автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии реструктурированных полуфабрикатов из малоценного мясного сырья с использованием фермента трансглутаминазы

На правах рукописи

Доморацкий Сергей Сергеевич

Разработка технологи» реструктурированных полуфабрикатов из малоценного мясного сырья с использованием фермента трансглутамнназы

Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 ' !:0Я ¿т

005538214

Санкт-Петербург 2013

005538214

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ишевский Александр Леонидович

Официальные оппоненты: Цветков Олег Борисович

доктор технических наук, профессор

СПбНИУ ИТМО, зав. кафедрой теоретических

основ тепло- и хладотехники;

Марченко Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент

СПбГАУ, доцент кафедры технологий хранения и

переработки сельскохозяйственной продукции

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный торгово-экономический университет»

Защита состоится _декабря 2013г. в 14 часов на заседании

диссертационного Совета Д 212227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9. Тел./факс (812)3153015.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 30 » л_ 2013г.

Учёный секретарь диссертационного Совета

Колодязная Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. На мясоперерабатывающих предприятиях_после обвалки мясной туши на костях остаётся более 5% мышечной ткани. В результате дообвалки формируется мясная обрезь - тримминг, который используется при производстве рубленых полуфабрикатов и вареных колбас. Рациональное использование мясного сырья, в том числе малоценного, имеет важное значение, так как позволит получить продукты повышенной пищевой и биологической ценности за счёт применения различных ингредиентов и ферментных препаратов. Основные направления в переработке мясного сырья связаны с повышением функционально-технологических свойств с помощью применения ферментных препаратов и биологически активных веществ.

Лидирующее положение на рынке ферментных препаратов занимает компания «A.TINOMOTO», представляющая линейку ферментных препаратов «ACTIVA». Для производства реструктурированных полуфабрикатов компанией разработан ферментный препарат актива ЕБ, активной частью которой является фермент трансглутаминаза. В настоящее время известна технология получения реструктурированных полуфабрикатов с использованием сырья мясного и рыбного происхождения и фермента трансглутаминаза. Существенными недостатками технологии являются длительность процесса ферментации и значительные энергозатраты, связанные с необходимостью поддержания низких положительных температур.

В настоящее время отсутствует научная информация о применении ферментного препарата трансглутаминаза в технологии полуфабрикатов из свиного тримминга, о влиянии технических и технологических параметров на структурно-механические свойства, функционально-технологические свойства и показатели качества исходного сырья и готовых изделий.

Исследование, посвященное обоснованию технологических параметров ферментируемого свиного тримминга, созданию полуфабриката и готового изделия, а так же повышению биологической ценности, является актуальным и имеет социально-экономическое значение.

Цель исследования - разработать технологию реструктурированных полуфабрикатов из малоценного свиного тримминга с применением трансглутаминазы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Определить оптимальную концентрацию фермента трансглутаминаза, необходимую для достижения требуемых прочностных характеристик реструктурированного полуфабриката;

• Исследовать прочностные характеристики образцов мышечная ткань-мышечная ткань, мышечная ткань - жировая ткань, жировая ткань -жировая ткань при различных температурах ферментации;

• Исследовать микробиологические характеристики реструктурированного полуфабриката, полученного в различных диапазонах температур ферментации и рН сырья;

• Составить уравнение для расчета конечного количества микроорганизмов в ферментированном продукте;

• Разработать технологию реструктурированного полуфабриката с применением трансглутаминазы.

• Разработать техническую документацию для производства реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга 50 с применением фермента трансглутаминаза.

Научная новизна работы.

Разработана энергосберегающая технология реструктурированных

полуфабрикатов из свиного тримминга.

Установлены свойства сырья, готового продукта, технологические характеристики процесса ферментации и закономерности их изменений в зависимости от свойств сырья и концентрации фермента.

Выявлены кинетические закономерности роста микроорганизмов в сырье и готовом продукте в зависимости от технологических режимов ферментации. Предложена математическая модель определения прочностных характеристик реструктурированного продукта в зависимости от свойств ферментируемого сырья.

Получено уравнение расчёта общей обсеменённости сырья и продукта в зависимости от температуры ферментации и начальной обсеменённости сырья. Выбран оптимальный технологический режим ферментации свиного тримминга.

Практическая_значимость_работы. Разработана технология

реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга с применением трансглутаминазы в диапазоне температур 12 - 20°С, и времени ферментации 78 ч.

Технология апробирована в производственных условиях и внедрена на ООО «Русская Еда» и ООО «Династия», г. Санкт-Петербург.

Новизна метода расчёта конечного количества микроорганизмов в ферментированном продукте подтверждена патентом на изобретение №2476086. Основные положения, выносимые на защиту.

• Технология ферментации мясного тримминга трансглутаминазой с получением реструктурированного полуфабриката.

• Температура ферментации +18 (+20)°С уменьшающая время ферментации в 3 раза, что приводит к уменьшению энергозатрат.

• Методы исследования прочностных характеристик продукта в зависимости от температуры и времени процесса.

• Методы исследования динамики роста микроорганизмов в сферментированном продукте в зависимости от температуры и времени процесса.

