ХРАНЕНИЕ МЯСА В УСЛОВИЯХ АКУСТИЧЕСКОЙ ЗАМОРОЗКИ И ОЦЕНКА ЕГО БИОТОКСИЧНОСТИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение г. Москвы "Школа № 2083"

УТВЕРЖДАЮ

Ответственная за образовательную

площадку «Родники»

ГБОУ г. Москвы

"Школа № 2083"

_______________Н.И. Мурзина

ОТЧЕТ

Проектное обучение

Научно исследовательская работа по проекту:

«Хранение мяса в условиях акустической заморозки и оценка его биотоксичности»

Руководитель проекта,

заслуженный учитель РФ И. М. Юдицкая

Технический директор проекта,

генеральный директор

ООО «Акустическая заморозка» Д.Н. Балаболин

Научный консультант, д.т.н., проф. Ю.И.Сидорено

Москва, 2021 г.

Исполнители:

Ученик 10-А класса Плечев Е.А.

Ученик 10-А класса Сидоренко А.А.

Ученик 10-А класса Троцюк А.И.

Главный научный сотрудник ф-та биотехнологий

и рыбного хозяйства

БИРХ ФГБОУ ВО МГУТУ им. К.Г. Разумовского,

доктор биологических наук, профессор Симаков Ю.Г.

Младший научный сотрудник ф-та биотехнологий

и рыбного хозяйства

БИРХ ФГБОУ ВО МГУТУ им. К.Г. Разумовского Смородинская С.В.

З А Д А Н И Е

Изучить физические основы холодильной технологии, провести оценку значения криотехнологий для народного хозяйства, изучить особенности акустической заморозки, провести сравнительный эксперимент холодильного хранения свинины в условиях шоковой и акустической заморозки и оценить

биотоксичность свинины после хранения в условиях шоковой и акустической заморозки.

«Хранение мяса в условиях акустической заморозки и оценка его биотоксичности»

Егоровой Анны Андреевны

1. Тема проекта : «Хранение мяса в условиях акустической заморозки и оценка его биотоксичности»

2.Срок сдачи отчета по НИР: «26» декабря 2021 г.

3.Цельи общее направление работы: Изучить физические основы холодильной технологии, провести сравнительный эксперимент холодильного хранения и оценить

биотоксичность свинины после хранения в условиях шоковой и акустической заморозки.

4. Содержание Отчета:

Реферат

Введение

Глава1. Обзор литературы

Глава2.Экспериментальные исследования

Заключение

Список использованных источников

Объем работы: 49 страниц машинописного текста.

5. Перечень материала, прилагаемого к магистерской диссертации: цифровой и графический материал по экспериментальной части работы, таблицы – 2 шт.; рисунки –18 шт.

6. Руководитель проекта : _______________________________И.М.Юдицкая

7. Технический директор проекта,

генеральный директор

ООО «Акустическая заморозка»_________________________Д.Н. Балаболин

8. Научный консультант: д.т.н., проф.____________________Ю.И. Сидоренко

9. Рецензент: к.т.н., доц. _______________________________С.А. Ливинская

Оглавление:

РЕФЕРАТ..................................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................6

Глава 1. Обзор литературы.................................................................................10

Физические основы работы холодильной техники........................................................10

1.2 Товароведная характеристика мяса и мясопродуктов.............................................12

1.2 Преимущество и экономическая эффективность замораживания, как способа хранения мясной продукции........................................................................................14

1.3 Криобиология.........................................................................................................16

1.4. Послеубойные изменения в животной клетке........................................................17

1.5 Влияние замораживания на качество мяса.............................................................20

1.6. Акустическая заморозка........................................................................................22

1.7. Инновационные технологии заморозки, разработанные компанией ООО «Акустическая заморозка»...........................................................................................25

Глава 2. Экспериментальная часть. Сравнительная оценка биологической ценности мяса свинины после холодильного хранения в условиях шоковой и акустической заморозки......................................................................................27

2.1. Мясо после акустической заморозки (гистологическое исследование, фрактальный и цитогенетический анализ). Особенности «акустической» заморозки и ее влияние на гистологические показатели мяса................................................................................27

2.2. Фрактальный анализ белков свежего свиного мяса и после акустической заморозки ....................................................................................................................................30

2.3. Влияние кормления лягушек Xenopus laevis мясом прошедшим акустическую заморозку на эритропоэз и цитогенетические особенности эритроцитов у лабораторных животных.....................................................................................................................36

2.4. Цитологическое исследование мяса после акустичекой заморозки на эритроцитах рыб Danio rerio.............................................................................................................39

2.5. Исследовательская деятельность участников научной группы по изучению биотоксичности мяса свинины, хранящегося при различных криотехнологиях.............42

Выводы.................................................................................................................43

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................................45

РЕФЕРАТ

Проектное обучение

Научно исследовательская работа по проекту:

«Хранение мяса в условиях акустической заморозки и оценка его биотоксичности»

Отчет изложен на 49 страницах, включает 2 таблицы, 18 рисунков, список литературы включает 27 источников.

