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 теплоты благодаря гидратации, электрозаряженности частиц и присутствию к-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 °C и особенно заметно проявляются при 83 °C, 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 °C 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 приТф > т_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 молекул.

Устойчивость сывороточных белков к тепловому воздействию зависит от температуры. При денатурации сывороточных белков установлены величины температурных характеристик: Q₁₀ и Z — изменение температуры, требуемое для десятикратного изменения скорости реакции (табл. 4.8). С увеличением температуры тепловой обработки молока величина Q₁₀ уменьшается, Z — увеличивается.

Таблица 4.8

Изменение температурных характеристик при тепловой обработке молока.

Математическое соотношение между Q₁₀ и Z:

Степень денатурации сывороточных белков при принятых в промышленности режимах пастеризации молока составляет 9—30%.

При нагревании до 45—60 °С сывороточные белки практически остаются в исходном состоянии. Из сывороточных белков наиболее термолабильны иммуноглобулины и сывороточный альбумин. (3-лактоглобулин и а-лактальбумин относятся к более термостабильным белкам. Так, денатурация |3-лактоглобулина завершается при нагревании молока до 85 °C с выдержкой при этой температуре в течение 30 мин, а-лактальбумина — при 96 °C. После выдерживания молока при 96—100 °С около 0,1% сывороточных белков остаются неденатурированными, в том числе протеозопептонная фракция.

Наряду с температурой на изменение сывороточных белков при нагревании оказывает влияние и техника пастеризации или УВТобработки. При прямом нагревании происходит денатурация 82% (3-лактоглобулина, 53% а-лактальбумина, при косвенном — 66%.

(3-лактоглобулина и 40% а-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 SH-группы. Вследствие освобождения сульфгидрильных групп и выделения из них сероводорода молоко приобретает вкус кипяченого молока или привкус пастеризации. В результате взаимодействия SH-групп и других реакционноспособных групп наступает агрегация денатурированных белков, т. е. степень их дисперсности уменьшается.

Практический интерес представляет тепловая агрегация (3-лактоглобулина и а-лактальбумина. В первую очередь агрегирует денатурированный (3-лактоглобулин — начиная с t = 70 °C. Агрегированные частицы (3-лактоглобулина имеют небольшую величину, сильно гидратированы, поэтому не коагулируют. При высоких температурах тепловой обработки денатурированный (3-лактоглобулин помимо агрегации комплексуется с а-лактальбумином и с к-казеином мицелл казеина. В результате комплексообразования увеличиваются средний размер частиц казеина и их молекулярная масса (табл. 4.9).

Таблица 4.9

Влияние температуры тепловой обработки на белки молока.

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 г. При УВТ-обработке (110—112 °С без выдержки) вязкость т 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 °C, охлаждение до 77 °C с выдержкой при этой температуре 30 мин и повторное нагревание до 87 °C — показало, что ее влияние на вязкость Г) 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.

Тепловая обработка молока способствует увеличению степени отражения света, т. е. его «светлости» (побелению). При усилении тепловой обработки этот эффект побеления перекрывается реакцией побурения и степень «светлости» снижается (табл. 4.10). Для определения различий в цвете молока используют измерение отражения излучения света при длинах волн 400—700 нм (цветность) и результаты выражают в трехцветной системе координат: L, а, б, где L — светлость молока (1 = 0 — черная, L = 100 — белая); а — соответствует красно-зеленому компоненту цвета (а = -80 — зеленый, а = +100 — красный); б — желто-голубому (б = -80 — голубой, б = +70 — желтый).

Таблица 4.10

Влияние тепловой обработки на цветность молока.

При оптимальной завершенности процесса пастеризации или УВТобработки (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 этом частично разлагается с образованием органических кислот. При соблюдении условия Тф = т_д (Ра = 1) нагревание молока до 100 °C практически не влияет на молочный сахар. С увеличением продолжительности теплового воздействия Тф > ^тд (Ра > 1) обычная связь лактозы с белками разрывается и возникает новая, необратимая аминокарбонильная. В результате этого молоко приобретает специфические вкус, запах и цвет.

Методами количественного электрофореза и денситометрии с лазерным сканированием определяли вызываемое тепловой обработкой при 60—90 °С в течение 105 с связывание сывороточных белков с оболочками жировых шариков молока. Характер взаимодействия а-лактальбумина с жировыми шариками не зависит от режимов тепловой обработки молока, и общее количество связанного а-лактальбумина составляет приблизительно 0,2 мг/дм³ жира в сливках. Количество (3-лактоглобулина, связанного с жировыми шариками молока, увеличивалось с 0,2 мг/дм³ при 65 °C до 0,7 мг/дм³ жира при 85 °C.

На агломерацию сывороточных белков с мицеллами казеина при тепловой обработке оказывают влияние генетические варианты белков молока. Нагревание молока до 90 °C с выдержкой до 10 мин показало, что концентрация (3-лактоглобулина В уменьшается быстрее, чем (3-лактоглобулина А, из-за более быстрого образования комплекса с к-казеином.

Иммуноглобулины успешно выдерживают пастеризацию при 72 °C в течение 15 с без изменения структуры.

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 как непосредственно паром до 140 °C с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3—4 с и быстрым охлаждением в вакуум-камере (пароконтактный нагрев), так 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 Стойким к нагреванию оказался и витамин В₂, лишь витамин С разрушался на 26—30%. 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 °C соответственно: иммунных глобулинов — 42, 37, 33%, (3-лактоглобулина — 59, 37,17%, сывороточных альбуминов — 62,48, 100%. Наиболее стойкой оказалась фракция а-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 при 95 °C, создает условия для связывания (3-лактоглобулина и а-лактальбумина с казеином, в результате чего исключается возможность присоединения ионизированного кальция к казеину, повышается тепловая стойкость молока. Нерегулируемая по длительности выдержка молока при 87 °C приводит к уменьшению дисперсности частиц ККФК, обусловленному взаимодействием (3-лактоглобулина с к-казеином. При увеличении выдержки молока до 30 мин при температуре пастеризации 87 °C 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 цепочекСОNHприсоединяется ионизированный кальций, изменяется их заряд и понижается тепловая стойкость молока.

Если при температуре пастеризации 90—95 °С или УВТ-обработке при 105, 110, 120 °C 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 °C, зимой — 95 °C. При таком режиме вязкость молока цельного сгущенного с сахаром, вырабатываемого в любой период года, колеблется в пределах от 3 до 5 Па-с.