• Физико-математическая модель и расчётные соотношения определения роста микроорганизмов при ферментации продукта в условиях изменяющейся температуры.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского

государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, 2008-2012гг.; на Международном форуме "Безопасность продовольствия России", СПб, 2009г.; на IV Международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке", СПб, 2009г; на IV INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE "МЕАТ IN TECHNOLOGY AND HUMAN NUTRITION", 2010г.; на Петербургском форуме «Ситуация на продовольственном рынке Санкт-Петербурга и решение актуальных проблем агропромышленного комплекса региона в современных экономических

условиях», (в рамках международной выставки «Агрорусь»), Санкт-Петербург, 2010г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые добавки и современные технологии переработки сельскохозяйственного сырья», СПб, 2011г.; на IX Петербургском продовольственном форуме "Торговля большого города" и "Ассамблея Директоров Санкт-Петербурга" (в рамках международной выставки «Петерфуд»), 2008-2011г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста и содержит 23 таблицы, 24 рисунка и 9 приложений. Список литературы включает 116 наименований, из них 25 зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены основные направления работы, сформулированы ее научная новизна и практическая значимость.

В обзоре научной и патентной информации на основании анализа научных работ отечественных и зарубежных учёных рассмотрены проблемы переработки вторичных биоресурсов, изложены современные представления о способах реструктурирования, влияние стругаурообразователей и ферментов на реологические свойства готового продукта. В ряде работ отмечается, что применение фермента трансглутаминаза (ТТЛ) может позволить получать реструктурированные мясные полуфабрикаты с высокими потребительскими характеристиками и оптимальным соотношением показателя цена - качество. Известные технологии ферментативного реструктурирования требуют низких положительных температур и длительного времени ферментации. Определена перспективность разработки технологии с ферментативной реструктуризацией при повышенных положительных температурах, позволяющей снизить время процесса ферментации и затраты на холод, снижающей себестоимость готового продукта. На основании проведенного обзора научной литературы, сформулированы цель и задачи исследования.

Теоретическое обоснование применения ТТЛ для производства реструктурированных мясных полуфабрикатов Для производства реструктурированных мясных полуфабрикатов компанией «Аджиномото» разработан ферментный препарат «Актива ЕВ», содержащий 1% фермента ТГЛ. Активность фермента равна 100 м.е., при температуре хранения -5° - -10°С с момента открытия упаковки в течение 2 мес. Соединение отдельных фрагментов тримминга в монолитный реструктурированный полуфабрикат происходит за счет ферментативной реакции с участием ТГЛ между аминокислотными остатками лизина и глутамина мясных белков, с образованием межмолекулярной ковалентной связи. Таким образом, в сферментированном продукте образуется устойчивая белковая сеть, определяющая его стабильную структуру, в том числе и на различных этапах технологического процесса. Производитель рекомендует проводить ферментацию отдельных кусков тримминга при температурах 3-5°С. Такой процесс протекает в течение 22 - 26 ч., и требует значительных затрат на холод. Повышение температуры процесса ферментации могло бы существенно уменьшить время процесса, снижая эти затраты.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны: свиной тримминг 50; ферментный препарат (ФП) «Актива ЕВ» на основе фермента ТГЛ, производства «АЛКОМОТО»; ферментированные изделия; готовая продукция после термической обработки и осадки.

Для оценки возможности проведения ферментативной реакции в мышечной и жировой тканях сырья определяли содержание лизина и глутамина. Измерения производились на аминокислотном анализаторе ААА-835. Для оценки технологических параметров процесса ферментации, по стандартным методикам, параллельно определялись показатели рН, ВУС сырья. Органолептические показатели (ОП) сырья, полуфабрикатов и готовой продукции проводили стандартными органолептическими методами с использованием пятибалльных шкал.

Подбор концентраций рабочих растворов ТГЛ проводился с пересчётом количества вносимого ферментного препарата «АКТИВА ЕВ» на чистый фермент, исходное содержание которого составляет 1%. Ферментация свиного тримминга проводилась при различных температурах ферментации для всех вероятностных сочетаний: мышечная ткань - мышечная ткань, мышечная ткань — жировая ткань и жировая ткань - жировая ткань. В течение процесса ферментации с интервалом в два часа определялись значения усилия склейки. Исследования производились на экспериментальной установке, представленной на рис.1. Путём сравнения полученных значений усилия склейки

экспериментальных образцов со значениями эталонных

.--?--».7 ] цельномышечных изделий были

у] установлены рекомендуемые

1 значения усилия склейки и,

рекомендовано время ферментации _ при заданных температурных

Г~: 7~ 1 ' . ....... ! ' Т УСЛОВИЯХ.

1- станина

2,3- дюралевые платформы 4,5- безмены

Рисунок 1- Схема экспериментальной установки для определения значений усилия на разрыв.

Используя методы статистической обработки результатов эксперимента, был произведен расчет ожидаемого усилия на разрыв в гетерогенном продукте. Сравнение прочности склейки свиного тримминга при разных температурах ферментации показало сходимость экспериментальных и расчётных данных в пределах 12-15%.

Динамика роста микроорганизмов в ферментированном продукте проводилась по стандартным методикам.