Ключевые слова: Акустическая заморозка, шоковая заморозка, биотоксичность, фракталы, гистология, микроядерный тест, замораживание, мясо, качество, потребительские свойства.

В работе приведены сведения по объемам производства мясной продукции в Российской федерации. Показана необходимость разработки новых технологий холодильного хранения, обеспечивающие улучшенное качество и безопасность мясной продукции.

Проведен критический анализ методов холодильного хранения и обоснован выбор метода акустической заморозки. В результате совместной работы учащихся школы № 2083, ООО "Акустическя заморозка" и института БИРХ МГУТУ им. К.Г. Разумовского проведены исследования по установлению степени токсичности мяса свинины, подвергнутому холодильному хранению в условиях шоковой и акустической заморозки.

Гистологические исследования свежего свиного мяса и мяса после акустичской и шоковой заморозки показали, что шоковая заморозка приводит к нарушению структуры поперечно-полосаых мышц за счет образовния крупных кристаллов льда во время заморозки. При акустической заморозке образуются мелкие кристаллы льда, которые не деструктируют мышечные клетки в такой степени, как это происходит при индустриальной шоковой заморозке. Это явное преимущество акустической заморозки по сранению со шоковой. Однако межклеточные разрывы мелкими кристаллами льда наблюдаются и при акустической заморозке, что может отразиться на изменеиии структуры белков, входящих в состав мышц.

Фрактальный анализ белков свежего мяса и мяса после акустической заморозки показал, что кристаллизация льда в мышеной ткани приводит к образованию разных типов фракталов. Фрактальный анализ может быть использован для подбора физических факторов при совершенствовании технологии акстической заморозки.

Проведены токсикологические исследования на молоди шпорцевых лягушек Xenopus laevis , которых кормили личинками хирономид калифорнийскими червями Eisenia foetida (контроль), свежим свиным мясом и мясом после акустической заморозки. Исследования показали, что значительных отклонений в цитологичесих показателях красной крови у ляшушек питающихсяя естесственныым кормом (червями) и мясом нет. Такие показатели крови как: образование микроядер, аномалии ядер эритроцитов и изменение структуры ДНК в ядрах эритроцитов при использовании свежего мяса и мяса после акустической заморозки не наблюдается. Мясо после шоковой заморозки лягушками поедается плохо, что указывает на значительную потерю его качества по сравнению со свежим мясом.

Сравнительные исследования по влиянию кормления свежим мясом и мясом после акустической заморозки, проведенные на крови лабораторных рыб Danio rerio, показали, что свежее мясо и мясо после акустической заморозки не вызывает вредных воздействий на красную кровь рыб. Небольшая разница отмечена в крови рыб, питающихся мясом после акустической заморозки - снижениее интенсивности эритропоэза, что, видимо, связано, с деструкцией миоглобина при низких температурах.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Доктриной продовольственной безопасности Российской федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 21 января 2020г., № 20 определены основные задачи продовольственной безопасности страны [2]. К важнейшим задачам относятся:

- достижение и поддержание физической и экономической доступности для каждого гражданина страны безопасных и качественных пищевых продуктов в объемах и ассортименте в соответствии с установленными рациональными нормами потребления, необходимых для активного, здорового образа жизни; - обеспечение безопасности и качества потребляемых пищевых продуктов; - предотвращение внутренних и внешних угроз продовольственной безопасности, минимизация их негативных последствий за счет постоянной готовности системы обеспечения граждан пищевыми продуктами при стихийных бедствиях и других чрезвычайных ситуациях и формирования стратегических запасов качественных и безопасных пищевых продуктов.

Обеспечение продовольственной безопасности возможно за счет создания инновационных технологий производства и хранения продовольственных товаров.

Таким образом, решение задач, декларированных в Доктрине продовольственной безопасности, во многом связано с решением проблемы обеспечения высокого качество продовольствия, закладываемого на хранение.

Что же нужно понимать под термином «качество» и какими средствами оно достигается? Ответ на данный вопрос, по сути, является ключом к решению задачи продовольственной безопасности.

Качество товаров следует рассматривать, как совокупность характеристик, позволяющих обеспечить ожидаемые потребителем функции.

