Альтернативные технологии - ультразвук в мясной промышленности (по материалам зарубежной литературы)

УДК 637.5.03

Библ. 24

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ -

УЛЬТРАЗВУК В МЯСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Горбунова Н.А., канд. техн. наук ФГБНУ «ВНИИМП им. В. М. Горбатова»

ALTERNATIVE TECHNOLOGIES -ULTRASOUND IN MEAT INDUSTRY

Gorbunova N.A.

The Gorbatov's All-Russian Meat Research Institute Ключевые слова:

ультразвуковая обработка, кавитация, мясное сырье и продукты, инактивация микроорганизмов

Реферат.

В статье представлен краткий обзор современной научно-технической литературы, характеризующей ультразвуковые воздействия на биообъекты, в частности мясное сырье, определены основные направления практического применения ультразвука в мясной отрасли: для контроля показателей качества, инактивации микроорганизмов, совершенствование и интенсификация технологических процессов переработки мяса. Излагаются основные принципы, лежащие в основе воздействия ультразвука на свойства пищевых систем, описаны механизмы и некоторые особенности влияния данного физического фактора на микроорганизмы, а также различные биологические эффекты, возникающие под действием ультразвуковых полей разной интенсивности и частоты. Показано, что более целесообразно применять ультразвук для инактивации микроорганизмов и увеличения сроков годности мясного сырья и продуктов в комбинации с другими методами: давление, тепловая обработка, обработка паром, импульсные электрические поля и др. Приведены примеры и изложены перспективы практического применения ультразвуковых технологий в мясной промышленности. Возникающие при ультразвуковой обработке, положительные эффекты связываются с частичным механическим разрушением волокон мышечной и соединительной тканей, создающим оптимальные условия для ускорения химических процессов в тканях за счет облегчения воздействия ферментов мяса, а также массообменных процессов, таких как посол. Эффективно использование ультразвука при замораживании и размораживании мяса, экстракции вкусо-арома-тических веществ, снижении вязкости. Результаты ряда исследований по использованию ультразвука в мясных технологиях показали достаточно противоречивые результаты оценки его влияния на изменение функционально-технологических свойств мясного сырья.

Keywords:

ultrasound processing, cavitation, meat raw material and products, inactivation of microorganisms

Summary.

The paper presents a brief review of the modern scientific-technical literature that characterizes the ultrasound effects on biological objects, in particular, meat raw material, specifies the main directions of the practical application of ultrasound in the meat sector for the control of quality indicators, inactivation of microorganisms, improvement and intensification of technological processes of meat processing. The principles underlying the ultrasound effect on the food system properties are explained, the mechanisms and some peculiarities of this physical factor effect on microorganisms as well as the different biological effects occurring under the influence of the ultrasound fields of various intensity and frequency are described. The author demonstrates that it is more expedient to use ultrasound for inactivation of microorganisms and prolongation of shelf life of meat raw material and products in combination with other methods: pressure, thermal treatment, steam treatment, pulsed electric fields and others. The examples are given and the prospects for the practical use of ultrasound technologies in the meat industry are outlined. The positive effects occurring upon ultrasound treatment are associated with the partial mechanical destruction of muscle fibers and connective tissue fibers, which creates the optimal conditions for accelerating the chemical processes in tissues due to facilitation of the meat enzyme action, as well as the mass exchange processes such as curing. Use of ultrasound in meat freezing and thawing, extraction of flavor substances and viscosity reduction is effective. The results of several studies on use of ultrasound in meat technologies have shown quite contradictory results of assessment of its effect on changes in the functional technological properties of meat raw material.

Применение ультразвука в пищевой, в том числе мясной, промышленности позволяет существенно ускорить ряд технологических процессов, эмульгирование (за счет высокой скорости сдвига микропотоков); фильтрация (нарушение пограничного слоя); изменение вязкости; экструзия (механические вибрации, снижение трения); ферментная и микробная инактивация (высокая скорость сдвига, прямое кави-тационное повреждение мембраны микробной клетки); ферментация (ускорение ферментных процессов); массо- и теплопередачи и др., а также увеличить коэффициент использования сырья, повысить качество и безопасность продукции.

