Г. М. Браун и М. Н. Холл, Campden and Chorleywood Food Research Association
9.1.Введение
Поскольку рынок охлажденных продуктов расширился и стал более конкурентоспособным, повысились требования к разнообразию, качеству и продолжительности срока хранения. Для удовлетворения этих требований со всей ответственностью, с соблюдением безопасности при сохранении прибыльности необходимо понимать и учитывать факторы, влияющие на безопасность продукта и его качество. Если опираться на это понимание и знания, многих проблем можно избежать, используя формализованный подход НАССР к определению критических контрольных точек, влияющих на качество и безопасность, и реалистически прогнозировать срок хранения. Рассмотрение этих вопросов на начальном этапе разработки продукта в максимальной степени повышает вероятность получения продукта, соответствующего ожиданиям потребителя и обладающего необходимой конкурентоспособностью. Пища — это, вероятно, наиболее химически сложное вещество, с которым встречается большинство людей. В натуральной растительной пище встречается более полумиллиона соединений, кроме того, в результате обработки, приготовления и хранения пищевых продуктов количество соединений увеличивается за счет образования новых. От этих соединений зависит внешний вид, аромат, текстура и питательная ценность пищевого продукта (качество), а также его физиологическое воздействие (безопасность).
Немикробиологические факторы, которые влияют на качество и безопасность охлажденных продуктов, можно разделить на химические, биохимические и физикохимические. Каждый из них зависит от свойств продукта (например, pH и активности воды) и условий, в которых он хранится (например, от температуры и газовой среды).
Для достижения высокого качества первостепенное значение имеет внимание к выбору сырья, так как последующая обработка не может компенсировать низкое качество сырья. Это особенно верно для охлажденных продуктов, для которых ощущение «свежести» — один из самых важных критериев при покупке.
Химические, биохимические и физико-химические факторы редко действуют независимо, но такое деление факторов на группы создают удобную основу для обсуждения. Эти факторы не всегда являются вредными, и в некоторых случаях они необходимы для развития желаемых свойств продукта. Ниже мы представим некоторые характеристики химических, биохимических и физико-химических реакций и приведем примеры, характерные для охлажденных продуктов.
Характеристики химических реакций
Химические реакции протекают, если имеются реагенты в соответствующей форме и если превышен энергетический порог активации реакции. Присутствие неорганических катализаторов уменьшает энергетический порог активации и ведет к протеканию реакции, которая без них не имела бы места. Скорость реакции зависит от концентрации реагентов и температуры. Увеличение температуры ускоряет случайное движение молекул реагентов, что повышает вероятность их контакта. Обычно предполагают, что на каждые 10 °С подъема температуры скорость реакции удваивается.
Важные химические реакции в охлажденных продуктах
Окисление липидов
Окисление липидов — одна из основных причин ухудшения качества мяса и мясных продуктов. Вареное мясо и птица быстро приобретают характерный окисленный вкус/ запах, называемый в работе [107] разогретым ( WOF, Warmed Over Flavour). Лучше всего можно описать его как вкус/запах, ассоциирующийся с повторно разогретым мясом, и он описан как таковой экспертами по органолептическому анализу при свободном описании сваренного мяса, которое разогревали после холодильного хранения [19, 62]. Дальнейшее описание было выполнено для WOF в свинине [15] и курином мясе [16], были созданы словари терминов для органолептического анализа, содержащие 16 и 18 терминов соответственно. В приготовленном мясе, хранящемся при температурах холодильного хранения, этот несвежий, окисленный вкус становится заметным через короткое время (в пределах двух суток), что отличается от более медленного возникновения прогорклого вкуса в ходе хранения в замороженном виде (в течение недели) [80]. Хотя считается, что WOFпоявляется только у вареного мяса, есть данные, что он появляется так же быстро в сыром молотом мясе на воздухе [35,92] и в реструктурированных продуктах из свежего мяса вследствие разрушения мембран ткани и воздействию кислорода [34]. Тем не менее значение появления этого вкуса для производителей пищевых продуктов увеличилось с появлением и расширением рынков продуктов, подвергшихся тепловой обработке, и охлажденных — таких, как готовые обеды из замороженного полуфабриката (например, в алюминиевой фольге), питание для пассажиров авиарейсов и для экспресс-закусочных. Потребитель в таких случаях ожидает вкуса свежеприготовленного продукта. Развитие и успешное функционирование сферы быстрого питания и приготовленных и охлажденных пищевых продуктов в некоторой степени будет зависеть от способности производителей преодолеть появление WOF.
