Лабораторная работа № 3. Изучение зависимости коэффициентов диффузии в процессе просаливания мяса от основных влияющих факторов

Цель работы: изучить процесс посола мяса различными способами, освоить методику определения коэффициентов диффузии, сделать выводы о влиянии, оказываемом на значения коэффициентов диффузии способа посола, температуры посола, химического состава сырья, его удельной поверхности.

Задания:

1. Провести посол мяса различными способами, определяя коэффициенты диффузии в течение процесса.

2. Построить экспериментальную графическую зависимость средних значений коэффициента диффузии от продолжительности просаливания на основании данных, полученных по п.1 для различных условий посола и различных видов мясного сырья.

3. Сравнить полученные расчетные результаты между собой и с экспериментальными данными. Сделать заключение о том, какие факторы оказывают влияние на значение коэффициента диффузии и эффективность процесса посола.

Оборудование, материалы, реактивы: холодильник бытовой; термометр спиртовой, диапазон измерений от минус 20 ºС до 20 ºС; ножи для нарезки мяса; доски разделочные; емкости для посола объемом не менее 2 л; весы технические; соль поваренная кристаллическая помол № 0, № 1; линейка; бумага миллиметровая; ножницы; бумага фильтровальная; цилиндры мерные емкостью 100 см³ и 1000 см³; шприцы медицинские объемом 1 см³; фарфоровые ступки с пестиками; стеклянные стаканчики для взвешивания; колбовстряхиватель; колбы круглые или конические плоскодонные на 100 см³; насыщенный раствор бихромата калия; 0,05 н раствор нитрата серебра; бюретка для титрования объемом 25 см³.

Краткие теоретические сведения. Посол мясного сырья является одной из основных и определяющих операций технологического процесса производства цельномышечных мясопродуктов (деликатесы), в результате чего у изделий происходит формирование необходимых технологических и потребительских свойств: вкуса, аромата, нежной и сочной консистенции, цвета.

Введение в мясо хлорида натрия изменяет коллоидно-химическое состояние белков, способствует направленному развитию биохимических процессов автолитической и микробиальной природы, оказывает прямое и косвенное консервирующее действие, предохраняя сырье от порчи. Основные процессы, протекающие в тканях мяса при посоле, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные процессы, протекающие в тканях мяса при посоле

Процесс	Следствие
1	2
Изменение коллоидно-химического состояния белков	Повышение водосвязывающей способности, липкости, нежности тканей. Улучшение вкусо-ароматических характеристик мяса
Изменение активности тканевых ферментов
Образование нитрозопигментов	Формирование и стабилизация цвета
Изменение количественного и качественного состава микрофлоры	Ингибирование гнилостной и развитие молочно-кислой микрофлоры
Изменение микроструктуры тканей	Улучшение консистенции тканей, вкусо-ароматических характеристик, ВСС
Гидролиз липидов	Улучшение вкусо-ароматических характеристик

Степень выраженности перечисленных выше изменений во многом зависит от характера распределения посолочных веществ, от концентрации соли в продукте, от длительности и условий осуществления процесса посола и ряда других ферментов.

Применение различных модификаций посола, а также его сочетаний с другими технологическими операциями (варка, копчение, сушка и т.д.) позволяет получать из одного с широким спектром органолептических показателей и различным уровнем стабильности при хранении.

Все многообразие последствий посола является результатом совокупного действия последовательно или параллельно протекающих в мясном сырье процессов:

• проникновение, распределение и накапливание в мясе посолочных веществ;

• возможные потери водо-, и солерастворимых веществ и ферментных систем;

• изменение форм связи влаги, водосвязывающей способности и массы мяса;

• изменение микроструктуры;

• развитие химических и ферментных процессов с образованием вкусо-ароматических веществ;

• изменение качественного и количественного состава микрофлоры;

• развитие реакций цветообразования.

Исходя из главной цели посола – придание сырью требуемых технологических свойств и органолептических характеристик, представляется целесообразным рассмотреть подробнее биохимические процессы, протекающие в тканях мясного сырья при посоле.