При прохождении ультразвука в биологических объектах, к которым относится и мясо, частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями, при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой волны, в обрабатываемом объекте могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия на структуру биологических объектов приводят к различным эффектам, физическая природа которых связана с действием факторов, сопутствующих распространению ультразвука в среде: механического, теплового, физико-химического [1].

Практическое применение ультразвука (УЗ) в мясной отрасли развивается в следующих направлениях:

1. Применение волн малой интенсивности (низкоэнергетические колебания, не приводящие к необратимым изменениям в материалах и телах, через которые они распространяются) для неинвазивного (неразру-шающего) контроля, измерения, исследований внутренней структуры сырья и продуктов.

2. Инактивация микроорганизмов, способствующая увеличению продолжительности хранения.

3. Совершенствование и интенсификация технологических процессов (созревание, тендеризация, улучшение функциональных свойств эмульгированных продуктов и др.).

Ультразвук используется как неразрушающий метод для оценки: площади мышечного глазка, толщины шпика, содержания внутримышечного жира в мясе, прогнозирования содержания жира и соли в мясных продуктах, также исследовалась возможность использования УЗ для определения даты убоя скота [2, 3].

Разрыв клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток, а также повреждение ДНК — наиболее очевидное из возможных последствий ультразвукового воздействия на микроорганизмы, вызывающее их гибель [4].

Механизм бактерицидного действия ультразвука на микроорганизмы объясняется двумя теориями: кавитационно-механической и кавитационно-элек-трохимической.

Согласно первой теории считают, что ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней попеременные сжатия и разряжения. В клетке создаются огромные давления, достигающие десятков и сотней МПа, что вызывает механическое разруше-

ние цитоплазматических структур и гибель клетки. Кавитационно-электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкостей и присутствующих в ней газов при образовании кавитационного пузырька. При разрыве пузырька происходит электрический разряд, сопровождающийся резким повышением температуры и образованием в кавитационной полости электрического поля высокого напряжения. При этом пары жидкости и высокомолекулярные соединения в кавитационной полости расщепляются на водород и гидроксильную группу с образованием активного кислорода, перекиси водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивация ферментов и коагуляция белков. Все это обуславливает гибель микробной клетки [5, 6, 7].

Эффективность ультразвуковой обработки зависит от вида микроорганизмов, режимов обработки (интенсивности, частоты, длительности), рН, начальной обсеменности и других факторов. Наиболее опасен для жизнедеятельности микробов высокоинтенсивный низкочастотный УЗ (от 20 кГц до 100 кГц), приводящий, в первую очередь, к их дезинтеграции [8].

Так, исследователями из США показано, что при обработке вакуум-упакованной говядины для увеличения сроков годности более эффективен ультразвук высокой мощности - до 500 Вт-см2, чем низкой - 1,55 Вт-см2 [4].

Однако, большинство публикуемых данных свидетельствуют, что хотя УЗ оказывает влияния на уменьшение количества микроорганизмов в мясе птицы, говядине и свинине и может стать реальной и эффективной альтернативой противомикробных методов, применяемых в настоящее время, антимикробная эффективность ультразвука остается относительно низкой в обычных условиях и более целесообразно применять ультразвук для инактивации микроорганизмов и увеличения сроков годности мясного сырья и продуктов в комбинации с другими методами: давление, мягкая тепловая обработка, обработка паром, импульсные электрические поля и др. [8, 9].

Morild et al. (2011) сообщили, что обработка комбинацией пар-ультразвук (при режимах: 130 °C/3,5...5 атм - 30...40 кГц) поверхности образцов свинины в течение 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 сек. приводила к значительному снижению Salmonella typhimurium, Y. enterocolitica, and E. coli. Однако ими отмечено, что такая непродолжительная обработка пригодна при использовании высокоскоростных линий убоя и не может быть достаточной для создания эффективного антимикробного воздействия на микроорганизмы [10].

