[Część 2] Zabiegi technologiczne poprawiające kruchość wołowiny

[Maxell]

ZABIEGI TECHNOLOGICZNE POPRAWIAJĄCE KRUCHOŚĆ  WOŁOWINY CZ. II

 

 

Kruchość mięsa wołowego jest jedną z najważniejszych cech mających znaczenie dla konsumentów. W I części opracowania przedstawiono takie zabiegi poprawiające kruchość jak: dojrzewanie, podwieszanie oraz nacinanie tuszy. Poniżej przedstawiono metody wykorzystujące elektrostymulację, wysokie ciśnienia, „hydrodyne”, ultradźwięki oraz metody chemiczne i biologiczne.

 

1. ELEKTROSTYMULACJA

 

 

 

Stymulacja elektryczna (ES, elektrostymulacja) tusz zwierząt rzeźnych jest jednym z zabiegów technologicznych, które mają służyć poprawie właściwości sensorycznych mięsa, zwłaszcza kruchości [1]. Zbieg ten pozwala w sposób naturalny na znaczną poprawę jakości wołowiny, pochodzącej zarówno z bydła ras mlecznych, jak i mięsnych [2] i polega na prze-puszczeniu prądu elektrycznego o odpowiednim natężeniu przez tusze świeżo ubitych zwierząt [3].

Obecnie stosuje się trzy główne typy stymulacji elektrycznej wykorzystującej:

• bardzo niskie napięcie (ELVES) – zabieg przeprowadzany przy napięciu < 100 V,

• niskie napięcie (LVES) – zabieg przeprowadzany przy napięciu 100–110 V,

• wysokie napięcie (HVES) – zabieg przeprowadzany przy napięciu > 110 V [4].

Zabieg ten wykonuje się maksymalnie do 1 godziny po uboju. Celem tego działania jest przeciwdziałanie skurczowi chłodniczemu, przyspieszenie przebiegu glikolizy (co skutkuje natychmiastowym obniżeniem wartości pH o 0,3 – 0,7 jednostki) oraz poprawienie kruchości tusz szybko wychładzanych (Rys. 1).

 

 

Poprawa kruchości mięsa, spowodowana jest zwiększonym napływem jonów wapnia do cytoplazmy oraz uaktywnieniem kalpastatyny i μ-kalpainy [5,6]. Mechanizmprocesu przedstawiono na rys 2.

 

 

Podczas elektrycznej stymulacji niezbędna jest optymalizacja parametrów prądu [7], tak aby nie dochodziło do nadmiernego wzrostu temperatury tuszy, co może skutkować skurczem cieplnym i nieodwracalnymi negatywnymi zmianami jakości mięsa.

Badania przeprowadzone przez Banach i in. [9] wykazały, że zastosowanie elektrostymulacji (330V), w połączeniu z chłodzeniem szokowym spowodowało gwałtowne przyspieszenie tempa zmian pośmiertnych w tuszach jałówek i krów. Także w tuszach buhajków zabieg ES przyspieszył obniżanie wartości pH, jednak nie odnotowano znaczących różnic w końcowej wartości pH tusz poddanych i niepoddanych ES. Zastosowanie elektrostymulacji tusz wołowych nie tylko poprawiło kruchość mięsa o ok. 50%, ale również ograniczyło ubytki masy półtusz podczas chłodzenia, co korzystnie wpływa na opłacalność produkcji.

 

2 . ZASTOSOWANIE WYSOKICH CIŚNIEŃ

 

 

 

Technologia wysokich ciśnień (HPP, ang. High Pressure Processing) znalazła zastosowanie w wielu krajach na skalę przemysłową, najczęściej w celu przedłużenia trwałości produktów, na skutek inaktywacji drobnoustrojów bądź enzymów. Dodatkowo może zostać wykorzystana do modyfikowania właściwości funkcjonalnych różnych składników surowców oraz gotowych produktów, a tym samym kreowania nowych właściwości reologicznych, a zwłaszcza teksturalnych [10].