Все исследования проводили в 3-5 кратной повторности, данные оценивали методами математической статистики с привлечением современных программных средств. Расчеты и построение графиков осуществляли с помощью приложений Microsoft Word и Excel для Windows VISTA.

Исследование усилия склейки в образцах свиного тримминга.

Экспериментальные исследования проводились с учетом величин рН сырья, поступающего на производство, в диапазоне значений рН 6,3 - 6,5.

время ферментации, т час

Рисунок 2 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при Ц=4-6 С в мясном тримминге при С = 0,3 г (0,1%). 1 — мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань; 3 - жировая ткань - жировая ткакь.

1 ! ...... -Шг 1 --

! 2 ■

—" с 1

3_!

—■ ,—

8 10 12 14 16 впемя сЬеоментаиии. Т нас

18

20 22

24

Рисунок 3 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при Гф=4-6°С в мясном тримминге при С = 0,36 г (0,12%). 1 - мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань; 3 - жировая ткань - жировая ткань.

О 2 4 6 8 10 12 14 16 время ферментации, т час

Рисунок 4 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при 1ф=4-6°С в мясном тримминге при С = 0,4 г (0,13%). 1 - мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань;

3 - жировая ткань - жировая ткань.

На рис.2,3,4. представлены зависимости прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации и концентраций ферментного препарата «АКТИВА ЕВ» (С), пересчитанных на чистый энзим, при температуре ферментации 4 - 6°С.

Из представленных зависимостей видно, что лучшие прочностные характеристики при ферментации сырья получаются для сочетаний мышечная ткань - мышечная ткань и мышечная ткань - жировая ткань при концентрации чистого фермента 0,12%. При дальнейшем увеличении концентрации фермента существенного улучшения прочностных характеристик не наблюдается. Наихудшие результаты склейки были получены для сочетания жировая ткань -жировая ткань, что объясняется более высоким содержанием лизина и глутамина в мышечной ткани по сравнению с жировой. Для данных условий, время процесса ферментации составляет 18-20 часов. При этом, максимальное значение усилия склейки, составляет 7000 - 7500 Н/м2, при расчетных значениях 5000-5800 Н/м2.

6000 ¿5000 "Ь 4000

3000 ■¡2000

= 1000

1___

•----- 3 .....-.............-

Х----""'""

6 7 8 9

время ферментации, т час

Рисунок 5 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при 1ф=18-200С в мясном тримминге при С = 0,3 г (0,1%). 1 - мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань; 3 - жировая ткань - жировая ткань.

9000 ¿8000

-Г 7000

о

"16000 5000 4 4000 ^ 3000 12060 ¿1000

- ""....... Т-'"----- ......... - ■■ ■ 1

- - ...........

'"чШ |

^------

!

\

-----Г _____ ______—...... 3

!

5 6 7 8 9

время ферментации, т час

10 11

12

Рисунок 6 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при 1ф=18-20 С в мяском тримминге при С = 0,36 г (0,12%). 1 - мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань; 3 - жировая ткань - жировая ткань.

юооо "г эооо »8000 = 7000 £0000 5000 §4000

и 3000

о

= 2003 »1000 о

........1 •.........—

СНГ" 2

;

; 3

— в_____ .— —-

. _________|..... I • Т^

1........... —-г:::/-" . ...... -------- ...........1........и.........

5 6 7 8

■время ферментации, т час

11

12

Рисунок 7 - Зависимость прикладываемого усилия на разрыв от времени ферментации при 1ф=! 8-20°С в мясном тримминге при С = 0,4 г (0,13%). 1 - мышечная ткань - мышечная ткань; 2 - мышечная ткань - жировая ткань;

3 — жировая ткаиь - жировая ткань.

Для определения возможности ускорения, были проведены экспериментальные исследования процесса ферментации при температурах 18-20°С и 32-3 5°С. Результаты обработки экспериментальных данных представлены на рис.5-7.

Из представленных зависимостей видно, что внесение равных количеств фермента при температуре 18-20°С позволяет сократить время ферментации до 7-8 ч., по сравнению с температурами ферментации 4-6°С. Повышение температуры ферментации до 32-35°С позволяет уменьшить время процесса до 6-7 ч., значительно увеличивая энергетические затраты на технологические нужды. Кроме того, повышение температуры ферментации до 32-35°С ускоряет развитие микрофлоры.

На основании положения теории вероятности, был произведен расчет ожидаемого усилия на разрыв в гетерогенном продукте. Расчёт производился по формуле (1). В системах мышечная ткань - мышечная ткань и жировая ткань - жировая ткань возможно равновероятное соприкосновение обоих

компонентов, следовательно, коэффициент вероятности равен '/4, а в системах мышечная ткань - жировая ткань и жировая ткань - мышечная ткань вероятность соприкосновения выше в 2 раза, следовательно, коэффициент вероятности равен 1А.

у = —У, + 1у2 + -У3( 1) 4 2 4 •

где У - усилие разрыва готового продукта. У] - усилие разрыва соответствующего образца мышечная ткань - мышечная ткань. У 2 - усилие разрыва соответствующего образца мышечная ткань - жировая ткань, жировая ткань - мышечная ткань - мышечная ткань. У3 - усилие разрыва соответствующего образца жировая ткань - жировая ткань.

