Технологія виробів м'ясних посічених з використанням термостабільної пружної емульсії на основі натрію альгінату: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.16 - Технологія харчової продукції

Abstract

Дисертацію присвячено науковому обґрунтуванню та розробці технології виробів м’ясних посічених із використанням термостабільної пружної емульсії на основі натрію альгінату. Досліджено функціонально-технологічні, реологічні, термостійкі, фізико-хімічні, структурно-механічні, органолептичні та споживчі властивості, умови та терміни споживання. Спрогнозовано та експериментально підтверджено, що використання у складі виробів м’ясних посічених структурованої термостабільної пружної емульсії дозволяє більш раціонально використовувати м’ясну сировину, покращити органолептичні показники виробів м’ясних посічених та харчову цінність за рахунок збагачення готової продукції поліненасиченими жирними кислотами. Унаслідок вирішення задач дисертаційного дослідження було одержано нові наукові результати, які полягають у наступному. Уперше: – науково обґрунтовано технологію термостабільної пружної емульсії з використанням системи «розчин натрію альгінату – Са2+– олія – карагінани», в основі якої лежить керована зміна фазового стану іонотропних та термотропних полісахаридів під впливом технологічних чинників; – науково обґрунтовано технологічні параметри одержання ТПЕ на основі натрію альгінату, карагінанів та олії рослинної із урахуванням функціонування та розвитку модельних систем «розчин натрію альгінату – карагінани – Са2+ – олія», визначено закономірності емульсіє- та структуроутворення, основні чинники, що забезпечують високі органолептичні та фізико-хімічні показники напівфабрикату термостабільної пружної емульсії; – науково обґрунтовано технології виробів м’ясних посічених, одержаних із використанням термостабільної пружної емульсії на основі натрію альгінату, карагінанів та олії рослинної, прямим розчиненням натрію альгінату у водній фазі м’ясного фаршу, емульгуванням олії з кальцієвмісною сіллю в дисперсії фаршу з подальшим структуроутворенням фаршевої системи. Набули подальшого розвитку та узагальнення: – закономірності змін фізико-хімічних показників ТПЕ під впливом технологічних чинників, шляхи використання ТПЕ на основі натрію альгінату, карагінанів та олій рослинних у технології виробів м’ясних посічених; – основні технологічні характеристики виробів м’ясних посічених із використанням ТПЕ та закономірності формування їх показників якості; – рекомендації з використання ТПЕ у складі виробів м’ясних посічених, які є технологічним підґрунтям для розробки широкого асортименту кулінарної м’ясної продукції з підвищеною харчовою цінністю та покращеними органолептичними показниками; – комплекс даних, що характеризують якість розроблених страв на основі результатів органолептичних, фізико-хімічних, реологічних та мікробіологічних досліджень. Визначено сучасні тенденції виробництва харчових продуктів із м’ясної сировини на основі аналізу патентної та науково-технічної літератури, окреслено перспективи використання ТПЕ у складі ВМП. Наведено характеристику м’ясної сировини для виробів із посіченого м’яса. Узагальнено результати теоретичних та практичних досліджень із підвищення стабільності показників якості м’ясних посічених виробів. Висвітлено фізико-хімічні аспекти утворення стабільних емульсійних систем у складі ВМП. Визначено, що використання ТПЕ може стати ефективним напрямом вирішення проблеми стабільності емульсійних систем на основі рослинних олій. З’ясовано, що в умовах існуючої економічної ситуації одним зі шляхів забезпечення населення України якісною конкурентоспроможною м’ясною продукцією є розробка технологій виробів м’ясних посічених із використанням термостабільної пружної емульсії. Науково обґрунтовано і розроблено технологію напівфабрикату ТПЕ, установлено закономірності впливу технологічних факторів – складу, концентрації компонентів та жироємності – на органолептичні, фізико-хімічні, структурно-механічні та мікробіологічні показники. Запропоновано інноваційну стратегію дослідження, згідно з якою передбачена розробка технології напівфабрикату високого ступеня готовності – наповнювача виробів м’ясних посічених у формі термостабільної пружної емульсії, дисперсійним середовищем якої є пружний каркас на основі кальцію альгінату та карагінанів, а дисперсійною фазою – олія соняшникова. Обґрунтовано утворення термостабільної пружної емульсії безпосередньо в дисперсійному середовищі м’ясного фаршу з використанням для прямого розчинення натрію альгінату його вологи. Змодельовано, що кальцієвмісну сіль диспергують в обґрунтованих кількостях в олії, після чого отримують емульсію в дисперсійному середовищі розчину натрію альгінату. За цих умов фазова міграція Са2+ до розчину іонотропного натрію альгінату обумовить контрольоване гелеутворення з отриманням ТПЕ. Визначено, що технологічна можливість отримання емульсій залежить від в’язкості дисперсійного середовища, таким чином еквіконцентровані розчини характеризуються зменшенням напруження зсуву під час нагрівання, що може бути