Следует отметить, что результаты целого ряда исследований по использованию ультразвука в мясных технологиях показали достаточно противоречивые результаты оценки его действия на изменение функционально-технологических свойств мясного сырья.

Главным образом, это связано с тем, что исследования проводились в различных, часто не сопоставимых условиях - от параметров ультразвуковой обработки (частота, интенсивность, продолжительность и способ воздействия), до объектов исследования, в

качестве которых использовалось мясо разных видов (говядина, баранина, свинина, мясо птицы), мышц (длиннейшая мышца спины, полуперепончатая и др.), а также мясо животных различного возраста и географического региона выращивания.

Так, австралийскими учеными не выявлено влияния ультразвука низкой частоты (600 кГц, 40% и 100% мощности, продолжительность обработки - 10 минут) на изменения текстуры, рН образцов M. longissimus dorsi говядины, отобранных через 24 часа после халяльного убоя, при хранении в течении 7 дней при температуре 4 °C, отмечено, что цвет обработанных мышц был немного светлее, чем не у обработанных УЗ мышц. Применение ультразвука высокой частоты (2 МГц, 60% мощности) более эффективно стимулирует процессы автолиза (созревания) мышечной ткани говядины [4].

Польскими исследователями показано, что ультразвуковая обработка (2,6 МГц, 10 Вт-см2) M. semimembranosus говядины вызывала немедленное повышение рН на 0,2 единицы, которое сохранялось в течение следующих 2-4 часов, но конечное значение pH обработанных и контрольных образцов существенно не различалось [11].

Схожие результаты по изменению рН наблюдались при обработке говядины УЗ высокой интенсивности (12 Вт-см2; 24 кГц, 240 с) при снижении напряжения сдвига и прочности на сжатие. Jayasooriya и соавт., (2007) предположили, что это может быть объяснено конформационными изменениями, связанными с денатурацией белка при ультразвуковой обработки и про-теолитической деградацией мышечных волокон [12].

Исследования воздействия ультразвука низкой интенсивности (1,55 Вт-см2) на изменение сопротивление сдвигу, цвет и срок годности упакованных в вакуум образцов полусухожильной мышцы говядины, обработанных в течение 8, 16 или 24 минут, не выявили существенных различий по сравнению с контрольными образцами. Отмечено, что количество микроорганизмов после обработки ультразвуком было снижено, но к концу срока хранения (30 дней) различий также не наблюдалось [13].

Рядом авторов показано, что образцы мяса, подвергнутые УЗ-обработке (2 минуты, 45 кГц, 2 Вт-см2) имели максимальную водоудерживающую способность, типичную для мяса в заключительной стадии автолиза, изменения миофибриллярных белков и выдвинули предположение, что УЗ интенсифицирует процесс созревания говядины [14].

Большинство исследователей отмечает влияние УЗ-воздействия на повышение нежности мяса, которое объясняется как прямым действием - через физическое ослабление мышечной структуры или косвенным - повреждение/разрушение клеточных мембран ведет к высвобождению катепсинов из лизосом клеток и/или ионов Са++, ускоряя протеолиз [6, 15]. Изучение микроструктуры мяса, обработанного ультразвуком с помощью электронной микроскопии показало выраженные изменения в структуре миофибрилярных и саркоплазматических белков [8, 14].

Возникающие при ультразвуковой обработке положительные эффекты связываются с частичным механическим разрушением волокон мышечной и соединительной тканей, что создает оптимальные условия для ускорения химических процессов в тканях за счет облегчения воздействия ферментов мяса, а также массо-обменных процессов, таких как посол, который наиболее активно исследовался в период 2003-2014 гг. [6, 11].

