INVESTIGATION OF VARIOUS WAYS OF MILK COAGULATION FOR THE PURPOSE OF MILK PROTEIN MICROPARTICLES FORMATION
Abstract and keywords
Abstract (English):
The purpose of the present work is the investigation and the development of the production technology of the low-calorie fat imitator on the basis of casein for the improvement of organoleptic properties of dairy products. Before the development of the technology it is necessary to choose an optimum way of milk protein coagulation. The object of the research was skim milk subjected to coagulation. The analysis of the obtained results has shown that the most rational way of coagulation for the formation of particles of the required sizes and forms is rennet coagulation. To form the particles of the required sizes and forms it is offered to start and to stop rennet coagulation at the moment when particles have already increased in size, but haven't yet formed a clot. On the basis of the presented data the production technology of protein microparticls that can be used as fat imitators in dairy products has been developed.

Keywords:
Microparticls of milk protein, coagulation, casein, fat imitator.
Text
Publication text (PDF): Read Download

 

Введение

Жиры в отличие от казеина не являются необхо­димым компонентом молочных продуктов: их выра­батывают как из цельного, так и из обезжиренного молока. Однако для низкокалорийных молочных продуктов характерны такие пороки, как невыра­женный вкус, чрезмерно жидкая консистенция и другие.

Одним из способов улучшения органолептиче­ских свойств нежирных молочных продуктов явля­ется использование при их производстве имитаторов жира.

Имитаторы жира – вещества, при употреблении которых во рту создается иллюзия присутствия жира. При этом они либо не содержат, либо содер­жат незначительное количество калорий.

История имитаторов жира насчитывает 65 лет. В 1943 году Marion White в своей книге «Диета без от­чаяния» («Diet without Dispair») предложил исполь­зовать не перевариваемое человеческим организмом минеральное масло вместо усваивающихся расти­тельных масел. Однако минеральное масло вызывало расстройства желудочно-кишечного тракта. Сле­дующий шаг был сделан в 1955 году, который можно по праву считать годом рождения индустрии жиро­заменителей. O.A. Batista, прокрутив волокна искус­ственного шелка в миксере, обнаружил, что полу­ченный продукт на вид и на ощупь имитирует свой­ства жира. Однако его вкусовые качества оставляли желать лучшего. В 1970 году компания Proctor & Gamble разработала первый «фальшивый жир» Oles­tra® с органолептическими свойствами, идентичными натуральному жиру, однако итогом исследования стала по большому счету лишь зачаточная формула [1].

Имитаторы жира вырабатываются на углеводной, белковой и жировой основе или их комбинациях.

 

Углеводные имитаторы жира получают из ка­медей, агара, модифицированного пищевого крах­мала или зерновых волокон. Углеводные жирозаме­нители абсорбируют воду и имитируют объем и структуру жира. Используются в производстве мяс­ных деликатесов, спредов, супов, салатных заправок, глазури и замороженных десертов. Данные замени­тели не пригодны для жарения [2].

Фирмой Cerestar Deutschland GmbH (ФРГ) в 1990 году был предложен заменитель пищевых жиров Snowflake-01906 [2], представляющий собой продукт ферментативного расщепления картофельного крах­мала с высоким содержанием мальтодекстрина.

Фирмой Herkules предложен низкокалорийный заменитель жира Slendin, основой которого является пектин. Его получают из кожуры цитрусовых с до­бавкой сахарозы [2].

Разработан заменитель жира Oatrim [3] – овсяный мальтодекстрин, содержащий 1–12 % растворимых волокнистых частиц бета-глюкана в зависимости от вида зерен овса.

Имитаторы жира на основе полиэфиров саха­розы и кислот. В 1970 году компания Рroctor & Gamble разработала первый прототип «фальшивого жира» Olestra®, представляющий собой смесь гекса-, гепта- и октаэфиров сахарозы и природных жирных кислот С–С.

L.P. Kleman с соавторами также запатентовали низкокалорийный заменитель жира на основе слож­ных эфиров [4].

D. Samain, Y. Gibilaro предложили заменитель жира [5], который включает гидрофильную нерас­творимую основу (матрицу), окруженную гидрофоб­ным слоем природных жирных кислот.

Также предложены низкокалорийные заменители жиров на основе полвинилолеила, сложных эфиров триоксиметалалканов, триглицеридных смесей, си­локсиэфиров, ацилированных эфиров аминокислот [6].

Белковые имитаторы жира вырабатываются путем нагревания и измельчения (микрогранулиро­вания) молока и яичного белка или смеси яичного и сывороточного белков и ксантановой камеди. Они не пригодны для приготовления выпечки и жарения, поскольку при высокой температуре белки денату­рируют, их структура разрушается и они теряют спо­собность имитировать жир.

