OZNACZENIE TERMICZNEJ STABILNOŚCI EMULSJI TKANKA MIĘŚNIOWA-OLEJ

1. CHARAKTERYSTYKA EMULSJI

Emulsjami nazywamy dwufazowe, ciekłe układy dyspersyjne, czyli układy składające się z dwóch nie mieszających się faz płynnych. Fazy te, ze względu na charakter oddziaływań nazywamy: fazą ciągłą (zewnętrzną), w której zawieszone są drobne kropelki drugiej cieczy; oraz fazą rozproszoną (wewnętrzną). Pierwszą z nich może być olej, drugą zaś stanowi rozpuszczalnik. W przypadku produktów mięsnych rozpuszczalnikiem jest woda. Emulsją są również: mleko, majonez, kremy, maści, tzw. mleczka, itp. Układ emulsyjny dwóch nie mieszających się cieczy określamy jako olej
w wodzie (O/W) jeżeli hydrofobowa faza,  zwana "olejem" jest zawieszona w postaci rozproszonej w fazie hydrofilowej, zwanej "wodą". W przypadku, gdy fazą ciągłą, (zewnętrzną) jest ciecz hydrofobowa ("olej") a cieczą zdyspergowaną jest ciecz hydrofilowa ("woda") mówimy o emulsji woda w oleju (W/O). Jednym ze sposobów na określenie typu emulsji jest jej obserwacja pod mikroskopem. Oglądając warstwę emulsji zabarwioną barwnikiem rozpuszczalnym w olejach (np. Sudan IV) lub w wodzie (np. oranż metylowy) zaobserwujemy, że zabarwieniu ulegnie ta faza, która rozpuszcza barwnik.

Drugim sposobem na określenie typu emulsji jest pomiar jej przewodności elektrycznej. Emulsje typu O/W, gdzie fazą ciągłą jest rozpuszczalnik polarny (najczęstszy przypadek to wodny roztwór elektrolitów), będzie przewodzić prąd elektryczny. Natomiast emulsja W/O będzie wykazywać dużą oporność.

Ponieważ w emulsjach powierzchnia styku dwóch faz (nie mieszających się składników) jest bardzo duża, układ może być trwały tyko w przypadku, gdy siły napięcia powierzchniowego między fazami będą bliskie zeru. W przypadku przeciwnym faza rozproszona w bardzo krótkim czasie łączy się w fazę ciągłą i emulsja rozdziela się na dwie fazy ciągłe (zjawisko zwane koalescencją). Tak w przyrodzie, jak i w emulsjach tworzonych przez człowieka w celu obniżenia napięcia powierzchniowego między fazami wykorzystuje się substancje trzecie, powierzchniowoczynne, zwane emulgatorami. Substancje te mogą występować w postaci roztworu lub kryształów. Rolę emulgatora
w układach mięsnych pełnią białka mięśniowe (Haque i Kinsella, 1989). Budowa emulgatora sprawia, że w warunkach modelowych, cząsteczki białka dyfundują do granicy faz olej-woda i gromadzą się na niej, po pokonaniu bariery elektrostatycznej. W wyniku tego procesu zmieniają się warunki równowagi termodynamicznej, którym towarzyszy rozprostowanie się łańcuchów polipeptydowych białka. Hydrofobowe fragmenty cząsteczki białka orientują się w kierunku niepolarnej fazy olejowej, podczas gdy fragmenty polarne i elektrycznie naładowane, skierowane są w stronę fazy wodnej (Leman, 1988).

 

Rys.1.Uproszczony schemat budowy cząsteczki emulgatora

Rys.2.Emulsja typu W/O

Jakość zdyspergowanego układu zależy od następujących czynników:

• rodzaju białka i jego pochodzenia,

• stanu biochemicznego tkanki mięśniowej,

• stężenia białka i stężenia jonów w roztworze,

• pH środowiska,

• rodzaju zastosowanych dodatków funkcjonalnych,

• stosunku objętościowego fazy rozpraszanej i rozpraszającej,

• parametrów technologicznych (temperatura, czas trwania procesu, itp.).