Однако, несмотря на значительный объем, проведенных исследований, до настоящего времени выбор оптимальных параметров УЗ-обработки мяса при посоле, а также и других технологических процессах, носит эмпирический характер.

Учеными Департамента пищевой химии и технологии и Школы сельского хозяйства и пищевой науки университета г. Дублина Ирландия [16] проведены исследования по изучению влияния мощного ультразвука на ускорение посола свинины. Ими отмечено, что ультразвуковая обработка способствует ускорению массопереноса в пищевых продуктах, в частности, вследствие возникновения эффекта кавитации, которая приводит к «взрыву» микроскопических пузырьков газа в жидкости, микро-водоструйным, акустическим эффектам и изменениям структуры в тканей биообъектов при воздействии звуковых волн на частотах 16-100 кГц.

Образцы m. longissimus thoracis и lumborum через 48 часов после убоя с рН более 5,5 подвергались воздействию ультразвуковых колебаний (мощность 900 В) в специальной ванне, в которую также погружали ультразвуковые зонды (каждый набор обеспечивал мощность обработки 40, 56 или 72 Вт-см2 соответственно) и обрабатывались в течение 2, 4 или 6 часов на специальной установке.

При всех мощностях УЗ-обработки, желаемый уровень содержания поваренной соли (2,25±0,05%), был достигнут в течение 2 часов, в тоже время для контрольных образцов требовалось 4 часов. Установлено, что УЗ-обработка не оказывает существенного влияния на изменение качества и органолептические характеристики исследуемых образцов свинины. Однако установлен более выраженный вкус у образцов свинины, подвергнутой более мощному воздействию ультразвуковых колебаний, также показано, что совместное действие УЗ-ванны и двух УЗ-зондов на 40 или 56 Вт-см2 каждый привело к большим потерям массы, чем контрольного образца (p <0,001), возможно из-за потерь белка.

Сравнение эффективности посола образцов свинины (Longissimus dorsi) в рассоле хлорида натрия и при 3-х способах обработки: 1 - погружение в рассол (статический покой), 2 - вакуумное тумблирование или 3 - ультразвуковая обработка при низкой частоте (20 кГц) и низкой интенсивности (2-4 Вт-см2) показало, что ультразвуковая обработка и тумблирование вызвали благоприятные микроструктурные изменения в ткани мяса, улучшили его ВУС и текстуру по сравнению с посолом в состоянии покоя (статические условия). Ультразвуковое воздействие значительно

усиливает диффузию соли в мясе. Так, установлено, что коэффициент диффузии экспоненциально возрастает с увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний [17].

Учеными ВНИИМП для интенсификации посола мяса в рассоле рекомендован частотный диапазон от 15 кГц до 47 кГц [18].

Carcel J. с соавторами доказали, что солевой раствор проникает в толщу мяса активнее при использовании ультразвуковой обработки высокой интенсивности [19]. Ими предположено, что УЗ-обработка вызывает интенсивную кавитацию в рассоле, вблизи поверхности твердого тела происходит образование микроструй, которые, воздействуя на твердую поверхность, вызывают дополнительные микроинъекции рассола в мясо.

Аналогичные результаты по ускорению посола мяса ультразвуком интенсивностью 4, 2, 11 или 19 Вт-см 2 получены ирландскими учеными [20].

Также применима ультразвуковая обработка в областях, требующих контроля за размерами и скоростью роста кристаллов льда при замораживании продуктов питания.

Исследования Zheng & Sun показали, что ультразвук обеспечивает получение мелких равномерно расположенных кристаллов при замораживании, что предохраняет клетки от повреждения и сохраняет, таким образом, целостность структуры продукта [21].