Любой товар может характеризоваться широкой линейкой потребительских характеристик, порой взаимно исключающих друг друга. В связи с этим, товары длительного хранения должны соответствовать узкому, но достаточно обоснованному перечню характеристик, соответствующих задачам хранения. Такие характеристики следует назвать «Ключевыми показателями качества товаров для длительного хранения» (КПКТДХ).

Хранимый товар должен в течение заданного срока сохранять свою пищевую ценность, к числу показателей которой следует отнести: энергетическую, органолептическую, биологическую ценности [3]. Сохранение пищевой ценности продовольственных товаров, фактически, обеспечивается скоростью прохождения ключевых химических, физико-химических, микробиологических и биохимических процессов, идущих в продуктах при их хранении. Контроль этих процессов позволит обеспечить высокое качество товаров в процессе хранения.

В течение хранения качество товаров, как правило, снижается за счет прохождения вышеуказанных процессов. Идут процессы окисления жиров, гидролиза белков, жиров и углеводов, процессы тепломассообмена, на которые расходуются питательные вещества, содержащиеся в хранимых товарах. По истечении времени хранения за счет прохождения этих процессов качество товаров снижается. Пределом срока хранения является время, в течение которого критические показатели качества снижаются до неприемлемого уровня, соответствующего верхней границе показателей «Безопасность».

Прохождение всех биохимических, химических и физических процессов при хранении продовольственных товаров, собственно и определяющих качество продовольствия зависит от температуры хранения. Из законов химической кинетики известно, что с повышением (понижением) температуры на 10 градусов с корость химических реакций увеличивется (снижается) в 2-3 раза. Таим образом, холодильное хранение является одним из основных методов высокого потребительского качества продуктов питания. В связи с этим, исследование новых методов холодильного хранения и происходящих при этом превращениях нутриентного состава продовольственных товаров является актуальной задачей.

Однако в процессе холодильного хранения продовольственные ресурсы животного происхождения могут претерпевать значительные изменения.

Известно, что при наступлении «биологической смерти» клетки включается механизм автолиза, детально описанный академиком А.М. Уголевым [Уголев, А.М. Теория адекватного питания и трофология / А.М. Уголев. - СПб: Наука, 1991. – 270 с.]. Можно предположить, что продукты автолиза – пептиды, аминокислоты, протеолитические и липолитические ферменты представляют собой ксенобиотики по отношению к живому организму, в том числе и человека. При холодильном хранении процессы автолиза существенно замедляются, но полностью не прекращаютсяю. В связи с этим представляет интерес изучить токсическое влияние продуктов автолиза, полученных при различных режимах холодильного хранения. Исследования по нивелированию негативных последствий замораживания впервые были начаты в странах Западной Европы, США и Японии. Изучению свойств криопротекторов в различных биотехнологических объектах и пищевых системах посвящены труды отечественных и зарубежных ученых - Л.А. Сарафановой, А.А. Семеновой, Ф.В. Холодова, С.И. Хвыли,Д.Л. Хаффман, Ж. Лафон, Ж. Лебель, Малдрю, А. Суттон, Б.Е.Харрисон, П. Капела и др.

Сегодня в России производится свыше полутора миллионов тонн мясных полуфабрикатов в год, из них более 65% в замороженном виде. Необходимо, отметить, что сегмент мясных полуфабрикатов в последнее время демонстрирует стабильный рост на уровне 16% в год. Уровень спроса на замороженные полуфабрикаты определяется рядом факторов, среди которых основными являются длительные сроки годности и возможность транспортирования продукции на большие расстояния.

Объектом исследования являтся мясо свинины, как свежее, так и подвергнутое замораживанию различными способами: методом шоковой заморозки и методом акустической заморозки. Свежее мясо и хранившееся при заиморозке было использовано в биологических опытах в качестве корма для биологических объектов – лягушек и рыб – и последующим изучением влияния возможных токсинов на биологических показатели организма животных.

Гипотеза исследования – мясо, хранившееся в условиях акустической заморозки в меньшей степени подвержено автолизу вследствие сохранения третичной структуры белка. При этом следует исходить из версии, что третичная структура белка является стартером запуска процесса автолиза.

Цель исследования – разработать методику биологической оценки биотоксичности мяса холодильного хранения. Изучить влияние вида холодильного хранения на биотоксичность мяса.

Для реализации поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

- изучить физические основы холодильной технологии,

- провести оценку значения криотехнологий для народного хозяйства,

- изучить особенности акустической заморозки,

- провести сравнительный эксперимент холодильного хранения свинины в условиях шоковой и акустической заморозки,

-оценить биотоксичность свинины после хранения в условиях шоковой и акустической заморозки.

