Przegląd literatury

Mięso zasadniczo składa się z wody, białek, tłuszczów, minerałów i wodorowęglanów.

W trakcie jego przetwarzania zachodzą liczne przemiany tych składników nadające końcowemu produktowi charakterystyczne cechy. Finalną jakość produktów mięsnych determinuje przede wszystkim jego bezpieczeństwo, akceptacja konsumencka oraz jakość odżywcza (Rys. 1) (Makala i Olkiewicz 2004).

Rys. 2. Wyróżniki jakości produktów mięsnych (opracowanie własne) Zmiany zachodzące w trakcie produkcji wyrobów fermentowanych

Produkcja wyrobów mięsnych fermentowanych jest wieloetapowym procesem. Generalnie w procesie produkcji fermentowanych wyrobów mięsnych można wyróżnić główne procesy jednostkowe, takie jak fermentacja, dojrzewanie i suszenie produktu. W największym stopniu wpływają one na końcową jakość produktu, ze względu na intensywność przemian zachodzących na poszczególnym etapie produkcji (Lucke 2016). Spośród nich wyróżnić należy przemiany fizyczne (np. zakwaszanie, dyfuzja i parowanie wody) jak również procesy biochemiczne (głównie związane z działaniem enzymów - proteoliza, lipoliza, utlenianie) składników mięsa, które prowadzą do powstawania związków generujących smak, zapach czy barwę produktu.

Przemiany enzymatyczne

Podczas fermentacji produktów mięsnych istotną rolę odgrywa endogenna mikroflora mięsa i/lub dodane kultury startowe. Obecność mikroorganizmów wpływa na zmiany enzymatyczne zachodzące w produkcie w dwojaki sposób. Mikroorganizmy te, ze względu na specyficzne procesy metaboliczne, przekształcają węglowodany znajdujące się w surowcu do pirogronianu a następnie kwasu mlekowego w procesie fermentacji. Akumulacja kwasu mlekowego, oprócz właściwości smakotwórczych (nadaje lekko kwaskowy posmak wyrobom mięsnym), w głównej mierze powoduje spadek wartości pH produktu stwarzając tym samym optymalne warunki dla enzymów katalizujących procesy proteolityczne i lipolityczne (Demeyer i Stahnke, 2002). Tempo powstawania i końcowa ilość kwasu mlekowego zależy od gatunku i rodzaju bakterii wykorzystanych w procesie produkcyjnym oraz rodzaju i ilości dostępnego dla mikroflory źródła węglowodanów. Dodatkowo przy udziale

bakterii heterofermentatywnych powstawać mogą uboczne produkty fermentacji, takie jak kwas octowy czy etanol. Poszczególne szczepy bakteryjne w trakcie wzrostu i rozwoju wydzielają enzymy, stanowiące dodatkowy, egzogenny czynnik wpływający na przebieg procesów biochemicznych w tkance mięsnej, a tym samym na jakość produktu (Casaburi 2008). Zastosowanie odpowiednio dobranych kultur startowych bogatych w organizmy zdolne do procesów fermentacji umożliwia właściwe ukierunkowanie procesów biochemicznych oraz uzyskanie bezpiecznego wyrobu o wysokiej i powtarzalnej jakości mikrobiologicznej, sensorycznej oraz charakteryzującego się właściwą teksturą.

Przemiany biochemiczne zachodzące w trakcie wytwarzania mięsnych produktów fermentowanych, jak już wcześniej podkreślono, są wynikiem działania enzymów endogennych mięsa oraz enzymów bakteryjnych (egzogennych). Intensywność oraz kierunek tych przemian warunkują otrzymanie charakterystycznych cech jakościowych mięsnych przetworów fermentowanych. Przemiany te mogą mieć przebieg zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.

2 (Toldra 2012).

Rys. 1. Schemat przebiegu przemian biochemicznych wybranych składników mięsa (Toldra 2012).

Ze względu na fakt, iż białka stanowią około 80% suchej masy mięsa, przemiany z nimi związane są kluczowe dla właściwości i jakości fermentowanych wyrobów mięsnych. Białka w procesach produkcji mięs fermentowanych ulegają przemianom proteolitycznym. Reakcje proteolizy zachodzące głównie przy udziale endogennych proteaz (m.in. kalpainy, katepsyny, proteinazy) odpowiadają za degradację białek do polipeptydów. Następnie polipeptydy ulegają hydrolizie katalizowanej przez endo-/egzo- peptydazy, w wyniku której powstają liczne peptydy.