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики расчетных и экспериментальных данных по величинам прочности склеивания свиного тримминга 50.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика расчётных и экспериментальных данных прочности склейки свиного тримминга

Температура ферментации Экспериментальные данные, Н/м2 Расчётные данные, Н/м2 Время ферментации, ч.

4-6°С 4950 ±600 5100 ±600 18-20

18-20°С 5200 ±600 5100 ±600 7-8

32-35°С 5300 ±650 5100 ±600 6-7

Из табл. 1 видно, что отклонения расчетных и экспериментальных величин составляет 12%.

Исследование развития микрофлоры в сферментированном продукте

Для сокращения времени ферментации и уменьшения энергетических затрат, предлагается производить склеивание тримминга при температурах 18-20°С. Для предлагаемого технологического решения, необходимо исследовать процесс микробиальной обсемененности и определить время достижения её предельных значений.

На рис.8-10 представлены зависимости величин общей обсемененности продукта от температур и времени процесса ферментации при значениях рН сырья 6,5. На рисунках точками отмечено время достижения необходимого усилия склейки, при разрешенных величинах микробиальной обсемененности.

и

и х а О

V

1;

/

! /

/

!

/

— — — — —

0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

т, час

Рисунок 8 - Зависимость изменения количества санитарно-показательных микроорганизмов от времени процесса ферментации сырья (рН=6,5), и - 12°С и Ск - 5"С.

о 5

гн

& *

о

2 3 г

10 11

т, час

Рисунок 9 - Зависимость изменения количества санитарно-показательных микроорганизмов от времени процесса ферментации сырья (рН=6,5), 1„ - 12°С и ^ - 18-20°С.

20 18 16 Ъ 14

г-1 ¿12 Ы

О 10 «

б 4 2

О -

------------ -------- ;

---------

/

1

1 1 ф-'

1

___- ------ ! ! 1 ■

Рисунок 10 - Зависимость

5 е ; т, час

изменения

ю

и

количества санитарно-показательных микроорганизмов от времени процесса ферментации сырья (рН=6,5), 1Н ■

12°С и 1К-~32-35°С.

Из представленных зависимостей видно, что для времени ферментации с рекомендованной величиной усилия склейки, количество микроорганизмов в ферментированном продукте, соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.10 78-01., при температурах ферментации 18-20 С и 32-35°С. С учетом уменьшения энергозатрат и времени ферментации примерно в 3 раза, в качестве рекомендуемой выбрана температура ферментации 18-20°С.

Расчётное соотношение для определения числа микроорганизмов в сферментированном продукте

Для промышленного использования ферментации при температурах 18-20°С и 32-35°С является общая обсеменённость продукта за время в течение которого формируется заданное усилие разрыва, а температура поверхности ферментируемого сырья достигнет значения температуры ниже/выше 0,5°С, по сравнению с температурой охлаждающей/нагревающей окружающей среды. Чем выше температура окружающей среды, тем выше скорость роста микрофлоры, но уменьшается время достижения заданной температуры центра склеиваемого продукта. В логарифмической фазе роста процесс развития микроорганизмов описывается уравнением реакции первого порядка:

сШ=к*1\[*с1т. (1)

Из литературных источников известно, что коэффициент К пропорционален температуре в первой степени. Следовательно, можно определить влияние температуры на время процесса, если представить К как К=А*Т (2),

где, А - некоторая постоянная константа; Т - температура ферментации.

Разделив переменные уравнения (1) с учётом соотношения (2) можно получить следующую зависимость (3).

— = лтат (3) N

С помощью уравнения теории регулярного теплового режима (4) получаем зависимость, позволяющую определить значение текущей температуры на поверхности продукта.

Т = Тк+ Ап*(Т„-Тк)*е"тг (4)

Подставив уравнение (4) в уравнение (3) и проинтегрировав, получаем уравнение (5).

А,(Тн-Тк){с-

-т т

-1)] (5)

Значение коэффициента А найдено из соотношения (6).

N

Ьп

А =

N.

Тк*т - — ~—Н-1-к)-*(е~т г -

1)

(6)

Подставив уравнение (6) в уравнение (5) получаем формулу для расчёта конечного числа микроорганизмов в сферментированном продукте (7).

^К0ехр + (7)

1 ', где

N - конечное число микроорганизмов, (КОЕ); ]\т0 — начальная микробиальная

обсеменённость продукта, (КОЕ); Т„ - начальная температура мяса, °С; Тк -

конечная температура мяса, °С; Тп - температура поверхности продукта; к -

константа, пропорциональная температуре в первой степени; 1г - температура

охлаждающей/греющей среды; т - темп охлаждения, с'1; т - время

ферментации; А„ - коэффициент, зависящий как от численного значения

критерия Био, так и от координаты точки тела; А - постоянная константа,

которая зависит от вида микрофлоры и кислотности среды;

Значения N расчётные, N0 экспериментальные. Из рис. 8-10 видно, что погрешность между расчётными и экспериментальными значениями составляет в среднем 12%.