Struktury białkowe, które występują w mięsie oraz przetworach mięsnych, należą do grupy najbardziej wrażliwych na wysokie ciśnienie makrocząsteczek w komórce. Zmiany w konformacji białek są wystarczające, aby w znaczny sposób wpłynąć na ich funkcjonowanie oraz zmienić ich właściwości, bądź też całkiem je dezaktywować [11]. Obróbka HHP może powodować również odwracalne lub nieodwracalne zmiany struktury mięsa w zależności od zastosowanego poziomu ciśnienia. Zakres uszkodzeń strukturalnych białek mięsnych jest znacznie większy wtedy, gdy okres między ubojem zwierząt a użyciem techniki wysokich ciśnień jest krótszy niż okres potrzebny do osiągnięcia sztywności mięśni w wyniku wystąpienia stężenia pośmiertnego [12]. Traktowanie mięsa w stanie rigor mortis wysokim ciśnieniem powoduje szereg zmian, które w następstwie powodują przyspieszenie procesu dojrzewania mięsa. HPP powoduje uszkodzenie retikulum sarkoplazmatycznego oraz mitochondriów, co skutkuje wyciekiem jonów wapnia. Wzrost stężenia tych jonów w przestrzeni międzykomórkowej może być przyczyną szybszych przemian w czasie tenderyzacji mięsa. Dodatkowo wzrost ilości Ca²⁺ oraz uszkodzenie lizosomów w warunkach wysokiego ciśnienia prowadzi do zwiększenia aktywności kalpain i katepsyn, co w konsekwencji wpływa także na przyspieszenie procesu dojrzewania mięsa [13]. Wpływ HPP na kruchość mięsa zależy od czasu po uboju, wysokości ciśnienia i temperatury oraz ich kombinacji. Zwiększenie kruchości mięsa jest spowodowane rozpadem lizosomów i uwolnieniem enzymów proteolitycznych. Jednak zastosowanie techniki wysokich ciśnień w mięsie przed wychłodzeniem wymagałoby zastosowania trybowania na ciepło [14]. Metoda HPP może również powodować niekorzystne zmiany w mięsie, a w szczególności zmiany barwy [11]. Morton i in. [15] wykazali, że kruchość mięsa poddanego dojrzewaniu przez 28 dni kształtuje się na podobnym poziomie jak kruchość mięsa poddanego działaniu wysokiego ciśnienia o wartości 175 MPa. Natomiast wyższe ciśnienie o wartości 250 MPa doprowadziło do większej kruchości, ale odnotowano, że barwa mięsa uległa rozjaśnieniu [15].

 

3. ZABIEG „HYDRODYNE”

 

 

Zabieg „hydrodyne” jest techniką, która pojawiła się jako alternatywna metoda skruszania mięsa już na początku lat siedemdziesiątych, ale jej wdrożenie w branży mięsnej było bardzo ograniczone. Pierwsze systemy opracowane w Stanach Zjednoczonych były oparte na użyciu materiałów wybuchowych [17]. Metoda ta wykorzystuje energię pochodzącą z eksplozji mikroładunków wybuchowych. Zasada działania tego zabiegu polega na umieszczeniu mięsa opakowanego w folię z tworzywa sztucznego w zbiorniku wypełnionym wodą, a następnie do zbiornika aplikuje się ładunek wybuchowy. W wyniku zaistniałego wybuchu tworzy się fala naddźwiękowa o ciśnieniu, które jest zależne od zaaplikowanej ilości ładunku wybuchowego. Mięso zapakowane próżniowo umieszcza się w koszu, po czym zanurza się w wodzie. Tank z umieszczonym wewnątrz mięsem zamykany jest kapsułą, która ma za zadanie zabezpieczenia przed rozbryzgiem wody i tłumieniem hałasu związanego z eksplozją ładunku wybuchowego [18]. Uzyskane w wyniku wybuchu ciśnienie działa na mięso tylko przez ułamek sekundy, a mimo to jest w stanie spowodować rozerwanie struktury włókien mięśniowych, co wpływa korzystnie na kruchość mięsa, a jednocześnie nie powoduje efektów ubocznych typowych dla metody HPP (pogorszenie barwy i struktury mięsa, a także obniżenie aktywności kalpain odpowiedzialnych za proces kruszenia mięsa, aż do ich całkowitego inaktywowania przy ciśnieniu powyżej 400MPa [18]. Technologia fal uderzeniowych stosowana do skruszenia mięsa jest stosunkowo tanią i nieinwazyjną techniką, która nie ma negatywnego wpływu na stabilność mikrobiologiczną i chemiczną produktu. Nie jest ona jednak dostępna do komercyjnego zastosowania, ponieważ należy przeanalizować takie ograniczenia, jak na przykład uszkodzenia materiału opakowaniowego po obróbce falami uderzeniowymi, efektywna transmisja fal uderzeniowych oraz odpowiednie parametry prowadzące do kruszenia poszczególnych rodzajów mięsa [16].