W dalszej kolejności aminopeptydazy inicjują reakcję powstawania wolnych aminokwasów.

Obecność krótkich peptydów i wolnych aminokwasów zwiększa się w trakcie postępu procesów proteolitycznych i jest limitowane poziomem kwasowości czynnej (pH) – zbyt niskie wartości pH limitują aktywność enzymów proteolitycznych. W wyniku degradacji białek mogą powstawać również produkty uboczne, takie jak związki lotne (powstające w wyniku reakcji degradacji Steckera czy reakcji Maillarda), amoniak (w wyniku reakcji deaminacji i deamidacji przy udziale odpowiednio deaminaz i deamidaz pochodzących z grzybów i pleśni), a także amin biogennych powstających w wyniku bakteryjnej dekarboksylacji (Sanz i in. 2002; Harkouss i in. 2015; Toldra 2006).

Przemiany enzymatyczne dotyczą także frakcji lipidowych mięsa. Generalnie przemiany lipolityczne oraz reakcje utleniania wolnych kwasów tłuszczowych są zjawiskiem pożądanym (czynnik zapachotwórczy), jednak ich nadmierna intensywność obniża jakość finalną wyrobów ze względu na zmiany będące następstwem jełczenia tłuszczów. W ramach enzymatycznych przemian frakcji lipidów, triaglicerole i fosfolipidy są hydrolizowane przy udziale odpowiednio lipaz i fosfolipaz do wolnych kwasów tłuszczowych. Procesy utleniania lipidów są indukowane wzrostem temperatury, dostępem światła bądź obecnością soli w produktach. W wyniku tych przemian w pierwszej kolejności powstają nadtlenki wodoru, które w dalszej kolejności mogą ulegać rozpadowi do wtórnych produktów utleniania lipidów takich jak aldehydy, ketony, estry czy alkohole. Wtórne produkty reakcji utleniania lipidów odgrywają istotną rolę w kształtowaniu specyficznych cech sensorycznych produktów fermentowanych (Min i Ahn 2005; Gandemer 2002; Harkouss i in. 2015).

Przemiany fizyczne

Najważniejszymi zmianami fizycznymi w trakcie fermentacji i dojrzewania produktu są zakwaszanie produktu oraz dyfuzja i parowanie wody (suszenie). Wpływ zakwaszania produktów w kontekście przemian biochemicznych, organoleptycznych oraz bezpieczeństwa żywności zostały omówione. Dodatkowo w wyniku zakwaszenia produktu, białka mięsa tracą rozpuszczalność i ulegają koagulacji (wartość pH zbliżona do punktu izoelektrycznego białek), co ogranicza ich wodochłonność i zwiększa utratę wody w produkcie. Aspekt ten należy uwzględnić w procesie produkcyjnym. Zmiana kwasowości czynnej produktu jest pośrednio związana z suszenie/obsuszanie wyrobów w wyniku ubytku wody z produktu. Prędkość powietrza, temperatura i wilgotność względna są krytycznymi czynnikami wpływającymi na szybkość dyfuzji wody z wnętrza produktu i określają szybkość parowania z powierzchni. Ponadto maleje masa i objętość produktu, wzrasta jego twardość a także następuje rozwój związków aromatycznych (Zukal i Incze 2010). Konieczne jest ustalenie parametrów czynników zewnętrznych prowadzenia procesu (wilgotność, temperatura), aby zapobiec nadmiernemu odwodnieniu powierzchni mięsa i niedostatecznej dyfuzji wody z wnętrza do powierzchni tkanki (nadmierne, szybkie osuszenie powierzchni wyrobu utrudnia dyfuzję wody ze środkowych partii elementu tuszy bądź batonu kiełbasy) (Baldini i in. 2000). Para będzie opuszczać powierzchnię produktu tylko wtedy, gdy aktywność wody w mięśniu jest wyższa niż wilgotność powietrza wokół produktu. Ponieważ para wodna opuszcza powierzchnię produktu, wzrasta wilgotność powietrza. Powoduje to, że względna zawartość pary wodnej w środowisku jest wyższa, a zatem szybkość dyfuzji wody z produktu jest ograniczona. Aby kontynuować proces utraty wilgoci, powietrze z otoczenia musi stać się bardziej suche i cieplejsze. Osiąga się to dzięki systemom kontroli środowiska (Zukal i Incze 2010). Straty wody w surowcu są również istotne ze względu na zapobieganie rozwojowi niepożądanych mikroorganizmów. Zapewnienie wystarczającej dostępności wody dla metabolizmu drobnoustrojów może determinować tempo wzrostu drobnoustrojów.

