Влияние различных температурных воздействий на микроструктуру кукурузного крахмала в составе мясного продукта

Важность и необходимость ветеринарносанитарной экспертизы пищевых продуктов была неоднократно доказана различными исследованиями [1]. В некоторых областях мясной промышленности доля фальсификации может достигать в отдельных случаях 88–100% [2]. К наиболее частым несоответствиям регламенту относятся повышенное содержание воды и значительное уменьшение скелетной мускулатуры [3]. Кроме того, часто в составе переработанного мясного продукта встречаются такие животные компоненты, как хрящи, кости [4], соединительная ткань, фрагменты внутренних органов [5]. Для уменьшения себестоимости продукции и маскировки некачественного сырья могут использоваться незаявленные на этикетке компоненты растительного и животного происхождения, такие как крахмал, камедь, соя и другие [6]. Чаще всего на уровне потребителя и при органолептической оценке такие фальсификации не обнаруживаются [7]. Существует комплекс исследований, позволяющий выявить все эти нарушения. Одним из таких эффективных методов является гистологический метод, при помощи которого можно определить структуру мясного продукта, состояние мышечной ткани, свежесть и наличие добавок [8, 9].

Крахмал является одной из самых популярных добавок в пищевой промышленности. В России чаще всего используется два вида: картофельный и кукурузный. По данным исследований 83% мирового производства приходится на кукурузный крахмал [10]. Поэтому, несмотря на то что картофель значительно более дешевое сырье в нашем регионе, кукурузный крахмал распространен и для фальсификации используется значительно чаще.

Все крахмалы обладают похожими характеристиками – это влагоудерживающая способность, способность аккумулировать ароматические соединения и улучшать структуру конечного продукта. Зёрна крахмала формируются из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой линейный полимер, взаимодействуя с липидами, фосфорилированными остатками и другими веществами, слабо взаимодействует с водой и ингибирует процесс набухания [11]. Амилопектин является макромолекулой с разветвленной структурой, и именно он, взаимодействуя с молекулами воды, обеспечивает набухание и вязкость при нагревании. Зерна крахмала образованы чередующимися пластинками, состоящими из аморфного компонента (разветвления амилопектина) и кристаллического (содержит только линейные цепи). Они образуют кольца роста [12]. Внутри крахмального зерна располагается глазок

(ворота), который является центром кристаллизации. Поверхность крахмального зерна покрыта порами, а внутри зерно пронизано каналами, которые сформированы концами молекул амилозы и амилопектина [13]. Это имеет важное технологическое значение, так как различные реагенты могут проникать и взаимодействовать со структурными компонентами зерна, например, при разных видах модификации.

Амилоза и амилопектин в холодной воде не дают истинного раствора. При нагревании начинают разрушаться межмолекулярные связи, гранулы гидратируются и набухают. Далее происходит разупорядочивание кристаллических структур и образует клейстер (вязкий коллоидный раствор) [14]. Соотношение данных полисахаридов определяет функциональные и физикохимические свойства крахмала. Исследования показали, что соотношение амилозы и амилопектина, а также структура пор, зависят от сырьевого источника, селекции и других факторов [15]. На морфологию крахмальных зерен могут влиять условия выращивания, такие как уровень азота в почве [16].

Некоторые авторы выделяют 4 вида крахмальных зерен [17]: крупные – более 25 мкм, средние – от 10 до 25 мкм, маленькие – от 5 до 10 мкм, и очень маленькие – меньше 5 мкм. Другие авторы классифицируют на группы [14]: крупнозернистые (10–120 мкм), – среднезернистые (5–30) мкм, – мелкозернистые (1–10 мкм), – с бимодальной дисперсностью (2–5 и 10–50 мкм).

В процессе производства мясная продукция подвергается различным термическим воздействиям: замораживанию, пастеризации, варке при температуре выше 100 °C. Становится важно понимать, как изменяется морфология крахмального зерна при подобных воздействиях. Эти изменения видоспецифичны, а также сильно зависят от длительности и характера термообработки.

