СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛАГЕНОВОГО ПОЛУФАБРИКАТА ИЗ СВИНЫХ ШКУРОК
METHOD FOR PRODUCTION OF COLLAGENIC SEMI-PRODUCT OF PORK SKINS

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано при производстве широкого спектра продуктов питания, таких как колбасные изделия, эмульгированные мясопродукты, консервы, а также для производства колбасных оболочек из коллагенсодержащего сырья.
Широко известны способы получения коллагенового полуфабриката из коллагенсодержащего сырья путем его ферментативного гидролиза (А.с. 511062, М.Кл. 2 A23J 1/10. Способ производства коллагеновых растворов / В.М.Горбатов, О.О.Баблоян, П.М.Голованова и др. - №2032299/13; Заявлено 07.06.74; Опубл. 25.04.76; Патент РФ №2181548, опубл. 27.04.2002, заявка 2000120782/13, 10.08.2000, Способ получения ферментативного, гидролизата / Ермишина И.Г., Бреславский В.П.; Патент РФ №2259779, опубл. 10.09.2005 г. Способ получения коллагеновой дисперсии / Антипова Л.В., Глотова И.А., Дворянинова О.П.).
Однако большинство из предлагаемых способов требуют применения дорогостоящих растворов, в частности ферментов. Кроме того, далеко не все виды: коллагенсодержащего сырья, переработанные в соответствии с перечисленными выше технологическими решениями, дают безопасные для пищевых целей коллагеновые полуфабрикаты.
Известен способ получения полифункционального коллагенового препарата [Патент №2059383, опубл. 10.05.1996, Способ получения полифункционального коллагенового препарата / Вайнерман Е.С., Курская Е.А., Кулакова В.К. и др. A23J 1/10, С09Н 1/00, С09Н 3/00], включающий механическую обработку и измельчение коллагенсодержащего сырья, промывку водой и щелочно-солевым раствором с содержанием хлорида натрия не более 0,3% при pH не более 12 при введении не более 1 мас.% перекиси водорода, подкисление коллагеновой массы раствором HCl до pH 4-6. Далее полученную массу промывают водой 1-2 раза от избытка солей, а затем повторно обрабатывают разбавлением (0,1-0,5% раствором щелочи при гидромодуле 2-2,5 в течение 10-20 ч при температуре 20-23°С, либо в течение 1,5 суток при температуре 4-8°С. Общая продолжительность процесса составляет от 10 ч до 7 суток.
2
В соответствии с изобретением [Способ получения белкового продукта из коллагенсодержащего сырья, Патент №2227507, опубл. 27.04.2004, заявка 2002117932/132002117932/13, 05.07.2002 / Титов Е.И., Апраксина С.К., Митасева Л.Ф., Соколов А.Ю.] модификацию коллагеносодержащего сырья (свиных шкур) осуществляют неорганическими соединениями путем щелочно-солевой обработки в растворах гидроксида натрия (концентрацией 5-15 мм) и хлорида натрия (концентрацией 6%), с последующей нейтрализацией раствором соляной кислоты, при этом после каждой стадии сырье промывают в растворе хлорида натрия. Обработку проводят в течение 13-25 ч.
Известен способ получения коллагенового полуфабриката методом кислотной обработки, который позволяет снизить его прочность за счет «разрыхления» молекулярной структуры коллагена [Хлебников В.И. Совершенствование технологии полукопченых колбас путем биотехнологической обработки низкосортного мясного сырья [Текст]: обзорная информация / В.И.Хлебников, И.А.Жебелева, Л.Д.Волкова. - М.: АгроНИИТИММП, 1994. - 24 с.]. Такая обработка позволяет также ускорить разваривание сырой свиной шкурки в составе продукта [Антипова Л.В. Основы рационального использования вторичного коллагеносодержащего сырья мясной промышленности [Текст] / Щ.В.Антипова, И.А.Глотова. - Воронеж: Издательство ВГТА, 1997. - 248 с.; Алешин А.Д. Совершенствование процесса подготовки коллагеносодержащего сырья к экстракции желатина [Текст] / А.Д.Алешин, Н.Н.Мизерецкий // Мясная индустрия. - 2004. - №3. - С.35-36].