Глава 1. Обзор литературы

Физические основы работы холодильной техники

Холодильная машина работает, основываясь на законе Менделеева-Клайперона, описывающем состояние идеального газа:

PV=R0 T,

Где:

P – давление газа;

V- объем, который занимает киломоль вещества;

R 0 - универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль.К);

T – температура, 0Кельвина.

Холодильная машина работает циклично: хладагент, в качестве которого, как правило используют легко летучий газ (воздух, аммиак, углекислый газ, фреоны), поочередно подвергают сжатию при помощи компрессора и расширению. В процессе сжатия газ превращается в жидкость и нагревается, а в процессе расширения в испарителе – газ охлаждается, передавая холод путем теплообменных процессов окружающей среде. Для этого часто используют специальные радиаторы, через которые продувают вентилятором воздух с целью его охлаждения. При этом трубная система радиатора представляет собой часть испарителя, охлаждающегося при расхищении газа [1].

АВ – изотермическое расширение (температура Т1 носителя постоянна);

ВС – адиабатическое расширение (температура до Т2 снижается);

CD – изотермическое сжатие (температура постоянна, тепло Q2 передается холодильнику)

DA - адиабатическое сжатие (температура хладоносителя повышается до Т1).

1.2 Товароведная характеристика мяса и мясопродуктов

Мясо и мясные продукты имеют высокую пищевую и биологическую ценность и отличаются высокой вкусовой привлекательностью. Мясо — это продукт убоя животных в форме туши или части туши, представляющий собой комбинацию мышечной, жировой, соединительной и костной ткани. Самым ценным в пищевых и кулинарных отношениях является мышечная ткань, составляющая от 39 до 62% веса туши. Жировая ткань составляет 3-45%, кости и хрящи – 10-30% и соединительная ткань – 6-12%. Содержание тканей в мясе зависит от типа, возраста, породы и пола животных, а также от условий содержания и кормления.

Сырьем для приготовления кулинарной продукции из мяса являются в основном говядина, баранина, свинина, телятина, значительно реже конина, оленина, мясо диких животных, а также субпродукты. Мясо и субпродукты, используемые для приготовления кулинарной продукции, по качеству должны отвечать требованиям действующей нормативной документации.

Белков в мясе различных животных содержится от 15 до 20%. Основную массу (75 – 85%) составляют полноценные белки, включающие весь комплекс аминокислот, необходимых для построения тканей организма человека.

Полноценные легкоусвояемые белки (миозин, актин, актомиозин, миоген, миоальбумин, глобулин, миоглобин) содержатся в основном в мышечной ткани, что обусловливает ее наибольшую питательную ценность по сравнению с другими тканями.

Миозин – наиболее важный белок мышечной ткани, на его долю приходится 40 – 45% всех входящих в него белков. Миозин характеризуется большой способностью к набуханию, не растворяется в воде, температура свертывания его 45 – 500 C.

Актин составляет около 15% всех белков мышечной ткани. Соединяясь с миозином, он образует сложный белок актомиозин, который не растворяется в воде и, в отличие от миозина и актина, обладает высокой вязкостью.

Миогена содержится в мышечной ткани около 20% всего количества белков. Миоген легко растворяется в воде, при температуре 55 – 65оС свертывается, образуя коричневую пену на поверхности бульона.

Миоальбумин составляет 1–2% количества всех белков мышечной ткани, растворяется в воде, свертывается при температуре 45 – 47оС.

Глобулин в мышечной ткани около 20% всего количества белков, он растворяется в солевом растворе.

Миоглобин является сложным белком, в составе которого имеется железо. На долю миоглобина приходится только до 1% всего количества белков мышечной ткани.

Миоглобин способен вступать в реакцию кислородом воздуха, сероводородом и другими газами.

Коллаген встречается во всех разновидностях соединительной ткани, но особенно много его в сухожилиях и костях. В холодной воде он набухает, но не растворяется. При длительном нагревании в воде температурой 60 – 95оС коллаген разваривается и переходит в глютин, который при охлаждении ниже 40оС образует студень.

Эластин в значительном количестве находится в затылочно-шейной связке, стенках кровеносных сосудов, брюшных мышцах.

Калорийность мяса определяется его химическим составом и усвояемостью, которые в основном зависят от вида, возраста и упитанности животных, а также от части туши [1].