Известные марки белковых имитаторов жира – Simplesse®, Dairy-Lo®, K-Blazer®, ULTRA-BAKETM, ULTRA-FREEZETM, Lita®. Технология производства Dairy-Lo® сводится к контролируемой термической денатурации белков молока. ULTRA-BAKETM выра­батывается из растительных белков [1].

Метод производства микрогранулированных сы­вороточных белков (МСБ) – Microparticulated whey protein был разработан в 1984 году канадскими изо­бретателями Norman S. Singer, Shoji Yamamoto и Joseph Latella [7]. Согласно патенту (№ 4734287) Simplesse является вторичным молочным продуктом, полученным из сыворотки и/или яичного белка в процессе микрогранулирования. В процессе произ­водства Simplesse®-100 растворимые молекулы белка были денатурированы и агрегированы в строго контролируемых условиях.

Микрогранулированный белок Simplesse®-100 действует как суррогатная дисперсная фаза, заме­няющая жировые капельки, которые традиционно выполняют функции дисперсной фазы и симулируют мажущуюся маслянистую консистенцию продуктов. Данная способность заменителя жира обусловлена размером и формой составляющих его частиц. Для создания заменителя жира высокого качества необ­ходимо, чтобы размеры его частиц были в интервале 0,5–2,0 мкм и имели сферическую или близкую к ней форму [8].

Проведенный обзор современных литературных источников и данных по состоянию рынка диетиче­ских молочных продуктов свидетельствует о том, что в настоящее время проблема создания низкока­лорийных, в том числе обезжиренных, молочных продуктов является актуальной.

Целью настоящей работы является исследование и разработка технологии производства низкокало­рийного имитатора жира на основе казеина для улучшения органолептических и реологических свойств молочных продуктов.

 

Объекты и методы исследования

Для реализации поставленной цели сформулиро­ваны следующие задачи:

– исследовать особенности контроля различных способов коагуляции белков молока;

– сравнить способы коагуляции молока, обосно­вать наиболее рациональный с точки зрения технологии;

– разработать технологию микропартикулирова­ния казеина.

Теоретические и экспериментальные исследова­ния проведены в МГТУ им. Г.И. Носова города Магнитогорска на кафедре стандартизации, серти­фикации и технологии пищевых продуктов и в ОАО «Магнитогорский молочный завод».

На первом этапе работы были изучены основные приемы контроля различных способов коагуляции белков молока. Нами рассмотрены сычужная, ки­слотная, термокислотная и хлоркальциевая коагуля­ции.

На втором этапе проведен анализ полученных данных по всем видам коагуляции молока. Выбран и обоснован способ коагуляции молока, наиболее при­емлемый с точки зрения технологии микропартику­лирования молочного белка.

На третьем этапе была разработана технология имитатора жира на основе казеина.

При выполнении работы были использованы стандартные, общепринятые и модифицированные методы исследований физико-химических и реоло­гических свойств сырья.

Органолептический анализ проводился по ГОСТ Р ИСО 3972-2005. Активную кислотность опреде­ляли электрометрически на потенциометре в диапа­зоне измерений от 3 до 8 единиц рН по ГОСТ 26781-85. Массовую долю белка в молоке определяли реф­рактометрическим методом по ГОСТ 25179-90. Вяз­кость молочного сырья определяли на капиллярном вискозиметре ВПЖ-4 по ГОСТ 33-2000. Математи­ческая обработка и графическая визуализация ре­зультатов экспериментов были проведены с помо­щью программы «электронные таблицы» MS Excel.

 

Результаты и их обсуждение

В данной работе предлагается использование процесса коагуляции молока для формирования бел­ковых микропартикулятов, которые могут выступать в роли имитаторов жира в молоке.

Для формирования частиц требуемых размеров и форм предлагается запуск и остановка коагуляции в тот момент, когда белковые частицы увеличились до нужных размеров (1 мкм), но еще не сформировали сгусток. При этом необходимо, чтобы система полу­чилась устойчивой во времени. Рассмотрены основ­ные способы коагуляции молока, применяемые в мо­лочной промышленности: кислотная, термокислот­ная, хлоркальциевая, сычужная.

Термокислотная коагуляция белков молока. Исследован процесс свертывания молока под дейст­вием кислоты и температуры в качестве коагули­рующих агентов.

Как способ прерывания процесса коагуляции предлагается воздействие на температурный фактор, а точнее, мгновенное охлаждение в морозильной ка­мере при температуре минус 18 °С в течение 5 минут.

Тип кислоты, ее концентрация и дозы внесения были выбраны в соответствии с уже имеющимися данными исследований термокислотной коагуляции белков молока [9]. Концентрацию кислоты оставляли постоянной, при этом изменяли ее дозу. Для экспе­риментов был выбран 10%-ный раствор уксусной кислоты, интервал варьирования дозы был установ­лен в пределах от 0,2 до 1,0 %. Коагуляцию прово­дили при температурах от 25 до 85 °С с шагом 20 °С.

В контрольный образец вносилось такое же коли­чество коагулянта при той же температуре и вы­держке (5 минут), но без последующего охлаждения.

