Микроскопическое строение мяса и его структурные изменения в процессах окоченения и созревания

В настоящее время еще нет твердо установленных микроскопических показателей развития и полной зрелости мяса или улучшения его консистенции при применении протеолитических ферментов. Также не выявлены структурные различия распада тканей при созревании мяса под действием тканевых протеолитических ферментов и ферментов гнилостных микробов.
Разрешение этой проблемы имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение.
По морфологическим данным, подтвержденным биохимическими исследованиями, нами сделана попытка восполнить некоторый пробел в определении сущности и последовательности проявления посмертных структурных изменений, протекающих в мышцах и обусловливающих процесс его созревания.
Сопоставление научных данных, полученных с помощью электронной микроскопии, с результатами наших исследований позволило прийти к несколько иному представлению о процессах, обусловливающих созревание мяса в обычных условиях и при интенсификации их протеолитическими ферментами.
По данным ряда исследователей, каждая скелетная мышца туши убойных животных состоит из многих тысяч и нередко миллионов мышечных волокон преимущественно цилиндрической формы. Они связаны между собой в пучки соединительной тканью (эндомизием и перемизием), придающих мышцам форму, соответствующую выполняемым ими в организме функциям. В соединительнотканой строме мышц располагаются жировая ткань, кровеносные и лимфатические сосуды, капилляры и нервы.
По выполнению жизненных функций организма мышцы подразделяют на высокочастотные и низкочастотные, динамические и статодинамические.
Высокочастотные мышцы светлые, бедные миоглобином и саркоплазмой, но богатые миофибриллами. Они более сильные, чем темные мышцы, но менее выносливые (быстро утомляются вследствие частого и быстрого сокращения). Волокна высокочастотных мышц сокращаются на 4% своей длины. Низкочастотные мышцы темные, богатые миоглобином и саркоплазмой и более выносливые. Их волокна медленно и сильно сокращаются на 40% своей длины. Мышцы, производящие различные движения тела, называются динамическими, а укрепляющие скелет в определенном положении и сохраняющие форму тела животного и его позу — статодинамическими. Кроме того, различают тонковолокнистые и толстоволокнистые мышцы. Однако в одной и той же мышце рядом встречаются оба вида волокон.
Мышцы никогда не сокращаются поодиночке, они всегда действуют группами, а их волокна сокращаются отдельно, поочередно с тем, чтобы восстановить свое исходное состояние до последующего вступления в работу.
Рабочей и структурной единицей скелетной мышцы является волокно сложного строения.
Длина волокон колеблется в пределах от 2 до 160 мм, а толщина от 10 до 150 мк. Это зависит от вида животного, возраста, упитанности и. главным образом от выполняемой мышцей функции.
В каждом волокне различают: наружную оболочку, образуемую эндомизием из коллагеновых, эластических и ретикулярных волокон; внутреннюю собственную оболочку волокна — сарколемму, саркоплазму с многочисленными ядрами и миофибриллы (рис. 6).

Сарколемма — очень тонкая (400—700 А), двуслойная, бесструктурная, прозрачная и эластичная оболочка. Она может удлиняться, как и волокно, в 2,2 раза и довольно устойчива к действию щелочей, кислот, к кипячению и поэтому является надежной защитой волокна от различных воздействий.
В саркоплазме по краям волокна находятся ядра овальной, иногда слегка вытянутой формы с ядрышками и хроматиновыми зернами, саркоплазматическая сеть, митохондрии (саркосомы), рибонуклеопротеидные гранулы, гликоген и обладающие способностью к сокращению пучки миофибрилл различных порядков.
Миофибриллы представляют собой белковые (миозин и актин) цилиндрической формы структуры, придающие волокну продольную исчерченность. Толщина миофибрилл у большинства животных колеблется от 1 до 3 мк. Каждая миофибрилла состоит из правильно чередующихся светлых изотропных U дисков (длина 0,8 мк) и темных анизотропных А дисков (длина 1,5 мк), различных по своим химическим и физическим свойствам. Этими дисками и обусловливается поперечная полосатость мышечных волокон. Каждый светлый и темный диск мышечного волокна в свою очередь разделен пополам в поперечном направлении мембраной, соединяющейся с сарколеммой. В светлом диске U мембрана темная и называется телофрагмой Т, или полоской L, в темном диске А мембрана более светлая и называется мезофрагмой М, или полоской H.
Указанными мембранами и сарколеммой диски миофибриллей удерживаются на одном уровне при их сокращении, причем светлые диски при полном сокращении мускульного волокна почти полностью исчезают, а размер темных дисков укорачивается незначительно (рис. 7).