Известен кислотный способ обработки свиной шкуры в 1%-ном растворе соляной кислоты в течение 12-24 ч [Хлебников В.И. Совершенствование технологии полукопченых колбас путем биотехнологической обработки низкосортного мясного сырья [Текст]: Обзорная информация / В.И.Хлебников, И.А.Жебелева, Л.Д.Волкова. - М.: АгроНИИТИММП, 1994. - 24 с.], при котором происходит интенсивное набухание коллагена.
Известен способ щелочно-солевой обработки свиной шкурки и рубца КРС неорганическими соединениями, разрешенными в качестве добавок в пищевой промышленности для разрыхления белковых структур [Хвыля С.И. Влияние модификации на гистологическую структуру коллагеносодержащего сырья, используемого при получении пищевых продуктов [Текст] / С.И.Хвыля, А.Ю.Соколов, С.К.Апраксина // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - №5. - С.63-64]. Гистологический анализ структуры обработанного сырья, а также изучение их методом световой микроскопии позволили установить, что под влиянием щелочи, кислоты и соли происходит набухание, частичный распад и фрагментация коллагеновых волокон. Однако полученные данные свидетельствовали об отсутствии существенных нарушений в нативной структуре коллагена свиной шкурки, в отличие от кератина, который менее устойчив к действию гидроксил-ионов, ослабляющих и разрушающих дисульфидные связи. В свою очередь, щелочно-солевая обработка рубца КРС способствует формированию более гомогенной структуры, меньшей дифференциации коллагеновых волокон. Отмечается, что взаимодействие коллагена изучаемых образцов с водой при тепловой обработке вызывает образование высокомолекулярных студнеобразных структур, схожих с сетчатым каркасом.
Известен усовершенствованный способ щелочно-солевой обработки коллагеносодержащего сырья [Титов Е.И. Рациональный способ переработки коллагеносодержащих субпродуктов [Текст] / Е.И.Титов, С.К.Апраксина, Л.Ф.Митасева, В.Н.Новикова // Мясная индустрия. - 2006. - №9. - С.28-30]. Комплексный анализ основных химических, структурно-механических и биологических свойств нового белкового продукта показал наличие определенных изменений при щелочном гидролизе структуры коллагена рубца КРС, приводящих к улучшению консистенции и переваримости разработанного продукта.
Недостаток описанных способов, объединенных общим признаком, заключающимся в использовании небезопасных химических реагентов для проведения кислотной и щелочно-солевой модификации коллагеносодержащего сырья, который не позволяет достичь сформулированного ниже технического результата, заключается в ухудшении показателей безопасности готового полуфабриката и низкой экологичности технологического процесса. Кроме того, полученный в ходе такой кислотной обработки коллагеновый полуфабрикат обладает невысокими значениями показателя активной кислотности pH=2,9-3,2 ед., что неприемлемо по технологическим соображениям.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ производства коллагенового полуфабриката из свиной шкурки [Патшина М.В. Способ производства коллагенового полуфабриката из свиной шкурки [Текст] / М.В.Патшина, Т.П.Перкель, В.Я.Карташев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. - №1. - С.72-74] при использовании для набухания сырья растворов молочной, лимонной и соляной кислот. Установлено, что существенные изменения степени набухания и усилия резания свиной шкурки происходят в первые 24 часа обработки в растворах органических (лимонной, молочной) и неорганических кислот (пищевод соляной кислоты марки А). Отмечено, что повышение концентрации кислот в растворах при pH=2-3 сопровождается интенсивным водопоглощением и размягчением объекта исследования. Обработка свиной шкурки в средах, с регулируемыми значениями pH, позволяет сократить продолжительность гидролиза коллагена, произвести его дезодорацию, обеспечивает отбеливание и обезжиривание сырья, повышение санитарного состоянии сырья, увеличение его влагосвязывающей способности (ВСС) (с 1,1 до 2,9 г/г белка), а также более технологически приемлемое значение рН=5,7 ед. Недостатком данного способа является использование высококонцентрированной соляной кислоты (pH=2,0 ед.) для модификации коллагеносодержащего сырья, что является небезопасным при организации технологического процесса и его контроле. Кроме того, при высоких уровнях замены мясного сырья в технологиях производства колбасных мясопродуктов возможно ухудшение органолептических показателей готовых изделий за счет появления кисловатого привкуса.
