Влияние замораживания на структуру тканей мяса

При замораживании тканей центры кристаллизации образуются раньше в межклеточном пространстве, так как межклеточная жидкость имеет несколько меньшую концентрацию и, стало быть, более высокую криоскопическую точку, чем внутриклеточная. Но как только образуются центры кристаллизации, концентрация межклеточной жидкости возрастает, возрастает и ее осмотическое давление. Возникает движение воды из клетки в межклеточное пространство. Если скорость отвода теплоты кристаллизации ниже уровня, соответствующего скорости этого движения, наблюдается только рост кристаллов в межклеточном пространстве, а в клетках кристаллы не образуются. Происходит обезвоживание клеток. При высокой скорости теплоотвода кристаллы образуются также и в клетках и тем меньших размеров, чем выше скорость теплоотвода и ниже температура.
Образование крупных кристаллов льда в практике замораживания мяса и других продуктов убоя — явление нежелательное. В связи с образованием крупных кристаллов и увеличением объема происходит расширение межклеточного пространства и разрушение соединительно тканных прослоек острыми гранями кристаллов. Ткань разрыхляется, мышечные волокна деформируются, а иногда и разрушаются. В тканях, образованных клетками с менее прочной оболочкой, чем сарколемма мышечных волокон, разрушений, вызываемых возникновением крупных кристаллов, еще больше. Замораживание, таким образом, сопровождается изменением структуры животных тканей.
Чем ниже температура и быстрее замораживание, тем меньше изменений морфологической структуры тканей. В зависимости от условий замораживания кристаллы образуются или внутри клетки, или вне ее. При этом, если замораживают ткань, кристаллы располагаются в межклеточном пространстве. Если замораживают отдельные клетки- на их поверхности.
Размеры и характер распределения кристаллов в тканях и связанная с этим степень разрушения морфологических структурных элементов определяют размеры потерь тканевой жидкости (мясного сока) при размораживании мяса и последующей механической обработке (обвалка, жиловка).
Степень разрушения структурных элементов тканей зависит не только от скорости замораживания, но и от глубины развития автолитических процессов в тканях к моменту замораживания. При замораживании мяса сразу же после убоя даже в обычных условиях мышечные волокна и межуточная соединительная ткань, хотя и увеличиваются в объеме, но все же сохраняют присущие им внешние очертания и взаимное расположение. Структура мышечных волокон в основном сохраняется. Если мясо заморожено в состоянии посмертного окоченения или оно начинается в период замораживания, фиксируется волнообразная конфигурация мышечных волокон в продольном разрезе, которая сохраняется даже после пятнадцатимесячного хранения.
Мышечная ткань мяса, замороженная в тех же условиях, но после 36-48 часов выдержки при 4 °С в значительной степени разрушается образующимися кристаллами, видимо, в результате ослабления структуры сарколеммы и соединительнотканных прослоек под влиянием автолиза. Соединительная ткань между пучками и волокнами имеет частые разрывы.
Даже при замораживании небольших кусков мышечной ткани в жидком азоте, если оно произведено после двухсуточной выдержки мяса, пространство между волокнами заполняется кристаллами, по всей вероятности, вследствие обводнения межуточного вещества в ходе автолиза тканей. При более медленном замораживании на воздухе значительная часть волокон оказывается совершенно разрушенной.
Степень структурных изменений тканей перед замораживанием, а также изменения гидрофильных свойств белков в ходе автолиза, оказывают прямое влияние на количество мясного сока, которое теряет мясо при размораживании и последующей механической обработке.
