Правильный подход к моделированию ухудшения качества основан на установлении подходящих тестовых показателей, соответствующих качеству пищевых продуктов. Так как срок хранения определяется как время, после которого продукт становится неприемлемым для потребителей, то такие показатели могут представлять собой результаты органолептического анализа, а также являться результатами тестирования химических, микробиологических и физических свойств продукта с использованием инструментальных или классических методов. Ниже мы рассмотрим показатели качества, широко используемые в настоящее время при изучении сроков и условий хранения.

9.3.1. Физические изменения

Физические изменения происходят в результате неправильного обращения с продуктами во время уборки урожая, переработки и сбыта, приводя к уменьшению сроков их хранения. Самыми типичными из них являются следующие:

-   повреждение плодов и овощей в процессе уборки и в послеуборочный период (например, при транспортировке), приводящие к развитию гнили, потемнению и возможному появлению посторонних привкусов (в частности, к образованию в брокколи метантиола и диметилдисульфида) [25];

-   потеря влаги или увядание плодов и овощей при хранении в условиях низкой влажности;

-   абсорбция влаги сухими пищевыми продуктами (например, хлебопекарными изделиями, сухим молоком, детским питанием, сухими кормами для животных и т.д.);

-   рост кристаллов льда вследствие колебаний температуры при хранении замороженных пищевых продуктов (например, мороженого, замороженных плодов и овощей);

-   повреждение клеточной структуры плодов и выделение летучих веществ (этанола, этилбутаноата, этилоктаноата и метилгексаноата) [26];

-   термические ожоги при замораживании;

-   изменения текстуры и вкуса вследствие оттаивания и повторного замораживания;

-   плавление и отвердевание жира (например, в кондитерских и хлебопекарных изделиях);

-   изменения вязкости пищевых эмульсий (например, изменение вязкости майонеза в салате);

-   разделение фаз (в частности, отделение сыворотки или синерезис в йогурте).

Многих из упомянутых выше физических изменений можно избежать за счет правильного обращения с продуктом, использования надлежащей упаковки и строгого контроля температуры хранения.

9.3.2. Химические изменения

В процессе производства и хранения пищевых продуктов происходит ряд химических изменений, зависящих от компонентов продукта и факторов внешней среды. Эти изменения могут ухудшать качество пищевого продукта и сокращать срок хранения. Основные химические изменения связаны с ферментативными и окислительными реакциями – в частности, с окислением липидов и неферментативным потемнением.

Самыми лабильными макрокомпонентами пищевых систем являются липиды. В зависимости от степени ненасыщенности липиды сильно подвержены окислению, в результате которого формируется окислительная прогорклость. В этом случае пищевой продукт становится неприемлемым для потребителя. Образование постороннего привкуса в прогорклых пищевых продуктах можно почувствовать сразу, однако образование свободных радикалов в результате автокаталитического окисления вызывает другие негативные реакции, в том числе потерю витаминов, изменение цвета и распад белков [9]. Многие из продуктов, подвергшихся окислительному прогорканию, в настоящее время считаются вредными для здоровья [27].