1.2 Преимущество и экономическая эффективность замораживания, как способа хранения мясной продукции

В 2001-2019 годах наблюдается устойчивый рост производства мяса в России. В 2018 году производство всех видов мяса в Российской Федерации составило 10 629,4 тыс. тонн в убойном весе. По отношению к 2017 году оно выросло на 3,0% (на 310,4 тыс. тонн). За 5 лет производство увеличилось на 24,7%, за 10 лет - на 69,3%, за 15 лет - на 112,9% (рисунок 1)[1].

Рисунок 1 – Прирост производства всех видов мяса за последние 20 лет

Мясо и мясные продукты являются традиционными для россиян продуктами питания. По данным Федеральной службы государственной статистики, на их долю приходится более 9% расходов населения на все потребительские товары и услуги и почти треть от общих расходов на покупку продуктов питания и напитков. Динамика производства мяса в России представлена на рисунке 2 [3].

Рисунок 2 - Производство мяса мясной продукции, тыс. тонн (данные Росстата)

Таким образом, разработка новых технологий и систем холодильного хранения является актуальной.

1.3 Криобиология

Исследовать потребительские свойства продовольственного сырья животного происхождения необходимо с позиций биохимических и физиологических процессов, происходящих в живом объекте и в послеубойном периоде. Поскольку значительня часть времени хранения животного сырья происходит при пониженных температурах, такие процессы изучаются разделом науки, которая называется криобиология.

Криобиология (от греч. cryo — холод, bios — жизнь и logos — наука) — раздел биологии, в котором изучаются эффекты воздействия низких температур на живые организмы. Одной из ключевых задач криобиологии, в отношении решения продовольственных прпоблем, является разработка режимов криоконсервации животного сырья с целью его хранения в «квази живом» состоянии. Для этого необходимо обеспечить прохождение всех биологически жизненных процессов с чрезвычайно малой скоростью, но не допускать деструкции тртичной структуры белка, что является стартером запуска процесса автолиза.

Рисунок 3 - Основоположник криобиологии, российский ученый П. И. Бахметьев

Основоположником криобиологии является российский ученый П. И. Бахметьев.

Одним из основных принципов криобиологии является осуществления процессов замораживания и размораживания таким образом, что бы в клетках организма не происходило концентрирование электролитов. Такая технология возможна при переходе жидкой фазы в аморфное состояние, исключающее этап кристаллизации воды.

1.4. Послеубойные изменения в животной клетке

Определяющим условием для формирования качества мяса являются уровень и характер развития автолитических процессов, начинающихся немедленно после убоя животного. Автолиз (или самораспад) это прекращение обмена веществ в тканях в послеубойный период и переход обратимых биохимических процессов в необратимые под действием тканевых ферментов и микроорганизмов. Физико-химические, гистологические и органолептические изменения протекают в мясе после убоя животного, происходя в соответствии с основными этапами автолиза: парное мясо, посмертное окоченение (rigor mortis) - разрешение посмертного окоченения и созревание. Стадия послеубойного хранения мяса, характеризующаяся развитием процесса окоченения, сопровождается различными биохимическими процессами и изменениями в клеточной структуре:

распадом гликогена и образованием молочной кислоты, смещением рН от нейтральной точки в кислую сторону;
распилом высокоэнергетических фосфатов креатинфосфорнов (КФ) и аденозинтрифосфорной (АТФ) кислот;
перераспределением ионов Са2- в клеточных структурах мышечного волокна;
ассоциацией актина и миозина в актомиозиновый комплекс;
изменениями в составе и свойствах гемовых пигментов:
началом процессов окисления жиров;
изменением микроструктуры мышечного волокна.

Интенсивность гликолитических превращений в автолизирующей мышечной ткани различных видов животных определяется предубойным состоянием животного, функциональными особенностями соответствующих мышц и зависит от концентрации гликогена и активности многих ферментов, участвующих в гликолизе.

В процессе посмертного окоченения мышц происходят преимущественно распад гликогена, КФ и АТФ, ассоциация актина и миозина в актомиозиновый комплекс и сокращение гидратации мышц.

Распад гликогена в первые часы автолиза идет преимущественно путем фосфоролиза, который постепенно замедляется к 24 ч после убоя вследствие исчезновения АТФ и накопления молочной кислоты. К этому моменту рН мышечной ткани достигает величины 5,4-5,8 и приближается к изоэлектрической точке белков мышечного волокна. При участии лизосомальных ферментов усиливается амилолитический распад гликогена на фоне снижения величины рН. Уровень изменения этого показателя зависит от прижизненного содержания мышечного гликогена, составляющего в норме около 1% .

В ходе автолиза претерпевают изменения также белки соединительной ткани (коллаген, эластин). В состоянии окоченения они становятся менее лабильными, чем непосредственно после убоя. На стадии посмертного окоченения резко понижается развариваемость коллагена.