Исследование влияния термической обработки на кукурузный крахмал в водяном или соляном растворе показало набухание крахмала, потерю изначальной формы зёрен, постепенное исчезновение глазка, слипание отдельных зерен вместе. Далее происходило формирование клейстерной массы в местах скоплений зёрен или полное их растворение там, где зёрна были отдалены друг от друга [20]. Понимание взаимосвязи температурной обработки с микроструктурой кукурузного крахмала позволит оптимально подбирать вид этого продукта для разных технологических процессов мясного производства. А также может служить индикатором соблюдения температурных режимов термической обработки мясных изделий.

Недостаточность данных об изменениях структуры зерен кукурузного крахмала в составе мясных продуктов при различных температурных воздействиях определяет актуальность данных исследований.

Цель работы – определение влияния различной температурной обработки в течение разных временных промежутков на гистологическую структуру кукурузного крахмала в составе мясного фарша, а также изучение его гистологической структуры.

Материалы и методы

Образцы группы 2 термически не обрабатывалась, образцы групп 3 – 6 подвергались пастеризации в воде при температуре 80 Т в течение разного времени. Группа 3 обрабатывалась в течение 5 мин., группа 4 – 10 мин., группа 5 – 20 мин. и группа 6 – 40 минут. Образцы групп 7 и 8 подвергались термообработке в воде при температуре 100°С Группа 7 - в течение 5 мин., а группа 8 – 20 минут.

Заморозка образцов проводилась в бытовом холодильнике при -18 °C. Образцы группы 9 хранились 3 суток, а группы 10 – три месяца.

Далее образцы фиксировались в десятипроцентном нейтральном формалине, Гистологические препараты были изготовлены по стандартной методике, описанной в «ГОСТ 31500–2012 Мясо и мясные продукты. Гистологический метод определения растительных углеродных добавок», окрашены гематоксилином и эозином.

Микроскопирование гистологических образцов производилось с помощью светового микроскопа, при увеличении в 400 раз. Для морфометрических измерений по 10 полям зрения от группы сделаны микрофотографии с использованием окуляра с линейкой. Производилась фотосъемка для получения обзорных препаратов. На препаратах оценивалась форма и микроструктура зерен кукурузного крахмала и изменения этих параметров при разных вариантах термической обработки.

Для измерения относительных значений диаметра зёрен использовалась программа ImеgеJ. Относительные значения были переведены в абсолютные при помощи объект микрометра. Данные статистически обработаны при помощи программы Ехсеl.

Результаты и обсуждение

Исследование образцов группы 1, содержащих только фарш, было проведено с целью определения структурных особенностей фона всех препаратов для лучшей идентификации крахмальных зерен.

Исследования гистологических препаратов группы 2, не подвергавшихся термической обработке, демонстрируют картину нативных зёрен кукурузного крахмала (рисунок 1). По своим морфологическим характеристикам они идентичны типичным зернам данного ботанического вида. Зерна крахмала слегка угловатые, имеют округлую форму, слабо окрашены, прозрачные. В центре отдельно взятых зёрен заметны ворота (глазки) – небольшие тёмные пятна, от которых по всей площади зерна радиально расходятся линии. Зёрна располагаются большими группами, изредка попадаются одиночные.

Установлено, что средний размер зёрен в этой группе составил 8,5 мкм, максимальный – 14,4 мкм, минимальный – 4,4 мкм (таблица 1). Микроструктурный анализ показывает, что кукурузный крахмал отличается неоднородностью зерен (рисунок 2). Преобладают зерна среднего размера, от 7 до 12 мкм, их доля составила 59%. На долю крупных приходится 15%, а мелких – 26%. Эти данные подтверждают ранее проведенные исследования. [18, 19].