Уже давно основной причиной появления WOF считается окисление липидов. Это подтверждается исследованиями, показывающими связь WOF, определяемого органолептически [61], с результатами измерений тиобарбитурового числа (TEA) (показателя окисления липидов) [42,44,100] и выявлением летучих соединений, выделяемых из свободного пространства над мясными пробами [3, 20,90]. Как и в других случаях окислительной прогорклости, процесс окисления липидов приводит к образованию множества различных соединений, некоторые из которых вносят различный вклад в формирование нежелательного вкуса и запаха, связанных с прогорклостью. Поэтому имеет место несоответствие между результатами измерений химических показателей и органолептической оценкой прогорклости.
Реакционная способность пищевых липидов зависит от степени ненасыщенности составляющих их жирных кислот, их доступности и присутствия активаторов или ингибиторов. Состав жира в мясе определяется рядом факторов, в том числе питанием животного и типом жира. Липиды содержатся в основном в жировых запасах (жировой ткани) или в клеточных мембранах в виде фосфолипидов. При тепловой обработке ненасыщенные фосфолипиды, в отличие от запасенных триглицеридов, становятся более подверженными окислению в результате разрушения и дегидратации клеточных мембран. Более высокий уровень ненасыщенности жирных кислот в фосфолипидах вносит вклад в их более быстрое окисление [43]. Показана роль фосфолипидов в формировании WOF [41] и ТЕА-реактивных веществ [83,89].
Общепризнано, что самоокисление липидов включает цепную реакцию свободных радикалов (рис. 9.1), инициируемую при удалении подвижного атома водорода с его позиции в липиде (RH) с образованием липидных радикалов (R*) (инициирование). Реакция с кислородом дает пероксидные радикалы (ROO*), вслед за чем происходит отделение другого атома водорода от липидной молекулы. Образуются гидропероксид (ROOH) и другой свободный радикал (R*), способный к поддержанию цепной реакции (развитие). Разложение гидропероксидов включает в себя другие механизмы, связанные со свободными радикалами, и образование продуктов, не являющихся радикалами, в том числе летучих ароматических соединений.
Несмотря на усилия исследователей, механизм запуска, ведущий к образованию липидных радикалов (алкиловых или аллиловых) (R*) в мясе, по-прежнему неясен.
Рис. 9.1. Цепная реакция свободных радикалов
Установлено участие железа [73], но помимо этого также предложены различные другие механизмы, не подтвержденные неоспоримыми доказательствами [5].
Скорость образования свободных радикалов увеличивается в присутствии металлических катализаторов. В случае развития запаха разогрева в подвергнутом тепловой обработке мясе показано, что ускоряют окисление как свободные ионы железа, так и гемопротеины, включая метмиоглобин в присутствии пероксида водорода [5]. Известно, что наличие свободного железа увеличивается в результате тепловой обработки [42], так как гемопротеины разрушаются и выделяют свободное железо. Количество выделившегося железа зависит от скорости нагрева и от конечной температуры, а следовательно, от метода нагрева. Медленный нагрев высвобождает больше свободного железа, чем быстрый — жарка или томление мяса выделяет его больше, чем нагрев токами сверхвысокой частоты (в микроволновой печи) [94].
