3. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ

Задачей данной работы является рассмотрение функциональных свойств мышц животных, которые имеют значение при выработке фаршевых мясопродуктов. Свойства, которые будут рассмотрены в данной работе включают в себя эмульгирующие свойства солерастворимых белков и способность мясного пигмента образовывать цвет, характеризующий мясопродукт.

Рассмотрим более подробно эмульгирование и цвет. Начнём с краткой характеристики структуры мышц, так как это необходимо при идентификации солерастворимых белков, которые играют наибольшую роль при производстве фаршевых мясопродуктов. Следующим этапом перейдём к рассмотрению структуры мясных эмульсий, после чего перейдём к сравнению жиро и влагосвязывающие свойства различных видов мяса. Укажем на основные принципы химии цвета свежего и солёного мяса, а также определим основные характеристики отдельных видов мышц.

Химизм цветообразования в солёном мясе, применительно к фаршевым мясопродуктам чрезвычайно сложен, и задачей данной работы является представить основные данные об этом процессе. Рассмотрим основные ключевые моменты.

Мышцы животного существуют в трёх видах. К ним относятся скелетные мышцы, гладкие мышцы и сердечные мышцы. Различные типы мышц различаются как по форме клеток, так и по выполняемым ими функциями в организме животного.

На гладкие мышцы возлогаются функции, которые обеспечивают внутренний физиологический баланс в организме животного. Сосредоточены они в основном в кишечнике, в кровеносных сосудах, и обычно их связывают с соединительной тканью. Сердечная мышца присуща только сердцу. Самый распространённый вид мышц в теле животного – скелетные. Именно они и имеют наибольшее значение при изготовлении фаршевых мясопродуктов. В живом организме данная группа мышц обеспечивает движение животного. Именно свойства белков этой группы мышц и будет рассмотрена в данной научной работе.

Попытаемся описать структуру скелетной мышечной ткани. Скелетная мышца представляет собой структуру, состоящую из огромного числа мышечных волокон. Отдельные волокна, в свою очередь, состоят из клеток. Около каждого мышечного волокна находится ядро клетки и митохондрии. Мышечное волокно состоит из многочисленных миофибрилл. Миофибрилы представляют собой чередование тёмных и светлых полос, и такой рисунок создаёт исчерченный вид скелетной мышцы при рассмотрении под световым микроскопом. Миофибрилы состоят из солерастворимых белков мяса и представляют собой молекулярный уровень мышцы. Каждая миофибрила состоит из нескольких солерастворимых белков. Единицы миофибрилы называются саркомерами. Преобладающими солерастворимыми белками в саркомере являются актин и миозин. Актин и миозин вместе называют миофиламентными солерастворимыми белками. При рассмотрении структуры под световым микроскопом увидим, что миозин представляет собой  толстые нити, а актин – тонкие. Из этих двух белков миозин является преобладающим.

Миозин составляет 55-60% солерастворимого белка в мышечной ткани, тогда как актин около 30%. Именно актин и миозин обуславливают сокращение мышц, когда эти два белка соединяются. Остальные составляющие клетку солерастворимые белки служат регуляторами сокращения мышц. Эти белки включают в себя тропомиозин, тропонин, альфа- и бета-актинин, М-протеин и С-протеин. Все молерастворимые белки участвуют либо непосредственно в сокращении мышц, либо являются регуляторами этого процесса.

Актин и миозин являются двумя основными белками, которые служат эмульгаторами в мясных эмульсиях. После смерти животного, актин и миозин соединяются вместе, образуя при этом белок актомиозин, и при этом начинается процесс посмертного окочинения. Из этого факта делаем вывод, что именно актин, миозин и актомиозин служат основными первичными эмульгаторами в мясных эмульсиях.

Кроме вышеперечисленных белков, в мышце присутствуют и другие белковые вещества. Сюда относятся саркоплазматические белки, которые являются водорастворимыми, а также фиброзные белки. Фиброзные белки – это коллаген, эластин и ретикулин. Эти белки являются частично солерастворимыми.