Изменения белков носят как количественный, так и качественный характер.

Количественные изменения связаны с миграцией белковых, экстрактивных и минеральных веществ в рассол и их потерями при сухом и особенно мокром посоле. Уровень этих потерь в первую очередь зависит от концентрации рассола, жидкостного коэффициента, вида сырья, температуры, длительности выдержки сырья в контакте с рассолом, наличием предварительной механической обработки мяса, способа посола и др.

При классических способах посола величина потерь белков (в основном альбуминов и глобулинов) из-за наличия в сырье развитой системы макрокапилляров и кровеносных сосудов может составлять до 3 %, причем степень их перехода в рассол увеличивается пропорционально росту концентрации рассола (особенно в диапазоне от 10 до 12 %) и температуры.

Применение современных технологий посола инъецированием практически сводит к нулю потери белковых, экстрактивных, минеральных веществ и витаминов.

Качественные изменения белков при посоле мяса имеют принципиально важное значение, так как степень их развития обуславливает изменение уровня ВСС и нежности и сочности мяса, оказывает непосредственное влияние на формирование вкусо-ароматических характеристик сырья. В зависимости от уровня гидролиза в сырье изменения белков могут различаться.

Образующиеся при гидролизе белков низкомолекулярные азотистые соединения в основном представлены свободными аминокислотами. В современных способах посола интенсификации процесса созревания мяса, несмотря на ингибирующее действие хлорида натрия и нитрита натрия и существенное сокращение длительности выдержки сырья, достигается за счет повышения активности тканевых ферментов при применении механического и электростимулирования и вакууммеханической обработки. Биохимическими и электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что в результате использования интенсивных способов обработки по типу «шприцевание-массирование» имеют место значительные разрушения лизосомальных мембран, выход ферментов в саркоплазму, повышение их активности и, как следствие этих процессов – деструкция миофибриллярных структур мышечных волокон и гидролиз белковых веществ.

В итоге улучшается консистенция сырья; вследствие выхода на поверхность кусков мяса солерастворимых белков повышается величина адгезии (липкость); ускоряются процессы образования веществ, формирующих вкусо-ароматические характеристики соленого мяса.

Рассматривая причины изменения аромата и вкуса мясного сырья в процессе посола, следует обратить внимание на то, что механизм его связан в основном с развитием гидролиза белковых веществ и липидов.

В частности, в результате распада белков возрастает количество свободных аминокислот, некоторые из которых сами обладают выраженным вкусом, например, глутаминовая кислота, а некоторые являются веществами-предшественниками, которые при термообработке принимают участие в образовании соединений, формирующих вкус и аромат готовой продукции. К ним относятся летучие серосодержащие соединения, дисульфиды, меркаптаны, эфиры теокислот, метионин, глутатион, цистеин.

В ходе гидролиза липидов происходит значительное накопление свободных жирных кислот, присутствие которых в мясе в совокупности с летучими карбонильными соединениями в основном ответственно за появление у соленой свинины специфического аромата и вкуса «ветчинности». Данные хроматографического анализа показывают, что в процессе посола происходит накопление и увеличение доли диацетила, валерианового, гексилового, децилового альдегидов, а также масляной, изовалериановой, капроновой и каприловой кислот, причем их содержание количественно намного превышает порог чувствительности.

Органолептические характеристики соленого сырья и готовой продукции из него во многом зависят от наличия в составе посолочной смеси, кроме хлорида натрия, нитрита натрия и сахара, в присутствии двух последних соединений оттенок аромата и вкуса усиливается.

Процесс образования аромата и вкуса соленых цельномышечных мясопродуктов является очень сложным и многоплановым, достаточно сказать, что при «разложении» запаха сырокопченых изделий на отдельные компоненты идентифицировано около 10 тысяч разнообразных химических веществ. Механизм цветообразования заключается во взаимодействии оксида азота с миоглобином, с образованием нитрозомиоглобина, который не обесцвечивается при нагревании, переходя в нитрозогемохромоген. Однако механизм цветообразования легко модифицируется под воздействием внешних факторов (качество, дозировка и степень разведения нитрита натрия; присутствие восстановителей; наличие света и кислорода воздуха; температура; рН среды; наличие стабилизаторов), и окраска мясопродуктов может ухудшаться.

