Саратов, Саратовская область, Россия
Россия
Россия
Саратов, Саратовская область, Россия
Россия
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Переработка малоценных субпродуктов в совокупности с биотехнологическими способами обработки, является оптимальным решением проблемы рационального использования вторичного сырья. С целью нивелирования специфического запаха, сокращения времени термообработки, повышения гидрофильности и снижения механической прочности бараньего рубца, авторами предложен способ его биотрансформации в присутствии молочной сыворотки и ферментного препарата протеолитического действия с последующим массированием. Выявлено, что ферментативное воздействие на соединительную ткань рубца способствует разрушению дисульфидных и водородных связей тройной спирали макромолекулы коллагена, существенно снижает механическую прочность и гидротермическую устойчивость коллагена, что сокращает время термообработки, повышает функционально-технологические свойства. Предложенный способ биотрансформации коллагенсодержащего сырья позволяет создавать экологичные и малоотходные технологии, включить в производственный процесс вторичные продукты убоя, производить продукты функциональной направленности.
Коллагенсодержащее сырье, ферментные препараты, биотрансформация, молочная сыворотка, функциональные продукты
Эффективным способом, обеспечивающим за- щиту окружающей среды от загрязнений при убое и переработке скота, является широкое внедрение ре- сурсосберегающих технологий, предусматривающих полную переработку вторичного сырья, обеспечива- ющих интенсификацию производственных процессов и высокую экономическую эффективность.
Малоценные продукты убоя скота являются превосходным источником дополнительного белка, имеют рациональный пищевой профиль, содержат биологически активные и жизненно важные мине- ральные вещества, обладают специфическими лечеб- ными и профилактическими свойствами. Поэтому их переработка в совокупности с биотехнологическими способами может стать оптимальным решением про- блемы производства специализированных продуктов диетического питания [1, 4].
Коллаген обладает рядом позитивных биологи- ческих и функциональных свойств (высокая влаго- связывающая способность, влагоудерживающая и текстурообразующая способности), позволяющих использовать его в различных пищевых системах. Коллаген, содержащейся в субпродуктах II катего- рии, выполняет функцию пищевых волокон, которые регулируют метаболические процессы в организме. Продукты с высоким содержанием соединительной ткани отличаются низкой энергетической ценностью. Клейдающие вещества (глютин, желатин) активнее действует на пищеварение, оказывают благоприятное действие на состояние и функции полезной микрофло- ры кишечника. Доказано, что при правильном подборе белоксодержащих ингредиентов мясные продукты могут содержать до 30 % коллагена от общего количе- ства белка без существенного ущерба для биологиче- ской ценности их белковой системы [5, 6].
Учитывая постоянно возрастающую стоимость мясного сырья, переработка субпродуктов II катего- рии в совокупности с биотехнологическими спосо- бами их обработки является оптимальным решением проблемы рационального использования побочного сырья и реальным способом обеспечения населения полноценными продуктами с нутриентно-адекватным уровнем макро- и микронутриентов.
Биотрансформация коллагенсодержащего сы- рья с использованием рассола на основе молочной сыворотки и ферментных препаратов является эф- фективным методом, значительно повышающим его биодоступность организму человека.
Вторичные продукты убоя сельскохозяйственных животных являются источником белков, в частности коллагена, пептидов и аминокислот. Ферментативная обработка коллагенсодержащего сырья позволяет получить пептиды и свободные аминокислоты, а так- же обеспечивает более мягкие условия протекания процесса по сравнению с другими видами гидролиза. Использование ферментов повышает скорость техно- логических процессов, ощутимо увеличивает выход готовой продукции, улучшает ее качество, экономит ценное сырье и снижает количество отходов [7–10].
Целью исследований является разработка мето- да биомодификации коллагенсодержащего сырья ферментативным гидролизом для использования соединительнотканных компонентов в производстве пищевых продуктов, решения проблемы дефицита животного белка, повышения рентабельности пред- приятий, обеспечения внутреннего рынка функцио- нальными продуктами отечественного производства.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являлись коллагенсодер- жащие субпродукты, ферментный препарат протеоли- тического действия, деминерализованная подсырная сыворотка «Пугачевская» (ТУ 9223-002-89334231- 2012), полученная на ООО «Пугачевские молочные продукты» (Саратовская область, г. Пугачев).
