Физико-химические изменения молока в процессе тепловой обработки

Молоко, предназначенное для консервирования, должно выдерживать тепловую обработку, необходимую для уничтожения микроорганизмов и инактивации ферментов, с максимальным сохранением исходных свойств. При этом наиболее полно должны быть сохранены нативные свойства ККФК, который обладает достаточной устойчивостью к воздействию тепла благодаря гидратации, электрозаряженности частиц и присутствию капа-казеина, являющегося природным поверхностно-активным веществом. Агрегация и седиментация частиц комплекса в свежем сыром молоке затруднена. При тепловой обработке некоторые изменения внутренней структуры комплекса отмечаются уже при 72° С и особенно заметно проявляются при 83° С, однако при этом ККФК не утрачивает способности сохраняться в состоянии коллоидной суспензии.

Казеин, как составная часть ККФК, обладает высокой тепловой стойкостью, что обусловлено высоким содержанием пролина (13,5%), и низким содержанием серосодержащих аминокислот. Частицы казеина не изменяются ни по форме, ни по размерам при умеренном нагревании молока, включая и кратковременное кипячение. Длительная выдержка при высокой температуре влияет только на соотношение между фракциями казеина. Тепловая обработка воздействует на соли, находящиеся в молоке в растворенном и коллоидном состояниях. Их изменение начинается уже при 60° С и в наибольшей степени проявляется при 120—130° С. В процессе нагревания уменьшается содержание ионизированного кальция и фосфора, дикальцийфосфат переходит в нерастворимый трикальцийфосфат. Равновесие ионизированного Са нарушается, что особенно заметно при ф> д(Ра> 1).

Тепловая обработка неизбежно сопровождается денатурацией сывороточных белков. Возможно, что это результат химического изменения в молекуле белка с утратой растворимости в обычных растворителях, или негидролитическое превращение структуры нативного белка с последующим изменением исходных химических, физических и биологических свойств, или разрушение вторичной или третичной структуры глобулярных белков, как модификация вторичной, третичной или четвертичной структуры белковой молекулы.

Устойчивость сывороточных белков к тепловому воздействию зависит от температуры. При нагревании до 45—60° С сывороточные белки практически остаются в исходном состоянии. Из сывороточных белков наиболее термолабилыны иммуноглобулины и сывороточный альбумин. -лактоглобулин и -лактальбумин относятся к более термостабильным белкам. Так, денатурация -лактоглобулина завершается при нагревании молока до 85° С с выдержкой при этой температуре в течение 30 мин, -лактальбумина — при 96° С. После вьтдерживания молока при 96—100° С около 0,1% сывороточных белков остается неденатурированным, в том числе протеозопептонная фракция.

Наряду с температурой на изменение сывороточных белков при нагревании оказывает влияние и техника пастеризации или УВТ-обработки. При прямом нагревании происходит денатурацкя 82% ‚ -лактоглобулина, 53% -лактальбумина, при косвенном — соответственно 66% ‚ -лактоглобулина и 40% -лактальбумина от общего содержания их в молоке.

Денатурация сывороточных белков проявляется в развертывании полипептидной цепи, и с тем большей полнотой, чем меньше в молекуле белка дисульфидных связей. При этом изменяются вязкость, оптические свойства, показатели седиментации, диффузии.

В результате структурных изменений, вызванных денатурацией, в молекулах белка освобождаются функциональные группы SН-. Вследствие освобождения сульфгидрильных групп и выделения из них сероводорода молоко приобретает вкус кипяченого молока или привкус пастеризации. В результате взаимодействия SН-групп и других реакционноспособных групп наступает агрегация денатурированных белков, т. е. степень их дисперсности уменьшается.

Практический интерес представляет тепловая агрегация -лактоглобулина и -лактальбумина. В первую очередь агрегирует денатурированный -лактоглобулин — начиная с = 70° С. Агрегированные частицы ‚3-лактоглобулина имеют небольшую величину, сильно гидратированы, поэтому не коагулируют. При высоких температурах тепловой обработки денатурированный -лактоглобулин помимо агрегации комплексуется с -лактальбумином и с капа-казеином мицелл казеина. В результате комплексообразованкя увеличиваются средний размер частиц казеина и их молекулярная масса (табл. 4.1).

Тепловое воздействие на молоко уменьшает относительное количество структур, обладающих выраженной тиксотропией. При механическом воздействии на пастеризованное молоко восстанавливаемость структуры ККФК уменьшается. Нарушенные связи в обезжиренном молоке восстанавливаются быстрее, чем в цельном. Белковые структуры восстанавливаются с большей скоростью, чем жировые.

В соответствии с образованием белковых комплексов изменяются размеры их частиц и вязкость . При УВТ-обработке (11О—112° С без выдержки) вязкость молока увеличивается незначительно, тогда как при температуре пастеризации 80—95° С она возрастает в 2,1 раза. Изучение ступенчатой тепловой обработки молока — нагревание до 87° С, охлаждение до 77° С с выдержкой при этой температуре 30 мин и повторное нагревание до 87° С — показало, что ее влияние на вязкость , и денатурацию сывороточных белков особенно велико. Нагревание с длительной выдержкой (Ра> 1) приводит к увеличению вязкости молока.