Образцы группы 3 демонстрирует серьёзные изменения, которые возникают в зёрнах крахмала под воздействием температуры в течение 5 минут. Прежде всего, средний размер зёрен статистически значимо увеличился в 2,6 раза по сравнению с группой 2, и составил 22,7 мкм. Максимальный диаметр увеличился в 4,1 раза, минимальный в 1,8 раза. Мелкие зерна не идентифицировались, а 95% были крупные. Клейстеризация кукурузного крахмала начинается с 70 Т [20]. Более мелкие зерна начинают набухать и клейстеризоваться быстрее, при более низкой температуре, чем крупные [13]. В нашем исследовании при температуре 80 Т наблюдается подобная картина – исчезают маленькие гранулы, потом все гранулы становятся крупными в процессе гидратации и набухания. Начинает изменяться и морфология крахмального зерна. Они становятся более округлыми, а потом овальными и неровными. Глазок почти полностью исчезает и становиться практически незаметным. Сами же зёрна начали слипаться вместе, а в более крупных скоплениях сливаться в одну массу. Однако эти изменения были незначительны и позволили провести морфометрические измерения. Такая динамика изменений подтверждается и другими исследованиями. [20].

Рисунок 1. Морфологическое строение крахмальных зерен при различных температурных режимах обработки (увеличение в 400 раз, окрашивание гематоксилином и эозином): A – группа 2; B – группа 3; C – группа 4; D – группа 5; E – группа 6; F – группа 7; G – группа 8; H – группа 9; I – группа 10; 1 – зерна крахмала

Figure 1. Morphological structure of starch grains at different temperature conditions of processing (400х magnification, hematoxylin and eosin staining): A – group 2; B – group 3; C – group 4; D – group 5; E – group 6; F – group 7; G – group 8; H – group 9; I – group 10; 1 – starch grains.

■ Большие зерна (>12 мкм). % large grains (>12 pm), %

■ Средние зерна (от 7 до 12 мкм). % medium grains (7-12 pm), %

■ Малые зерна (<7 мкм), % ■ small grains (<7 pm),%

Рисунок 2. Соотношение размеров зерен кукурузного крахмала при разных режимах температурной обработки, %

Figure 2. The ratio of grain sizes of corn starch under different modes of thermal treatment, %

В образцах группы 4 заметны более серьезные деструктивные признаки. Долее длительная гидратация в течение 10 минут при температуре 80 °C показывает, что разворачивание и другие морфологические изменения затрагивают уже все зерна. Они набухают ещё больше, став в 3–4 раза больше изначальных размеров. При этом округлая форма зерна исказилась, превратившись в полностью аморфную, исчез глазок. Также заметно участились слияния зерен. Морфология гранул определялась с трудом.

К 20 минутам пастеризации происходит полная клейстеризация зерен крахмала. Редкие отдельные зёрна, по отношению к первоначальным размерам, увеличились примерно в 4,5 раза. Форма зерен нарушается, они склеиваются в единую массу. Некоторые отдельные зёрна полностью утратили свою структуру и распались. Дальнейшая пастеризация до 40 минут морфологических изменений не вызывает. Образцы групп 5 и 6 не имеют серьёзных различий между собой.

На образце группы 7 видно, что термическая обработка при 100 °C приводит к намного более быстрым и более сильным деструктивным процессам, по сравнению с обработкой при 80 °C. Те морфологические изменения, которые при пастеризации происходят с крахмалом через 20 минут обработки, при варке наступают уже на пятой минуте. Через 5 минут обработки зёрна крахмала полностью утрачивают какую-либо форму, перестает просматриваться глазок, повсеместно начинают слипаться зёрна, а их размер превышает в 3 раза первоначальный.

В образцах группы 8 происходит полная потеря формы зерна, глазка, еще более сильное набухание и слияние зёрен в единую клейстерную массу.

Исследования влияния низких температур на кукурузный крахмал показали незначительные изменения в его строении. Статистически значимых отличий в среднем диаметре зерен крахмала при заморозке образцов группы 9 и 10

по сравнению с образцами группы 2 не обнаружено. Зёрна имеют всю ту же хорошо видимую угловатую форму, заметен глазок. Единственным заметным изменением зерен, кроме незначительного уменьшения диаметра становятся более ярко выраженные углы. Общая тенденция распределения размеров зерен тоже сохраняется. Преобладают зерна среднего размера. Заметна тенденция увеличения доли маленьких зерен в 1,2 раза и уменьшения количества больших зерен в 1,5 раза.

