Биотехнологических процессов

 

Растительные белковые добавки привлекают все большее внимание во всех странах с развитым производством мясных продуктов благодаря своим уникальным свойствам. Они широко применяются в качестве регуляторов пищевой ценности и усвоя­емости продуктов и играют роль заменителей мяса. Однако бел­ковые препараты нашли столь широкое применение в мясной промышленности еще и благодаря своим высоким функциональ­ным свойствам, позволяющим повысить экономическую эффек­тивность их применения.

 

ПЛАКАТ 6

 

Мясные эмульсии и структурированные пищевые системы

 

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. Та­кая стабилизация носит универсальный характер и необходима при получении высокоустойчивых, особенно концентрированных эмульсий.

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. В технологии мяса в качестве эмульгаторов жира используют как естественные компоненты сырья (миофибриллярные белки, леци­тин, кефалин, холестерин), белковые препараты, содержащие во­дорастворимые белки (растительные белковые препараты, белки молока, яичные продукты, белки крови), так и химические аддитивы (поливалентные фосфаты, поверхностно-активные вещества).

Эффективность получения и стабильность свойств эмуль­сий зависят от вида жира и эмульгатора, соотношения дисперси­онной среды и дисперсной фазы, степени диспергирования час­тиц, температуры, рН среды и других факторов.

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 (Ж/В). Важней­шими стабилизаторами пищевых эмульсий типа Ж/В являются белки, эмульгирующие свойства которых во многом определяют свойства конечного продукта. Состав и условия их получения могут быть достаточно точно смоделированы. Одним из условий совершенствования пищевых технологий и целенаправленного использования белков в качестве стабилизаторов эмульсий являет­ся изучение модельных систем, достаточно приближенных к ре­альным пищевым продуктам эмульсионного типа; оценка эмуль­гирующих свойств белков инструментальными методами, осно­ванными на современных достижениях физико-химии дисперсных систем, дальнейшее изучение взаимосвязи между эмульгирующи­ми свойствами и молекулярными характеристиками белков.

 

ПЛАКАТ 7

 

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 мясляных 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.

ЭС белков зависит от большого числа факторов. Одна из важнейших характеристик белка как эмульгатора – структура его молекулы. Обусловлено это тем, что структура адсорбцион­ных пленок и свойства стабилизируемых белком эмульсий явля­ются функцией нативной структуры белка.

ПЛАКАТ 8

 

Поверхностная активность белков определяется особенностя­ми их пространственной структуры. Молекулы глобулярных белков в водном растворе представляют собой компактные частицы со спе­цифической топографией поверхности с асимметрично локализован­ными полярными и неполярными группировками атомов (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Особенности пространственной структуры белков:

• - полярные и нейтральные аминокислоты; ο - неполярные аминокис­лоты; а - белок с преимущественным расположением полярных амино­кислот в интерьере белковой глобулы (элементы вторичной структуры не показаны); 1 - денатурированная молекула; 2 - нативная молекула; б - наиболее вероятное расположение адсорбированной молекулы белка на межфазной поверхности; 1 - петли; 2 - сегмент, 3 - хвост

 

ПЛАКАТ 9

 

Фибриллярные белки характеризуются лучшими эмульги­рующими свойствами по сравнению с глобулярными. Они быст­рее снижают межфазное натяжение и имеют более низкое его равновесное значение.

Пленки белков являются по сути белковыми гелями, реоло­гические свойства которых зависят от конформации молекул, причем пленки с большей упорядоченностью, включающие гло­булярные молекулы в нативном состоянии, дают рост более же­стким, устойчивым к механической деформации гелям.

Структура адсорбционных слоев, образованных как глобу­лярными, так и фибриллярными молекулами, в значительной степе­ни определяется концентрацией белка на межфазной поверхности.

На рис. 3 приведены схематические изображения струк­тур пленок типичных фибриллярного (β-казеин) и глобулярного (лизоцим) белков с разными величинами адсорбции (поверхност­ной концентрации).

…………..…..

(3-казеин (неупорядоченный, гибкий) Лизоцим (глобулярный, жесткий)

 

Рисунок 3 – Схема структуры адсорбционных пленок при различных поверхностных концентрациях

ПЛАКАТ 10

 

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.

