Process, structure and function relationship in ground meat

Berger, Lisa Marie

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Berger, Lisa Marie

Process, structure and function relationship in ground meat

Stoffliche und verfahrenstechnische Ansätze zur schonenden Verarbeitung von Hackfleisch und Hackfleischerzeugnissen

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-22756
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2024/2275/

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SWD-Schlagwörter:

Fleischqualität , Fleischverarbeitung , Strukturanalyse , Lebensmittelanalyse , Rindfleisch

Freie Schlagwörter (Deutsch):

Rinderhackfleisch, Hamburgerverarbeitung , Fleischstruktur , Fleischfunktionalität , Fleischqualität und -analytik , Optimierung , Verarbeitung

Freie Schlagwörter (Englisch):

Ground Beef , Hamburger Processing , Meat Structure , Meat Functionality , Meat Quality & Analytic

Institut:

Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie

Fakultät:

Fakultät Naturwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Biowissenschaften, Biologie

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Weiss, Jochen Prof. Dr.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

15.12.2023

Erstellungsjahr:

2023

Publikationsdatum:

05.02.2024

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim

Kurzfassung auf Englisch:

Ground beef has enjoyed high popularity with consumers because it is convenient to use and facilitates a rapid preparation of a large variety of different meals. In the production of ground meat, the particle size of the meat is systematically reduced, and the cell structures are partially disintegrated. Ideally, the original cellular meat or fat structure is preserved as much as possible so that important quality attributes are optimized. However, the effect of varying conditions and parameters in modern processes on the quality of ground meat has not yet been investigated in detail. According to the current German “Leitsätze für Fleisch und Fleischerzeugnisse”, hamburgers must not contain more than 20 Vol.% of non-intact cell structures to be sold without further declaration. Therefore, this work aimed to identify process, structure, and function relationships in ground meat production to facilitate a gentler processing of in particular hamburgers. To investigate these effects systematically, a standardized production method for hamburgers was developed and a pilot plant scale meat grinder was set up with the possibility to record process-relevant data.
The relationship between the structure and functionality of ground meat was investigated using a model system with increasing amounts of added meat batter to simulate changes in meat structure due to cell disintegration. A new term, i.e., the amount of non-intact cells (ANIC), was introduced to quantify the amount of disintegrated meat cells during processing. It was shown that changes in the structure due to a higher or lower ANIC resulted in altered physicochemical and functional properties of the ground meat system.
The effect of frozen meat content and temperature on the structure and function of hamburgers was investigated to verify the above-obtained correlation to an application-relevant setting. As the specific cutting resistance is significantly higher in frozen than in chilled meat, it was assumed, that the impact on the ground meat’s structure and function differed accordingly. Indeed, this could be verified.
In hamburger manufacturing, it is common practice to re-fed imperfectly molded patties, e.g., in a frozen, coarsely crushed state. In contrast to those findings, the use of up to 20 % re-fed material in hamburger manufacturing did not result in any noticeable differences as neither the specific mechanical energy input (SME) nor the ANIC was significantly changed.
It was thus demonstrated, that some raw material variations can have an impact on both structure and function of hamburgers. Especially, temperature effects and associated changes in the cutting resistance of the raw material had the strongest influence on structure and function of ground meat. However, if structural differences were found, they were not sufficient to manifest in differences in sensory evaluation. This means that the consumer perception and thus the quality of the hamburger was not influenced.
The process parameters and their impact on the structure and function of hamburgers were studied by investigating the impact of the four main processing steps pre-grinding, mixing, grinding, and forming. An increased ANIC was determined with progressive processing, whereby the grinding steps accounted for the strongest increase. Mixing and forming were of minor importance for structural and functional changes.
By varying the cutting set parameters, the influence of the cutting set compositions on the structure and function of hamburgers was assessed. The SME and the ANIC increased if more cutting levels were used due to higher shear stress applied to the meat. However, the hole plate properties did cause no or only negligible changes in the ANIC and SME. Although an impact of the cutting set composition on the structure could be found, no or only marginal effects on the function and the sensory and optical quality of the hamburgers were found.
It can therefore be concluded that the shear forces acting on the meat during grinding have the strongest influence on the structure and function of beef. By reducing the acting shear forces, the grinding can be designed to be gentler resulting in lower ANIC. Despite the influence on the process-control (SME, pressure, torque) and the structural parameters (ANIC), it needs to be emphasized that the influence on the function and quality of the hamburgers is small in application-relevant ranges. In application-relevant ranges this relationship is only slightly pronounced. Comparable results were found, as raw material variations only partially caused structural, functional, and quality effects in the hamburgers. This in turn means that changes in structure cannot always be linked to a shift in perceived quality. In order to carry out an integrated evaluation of the product, structural parameters and quality parameters must be defined, assessed separately, and merged into a combined overall sample assessment.