Статистически значимых отличий в группе 10 по сравнению с группой 9 и 2 не обнаружено. Сохранился как глазок, так и цвет, и остальные характерные морфологические признаки. Несмотря на большее время заморозки, заметно лишь незначительное уменьшение размера отдельных зёрен, а также форма отдельных единиц стала напоминать многоугольники с заострёнными углами. Средний диаметр зерна продолжает снижаться – 8,4 мкм. Соотношение изменилось в сторону увеличения количества средних зерен до 64%, а количество малых, а особенно больших, уменьшилось. Следует отметить, что в процессе заморозки значительно уменьшается количество крупных зерен и увеличивается количество средних, в то время как соотношение маленьких зерен при длительном замораживании практически не меняется. Это может быть связано с ферментативным разрушением в процессе хранения и согласуется с данными, полученными при воздействии низкими температурами (0–4 °C) в течение длительного времени на картофельный крахмал. В этих исследованиях было показаны снижение содержания крахмала, неравномерная деформация зерен и увеличение внутренних полостей и каналов в крахмальном зерне [21]. Уменьшение размера и большую угловатость формы можно объяснить уменьшением количества влаги в образце, которое происходит при вымораживании продукта.

Таблица 1.

Размер зерен кукурузного крахмала при разных температурных воздействиях, мкм

Table 1.

Grain size of corn starch under different temperature effects, µm

Группа	Group	Максимальный диаметр	Maximum diameter	Минимальный диаметр	Minimum diameter	Средний диаметр	Аvеrаgе diameter
2		14,4		4,4		8,5 ± 0,12
3		58,1		7,9		22,7 ± 0,39 ***
9		17,7		3,4		8,5 ± 0,14
10		16,5		2,7		8,4 ± 0,11
разница по сравнению с группой 2 достоверна*** – P ≤ 0,001 the difference compared to the group 2 is significant: *** – at P ≤ 0.001

Заключение

Наши исследования показали, что зерна кукурузного крахмала в фарше, при отсутствии термической обработки, полностью соответствуют морфологическим признакам, характерным для этого вида, имеют округлую, слегка угловатую форму. В центре располагается глазок. Средний размер зерна около 8,5 мкм. Преобладают зерна среднего размера.

Основные изменения, связанные с нагреванием при 80 °С, в крахмале происходят за первые 10 минут. У кукурузного крахмала достаточно высокая температура клейстериза-ции – 70 °С, поэтому в первые 5 минут в большинстве зерен еще сохраняется многоугольная форма и глазок. Средний размер зерен увеличивается до 22,7 мкм, их число достигает 95%. К 10 минутам деструктивные изменения нарастают, далее их интенсивность плавно снижается. При достижении 20 минут наступает клестериза-ция. Характер изменений состоит в том, что зёрна увеличиваются в размере, у них распадается глазок, теряется изначальная форма, а сами они, постепенно, слипаются и сливаются вместе. При пастеризации при 80 °С более 20 минут каких-либо существенных изменений морфологии зерен не происходит.

Характер изменений в структуре крахмала при термической обработке 100 °C неотличим от тех, что происходят при 80 °C. Однако изменения наступают значительно быстрее, за первые 5 минут, и к 10 минутам морфология крахмальных зерен не просматривается.

Замораживание практически не меняет морфологические признаки зерна. Однако, при длительном воздействии отрицательных температур заметно искажение формы зерен в сторону больше угловатости, что связано с уменьшением содержания влаги и неравномерным ферментативным разрушением структуры крахмального зерна в результате заморозки.

В результате работы сделаны микрофотографии и проведено описание морфологического строения зерен кукурузного крахмала при разных температурных режимах обработки. Микрофотографии исследуемых образцов и описание микроструктуры крахмальных зерен могут быть использованы для идентификации кукурузного крахмала и индикации температурных режимов обработки при проведении оценки качества мясных продуктов.