На скорость окисления липидов влияетнесколько факторов. Существенное влияние оказывают наличие кислорода и температура. Огромную роль играет также наличие воды. Очень низкие значения активности воды обусловливают высокую скорость окисления липидов [28]. При определении сроков хранения пищевых продуктов, содержащих липиды, особенно в случае высоких концентраций ненасыщенных жирных кислот, необходим учет механизмов и скорости реакций окисления основных из них [9]. Для измерения содержания летучих веществ применяют ряд методов, в том числе определение перекисного и тиобарбитурового чисел (но реакции с 2-тиобарбитуровой кислотой) и газовую хроматографию (ГХ) [29]. Динамический или статический анализ свободного пространства (в том числе с использованием микроэкстракции твердой фазы) с последующим газохроматографическим разделением летучих соединений, образующихся в результате окисления липидов, являются в последнее время наиболее предпочтительным методом благодаря относительно простым операциям пробоподготовки, хорошей чувствительности и быстроте анализа. Этот метод позволяет выделить и количественно измерить основные первичные маркерные соединения окисления липидов, например, альдегиды (пентаналь, гексаналь, гептаналь, октаналь, нонаналь и декадиенали), кетоны (2,3-октандион и 2-гептанон) и углеводороды (пропан, пентан) [29]. При хранении вареного картофеля развивается посторонний привкус, который описывают как «картонный» (его также называют картофельным привкусом). Это явление представляет серьезную проблему для предприятий общественного питания, где картофель является основным гарнирным компонентом. Анализ заранее приготовленного картофеля в вакуумной упаковке показал, что основными соединениями, формирующими картонный привкус, являются (Е,Е)-2,4-нонадиеналь и (Е,Е)-2,4-декадиеналь [30]. Имеются данные, что летучие вещества, выделенные в молоке после 12-часового воздействия на него света (условия промышленного хранения молока имитировали флуоресцентный свет интенсивностью 200 фут-свечей при температуре 0-5°С), образуются вследствие фотосенсибилизации и разложения рибофлавина, окисления липидов и сернистых соединений, включая гексаналь, пентаналь, диметилдисульфид, 2-бутанон и 2-пропанол [31]. При воздействии флуоресцентного света того же типа, что используется в холодильных витринах, козий сыр характеризовался повышенным образованием постороннего привкуса, описываемого как «тухлый», «мыльный», «прогорклый» и «творожный». Этот индуцированный светом посторонний привкус сыра формируется в результате окисления синглетным кислородом олеиновой кислоты и образования таких соединений, как 1-гептанол («химический» привкус), гептаналь («масляный»), нонаналь («мыльный»), и 2-деценаль («сальный»), [32]. Подобным же образом окисление липидов приводит к образованию альдегидов и кетонов в сливочном масле [33] и обезжиренном сухом молоке [34, 35], которые, как выяснилось, ответственны за формирование посторонних привкусов. Образование сильных ароматобразующих соединений в результате самоокисления линолевой кислоты изучали авторы работы [36]. Такие соединения, как гексаналь, (Z)-2-октеналь и (Е)-2-ноненаль характеризуются наибольшим коэффициентом максимального разбавления (порог восприятия запаха этих веществ) при ГХ-офлактометрическом анализе. В качестве маркерного продукта окисления в различных исследованиях использовался гексаналь [29, 37-41].

Кроме окисления липидов свет индуцирует и другие химические реакции, в том числе потерю витаминов и потемнение мяса [9]. Светочувствительность рибофлавина в молоке мы уже отмечали выше [31].

Необходимые знания об утрате и образовании конкретных составляющих вкуса или посторонних привкусов накапливаются медленно. В формировании вкуса большинства пищевых продуктов участвуют тиолы, однако они иногда бывают нестабильны, особенно в водных растворах и в присутствии кислорода. Нестабильность может быть следствием их окисления [42-44]. Причиной нестабильности 2-метил-3-фурантиола (МФТ), важного вкусо-ароматического компонента мяса, по всей видимости, являются электрофильные механизмы [45]. Установлено, что стабильность тиолов повышает цистеин, но он снижает стабильность некоторых других важных вкусо-ароматических соединений, в частности, 4-гидрокси-2,5-диметил-3-фуранона и сотолона. Тиамин (витамин В1) – один из наиболее распространенных водорастворимых витаминов, лучшим источником которого является апельсиновый сок – может разлагаться под воздействием тепла с образованием ярких ароматобразующих сернистых соединений, например, МФТ и bis-(2-метил-3-фурил)дисульфида. Образование в апельсиновом соке МФТ и 3-(метилтио) пропаналя (альдегидов Штрекера из метионина) вносит вклад в формирование постороннего привкуса при хранении сока [46]. Окислительные реакции в белых винах быстро приводят к потере свойственных им органолептических свойств, и это в основном приписывается 3-(метилтио)-пропаналю [47], являющемуся предшественником (прекурсором) диметилтрисульфида, который, как известно, придает «луковый» привкус старому пиву [48]. Также известно, что 2-аминоацетофенон, продукт расщепления триптофана, вызывает посторонние запахи, которые в молочных и зерновых продуктах описываются по-разному, а в вине и пиве – как «затхлый», «виноградный», «прокисший», «скотного двора» и даже как запах «мокрой псины» [34, 35].

Основная причина изменения качества и снижения пищевой ценности многих пищевых продуктов – это неферментативное потемнение. Неферментативный тип потемнения вызван взаимодействием между редуцирующими сахарами и аминокислотами. Эти реакции приводят к снижению растворимости белков, потемнению светлоокрашенных сухих продуктов и развитию горечи. На неферментативное потемнение оказывают влияние и факторы внешней среды – температура, активность воды и pН.

При благоприятных температурах, например, при комнатной, многие ферментативные реакции протекают с высокой скоростью, изменяя качественные характеристики пищевых продуктов. Например, нарезанные фрукты при комнатной температуре имеют тенденцию быстро темнеть вследствие реакции фенолоксидазы с компартаментами клетки, которые образуются при травмировании растительных тканей и наличии кислорода. Некоторые ферменты, в частности, липоксигеназа, не подвергшиеся денатурации в процессе бланширования, влияют на качество пищевых продуктов даже при температурах ниже криоскопических [49]. Температура и другие факторы (например, наличие кислорода, влага и рН) индуцируют целый ряд катализируемых ферментами негативных изменений в пищевых продуктах.