Stosowanie do przyspieszania procesu dojrzewania mięsa materiałów wybuchowych nie wydaje się zgodne z warunkami środowiskowymi, które są wymagane w przemyśle spożywczym, a zwłaszcza przemyśle mięsnym, co wiąże się z potencjalnymi obawami dotyczącymi bezpieczeństwa konsumentów.

Alternatywą dla generowania fal uderzeniowych przez materiały wybuchowe jest wytwarzanie fal uderzeniowych poprzez wyładowania elektryczne pod wodą. Ich zastosowanie pozwala uniknąć problemów związanych z zastosowaniem materiałów wybuchowych oraz pozwala na powtarzalną liczbę wstrząsów bez potrzeby ładowania/rozładowywania między impulsami fali uderzeniowej, co czyni proces bardziej podatnym na automatyzację, a dodatkowo skraca czas trwania zabiegu i pozwala na łatwiejszą zmianę natężenia fali uderzeniowej [16].

 

4 . ZASTOSOWANIE ULTRADŹWIĘKÓW

 

 

 

Kolejną z metod zwiększania kruchości mięsa jest użycie ultradźwięków, które prowadzą do fizycznego rozerwania tkanek mięśniowych poprzez mechanizmy związane z kawitacją oraz powstawaniem wolnych rodników [18]. Ultradźwięki to wibracje powietrza o zróżnicowanej częstotliwości, od 20 kHz do 100 kHz, ale również wywołane nimi fale mechaniczne. Zaletą ultradźwięków jest ich precyzyjne, szybkie oraz nieinwazyjne działanie [19]. Ultradźwięki o niskim natężeniu (poniżej 1 W/cm2 przy częstotliwości powyżej 100 kHz) nie powodują uszkodzenia badanego materiału. Natomiast ultradźwięki o wysokim natężeniu i bardzo szerokim zakresie od 1 do 1000 W/cm2 (przy częstotliwości 18-100 kHz) powodują fizyczne zniszczenie materiału oraz inicjują niektóre reakcje chemiczne, takie jak np. utlenianie. Mogą być stosowane do tworzenia emulsji, inaktywacji mikroorganizmów i enzymów, ekstrakcji, filtracji czy w procesie kruszenia mięsa i przyspieszania suszenia [19].

Sonikacja, czyli inaczej zastosowanie ultradźwięków, pozwala na obniżenie wartości siły cięcia mięsa wołowego bez negatywnego wpływu na barwę oraz pH mięsa [20]. Fale ultradźwiękowe, które przechodzą przez tkankę mięśniową mogą prowadzić do fizycznego osłabienia jej struktury i sprzyjać kawitacji [21]. Tkanka mięśniowa jest bardzo specyficznym ośrodkiem rozchodzenia się drgań, głównie ze względu na zróżnicowanie elementów strukturalnych oraz nierównomierny stopień ich uwodnienia [22]. Uzyskiwany efekt jest uzależniony od parametrów akustycznych, takich jak czas trwania impulsu, temperatura procesu oraz natężenie i częstotliwość [21].

Ultradźwięki mają zdolność do przerywania błon, a także uwalniania enzymów ze ściany komórkowej oraz subkomórkowych przestrzeni. Osłabienie błon komórkowych może powodować wzrost dostępności jonów wapnia dla systemu kalpain, skutkiem czego jest przyspieszenie procesu proteolizy białek miofibryli. Proces ten może pomóc w uzyskaniu pożądanej tekstury oraz znacznie skrócić czas dojrzewania mięsa [22]. W badaniach wykazano, że wzrost kruchości mięsa spowodowany 60-sekundowym oddziaływaniem ultradźwięków o natężeniu 20 Hz był porównywalny do wzrostu kruchości mięsa podczas dojrzewania trwającego od trzech do pięciu dni [23].