Исследования влияния ферментативной обработ- ки на качество коллагенсодержащего сырья проводи- ли на бараньем рубце мелкого рогатого скота. Выбор рубца в качестве объектов исследований проведен с учетом его значительных ресурсов, однородности химического состава, а также в связи с не значитель- ным его использованием и неудовлетворительными функционально-технологическими и органолептиче- скими свойствами.
Мышечный слой бараньего рубца более развит, чем в остальных отделах желудка. Кроме того, содер- жание полноценных белков в нем составляет около 58 %, что говорит о привлекательности этого вида сырья для пищевых целей.
Giro T.M. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 262–269
Таблица 1. Влияние продолжительности гидролиза на физико-химические показатели бараньего рубца
Table 1. Effect of hydrolysis time on the physico-chemical characteristics of lamb rumen
|
Показатели |
Продолжительность гидролиза рубца |
||||
|
0 ч (контроль) |
4 ч |
6 ч |
8 ч |
12 ч |
|
|
Влага, % |
78,41 ± 3,06 |
77,12 ± 3,11 |
78,15 ± 3,41 |
79,4 ± 4,01 |
78,12 ± 3,07 |
|
Белок, % |
11,4 ± 0,53 |
11,3 ± 0,51 |
12,0 ± 0,65 |
12,1 ± 0,56 |
12,9 ± 0,63 |
|
Оксипролин, % |
0,252 ± 0,01 |
0,223 ± 0,01 |
0,260 ± 0,01 |
0,267 ± 0,01 |
0,288 ± 0,01 |
|
Развариваемость коллагена, % |
94,4 ± 4,72 |
98,6 ± 4,93 |
99,8 ± 4,94 |
100,0 ± 5,00 |
100,0 ± 5,00 |
|
рН |
7,12 ± 0,36 |
7,01 ± 0,35 |
7,03 ± 0,33 |
6,94 ± 0,35 |
7,30 ± 0,37 |
Экcпеpиментальные иccледования пpоводили на кафедpе технологии производства и переработки продукции животноводства ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ и в лаборатории гигиены производства и микро- биологии Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова (г. Москва).
Для исследований физико-химических, микро-
биологических и органолептических показателей использовали стандартные методы в соответствии с требованиями Технических регламентов Таможенно- го Союза: ТР ТС № 034/2013 «О безопасности мяса и мясной продукции», ТР ТС № 021/2011 «О безопас- ности пищевой продукции» [2, 3].
С целью нивелирования специфического запаха, сокращения времени термообработки, повышения ги- дрофильности и снижения механической прочности бараньего рубца разработан способ его предваритель- ной подготовки методом ферментативного гидролиза в присутствии деминерализованной подсырной сы- воротки «Пугачевская» и препарата Протепсина-150, которые обладает протеолитической и коллагеназной активностями с последующим массированием.
Выбор энзимного препарата животного происхождения – Протепсин®150 (в количестве 0,01–0,005 % к массе продукта) обоснован тем, что он содержит комплекс кислых протеиназ, предназна- ченный для обработки низкосортного мясного сырья. Ферментный состав препарата сбалансирован по сте- пени воздействия на различные белки мяса и мясных систем, применяющихся в технологии мясных про- дуктов. Протепсин работает в мясной системе анало- гично внутриклеточным ферментам (катепсинам). Он является их синергистом и обладает дополнительны- ми качествами, которые позволяют ему воздейство- вать в более широком диапазоне технологических параметров, а также влиять на белковые системы, на которые внутриклеточные ферменты не действуют или оказывают действие в незначительной степени. При выборе препарата нами были учтены оптимум действия ферментов, природа их активаторов и инги- биторов, специфичность к разрыву пептидных связей при гидролизе животных белков.
С целью рационального выбора технологи- ческих режимов был проанализирован рабочий диапазон действия препарата Протепсин-150 и его влияние на свойства основных белков. Для повы- шения эффективности препарата из состава рассола были исключены аддитивы, подавляющие коллаген- зную активность Протепсина. Критериями выбора
ферментного препарата стала его доступность, не- высокая стоимость и эффективность протекания протеолитических процессов, а также способность ингибировать нежелательную микрофлору и образо- вывать ароматические соединения [6].