використано для отримання емульсій. Визначено, що параметр консистенції розчинів зростає з концентрацією натрію альгінату майже експоненційно у 25 разів, водночас, згідно з даними температурної залежності, в’язкість 2,5% розчину в інтервалі температур 21…67ºС знижується у 5 разів. Визначено, що енергія активації розчинів Еа за інтервалу концентрацій 0,5…2,5% зростає від 27,0 до 36,2 кДж/моль. Спрогнозовано, що для диспергування олії витрачена робота на отримання термостабільної пружної емульсії в розчинах натрію альгінату як середовища буде залежати від концентрації полісахариду. Водночас очевидно, що здатність емульсії до розшарування буде меншою за С=2,5% (Еа=36,2 кДж/моль), ніж із С=0,5 (Еа=27,0 кДж/моль). Визначено точки інверсії фаз емульсій «розчин натрію альгінату – олія» від концентрації натрію альгінату, та доведено, що максимальна реалізація властивостей натрію альгінату як середовища для емульгування відбувається за його концентрації в системі в межах 1,0…2,5%, де максимальна жиромісткість становить 57,5±5,0%. Установлено, що введення до розчину натрію альгінату 1,5% карагінанів приводить до зростання емульгуючої ємності до 60…65 об. од. Охолоджена термостабільна пружна емульсія за температури 15±5ºС після структурування характеризується властивостями пружного тіла, відсутністю крихкості, піддається подрібненню без втрати води та олії. Визначено, що кутерування та подрібнення на м’ясорубках не призводить до розшарування термостабільної пружної емульсії. Визначено умови отримання та фактори, які впливають на стабільність термостабільної пружної емульсії. Виявлено, що зі зростанням концентрації натрію альгінату покращується стабільність структурованої системи за відділенням олії або води. Використання у складі рецептурної суміші йота- та капа-карагінанів в інтервалі масових концентрацій олії 10,0…50,0 мас.% приводить до отримання емульсій зі значеннями стабільності, близькими до абсолютних. Структурування системи не впливає на агрегативну стійкість термостабільної пружної емульсії. Визначено, що використання натрію альгінату, йота- та капа-карагінанів за обґрунтованих концентрацій дає змогу досягнути раціональної стабільності емульсійних систем. Розроблено технологічну схему отримання напівфабрикату ТПЕ, та визначено загальний хімічний склад. Досліджено, що напівфабрикат термостабільної пружної емульсії характеризується високою агрегативною стійкістю на всіх етапах технологічного процесу, а за результатами аналізу загального хімічного складу видно, що за вологості 62,4±3,1% його основну масу становить олійна фракція – 21,3±1,0% та вуглеводна – 1,2±0,06%, представлена натрію альгінатом та карагінанами. Визначено закономірності втрат маси термостабільної пружної емульсії під впливом теплової обробки. Співставлення результатів теплової обробки контрольних зразків та виробів м’ясних посічених із ТПЕ (20 мас.%) та ТПЕ, структурованої безпосередньо у складі виробів м’ясних посічених (30 мас.%), достовірно підтверджує зниження втрат від 28±3 мас.% до 5±1 мас.%. Доведено, що використання ТПЕ підвищує соковитість готових виробів та покращує органолептичні показники в цілому. Обґрунтовано та розроблено моделі отримання виробів м’ясних посічених із використанням термостабільної пружної емульсії та на основі емульсії з використанням структурування натрію альгінату в середовищі виробу посіченого м’ясного, що дозволяє працівникам закладів ресторанного господарства та промисловцям розробити широкий асортимент виробів м’ясних посічених. Визначено умови та параметри структуроутворення систем у середовищі посіченого виробу. Виявлено, що в разі введення кальцієвмісної солі в середовище м’ясного фаршу структуроутворення сформованого виробу завершується через (80±8)•602 с, через дисперсійне середовище олії – через (140±14)•602 с. Цей час є достатнім для завершення необхідних технологічних операцій, тому введення солі через середовище олії запропоновано нами як параметр технологічного процесу. Визначено чинники формування показників вологоутримуючої здатності термостабільної пружної емульсії, пов’язані одночасно зі зростанням частки зв’язаної вологи під час емульгування та переходом вологи у стан вільної в ході структуроутворення альгінату. Методом ЯМР доведено, що натрію альгінат у водяному розчині за концентрації С0=2,0±0,1 % не впливає на інтенсивність виморожування вологи в інтервалі температур –4…–7ºС. Збільшення частки олійної фази зміщує точку перегину інтенсивності виморожування вологи до –(11±0,4)ºС, що свідчить про зростання частки зв’язаної вологи. Установлено, що у структурованій термостабільній пружній емульсії зростає частка вільної вологи, але зсув точки перегину інтенсивної ділянки заморожування в зону більш високих температур не виявлено, що доводить високу функціонально-технологічну здатність термостабільної пружної емульсії до регулювання вологоутримуючої здатності виробів м’ясних посічених у бік зростання. Розроблено технологічні схеми виробництва напівфабрикатів посічених м’ясних із термостабільною пружною емульсією: напівфабрикату біфштекса посіченого з ТПЕ та напівфабрикату