Poszczególne białka mięśniowe mają różną zdolność tworzenia tłuszczowo-wodnych emulsji (Skrabka-Błotnicka, 1986). Hagerty uszeregował białka, według malejącej zdolności emulgowania tłuszczu, w następującej kolejności: miozyna>aktomiozyna>aktyna>białka sarkoplazmatyczne (Wołoszyn, 1992).

Powinowactwo emulgatora do fazy olejowej i fazy wodnej określa parametr HLB (Hydrophilic-Liophilic Balance). Wartość HLB, zależna głównie od budowy cząsteczki,
a dokładniej od stosunku części hydrofilowej do hydrofobowej, określa, czy dany środek powierzchniowo czynny stabilizuje lepiej emulsje O/W czy W/O. Umownie przyjęto skalę HLB w zakresie 1 - 40. Wartość 1 odnosi się do kwasu olejowego, wartość 40 do laurylosiarczanu sodowego. Emulgatory o HLB <10 pozwalają wytwarzać emulsje typu W/O (są lepiej rozpuszczalne w fazie niepolarnej). HLB powyżej 10 predysponuje emulgator do użycia w emulsji O/W. Liczba HLB charakteryzuje się addytywnością , tzn. dla mieszaniny emulgatorów można ją obliczyć na podstawie wartości HLB poszczególnych składników i ich względnego udziału w mieszaninie.

Ponieważ mechanizm obniżania napięcia powierzchniowego polega na tworzeniu cienkiej, najczęściej monomolekularnej warstewki na granicy faz, emulgator dodany do emulsji tylko do pewnego stężenia wspomaga tworzenie i utrzymanie emulsji. Emulgator dodany w nadmiernej ilości nie powoduje już obniżenia napięcia powierzchniowego i nie gromadzi się więcej na granicy faz tylko tworzy skupiska (micele) w fazie ciągłej.

2. STABILNOŚĆ EMULSJI

Stabilność emulsji determinowana jest przez kilka czynników, z których najważniejsze to: napięcie międzyfazowe (powierzchniowe), wielkość kulek fazy rozproszonej, jak również okres przechowywania. Emulsja o większej dyspersji będzie trwalsza, ze względu na mniejszą masę pojedynczej kuleczki i związaną z tym większą ich ruchliwość. Emulsje przechowywane natomiast przez dłuższy okres wykazują zjawisko "śmietankowania", tzn. gromadzenia się kuleczek fazy rozproszonej na powierzchni, na skutek działania sił wyporności cieczy. Sprzyjać temu będzie duża różnica gęstości cieczy i większy promień kulek emulsji. Nazwa pochodzi od naturalnego procesu gromadzenia się śmietany na powierzchni mleka, które w dużym uproszczeniu jest emulsją tłuszczu
w wodzie.

Rys.3.Proces rozpadu emulsji

Można zatem przedstawić pewną zależność szybkości rozkładu emulsji, która to jest proporcjonalna do kwadratu promienia kuleczek fazy rozproszonej, różnicy gęstości obu faz i przyspieszenia działającego na emulsję (zazwyczaj przyspieszenia ziemskiego, chyba że wirujemy emulsje, wtedy jest to przyspieszenie nadawane przez wirówkę)
a odwrotnie proporcjonalna do lepkości fazy rozpraszającej.