9.3.3. Микробиологические изменения

Порча пищевых продуктов и напитков – это результат активной деятельности разнообразных микроорганизмов. Микробиота каждого пищевого продукта зависит от его характеристик (состав, рН и т. д.), способа технологической обработки и условий хранений. Одним из последствий роста микроорганизмов в пищевых продуктах является изменение рН, образование токсичных соединений, газообразование, образование слизи и появление посторонних привкусов и запахов.

Классическая микробиологическая оценка портящихся пищевых продуктов для прогнозирования сроков их хранения имеет ограниченное значение, поскольку такие пищевые продукты реализуются или потребляются задолго до того, как удается получить результаты анализов. Поэтому большое число исследований посвящено изучению методов оценки химических изменений, вызываемых микроорганизмами, а не оценке общего количества колониеобразующих единиц (КОЕ). Популярным методом является измерение полного электрического сопротивления (импеданса), применяемое для оценки срока хранения молока и молочных продуктов [50]. Широко используется экспресс-метод определения количества присутствующих в молоке бактерий по содержанию аденозинтрифосфата (АТФ), основанный на использовании для продуцирования света люциферазы и кофактора [51]. Результаты такого анализа лучше согласуются с общими подсчетами КОЕ, чем количество КОЕ – с фактическим сроком хранения продуктов, поскольку этот метод не всегда позволяет оценивать количество метаболита, являющегося источником образования постороннего привкуса (например, метаболита с неприятным запахом). При длительном холодильном хранении существует вероятность размножения различных психротрофных бактерий, продуцирующих термостабильные протеиназы (Pseudomonas, Aeromonas, Serratia и Bacillus) или липазы (Pseudomonas, Flavobacleria и Alcaligenes). В случае присутствия этих термостабильных ферментов молоко способно портиться даже после УВТ-обработки [52, 53].

Для обнаружения патогенных микроорганизмов в настоящее время разработаны новые высоко чувствительные и специфичные микробиологические методы, основанные на иммунологических и молекулярных свойствах [54]. Эти методы применяют также для раннего обнаружения определенных микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, но чтобы их можно было использовать для обнаружения конкретных видов микроорганизмов, последние необходимо предварительно идентифицировать для каждого отдельного типа продуктов и определить пищевые вещества, которые являются объектами их негативного влияния [55, 56].

Альтернативный путь – точно указать конкретный метаболит, образующийся в результате метаболизма или роста данного вида микроорганизмов и вызывающий порчу пищевого продукта [57]. После выделения такого метаболита его образование может контролироваться чувствительными инструментальными методами – высокоэффективной жидкостной хроматографией с масс-спектрометрией (ВЭЖХ/МС), газовой хроматографией с офлактометрией (ГХО) и газовой хроматографией с масс-спектрометрией (ГХ/МС). Перспективным методом, дающим более точный прогноз срока хранения молока по сравнению с чашечным способом подсчета микроорганизмов, является определение летучих соединений путем проведения динамического ароматографического анализа посредством капиллярной газовой хроматографии (ДАА-ГХ) с последующей многомерной интерпретацией хроматографических максимумов [58, 59]. Микроэкстракция твердой фазы при ГХ/МС в сочетании с многомерным анализом успешно применяется для систематизации испытываемых проб молока в зависимости от источника посторонних привкусов, то есть окисления (индуцировавшегося светом или с помощью меди) и микробиологической порчи [37, 38]. Метод ДАА-ГХ/МС применяется в качестве неразрушающего метода при анализе летучих соединений, продуцируемых патогенными (О157:Н7) и непатогенными штаммами Escherichia coli [60]. В модельной системе все штаммы Е. cоli вырабатывали индол и в меньших количествах – другие компоненты, включая метилкетоны (2-гептанон, 2-нонанон, 2-ундеканон и 2-тридеканон). Подходящим «хозяином» для штамма О157:Н7 оказалась земляника, но ароматографический анализ свободного пространства в упаковке контаминированных плодов не выявил обнаруживаемых количеств индола. Было показано [60, 61], что земляника легко абсорбирует летучие соединения, продуцируемые бактериями, и в некоторых случаях метаболизирует их до новых летучих соединений. Этот метод применяется также для обнаружения бактерии в пищевых продуктах, особенно в свежих, то есть в тех, которые абсорбируют и метаболизируют маркерные соединения не так интенсивно, как земляника (например, гамбургеры, лососина и виноград).