Имея в виду две стороны процесса получения эмульсий, 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.

Существующие методы оценки эмульсионных свойств бел­ков могут быть условно разделены на характеризующие их как эмульгаторы и как стабилизаторы. Первые относятся к процессам получения эмульсий; вторые характеризуют свойства белка при хранении и переработке.

Функциональность белковых эмульсий определяется для модельных систем, имитирующих реальные пищевые эмульсии по основным параметрам и составу.

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:

где А - радиус сферической капли, см; r₀ - плотность дисперси­онной среды, г/см³; r - плотность дисперсной фазы, г/см³; g - ус­корение свободного падения, м/с²; η| - динамическая вязкость среды, Пас.

 

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 рассчитывается по формуле:

где N_i - 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).

Флокуляция является самопроизвольным процессом, со­провождающимся уменьшением свободной энергии системы (F) благодаря снижению поверхностной энергии в местах контакта капель при сохранении общей поверхности раздела.

Исследование агрегации в эмульсиях сопряжено с больши­ми методическими трудностями, поскольку явление не сопрово­ждается макроэффектами. Кроме того, эмульсии, как правило, полидисперсны, а во многих случаях являются концентрирован­ными. Для определения начальной скорости флокуляции и ее степени можно применять светорассеяние, если при разбавлении образцов свойства эмульсий не изменяются. Возможно примене­ние оптической (для достаточно грубых эмульсий) и электронной микроскопии. Последняя может, однако, исказить картину флокуляции в эмульсии в процессе приготовления образцов.

Функциональных тестов для определения агрегативной ус­тойчивости не существует. Вместе с тем значение агрегации ка­пель для свойств эмульсий велико, поскольку она является стади­ей, предшествующей коалесценции, а также влияет на реологиче­ские свойства эмульсий.

Коалесценция представляет собой необратимый процесс окончательного разрушения эмульсий. Уменьшение свободной энергии в результате коалесценции обеспечивается снижением площади поверхности раздела (S) при постоянстве межфазного натяжения (∆F = s ∆S). 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.

ПЛАКАТ 11

 

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:

- неполная растворимость некоторых белков в изоэлектрической точке;

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

- поверхностный потенциал белковых пленок равен нулю при рН = pI;

- при этом электростатическое отталкивание препят­ствует разрыву белковых MAC;

- 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.

В настоящее время не существует обобщенной теории ста­бильности эмульсий, которую можно применить в практических целях. Однако эмпирическим путем выделен ряд физических факторов, влияющих на реологию и стабильность эмульсий, не­которые из которых приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Физические факторы стабильности эмульсий

 

Факторы	Кри-минг	Флоку-ляция	Коалес­ценция	Реоло­гия
Размер капель	XXX	XX	X	X
Характер распределения капель по размерам	XXX	XXX	XXX	XXX
Разность плотностей дисперсной фазы и дисперсной среды	XXX
Вязкость:
дисперсной среды	XXX	XXX	XXX	XXX
дисперсной фазы				X
адсорбционных слоев			XXX	XX
Толщина MAC		XX	XXX	XX
Взаимодействие между каплями:
электростатическое	X	XXX	X X	X
макромолекулярное		XXX	X X	XX
Кристаллизация фаз:
масляной			XXX	XXX
водяной	X	X	XX	XX

 

Основная структурная роль межфазных белковых оболочек в мясных эмульсиях состоит в том, чтобы обеспечить равномерное распределение жира при куттеровании, стабилизировать его в вы­сокодисперсном состоянии в составе фарша, что обусловливает высокие качественные показатели готового продукта. В процессе термообработки это позволяет структурировать пищевые системы с получением геля с включенными в него частицами жира. Реали­зуется переход эмульсия (тонкоизмельченный сырой фарш) – гель (готовый продукт). При нарушении стабильности системы не обеспечивается равномерное распределение тонко диспергирован­ного жира, в связи, с чем готовый продукт будет низкого качества.