 

5. DODATEK SOLI WAPNIOWYCH

 

 

Kruchość mięsa wołowego można kształtować przez traktowanie roztworami soli: NaCl, MgCl, KCl, jednak najlepszy efekt uzyskuje się w przypadku stosowania chlorku wapnia bądź mleczanu wapnia [17, 25]. Dodatek jonów metali, a zwłaszcza jonów wapnia przyczynia się do poprawy kruchości mięsa. Wprowadzenie do mięśnia jonów metali następuje poprzez nastrzyk lub marynowanie [24]. Jeżeli zastosuje się samo zanurzenie mięsa w roztworze, efekt skruszania mięsa jest ograniczony wyłącznie do powierzchni mięsa, dlatego wymaga dłuższych okresów penetracji roztworu. Natomiast podczas stosowania igły iniekcyjnej powstaje uszkodzenie mięśnia, przez co zwiększa się ryzyko mikrobiologicznego zanieczyszczenia krzyżowego, stając się ważnym problemem, gdy nie stosuje się dalszego procesu konserwacji. Jony wapnia przyspieszają pośmiertny proces kruszenia mięsa, w taki sposób, że mięso uzyskuje końcową kruchość już po upływie 24 godzin, zamiast po 7-14 dniach. Kruszenie mięsa i obserwowane zmiany są wynikiem uaktywnienia systemu kalpain oraz wzrostu wewnątrzkomórkowej siły jonowej [7,26]. Stosując te sole, można poprawić kruchość mięsa nawet o 25-46%. Ważne jest, aby roztwór wprowadzić do mięsa w czasie nie dłuższym niż 1 godzina po uboju, ponieważ wtedy uzyskuje się najlepsze efekty [17]. W badaniach wykazano, że mięso, które zostało nastrzyknięte 0,3 M roztworem chlorku wapnia, w ciągu 2-3 dni jest kruche, a obserwowane w nim zmiany są intensywniejsze niż w mięsie przechowywanym w warunkach chłodniczych przez 7 dni, w którym nie zastosowano nastrzyku [27]. W innych badaniach stwierdzono, że bardzo istotny wpływ ma czas, który upłynął od uboju, po którym wprowadzane są jony wapnia. Większą poprawę kruchości zaobserwowano w mięsie, które zostało nastrzyknięte roztworem chlorku wapnia, zanim wystąpiło stężenie pośmiertne, niż po rigor mortis. Ustalono więc, że nastrzyk roztworem 0,3 M chlorku wapnia po 1 godzinie od uboju jest najefektywniejszy w przyspieszeniu procesu kruszenia mięsa [7]. Należy jednak pamiętać, że zgodnie z obowiązującymi przepisami prawa żadna substancja nie może być dodawana do „mięsa świeżego”, a jeśli tak jest, mięso staje się „mięsem przetworzonym”, co pociąga za sobą konsekwencje handlowe.

 

6. DODATEK ENZYMÓW

 

 

Dodatek enzymów proteolitycznych, zazwyczaj pochodzenia roślinnego, ale również zwierzęcego i mikrobiologicznego zalicza się do biologicznych metod kształtowania kruchości mięsa. Enzymy stosuje się najczęściej wraz z solą kuchenną oraz innymi przyprawami stosując posypkę bądź poprzez nastrzyk. Znana jest także technika wprowadzania enzymów pochodzenia roślinnego do organizmów zwierząt za życia, które aktywują się dopiero po uboju [17]. Dodatek w formie preparatów enzymatycznych w celu przyspieszenia procesu tenderyzacji mięsa wyróżnia się łatwością wykonania oraz dużą uniwersalnością do korzystania z tej metody przy różnych gatunkach mięsa i wielkościach kawałków, a także możliwością wykorzystania mięsa o niższej jakości do produkcji wyrobów cechujących się wysoką jakością [28]. Stosowane w kształtowaniu kruchości mięsa enzymy zwierzęce to głównie trypsyna i chymotrypsyna, natomiast spośród enzymów roślinnych, wykorzystuje się bromelinę (otrzymaną z łodygi ananasa), papainę (pozyskaną z liści lub owoców papai) oraz ficynę (wydobytą z soku mlecznego figowców). Najintensywniejszy efekt działania na strukturę białek miofibrylarnych i kolagenu oraz elastyny wykazuje ficyna. Za to bromelina działa równie intensywnie na kolagen, jak ficyna, jednakże słabiej na elastynę i białka miofibryli. Natomiast papaina cechuje się słabszym działaniem w stosunku do wszystkich białek [17].