Основная проблема здесь заключается в нахождении взаимосвязи между составом микроорганизмов и присутствием метаболитов с одной стороны, и возможностью прогнозировать микробиологическую порчу, с другой. Список метаболитов, которые могут быть использованы в качестве показателей качества, приведен в табл. 9.1 [62-69]. Такой способ унифицированного описания взаимосвязи развития микробиоты в продукте и химических изменений в нем дает важную информацию, которую можно использовать для разработки новых методов оценки срока хранения пищевых продуктов. Комплексное описание каждого типа пищевых продуктов, несомненно, окажется полезным для разработки новых ингредиентов и технологий, которые позволят увеличить сроки хранения пищевых продуктов и повысят их безопасность.

Таблица 9.1. Примеры маркерных соединений, образующихся в пищевых продуктах в результате жизнедеятельности насекомых и микроорганизмов, которые можно использовать как индексы качества (по данным [49-55, 69])

9.3.4. Изменения органолептических характеристик

Труднее всего бывает определить механизм порчи, связанной с изменениями в текстуре продукта или образованием посторонних привкусов, который вызван физико-химическими, биохимическими или микробиологическими реакциями. Поэтому оценка такого вида порчи всегда будет прямо или косвенно «привязана» к органолептическому анализу. Проводимый с помощью подготовленных дегустаторов, органолептический анализ обычнодает надежную базу для определения уровня общего качества пищевого продукта. Одни из способов органолептического тестирования состоит вустановлении самого факта изменения свойств продукта (пробы на различие образцов с определенным уровнем вероятности). Поскольку этот способ дает «конечную» информацию, он не позволяет оцепить зависимость потери качества от времени хранения. Гедонистическое тестирование – несколько пион способ, позволяющий моделировать прогрессирующее снижение характеристик качества с помощью градуированной гедонистической шкалы [1]. По сравнению с вышеупомянутыми испытаниями на различие гедонистическое тестирование предъявляет более жесткие требования к группе экспертов относительно однородности ее состава, опыта и численности. Поскольку эти требования зачастую не выполняются, надежность результатов такого тестирования оказывается неудовлетворительной. Другая проблема этого способа оценки связана с трудностями установления обоснованной оценочной шкалы для каждого вида пищевых продуктов – группа экспертов не всегда отражает мнение потребителей, не говоря уже о мнениях представителей их различных групп [70].

Обычно при проведении органолептического тестирования начальным уровнем является 100%-ное качество, окончание срока хранения – 0% качества, а промежуточные точки соответствуют пропорциональным уровням качества, рассчитанным на основании предположения о линейной зависимости результатов органолептического анализа от времени хранения, которое не всегда является достоверным. Как правило, производителей пищевых продуктов не интересует процедура тестирования срока хранения. За исключением скоропортящихся пищевых продуктов (охлажденных продуктов, подобных молоку, и др.) потребитель не способен обнаружить суточное различие органолептических свойств продуктов длительного хранения (например, консервированных супов или круп). Точно также обычный органолептический анализ (гедонистический или на различие образцов) не дает полного представления о сроке хранения данного продукта [1]. Различные статистические и графические методы на основе органолептических данных тестирования срока хранения проанализированы в работах [71,72]. Удачный системный подход к проблеме органолептического тестирования являет собой графический вариант метода максимального правдоподобия (метод Вейбулла) [13]. Доступность метода Вейбулла заключается в том, что он отвечает лишь на один вопрос - «Приемлем ли продукт?» Чтобы точно оценить срок хранения, частоту тестирования целесообразно увеличивать по мере приближения к окончанию периода хранения. Этот метод успешно применяют для определения периода хранения пастеризованного молока, а также жареного и молотого кофе [73, 74].

Практические проблемы, связанные с использованием органолептических показателей при моделировании срока хранения, связаны с высокими затратами на привлечение групп экспертов и необходимостью дегустации испорченных или потенциально опасных образцов. В некоторых случаях рост микроорганизмов или разложение пищевых веществ достигает совершенно неприемлемых уровней, но при этом пищевой продукт может оцениваться как «органолептически приемлемый». В нормативно-регламентирующих целях, а также в случае судебных исков и арбитражных споров данные органолептического анализа не являются достаточно «объективными». Иногда потребителя «приучают» приобретать низкокачественные продукты, предлагая продукты отнюдь не наилучшего качества. Все это делает очевидной необходимость поиска альтернативных способов оценки качества [1].