Kurzfassung auf Deutsch:

Aufgrund des niedrigen Preises und der Vielseitigkeit ist Hackfleisch seit jeher eines der beliebtesten Rindfleischprodukte. Bei der Herstellung von Hackfleisch wird die Partikelgröße des Fleisches gezielt verringern und die Zellstrukturen teilweise aufgebrochen. In den deutschen Leitsätzen für Fleisch und Fleischerzeugnisse ist spezifiziert, dass Hamburger nicht mehr als 20 Vol.% an nicht intakten Zellstrukturen enthalten dürfen, um ohne weitere Änderung der Deklaration verkauft werden zu können. Ziel dieser Arbeit war es, einen Zusammenhang zwischen Prozess, Struktur und/oder Funktion der Hackfleischprodukte mit Fokus auf die Hamburgerherstellung zu identifizieren. Um die Einflüsse systematisch zu untersuchen, wurde ein standardisiertes Herstellungsverfahren für Hamburger definiert und ein Fleischwolf mit der Möglichkeit zur Aufzeichnung prozessrelevanter Daten entwickelt.
Um grundlegende Kenntnisse über die Systemeigenschaften von Hackfleisch zu gewinnen, wurde ein Modellsystem mit steigendem Anteil an brätartiger Fleischmasse erstellt, um eine Veränderung der Fleischstruktur durch Zelldesintegration zu simulieren. Der Begriff des Anteils nicht intakter Zellen (engl. Amount of non-intact cells, ANIC) wurde als Maß für die Menge der während der Verarbeitung desintegrierten Fleischzellen definiert. Es wurde gezeigt, dass Veränderungen in der Struktur zu veränderten physikochemischen und funktionellen Eigenschaften des Hackfleischsystems führten.
Durch die Variation von Gefrierfleischanteil und temperatur wurde der Eunfluss von Rohmaterialeigenschaften auf die Struktur und Funktionalität von Hackfleisch und Hamburgern untersucht. Da der spezifische Schneidewiderstand bei gefrorenem Fleisch höher ist als bei gekühltem Fleisch, wurde eine Struktur- und Funktionalitätsveränderung des Hackfleisches erwartet, was bestätigt werden konnte.
Bei der Herstellung von Hamburgern werden Produkte, die äußerliche Mängel aufweisen, in gefrorenem, grob zerkleinertem Zustand dem Prozess wieder zugeführt. Im Gegensatz zu den vorherigen Erkenntnissen führte die Verwendung von bis zu 20 % rückgeführtem Material bei der Herstellung von Hamburgern zu keinen nennenswerten Unterschieden, da weder der SME noch der ANIC beeinflusst wurden.
Somit wurde gezeigt, dass einige Rohstoffvariationen einen Einfluss auf die Struktur und die Funktionalität von Hamburgern haben können. Vor allem Temperatureffekte und damit verbundene Änderungen des Schneidewiderstands hatten den stärksten Einfluss.
Desweitern wurden die Prozessparameter und deren Einfluss auf die Struktur und Funktionalität der Hamburger untersucht, wie z.B. die Auswirkungen der vier Hauptverarbeitungsschritte Vorwolfen, Mischen, Wolfen und Formen. Dabei nahm der ANIC mit fortschreitender Verarbeitung zu, wobei das erste und zweite Wolfen den stärksten Anstieg bewirkten. Mischen und Formen waren für die strukturellen und funktionellen Veränderungen von geringer Bedeutung. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen den wirkenden mechanischen Kräften, der Struktur und Funktionalität besteht.
Durch die Variation der Schneidsatzzusammensetzung konnte der Einfluss des Schneidsatzes auf die Struktur und Funktionalität der Hamburger untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass SME und ANIC zunahmen, wenn mehr Schneideebenen verwendet wurden. Der Winkel der Bohrlöcher sowie die Lochgröße der mittleren Lochplatte verursachten jedoch keine oder nur geringe Veränderungen bei ANIC und SME. Obwohl ein Einfluss der Schneidsatzzusammensetzung auf die Struktur festgestellt werden konnte, wurden nur geringfügige Auswirkungen auf die Funktionalität und die sensorische und optische Qualität der Hamburger ermittelt. Dies deutet darauf hin, dass weniger Schneideebenen zu einer schonenderen Verarbeitung führen.
Es kann daher geschlossen werden, dass die Scherkraft, die während des Wolfens auf das Fleisch einwirkt, den stärksten Einfluss auf die Struktur und Funktionalität von Rinderhackfleisch hat. Wird die Scherkraft reduziert, führt das schonendere Wolfen zu geringeren Mengen an nicht intakten Zellen (ANIC). Trotz des Einflusses auf die Prozesssteuerung und die Strukturparameter ist hervorzuheben, dass der Einfluss auf die Funktionalität und sensorischen Qualität der Hamburger in anwendungsrelevanten Bereichen gering ist. In den für die Anwendung relevanten Grenzen ist dieser Zusammenhang nur gering ausgeprägt. Vergleichbare Ergebnisse wurden ermittelt, da Rohstoffvariationen nur teilweise strukturelle, funktionelle und qualitative Auswirkungen in den Hamburgern verursachten. Dies wiederum bedeutet, dass Veränderungen in der Struktur nicht immer mit einer Veränderung der Qualität und der Verbraucherwahrnehmung in Verbindung gebracht werden können. Um eine ganzheitliche Bewertung des Produkts vorzunehmen, sollten Strukturparameter und Qualitätsparameter getrennt betrachtet und zu einer Gesamtbewertung der Probe zusammengeführt werden.