Техническим результатом изобретения является повышение экологичности технологического процесса, улучшение показателей безопасности готового полуфабриката и влагоудерживающих показателей готовой продукции без ухудшения ее органолептических показателей, путем исключения небезопасных химических, высококонцентрированных кислот и щелочей при получении коллагенового полуфабриката из каллогеносодержащего сырья для его использования в технологии продуктов питания, а также обеспечение технологически предпочтительных значений pH коллагенового полуфабриката на уровне pH=5,7-5,9 ед.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве среды для выдержки коллагеносодержащего сырья используется водный раствор поваренной соли, приготовленный на основе анолита (pH=2,0-2,2 ед.) и католита (pH=11,0-11,2 ед.) электрохимически-активированной воды, которые получают из слабоминерализованной воды в диафрагменном электролизере.
Известны результаты исследований по определению качественных показателей электрохимически-активированной воды, в сравнении с питьевой водой, что позволяет рекомендовать электрохимически-активированную воду и ее фракции (католит и анолит) к применению в пищевой отрасли как экологически чистых и безопасных компонентов [Прилуцкий В.И. Электрохимически активированная воды: аномальные свойства, Механизмы биологического действия [Текст] / В.И.Прилуцкий, В.М.Бахир. - М., 1995. - 398 с.]. Путем смешивания полученных в результате электрохимической обработки фракций регулируют значения pH системы до требуемых значений.
Сравнение результатов выдержки коллагеносодержащего сырья в жидких средах, полученных различными способами, проиллюстрировано теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Молекулярное моделирование модификации коллагена в различных жидких средах, определение его конформационного состояния и квантово-химические расчеты молекулы белка реализованы с использованием коммерческой программы HyperChem Professional 7.1.
Пространственная модель молекулы тропоколлагена построена с использованием электронного каталога белков RCSB Protein Data Bank [Protein Data Base [Электронный ресурс]. - http:\\www.rcsb.org\pdb] и трансформирована под формат программы HyperChem Professional 7.1.
Геометрическую оптимизацию молекулы тропоколлагена осуществляли методами молекулярной механики, реализованных в HyperChem Professional 7.1, рекомендуемых для белков и нуклеиновых кислот метод AMBER, - который позволяет выбрать опцию либо учета всех атомов по отдельности, либо опцию объединенного атома, под которым подразумевается группа эквивалентных атомов с одинаковыми свойствами. В качестве алгоритма оптимизации выбран метод сопряженных градиентов Полака-Рибири. Расчет частичных зарядов на атомах исследуемого фрагмента молекулы осуществляли с использованием полуэмпирического квантово-химического метода CNDO [Соловьев М.Е. Компьютерная химия [Текст] / M.E.Соловьев, М.М.Соловьев. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 536 с.].
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 изображена карта распределения электростатического потенциала фрагмента тропоколлагена в анолите.
На фиг.2 изображена SD-карта распределения электростатического потенциала фрагмента тропоколлагена в анолите.
На фиг.3 показано распределение электронной плотности фрагмента тропоколлагена в католите.
Результаты расчета частичных зарядов на томах фрагмента тропоколлагена в анолите, а также двумерная карта распределения электростатического потенциала, представлены на фиг.1 и 2.
Анализ фиг.1 и 2 позволяет констатировать, что протонирование электроотрицательных участков тропоколлагена приводит к нарушению практически всех водородных связей между его полипептидными цепочками. Происходит отдаление полипептидных цепочек друг от друга за счет электростатического отталкивания, проявляемого в результате формирования областей с высокой электронной плотностью вдоль оси спирали. Следует отметить формирование новых водородных связей между участками аминокислотных остатков полипептидов и молекулами воды, а отдельные молекулы воды проникают в область между полипептидными цепочками, что свидетельствует о начале процесса гидратации.
В щелочных средах проявляются кислотные свойства белка, связанные с диссоциацией иона водорода и образования молекулы воды с избытком гидроксилионов в таком растворе. Квантово-химические расчеты для тропоколлагена в нейтральных водных средах показали, что атака нуклеофильных агентов (гидроксилионов) будет направлена на области дефицитом электронной плотности - положительно заряженные концевые группы аминокислотных остатков полипептидных цепей белка (атомы водорода оксипролина).
В щелочном растворе атомы водорода -ОН группы оксипролина будут диссоциировать в раствор с избыточным содержанием гидроксилионов с образованием молекул воды и перераспределением зарядов на участках аминокислотного остатка.
Распределение электронной плотности фрагмента тропоколлагена в католите представлено на фиг.3.