Для проведения ферментации был разработан состав рассола, основой которого являлась демине- рализованная подсырная сыворотка «Пугачевская». Сыворотка увеличивает водосвязывающую способ- ность коллагенсодержащего сырья, выход оказывает положительное действие на консистенцию, вкус и аромат. Ее использование позволило снизить содер- жание поваренной соли и исключить фосфаты. Для приготовления рассола в подсырной сыворотке с температурой 35–36 °С растворяли препарат Про- тепсин-150 из расчета 1 г на 10 кг коллагенсодержа- щих субпродуктов, перемешивали и выдерживали в течение 30 минут. Готовый рассол содержал неболь- шое количество белого осадка на дне и имел слегка мутноватый опалесцирующий цвет. Затем рубец бараний заливали приготовленным рассолом при со- отношении рубец: рассол 1:2 и массировали в масса- жере в течение 4, 6, 8, 12 часов. Время ферментации устанавливали по объективным показателям.
Результаты и их обсуждение
Для оценки влияния предложенного метода био- модификации бараньего рубца изучено влияние про- должительности гидролиза на физико-химические показатели, усилие резания и уровень микробиоло- гической обсемененности опытных и контрольных образцов.
Исследования зависимости физико-химических показателей от продолжительности процесса фермен- тативного гидролиза и массирования бараньего рубца представлены в таблице 1.
Исследования выявили увеличение разварива- емости коллагена: после ферментации 4 ч – 4,5 %; 6 ч – 5,9 %; 8 ч – 5,9 % (табл. 1). На основании по- лученных данных была выбрана продолжительность процесса – 6 ч, так как прирост основных физико-хи- мических показателей к 8 ч модификации был незна- чительным.
Результаты изучения химического состава пока- зали, что метод ферментативного гидролиза способ- ствует повышению содержания белка в рубце, т. е. оптимизирует пищевую.
С целью оценки влияния ферментативной обра- ботки и массирования на консистенцию проведены исследования усилия резания рубца. Метод основан
Гиро Т. М. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 262–269
Рисунок 1. Напряжение резания (а) нативного и (б) ферментированного рубца
Figure 1. Cutting pressure of (a) native and (b) fermented rumen tissue
на прохождении режущего органа через образец, вы- полненный в форме параллелепипеда длиной 5 мм и имеющего на срезе форму квадрата с длиной стороны 20 мм, с постоянной скоростью 50 мм/мин.
Экспериментальные данные исследований усилия резания сырого бараньего рубца, массированного в рассоле на основе подсырной сыворотки с добав- лением ферментного препарата Протепсина-150, показали размягчение структуры. На основании полученных данных можно полагать, что предло- женный метод биотрансформации заметно снижает усилия резания опытных образцов относительно кон- трольных, о чем свидетельствуют величины напряже- ния среза образцов рубца (рис. 1).
Это происходит из-за того, что кислая среда в структуре коллагена рубца формируется избыточ- ный положительный заряд вследствие подавления диссоциации карбоксильных групп боковых цепей. Структура коллагена разрыхляется за счет расшире-
ния фибрилл в полярных областях из-за отталкива- ния oдноименно заряженных групп. В расширенные области поступает рассол и происходит набухание.
Термообработку ферментированного рубца осу- ществляли в течение 120 мин при температуре 90–95 °С в воде и в растворе поваренной соли с концентрацией в количестве 2,5 %. Степень жесткости рубца опре- деляли через каждые 20 мин термической обработки (рис. 2).
Отмечено, что добавление поваренной соли спо- собствовало эффекту размягчения рубца и снижению гидротермической устойчивости коллагена. Наибо- лее интенсивное размягчение рубца происходило в течение первых 60 мин термообработки. Анализ сни- жения скорости изменения величины усилия резания рубца позволили установить, что оптимальное время термообработки составляет 60 минут (рис. 2).
Результаты химического состава нативного и ва- реного бараньего рубца представлены в таблице 2.
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
0
40
60
80
100
120
р-р NaCl вода
вода р-р NaCl
Рисунок 2. Изменение усилия резания рубца в зависимости от продолжительности термообработки в воде и растворе NaCl
Figure 2. Dynamics of the cutting pressure according to the heat treatment time in water and NaCl solution
Giro T.M. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 262–269
Таблица 2. Сравнительный химический состав нативного и вареного рубца, подвергнутого ферментативному гидролизу
Table 2. Comparative chemical composition of native and boiled rumen tissue, subjected to enzymatic hydrolysis
Вид на срезе (структура, цвет)
Внешний вид продукта
4,8
4,7
4,6
4,5
4,4
4,3
Консиситенция
|
||||||||||||||||||||
Вкус
Технологические параметры процесса гидратации рубца подтвердили эффективность замены воды мо- лочной сывороткой вследствие того, что величина ак- тивной кислотности сыворотки превышает значения, свойственные бараньему рубцу. В результате проис- ходит смещение величины pH в сторону нейтральных значений и дополнительное повышение его влагосвя- зывающей и влагоудерживающей способности. Пре- парат Протепсин-150 повышает водосвязывающую способность и гидратацию белков. Это приводит к разрыхлению структуры белков, повышению степени пенетрации, увеличению иммобилизованной влаги в мясе и возрастанию его массы на 10–20 %. При по- следующей тепловой обработке потери веса мясной системы уменьшаются (рис. 3) [12].