На основании проведённых исследований разработана технология реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга, включающая ферментацию сырья с применением фермента трансглутаминаза при температуре 18-20°С. В промышленных условиях изготовлена их опытная партия. Пищевая и биологическая ценность приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Пищевая и биологическая ценность

Наименование Белки,% Жиры,% эц, ккал Микроэлементы, мг Витамины, мг

Полуфабрикат « Ветчина » 11,5 39,5 403 V» К Са мг Р Ге Си Мп И Е в»

1180 250 9 18 170 0,8 | 0,1 2,1 0,01 0,008 0,08 0,42

На рис. 11 представлена технологическая схема по производству реструктурированных полуфабрикатов.

Рисунок 11 - Технологическая схема производства реструктурированного полуфабриката из свиного тримминга 50 с применением трансглутаминазы.

Выводы

1. Разработана технология реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга 50, при температуре 18-20°С и времени ферментации 7-8 часов с требуемыми прочностными характеристиками готового продукта;

2. Определены рациональные концентрации фермента, необходимые для достижения требуемых прочностных характеристик реструктурированного полуфабриката;

3. Определены технологические характеристики и закономерности изменений процесса ферментации при достижении оптимальных значений прочностных характеристик образцов мышечная ткань - мышечная ткань, мышечная ткань - жировая ткань, жировая ткань - жировая ткань в диапазоне температур ферментации от 12 до 5°С, 12 до 20°С, 12 до 35°С, в зависимости от свойств сырья и концентрации фермента.

4. Доказано, что наилучшие значения усилия склейки достигаются в процессе достижения температуры ферментации в диапазоне от 12 до 20°С в течение 7-8 ч, при рекомендуемом значении усилия склейки - 5000 - 5800 Н/м2;

5. Доказано, что при ферментации в диапазоне температур 12-20°С и 12-35°С с рекомендуемым значением усилия склейки общая микробиальная обссменённость соответствует требованиям С-анПиН 2.3.2.10 78-01;

6. Получено аналитическое уравнение расчета микрофлоры в конечном продукте в зависимости от начальной обсеменённости сырья и температуры ферментации, с корреляцией расчётных и экспериментальных данных не более 12%;

7. Доказано, что нормам СанПиН 2.3.2.10 78-01 наиболее соответствует режим ферментации сырья, при температурах и времени ферментации соответственно 12-20°С и 7-8 часов;

8. Разработаны проекты технической документации (ТУ и ТИ) по производству реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга 50;

9. Разработанная технология апробирована в промышленных условиях ООО «Династия» и ООО «Русская еда».

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Ишевский А.Л., Доморацкий С.С., Родионова А.Л. Производство натуральных полуфабрикатов из мясной обрези// Мясные технологии, 2009, №3 - С.58-59.

2. Ишевский А.Л., Доморацкий С.С. Развитие мясного рынка России в условиях глобального продовольственного кризиса'/ Мясные технологии, 2009, №11 - С.52-55.

3. Ишевский А.Л., Доморацкий С.С., Гришина И.В. Технология производства натуральных полуфабрикатов из мясной обрези: Сборник материалов Петербургского форума «Ситуация на продовольственном рынке Санкт-Петербурга и решение актуальных проблем агропромышленного комплекса региона в современных условиях», (в рамках международной выставки «Агрорусь»), Санкт-Петербург, 2010. - С.56-60.

4. Ишевский A.JT., Гришина И.В., Доморацкий С.С. Устройства для определения структурно-механических характеристик мясных продуктов// Мясные технологии, 2010, № 12 - С. 41 -43.

5. Куцакова В.Е., Москвичёва Е.В., Сеничев Д.А., Доморацкий С.С. Производство паштетов с использованием нетрадиционного и малоценного сырья// Производственный практикум, Мясной ряд, 2010, №2 — С. 60-62.

6. Alexander Shleikin, Nikolai Danilov, Andrei Gorbatovski, Alexander Ishevski, Sergei Domoracki. Use of binding enzymes in food treatment for technological and functional purposes.// MEAT IN TECHNOLOGY AND HUMAN NUTRITION, Poznan - Rosnowko, 2010.

7. Ишевский A.JI., Гришина И.В., Доморацкий С.С. Экспресс-оценка сроков хранения пищевых продуктов// Мясные технологии, 2011, №2 - С.28-30.

8. Ишевский A.JI., Доморацкий С.С., Гришина И.В. Технология производства натуральных полуфабрикатов из мяса и рыбы с использованием энзимов: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые добавки и современные технологии переработки сельскохозяйственного сырья». - СПб: ВНИИПК 2011. С. 153-155.

9. Куцакова В.Е., Доморацкий С.С., Фролов C.B. Производство реструктурированных полуфабрикатов с использованием фермента трансглутаминаза// Известия вузов, Пищевая технология, 2011, №5-6 - С. 2627.

10. Куцакова В.Е., Доморацкий С .С., Ишевский A.JI. Влияние различных температур ферментации на получение реструктурированных полуфабрикатов «эконом-класса» с применением трансглутаминазы. [электронный ресурс] Электронный научный журнал. «Процессы и аппараты пищевых производств» СПбГУНиПТ, 2011, №2.