Kluczową rolę w uzyskaniu stabilnej emulsji tkanka mięśniowa - olej, odgrywają białka. Określenie zdolności emulgacji białek lub tkanki mięśniowej jest niewystarczające przy ocenie przydatności mięsa do sporządzania wyrobów kutrowanych. Farsz nie jest bowiem produktem końcowym, lecz staje się nim dopiero po obróbce termicznej. Dlatego też bardzo istotnym wyróżnikiem funkcjonalności surowca mięsnego jest zdolność utrzymania wody i tłuszczu, w postaci emulsji, w zalecanych temperaturach obróbki cieplnej, czyli tzw. Termiczna Stabilność Emulsji (Acton i Saffle, 1970). W trwałej emulsji farszu mięsnego wszystkie krople tłuszczu otoczone są błoną białek rozpuszczonych
w fazie rozpraszającej. Fazę tą tworzą roztwory wodne soli, gdyż tylko w takich układach rozpuszczają się białka miofibrylarne. Zdolności emulgujące tych białek są najwyższe,
w porównaniu z innymi frakcjami białek mięśniowych. Otoczka białkowa stanowi ochronę stabilności emulsji podczas obróbki termicznej. W farszach o wysokiej zawartości tłuszczu, przy dużym stopniu rozdrobnienia, zwiększa się powierzchnia podziału faz.
W takich układach może wystąpić niedobór białek, mogących utworzyć barierę pomiędzy fazą ciągłą i rozproszoną. Niedobór ten może spowodować ograniczenie stabilności emulsji podczas obróbki cieplnej, zwiększenie wycieku a co się z tym wiąże wzrost strat masy gotowego produktu mięsnego (Dąbrowski i in., 1992).

W związku z powyższym, aby uzyskać stabilny farsz wędliniarski, należy starannie dobrać parametry kutrowania do składu i właściwości surowców. Intensywne mieszanie sprzyja stabilizacji emulsji. W procesie kutrowania należy zapobiegać nadmiernemu wzrostowi temperatury. Ogrzewanie obniża bowiem lepkość układu i napięcie powierzchniowe, a przez to ułatwia dyspersję tłuszczu do tego stopnia, że dostępna ilość rozpuszczonych białek może nie wystarczyć do utworzenia stabilnej emulsji. Ponadto denaturacja białek przed utworzeniem ochronnych hydrofilowych błonek białkowych wokół kuleczek tłuszczowych może również prowadzić do obniżenia stężenia rozpuszczonych białek poniżej dopuszczalnej granicy (Grabowski, 1993).

Z fizykochemicznego punktu widzenia główną przyczyną niestabilności emulsji jest koalescencja kropel oleju, zachodząca w skutek przerwania laminarnej warstewki wodnej. Graham i Philips (Leman, 1988) stwierdzili, że siły odpychania między cząsteczkami białka stabilizujące te warstewkę, zależą głównie od oddziaływania elektrostatycznego w błonce międzyfazowej. O ile więc sił kapilarne Van der Wallsa sprzyjają zmniejszeniu się grubości warstewki wodnej to oddziaływania elektrostatyczne
i przestrzenna budowa białkowej błonki międzyfazowej będą temu przeciwdziałały. Dlatego natężenie ładunku elektrostatycznego na powierzchni białka, jej wielkość i stopień hydratacji wpływają na szybkość zbliżania się kropel oleju i ich koalescencję.
W Emulsjach stabilnych osłonka międzyfazowa wykazuje się odpowiednią grubością, dobrymi właściwościami kohezyjnymi, reologicznymi i hydratacyjnymi.

Na ogół w procesie zamrażania i zamrażalniczego przechowywania układy rozproszone, do których zaliczają się emulsje, tracą stabilność. Oddziaływania Van der Wallsa podczas obniżania temperatury zanikają. W momencie zatężania roztworu rozpraszającego, wzrost pH środowiska wpływa na zmiany konfiguracji i konformacji białek mięśniowych. Międzyfazowe błony ulegają destrukcji. Proces ten jest jedynie
w niewielkim stopniu odwracalny.