Również obecność substancji rozpuszczonych w wodzie, takich jak sól lub cukier, w wyniku zwiększenia ich stężenia w procesie suszenia, utrudnia bakteriom utrzymanie ciśnienia osmotycznego (Kęska i Stadnik 2017).

Kształtowanie wyróżników jakości produktów mięsnych Barwa produktu

Barwa produktu zależy od zawartości wody, tłuszczu jak również hemoprotein - głównie mioglobiny. Charakterystyczny kolor produktów wynika z reakcji pomiędzy azotanami a mioglobiną.

Podstawowym pigmentem w surowych, fermentowanych wyrobach mięsnych jest nitrozylomioglobina, która charakteryzuje się głębokim czerwonym kolorem. Powstaje ona w wyniku reakcji tlenku azotu (NO) z mioglobiną lub z metmioglobiną (kolor brązowy). Źródłem tlenku azotu w produktach mięsnych są głównie azotany będące składnikiem mieszanek peklujących, jednak może on pochodzić również z naturalnych składników dodawanych do produkcji (czosnek, papryka).

Tlenek azotu może być również tworzony przez mikroorganizmy. Znane są obecnie dwa szczepy bakterii Lactobacillus fermentum, które mogą być zdolne do tworzenia tlenku azotu nadającego pożądaną barwę produktom fermentowanym bez udziału dodatku azotanów. Ponadto bakteryjne katalazy odpowiadają za redukcję nadtlenków, co skutkuje stabilizacją barwy i aromatu produktów, ograniczając procesy utleniania (Moller i in. 2003; Toldra 2012). Na barwę fermentowanych wyrobów mięsnych wpływa również pH - niska kwasowość czynna w kiełbasach może inicjować przemianę mioglobiny w metmioglobinę.

Tekstura produktu

Tekstura silnie determinuje właściwości sensoryczne produktu, w szczególności kruchość i soczystość są, ocenie konsumenckiej jedną z najważniejszych cech sensorycznych mięsa.

Generalnie tekstura wyrobów jest zależna jest od wielu czynników: gatunku, wieku, płci i rasy zwierząt, klasy jakościowej tusz, właściwości fizykochemicznych włókien mięśniowych (grubości, rozciągliwości i składu chemicznego), udziału ilościowego i jakościowego tkanki łącznej, postępowania z mięsem po uboju i zabiegów technologicznych. Parametry tekstury, takie jak

sprężystość, twardość czy spoistość zależą jednak w największym stopniu od zawartości wody w produkcie. Wraz z utratą wody struktura mięsa zmienia się z luźnej i plastycznej na zdecydowanie bardziej kruchą, sprężystą. Na teksturę wyrobów mięsnych ma również wpływ zawartość soli oraz kwasowość produktu. Ilość soli dyfundującej do głębszych warstw produktu determinuje szybkość migracji wody z wewnętrznych warstw surowca na zewnątrz. Wzrost stężenia soli w mięsie powoduje także zmiany stanu fizykochemicznego białek i przepuszczalności błon komórkowych, co z kolei spowalnia proces dyfuzji. Wartość pH produktu wpływa dwojako na parametry tekstury. Z jednej strony wpływa na właściwości białek. Zdolność wiązania wody przez białka miofibrylarne obniża się wraz ze spadkiem wartości pH do wartości punktu izoelektrycznego. Następująca wtedy agregacja i koagulacja białek miofibrylarnych ogranicza ich rozpuszczalność, a dodatkowa utrata wody skutkuje twardnieniem produktu. Wartość kwasowości czynnej wyrobów podczas fermentacji i dojrzewania wpływa także na aktywność enzymatyczną tkanki mięsnej. Parolari i in. (1994) podkreślają znaczenie przemian proteolitycznych szynki dojrzewającej jako główne czynniki kształtujące smak i konsystencję. Nadmierna proteoliza prowadzi do tzw. ciastowatości – jednej z wad wyrobów mięsnych. Przyczyną zmian struktury tkanki mięśniowej jest prawdopodobnie aktywność kalpalin i enzymów katepsynowych, uwalnianych w okresie poubojowym z lizosomów (Parolari i in. 1994).