При появлении первых признаков окоченения обнаруживаются многочисленные участки деформированных мышечных волокон и прилагающей к ним соединительной ткани.

На стадии посмертного окоченения аромат и вкус мяса плохо выражены, наблюдается понижение гидролиза белков ферментами желудочно-кишечного тракта. Время наступления и продолжительности окоченения зависят от состояния животного перед убоем, скорости охлаждения мяса и температуры хранения, вида животных и их упитанности. Так, при 0 °С говядина находится в состоянии окоченения 2 суток, а при 18 °С – 1 сут.

Таким образом, в процессе созревания мясо приобретает хорошо выраженный аромат и вкус, становится мягким и сочным, более влагоемким и более доступным действию пищеварительных ферментов имеет более высокую пищевую ценность в сравнении с мясом в состоянии посмертного окоченения.

Следует отметить, что при хранении созревшего мяса в асептических условиях при низких положительных температурах под влиянием внутриклеточных ферментов автолитические процессы в мясе продолжаются. На стадии глубокого автолиза происходит разрыв пептидных связей белковых частиц и распад белковых веществ. Причем некоторые из образовавшихся при распаде белков вещества обладают токсическими свойствами. Под действием липаз происходит интенсивный гидролитический распад жиров. При распаде белковых веществ происходит разрушение морфологических структурных элементов мышечной ткани. Изменяются окраска и вкус мяса: оно приобретает коричневый оттенок и неприятный кислый вкус.

На этапе глубокого автолиза мясо может даже стать непригодным для употребления в пищу. Однако в практике промышленной переработки мяса глубокий автолиз практически не встречается, так как микробиальная порча наступает раньше. Как очевидно из сказанного, посмертные изменения. обусловленные содержанием молочной кислоты и величиной рН, имеют важное практическое значение и оказывают существенное влияние на качество мяса, его пищевую ценность и технологические характеристики (потери мяса в процессе обработки, изменение нежности мяса. водосвязывающая способность, аромат и вкус, переваримость под действием пищеварительных ферментов, устойчивость к микробиологический процессам, сроки хранения, уровень потерь воды при тепловой обработке, количество мясного сока, выделяющегося при размораживании.

Поэтому следует определять целесообразность использования мяса на реализацию, хранение или промышленную переработку в зависимости от уровня развития автолитических процессов.

1.5 Влияние замораживания на качество мяса

Замораживание — один из важнейших процессов, обуславливающих функционально-технологические свойства мяса и потребительские характеристики готового продукта. Он обеспечивает длительное низкотемпературное хранение мяса за счет предотвращения развития микробиологических процессов и существенного замедления скорости биохимических и физико-химических реакций. Являясь одним из наиболее распространенных методов консервирования, замораживание при оптимальных условиях осуществления процесса обеспечивает высокую степень сохранения питательной ценности продуктов и их вкусовых достоинств [4].

В соответствии с ГОСТ Р 52427-2005 «Промышленность мясная. Продукты пищевые. Термины и определения» замороженным считается мясо, которое имеет температуру в толще мышц, минус 8°С и ниже.

При замораживании мяса и его хранении при низких температурах в нем происходит целый ряд физико-химических явлений: вымораживание воды, кристаллообразование и структурные изменения в тканях.

Процесс вымерзания воды представляет собой процесс превращения, жидкости в кристаллическое состояние, а его сущность выражается в переходе от структуры жидкости к структуре твердого кристаллического вещества. Для такой многокомпонентной системы, какой является тканевая жидкость, подобный процесс очень сложен. Мясной сок начинает замерзать при температуре -0,6°…-1,2°С [5].

Чем выше скорость замораживания, тем меньше повреждений структуры мышечной ткани и выше качество замороженного продукта [6].

Ускорение процесса замораживания может достигаться путем уменьшения толщины продуктов, понижения температуры охлаждающей среды, увеличения коэффициента теплоотдачи от продукта к среде [4].

При медленном замораживании вода первоначально замерзает во внеклеточных жидкостях и там концентрируется осмотически активный материал. Для восстановления равновесия вода просачивается из клеток во внеклеточные пространства до тех пор, пока выход ее не окажется невозможным. Образующиеся крупные кристаллы льда давят на клетки, вызывая растяжение и частичные разрушения их структур. Так как при медленном замораживании кристаллы льда образуются между пучками волокон и в межклеточных пространствах, происходит сжатие волокон и соединительных образований в пучки.