11. Куцакова В.Е., Доморацкий С.С. Разработка методики расчёта прочности продукта, полученного путём внесения энзима трансглутаминазы при различных температурах ферментации. [электронный ресурс] Электронный научный журнал. «Процессы и аппараты пищевых производств» СПбГУНиПТ, 2011, №2.

12. Патент РФ №2476086, Российская Федерация, (51) МПК A23L 1/00, A23L 1/314, G01N 33/12. Способ получения мясного полуфабриката из тримминга / Доморацкий С.С., Куцакова В.Е; заявка: 2011127022/13, опубл. 27.02.2013.

Подписано в печать Ок {0. ¿г?/./.Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л.Печ.л.1.0. Тираж ¡Р£? экз. Заказ № / НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХи БТ. 191002, Санкт-Петербург, ул.ЛомоносоваД

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Санкт-Петербургский Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики Институт холода и биотехнологий

Разработка технологии реструктурированных полуфабрикатов из малоценного мясного сырья с использованием фермента

трансглутаминаза

Специальности 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных

продуктов и холодильных производств

На правах рукописи

04201364355

Доморацкий Сергей Сергеевич

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ишевский А.Л.

Санкт - Петербург

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9

1.1. Проблемы использования вторичных биоресурсов в мясоперерабатывающей промышленности 9

1.2. Современное состояние технологий структурированных пищевых продуктов 10

1.3. Характеристика сырья 15

1.4. Тримминг. Направления использования * 23

1.5. Ферменты 23

1.6. Трансглутаминаза 32

1.7. Свойства трансглутаминазы 38

1.8. Ферментные препараты на основе1 ТГЛ 43

1.9. Микробиология мяса 44

1.9.1. Общая характеристика пищевых заболеваний 46

1.9.2. Профилактика пищевых отравлений 47

1.9.3. Количественный и качественный состав микрофлоры мяса 48

1.9.4. Микрофлора охлаждённого'гйяса 1 48

1.9.5. Микрофлора замороженного мяса 50

1.9.6. Микрофлора мясных полуфабрикатов 53

1.9.7. Общие принципы микробиологического контроля 55

1.10. Теория регулярного теплового режима 5 8

2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ' ! 61

2.1. Схема проведения эксперимента 61

2.2. Объекты исследования 62

2.3. Экспериментальные методы и методики исследований 64

2.3.1. Определение прочности «склеивания» свиного тримминга 64

2.3.2. Определение микробиологических показателей 69

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 71

3.1. Результаты исследований усилия на разрыв при различных температурах ферментации 71

3.2. Изменение физико-химических и функционально-технологических свойств свиного тримминга при внесении ферментного

препарата Activa ЕВ 83

3.3. Исследование динамики развития микроорганизмов в процессе ферментации 85

3.4. Вывод формулы для расчёта конечного числа микроорганизмов в сферментированном продукте 102

ВЫВОДЫ ■■ ' 106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 107

ПРИЛОЖЕНИЕ 120

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы во многих развивающихся странах наблюдается дефицит потребления животного белка. Животный белок, а именно мясо, содержит полноценный состав незаменимых аминокислот и минеральных веществ, необходимых человеческому организму для нормального функционирования и развития [22, 25, 35, 64].

Ограниченность сырьевых ресурсов, и недостаточная для растущей численности социума продуктивность животноводства определяют большой дефицит и стоимость мясных продуктов, поэтому изделия из высших сортов мяса будут находиться в сегменте «премиум-класса», а основная линейка продуктов мясопереработки с доступным соотношением «цена-качество» будет производиться либо за счёт ' применения функционально-технологических добавок, модифицирующих свойства сырья и регулирующих качественные характеристики готовых продуктов, либо за счёт повышения глубины переработки белоксодержащего'сырья. 'Также возможно расширение области использования ферментов в переработке мясного сырья и его отходов и применение в производстве мясопродуктов коллагенсодержащего сырья [22, 35,62].

Основные тенденции в; 'разработке. ингредиентов направлены на исследование добавок, позволяющих повысить функционально-технологические свойства вносимого низкосортного сырья, увеличить выход готового продукта, придать' привлекательный товарный вид и т.п. Применяемые в настоящее время Технологии, позволяют заменить часть дорогого сырья на более 'дешёвое. Разумеется, при этом снижаются потребительские и качественные характеристики готового продукта, но параллельно уменьшается и цена, ■ что позволяет потреблять данный продукт широкому кругу населения, ограниченному в денежных средствах. В регионах с минимальным прожиточным1 минимумом продуктовая корзина формируется либо за счёт собственного хозяйства, либо за счёт нижнего сегмента ассортимента, поэтому возникает потребность в технологиях, позволяющих

минимизировать потери качественного сырья при производстве мясопродуктов [35, 66,67].