Майлз и соавт. [22] предложили использовать УЗИ высоких частот (500 кГц) и интенсивностью 0,5 Вт-см2 для размораживания мяса. Результаты показали, что скорость нагрева оттаявшей зоны увеличивается при повышении интенсивности ультразвука и его частоты и достигает своего наивысшего пика, когда ультразвуковые колебания распространяются параллельно мышечным волокнам. Ученые предложили рациональные параметры для размораживания мяса: частота не ниже 430 кГц и не выше, чем 740 кГц. Повышение частоты обработки привело к более интенсивному нагреву и слабому проникновению ультразвука в образцы мяса. Ими показано, что режим ультразвуковой обработки с частотой 500 кГц и интенсивностью 0,5 Вт-см2 обеспечивает оттаивание, проходящее без чрезмерного нагрева поверхности мяса, ведущего к денатурации белков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Chandrapala, J., Oliver, C., Kentish, S., Ashokkumar, M. (2012). Ultrasonics in food processing, Ultrason. Sonochem. doi:10.1016/j.ultsonch.2012.01.010e

2. Jose Luis Nunes, Martín Piquerez, Leonardo Pujadas, Eileen Armstrong, Alicia Fernández, Federico Lecumberry Beef quality parameters estimation using ultrasound and color images // 9th IAPR conference on Pattern Recognition in Bioinformatics Stockholm, Sweden. 21-23 August 2014,

3. Fulladosa E., De Prados M., García-Perez J.V., Benedito J., Muñoz I., Arnau J. and Gou P. Determination of dry-cured ham composition using X-ray absorptiometry and ultrasound technologies, 59th International Congress of Meat Science and Technology, 2013, Izmir, Turkey, S7B-3

4. Midgley J., Small A. Review of new and emerging technologies for red meat safety// Final report Meat & Livestock Australia, June 2006, p. 38-39

В работе Seshadri, Weiss, Hulbert, & Mount исследуется возможность ультразвука влиять на вязкость продукта [23]. Ими, в частности, доказано, что кавитация вызывает сдвиг, который в случае тиксотропной жидкости приводит к снижению вязкости.

Эффективно использование ультразвука при экстракции вкусо-ароматических веществ из растений, таких как лавр, розмарин, тимьян, орегана, тубероза [24], экстракты которых используются при производстве мясной продукции. Метод ультразвуковой экстракции эффективнее, чем паровая дистилляция и экстракция перегретой жидкостью, в результате чего получают более ценные экстракты, благодаря более эффективному извлечению летучей фракции, которая дает аромат, подобный естественному аромату растений. Время экстракции предложенного метода в 18 раз меньше, чем паровой дистилляции и в 2,5 раза меньше, чем экстракцией перегретой жидкостью.

Специалисты ВНИИМП им В.М. Горбатова, также проводят работы, направленные на исследование возможности применения ультразвука в мясной промышленности. Проведены исследования влияния ультразвука на ускорение посола [18], разработана технология вкусо-ароматических эмульсий СО2-экстрактов пряностей с использованием ультразвука, которая позволяет стабилизировать качественные показатели мясных продуктов.

Как одна из эффективных пищевых технологий, ультразвук может быть применен не только, чтобы улучшить качество и безопасность обработанных продуктов, но имеет потенциал для ускорения протекания технологических процессов, создания новых продуктов с уникальными функциональными возможностями, методов оценки качества мясного сырья и требует проведения научных исследований, направленных на глубокое исследование механизмов воздействия УЗ на биологические объекты и определение оптимальных режимов их обработки. a

© КОНТАКТЫ:

Горбунова Наталия Анатольевна a ngorbunova@vniimp.ru

5. Perel'man, M.I., Moiseev, B.C. Baktericidnoe dejstvie ul'trazvuka // Problemy texniki v medicine. - Taganrog, 1980. - 38-41 (Перельман, М.И., Моисеев, B.C. Бактерицидное действие ультразвука // Проблемы техники в медицине. -Таганрог, 1980. - 38-41).