біфштекса посіченого з підвищеними пружними властивостями. Досліджено органолептичні, фізико-хімічні, структурно-технологічні показники виробів м’ясних посічених із термостабільною пружною емульсією та встановлено, що розроблені вироби повністю відповідають санітарно-мікробіологічними вимогам та можуть зберігатися охолодженими у вакуумній упаковці до 3 діб, а замороженими – за температур –18…–24ºС до 6 місяців. У ході практичної апробації та комплексу експериментальних досліджень підтверджено доцільність використання термостабільної пружної емульсії на основі іонотропних полісахаридів, карагінанів та олії рослинної у складі виробів м’ясних посічених. Здійснено апробацію технології виробів м’ясних посічених із використанням термостабільної пружної емульсії у виробництво на підприємствах шляхом розробки та затвердження технологічних інструкцій «Термостабільні структуровані емульсії у складі напівфабрикатів м’ясних та м’ясо-рослинних посічених» до ДСТУ 4437:2005 «Напівфабрикати м’ясні та м’ясо-рослинні посічені. Технічні умови», та «Термостабільні структуровані емульсії для ковбас варених» до ДСТУ 4436:2005 «Ковбаси варені, сосиски, сардельки, хліби м’ясні. Загальні технічні умови», технологічних карткок на нову продукцію. Виконано комплекс робіт з упровадження нової технології на підприємствах МПП «Килина», ПрАТ «Комплекс Безлюдівський м’ясокомбінат», ЗАТ «Fozzi Group», СТ “ГОРКООПТОРГ”. Результати дисертаційної роботи впроваджено в освітній процес. Проведено оцінку ефективності наукової розробки та встановлено, що соціальний аспект ефективності виробництва нової продукції полягає в тому, що використання термостабільної пружної емульсії дозволяє підвищити харчову цінність виробів м’ясних посічених унаслідок зменшення вмісту тваринних жирів та зростання частки олії, що сприяє покращенню харчових раціонів у разі вживання нової продукції. Рівень рентабельності продукції зросте на 4,26% та становитиме 19,35%.

Dissertation devoted to scientific substantiation and the development of technological parameters products and modes of production with chopped meat using elastic heat-stable emulsions of sodium alginate (next THE) basis. For the first time, the technology of a thermostable elastic emulsion with the use of the "AlgNa–Ca2+–oil" system based on a controlled change in the phase state of ionotropic polysaccharides under the influence of technological factors and in the presence of calcium-containing salts has been substantiated scientifically and based on their use as part of the products of cut meat. As a result of solving the tasks of the dissertation research, new scientific results were obtained, which are as follows. For the first time:  scientifically substantiated the technology of a thermostable elastic emulsion using the system "sodium alginate solution–Ca2+–oil–carragenans", based on which is the controlled change in the phase state of ionotropic and thermotropic polysaccharides under the influence of technological factors;  the technological parameters of THE production on the basis of sodium alginate, carrageenan and vegetable oil based on the functioning and development of model systems "solution of sodium alginate–carrageenan–Ca2+–oil" are scientifically substantiated, the patterns of emulsion and structure formation are determined, the main factors providing high organoleptic and physical-chemical parameters of semi-finished thermostable elastic emulsion;  scientifically substantiated the technology of products of meat cut, obtained using a thermostable elastic emulsion on the basis of sodium alginate, carrageenans and vegetable oils, direct dissolution of sodium alginate in the aqueous phase of meat minced, emulsification of oil with calcium salts in the minerals dispersion, followed by the formation of the forehead system. Further development and generalization have been acquired:  regularities of changes in physico-chemical parameters of THE under the influence of technological factors, ways of using THE on the basis of sodium alginate, carrageenans and vegetable oils in the technology of meat products;  the main technological characteristics of meat products cut with the use of THE and patterns of their quality indicators;  recommendations on the use of THE in the composition of meat products, which are the technological basis for the development of a wide range of culinary meat products with increased nutritional value and improved organoleptic characteristics;  a complex of data characterizing the quality of developed dishes based on the results of organoleptic, physico-chemical, rheological and microbiological studies. Taking into account the functioning and development of technological systems "AlgNa–Ca2+–oil", the parameters of the thermostable elastic emulsion production technology have been scientifically substantiated; the technology of a thermostable elastic emulsion has been scientifically substantiated and developed on the basis of 1,5...2,0% solutions of alginates of a dispersion medium with an oil content of 20...30% mass. It is determined that in the range