Известно, что после обвалки мясной туши на костях остаётся порядка 5% мышечной ткани. В результате дообвалки формируется обрезь, именуемая триммингом, которая используется при производстве рубленных полуфабрикатов и варёных колбас. В настоящее время существует технология производства реструктурированных полуфабрикатов из тримминга, основанная на применении фермента трансглутаминаза. При этом температура ферментации мясного тримминга составляет 4-6°С. Существенный вклад в исследование теоретических основ и практических аспектов производства реструктурированных полуфабрикатов внесли Nonaka, М., Tanaka, Н., Okiyama, A., Motoki, М., Ando, Н., Umeda, К., Matsuura, А., Т. Ohtsuka, A. Sawa, R. Kawabata, N. Nio, Н.В. Мотина, Н.В.'Нефедова, Н.Г. Смирнова, О.И. Фомичева и др. Ими были проведены исследования способов получения различных видов трансглутаминазы (микробиальной, кальцийзависимой и выделенной из органических тканей), исследования её свойств. Вопросами получения реструктурированных полуфабрикатов с применением фермента трансглутаминаза занимались ведущие специалисты крупной японской компании Ajinomoto [75,50,51,53].

Процесс ферментации при низких температурах достаточно длителен и требует дополнительных энергетических затрат [75]. Поэтому актуальность данной работы состоит в разработке и совершенствовании технологии производства реструктурированных полуфабрикатов из тримминга с применением фермента трансглутаминаза посредством ускорения процесса ферментации и существенного снижения дополнительных энергетических затрат.

Цель и задачи исследований. Цель работы - обеспечение технологических режимов производства реструктурированных полуфабрикатов с использованием вторичных ресурсов мясопереработки (тримминг), позволяющих добиться требуемых прочностных характеристик готового

продукта за минимальное время ферментации и наименьших энергетических затратах. Предложить способ определения конечного количества микроорганизмов в сферментированном продукте при повышенных температурах ферментации и значениях рН сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Определение оптимальной концентрации фермента трансглутаминаза, которая необходима для достижения требуемых прочностных характеристик реструктурированного полуфабриката;

• Исследование прочностных характеристик образцов мясо-мясо, мясо-жир, жир-жир при различных температурах ферментации;

• Исследование микробиологических характеристик реструктурированного полуфабриката, полученного в различных диапазонах температур ферментации и рН сырья; ; '

• Вывод уравнения расчета конечного количества микроорганизмов в сферментированном' продукте при повышенных температурах ферментации и значениях рН сырья от времени и температуры ферментации. '1 - 1 ' ' "1

В данной работе исследовались способы совершенствования производства реструктурированных полуфабрикатов из свиного тримминга с применением фермента трансглутаминаза.

Предметом исследования являлась возможность сокращения времени ферментации за счёт применения более высоких температур по сравнению с используемыми в настоящее время.

Научная новизна работы*. •

• Разработана энергосберегающая технология производства реструктурированных полуфабрикатов из малоценного вторичного мясного сырья.

• Определены технологические характеристики процесса ферментации и закономерности их изменений в зависимости от свойств сырья и концентрации фермента.

• Определены кинетические зависимости роста микроорганизмов в сырье и готовом продукте в зависимости от технологических режимов ферментации.

• Предложена математическая модель определения прочностных характеристик реструктурированного продукта в зависимости от свойств ферментируемого сырья.

• Получено уравнение расчёта общей обсеменённости продукта и сырья в зависимости от температуры ферментации и начальной обсеменённости сырья.

• Выбран оптимальный технологический режим ферментации.

• Разработана технологическая схема производства реструктурированных полуфабрикатов из малоценного вторичного сырья с использованием трансглутаминазы.

Новизна метода расчёта конечного количества микроорганизмов в сферментированном продукте подтверждена патентом № 2476086. Практическая значимость работы. Разработана технология получения реструктурированного полуфабриката из тримминга с применением энзима трансглутаминаза, время ферментации в данном случае составляет 7-8 часов. Ферментация происходит в диапазоне температур от 12 до 20°С. Технология апробирована в производственных условиях и внедрена на ООО «Династия» и ООО «Русская Еда».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского

государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в 2008-2012 гг.; на Всероссийской научно-практической конференции «Пищевые добавки и современные технологии переработки сельскохозяйственного сырья», СПб, 2011 г.; на IV INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE " ME AT IN TECHNOLOGY AND HUMAN NUTRITION " в 2010 г.; на Петербургском форуме «Ситуация на продовольственном рынке Санкт-Петербурга и решение актуальных проблем агропромышленного комплекса

региона в современных экономических условиях», (в рамках международной выставки «Агрорусь»), Санкт-Петербург, 2010 г.; на IX Петербургском продовольственном форуме " Торговля большого города " и " Ассамблея Директоров Санкт-Петербурга " «Петерфуд» в 2008-2011 г.; на Международном форуме " Безопасность продовольствия России " в 2009 г.; на 4 Международной научно-технической конференции " Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке " Санкт-Петербург в 2009 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено положительное решение о выдаче патента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста и содержит 28 таблиц, 41 рисунка и 4 приложения. Список литературы включает 123 наименования, из них 25 зарубежных авторов.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Проблемы использования вторичных биоресурсов в мясоперерабатывающей промышленности

Традиционными направлениями переработки вторичных сырьевых мясных ресурсов являются: использование вторичных биоресурсов в кормовых целях, изготовление различных видов колбасных изделий из однородной гомогенной дисперсной системы, производство реструктурированных мясных продуктов[58].