Результаты оценивали по косвенному показателю – кинематической вязкости, которая замерялась од­новременно, то есть через 10 мин после внесения коагулянта.

Результаты измерений представлены табл. 1.

 

 

Таблица 1

 

Изменение вязкости исследуемого сырья

в зависимости от температуры коагуляции при разной дозе уксусной кислоты

 

Доза

раствора

уксусной

кислоты, %

Вязкость смеси, мм²/с

(25±2) ºС

(45±2) ºС

(65±2) ºС

(85±2) ºС

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаждением

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаждением

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаждением

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаждением

0,2

3,01

3,31

3,51

3,61

4,10

4,40

Явная коагуляция

0,4

3,03

3,56

3,59

3,86

4,14

4,42

Явная коагуляция

0,6

3,29

3,59

3,65

3,93

4,40

4,69

Явная коагуляция

0,8

3,31

3,84

3,86

4,10

4,67

4,69

Явная коагуляция

1,0

3,59

3,86

3,94

4,14

4,69

4,97

Явная коагуляция

 

 

Как видно из таблицы, доза 10%-ной уксусной кислоты при неизменной температуре проведения эксперимента оказывает незначительное влияние на свертывание молока. При температуре 25 °С добав­ление кислоты от 0,2 до 1,0 % увеличивало вязкость смеси линейно примерно на 6–8 %. Аналогичные по­казатели наблюдаются при температурах 45 и 65 °С. При 85 °С образовался видимый сгусток.

Повышение вязкости молока объясняется укруп­нением белковых частиц. Это косвенно указывает на снижение стабильности и изменение нативных свойств белка, в результате чего происходит, ви­димо, развертывание молекул белка, ассоциация их и образование белковых комплексов. Кроме того, вязкость молока увеличивается в связи с измене­ниями составных частей молока при охлаждении.

Более значимой для проведения термокислотной коагуляции молока оказалась температура. При из­менении температуры от 25 до 45 °С при одних и тех же дозах внесения уксусной кислоты вязкость смеси менялась примерно на 10–15 %. При изменении темпе­ратуры от 25 до 65 °С при тех же дозах внесения ук­сусной кислоты вязкость менялась линейно при­мерно на 34–36 %.

Термическое воздействие на молекулы белков яв­ляется главным дегидратирующим фактором. Под действием высокой температуры происходит разрыв внутримолекулярных связей и одновременно дена­турация белков, эффективность которой усиливается с повышением температуры.

Теоретически коагуляцию можно приостановить, резко уменьшив температуру, так как она несет большой вклад в коагуляционные процессы молока. Однако практически видно, что после выдержки смеси в морозильной камере вязкость нарастала. Это может быть связано с физико-химическими процес­сами в молоке, происходящими во время охлажде­ния. Кроме того, любая коллоидная система, в том числе и молоко, характеризуется инертностью. По­этому требуется время, чтобы изменить ее темпера­туру. В то время, пока молочная смесь охлаждается, еще может происходить образование конгломератов белка. Следовательно, при кислотной коагуляции не­возможно получить стабильную систему. Ввиду вы­сокой скорости изменения состояния белков молока под действием кислоты и температуры не представ­ляется возможным регулирование процесса термоки­слотной коагуляции, особенно в промышленных ус­ловиях.

Кислотная коагуляция. Как один из возможных способов формирования белковых имитаторов жира на основе молочного белка была исследована ки­слотная коагуляция. Для экспериментов были вы­браны представители разных групп молочнокислых микроорганизмов, различные по отношению к тем­пературе и степени кислотообразования: L. lactis,  Str. thermophilus, L. acidophilus.

Чтобы остановить коагуляцию молока, необхо­димо воздействовать на коагулирующий агент, им в данном случае являются молочнокислые микроорга­низмы. Таким образом, факторы кислотной коагуля­ции молока сводятся к факторам жизнедеятельности микроорганизмов, используемых в качестве коагу­лянтов. В лабораторных и промышленных условиях удобнее всего использовать температуру для оста­новки коагуляции. Поэтому образцы помещали в мо­розильную камеру на 5 минут при температуре ми­нус 18 °С.

Для формирования белковых частиц требуемых размеров и форм предлагается останавливать коагу­ляцию за 1 час до того, как происходит значительное увеличение вязкости, то есть через 6 часов для          L. lactis, 3 часа для Str. thermophilus и 4 часа для        L. aci­dophilus от начала заквашивания.

Пастеризованное и охлажденное молоко заква­шивали чистыми культурами молочнокислых мик­роорганизмов, которые вносили в виде производст­венной закваски в количестве 1 %. После этого об­разцы помещали в термостаты с установленной оп­тимальной температурой развития микроорганизмов.

Для каждого образца готовился свой контроль­ный образец. В него вносился 1 % определенной за­кваски, он также помещался в термостат на то же время выдержки, что и испытуемые, но не подвер­гался мгновенному охлаждению в конце заквашива­ния. Результаты измерений показаны в табл. 2.