Меры предотвращения WOF были рассмотрены в работе [80]. Применяемый метод зачастую ограничен требованиями к конечному продукту. Фенольные антиоксиданты, такие как ВНТи ВНА, плохо действуют в случае целых кусков мяса [115], и больше подходят для продуктов из измельченного мяса, так как в них может быть достигнуто более равномерное распределение антиоксиданта. Перегрев или стерилизация в автоклаве приводят к образованию в мясе соединений, обладающих антиоксидантной активностью (продукты реакции Майяра). Эти соединения могут быть пригодны для продуктов, консервированных в банках, однако зачастую приводят к тому, что продукт приобретает характеристики, препятствующие его восприятию как свежего, что необходимо для многих пищевых продуктов. Такие вещества могут быть добавлены к мясу, но это связано с теми же ограничениями, что и в случае искусственных антиоксидантов. Уменьшение WOF также достигнуто путем использования витамина Е (токоферола). В работе [53] показано, что добавление альфа-токоферола к подвергнутой тепловой обработке свинине уменьшает липидное окисление и WOF. Проблемы с достижением адекватного распределения антиоксиданта в мясе можно было бы преодолеть, вводя добавки с витамином Е в корм животных. Показано, что добавление ацетата альфа-токоферола в рацион кроликов [60] и мясных цыплят (бройлеров) [79] вело к росту мышечной ткани и уменьшению развития WOF. Исследования природных антиоксидантов, присутствующих в овощах, показало определенный эффект использования экстрактов зеленого (незрелого) перца, лука и картофельных очисток [84], трав и специй, особенно розмарина, шалфея, майорана [37] и гвоздики [50]. Данные об эффективности эфирного масла розмарина как оксиданта в мясе, прошедшем тепловую обработку, противоречивы, хотя в работе [75] указано, что эфирное масло розмарина и триполифосфат натрия эффективно предотвращают WOF в ростбифе. В предварительно приготовленных свиных тефтелях, обработанных розмарином и сохраняемых при 4 °С в течение 48 ч, не возникали окисленные вкусы, подобные возникающим в контрольных пробах [55], а в отбитых бифштексах с розмариновым эфирным маслом, хранящихся в охлажденном виде, значительного улучшения по сравнению с контрольными пробами не произошло [102].
Нитрит, добавленный в диапазоне 50-200 ppm — это эффективный ингибитор развития WOF[ 18,92]. Нитрит и гемопротеины образуют комплексы нитрозилмиохрома и нитрозилгемохрома, в которых железо стабилизируется связыванием оксида азота с кольцом порфирина (рис. 9.2). Однако розовое окрашивание мяса может быть неже-
Рис. 9.2. Нитрозилмиоглобин. Миоглобин с нитритным лигандом
лательным; причины возникновения розового цвета в необработанном мясе после тепловой обработки рассматривается ниже в этой главе. Эффективность пирофосфата, триполифосфата и гексаметафосфата, которые образуют хелаты с металлическими ионами, особенно ускоряющими окисление ионами железа, показано в работе [107] для свинины. Затем это было подтверждено для измельченной говядины [92], отбитых бифштексов [68] и для куриного мяса в тесте и в панировке [12]. Фосфаты в сочетании с аскорбиновой кислотой могут создавать синергетическое (взаимно усиливающее) действие, так, что прошедшая тепловую обработку молотая свинина была защищена от липидного окисления до 35 суток при 4 °С [97].
Альтернативный подход заключается в защите мяса от окисления. Это может быть достигнуто путем создания кислородного барьера с помощью соуса или подливки, которые могут быть нанесены к моменту приготовления или при последующем хранении. Этот принцип был продемонстрирован путем сравнения срока хранения замороженного мяса со сроком хранения такого же мяса, прошедшего тепловую обработку, без покрытия подливкой [25]. Прошедшая тепловую обработку и покрытая подливкой свинина может храниться при -18 °С более 100 недель, а свинина, хранящаяся без подливки, была непригодна к употреблению уже через 22 недели.
Упаковка в регулируемой газовой среде для уменьшения WOFприменялась к предварительно приготовленной индейке, свинине и продуктах из свинины. Хотя продукты, хранящиеся в атмосфере азота и углекислого газа, были менее «окисленными», чем хранящиеся в обычной воздушной среде, наиболее эффективной была вакуумная упаковка [51,76]. В работе [99] рассмотрены потенциальные выгоды применения упаковки в РГС для приготовленных и охлажденных продуктов, готовых к употреблению. Защита от окисления в ходе тепловой обработки также полезна. Тепловая обработка и последующее хранение куриных грудок в атмосфере азота снижало значения TEA и органолептические оценки (скоры) для интенсивности WOF по сравнению с контрольным продуктом, приготовленным на воздухе и хранящемся в азоте или на воздухе (рис. 9.3).
Самоокисление или окислительная прогорклость отнюдь не ограничены мясом и мясными продуктами. Молочные продукты и жирная рыба также сильно им подвержены. Миграция меди в сливки при сбивании масла может вызвать последовательность реакций окисления, вызывающих быстрое ухудшение вкуса. Пахта содержит много ненасыщенных фосфолипидов, особенно фосфатидил этаноламина, который может связывать ионы металла, ускоряя окисление, а присутствие комплекса металл-фосфолипид на границе масло-вода облегчает образование гидропероксидов липидов.