При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, так как скорость их образования выше скорости перемещения влаги. Поэтому большая часть жидкости оказывается замороженной там, где она находилась до замораживания. В результате этого кристаллы равномерно распределяются в клетках и межклеточных пространствах. Однако внутри волокна кристаллы часто находятся не в центре, а как бы оттеснены к периферии, но в пределах сарколеммы. Благодаря тому, что при быстром замораживании получаются мелкие кристаллы льда, равномерно распределенные по всей поверхности, отражение и рассеивание света от такой поверхности и придает мясу бледно-красный цвет [7].

Снижение потребительского качества мяса при замораживании и последующем хранении происходит:

- за счет потерь питательных веществ (белков, витаминов и др.) вследствие вытекания мясного сока при размораживании;

- ухудшения органолептических показателей качества (цвет, запах, вкус) вследствие окисления пигментов, липидов мяса;

- снижения перевариваемости белков пищеварительными ферментами вследствие агрегирования белков, образования липопротеидных комплексов;

- образования токсичных соединений при глубоком окислении липидов мяса[38].

Потери мясного сырья обусловлены главным образом:

- усушкой мяса вследствие испарения влаги и сублимации льда с поверхности мяса;

- разрушением морфологических элементов тканей кристаллами льда;

- снижением степени гидратации белков и, как следствие, снижения влагосвязывающей способности мяса и увеличением потерь мясного сока при последующем размораживании мяса [8].

1.6. Акустическая заморозка

Различные способы и устройства для замораживания и разрабатываются как средства сохранения их свежести в течение длительного времени. Ранее была разработана для замораживания пищевых продуктов, помещенных на стеллажи переносных тележек установка, содержащую в качестве конструкционных элементов систему подачи низкотемпературного воздуха от турбодетандерных агрегатов через подводящие и отводящие магистрали воздуховодов. Использование данного устройства позволяет обеспечить равномерный обдув замораживаемой продукции, исключить контакт продукции с замораживающей поверхностью, сократить продолжительность процесса замораживания, сохранить высокие качественные показатели продукции. Установка не получила распространения в связи с необходимостью отдельных турбодетандерных агрегатов [9].

В ходе развития технологии замораживания, во избежание усушки овощных полуфабрикатов, расфасованных в вакуумную упаковку, потери ароматических свойств продукции, уменьшения температурных колебаний в ходе процесса, создания щадящих условий для замораживаемой продукции был предложен комбинированный способ замораживания включающий конвекционное частичное замораживание продукта и контактное последующее замораживание на охлаждаемой металлической плите. В этом методе качество овощной смеси зависит от температуры в камере, толщины замораживаемого продукта [10]. Распространение в промышленности получила технология осмотического обезвоживания. Обработка включает обезвоживание фруктов, плодов и ягод с помощью осмотического агента с последующим обезвоживанием в сушильных или в замороженных установках, где содержание влаги снижается и продукт становиться более стабильным [11]. Цвет, потеря влаги, ухудшение текстуры после каждой стадии комбинированного процесса, включающего осмотическую дегидратацию и замораживание в обычном туннеле с воздушным дутьем при температуре -40 °с характеристиками свежих продуктов. Осмотическая дегидратация перед замораживанием приводит к уменьшению изменения цвета и улучшения текстуры [12]. Однако такие методы не приемлемы для блюд и продукции общественного питания. В блюдах и продукции общественного питания часто вода является главным компонентом, в котором находятся рецептурные компоненты. Часть растворимых веществ переходит в водный раствор, образуя гидраты и коллоидные системы. Некоторые рецептурные компоненты сохраняют клеточное строение, у части ингредиентов из растительного или животного сырья в ходе технологического воздействия клеточные структуры разрушаются. Получаемый в результате вкус, текстура, аромат, цвет блюд и продукции характеризирует вкус свежеприготовленного блюда. В ходе процесса хранения органолептические характеристики ухудшаются. При замораживании, образующийся лед, изменяет физическое состояние водной среды блюда. Переход воды в лед воздействует на состав коллоидных систем. То есть для блюд и продукции общественного питания необходимо использовать технологии, максимально сохраняющие их первоначальное качество.

Метод Акустической заморозки (AEF, Acoustic Extra Freezing) обеспечивает контролируемый рост кристаллов в процессе замораживания продуктов питания, при котором создается множество мелких кристаллов внутри клеток. Оборудование AEF минимизирует факторы, негативно влияющие на качество замороженного продукта: ледяные иглы формирующиеся под воздействием постоянного магнитного поля Земли, конкурентный рост кристаллов приводящий к деформации клеток, солевой раствор в межклеточном пространстве, различные химические процессы в замороженном продукте происходящие в процессе хранения, за счет диффузии веществ через поры, образующихся в результате действия льда [13].