Количество актина и миозина неодинаково в различных мышцах, а также неодинаково в аналогичных мышцах разных животных. Количество актина и миозина в нежирной скелетной ткани млекопитающих достаточно постоянно. Однако, количество актина и миозина в любом данном отрубе мяса является, в основном, функцией анатомического расположения данной мышцы, содержания жира и содержания соединительной ткани. Исходя из этих данных, логично предположить, что разные отруба мяса обладают различными функциональными свойствами. Ниже рассмотрим  различие функциональных свойств актина и миозина в различных отрубах мяса.

Прежде чем переходить к рассмотрению содержания солерастворимого белка и жиро- и влагосвязывающей способности различных отрубов мяса, необходимо кратко остановиться на структуре мясных эмульсий и, в частности, определить роль солерастворимого белка.

Эмульгированные мясопродукты – это продукты, изготовленные посредством измельчения мяса и жира в присутствии воды и соли. Продукты являются различными, что зависит как от используемого сырья, специй, так и от методов технологической обработки. Чтобы перейти к рассмотрению эмульгированных мясопродуктов, необходимо вспомнить, что эмульсия – это две жидкости, диспергированные в коллоидном состоянии.

В мясной эмульсии белок и влага образуют матрицу, которая окружает жир. Основной фазой является вода, также её называют непрерывной фазой. Вторую фазу называют прерывистой. Она состоит из жира. Физические свойства мясной эмульсии настолько близко напоминают свойства истинной эмульсии, что обычно используется термин “мясная эмульсия”. Мясная эмульсия – это эмульсия жира в воде. Солерастворимый белок является компонентом, который стабилизирует мясную эмульсию.

Из практики известно, что некоторые отруба мяса обеспечивают получение лучших колбасных изделий, по сравнению с другими отрубами мяса. Это обуславливается тем, что содержание солерастворимого белка в различных отрубах мяса неодинаково. Также исследования показали, что единицы солерастворимого белка из различных отрубов мяса могут варьироваться по количеству жира, который они могут эмульгировать. Различия в функциональных  свойствах солерастворимого белка между отрубами мяса и между различными видами животных можно частично объяснить различиями в аминокислотном составе. Практическими опытами было доказано, что актин, миозин и актимиозин обладают различными эмульгирующими свойствами. Как говорилось выше, на функциональность того или иного мясного отруба может влиять количество соединительной ткани или количество жира, а эти показатели могут, в основном, быть функцией анатомического расположения мышцы.

На функциональные свойства отрубов мяса в эмульгированных мясопродуктах влияет такой фактор, как внутренние свойства мясных блоков. Успех изготовления стабильной мясной эмульсии также зависит от многих переменных факторов эмульсии – от образования её и измельчения, а также от процесса тепловой обработки. Прежде чем перейти к обсуждению переменных факторов технологической обработки и их влияния на качество мясных эмульсий,  необходимо вкратце остановиться на классической технологии мясопродуктов.

Для приготовления эмульгированного мясопродукта, необходими нежирные отруба мяса, лёд или воду, соль, специи и посолочные ингридиенты измельчить в течении нескольких минут в куттере. Основной целью этого первоначального измельчения – обеспечение экстрагирования достаточного количества солерастворимого белка, чтобы он образовал покрытие на всех жировых глобулах. Оптимальная температура экстракции солерастворимых белков лежит в пределах от 0 до 2°С. После достаточной экстракции добавляется жирное мясное сырьё, измельчение продолжается до стабилизации эмульсии и до достижения необходимой текстуры. Температура готовой продукции должна находиться в пределах от 10 до 18°С. При повышении температуры, её следует понижать добавлением льда. Свежеприготовленную эмульсию шприцуют в колбасные оболочки, которые затем подвергают тепловой обработке с целью коагуляции белка в прочную трёхразмерную сетку, фиксации цвета солёного мясопродукта и пастеризации продукта с целью увеличения срока его хранения. При этом стабильная эмульсия не должна содержать неэмульгированного жира или свободной влаги.