Миофибриллы мышечного волокна в свою очередь состоят из тончайших светлых и темных дисков — протофибриллей (миофиламентов) толщиной 200 А.
Поперечно-полосатое волокно и его миофибриллы распадаются по полоскам Z па множество мелких сегментов. Эти сегменты, расположенные между двумя смежными полосками Z, называют саркомерами. Они представляют собой структурные единицы волокна и образуются при конечном его распаде, наблюдаемом в обычном микроскопе. Длина саркомеров у высокочастотных мышц не превышает 2 мк, а у низкочастотных мышц — 4 мк.
Бесспорным доказательством наличия в мышечном волокне структурных единиц, называемых саркомерами, служит распад мышечного волокна на равные сегменты при осторожном воздействии однопроцентной уксусной кислоты, углекислого калия, или же пищеварительных ферментов.
Необходимо отметить, что конечному распаду миофибрилл на инокоммы-саркомеры предшествует первоначальный распад поперечно-полосатого волокла под действием указанных выше веществ на крупные саркомеры, равные или несколько превышающие диаметр волокна (от 10 до 150 мк). Этот первоначальный распад описывается нами впервые. Другими исследователями этот факт оставался незамеченным или же рассматривался как разрывы волокон и артефакты.
По интенсивности первоначального распада мышечных волокон нами определяется степень зрелости мяса.
Коллагеновое волокно является структурным элементом коллагеновой соединительной ткани и состоит из субмикроскопических фибрилл с поперечной исчерченностью и правильным чередованием светлых и темных полос (рис. 8).