6. Fulya Turanta^, Gülden Ba^yigit K1I19, Birol K1I19 Ultrasound in the meat industry: General applications and decontamination efficiency// International Journal of Food Microbiology, 198 (2015), р. 59-69

7. Leong, T., Ashokkumar, M., Kentish, S. (2011). The fundamental of power ultrasound. A review. Acoustics Australia, 2 (39), 54-63

8. Dolatowski Z.J., Stadnik J., Stasiak D. Application of ultrasound in food technology// Acta Sci. Pol., Technol. Aliment. 6(3) 2007, 89-99

9. Piyasena P., Mohareb E., McKellar R.C., 2003. Inactivation of microbes using ultrasound: a review// J. Food Microbiol. 2003, 87, 207-216

10. Morild, R.K., Christiansen, P., Sorensen, A.H., Nonboe, U., Aabo, S., 2011. Inactivation of pathogens on pork by steam-ultrasound treatment//. J. Food Prot. 5, 769-775

11. Corina Gambuteanu, Veronica Filimon, Petru Alexe Effects of ultrasound on technjlogical properties of meat. A review // Annals. Food Science and Technology, 2013, www.afst. valahia.ro

12. Jayasooriya, S.D., Torley, P.J., D'Arcy, B.R ., Bhandari, B.R. (2007). Effect of high power ultrasound and ageing on the physical properties of bovine Semitendinosus and Longissimus muscles/.Meat Scie, 75, 628-639

13. Pohlman F.W., Dikeman M.E., Zayas J.F. The effect of low-intensity ultrasound treatment on shear properties, color stability and shelf-life of vacuum-packaged beef semitendinosus and biceps femoris muscles. Meat Sci. 1997 Mar; 45(3):329-37

14. Stadnik, J., Dolatowski, Z., Baranowska, H.M. Effect of ultrasound treatment on water holding properties and microstructure of beef (m. semimembranosus) during ageing// Food Science and Technology, 2008, Vol. 41, Issue 10, December 2008, Pages 2151-2158

15. Jayasooriya S.D., Bhandari B.R., Torley P., D'Arcy B.R., 2004. Effect of high power ultrasound waves on properties of meat: a review. Int. J. Food Prop. 7, 2, 301-319

16. Ciara K. McDonnell, James G. Lyng, Joshua Arimi, Paul Allen The accelerated curing of pork using power ultrasound: a pilot-scale production trial//59th International Congress of Meat Science and Technology, 2013, Izmir, Turkey, S7A-5

17. I. Siró, Cs. Vén, Cs. Balla, G. Jónás, I. Zekeb, L. Friedrich Application of an ultrasonic assisted curing technique for improving the diffusion of sodium chloride in porcine meat// Journal of Food Engineering, Vol. 91, Issue 2, March 2009, Pages 353-362

18. Zayas, J.F., and Gorbatow, W.M.

19. J.A. Carcel, J. Benedito, J. Bon, A. Mulet // Meat Scienc. -2007. - p. 611 - 619

20. C.K. McDonnell, J.G. Lyng, P. Allen The use of power ultrasound for accelerating the curing of pork//Meat Science,Volume 98, Issue 2, October 2014, Pages 142-149

21. Zheng, L. Innovative applications of power ultrasound during food freezing processes - a review / L. Zheng, D.W. Sun // Trends in Food Sci. & Technol. -2006. - 17. - p. 16 - 2

22. Miles, C.A; Morley, M.J; Rendell, M., High powerultrasonic thawing of frozen foods// J. of Food Engineering, 1999, 39, 151- 159

23. Seshadri, R. Ultrasonic processing influences rheological and optical properties of high methoxyl pectin dispersions / R. Seshadri, J. Weiss, G.J. Hulbert, J. Mount // Food Hydrocolloids. - 2003. - 17. - p. 191 - 197

24. Roldán-Gutiérrez, J.M., Ruiz-Jiménez, J., Luque de Castro, M.D. Ultrasound-assisted dynamic extraction of valuable compounds from aromatic plants and flowers as compared with steam distillation and superheated liquid extraction. Talanta, № 5, 2008, p. 1369-1375.

2016 | №2 BCE O MflCE