Рыбий жир содержит в большом количестве n-З-полиненасыщенные жирные кислоты, которые подвержены окислению атмосферным кислородом, что ведет к порче. Несмотря на это вкус прогорклости видимо влияет только на приемлемость более жирных видов, таких как форель, сардина, сельдь и скумбрия; причем форель и потрошеная скумбрия окисляются при температурах выше О °С, а сельдь остается относительно «невредимой». В работе [17] было предположено, что в рыбе окисленные липиды связываются в липидно-протеиновые комплексы, а не образуют карбонильные соединения, обусловливающие прогорклый вкус. Липидно-протеиновые комплексы также являются одной из причин жесткости текстуры, появляющейся у плохо хранящейся рыбы. Потребность в кислороде микроорганизмов и ферментов (различная в зависимости от вида) может также определять количество кислорода, идущего на самоокисление. Данные по активности липоксигеназы в ткани кожи форели дают основания говорить о возможности запуска липидного окисления за счет обеспечения источника
Рис. 9.3. Влияние газовой среды при приготовлении и хранении куриных грудок на развитие VOF
инициирующих радикалов [31]. Оценку степени влияния окисления на качество рыбы осложняет то, что многие продукты, транспортируемые в сети сбыта охлажденными, предварительно замораживают, чтобы устранить влияние сезонности предложения (особенно это относится к сельди).
Окрашивание мясных продуктов в розовый цвет
Изменение цвета пищевых продуктов — это общая проблема, которая может приобретать различные формы и быть связана с широким диапазоном химических реакций. Биохимическое или ферментативное потемнение (приобретение золотисто-коричневого оттенка) рассматривается ниже. Окрашивание в розовый цвет прошедшего тепловую обработку мяса — давно существующая и очень распространенная проблема, затрагивающая производство, розничную торговлю, обслуживание и домашнее хозяйство. Зачастую такое окрашенное мясо воспринимается как недоваренное. Проблема особенно заметна в случае нарезанного мяса, отбитых жареных продуктов, пирогов с мясом и запеканки. Выявлены различные причины появления розового цвета, которые приведены в табл. 9.1 с указанием типа пигмента, с которым, как полагают, связано окрашивание. В работе [67] рассмотрены причины окрашивания в розовый цвет прошедшего тепловую обработку белого мяса и факторы, влияющие на это окрашивание.
Миоглобин — это мономерный сферический гем-протеин, обнаруженный у всех позвоночных, который вместе с гемоглобином придает мясу красный цвет. Количество миоглобина различно в зависимости от вида животного и ткани, и, кроме того, зависит от множества факторов окружающей среды. Как показано в табл. 9.1, миоглобин может присутствовать в нескольких формах, некоторые из которых могут придать красный или розовый остаточный цвет мясу даже после тепловой обработки. Недавние работы показали, что более 80% случаев окрашивания в розовый цвет обусловлено нитрозомиоглобином, образующимся из-за примесей нитратов, и их последующим бактериальным восстановлением до нитритов [13].
Особенности биохимических реакций
Биохимические реакции катализируются особыми белками — ферментами. Это очень специализированные и эффективные катализаторы, понижающие порог активации, так что скорость реакции термодинамически возможных реакций резко возрастает. Специфичность ферментов для определенных веществ указывается в их названиях обычно путем прибавления суффикса -аза к названию вещества, на которое фермент действует, например, липаза действует на липиды, протеаза на протеины (белки). Каталитическая активность ферментов сильно зависит от структуры белка, а многие особенности реакций, катализируемых ферментами, обусловлены влиянием локальной окружающей среды. Тепло, крайние значения кислотности или щелочности и большая ионная сила могут денатурировать фермент, вызывая повреждение или потерю активности. Ингибиторы и активаторы ферментов, которые связывают их обратимо или
Таблица 9.1. Виды пигментов и причины, вызывающие окрашивание мясных
продуктов в розовый цвет (по [13])
Вид пигмента | Причина розового окрашивания |
Оксимиоглобин Нитрозомиоглобин
Карбоксимиоглобин Восстановленный денатурированный миоглобин |
Низкотемпературная обработка Загрязнение нитритами непосредственно или из восстановленных нитратов; окислы азота в печах
Угарный газ в печах; гамма-облучение Высокий pH, медленная обработка, много соли и наличие восстановителей |
необратимо, могут действовать, вызывая изменения в структуре или действуя непосредственно на активный участок.