С физической точки зрения процесс просаливания цельномышечного мясного сырья есть совокупное действие диффузии посолочных веществ и осмоса тканевых жидкостей, а также фильтрации в случае, если посол происходит при наличии разности давлений.

Сущность научных представлений о кинетике фильтрационно-диффузионного процесса накопления и распределения посолочных веществ заключается в том, что при любом способе посола (сухой, мокрый или смешанный) образуется неуравновешенная система «рассол-мясо», в которой происходит массообмен через систему микро- и макрокапилляров, мембраны и перепонки. Соль проникает в ямсо диффузионным путем через систему пор и капилляров, пронизывающих ткани, и осмотическим путем через многочисленные внутренние и внешние мембраны, покрывающие волокна и их пучки, причем вдоль волокон по системе капилляров соль продвигается быстрее. При этом движущей силой посола как диффузионного процесса является разность концентраций соли в рассоле и сырье; фильтрационный характер массобмен приобретает при наличии в системе разности давлений.

При классических методах – мокром (выдержка в рассоле), сухом (натирка посолочной смесью) и смешанном длительность процесса просаливания подчиняется уравнению

(1)

где - продолжительность посола (диффузионная составляющая),сут.;

- постоянная величина, равная 1,08;

- путь проникновения посолочных веществ в продукт, м (для однородного сырья полутолщина продукта);

- коэффициент диффузии хлорида натрия в ткань продукта, м²/с (см/сут), количественное соотношение между значениями коэффициента диффузии у мышечной, соединительной и жировой тканей составляет 8:3:1;

- концентрация хлорида натрия в рассоле в момент , %;

- концентрация хлорида натрия на глубине в момент , %.

Как следует из уравнения (1) скорость диффузии может быть увеличена (и, следовательно, сокращена продолжительность процесса) за счет:

• повышения концентрации соли в рассоле, однако, следует учитывать, что при посоле мясопродуктов применение рассолов высокой концентрации ограничено, так как при длительном посоле получаются мясопродукты с пониженными качественными показателями – резкой неравномерностью распределения соли по толщине продукта, излишней соленостью и слишком плотной консистенцией в поверхностном слое продукта;

• уменьшения толщины пограничного слоя на границе раздела системы «продукт-рассол», что может быть достигнуто путем интенсивного перемешивания или вибрационного воздействия на сырье;

• увеличением значения коэффициента диффузии путем выделения из сырья соединительной и жировой ткани, разрыхления морфологической структуры ткани с созданием дополнительной системы макро- и микрокапилляров (различные механические воздействия, электростимуляция, ферментная обработка), повышения проницаемости тканей;

• повышения температуры посола, что приводит к увеличению коэффициента диффузии;

• уменьшения пути проникновения рассола вследствие введения его шприцеванием непосредственно внутрь сырья с образованием начальных зон накопления посолочных веществ.

Анализ кинетики процесса просаливания и изменения его скорости в зависимости от вида сырья, состояния структуры мяса, условий предварительной обработки (игольная тендеризация, массирование), проведенный на основе систематизации и ЭВМ-обработки результатов последних исследований отечественных и зарубежных авторов позволил установить, что:

• скорость просаливания неадекватна, имеет нелинейный характер и складывается из трех последовательных фаз – «интенсивной-замедленной-интенсивной»;

• осуществление предварительной игольной тендеризации (накалывания) сырья с шагом игл 3,3; 2,5 и 1,7 мм увеличивает скорость посола в 1,2 – 1,7 раз для говядины и в 1,2 – 1,5 рах для свинины, что обусловлено образованием дополнительных капилляров в мясе;

• механическая обработка ускоряет проникновение посолочных вещесвт в 1,1 – 2,0 раз за счет частичного разрушения нативной структуры мяса и образования системы новых микрокапилляров;

• в целом процесс посола свинины протекает на 20-25 % быстрее, чем у говядины, что связано с различиями в структуре мышечной ткани.