Существенная зависимость ЭС белков от различных техно­логических факторов значительно усложняет их переработку и влияет на эффективность использования. В связи с этим важ­нейшее значение имеет проблема регулирования их функцио­нальных (эмульгирующих) свойств с целями, как увеличения, так и снижения зависимости от различных факторов.

Известные данные об эмульсионных свойствах белков и пищевых эмульсий, в частности, роли белка в образовании эмульсий, механизмах их стабилизации, могут быть использова­ны для решения практических задач традиционных и новых тех­нологий пищевых продуктов эмульсионного типа.

Яйцо и яйцепродукты используют в колбасно-консервном про­изводстве в основном с целью улучшения функционально-технологических свойств мясных систем, а также для повышения пищевой и биологической ценности изделий. Белок яйца обладает высокой растворимостью, пено- и гелеобразующими свойствами, имеет хорошие адгезионные характеристики, повышает стабильность и вязкость эмульсий. Основной белок яйца – овоальбумин – образует гели и эмульсии как самостоятельно, так и с альбуминами сыворотки крови, липопротеином и лизоцимом. Белки яичного желтка также обладают высокой эмульгирующей и гелеобразующей способностью.

В технологии мясопродуктов молочно-белковые препараты (сухое молоко, казеинат натрия, молочная сыворотка, обезжирен­ное молоко) применяют как для оптимизации функциональных характеристик (ВСС, эмульгирования), так и для повышения пи­щевой и биологической ценности готовых изделий.

Большинство молочно-белковых препаратов содержит во­дорастворимые белки (лактальбумины и лактглобулины), имеют высокую ВСС, эмульгирующую, пенообразующую способность. Наиболее распространено применение сухого цельного (СЦМ) и обезжиренного (СОМ) молока, сухого белкового концентрата из подсырной сыворотки (СБК), казеината натрия и т.п.

Все белки плазмы крови характеризуются хорошей раство­римостью и, как следствие – высокой водосвязывающей и эмуль­гирующей способностью, способны образовывать гели при на­гревании. Плазма крови незаменима при изготовлении белково-жировых эмульсий, связующих, многокомпонентных белковых систем с заданным составом и функционально-технологическими свойствами, структурированных белковых препаратов.

Соевые белки представлены, главным образом, глобулярными фракциями, хорошо сочетаются по физическим характеристикам (способность к гидратации, высокая растворимость, вязкость, термо-и солеустойчивость) с мясным сырьем. Соевые изоляты характери­зуются высокими функционально-технологическими свойствами: водосвязывающей, жиропоглощающей и эмульгирующей способно­стью, образуют гели, структурированные матрицы, стабилизиро­ванные эмульсии. При этом препараты отличаются строго контро­лируемым качеством, стабильны по составу и свойствам.

На практике для получения эмульсий используют ряд спо­собов и методов.

Наибольшее распространение при получении эмульсий по­лучил метод диспергирования (Д. Платэ), сущность которого со­стоит в растягивании капель жидкости до цилиндрической фор­мы. В момент, когда длина цилиндра превышает периметр его ос­нования, он распадается на несколько капель меньшего размера.

ПЛАКАТ 12

 

Академиком Ребиндером установлено, что наиболее важен для сохранения стабильности получаемых эмульсий, особенно концентрированных, так называемый структурно-механический барьер, когда межфазная адсорбционная оболочка структуриру­ется, и структурная вязкость ее при малых градиентах скорости во много раз превышает вязкость дисперсионной среды.

Так как при получении пищевых эмульсий в качестве эмульгаторов чаще всего применяются высокомолекулярные ве­щества, главным образом белки, при их адсорбции вследствие избытка свободной энергии на границе раздела фаз происходят конформационные изменения макромолекул – поверхностная де­натурация, которая определяется как процесс изменений нативной структуры белка, и выражается в развертывании молекулы под влиянием действующих у поверхности раздела фаз сил.

Наличие большого количества гидрофильных и гидрофоб­ных групп в белках обусловливает ориентацию полярных групп к воде, а неполярных - к маслу (жиру), т.е. образование межфазно­го адсорбционного слоя. Эластические и механические свойства этого слоя определяют стабильность мясных эмульсий и, как следствие, качество мясных изделий.