Наличие оболочки на фибриллах и в волокне обусловливает более устойчивую конструкцию коллагенового волокна. Эластические волокна, как и коллагеновые, также имеют фибриллярное строение, причем отдельные фибриллы обнаруживают поперечную исчерченность сходного периода. Ретикулиновые фибриллы (при серебрении) не имеют такого правильного периода поперечной исчерченности, который свойствен коллагену.
Современные теории изменений поперечно-полосатых, мышц в период, их сокращения не дают четкого и ясного представления о сущности механизма этого сложного процесса. В настоящее время берется за основу гипотетическая схема сокращения мышечного волокна, разработанная Гекели. Если для первых стадий прижизненного сокращения мышц (по Гекели) предполагается скольжение субъединиц саркомера друг относительно друга, а для последних стадий (по Гилеву) наиболее вероятна спирализация этих структур, то для посмертного сокращения — окоченения мышц механизм структурных изменений совершенно не выяснен. Мы полагаем, что для посмертного сокращения мышц наиболее вероятной является теория спирализации с уменьшением объема волокон.
Неясность этого весьма важного вопроса отражается отрицательно на понимании и оценке причин посмертных структурных изменений в поперечно-полосатых мышцах, происходящих при окоченении и созревании мяса.
Микроскопические изменения, характеризующие состояние после-убойного окоченения мышечных волокон у крупного рогатого скота, описали впервые в 1940 г. Керри и в 1944 г. Пауль и сотрудники. Эти авторы считали, что при наступлении окоченения некоторые волокна являются активными и сокращаются с образованием узлов и характерных зон сокращения и расслабления, в то время как другие, будучи пассивными, приобретают за счет первых волнистый или перекрученный внешний вид, который характеризуется наличием изгибов, зигзагов и диагональных полосок.
Сразу же после убоя границы волокон в мышцах были плохо различимы и волокна имели прямую или слегка волнистую форму с заметной продольной исчерченностью. После одного дня хранения мышечные волокна и их поперечная исчерченность становились более заметны, а продольная — менее выраженной.
В процессе созревания мяса исчезновение окоченения микроскопически характеризовалось авторами по появлению разрывов в так называемых пассивно сокращенных волокнах и по дезинтеграции мускульной протоплазмы в активно сокращенных волокнах.
По данным авторов, на дезинтегрированных участках мускульных волокон утрачивается как продольная, так и поперечная исчерченность, саркоплазма принимает зернистый вид.
Размеры гранулированных участков увеличивались в процессе хранения мяса, особенно на 9-й день.
Природа разрывов мускульных волокон, дезинтеграции и их зернистого распада авторами окончательно не была установлена.
Термическая обработка ускоряет распад тканей после воздействия на мясо протеолитических ферментов. При этом необходимо учитывать, что соединительнотканая оболочка и сарколемма не разрушаются ни при созревании, ни при варке мяса.
Многие исследователи установили пригодность гистометода для характеристики влияния протеолитического фермента, установления избирательного действия его на ткани и ядра, а также выявления степени окоченения и созревания мяса.
По их данным, размягчение мяса после воздействия на него протеолитических ферментов характеризуется исчезновением поперечной и продольной исчерченности мускульных волокон, расплавлением или распадом их ядер. Мускульная ткань принимает зернистый вид, соединительная ткань распадается.
Неясность причин, вызывающих указанные изменения, а также значения и последовательности наблюдаемых явлений вызвала необходимость более детального изучения вопроса.
Проведенные опыты в комплексе с биохимическими и физикохимическими исследованиями дали возможность по структурным изменениям тканей определить фазы и составляющие их этапы развития процессов окоченения и созревания и установить оптимальные сроки наступления полной зрелости мяса. Все это позволяет обосновать и ускорить решение вопроса об интенсификации процесса улучшения консистенции при созревании мяса путем применения протеолитических ферментов.
Наши исследования показали, что после убоя животного в одной и той же мышце, в рядом лежащих отдельных мышечных волокнах или группе волокон происходят последовательно, а не одновременно одни и те же структурные изменения. Это обусловливается тем, что волокна в мышце бывают различны по своим размерам, количеству и расположению в них миофибрилл и саркоплазмы. Чем тоньше волокно, больше в нем миофибрилл и меньше саркоплазмы, тем раньше и сильнее проявляются структурные изменения. Эти данные в основном совпадают с результатами исследований Локкера о развитии процесса окоченения. Поэтому учет обнаруженных изменений проводили по их преобладающему большинству, определившемуся в динамике их проявления. Сначала наблюдается расслабленное состояние мышечных волокон после агонального сокращения, (профаза), затем — постепенно нарастающее до максимума запредельное сокращение, т. е. полное окоченение скелетных мышц (первая фаза), и, наконец, — последующее за ним постепенное набухание, разрыхление и распад миофибрилл, саркоплазмы, ядер и коллагеновых волокон на их составные элементы. Эти изменения приводят к полному размягчению мышц, т. е. окончанию созревания мяса (вторая фаза). Сарколемма при этом остается неповрежденной.
Наложенное согласуется с наблюдаемым распадом мышечных и коллагеновых волокон, а также миофибрилл на их составные сегменты-саркомеры под действием пищеварительных и некоторых других протеолитических ферментов, а также щелочей, кислот и кипячения. Сарколемма же и в этих случаях оказывается довольно устойчивой.
По результатам исследования можно сделать вывод: наиболее быстрый и наглядный метод определения степени зрелости мяса — гистологический.
Для практического определения степени созревания мяса по структурным изменениям мышечной ткани установлены следующие этапы в профазе и двух фазах его развития.
Профаза длится до 1,5—3 ч после убоя животного и характеризует мясо в горячепарном виде.
С прекращением жизни животного мышцы теряют свой прижизненный тонус и поэтому находятся в расслабленном состоянии. Такие мышцы обладают большой гидрофильностью, набухают, но все еще могут сокращаться в ответ на самые различные раздражения далее при отсутствии нервных импульсов.
В связи с этим принятое некоторыми исследователями деление мышечных волокон на волокна активного и соподчиненного пассивного сокращения на основании еще не выясненной теории посмертного сокращения мышечных волокон научно не обосновано и не согласуется с нашими наблюдениями.