Мясные эмульсии обладают свойствами, чувствительными к  уровню солерастворимого белка и жира. Это объясняется тем, что существует предел содержания жира, который может эмульгировать белок. Слишком малое количество белка или чрезмерное содержание жира дадут нестабильную эмульсию, так как количества белка просто не хватит для образования покрытия на всех жировых глобулах. И наоборот, чрезмерное содержание белка или недостаток жира дадут получение чрезмерно стойкой эмульсии.

На стабильность эмульсии так же огромное влияние оказывает содержание соли. Многочисленные исследования говорят о том, что увеличение содержания соли улучшает связывание солерастворимых белков. Но этот эффект не является постоянным. В какой-то точке дополнительное количество соли уже не имеет эффекта.

Температура мяса также является чрезвычайно важным фактором. Температура мяса должна быть на уровне от 0 до 2 градусов Цельсия. По результатам исследований поступили данные что миозин и актомиозин исключительно теплостабильные белки, которые могут денатурировать прежде, чем начнётся эмульгирование, если мясо слишком тёплое. И напротив, если мясо заморожено, то при измельчении оно превратится в порошок, и в результате получим эмульсию низкого качества.

Нестабильная эмульсия может образоваться, если куттерование длится слишком долго или мало. Слишком кратковременное куттерование может не обеспечить адекватной экстракции белка и перемешивания, в то время, как при слишком длительном куттеровании мясные частицы слишком измельчаются, и потребуется слишком большое количество солерастворимых белков для их стабилизации.

Необходимо не забывать, что чрезвычайно длительное куттерование и высокая температура фарша взаимосвязаны.

Условия тепловой обработки имеют большое влияние на стабильность мясной эмульсии. Также, чем выше относительная влажность и температура, тем больше шансов получить нестабильную эмульсию.

Всеми перечисленными выше факторами было задачей сконцентрировать внимание на влаго- и жиросвязывающих свойствах солерастворимых белков. Главной задачей было продемонстрировать, что ряд переменных показателей обуславливают влаго- и жиросвязывающие свойства того или иного отруба. Эти переменные показатели включают в себя содержание солерастворимого белка  и различия в эмульгирующей способности белков в различных отрубах мяса. Жир и соединительная ткань также влияют на функциональные свойства. И на последок, способность солерастворимых белков стабилизировать мясные эмульсии в большой степени зависит от многих колебаний в процессе технологической обработки.

При рассмотрении данного вопроса нельзя пропустить такой момент как цвет мышц. Пигментом, ответственным за цвет мышц является миоглобин.  Рассмотрим подробнее химию миоглобина и механизм образования цвета, типичного для солёного мяса  в производстве варшевых мясопродуктах. Это довольно сложный вопрос, и охватить его во всех мельчайших деталях не имеет целью данная научная работа, мы лишь остановимся на основополагающих концепциях, на различии между красными и белыми мышечными волокнами с точки зрения цвета свежего мяса, а также рассмотрим некоторые переменные факторы технологической обработки, которые влияют на цвет, типичный для солёного мяса.

Миоглобин – это сопряжённый хромопротеин. Он состоит из белкового компонента и простетической группы, присоединённой к белковой части. Белковая часть молекулы гемоглобина называется глобином. Небелковая часть молекулы называется гемом. гемовая группа состоит из атома железа и серии из четырёх гетероциклических пирроловых колец, связанных метеновыми мостиками. Именно атом железа обеспечивает миоглобину его функциональные свойства в цвете мяса. Атом железа находится в такой позиции, где пары электронов могут теряться или возникать. Следовательно, миоглобин может соединяться с различными элементами.