В результате пересчета частичных зарядов на атомах аминокислот и оптимизации геометрии молекулы в растворе щелочи наблюдается разрушение водородных связей между полипептидными цепочками тропоколдагена. Одновременно образуется большое число водородных связей между концевыми участками оксипролина, ориентированных к растворителю. Однако процесс гидратации активизируется вдоль поверхности молекулы белка и менее интенсивно протекает в области между полипептидными цепями спирали тропоколлагена.
NaCl
С целью практического обоснования заявляемого технического результата проведена серия исследований. Для модификации свиной шкурки ее пластовали и заливали предварительно приготовленном рассолом поваренной соли (C=10%) на основе: кислой (pH=2,0 ед.) и щелочной (pH=11,0 ед.) фракций электрохимически-активированной воды; 1%-го раствора химического регулятора кислотности БП-2/ВР-2 (pH=2,0 ед.). Выдержку проводили в холодильной камере при температуре 4±2°С в течение 24 часов. Исследовали физико-химические свойства коллагенового полуфабриката (показатель активной кислотности, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), вязкость экстракта) (таблица 1).
Таблица 1
Основа раствора
pH, ед.
ОВП, мВ
Вязкость экстракта, η·10<sup>3</sup>, Па·с
Католит
6,56
110
2,037
Анолит
6,20
108
1,669
ВР-2
3,11
172
1,736
Из таблицы видно, что коллагеновый полуфабрикат по истечении 24 часов выдержки в католите обладает максимальным значением pH, а также ОВП в области нейтральных значений. При этом отмечается наибольшая вязкость экстракта, что свидетельствует о более высокой степени экстракции соле- и щелочерастворимых белков в раствор и более высокой степени гидратации свиной шкурки.
Полученные по итогам выдержки гидролизат свиной шкурки измельчали в куттере с добавлением того типа воды, который был ранее использован для приготовления раствора поваренной соли, в соотношении 1:1. Сравнительная характеристика физико-химических и структурно-механических характеристик измельченного коллагенового полуфабриката представлена в таблице 2.
Таблица 2
Тип воды
Липкость, Па
pH, ед.
ОВП, мВ
Католит
260
6,59
66
Анолит
364
6,22
79
ВР-2
128
3,29
132
Анализ данных таблицы 2 свидетельствует о том, что наилучшим сочетанием физико-химических и структурно-механических свойств, с позиции их технологического использования в технологии мясопродуктов, обладает коллагеновый полуфабрикат, полученный путем модификации свиной шкурки в католите и анолите. Для данных систем отмечаются наиболее приемлемые, с технологической точки зрения, показатели pH (6,59 и 6,22 ед. соответственно) и ОВП.
Предлагаемый способ может быть проиллюстрирован следующим примером промышленной реализации.
Для получения католита электрохимически-активированной воды с требуемыми показателями активной кислотности (pH=11,0 ед.) использовали установку типа СТЭЛ-10К-120-01 (мод. 20-03). Раствор поваренной соли, концентрацией 10%, готовили в емкостях с мешалкой путем ее растворения в католите.
Свиную шкурку, полученную при разделке свинины, освобожденную от прирезей жира и остатков щетины пластовали, укладывали в тележки и заливали активированным раствором в соотношении 1:3. Выдержку проводили в холодильной камере при температуре 4±2°С в течение 24 часов. По истечении времени выдержки гидролизат свиной шкурки измельчали в куттере с добавление католита в количестве 1:1. Полученный полуфабрикат использовали при составлении фарша вареной колбасы «Губернская» (ТУ 9213-037-00420989-05), предусматривая 10-процентную замену мясного сырья. Составление фарша и измельчение сырья проводили в куттере К324 (Seydelmann), термообработку вели в универсальной термокамере КОН-5. Сравнение заявленного способа с прототипом по пяти пробным партиям вареной колбасы позволило получить следующие результаты.
Таблица 3
Определяемый параметр
Способ модификации
Прототип
Заявленный
Содержание общей влаги, %
68,5±0,4
70,3±0,4
Влагоудерживающая способность, %
89,0±0,5
94,5±0,5
Выход, %
108,2±0,5
115,5±0,5
Из рассмотренного примера следует, что предложенный способ реализуется в промышленном масштабе. При этом готовые изделия, при производстве которых использовали коллагеновый полуфабрикат из свиной шкурки, приготовленные по заявленному способу, отличается большим содержанием влаги, более высокой влагоудерживающей способностью и, как следствие, большим выходом.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, в том числе, в промышленных условиях, а также о возможности достижения указанного технического результата при воплощении и совокупности его признаков.