ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: Изучение зависимости коэффициентов диффузии в процессе просаливания мяса от основных влияющих факторов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА

ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОСАЛИВАНИЯ МЯСА ОТ ОСНОВНЫХ

ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Для студентов высших учебных заведений

По направлению подготовки 220700.62

«Автоматизация технологических процессов и производств

(по агропромышленной отрасли)

Мурманск

2013

УДК [664.957+664.6+637.5]001.9(07)

ББК 36.92+36.94+36.83

Н34

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой 29 сентября

2012 г., протокол № 1

© Оригинал-макет издается в авторской редакции

ОГЛАВЛЕНИЕ

Пояснительная записка. 4

Лабораторная работа «Изучение зависимости коэффициентов диффузии в процессе просаливания мяса от основных влияющих факторов». 5

Список рекомендуемой литературы.. 20

Вопросы для самопроверки…………………………………………………………………….………………21

Приложения. 22

Пояснительная записка

Курс «Научные основы производства продуктов питания» входит в план подготовки студентов направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств (по агропромышленной отрасли)». Курс составлен таким образом, чтобы студент изучил научные основы технологических процессов переработки животного и растительного пищевого сырья и технологий производства основных продуктов питания, а также приобрел навыки расчета основных параметров технологических процессов. В методические указания включены лабораторные работы по разделам «Научные основы консервирования пищевого сырья охлаждением», «Научные основы консервирования пищевого сырья замораживанием», «Научные основы консервирования пищевого сырья посолом», «Научные основы консервирования пищевого сырья сушкой» с вопросами для самопроверки.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: Изучение зависимости коэффициентов диффузии в процессе просаливания мяса от основных влияющих факторов

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

Задания:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- проникновение, распределение и накапливание в мясе посолочных веществ;

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

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

- изменение микроструктуры;

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

- изменение качественного и количественного состава микрофлоры;

- развитие реакций цветообразования.

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

Изменения белков носят как количественный, так и качественный характер.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                                                                                      (1)

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

  - постоянная величина, равная 1,08;

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

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

  - концентрация хлорида натрия в рассоле в момент , %;

   - концентрация хлорида натрия на глубине  в момент , %.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Порядок выполнения работы: Учебная группа студентов разбивается на подгруппы по 2-3 человека. Каждая подгруппа получает задание на посол определенного вида мясного сырья определенным способом (по заданию преподавателя). Перед посолом мясо тщательно промывается проточной водой температурой не выше 20 °С. Промытое мясо (кусковой полуфабрикат) оставляют на столе на 3-5 минут для стекания влаги. Затем из мясного сырья нарезают 3 одинаковых куска в форме правильного параллелепипеда, высотой 30 мм. Далее экспериментальным путем определяют: удельную поверхность, как отношение полной площади поверхности образца к его массе; плотность по методике, изложенной ниже; содержание влаги – экспресс-методом на аппарате Kett; содержание жира экспресс-методом – капельной экстракцией. Затем проводится взвешивание мяса на лабораторных весах с точностью ±1 г (для получения достоверных результатов необходимо, чтобы эксперимент проводился на однородной партии мясного сырья, то есть все образцы в партии должны иметь одинаковую удельную поверхность и химический состав).

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

                                                                                             (2)

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

                                    ,                                  (3)

где - масса образца, г.

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

Посол мяса осуществляется следующим образом:

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

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

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

Температурные условия посола поддерживаются в соответствии с заданием преподавателя.

Через фиксированные промежутки времени (от 1 до 2 часов) из посольной емкости отбирают один кусок мяса для определения солености по слоям. Для этого кусок разрезают по толщине на 3 равных слоя (10 мм толщиной) и в каждом слое определяют массовую долю поваренной соли. Содержание соли в слое мяса определяется аргентометрическим методом. Полученные экспериментальные дынные заносят в таблицу 2. По этим данным строят экспериментальную графическую зависимость . Среднее значение солености куска мяса рассчитывают как среднее арифметическое значение соленостей по слоям, данные также вносят в таблицу 2.

Таблица 2 – Распределение солености по слоям мяса

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

                                          ,                                       (4)

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

- объемная масса мяса, кг/ м³;

- градиент концентрации мяса в мясе.

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

Таблица 3 – Значения градиента концентрации соли в мясе

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

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

                                  ,                                           (5)

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

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

- удельная поверхность куска мяса, м²/кг.

Данные расчета приводят в виде таблицы 4.

Таблица 4 – Значения удельной интенсивности насыщения мяса солью

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

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