Proces technologiczny polegający na wprowadzeniu enzymów do mięsa może być przeprowadzany następującymi sposobami:

• inkubacja mięsa w roztworze, który zawiera enzymy przy zastosowaniu odpowiednich warunków (m.in. temperatura, stężenie enzymu czy wartość pH)

• wprowadzenie roztworu enzymatycznego do mięsa poprzez iniekcję (nastrzykiwanie)

• nacieranie powierzchni tkanki mięśniowej preparatem w postaci proszku, który zawiera oprócz enzymów dodatki funkcjonalne (np. przyprawy, glutaminian sodu, maltodekstryny czy sacharozę)

• wprowadzenie enzymu bezpośrednio do krwioobiegu zwierzęcia jeszcze przed ubojem (metoda ta jest najbardziej skuteczna, jednak niehumanitarna) [28].

Opracowano wiele metod poprawy kruchości mięsa wołowego, które mogą być zastosowane na różnych etapach jego produkcji. W zakładach przetwórczych wciąż najczęściej stosowanymi metodami jest nacinanie półtusz oraz prowadzenie dojrzewania metodą mokrą w opakowaniach próżniowych, natomiast w restauracjach i domach można zastosować dodatek składników roślinnych zawierających enzymy proteolityczne np. plastry ananasa do uzyskania atrakcyjnych sensorycznie dań. Inną znaną metodą podnoszenia kruchości mięsa wołowego, wykorzystywaną często w restauracjach i domach, jest jego marynowanie.

 

Autorzy: Tomasz Żmijewski, Justyna Sojak, Monika Modzelewska-Kapituła Katedra Technologii i Chemii Mięsa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

 

Literatura

 

 

 

1. Tkacz K., Więk A., Żywica R., Banach J. 2018. The effects of beef carcasses high voltage electrical stimulation and roasting methods on tenderness and water retention of beef. Technical Sciences, 21 (2), 103-116. 2. Żywica R., Banach J. K. 2011. Wpływ elektrostymulacji wysokonapięciowej i rodzaju mięśnia na kruchość pastrami wołowego. Postępy Nauki i Technologii Przemysłu Rolno-Spożywczego, 66 (1), 81-89.

3. Hwang I. H., Devine C. E., Hopkins D. L. 2003. The biochemical and physical effects of electrical stimulation on beef and sheep meat tenderness. Meat Science, 65, 677-691.

4. Adeyemi K. D., Sazili A. Q. 2014. Efficacy of carcass electrical stimulation in meat quality enhancement: a review. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 27 (3), 447-456.

5. Akarcon-Rojo A. D., Janacua H., Rodriguez J. C., Paniwnyk L., Mason T. J. 2015. Power ultrasound in meat processing. Meat Science, 107, 86-93.

6. Żywica R., Banach J. K. 2007. Analysis of changes in electric current intensity during high voltage electrical stimulation in the aspect of predicting the pH value of beef. Journal of Food Engineering, 81 (3), 560-565.

7. Nowak D. 2009. Kruchość mięsa wołowego i metody jej poprawy. Przemysł Spożywczy, 3, 38-42.

8. Pisula A., Tyburcy A., Dasiewicz K. 2007. Czynniki decydujące o jakości mięsa wołowego. Gospodarka Mięsna, 1, 4-11.

9. Banach J. K, Modzelewska-Kapituła M., Wichman K., Tkacz K., Żywica R. Effects of electrical stimulation applied in combination with shock chilling method on selected quality attributes of beef from young bulls, heifers, and cows carcasses. Journal of Food Processing and Preservation, 2018; 42:e13571.