Миоглобин является пигментом, который, главным образом, отвечает за красный цвет мышечной ткани. Содержание миоглобина в говядине колеблется от 0.4 до 1%. Гемоглобин может быть частично ответственным за цвет свежего мяса, но большая часть гемоглобина удаляется при обескровливании туши. Общий видимый оттенок мяса – это результат относительного содержания трёх видов миоглобина, которые присутствуют в ткани в данный момент. Это миоглобин, оксимиоглобин и метмиоглобин.

Восстановленный гемоглобин имеет несколько пурпурный оттенок. Гемовая часть молекулы имеет сходство с дикислородным бирадикалом. Когда на поверхность мышечной ткани воздействует воздух, миоглобин оксигенируется с образованием оксимиоглобина. Оксимеоглобин имеет желательный яркокрасный цвет. Если на миоглобин воздействует воздух, в течении длительного периода времени, или если мышцу нагревают, то может произойти окисление. Окисленная форма миоглобина называется метмиоглобином. Метмиоглобин имеет коричневый цвет. Это может быть желательным для вареных мясопродуктов, но нежелательно для свежего мяса.

В свежем мясе имеются коферменты, способные редуцировать метмиоглобин до миоглобина. До тех пор, пока происходит снабжение организма окисляемыми субстратами, преобладают желательные оттенки оксимиоглобина и миоглобина. При прекращении  поступления этих субстратов востановительный потенциал в мышце исчезает, и образование метмиоглобина происходит необратимо. Метмиоглобин может  восстанавливаться и под влиянием бактерий. Гемовые соединения с трёхвалентным жилезом, например метмиоглобин, также могут служить катализаторами в процессе окисления ненасыщенных липидов. Это есть нежелательный побочный эффект метмиоглобина.

Выше были названы пигменты, ответственные за цвет свежего мяса, теперь перейдём на химические процессы, влияющие на образование того или иного пигента. Относительное содержание оксимиоглобина, миоглобина и метмиоглобина контролируется двумя факторами: окислительным состоянием атома железа и готовностью молекулы, соединяющейся с миоглобином отдавать электроны. Атом железа в миоглобиновой молекуле может находиться  в двух окисленных состояниях – в двухвалентном и трёхвалентном. Двухвалентная форма характеризуется двумя положительными зарядами, а трёхвалентная форма – тремя. Пигменты, образующиеся при реакции атома железа в любой форме с различными элементами, могут квалифицироваться как ковалентные или ионные связи. Между ионными и ковалентными формами могут обнаруживаться промежуточные резонантные  формы миоглобина. Яркокрасные пигменты, которые являются желательными для свежего мяса, обычно ассоциируются с ковалентными связями. Оксимиоглобин – это пример двухвалентного ковалентного пигмента.

Выше мы говорили о миоглобине и его роли в определении цвета свежего мяса. Миоглобин является также источником цвета солёного мяса в производстве фаршевых мясопродуктов. Фаршевые мясопродукты характеризуются красновато-розовым цветом.

Механизмы образования цвета солёного мяса очень сложны. Цвет солёного мяса может образовываться лишь в том случае, когда в систему вводится окись азота в виде нитритной соли, например нитрита натрия или нитрита калия. Окись азота нельзя добавлять непосредственно, так как это опасный токсичный газ, и с ним трудно работать.

Несколько выше мы говорили о готовности доноров электронов соединяться с атомами железа в миоглобиновой молекуле. Вспомним также, что хорошие доноры электронов обычно образуют ковалентные связи, ассоциируемые с желательным красным цветом мяса. Окись азота чрезвычайно реактивна и является хорошим донором электронов. Именно окись азота вступает в реакцию с миоглобином при посоле. Неизвестно наверняка, каково оптимальное количество молей нитрита и молей миоглобина. Одной из причин этого является то, что трудно количественно определить превращение иона нитрита в окись азота.