Schivazappa i in. (2002) wykazali zależność między wysoką aktywnością katepsyny B oraz niskimi wartościach pH na parametry tekstury. Wyroby o takich parametrach charakteryzowały się największą utratą masy podczas solenia i były bardziej podatne na proteolizę białek, co skutkowało obniżeniem parametrów tekstury oraz pojawieniem się gorzkiego smaku (Schivazappa i in. 2002).

Smak i zapach

W trakcie produkcji wyrobów mięsnych fermentowanych powstają liczne produkty degradacji głównych składników mięsa. Wśród nich można wyróżnić lotne związki odpowiadające za charakterystyczny zapach produktów fermentowanych oraz nie lotne związki kształtujące smak tych produktów (Rys.2). Związki generujące smak produktów powstają w procesie proteolizy (peptydy i wolne aminokwasy) oraz lipolizy (długo- i krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe). Lotne związki odpowiedzialne za aromat produktów fermentowanych powstają głównie w wyniku przemian zachodzących we frakcji lipidowej produktu. Dokładny opis przemian związków frakcji peptydowej oraz lipidowej w kierunku generowania związków smakowo-zapachowych opisano w literaturze (Kęska i in. 2016).

Bezpieczeństwo produktu

Bezpieczeństwo finalnego produktu jest konsekwencją odpowiednio dobranego surowca, prawidłowo przeprowadzonych zabiegów technologicznych oraz przestrzegania higieny pracy.

Współdziałanie tych elementów ma zapewnić w głównej mierze wysoką jakość mikrobiologiczną produktu. Rozwój drobnoustrojów gnilnych bądź chorobotwórczych jest uzależniony między innymi od dostępności wody w produkcie. Miarą dostępności wody w produkcie jest aktywność wody (aw).

Po raz pierwszy pojęcie aw zostało wprowadzone przez Scotta (1953) i określone jako stosunek ciśnienia pary wodnej nad powierzchnią żywności do ciśnienia pary wodnej nad powierzchnią czystej wody w tej samej temperaturze i przy tym samym ciśnieniu całkowitym (Scott 1953). Aktywność wody przyjmuje wartości od 0 do 1, przy czym 0 to wartość aw dla środowiska, w którym cząsteczki wody nie mają zdolności do wykonywania pracy (woda strukturalna) a wartość 1 to aktywność czystej wody. Obecnie parametr ten służy do określania trwałości żywności a dokładniej możliwości przebiegu procesów biologicznych, reakcji chemicznych bądź przemian fizycznych. Dostępność wody decyduje także o możliwości rozwoju mikroorganizmów. Generalnie zakłada się, ze zahamowanie wzrostu patogenów żywności następuje w zakresie aw od 0,85 do 0,98 (Rys.3).

Szybkość i wydajność niektórych przemian biochemicznych może w dużym stopniu zależeć od aktywności wody. Na przykład reakcja utleniania tłuszczów zachodzi najwolniej przy wartości aw

w zakresie 0,1 – 0,3, natomiast szybkość utleniania barwników hemowych wzrasta wraz ze wzrostem aktywności wody (Pałacha, 2008).

Bezpieczeństwo produktów mięsnych surowo dojrzewających gwarantuje w dużej mierze działanie bakterii fermentacji mlekowej. Rozwój mikroflory powoduje efekt zakwaszenia środowiska

kwasami organicznymi - powstającymi w wyniku fermentacji mięsa oraz obniżenia aktywności wody w trakcie procesu dojrzewania. Wartość pH mięsa w początkowej fazie produkcji wynosi około 6,0 i zmienia się podczas fermentacji osiągając poziom między 4,6 a 5,1. Tak niska wartość w znacznym stopniu ogranicza wzrost niepożądanej mikroflory mięsa. Czynnikiem hamującym wzrost niekorzystnej mikroflory jest także synteza substancji przeciwbakteryjnych, takich jak H2O2, czy bakteriocyny. Związki te wytwarzane przez LAB są syntezowane rybosomalnie i wydzielane na zewnątrz komórki, gdzie ujawniają aktywność bakteriobójczą/grzybobójczą lub biostatyczną.