Температура, при которой происходит денатурирование, часто отражает условия окружающей среды, в которой фермент обычно действует. Для большинства ферментов теплокровных животных денатурирование начинается при температуре около 45 °С, и около 55 °С быстрое денатурирование лишает фермент каталитической функции; ферменты из фруктов и овощей обычно денатурируют при более высоких температурах (70-80 °С); некоторые ферменты микроорганизмов (например, липазы и протеазы) могут выдерживать температуры, превышающие 100 °С [23].
В живой клетке ферменты катализируют множество реакций, которые в совокупности представляют собой обмен веществ (метаболизм). В клеточном окружении контроль и координация активности ферментов достигается с помощью механизмов обратной связи и компартментализации. Разрушение, которое происходит во время убоя скота или при сборе урожая, может требовать принятия мер для предотвращения последующего действия ферментов (хорошим примером является бланширование овощей). Активность ферментов может быть усилена, если они улучшают качество продуктов, как в случае кондиционирования мяса, при котором активность протеазы используется для разрушения мышечных волокон для более полного проявления вкуса и мягкости.
Скорость реакций, катализируемых ферментами, увеличивается с ростом концентрации субстрата, но только до определенного предела (максимальная активность), при котором фермент насыщен субстратом. Дальнейшее увеличение концентрации субстрата не увеличивает скорость реакции, которая возрастает с температурой (так же, как у химических реакций) до температуры, оптимальной для активности. При температурах выше указанной происходит денатурирование белка-фермента, и он теряет активность. При температурах холодильного хранения активность ферментов в большинстве продуктов низка, но существуют определенные исключения. Ферменты холоднокровных видов могут адаптироваться и сохранять активность при низких температурах. У трески активность липазы при 0 °С демонстрирует выраженную фазу задержки перед достижением максимальной активности, уровень активности уменьшается до 0 °С и увеличивается до максимума при -4 °С.
Ферменты из разных источников, катализируя превращение тех же субстратов в те же продукты реакции, могут иметь различные скорости реакции, pH или оптимальные температуры, в зависимости от их происхождения. Срок хранения охлажденного салата с макаронными изделиями, состоящего из готовых макаронных изделий, лука, красного и зеленого перца, огурца, сладкой столовой кукурузы, грибов и приправы из уксуса и оливкового масла, ограничен изменением цвета кукурузы или грибов (которые становятся коричневыми), зависящим от температуры хранения [32]. Хранение салата при температуре между 2 и 15 °С показало, что температурные характеристики реакций потемнения (вероятно, катализированных ферментом полифенолоксидазой) были совершенно различны у грибов и кукурузы (рис. 9.4).
В грибах скорость реакции потемнения оказалась менее зависимой от температуры, чем реакция в кукурузе, так что при более высоких температурах срок хранения салата был ограничен потемнением кукурузы, а при более низких температурах потемнением грибов. Для предотвращения таких изменений или прогнозирования срока хранения как функции температуры должны быть известны свойства реакций, вызывающих эти изменения внешнего вида.
Ферменты в пищевом продукте могут быть эндогенными, то есть присутствующими в естественном состоянии в тканях растения или животного. В эту категорию попадают сотни ферментов, хотя не все они существенно влияют на качество продукта. Экзогенные ферменты могут быть добавлены производителем для выполнения специфической функции, например, папаин — для тендеризации мяса, протеазы — для созревания сыра или нарингиназа — для удаления горечи соков из цитрусовых, особенно из грейпфрутового сока. Ферменты могут присутствовать в результате загрязнения при миграции из одного продукта в другой при их контакте. Примером может служить миграция липаз из небланшированного перца, находящегося в пицце, в сыр, у которого при наличии соответствующих триглицеридов в результате липолиза возникает мыльный привкус. Может происходить также загрязнение внеклеточными ферментами из микроорганизмов (например, липазами и протеазами), причем микроорганизм может быть разрушен тепловой обработкой, а фермент, устойчивый к ней, может сохраниться.
Рис. 9.4. Органолептические изменения в салате из макаронных изделий с приправой из уксуса и оливкового масла, хранящегося в охлажденном виде. По [32]