Одним из решающих технологических процессов, обуслов­ливающих высокую стабильность фаршевых эмульсий, является куттерование, которое условно делится на две фазы. Во время первой, базисной, частицы мяса быстро уменьшаются в размерах, их поверхностная площадь растет, свободная влага становится поверхностно связанной, давая рост новым структурам.

При обработке мяса на куттере в течение первых 1-2 мин преобладает механическое разрушение тканей, выход белков, их интенсивное набухание, взаимодействие между собой и водой с образованием белковой пространственной матрицы, внутри кото­рой находятся полуразрушенные мышечные волокна, фрагменты соединительной ткани и других морфологических элементов мя­са, жировые клетки. Конец этой фазы процесса характеризуется экстремальными значениями структурных и механических свойств (вязкость, предельное напряжение сдвига и др.).

Во второй фазе происходят коллоидные и химические из­менения всех компонентов мяса. Дальнейшая гомогенизация сы­рья приводит к диспергированию жира, уменьшению линейных размеров морфологических элементов эмульсии, перемешиванию компонентов фарша, что обеспечивает получение стабильной во-до-белково-жировой эмульсии с высокой липкостью.

Часто в технологии пищевых продуктов используют спо­собность систем к гелеобразованию (студнеобразование).

Перевод пищевых систем в гелеобразное состояние возможен различными способами, среди которых наиболее распространены три основных: нагрев или охлаждение жидкой системы (термотропные гели); изменение ионного состава системы, обычно в результате изменения рН или взаимодействия с ионами металлов (ионотропные гели), или концентрирование жидких растворов или дисперсных систем, содержащих гелеобразователь (лиотропные гели).

При последующем термическом воздействии в результате взаимодействия денатурирующих при нагревании белков возни­кает пространственный каркас – термотропный гель, прочность которого зависит от количества и степени взаимодействия миофибриллярных белков.

Желатин, как известно, является продуктом распада колла­гена при его термоденатурации (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Схема тепловой денатурации коллагена в желатин

ПЛАКАТ 13

 

Основной технологической характеристикой желатина яв­ляется его способность к образованию гелей. Гелеобразование желатина зависит от относительной молекулярной массы, состава и свойств жидкой среды.

Основными белками плазмы крови являются сывороточные альбумины, сывороточные глобулины и фибриноген. При гелеобразовании они играют немаловажную роль из-за структурных особенностей. Белки, содержащиеся в плазме, относятся к глобу­лярным, которые обладают свойством ограниченно обводняться без растворения. Для нативных глобулярных белков характерна способность образовывать монодисперсные водные растворы, в которых белок находится в виде частиц одинаковой молекуляр­ной массы, кратной некоторой элементарной величине (прибли­зительно 17 000). В воде полипептидные цепи глобулярных бел­ков свертываются таким образом, что гидрофобные (углеводо­родные) участки цепей, взаимно притягиваясь межмолекулярны­ми (Ван-дер-Ваальсовыми) силами, образуют внутреннее ядро глобулы. Цепь главных (пептидных) валентностей спирально располагается по поверхности; между отдельными витками цепи действуют силы водородных связей. Так образуется сетчатая структура, в которой немаловажное значение имеет образование водородных связей. При этом увеличивается вязкость системы.

Сетка пептидных связей и гидрофильные боковые цепи создают обращенную в жидкую сферу гидрофильную поверх­ность глобулы шарообразной, чаще эллипсовидной, иногда па­лочковидной формы. Способность глобулярных белков к взаимо­действию с влагой определяется величиной заряда на поверхно­сти глобулы и величиной удельной поверхности белковых час­тиц, то есть степенью дисперсности. Стабильность их в растворе зависит от двух взаимосвязанных факторов: гидратации и элек­трического заряда.

Для регулирования процессов гелеобразования используют различные подходы, чаще всего связанные с применением белков или полисахаридов различной концентрации, воздействием тем­пературы и рН, введением катионов и анионов солей и др. Струк­турированные системы в получении мясных продуктов весьма перспективны для расширения ассортимента, улучшения потре­бительских свойств продуктов.

 

 

 

ПЛАКАТ 1