 

 

Таблица 2

 

Изменение вязкости в молоке с разной заквасочной культурой

с охлаждением и без охлаждения

 

Заквасочная культура

Вязкость смеси, мм²/с

Без охлаждения (контроль)

С охлаждением

Str. thermophilus

5,93

6,30

L. lactis

6,15

6,43

L. acidophilus

6,97

7,15

 

 

Как видно из таблицы, вязкость молочной смеси, подвергнутой охлаждению, оказалась выше, чем у образцов без охлаждения. Это может быть связано с физико-химическими изменениями, происходящими в молоке при охлаждении, – нарушение гидрофоб­ных связей в мицеллах казеина, в результате чего происходит десорбция ферментов и повышение их активности. Вследствие этого вероятность протео­лиза повышается.

Увеличение вязкости связано с агрегацией моле­кул белка в результате кислотной коагуляции. Мо­лочная кислота, которая накапливается в молоке в результате сбраживания лактозы молочнокислыми микроорганизмами, снижает отрицательный заряд мицелл казеина и переводит его в изоэлектрическое состояние (рН 4,6–4,7). В этот момент снижается по­тенциал отталкивания между частицами и макромо­лекулы белка теряют свою растворимость и устойчи­вость. В контрольном образце медленно, но все же происходило нарастание вязкости из-за развития ос­таточной микрофлоры молока после пастеризации.

Кислотная коагуляция – сложно контролируемый процесс. Кроме описываемых ранее, на него может влиять множество факторов, которые сложно учесть в производственных условиях. Молоко является сре­дой для развития микроорганизмов и существенно влияет на ход свертывания. Его состав меняется в за­висимости от породы коровы, ее индивидуальных особенностей и состояния здоровья, периода лакта­ции, способа ухода и вида корма, санитарных усло­вий получения молока-сырья. Стоит учесть, что на молокоперерабатывающие заводы чаще всего посту­пает сборное молоко, качество которого сложно про­контролировать и учесть все значимые факторы.

Развитие молочнокислой микрофлоры является главным условием кислотной коагуляции молока. Заквасочные культуры, используемые в молочной промышленности, в ходе их транспортировки и хра­нения могут менять свои свойства. Даже во время правильного хранения активность заквасок посте­пенно падает. В разные партии заквасок могут по­пасть разные штаммы микроорганизмов с разной возможностью кислотообразования. Однако чаще всего причиной снижения активности микрофлоры заквасок является действие бактериофагов. Сниже­ние активности молочнокислого брожения из-за дей­ствия бактериофагов наблюдается при выработке      5–15 % ферментированных молочных продуктов [10].

Таким образом, производство белковых имитато­ров жира на основе кислотной коагуляции молока сложно организовать и контролировать в производ­ственных условиях.

Хлоркальциевая коагуляция. Для исследования возможности применения хлоркальциевой коагуля­ции белков молока для формирования белковых имитаторов жира на основе казеина был исследован процесс свертывания молока под действием СаСl2 в качестве коагулянта.

Как более целесообразный способ прерывания процесса коагуляции предлагается мгновенное ох­лаждение посредством выдержки молочной смеси в морозильной камере 5 минут при минус 18 °С.

Чем больше концентрация СаCl2, тем меньше ее требуется. Поэтому мы оставили постоянной кон­центрацию раствора 40 %, а меняли только его коли­чество – от 0,5 до 1,25 см3 с шагом 0,25. Для про­верки значимости температуры в процессе свертыва­ния молока под действием хлористого кальция опыты проводили с разной температурой – от 25 до 85 °С с шагом в 20 °С.

Для каждого исследуемого образца готовилась отдельная контрольная проба. В нее вносилась та же доза СаCl2 при той же температуре, но без после­дующего охлаждения. Для достоверности результа­тов их контроль производился одновременно через 10 минут после начала эксперимента.

Исследуемым откликом была выбрана вязкость. Результаты представлены в табл. 3.

Как видно из таблицы, доза 40%-ного раствора хлористого кальция при температурах проведения эксперимента 25 и 45 °С оказывает незначительное влияние на свертывание молока. При температуре 25 °С добавление исследуемого реагента от 0,25 до 1,25 % с шагом 0,25 % увеличивало вязкость смеси линейно примерно на 1–2,8 %. Аналогичные показатели наблюдались при температуре 45 °С. При температуре 65 °С изменения вязкости были уже более значительными – добавление 40%-ного раствора хлористого кальция от 0,25 до 1,25 % с шагом 0,25 увеличивало вязкость смеси линейно примерно на 15–17 %. При 85 °С образовался плотный сгусток даже при малом количестве внесения СаCl2.