Для возможности круглогодичного использования блюд из рыбы в школьном питании предлагается использовать технологию заморозки, включающей на первом этапе процесс глубокого переохлаждения. Глубокое переохлаждение сопровождается созданием акустических волн, которые создают внутри клеточной структуры и в межклеточном пространстве замораживаемого продукта микроскопические ледяные кристаллы. С течением времени воздействия на замораживаемый продукт кристаллы увеличиваются, но при этом не разрушают клеточные оболочки замораживаемого продукта. Даже при длительном хранении кристаллики не соединяются между собой, что и обеспечивает сохранение нативности размороженного продукта и качество замороженного сельскохозяйственного сырья и готовых продуктов, сопоставимых после размораживания со свежими.

1.7. Инновационные технологии заморозки, разработанные компанией ООО «Акустическая заморозка»

Компания "Акустическая заморозка" (генеральный директор Д.Н. Балаболин) работает на рынке инноваций в области криотехнологий более 20 лет. Компания имеет патенты на технологию акустической заморозки. Является разработчиком нескольких серийно выпускаемых отечественной промышленностью моделей низкотемпературных комплексов. Продукция компании с успехом поставляется в более чем 10 стран и их перечень растет. Компания ведет исследования по разработке новых криотехнологий в области хранения объектов растительной и животной природы. Инновационным направлением компании является исследования в области сохранности органов для трансплантации, которые она ведет совмести с учеными 1 ММУ им. Сеченова.

4 октября руководитель компании провел практический семинар для учеников школы, в ходе которого был спланирован эксперимент по сравнительному хранению мяса свинины и исследованию его биотоксичности в зависимости от способа холодильного хранения.

Рисунок 4 – Проведение научно-практического семинара в компании ООО «Акустическая заморозка 4 октября 2021 г.

Глава 2. Экспериментальная часть. Сравнительная оценка биологической ценности мяса свинины после холодильного хранения в условиях шоковой и акустической заморозки

В настоящее время при замораживании продуктов питания. в том числе и мяса, используется шоковая заморозка при 18 и 210С. При этом происходит кристаллизация воды и крупные кристаллы образуются как между мышечными волокнами, так и внутри мышечных клеток. Кристаллы очень часто соединяются между собой и деструктируют мышечную ткань. Клеточные оболочки разрушаются острыми гранями кристаллов льда и зольные компоненты цитоплазмы оказываются вне клеток.

Акустическая заморозка (AEF), в отличие от индустриальной шоковой заморозки (IQF), позволяет избежать данный эффект. Применение новой технологии, разработанной российскими исследователями, согласно литературным данным [14, 15] позволяет при ее использовании значительно уменьшить размеры образующихся кристаллов льда при замерзании, которые располагаются таким образом, что не соединяются[ между собой на протяжении всего времени хранения. Потери веса при длительном хранении составляют всего 2%, от общего веса хранящейся продукции.

Большинство работ по изменению гистологической структуры мясной продукции проведено в сравнительном плане при проведении шоковой заморозки [16]. Практически не изученным остается вопрос об изменении гистологических и цитологических структур в мясе, замороженном методами с применением акустических технологий.

В данном исследовании изменение гистологической структуры свиного мяса изучали при использовании шоковой заморозки и акустической заморозки. В качестве контроля использовалось свежее свиное мясо. Мясо после акустической заморозки было получено для экспериментов и хранилось в холодильнике при температуре 180С в течение двух недель.

Гистологический анализ контрольного свиного мяса, купленного на рынке, сделан после фиксации нейтральным формалинам (24 часа) промывки (24 часа),, гистологической проводки, заливки в парафин, резке на микротоме, окрашивании срезов гематоксилин –эозином и заключением в синтетическую среду [4, 5]. Срезы ориентированы продольно мышечным волокнам (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Гистологический срез поперечно- полосатых мышц (окрашивание гематоксилин-эозин. Ув. 40 х 15)

На срезе различимы отдельные мышечные волокна, соединительно тканная прослойка и ядра в клетках.(Контроль – (В.А. Пчелкина и др.)

Шоковая индустриальная заморозка приводит к разрыву, мышечных волокон и к образованию крупных кристаллов льда, соединенных между собой. При размораживании такая мясная продукция резко теряет свое качество (рисунок 6).

Рисунок 6 - Деструкция мышечных волокон кристаллами льда при шоковой заморозке (гемтоксилин-эозин, Пчелкина и др.)

При акустической заморозке общая структура волокон в мясе сохраняется. Однако внутри волокон видны разрывы из-за образования мелких кристаллов. Особенно это можно отметить на рисунок 7 (верхнее волокно).