Доказано, что обработка рубца протеолитическим ферментным препаратом с последующей выдержкой в молочной сыворотке и массированием улучшают его функционально-технологические характеристики значительно повышают его влаго- и жироудерживаю- щую способность, выход, что является важным в его использования в технологии фаршевых мясопродук- тов (рис. 3).
Использование молочной сыворотки в составе рас- сола способствует набуханию и увеличению диаметра волокон коллагена, общая поверхность взаимодей- ствия в процессе массирования увеличивается. Влага из свободной переходит в поверхностно-связанную, о чем свидетельствует повышение влагосвязываю- щей способности (ВСС) на 22,2 ± 0,31 % (рис. 3). Увеличение ВСС объясняется тем, что при моди- фикации коллагена происходят его деструктивные изменения. При этом молекулы молочной сыворотки
100
80
60
40
20
0
Контольный образец Опытный образец
Рисунок 4. Диаграмма сенсорной оценки нативного и ферментированного рубца
Figure 4. Diagram of sensory evaluation of native and fermented rumen tissue
дополнительно взаимодействуют с белком и, вновь образовавшимися, межмолекулярными связями [13].
Бараний рубец, обработанный по предлагаемой технологии, характеризуется более высокими органо- лептическими показателями, такими как белый цвет, мягкая консистенция, отсутствие постороннего вкуса и запаха (рис. 4).
Молочнокислая микрофлора, содержащаяся в сы- воротке, способна образовывать ароматические сое- динения. Это обеспечивает более высокие сенсорные показатели ферментированного рубца [14].
Учитывая, что бараний рубец является сырьем с высокой контаминацией, исследовали микробиологи- ческие показатели рубца после термообработки, хра- нившегося в течение 3 суток (длительность хранения принята с учетом производственной необходимости) при температуре 2–4 °С.
Общая микробиальная обсемененность рубца со-
ответствует требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности мяса и мясной продукции» (ТР ТС 034/20В) (табл. 3) [2]. Хорошее санитарное соcтояние рубца объясняется тем, что молочная сыворотка обладает способностью ингиби- ровать нежелательную микрофлору и снижает обсе- мененность рубца.
Ферментация, в сочетании с массированием субпродуктов, способствует развитию молочнокис- лой микрофлоры и гидролитическому распаду белко- вых компонентов. В результате сокращается процесс термообработки. Использования рассола на основе подсырной сыворотки в результате воздействия бак- терии рода Lactobacillus повышало эффективность гидролиза коллагена.
Таблица 3. Микробиологические показатели вареного
ВУС, % в влаге в
системе
ЖУС, % к жиру в
системе
Выход при
термообработке % к массе
ВСС, % к общей
влаге
бараньего рубца
Контроль После ферментативной обработки
Table 3. Microbiological indicators of the boiled rumen tissue
|
|||||||||||||||
Figure 3. Functional and technological indicators of native and fermented rumen tissue
Гиро Т. М. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 262–269
Возможно, такие изменения белка связаны не только с процессами гидролиза белка под действием ферментного препарата Протепсина-150, но и со сложной жизнедеятельностью молочнокислых бак- терий, содержащихся в подсырной сыворотке: нали- чием эндо- и экзоферментов, гидролизующих белки; способностью ассимилировать низкомолекулярные белковые вещества для роста бактерий; способно- стью продуцировать молочную кислоту и снижать рН среды, создавая условия для активизации фермен- тативной активности препарата.
Выводы
Совокупные данные влияния предварительной подготовки бараньего рубца показали положитель- ное влияние на функционально-технологические свойства, химический состав, усилие резания, микро- структуру и микробиологическую обсемененность опытных образцов. Это позволяет сделать выводы о перспективности его использования в технологии мясопродуктов.
При использовании в составе рассола молочной сыворотки отпадает необходимость проведения по- следующей нейтрализации среды, в отличие от спо- собов, когда применяется кислотный, либо щелочной гидролиз, снижающий органолептические свойства
конечных продуктов, а также разрушающие многие аминокислоты в процессе обработки.