 

 

 

Таблица 3

 

Влияние дозы 40%-ного раствора СаCl2 и температуры

на вязкость молочной смеси при хлоркальциевой коагуляции

 

Доза раствора СаCl2, %

Вязкость смеси, мм²/с

(25±2) ºС

(45±2) ºС

(65±2) ºС

(85±2) ºС

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаж­дением

Без

охлаждения

(контроль)

С ох­лажде­нием

Без

охлаждения

(контроль)

С ох­лажде­нием

Без

охлаждения

(контроль)

С охлаж­дением

0,25

3,03

3,05

3,30

3,35

3,52

4,21

Явная коагуляция

0,50

3,07

3,11

3,37

3,42

4,01

4,71

Явная коагуляция

0,75

3,12

3,15

3,44

3,50

4,74

4,98

Явная коагуляция

1,00

3,21

3,26

3,48

3,55

5,10

5,50

Явная коагуляция

1,25

3,30

3,32

3,58

3,61

5,91

6,82

Явная коагуляция

 

 

Повышение вязкости молока объясняется укруп­нением белковых частиц. При внесении в свежее мо­локо СаCl2 снижается устойчивость коллоидной дисперсии казеинаткальцийфосфатного комплекса. При этом происходит катионный обмен между Н-ио­нами казеинового комплекса и Са-ионами раствора хлористого кальция. В результате катионного обмена казеинаткальцийфосфатный комплекс дополни­тельно обогащается кальцием за счет высвобождения          Н-ионов. При этом происходит подкисление молока и снижение рН с 6,5 до 5,0, а также агрегация частиц комплекса.

Более значимой для проведения хлоркальциевой коагуляции молока оказалась температура. Изменяя температуру от 25 до 45 °С при одних и тех же дозах внесения хлористого кальция, мы наблюдали изме­нение вязкости смеси примерно на 10 %. Если срав­нивать показатели вязкости при температурах 25 и 65 °С при тех же дозах хлористого кальция, она уве­личивалась от 16 до 79 %.

Термическое воздействие на молекулы белков яв­ляется главным дегидратирующим фактором. Под действием высокой температуры происходит разрыв внутримолекулярных связей и одновременно дена­турация белков, эффективность которой усиливается с повышением температуры. Это связано с реакцией белков, особенно сывороточных, на воздействие температуры.

Теоретически коагуляцию можно приостановить, резко уменьшив температуру, так как она несет большой вклад в коагуляционные процессы молока. Однако практически видно, что после выдержки смеси в морозильной камере вязкость нарастала. Объяснить это можно, учитывая физико-химические свойства молока, которые описаны выше. Следова­тельно, при хлоркальциевой коагуляции невозможно получить стабильную систему.

Таким образом, можно заключить, что хлоркаль­циевая коагуляция – процесс, сложно поддающийся контролю и регулированию. Охлаждение может лишь замедлить процесс коагуляции, но не прекра­тить его. Существенным недостатком является не­приятный привкус даже при незначительном добав­лении СаСl2.

Сычужная коагуляция белков молока. Для ис­следования целесообразности применения сычужной коагуляции белков молока для формирования частиц требуемых размеров и форм был исследован процесс сычужного свертывания молока под действием сы­чужного фермента в качестве коагулянта.

Сычужная коагуляция молока носит необрати­мый характер и включает две стадии: ферментатив­ную и коагуляционную (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Процесс сычужной коагуляции

 

Механизм как первой, так и второй стадии окон­чательно не установлен. Согласно гидролитической теории на первой стадии под действием сычужного фермента происходит разрыв пептидной связи фени­лаланин (105) – метионин (106) в полипептидных цепях k-казеина ККФК. В результате протеолиза мо­лекулы казеина распадаются на гидрофобный пара- χ-казеин и гидрофильный гликомакропептид.

Отщепление от мицелл МП снижает ξ-потенциал новых мицелл с минус 10–20 мВ до минус 5–7 кВ, вызывает поте рю большей части гидратного слоя и ликвидирует ворсистый внешний слой мицелл, обу­словливающий пространственную стабильность сис­темы.

На второй стадии дестабилизированные мицеллы казеина (параказеина) собираются в агрегаты и обра­зуется сгусток, т.е. происходит гелеобразование [11].

Немаловажным является выбор молокосверты­вающего фермента из представленных в молочной промышленности.

Перечень нашедших достаточно широкое приме­нение в молочной промышленности молокосверты­вающих энзимов приведен в табл. 4.

Для сычужной коагуляции пригодны энзимы, быстро разрывающие связь между гидрофобной и гидрофильной частями χ-казеина (Фен-Мет) и не оказывающие отрицательного влияния на выход и ор­ганолептические показатели продукта. Энзимы, удовлетворяющие этим требованиям, называются молокосвертывающими ферментами.