В первом этапе профазы, непосредственно после убоя животного и в течение 1—1,5 ч, границы мышечных волокон различимы по расположению их ядер, у которых хроматиновая структура не нарушена. Волокна прямые или слегка волнообразно изогнуты, набухшие, незначительно ворсинчатые, поперечная исчерченность их слабо различима (рис. 9, а). Наряду с расслабленными мышечными волокнами соединительнотканые волокна перимизия, фасции и сухожилия находятся в состоянии хорошо выраженного и равномерного волнообразного сокращения (рис. 9, б).
Оказалось, что первоначально и более интенсивно сокращаются соединительнотканые, а не мышечные волокна, поэтому они придают внешнюю пассивную волнообразную форму только рядом лежащим с ними мышечным волокнам, которые находятся еще в расслабленном состоянии (рис. 9, в). Первоначальное и более интенсивное посмертное сокращение соединительной ткани и динамических мышц, по-видимому, и является ключом к разгадке строгой последовательности развития посмертного окоченения. Оно начинается сначала в жевательных мышцах, где больше всего сухожильных волокон и фасций, затем в мышцах шеи, грудных мышцах, мышцах грудных конечностей, живота и туловища и, наконец, в мышцах тазовых конечностей.
Такая последовательность окоченения, как видно, связана не только с развитием соединительной и мускульной ткани, но и с прижизненным их качеством и количеством.
Коллагеновые и эластические волокна подвержены более быстрому и в несколько раз превосходящему по силе (судя по высоте гребней, волнообразного сокращения) посмертному сокращению, чем мускульная ткань.
Непосредственно после убоя животного сокращаются и мышечные волокна, но только на небольшом участке, в местах их поперечного сечения ножом. Такое сокращение характеризуется резко выраженным клиновидным утолщением, основанием которого является узел сокращенного волокна. Чем ближе к ножевому сечению, тем толще волокно и больше выражены в нем поперечная исчерченность, изгиб волокна и полоски сокращения (9,г). Степень этих изменений характеризует реактивность организма до убоя животного.
Во втором этапе профазы, в течение от 1,5 до 3 ч после убоя, гидрофильность и набухание мышечных волокон постепенно уменьшаются, границы волокон и их поперечная исчерченность становятся хорошо различимыми (рис. 10). С прекращением обмена веществ последующее расслабление мышц не может наступить за отсутствием ре синтез а, в результате чего продолжающееся сокращение волокон становится запредельным, не свойственным прижизненной конфигурации состояния сокращения волокон.

Первая фаза длится от 1,5—3 до 24—48 ч после убоя и характеризует мясо в состоянии постепенно нарастающей дегидратации, а также запредельного сокращения мышц до максимума, называемого посмертным окоченением. Этот процесс приводит к увеличению жесткости мяса. В течение этого процесса происходит резкое уплотнение и уменьшение объема волокон. Доказательством этого служит образование равномерных и значительных промежутков между мышечными волокнами в расположении эндомизии на всем их протяжении (рис. 11).