Приятные вкус и текстура бараньего рубца позво- ляют рекомендовать его для использования в произ- водстве мясных изделий.
Переработка субпродуктов II категории не толь- ко обеспечит переход предприятий на безотходные технологии, но и станет оптимальным решением проблемы производства продуктов специального пи- тания для профилактики дисмикроэлементоза, людей склонных к повышенной массе тела, населения эко- логически неблагополучных регионов. Молочнокис- лые бактерии, содержащиеся в подсырной сыворотке, обладают выраженным антагонизмом к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам, что не ма- ловажно для профилактики болезней желудочно-ки- шечного тракта людей.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что статья не содержит клевет- нических высказываний и не посягает на права (вклю- чая без ограничений авторское право или права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам и их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденци- альных сведений (включая государственную тайну).
1. «Основы государственной политики РФ в области здорового питания населения на период до 2020 года».
2. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности мяса и мясной продукции» (ТР ТС 034/2013) [Элек- тронный ресурс]. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/499050564. - Дата обращения: 14.05.2018.
3. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» (ТР ТС 021/2011) [Электрон- ный ресурс]. - Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/902320560. - Дата обращения: 14.05.2018.
4. Ферменты промышленного назначения - обзор рынка ферментных препаратов и перспективы его развития / А. А. Толкачева, Д. А. Черенков, О. С. Корнеева [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженер- ных технологий. - 2017. - Т. 79, № 4 (74). - С. 197-203. DOI: https://doi.org/10.20914/2310-1202-2017-4-197-203.
5. Антипова, Л. В. Ферментные технологии в развитие отечественного производства перерабатывающих отраслей АПК / Л. В. Антипова // «Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов» : сборник трудов конференции / Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехно- логии РАСН. - М, 2016. - С. 61-66.
6. Плахотина, М. С. Микробные ферментные препараты для животноводства / М. С. Плахотина, В. Н. Неустроева, Л. А. Литвина // «Проблемы биологии и биотехнологии» : сборник трудов конференции научного общества студентов и аспирантов биолого-технологического факультета / Новосибирский государственный аграрный университет. - Новоси- бирск, 2017. - С. 166-170.
7. Использование экзогенных ферментных препаратов в технологии мясных продуктов / Э. Ш. Юнусов, В. Я. Поно- марев, А. З. Каримов [и др.] // Вестник казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15, № 22. - С. 119-121.
8. United States Department of Agriculture. Agricultural Research Service. USDA National Nutrient Database for Standard Reference.
9. Драгунова, М. М. Метод переработки вторичного коллагенсодержащего сырья с использованием дрожжей Clavispora lusitaniae Y3723 / М. М. Драгунова, В. П. Брехова // Техника и технология пищевых производств. - 2014. - Т. 32, № 1. - С. 18-21.
10. Разработка технологии переработки коллагенсодержащих отходов мясоперерабатывающей промышленности в функциональную кормовую добавку для животных сельскохозяйственного сектора / М. М. Драгунова, А. Ю. Просеков, О. В. Кригер [и др.] // Вестник КрасГАУ. - 2014. - Т. 98, № 11. - С. 203-206.
11. Preparation and thermal stability of collagen from scales of grass carp (Ctenopharyngodon idellus) / С.-М. Li, Z.-Н. Zhong, О.-Н. Wan [et al.] // European Food Research and Technology. - 2008. - Vol. 227. DOI: https://doi.org/10.1007/s00217-008-0869-z.
12. Isolation and characterization of collagen from the skin of deep-sea redfish (Sebastes mentella) / L. Wang, X. An, Z. Xin [et al.] // Journal of Food Science. - 2007. - Vol. 72, № 8. - P. 450-455. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1750- 3841.2007.00478.x
13. Tuna pepsin: characteristics and its use for collagen extraction from the skin of threadfm bream (Nemipterus spp.) / S. Nalinanon, S. Benjakul, W. Visessanguan [et al.] // Journal of Food Science. - 2008. - Vol. 73, № 5. - P. 413-419. DOI: https:// doi.org/10.1111/j.1750-3841.2008.00777.x.
14. Isolation and partial characterization of pepsin- soluble collagen from the skin of grass carp (Ctenopharyngodon idella) / Y. Zhang, W. Liu, G. Li [et al.] // Food Chemistry. - 2007. - Vol. 103, № 3. - P. 906-912. DOI: https://doi.org/10.1016/j. foodchem.2006.09.053.