Таблица 4

 

Номенклатура и источники молокосвертывающих энзимов

 

Название

Название (МКФ)*

Другие

названия

Источники

Пепсин

Пепсин А ЕС 3.4.23.1

Пепсин II

Жвачные, цып­лята, свиньи

Гастриксин

Пепсин С

ЕC 3.4.23.3

Пепсин I,

парапепсин,

пепсин В

Жвачные, свиньи

Химозин

Химозин

ЕС 3.4.23.4

Реннин

Жвачные

М. miehei

протеиназа (ММР)

ЕС 3.4.23.6

Реннилаза (Novo),

ханилаза

(Chr. hansen), фромаза (Wallerslein), Map him (Miles)

Mucor miehei

W. pmillus протеиназа (МРР)

ЕС 3.4.23.6

Емпораза (Dairyland), Meftw (Meito Sango), Hoypii (VilM)

Mucor pus ill in var. Lindi

Е. parasitica

протеиназа ГЕРИ

ЕС 3.4.23.6

Супарен (Pfizer)

Cyp Курд

Endolhia parasitica

*МКФ – Международная классификация энзимов (ферментов).

 

Способность быстро гидролизовать χ-казеин – общее свойство молокосвертывающих энзимов, применяемых в молочной промышленности, назы­вают молокосвертывающей активностью в отличие от способности расщеп­лять другие связи в белках, получившей название общей протеолитической ак­тивности. Общая протеолитическая активность мо­локосвертывающих энзимов по отношению к моло­косвертывающей должна быть как можно более низ­кой.

Химозин обладает самой низкой общей протео­литической актив­ностью по отношению к молокос­вертывающей активности. Именно поэтому для на­шей технологии больше всего подходит химозин

Факторы в сычужной коагуляции в основном сводятся к работе молокосвертывающего фермента, так как он является основным коагулирующим аген­том. Работу молокосвертывающих энзимов можно корректировать, изменяя ионную силу среды, темпе­ратуру, продолжительность выдержки и концентра­цию энзимов.

Исследования молокосвертывающей и общей протеолитической активности показывают явное преимущество химозина (сычужного порошка) пе­ред другими энзимами, он максимально активен при 45 °С.

Необходимое количество фермента в значитель­ной степени зависит от физико-химических свойств молока, но обычно на 100 кг молока вносят при­мерно 2,5 г препарата с активностью 100 тыс. услов­ных единиц. Чтобы проверить влияние дозы сычуж­ного фермента и продолжительность его действия на коагуляцию молока, провели следующие опыты. В ходе опытов дозы сычужного фермента, принятые в молочной промышленности, были уменьшены, чтобы не допускать полной коагуляции белков мо­лока. В подготовленное молоко вносили готовый раствор фермента в количестве от 0,02 до 0,1 % от объема смеси с шагом 0,04 % при 40–42 °С для большей эффективности работы фермента.

Контроль осуществляли по вязкости через 10, 20 и 30 минут после внесения всех реагентов.

Результаты представлены в табл. 5.

 

Таблица 5

 

Изменение вязкости в зависимости

от дозы сычужного фермента и выдержки смеси

 

Продолжи­тельность

выдержки, мин

Доза сычужного фермента (в виде

рас­твора с активностью 100–150 Е), %

0,02

0,06

0,1

Вязкость, мм²/с

10

3,07

3,47

4,07

20

3,29

4,46

8,87

30

3,53

5,67

Явная

коагуляция

Время пол­ного свер­тывания, мин

70

60

30

 

Следует отметить, что чем ниже доза внесения сычужного фермента, тем больше времени требуется для образования сгустка.

Все молокосвертывающие энзимы принадлежат к кислым протеазам, проявляющим макси­мальную ак­тивность в кислой среде. Молокосвертывающие эн­зимы животного происхождения выделяют­ся в виде проферментов. Активизацию проферментов ини­ции­руют водородные ионы, это процесс автокаталити­ческий. Оптимальный рН для гидролиза  χ-казеина химозином равен примерно 6,0. Общим свойством молокосвертывающих энзимов является сниже­ние обшей протеолитической активности при рН среды выше опти­мального уровня. В дальнейшем предлага­ется использование этого свойства для остановки коа­гуляции.

Для того чтобы увеличить эффективность работы молокосвертывающих ферментов и контролировать процесс коагуляции, необходимо учесть их всевоз­можные факторы работы [10].

1. Активность среды (рН). Все молокосверты­вающие энзимы, достаточно широко используемые в молочной промышленности, принадлежат к кислым протеазам, проявляющим максимальную активность в кислой среде. Оптимальный рН для гидролиза χ-ка­зеина химозином равен примерно 6,0, однако в ин­тервале pН от 5,6 до 6,4 разница в скорости реакции невелика.

Общим свойством молокосвертывающих энзимов является снижение общей протеолитической актив­ности при рН среды выше оптимального уровня. Од­ной из причин этого является инактивация энзимов при высоком рН.