В практических условиях продукт, поступающий на замораживание, за исключением случаев домораживания, имеет температуру выше криоскопической. Поэтому процесс замораживания в технологическом понимании складывается из 3-х этапов: охлаждение продукта до криоскопической температуры, собственно замораживание и доведение температуры продукта до заданной. В любой момент замораживания температура внешнего слоя продукта ниже температуры в каждой другой точке, расположенной глубже. В тот момент, когда температура внешнего слоя достигнет криоскопической и в нем начнется кристаллобразование, в центральном слое будет продолжаться охлаждение, т.е. снижение температуры до криоскопической. Как только начнется замерзание внешнего слоя, понижение его температуры резко замедлится вследствие выделения теплоты кристаллизации. Ввиду незначительной концентрации тканевых жидкостей большая часть содержащейся в них воды вымерзает при температурах близких к криоскопической. Так, в мясе при минус 5°С вымерзает 75,6% воды. Стало быть температура внешнего слоя не упадет ниже минус 5 С, пока не замерзнет в нем более 75% воды. В связи с этим температура центрального слоя на какой-то промежуток времени будет оставаться выше криоскопической точки, тогда как внешний слой уже замерзнет.
По мере замораживания продукта граница между замерзшим и незамерзшим слоями перемещается к центру. Одновременно температура центрального слоя приближается к криоскопической до тех пор, пока начнется кристаллообразование в центральной части. Таким образом следует различать три последовательных периода замораживания продукта:
1. Замерзание внешнего слоя, совмещающееся по времени с охлаждением центрального теплового слоя. Его температура некоторое время может быть довольно высокой, если продукт поступил на замораживание без охлаждения;
2. Охлаждение центрального слоя практически закончено и в основном идет распространение замерзшего внешнего слоя в глубину при одновременном его доохлаждении;
3. Происходит дальнейшее охлаждение замерзшего продукта до заданной температуры.
Соответственно этим периодам изменяется температура центрального слоя. В начале она падает до уровня, близкого к криоскопической точке, затем задерживается на некотором практически постоянном уровне. После чего снова начинает снижаться. Промежуток времени, в течение которого температура центрального слоя продолжает оставаться выше криоскопической, зависит от скорости теплоотвода и толщины замораживаемого продукта.
Особенности распределения температур по толщине замораживаемого продукта обусловливает важные практические последствия. Образование кристаллов в поверхностном слое при любых условиях замораживания происходит очень быстро. Это объясняется незначительной толщиной поверхностного слоя, составляющей десятые доли миллиметра. Начало кристаллизации в поверхностном слое исключает возможность переохлаждения остальной части продукта, поскольку кристаллы его выполняют роль затравки, а линейная скорость кристаллизации практически всегда превышает скорость теплоотвода.
Вследствие вымерзания части воды в поверхностном слое концентрация жидкой фазы в нем возрастает. Возникает разность концентрации между поверхностным и более глубоко лежащими слоями, обусловливающая обменную диффузию между ними. В результате начинается перемещение воды из внутреннего незамерзшего слоя в поверхностный замерзший. По мере продвижения границы замерзшего слоя к центру — это явление последовательно повторяется на все большей глубине, продолжаясь и в уже замерзших слоях.
Таким образом, замораживание продукта сопровождается перемещением воды из внутренних слоев к наружному, а растворенных веществ в противоположном направлении. В том случае, если скорость теплоотвода невелика и, следовательно, скорость перемещения границы замерзшего слоя вглубь намного меньше скорости обменной диффузии, значительная часть влаги перемещается по направлению к поверхности продукта.
Так как теплопроводность мяса небольшая, скорость теплообмена уменьшается в глубину замораживаемого продукта. В связи с этим неравномерность распределения вымерзшей воды зависит от глубины расположения слоя. Значит, скорость замораживания животных тканей предопределяет характер перераспределения вымерзшей воды не только между клетками и межклеточным пространством, но и по толщине замораживаемого продукта.
Напряжения в результате возникновения и роста кристаллов могут превышать энергию связей внутри белковых макромолекул и вызывают разрыв цепей, образующих белковый полимер. Поэтому при замораживании имеет место не только изменение структуры белковых коллоидов, но и разрушение белковых молекул. Это подтверждается дезагрегацией белковых частиц и увеличением поверхностного натяжения и электропроводности тканевой жидкости.