Мясные эмульсии. Факторы, определяющие их стабильность

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:

миозинÞ актомиозинÞ саркоплазматические белкиÞ актин.

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.

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.