10. Pietrzak D. 2010. Perspektywy stosowania wysokich ciśnień w produkcji żywności wygodnej z mięsa drobiowego. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość., 2 (69), 16-28.

11. Rostocki A. J., Ptasznik S., Makała H., Tarakowski R. 2018. Ocena przydatności technologii wysokociśnieniowej do konserwowania mięs. Studium przypadku. Postępy Nauki i Technologii Przemysłu Rolno-Spożywczego, 73 (1), 5-16.

12. Sun X. D., Holley R. A. 2010. High hydrostatic pressure effects on the texture of meat and meat products. Journal of Food Science, 75, 17-23.

13. Malinowska-Pańczyk E., Kołodziejska I. 2009. Enzymy występujące w mięsie i ich wrażliwość na wysokie ciśnienie. Medycyna Weterynaryjna, 65 (12) 817-822.

14. Bajovic B., Bolumar T., Heinz V. 2012. Quality considerations with high pressure processing of fresh and value added meat products. Meat Science, 92 (3), 280-289.

15. Morton J. D., Pearson R. G., Lee H. Y. Y., Smithson S., Mason S. L., Bickerstaffe R. 2017. High pressure processing improves the tenderness and quality of hot-boned beef. Meat Science, 133, 69-74.

16. Bolumar T., Enneking M., Toepfl S., Heinz V. 2013. New developments in shockwave technology intended for meat tenderization: opportunities and challenges. A review. Meat Science, 95, 931-939.

17. Niedźwiedź J., Cierach M. 2009. Przemiany poubojowe a mięso wysokiej jakości. Gospodarka Mięsna, 4, 14-16.

18. Chang H. J., Wang Q., Tang C. H., Zhou G. H. 2015. Effects of ultrasound treatment on connective tissue collagen and meat quality of beef semitendinosus muscle. Journal of Food Quality, 38, 256-267.

19. Witrowa-Rajchert, D. 2012. Ultradźwięki w produkcji żywności projektowanej. Przemysł Spożywczy, 11, 41-43.

20. Wesołowski A., Siemianowska E., Skibniewska K., Sienkiewicz J. 2016. Ultradźwięki alternatywna technika badania i przetwarzania żywności. Przemysł Spożywczy, 9, 36-38.

21. Górska A., Kozłowska M. 2006. Możliwości zastosowania ultradźwięków w przetwórstwie mięsa część I wpływ ultradźwięków na kruchość mięsa, strukturę tkanki łącznej i mięśniowej. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 2, 46-48.

22. Dolatowski Z., Twarda J. 2005. Właściwości fizyko-chemiczne tkanki mięśniowej po sonifikacji. Inżynieria Rolnicza, 9, 77-83.

23. Kozłowska M., Górska A. 2007. Możliwość zastosowania ultradźwięków w przetwórstwie mięsa część II wpływ ultradźwięków na proteolizę i ultrastrukturę mięśni, proces gotowania mięsa i inaktywację mikroflory. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 1, 56-59.

24. Jayasooriya S.bD., 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 Science, 75, 628-639.

25. Niedźwiedź J., Żmijewski T., Ostoja H., Cierach M. 2011. Porównanie wartości maksymalnej siły cięcia wybranych mięśni z tylnej ćwierćtuszy wołowej. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 3, 57-58.

26. Ostoja H., Cierach M. 2008. Wpływ działania soli wapniowych na strukturę mięsa wołowego. Acta Agrophysica, 11 (2), 465-474.

27. N owak D., Korzeniowski W. 2004. Modifizierte Reifungsbedingungen. Einfluss auf die Zartheit des Fleisches und die Änderungen in der Struktur der Muskelfaser. Fleischwirtschaft, 10, 100-103.

28. Hać-Szymańczuk E., Ziarno M. 2013. Enzymy w przetwórstwie mięsa. Przemysł Spożywczy, 5, 26-30.