Порядок выполнения работы: Учебная группа студентов разбивается на подгруппы по 2-3 человека. Каждая подгруппа получает задание на посол определенного вида мясного сырья определенным способом (по заданию преподавателя). Перед посолом мясо тщательно промывается проточной водой температурой не выше 20 °С. Промытое мясо (кусковой полуфабрикат) оставляют на столе на 3-5 минут для стекания влаги. Затем из мясного сырья нарезают 3 одинаковых куска в форме правильного параллелепипеда, высотой 20 мм. Далее экспериментальным путем определяют: удельную поверхность, как отношение полной площади поверхности образца к его массе; плотность по методике, изложенной ниже; содержание влаги - высушиванием при температуре 105 °С; содержание жира весовым методом - экстракцией на аппарате Сокслета. Затем проводится взвешивание мяса на лабораторных весах с точностью ±1 г (для получения достоверных результатов необходимо, чтобы эксперимент проводился на однородной партии мясного сырья, то есть все образцы в партии должны иметь одинаковую удельную поверхность и химический состав).

Объемная масса или плотность мяса определяется следующим образом: тщательно промытый образец мясного сырья взвешивают на технических весах с точностью ±1 г, помещают в мерный цилиндр емкостью 1000 см³, в который предварительно налита дистилированная вода фиксированным объемом , см³, достаточным для полного погружения в него испытуемого образца мяса. Затем определяют общий объем мяса и жидкости , см³, после чего образец осторожно извлекают из цилиндра, оставляют на 5-10 минут в чистой сухой посуде для стекания воды (эта жидкость затем доливается в мерный цилиндр). Объем образца мяса , см³, определяется по формуле

(2)

Объемная масса или плотность мяса , кг/м³, рассчитывается по формуле

(3)

где - масса образца, г.

Перед началом процесса посола по заданию готовится посольная емкость и солевой раствор (тузлук) заданной концентрации и температуры в заданной пропорции к массе направляемого на посол мяса (для посола инъектированием солевой раствор перед использованием обязательно фильтруется через бумажный складчатый фильтр). В случае если заданием предусмотрен смешанный способ посола, то вначале готовится солевой раствор заданной концентрации и температуры, затем взвешивается необходимое количество поваренной соли (помола № 1 или № 2) в заданном соотношении к массе мяса, направляемого на посол.

Посол мяса осуществляется следующим образом:

сухой посол - куски мяса натирают поваренной солью и укладывают в посольную емкость, после чего к ним добавляется сухая соль. Затем смесь из соли и мяса тщательно перемешивается таким образом, чтобы обеспечить максимальное налипание соли на поверхность куска мяса (не должно быть участков поверхности мяса, не имеющих контакта с солью) без его механических повреждений;

мокрый посол – куски мяса погружают в солевой раствор, предварительно добавленный в посольную емкость, либо сначала рассол вводят в толщу тканей мяса шприцеванием, затем помещают куски в рассол в посольной емкости, либо проводят только шприцевание кусков мяса рассолом (для шприцевания используют медицинские одноразовые шприцы, схему уколов при шприцевании получают у преподавателя);

смешанный посол – куски мяса шприцуют рассолом (для шприцевания используют медицинские одноразовые шприцы, схему уколов при шприцевании получают у преподавателя), затем натирают поваренной солью и выдерживают некоторое время в посольной емкости без добавления рассола, после выдержки добавляют рассол осторожно приливая по стенке емкости так, чтобы не смыть с поверхности кусков мяса нерастворившуюся соль.

Температурные условия посола поддерживаются в соответствии с заданием преподавателя.

Через фиксированные промежутки (от 1 до 2 часов) времени из посольной емкости отбирают один кусок мяса для определения солености по слоям. Для этого кусок разрезают по толщине на 4 равных слоя (5 мм толщиной) и в каждом слое определяют массовую долю поваренной соли. Содержание соли в слое мяса определяется аргентометрическим методом. Полученные экспериментальные дынные заносят в таблицу 2. По этим данным строят экспериментальную графическую зависимость . Среднее значение солености куска мяса рассчитывают как среднее арифметическое значение соленостей по слоям, данные также вносят в таблицу 2.