В первом этапе первой фазы от 1,5—3 ч до 4—6 ч после убоя в мышечных волокнах образуются поперечные полоски сокращения, намечающие дальнейшее разделение волокна на сегменты-саркомеры длиной, равной диаметру этого же волокна или несколько превышающей его (рис. 12, а, б). Это указывает на начало посмертного запредельного сокращения мышечных волокон. Затем в расположении полосок сокращения у различных волокон возникают различного вида изгибы (рис. 12, в).

Продолжающееся и усиливающееся запредельное сокращение придает отдельным волокнам или группе волокон в той или иной степени волнообразный или зигзагообразный, S-образный или узловатый вид (рис. 12, г, д, е,ж).
В течение первого этапа первой фазы у соединительнотканых волокон продолжается равномерное и интенсивное сокращение волнообразной конфигурации, достигая своего максимума.
Во втором этапе первой фазы от 4—6 ч до 12 ч после убоя степень сокращения мышечных волокон возрастает наиболее интенсивно, на что указывает резкое усиление первоначально принятой ими конфигурации состояния сокращения (рис. 13).

В третьем этапе первой фазы, от 12 ч до 24—48 ч после убоя, помимо еще продолжающегося нарастания усиления степени сокращения, на изгибах отдельных мышечных волокон полоски сокращения утрачивают исчерченность, и в этих местах происходит полное разобщение миофибрилл и саркоплазмы с образованием поперечных щелей, разделяющих волокно на сегменты-саркомеры (рис. 14, а, б).
Вторая фаза наступает через 1—2 суток после убоя. Процессы развития окоченения в основном прекращаются, а процессы гидратации — набухания, разрыхления и распада мышечных волокон на их составные элементы — прогрессивно усиливаются. Эти процессы приводят к постепенному размягчению и увеличению нежности мяса. Мясо приобретает максимальную нежность через 6 суток хранения туши при 8—10° C или 10—12 суток хранения при 2—4° С.
Дальнейшее удлинение сроков хранения туш не вызывает существенного улучшения качества мяса.

В первом этапе второй фазы, от 24 до 48 ч после убоя, мышечные волокна в преобладающем большинстве находятся в резко выраженном состоянии сокращения. Поперечная исчерченность, ядра и промежутки между волокнами хорошо выражены. На изгибах принятой сокращенными волокнами конфигурации начинается распад у отдельных групп волокон на их сегменты.
Соединительнотканые волокна (перемизии) находятся в состоянии волнообразного сокращения (рис. 15, а).
Во втором этапе второй фазы (от 2 до 4 дней после убоя) мышечные волокна набухают, разрыхляются. В преобладающей части волокон начинается и распад на саркомеры с сохранением поперечной исчерченности, ядра и сарколеммы. В связи с этим волокна постепенно утрачивают конфигурацию состояния сокращения.
Соединительнотканые волокна (перемизии) продолжают находиться в состоянии волнообразного сокращения, но они набухают и разрыхляются, а у отдельных волокон наблюдается распад на сегменты (рис. 15,б).

В третьем этапе второй фазы, от 4 до 6 дней после убоя при хранении туш при 8—10° С или от 10 до 12 дней при 2—4° С, мышечные волокна на отдельных участках сохраняют еще свою прежнюю конфигурацию состояния сокращения, но она уже слабо выражена вследствие множественного распада мышечных волокон на их саркомеры. Поперечная и продольная исчерченность саркомеров волокон различимы, ядра бледной окраски, теневидны. Наряду с этим наблюдается разволокнение и распад миофибрилл отдельных саркомеров волокон на элементарные саркомеры-инокоммы длиной 2—4 мк с потерей исчерченности и растворением ядер. Это мы наблюдаем на отдельных участках волокон в виде зернистой белковой массы, заключенной в сарколемму. Соединительнотканые волокна (перемизии) также сильно набухшие, они разрыхлены и распались на саркомеры (рис. 16, а, б и в).
Таким образом, в процессе созревания мяса в мышечных волокнах никаких разрывов и хаоса, как некоторые полагают, не возникает, а происходит их закономерный распад на составные элементы с растворением ядер и сохранением сарколеммы.