –21 ⁰С, сахароза –14 ⁰С, глюкоза –5 ⁰С, фосфаты натрия и калия от –0.5 до 17.2 ⁰С.

Максимальное количество льда образуется, когда достигается самая низкая эвтектическая точка, т.е. температура, при которой последняя субстанция переходит в эвтектическое состояние («конечная эвтектическеая температура»). Для мороженного и белка яйца она колеблется между –50 и –60 ⁰С. Для хлеба – около –70 ⁰С. Следовательно, при используемой в настоящее время технологии все замороженные пищевые продукты имеют известное количество не замерзшей воды, которая может быть заморожена, если температура будет понижена до определенного уровня, характерного для каждого продукта.

Процент вымороженной влаги зависит от температуры и вида продукта. В мороженом, содержащем 12.5% жиров, 15.0% сахара, 0.3% стабилизатора, 10.5% сухого вещества из сыворотки и 61.7% воды при –2.5 ⁰С не происходит формирования кристаллов, при –3.1 ⁰С замерзает 20% воды, при –3.5 ⁰С – 30%, при –4.2 – 40%, при –5.2 ⁰С – 50%, при –6.8 ⁰С – 60%, при –9.5 ⁰С – 7-%, при –14.9 ⁰С – 80%, при –30.2 ⁰С – 90%.

В мясе. Которое содержит мало жиров, рыбе, яичных белках, меланже степень вымораживания воды зависит от влажности и температуры (табл. 1).

Таблица 1

Продукт	Влажность, %	Степень замораживания мяса (в %) при температуре, 0С
	-2	-5	-10	-20	-30
1. Мясо	74.5
2. Рыба	83.6
3. Яичный белок	86.5
4. Яичный меланж	50.0

 

Принимая во внимание, что максимальное кристаллообразование проходит в диапазоне температур от –2 до –8 ⁰С, диффузионное перераспределение воды и образование крупных кристаллов можно предотвратить при быстром понижении температур в этом интервале. Степень дисперсности льда и характер распределения кристаллов в такой сложной гетерогенной системе, каким является мясо, зависит не только от скорости охлаждения, но и определяется степенью гидратации макромолекул белка, состоянием мембранных структур. Фиксируемое изменение количества связанной влаги при автолизе мяса с помощью метода определения уровня значения имеют превращения миофибриллярных белков, которые в отличие от глобулярных окружены многослойными гидратными оболочками. Изменения в ходе автолиза молекулярной организации миофибрилл и влияет на объем некристаллизующейся жидкой фазы и концентрацию растворенных в ней веществ.

Характер кристаллообразования зависит также от глубины автолиза поступающего на замораживание мяса. Замораживание мяса на ранних стадиях автолиза приводит к образованию мелких кристаллов внутри мышечного волокна. Изменение состояния белков миофибрилл к моменту посмертного окоченения мяса, резкое уменьшение их гидратации при сохранении на этой стадии автолиза вследствие повышения проницаемости сарколеммы кристаллы льда образуются главным образом между мышечными волокнами. При этом фиксируются разрывы сарколеммы.

Исследованием мяса с высокими конечными значениями рН не выявлено значительных отличий в микроструктуре мышечной ткани разных сроков автолиза.

Т.о. формирование кристаллов льда в такой сложной системе, как мясо, зависит от скорости замораживания, физико-химическим и структурных свойств мышечной ткани, определяемых глубиной и характером автолиза.

Для замораживания используют различные способы. Которые можно разделить на три основных типа: 1 – мясо, птицу замораживают и затем упаковывают подходящим способом; 2 – продукт упаковывают и после этого замораживают в плиточных морозильных аппаратах со статическим или рециркулирующим воздухом; 3 – продукт предварительно упакованный или неупакованный погружают в охлаждаемую жидкость, например, в раствор хлорида кальция или натрия, жидкий азот или углекислоту и т.д. Процесс замораживания в этом случае происходит очень быстро.

Замораживание в воздухе применяется для упакованных и неупакованных твердых продуктов. Замораживание проводится при температурах от –18 до –40 ⁰С. Если нет циркуляции воздуха, процесс протекает очень медленно от 3 до 72 ч. При наличии циркуляции воздуха продукт замораживают в подвешенном виде на подвесном пути (туши, полутуши, четвертины), или на ленточном транспортере, сплошном (пельмени) или сетчатом, направляя его с малой скоростью через туннель, продуваемый воздухом с температурой от –18 до –34 ⁰С или ниже. воздух движется, как правило, в направлении противоположном движению продукта, со скоростью от 30 до 300 м/мин.

Замораживание флюидизацией является модификацией этого способа. Применяется чаще для сырья с небольшими геометрическими размерами, но используется и для замораживания мяса. Перпендикулярно движению воздуха продукта, в направлении снизу вверх. Вентилируется воздух со скоростью не меньше 13 м/мин и температурой около –34 ⁰С. При этой скорости воздуха продукт переходит в состояние подвижного слоя. При этом способе замораживания процесс ускоряется, а продукт меньше высыхает.

Замораживание в плиточном морозильном аппарате осуществляется следующим образом. Продукт находится в контакте с охлажденными металлическими плитами, в которых циркулирует хладагент – аммиак, фреон и др. Метод экономичен и не приводит к понижению влагосодержания и усушке продукта. Для замораживания до –33 С продукта толщиной от 25 до 38 мм необходима обработка в течение 1.0…1.5 ч. чтобы ускорить замораживание необходимо упаковку хорошо заполнить уплотненным продуктом или удалить из нее воздух.