Тепловая денатурация сывороточных белков и взаимодействие казеина с солями кальция приводят к образованию конденсационной структуры.

При оптимальной завершенности процесса пастеризации или УВТ-обработки (Ра = 1) лактоза способствует сохранению устойчивости белкового комплекса молока. Она задерживает раскрытие пептидных цепочек казеина, благодаря чему ограничивается связь его с кальцием и, как следствие, повышается тепловая стойкость молока. Увеличение продолжительности выдержки при температуре тепловой обработки против требуемой (Ра> 1) сопровождается утратой способности лактозы задерживать раскрытие пептидных цепочек казеина. Лактоза при эти частично разлагается с образованием органических кислот. При соблюдении условия ф = g (Ра = 1) нагревание молока до 100° с практически не влияет на молочный сахар. с увеличением продолжительности теплового воздействия ф = g (Ра> 1) обычная связь лактозы с белками разрывается и возникает новая, необратимая аминокарбонильная. В результате этого молоко приобретает специфические вкус, запах и цвет.

Тепловая обработка молока практически не оказывает существенного влияния на молочный жир. Состав и константы молочного жира при пастеризации сохраняются, дисперсность жировой фазы не нарушается. Из-за увеличения заряда на поверхности жировых шариков скорость отстаивания жира в пастеризованном молоке снижается. Нагревание молока непосредственно паром до 140° С с последующими выдержкой при этой температуре в течение 3—4 с и быстрым охлаждением в вакуум-камере (пароконтактный нагрев) и через стенку до 85—90° С показало, что независимо от способа тепловой обработки массовая доля витамина А изменялась незначительно, потери каротина составили 10-17% и были тем больше, чем выше температура нагревания, несущественно снижалась масса витамина В1. Стойким к нагреванию оказался и витамин В2, лишь витамин с разрушался на 2б—3О%. На витамины влияет не столько температура, сколько присутствие кислорода при нагревании.

При тепловой обработке снижается питательная ценность молока, что обосновывается денатурацией и выпадением в осадок при нагревании молока до температур 85, 110 и 130° С соответственно: иммунных глобулинов — 42, 37, 33%, -лактоглобулина — 59, 37, 17%, сывороточных альбуминов — 62, 48, 100%. Наиболее стойкой оказалась фракция -лактальбумина. В связи с изменением количественного соотношения отдельных фракций сывороточных белков отмечено также изменение в них содержания некоторых аминокислот. Так, при нагревании значительно снижается содержание аланина, лейцина, аргинина, глицина и увеличивается содержание фенилаланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот, что объясняется неодинаковой тепловой стойкостью фракций сывороточных белков.

При температурном оптимуме 20—37° С для ферментов молока, включая и ферменты бактериального происхождения, принятые в производстве продуктов консервирования молока и молочного сырья режимы пастеризации и УВТ-обработки обеспечивают их полную инактивацию. Наибольшую устойчивость проявляет бактериальная липаза. При нагревании до 80—85° С она разрушается на 78%, до 90—95° С — на 80% и меньше, и лишь при температуре 104—106° С полностью инактивируется.

Согласно теории пастеризации для любого режима фактическая выдержка молока при температуре нагревания по времени должна строго соответствовать требуемой Ра = 1. При несоблюдении этого условия неизбежны физико-химические изменения молока.

Выдержка в течение 10 мин, предусмотренная для пастеризации 95° с, создает условия для связывания -лактоглобулина и -лактальбумина с казеином, в результате чего исключается возможность присоединения ионизированного кальция к казеину, повышается тепловая стойкость молока. Нерегулируемая по длительности выдержка молока при 87° С приводит к уменьшению дисперсности частиц ККФК, обусловленному взаимодействием -лактоглобулина с капа-казеином. При увеличении выдержки молока до 30 мин при температуре пастеризации 87° С фракционный состав сывороточных белков изменяется.

Пастеризация молока при 90—95° С с нерегулируемой длительностью выдержки создает условия для диссоциации. Казеиновые глобулы развертываются, по свободным связям полипептидных цепочек — СО — NН — присоединяется ионизированный кальций, изменяется их заряд и понижается тепловая стойкость молока.

Если при температуре пастеризации 90—95° С или УВТ-обработке при 105, 110, 120° С длительная выдержка неизбежна из-за отсутствия синхронности таких приемов, как пастеризация и выпаривание, то охлаждение молока сразу после нагревания до 70—75° с значительно ослабляет нежелательные физико-химические изменения. В отдельных случаях рассмотренное выше влияние фактической выдержки молока при температуре пастеризации или УВТ-обработки на изменение свойств используется в целях регулирования вязкости продуктов, например, молока цельного сгущенного с сахаром. Так, летом рекомендуется тепловая обработка при температуре не ниже 105° С, зимой — 95° С. При таком режиме вязкость молока цельного сгущенного с сахаром, вырабатываемого в любой период года, колеблется в пределах от З до 5 Пас.