of 20…30% mass oil concentration, the semi-finished product of a thermostable elastic emulsion is characterized by a high kinetic resistance of 98…100%, a modulus of elasticity from 0,44 to 0,27 Pa•s, which ensures the stability of the technological process of their use in the composition of products cut meat. The regularities of the technological process of obtaining a thermostable elastic emulsion, depending on the composition and the ratio of the recipe components of the thermostable elastic emulsion, are established. It has been proved that the use of thermostable elastic emulsion of carrageenan at concentrations 0,5±0,05% of iota-carrageenan and 1,0±0,05% kappa-carrageenan results in an increase in fat content of up to 60% and provides the stability of the emulsion 100%. It was established that with the introduction of 20% mass of a thermostable elastic emulsion with a fat content of 30% mass, the change in the total chemical composition of products of cut meat: the content of protein substances is reduced by 16,2...27,6%, the content of vegetable fats increases by 56,4±2,8%. With increasing dry matter content at (16,0...24,5)±0,8%, at the same time, moisture retaining increases by 17,0±1,0%, which determines the reduction of thermal losses during frying from 30,0±1,5 to 5,0±2,0%, improving the organoleptic characteristics of the products, especially juicy. For the first time, the main technological characteristics of the products of cut meat with the use of thermostable elastic emulsion were determined and the regularities of the formation of their quality indicators were determined. The modern tendencies of production of food products on the basis of meat raw materials are determined on the basis of analysis of patent and scientific and technical literature, prospects of use of THE in the composition of products of meat chopped. The characteristics of meat raw materials for the products of the cut meat are given. The results of theoretical and practical researches on increase of stability of quality indices of meat cut products are generalized. The physics-chemical aspects of the formation of stable emulsion systems in the composition of products of meat cut. It is determined that the use of THE can become an effective way to solve the problem of stability of emulsion systems based on vegetable oils. It was determined that in the current economic situation, one of the ways of providing the population of Ukraine with high-quality competitive meat products is the development of technologies of meat products cut out using a thermostable elastic emulsion. Scientifically substantiated and developed technology of semi-finished THE, regularities of the influence of technological factors – composition, components concentration, liveliness – on organoleptic, physical and chemical, structural and mechanical and microbiological parameters were established. An innovative research strategy has been proposed, according to which the development of high-quality semi-finished product technology is foreseen. Filler of meat products cut in the form of a thermostable elastic emulsion. The dispersion medium of which is an elastic skeleton based on calcium alginate and carragenan and the dispersion phase is sunflower oil. The formation of a thermostable elastic emulsion is grounded directly in the dispersion medium of minced meat, with the use of direct dissolution of sodium alginate its moisture. Calcium-containing salt is dispersed in substantiated quantities in oil, after which an emulsion is obtained in a dispersion medium of a solution of sodium alginate. Under these conditions, the phase migration of Ca2+ to the solution of ionotropic sodium alginate will cause controlled gel formation with THE production. Technological possibility of obtaining emulsions depends on the viscosity of the dispersion medium. Thus, the equiconcentrated solutions are characterized by a decrease in the shear stress during heating, which can be used to produce emulsions. The consistency of solutions increases with the concentration of sodium alginate almost exponentially in 25 times. At the same time, according to the temperature dependence, the viscosity of 2,5% of the solution in the range of temperatures of 21...67°C is reduced by 5 times. Determined that the activation energy solutions for the concentration range of 0,5...2,5% increases from 27,0 to 36,2 kJ/mol. It is projected that for the dispersion of oil, the work on obtaining a thermostable elastic emulsion in solutions of sodium alginate as a medium will depend on the concentration of polysaccharide. Obviously, the ability of the emulsion to stratification will be less than C=2,5% (Ea=36,2 kJ/mol) than with C=0,5 (Ea=27,0 kJ/mol). The points of inversion of phases of emulsions "a solution of sodium alginate–oil" from the concentration of sodium alginate are determined. It is proved that the maximum realization of the properties of sodium alginate as a medium for emulsification occurs at its concentration in the system within the limits of 1,0...2,5%. The