Таблица 2 – Распределение солености по слоям мяса

Продолжительность посола, ч	Толщина слоя мяса, м	Массовая доля поваренной соли в слое, %	Средняя соленость мяса, %
1,0	0,005
	0,010
	0,015
	0,020
2,0	0,005
	0,010
	0,015
	0,020
3,0	0,005
	0,010
	0,015
	0,020
4,0	0,005
	0,010
	0,015
	0,020

Коэффициенты диффузии , м²/ с, можно рассчитать из основного уравнения диффузии

(4)

где - удельная интенсивность насыщения мяса солью, %/ м;

- объемная масса мяса, кг/ м³;

- градиент концентрации мяса в мясе.

Значения удельной интенсивности насыщения мяса солью, объемная масса мяса и градиент концентрации соли в мясе определяются в ходе эксперимента. Для нахождения градиента концентрации соли в мясе , необходимо построить касательные к кривым распределения соли в мясе в точках крайних границ. Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс и есть значение градиента . Все найденные по графику значения необходимо представить в виде таблицы 3.

Таблица 3 – Значения градиента концентрации соли в мясе

Продолжительность посола, ч	Значение градиента концентрации соли,
	левая граница	правая граница
1,0	…	…
2,0	…	…
3,0	…	…
4,0	…	…

По данным таблицы 3 строят график изменения средней солености мяса в течение процесса посола.

Используя этот график, находят удельную интенсивность насыщения мяса солью , %/ м, по формуле

, (5)

где - массовая доля поваренной соли в мясе за достаточно малый промежуток времени , %;

- продолжительность периода посола, за который достигаются предельные солености , ч;

- удельная поверхность куска мяса, м²/кг.

Данные расчета приводят в виде таблицы 4.

Таблица 4 – Значения удельной интенсивности насыщения мяса солью

Продолжительность посола, ч	Значение удельной интенсивности насыщения мяса солью, %/ м
	левая граница	правая граница
1,0	…	…
…	…	…

После определения всех необходимых данных рассчитываем значения коэффициентов диффузии соли по формуле (4). Данные представляем в табличном или графическом виде ( для разных видов мясного сырья, для различных условий посола).

На основании результатов проведенной работы необходимо сделать заключение о том, какие факторы оказывают влияние на значения коэффициентов диффузии и эффективность посола.

Перед определением содержания поваренной соли в мясе, из мышечной ткани скальпелем вырезают образец ткани массой около 3 г. Полученную пробу мяса измельчают, тщательно растирая в ступке. Затем отбирают навеску массой 2 г. Взвешивание проводят на лабораторных технических весах с точностью до 0,01 г. Навеску количественно переносят в мерную колбу вместимостью 200 мл, прибавляют около 100 мл дистиллированной воды (примерно ¾ объема мерной колбы), затем колбу закрывают пробкой и встряхивают в течение 15-20 минут. После этого объем раствора в колбе доводят дистиллированной водой до метки, колбу закрывают пробкой, содержимое хорошо перемешивают и фильтруют жидкость через сухой складчатый фильтр в сухую колбу, 25 мл фильтрата переносят пипеткой в колбу вместимостью 100 мл. Перед титрованием добавляют 3-4 капли насыщенного раствора хромата калия и титруют 0,05 н раствором AgNO₃ до появления оранжево-бурой окраски, не исчезающей в течение 30 с. Производят два параллельных титрования. Результаты не должны различаться более чем на 0,02 %. Содержание хлорида натрия (поваренной соли) , %, рассчитывают по формуле

, (6)

где - объем нитрата серебра, израсходованного на титрование испытуемого раствора, мл;

200 – объем мерной колбы, мл;

100 – коэффициент пересчета в %;

0,0029 – количество хлорида натрия, соответствующее 1 мл 0,05 н раствора нитрата серебра, г;

- поправочный коэффициент точно для 0,05 н раствора нитрата серебра;

- навеска, г;

25 – объем вытяжки, взятой для титрования, мл.