Rys. 2. Wpływ aktywności wody na stabilność żywności (Pałacha 2008 na podstawie Labuza 1971) 4. Podsumowanie

Istotą produkcji wędlin surowo dojrzewających jest umiejętne kierowanie przemianami o charakterze biochemicznym, mikrobiologicznym i fizycznym zachodzącymi w trakcie procesu produkcyjnego i dojrzewania poprodukcyjnego. Technologia wędlin surowo dojrzewających pozwala na uzyskanie stabilności mikrobiologicznej wskutek wprowadzenia dodatków i zastosowania procesów obniżających wartość pH oraz aktywność wody. Wysoką jakość tych wędlin oraz ich bezpieczeństwo uzyskuje się wskutek należytej dbałości o właściwy przebieg przemian składników mięsa zachodzących podczas fermentacji i dojrzewania.

5. Literatura

Baldini P, Cantoni E, Colla F i in. (2000) Dry sausages ripening: influence of thermohygrometric conditions on microbiological, chemical and physico-chemical characteristics. Food Research International, 33(3), 161-170.

Casaburi A, Di Monaco R, Cavella S i in. (2008) Proteolytic and lipolytic starter cultures and their effect on traditional fermented sausages ripening and sensory traits. Food Microbiology, 25(2), 335-347.

Demeyer D, Stahnke L (2002) Quality control of fermented meat products. In Meat processing:

Improving quality (pp. 359-393). Woodhead.

Gandemer G (2002) Lipids in muscles and adipose tissues, changes during processing and sensory properties of meat products. Meat Science, 62(3), 309-321.

Harkouss R, Astruc T, Lebert A i in (2015) Quantitative study of the relationships among proteolysis, lipid oxidation, structure and texture throughout the dry-cured ham process. Food Chemistry, 166, 522-530.

Kęska P, Kononiuk A, Stadnik J (2016) Meat tastiness - taste and aroma precursors: short report.

Monografia: Badania i Rozwój Młodych Naukowców w Polsce / Red. naukowa Monika Panfil.

Poznań 2016, 113-119, ISBN 978-83-65362-13-1

Kęska P, Stadnik J (2017) Dry-Cured Meats: Quality, Safety and Nutritional Aspects. In: Meat and meat processing/ [edited by] Derrick B. McCarthy- New York : Nova Science Publishers, Inc.88-110; ISBN: 978-1-53612-231-2.

Labuza T (1971) Properties of water as related to the keeping quality of foods. In International Congress of Food Science and Technology. Proceedings.

Lücke F (2016) Fermented Meat Products—An Overview. Fermented Meat Products: Health Aspects.

Makała H, Olkiewicz M (2004) Zasady opracowywania nowych produktów z uwzględnieniem oczekiwań konsumentów, na przykładzie mięsa i jego przetworów. Żywność. Nauka.

Technologia. Jakość, 1(38), 120-13.

Min B, Ahn D (2005) Mechanism of lipid peroxidation in meat and meat products-A review. Food Science and Biotechnology, 14(1), 152-163.

Møller J, Jensen J, Skibsted L i in. (2003) Microbial formation of nitrite-cured pigment,

nitrosylmyoglobin, from metmyoglobin in model systems and smoked fermented sausages by Lactobacillus fermentum strains and a commercial starter culture. European Food Research and Technology, 216(6), 463-469.

Palacha Z (2008) Aktywność wody ważny parametr trwałości żywności. Przemysł Spożywczy, 62(04), 22-26.

Parolari G, Virgili R, Schivazappa C (1994) Relationship between cathepsin B activity and compositional parameters in dry-cured hams of normal and defective texture. Meat Science, 38, 117-122.

Sanz Y, Sentandreu M, Toldrá F (2002) Role of muscle and bacterial exopeptidases in meat fermentation. Research advances in the quality of meat and meat products, 143-155.

Scott W (1953) Water relations of Staphylococcus aureus at 30 C. Australian Journal of Biological Sciences, 6(4), 549-564.

Schivazappa C, Degni M, Nanni Costa L i in. (2002) Analysis of raw meat to predict proteolysis in Parma ham. Meat Science, 60, 77-83.

Toldrá F (2006) The role of muscle enzymes in dry-cured meat products with different drying conditions. Trends in Food Science & Technology, 17(4), 164-168.

Toldrá F (2012) Biochemistry of fermented meat. Food Biochemistry and Food Processing, B. K.

Simpson (Ed.). John Wiley & Sons 2, 331-343.

Zukál E, Incze K (2010) Drying. In F. Toldrá (Ed.), Handbook of Meat Processing (pp.219-229).

John Wiley & Sons.

Meta-omiki – nowe strategie w analizie mikrobiomu i właściwości