maximum fat content is 57,5±5,0%. It was established that the introduction of 1,5% of alginate into the solution of carragenan sodium leads to an increase in the emulsifying capacity to 60...65 reversed units. The cooled thermostable elastic emulsion at a temperature t=15±5°C after structuring is characterized by the properties of an elastic element. Absence is a fragility, is subjected to chopping without loss of water and oil. It is determined that chopping and grinding on meat grinders does not lead to the bundle of a thermostable elastic emulsion. The conditions of obtaining and factors that influence the stability of a thermostable elastic emulsion are determined. It has been found that as the sodium alginate concentrations increase, the stability of the structured system through the separation of oil or water improves. Use in the formulation of a mixture of iota and kappa-carragenans in the range of mass concentrations of oil of 10,0...50,0% by weight results in the obtaining of emulsions with stability values close to absolute ones. The structure of the system does not affect the aggregate stability of a thermostable elastic emulsion. It has been determined that the use of sodium alginate, iota- and kappa-carragenans at reasonable concentrations allows us to achieve rational stability of emulsion systems. A technological scheme for obtaining semi-finished THE was developed, and the general chemical composition was determined. It was investigated that semi-finished thermostable elastic emulsion is characterized by high aggregate stability at all stages of the technological process. According to the results of the analysis of the general chemical composition it is evident that the moisture content 68,0±3,3% of its main mass is the oil fraction – 30,0±0,2%. The carbohydrate fraction 3,5±0,5% is represented by sodium alginate and carrageenans. Determination of the regularities of mass losses of a thermostable elastic emulsion under the influence of heat treatment. Comparison of the results of heat treatment of control samples and meat products cut with THE (20% by weight) and THE, structured directly in the products of meat cut (30% by weight), reliably confirms loss reduction from 28±3% by weight to 5±1%. It is proved that the use of THE increases the juiciness of finished products and improves the organoleptic parameters in general. The models of obtaining products of meat cut with the use of a thermostable elastic emulsion and on the basis of an emulsion using the structuring of sodium alginate in the medium of the cut meat product were substantiated and developed. This allows restaurant workers and industrialists to develop a wide range of meat products. The conditions and parameters of the structure formation of systems in the environment of the cut product are determined. It was found that in the case of introduction of calcium salts in the medium of meat, the structure of the formed product is completed through (80±8)•602 sec., Through the dispersion medium of oil – through (140±14)•602 sec. This time is sufficient to complete the necessary technological operations, so the introduction of salt through the medium of oil is proposed by us as a parameter of the technological process. The technological schemes of production of semi-finished cut meat with a thermostable elastic emulsion have been developed: semi-finished stewed beef steak with thermostable elastic emulsion and semi-finished stewed beef steak with increased elastic properties. The regularities of the formation of organoleptic, physico-chemical, technological and microbiological parameters of semi-finished thermostable elastic emulsion have been established, ways of using thermostable elastic emulsion in the technology of cut meat products have been determined. The creation of a concept for the production and use of thermostable elastic emulsions on the basis of ionotropic polysaccharides in the composition of cut meat products has been scientifically substantiated. The approbation of the technology of cut meat products using a thermostable elastic emulsion has been carried out at the enterprises of MPP "Kilina", PRAT "Complex Bezlyudovsky meat-packing plant". TI "Semi-finished meat and meat-vegetable cut with the use of thermostable elastic emulsion " was developed to DSTU 4437: 2005 "Semi-finished meat and meat-vegetable cut. Specifications". Technological cards for new products are developed. The results of the dissertation work are introduced into the educational process. An assessment of the effectiveness of scientific development has been made and it has been established that the social aspect of the efficiency of the production of new products is the use of a thermostable elastic emulsion. This allows to increase the nutritional value of meat products cut as a result of the decrease in the content of animal fats and an increase in the proportion of oil, which contributes to the improvement of dietary rations in the use of new products. The profitability level of the product will increase by 4,35% to 19,35%.