3. DODATKI FUNKCJONALNE DO MIĘSA

Pod pojęciem dodatków funkcjonalnych należy rozumieć grupę związków chemicznych dodawanych do mięsa w celu poprawy jego przydatności technologicznej.
W ostatnich latach główną grupą związków, która budzi zainteresowanie badaczy są hydrokoloidy. Odgrywają one bardzo ważną rolę we współczesnej technologii przetwórstwa mięsa. Efektem działania hydrokoloidów jest również stabilizowanie emulsji. Do związków tych zalicza się m.in.: alginian sodu, pektyny, karboksyceluloza, gumy, karagen czy izolaty z białek zwierzęcych (Krala i Dziomdziora, 2000; Krala
i Dziomdziora, 2003). Hydrokoloidy stanowią ważną grupę teksturotwórczych składników żywności lub dodatków do żywności. Wpływają na poprawę jakości mięsa i jego produktów. Związki te są długołańcuchowymi polimerami, rozpuszczalnymi w wodzie lub w niej dyspergującymi. Wykazują przy tym działanie zagęszczające, podwyższające lepkość oraz żelujące. W przetworach spożywczych kształtują teksturę i konsystencję. Wykazują działanie stabilizujące struktury żelowe w przetworach mięsnych (Makała, 2003; Adamczak i in., 2003a,b) jak również zapobiegają wyciekowi wody. Spośród hydrokoloidów największą zdolnością wiązania wody (t.j. około 30g wody na 1g preparatu) charakteryzują się polisacharydy (karagen, gumy). Znacznie mniej wody wiążą hydrokoloidy białkowe (np. izolaty białek roślinnych czy zwierzęcych). Gumy, skrobie, pektyny i celulozy wiążąc wodę w produkcie mają zdolność przekazywania konsystencji
i tekstury fazie wodnej. Dodatkowo charakteryzują się dużą odpornością na działanie enzymów trawiennych ludzi, przez co nie wnoszą wartości odżywczej do produktu. Wykazują korzystne działanie prebiotyczne, poprzez selektywną stymulację wzrostu i/lub aktywności jednego rodzaju lub ograniczonej liczby „dobrych” bakterii w okrężnicy
i w ten sposób wpływają pozytywnie nasze zdrowie (Tyszkiewicz, 1992). Znaczna część hydrokoloidów może pełnić funkcje podwójne, to jest zarówno substancji dodatkowych, jak i składników żywności o określonej wartości odżywczej.

4. WYKONANIE OZNACZENIA

ODCZYNNIKI:

2% roztwór NaCl

Olej rzepakowy lub sojowy

APARATURA:

Homogenizator

Wirówka

Łaźnia wodna

• Odważyć 5g ± 0,001g badanego mięsa przygotowanego zgodnie z zaleceniem prowadzącego ćwiczenie.

• Odważoną próbkę homogenizować z 20cm³ 2% roztworu NaCl przez 3 minuty przy 2000 obr/min.

• Do homogenatu dodać 14,5cm³ 2% roztworu NaCl oraz 44cm³ oleju i ponownie homogenizować przez 3 minuty przy 2000 obr/min.

• Otrzymany homogenat przelać do naczynek wirówkowych, nakryć folią by zapobiec odparowaniu wody i ogrzewać 30 minut w łaźni wodnej o temperaturze 70^oC.

• Po ogrzewaniu homogenat wirować przez 15 minut przy 3000 obr/min.

• Oznaczyć objętość klarownej cieczy, wycieku olejowego, jak również masę pozostałej emulsji.

• Stabilność emulsji wyrazić w postaci współczynnika niestabilności.

Gdzie:

V = objętość wycieku i tłuszczu

c = masa emujsji

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

*Emulsions and emulsion stability /*

1. Krynke K. 2006. Wpływ struktury układów emulsyjnych typu olej w wodzie na ich właściwości reologiczne. BG PŁ Łódź

2. Soblom J. 1996. Emulsions and emulsion stability. Surfactant Science Series 61 Wydaw. Dekker M. New York.

3. Stauffer C.E., z ang. przeł. Cybulska E.B. 2001. Emulsifiers/Emulgatory. WNT Warszawa

4. Witwicka J., Cygańska J. 1967. Emulgatory i emulsje w przemyśle spożywczym. Wydaw. Przemysłu Lekkiego i Spożywczego Warszawa

---