Замораживание погружением в жидкость осуществляется следующим образом.

Упакованный или неупакованный продукт погружают в жидкость: пропиленгликоль, глицерол, раствор хлорида натрия или кальция и др. жидкость не изменяет своего состояния во время замораживания продукта. Температура продукта массой 200 г понижается до –18 С за 10-15 мин.

Для этой же цели используют жидкий азот, углекислоту, фреоны и хладоны. Однако в отличие от названных выше охлаждающих сред эти хладагенты изменяют свое состояние – они испаряются и при этом отнимают теплоту продукта. Благодаря высоким значениям коэффициента теплоотдачи при этом способе замораживание протекает очень быстро.

Продолжительность замораживания зависит от параметров хладагента и для случая замораживания мясных туш в воздухе она наряду с усушкой составляет следующие значения, приведенные в табл. 2-3.

Таблица 2

Температура мяса, С	Температура воздуха в камере, С	Продолжительность замораживания. (и) при циркуляции
начальная	конечная	естественной	принудительной
	-8	-23	36…44	29…35
	-8	-30	26…32	22…27
	-8	-35	22…27	19…23
	-8	-23	29…35	23…28
	-8	-30	21…26	18…22
	-8	-35	18…22	15…18

 

Таблица 3

Страна	Способ замораживания	Температура воздуха, - С	Скорость движения воздуха, м/с	Продолжительность замораживания. ч	Усушка мяса, %
Бывш СССР	Однофазный	30…35	0.8	23…27	1.58
	Двухфазный:
	1 стадия		0.8		1.60
	2 стадия	30…35	0.8	18…22	0.70
Бывш ГДР	Однофазный	25…35	2…3	18…22	0.94
Бывш ФРГ	Однофазный	30…40	3…6	16…19	1.60

 

На качество замороженных продуктов существенно влияют потери массы, условия теплоотвода, используемый упаковочный материал и метод упаковки. В зависимости от вида продукции, его назначения и способа замораживания его упаковывают до замораживания или после.

Для улучшения условий теплоотвода и предотвращения сублимации влаги упаковочный материал должен плотно прилегать к поверхности продукта. Если упаковку проводят после замораживания, то лучше использовать материалы с низким коэффициентом теплопроводности.

В качестве упаковочных материалов используют синтетические полимерные пленки с низкой газо- и паропроницаемостью, устойчивые к действию хладагента, а также к компонентам пищевых продуктов, таким, как вода и жир, обладающие необходимой механической прочностью в широком диапазоне температур. Для упаковки материалов сложной формы применяют усадочные пленки, обеспечивающие плотное облегание объекта. При замораживании вторых блюд в виде емкостей различной формы. Алюминиевая фольга обладает газо- и паронепроницаемостью, устойчива к воздействию внешней среды, не взаимодействует с компонентами продукта. В настоящее время широко применяют картонные подложки, покрытые пластическим материалом, устойчивые к воздействию высоких температур.

Определяющим фактором увеличения сроков хранения пищевых продуктов является температурный режим. Понижение температуры снижает потери массы и необратимые изменения их качества. существенное значение имеет также стабильность температурного режима в процессе хранения. Колебания температур способствуют увеличению кристаллов льда и сублимации влаги.

Для защиты продукта также используют пищевые покрытия (например, растительными и животными жирами) и глазирование – нанесение тонкого слоя льда на поверхность продукта.

В настоящее время мясо и мясопродукты хранят при температуре –18 С. Понижение температуры до –25 и –30 С значительно увеличивает сроки хранения. Относительная влажность воздуха при хранении должна быть порядка 90…98%.

Замороженное мясо, рассортированное по видам и упитанности, хранят в плотно сформированных штабелях на напольных решетках или стоечных поддонах, которые устанавливают один на другой в 2-4 яруса с помощью электропогрузчика.

Продолжительность хранения зависит от температуры и вида мяса (табл. 4).

Таблица 4

Мясо	Температура воздуха в камере, 0С	Допустимые сроки хранения, мес.
Неупакованное мясо	Упакованный замороженные блоки
мясо	субпродукты
Говядина	-15	6…9
	-18 (-20)	8…12
	-25	13…18
Баранина, козлятина	-18 (-20)	6…10
-25	10…12
Свинина	-18 (-20)	4…6
	-25	8…12

 

Загрузка 1 м³ грузового объема камеры замороженным мясом составляет для говядины в четвертинах – 400 кг, в полутушах – 300 кг, свинины в полутушах – 450 кг, баранины и козлятины в тушах – 280 кг. Плотность укладки замороженных блоков в 1 м³ камеры в зависимости от геометрических размеров составляет 650…800 кг.

Потери массы при хранении мороженого мяса зависят от упитанности сырья, этажности и емкости холодильников, географической зоны и времени года и составляют 0.05…0.3% за один месяц.

Усушку можно сократить в 8-9 раз, упаковывая мясо в полиэтиленовые рукава, которые натягивают на полутуши и четвертины и закрепляют на концах липкой лентой. В этом случае усушка для говядины 1-ой категории через 12 мес. хранения составляет около 0.3%.