Имеющиеся технологии переработки вторичных биоресурсов, не позволяют получить целевой продукт, сохраняющий свои нативные свойства, кроме этого существующие технологии малоэффективны, отличаются многоступенчатостью и, как следствие, потери биологически ценные компоненты [60].

Значительное повышение интереса к переработке вторичных биоресурсов при производстве реструктурированных пищевых продуктов и определенный технический прогресс в этой области в Германии, Норвегии, Исландии, Канаде, Японии и др., а так же результаты работы научно - исследовательских институтов России, позволили' найти технологическое решение, позволяющее использование вторичных бйоресурсов не только в кормовых целях [48,44,31,10].

Анализ тенденций в изменении ассортимента мясной продукции в последние годы свидетельствует о том, что в промышленно развитых странах наиболее быстрыми темпами растет .производство структурированных блюд из свиного тримминга, увеличивается ассортимент варёных и варёно-копчёных колбас [75,35,7,8,9].

Создание продуктов питания нового поколения из вторичных биоресурсов, проходит как минимум по двум направлениям: первое -разработка продукции, критерием качества которой являются свойства известных населению продуктов, т.е. создание аналогов, второе - производство

продуктов с новыми свойствами и составом, эти продукты часто предназначены для профилактического, диетического, лечебного питания. [71,64,46]

Кроме этого, для переработки вторичных биоресурсов при использовании пищевых композиций, включающих в различных соотношениях натуральные, незначительно измененные в процессе обработки пищевые продукты, и изолированные объекты селективного действия. Примером могут служить аминокислотные препараты, наборы минеральных веществ, витаминов, физиологически полезных балластных веществ, ароматизаторов, красителей, жирных кислот и др. совместно с эмульгаторами или пенообразователями [48,44,31,10].

Таким образом, для решения данных вопросов должно быть предусмотрено введение мер направленных на обеспечение безопасности продукции из мяса, а именно:

разработка технологии 'комплексного рационального использования биологических ресурсов и получение безопасной продукции высокого качества, конкурентоспособной на международном рынке;

- разработка систем менеджмента качества, обеспечивающих безопасность готовой продукции.

1.2. Современное состояние технологий структурированных пищевых

:продуктов

Анализ тенденций в изменении ассортимента мясной продукции в последние годы свидетельствует о том, что в промышленно развитых странах наиболее быстрыми темпами растет производство структурированных блюд из тримминга. Из множества разновидностей новых мясных пищевых продуктов заданной структуры можно выделить в основном три типа: аналоги натуральных продуктов, формованные изделия и эмульсионные системы [22,60].

Продукты первого типа получают в основном путем перевода изолированных белков из раствора в пористый гель (текстурированный белок, или текстурат). Полученный белковый текстурат облагораживают жировыми, вкусоароматическими и красящими веществами, соответствующим образом кулинарно обрабатывают[54].

Формованные изделия получают из грубо или тонко измельченной пищевой массы путем придания ей желаемой формы. Кроме этого, формованные продукты - это изделия, полученные путем придания смеси на основе мясного фарша определенной формы и структуры. К формованным продуктам относятся колбасы, сосиски, фаршевые кулинарные изделия (котлеты, биточки, шницеля), гранулированные или экструдированные сухие смеси[54,77].

Эмульсионные продукты представляют собой тонкодисперсные, вязкие, устойчивые системы, включающие водную и жировую фазы, причем одна из них остается непрерывной. Кроме перечисленных обязательных компонентов, в эмульсионные продукты включают белки, углеводы, минеральные вещества, красители, витамины. Как правило, эти системы имеют коагуляционную структуру и обладают тиксотропией [60,114,108,106,103,104,90].

В том числе, стандартные физико-химические показатели дают возможность для получения продукта с заданным функциональными характеристиками и реологическими характеристиками. В настоящее время в пищевой промышленности ни одна пищевая отрасль не обходится без применения структурообразователей. Кроме того, серьезные изменения сырьевой базы послужили дополнительным толчком к развитию этого направления [97,100,73,79].

В странах Еврозоны давно применяются технологии по созданию реструктурированного мясного продукта, как бифштекс, отбивная, котлеты, колбасы и др. Реорганизованный продукт различается по составу, фарша-частиц по размерам, по составу структурообразователей, способов изготовления, внешнему виду. Физические свойства готового продукта, с

определенным содержанием жира и соли, требуемой консистенции. Реструктуризация может способствовать созданию продукта с заданными органолептическими и физико-химическими показателями [67,68,66,54,103].

Производство мясных полуфабрикатов, кулинарных изделий и готовых блюд возникло в развитых странах более пятидесяти лет назад. В нашей стране эти изделия начали производить в небольших объемах с 70-х годов. Значительные успехи в развитии пищевой технологии, а также в сфере упаковки продукции явились мощным стимулом для активного развития этого направления в мясообрабатывающей отрасли[108].

Кулинарные изделия - это продукты питания, не требующие дополнительной обработки и защищенные от вторичного обсеменения микрофлорой. Полуфабрикаты - сырая мясная обрезь или сформированная в виде котлет, филе, кусков [90,114,69,49,56].

Успехом данного направления явилось серьезное изменение приоритетов в области питания. Исследованиями, проведенными в конце 70-х �