На обе фазы сычужного свертывания влияет ионная сила молока. Влияние ее на энзиматическую фазу обусловлено тем, что энзим и субстрат имеют отрицательные заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. С увеличением ионной силы среды скорость агрегации параказеиновых мицелл может увеличиться и уменьшиться, что зависит от специ­фичности ионов. Сычужное свертывание молока стимулировали Са, Mg, Mn, Cd, ингибировали Cu, Ni, Hg. Показано, что добавление в молоко Na, K, Li, Cs снижало концентрацию параказеиновых мицелл, необходимую для осуществления второй фазы сы­чужного свертывания.

Для изучения влияния рН среды на процесс сы­чужной коагуляции белков молока был проделан ряд опытов, в ходе которых была изменена активная ки­слотность среды от 5,80 до 7,00 с шагом 0,40 путем внесения 10%-ного раствора уксусной кислоты. Дозы фермента оставили прежними.

Анализируемым откликом была выбрана кинема­тическая вязкость, которую замеряли после вы­держки. По полученным данным в ходе экспери­мента были построены кривые, отражающие влияние дозы сычужного фермента на вязкость смеси при различной активной кислотности среды (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Влияние дозы сычужного фермента и рН среды на вязкость смеси

 

Как видно из представленного графика, с умень­шением рН растет вязкость смеси. Это вполне объ­яснимо, в области рН 5,80 система приближается к изоэлектрической точке, преобладает термокислот­ная коагуляция. Были выявлены существенные не­достатки такого свертывания. Эта область доста­точно рискованна для предлагаемой технологии. По­этому предложено проводить операции по формиро­ванию частиц требуемых размеров и форм при рН 6,20.

2. Температура. Молокосвертывающие энзимы различаются по отношению к тем­пературе. Моло­косвертывающая активность сычужного порошка максимальна при 45 °С.

3. CaCl2. Кальций не участвует в энзиматиче­ской фазе сычужного свертывания, однако измене­ние его содержания в среде может изменить физико-химические условия через содержание Са и измене­ние рН молока. Вторая стадия – флокуляция – может проходить только при наличии в молоке определен­ного количества ионов Са. Нормальная концентра­ция Са равна 11 мг/100 г, молоко с содержанием меньше 8 мг/100 г Са является сычужновялым. Во время пастеризации концентрация ионов Са в молоке снижается за счет перехода части растворенного в молоке фосфата Са в нерастворимую форму, что не­много замедляет свертывание молока. Для восста­новления сычужной свертываемости пастеризован­ного молока в него вносят хлористый кальций (0,08 %).

Роль ионов Са в образовании сгустка состоит в том, что они осуществляют перекрестные связи ми­целл друг с другом через фосфосерильные остатки казеинов.

Чтобы проверить влияние СаCl2 на сычужную свертываемость молока, провели следующую серию опытов. В исследуемый образец вносилось рекомен­дуемое в молочной промышленности количество CaCl2. Далее при рН 6,20 добавлялось разное количе­ство раствора сычужного фермента. В контрольный образец вносилось такое же количество фермента при том же рН, но без СаCl2. Вязкость измеряли че­рез 5 минут после внесения реагентов. Полученные результаты представлены в табл. 6.

 

Таблица 6

 

Влияние хлористого кальция на вязкость смеси

при сы­чужной коагуляции молока

 

Доза сычужного фермента

(в виде раствора

с активностью 100–150 Е), %

Вязкость, мм²/с

6,20

CaCl2

Контроль

0,02

6,95

6,97

0,06

7,52

7,48

0,1

8,92

8,87

 

Из таблицы видно, что изменение вязкости мо­лока с внесением CaCl2 и без него незначительно (в пределах погрешности). Это подтверждает литературные данные о влиянии хлористого кальция на сычужную коагуляцию молока: CaCl2 на первый этап коагуляции влияет только посредством изменения рН. Так как в нашем эксперименте рН мы оставляли постоянной (оптимальной для работы сычужного фермента), CaCl2 никак не повлиял на вязкость мо­лочной смеси.

В представленном эксперименте предварительная пастеризация не проводилась. Поэтому весь Са ос­тался в растворенной форме и его оказалось доста­точно для сычужной коагуляции молока. Однако на молокоперерабатывающих заводах, куда приходит сборное молоко (в том числе и сычужновялое), сложно проконтролировать его способность к сы­чужному свертыванию. Поэтому предлагается вно­сить минимальную рекомендуемую дозу хлористого кальция в молоко на этапе микропартикуляции ка­зеина во избежание убытков предприятий.

4. Состав и свойства молока. Главным показате­лем молока, характеризующим его сычужную свер­тываемость, является содержание казеина. Для полу­чения хорошего сгустка содержание казеина должно быть не ниже 2,5 %; молоко с содержанием меньше 0,7 % казеина сычужный сгусток не образует. С со­держанием казеина коррелирует содержание в мо­локе Са и Р, кислотность свежего молока, т.е. пока­затели, играющие главную роль в сычужном сверты­вании молока.