Нитрат натрия тоже можно добавлять в мясопродукты как источник окиси азота. Однако, чтобы нитрат натрия был эффективным, его сначала нужно превратить в нитрит. Превращение это длительный и долгий процесс, следовательно, в фаршевых мясопродуктах, например в эмульгированных мясопродуктах, которые проходят быстрый технологический цикл, нитрат натрия является неэффективным ингредиентом с точки зрения образования цвета, типичного для солёных мясопродуктов.

Следует отметить, что гемоглобин, т.е. молекула, содержащая железо и обнаруживаемая в крови, претерпевает те же самые реакции посола что и миоглобин, однако после обескровливания на убойной линии содержание гемоглобина в мышцах является низким.

В колбасном производстве мясо обычно измельчают в течении небольшого периода времени прежде, чем ввести посолочные ингредиенты. Такая обработка делает большую часть пигмента доступной для воздействия кислорода. Следовательно, пигментом, который преобладает в момент первичного контакта с посолочными ингредиентами является миоглобин.

Первой реакцией может быть окисление оксимиоглобина до метмиоглобина. На это указывает серый или коричневый цвет колбасного фарша непосредственно после введения посолочной смеси.

После равномерного диспергирования посолочных ингредиентов  в массе фарша и после тепловой обработки продукта образуется стабильный розовый свет. Соединением, ответственным за цвет солёного мяса является нитрозил гемохром.

Чтобы добиться равномерного и полного образовани цвета солёного мяса во всей массе продукта, часто бывает необходимо выдержать продукт перед тепловой обработкой. Этот метод является эффективным.

Однако, время зачастую является критическим моментом в промышленных условиях, где стремление сократить время технологической обработки один из главных составляющих факторов производства. Такого сокращения времени можно добиться, используя в технологическом процессе ускорителей посола. Примерами таких ускорителей могут быть аскорбинат и эриторбат натрия. Мясные продукты, в которых было добавление ускорителей посола можно сразу направлять на тепловую обработку. Цвет, типичный для солёного мяса таких продуктов будет равномерным, а в некоторых случаях даже происходят улучшения.

Существует  теория, объясняющая работу ускорителей посола. Первая основана на том, что аскорбиновая кислота может восстанавливать метмиоглобин до миоглобина. Общий эффект этого изменения проявляется в ускорении реакции посола. В некоторых условиях аскорбиновая кислота и нитрит натрия могут реагировать друг с другом. В результате может образоваться повышенное количество окиси азота по сравнению с обычной практикой, и, следовательно, процесс образования цвета, типичного для солёного мяса, происходит эффективнее.

Несколько выше говорилось о том, что мясные волокна из которых состоят мышцы, делятся на белые и красные. Здесь уместно отметить, что белые волокна содержат меньше миоглобина чем красные. От функции той или иной мышцы в живом организме зависит количество красных и белых волокон. В постоянно активных мышцах, которые функционируют, обеспечивая активность животного, преобладают красные волокна, потому что они характеризуются медленным сокращением. Быстро сокращающиеся мышцы, функционирующие при кратковременной активности, состоят в основном из белых волокон.

На конечный цвет мясного продукта может влиять pH  эмульсии, pH неодинаков для различных эмульгированных мясопродуктов. Обычно он лежит в диапазоне от 6.0 до 6.2. Чем выше pH эмульсии, тем слабее процесс цветообразования. Реакции посола замедляются при высоких значениях pH. Образование цвета, типичного для солёного мяса задерживается при низких температурах, но ускоряется во время тепловой обработки. Тепловая обработка эмульсии до температуры внутри продукта 71°С обычно является достаточной для коагуляции мясных белков и гарантии образования цвета солёного мяса по всей массе продукта.

На этом мы заканчиваем рассмотрение вопросов, связанных с функциональными свойствами белков скелетного мяса. Целью раюоты было продемонстрировать, каким образом скелетные мышцы выполняют функции стабилизации и обеспечения цвета мясных эмульсий. Было также опказано, что эти функции находятся также в сильной зависимости от внутренних колебаний мышц.