5. Тепловая обработка молока. Отрицательное влияние пастеризации на сычужную свертываемость молока в основном связано со снижением в нем со­держания ионов Са и денатурированием β-лактогло­булина, который взаимодействует с χ-казеином через дисульфидные связи и χ-казеин становится менее доступным для молокосвертывающих энзимов.

6. Продолжительность выдержки и концентра­ция энзимов. Необходимое количество фермента в значительной степени зависит от физико-химических свойств молока. Обычно на 100 кг молока вносят примерно 2,5 г препарата с активностью 100 тыс. ус­ловных единиц. Дозу энзима по сравнению с указан­ной стараются не повышать, так как может протекать неспецифический протеолиз, что может вызвать го­речь в продукте.

Сравнение представленных способов коагуля­ции молока. С целью разработки технологии микро­партикулирования молочного белка был исследован процесс коагуляции молока различными способами. При выборе способа коагуляции для формирования частиц требуемых размеров и форм были учтены следующие параметры:

– получение смеси с приемлемыми органолепти­ческими свойствами;

– низкая себестоимость коагулянта;

– использование типового оборудования;

– возможность контроля над процессом коагуляции;

– безопасность использования коагулирующих агентов.

Согласно проведенному анализу и исследованию было установлено, что наиболее рациональным спо­собом коагуляции для формирования частиц требуемых размеров и форм является сычужная коагуляция.

Сычужная коагуляция не требует специального оборудования, ее легко контролировать в процессе выполнения. Путем технологических манипуляций посредством сычужной коагуляции можно получить стабильную систему. Реагенты, используемые для сычужной коагуляции молока, не вносят в продукт посторонних запахов и вкусов. Все вносимые реа­генты абсолютно безопасны для здоровья человека.

Разработка этапа микропартикулирования казеина на основе сычужной коагуляции молока. На основе представленных данных была разработана технология производства белковых микропартикуля­тов, которые могут быть использованы в качестве имитаторов жира в молочных продуктах.

На рис. 3 представлена схема процесса сычужной коагуляции и ее прерывания.

 

 

Рис. 3. Схема процесса сычужной коагуляции казеина и ее прерывания

 

Для формирования частиц требуемых размеров и форм предлагается запуск и остановка сычужной коагуляции в тот момент, когда белковые частицы уже увеличились в размере, но еще не сформировали сгусток. При этом необходимо, чтобы образовалась устойчивая система.

Средний размер нативных мицелл казеина около 40–300 нм. При создании оптимальных условий под действием сычужного фермента (температуры, солей Са, рН) происходит отщепление гликомакропептида с поверхности мицелл и формирование гидрофобных участков, в результате чего мицеллы начинают сли­паться.

Для прерывания процесса использовали нейтра­лизацию среды до рН 7,00 путем внесения щелочных растворов, разрешенных в пищевой промышленно­сти. В результате происходило замедление действия молокосвертывающего фермента. После жесткой термической обработки (96 °С) окончательно инак­тивируется фермент и на поверхности сформирован­ных микропартикулятов осаждаются денатурирован­ные сывороточные белки, придающие микрочастице устойчивость к седиментации и слипанию за счет повышения отрицательного заряда на поверхности частиц. Таким образом, получаются частицы нуж­ного размера (1 мкм).

 

References

1. Dorman, E.S. Fat substitute [Elektronnyy resurs]. - Rezhim dostupa: www.madehow.com/Volume-2/index.html

2. Dietary fat replaces. Andrews University Nutrition Department [Elektronnyy resurs]. - Rezhim dostupa: www.andrews.edu/NUFS/resource.html

3. Kucher, J.F. Oatrim - a new fat replacer. Food Ingredients Eur. Conf. Proc., Paris, 8-10 Oct., 1991. - Maarssen, 1991. - C. 168-172.

4. Klemann, L.P. et al. Patent SShA № 4963386.

5. Samain D., Gibilaro Y. Zayavka na patent № 2677225. Franciya.

6. Fat substitution gains pace. Food Ingredients and Process. - 1992. - Febr. - C. 28.

7. Patent SShA № 4734287.

8. Zobkova, Z.S. Pischevye veschestva, formiruyuschie konsistenciyu i novye svoystva molochnyh produktov / Z.S. Zobko-va, T.P. Fursova // Molochnaya promyshlennost'. - 2007. - № 10. - S. 18.

9. Smirnova, I.A. Biotehnologicheskie aspekty proizvodstva termokislotnyh syrov. - Kemerovo, 2002. - 208 s.

10. Gudkov, A.V. Syrodelie: tehnologicheskie, biologicheskie i fiziko-himicheskie aspekty / pod red. S.A. Gudkova. - 2-e izd., ispr. i dop. - M.: DeLi print, 2004. - 804 s.

11. Osincev, A.M. Teoreticheskoe i eksperimental'noe issledovanie processov, lezhaschih v osnove svertyvaniya mo-loka. - Kemerovo, 2003. - S. 14-19.


Login or Create
* Forgot password?