Биохимические и физико-химические процессы при производстве молочных продуктов

1. БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

1.
Производство кисломолочных продуктов
2. Производство сыров
3. Производство сливочного масла

2. 1 Производство кисломолочных продуктов

Брожение молочного сахара.
Коагуляция казеина и гелеобразование.
Факторы, влияющие на брожение и свойства
сгустков.

3. Основные биохимические процессы

К основным процессам относятся молочнокислое и спиртовое брожение молочного
сахара, коагуляция казеина и гелеобразование.
В результате формируются консистенция, вкус и
запах готовых продуктов.
По характеру брожения лактозы к-м продукты
условно делятся 2 группы:
◦ к первой группе относятся продукты, в основе
производства которых лежит главным образом
молочно-кислое брожение (простокваша, ацидофилин,
йогурт, творог, сметана);
◦ ко второй группе – продукты со смешанным брожением
– молочно-кислое и спиртовое (кефир, кумыс).

4. Молочнокислые бактерии

В зависимости от продуктов, накапливаемых в процессе
брожения, все молочнокислые бактерии подразделяют на
гомоферментативные и гетероферментативные.
Молочнокислые бактерии (Lac. lactis, Lac. cremoris, Lac.
diacetilactis, Str. thermophilus, L. bulgaricus, L. acidophilus),
образующие в качестве основного продукта брожения
молочную кислоту, относят к гомо- ферментативным.
Бактерии (Leuc. cremoris, Leuc. dextranicum и др.), которые
кроме молочной кислоты в значительных количествах
образуют и другие продукты брожения, — к
гетероферментативным.
Путем определенного комбинирования различных видов
молочнокислых бактерий и регулирования температуры
сквашивания можно получить продукт с нужными
вкусовыми, ароматическими достоинствами, консистенцией
и диетическими свойствами.
Lac. (Lactococcus); L. (Lactobacillus); Leuc. (Leuconostoc);
Str. (Streptococcus).

5. Молочнокислое брожение

Каждая молекула пировиноградной
кислоты, образующаяся из молекулы
глюкозы, восстанавливается до молочной
кислоты:
Из одной молекулы лактозы образуется
четыре молекулы молочной кислоты:

6. Спиртовое брожение

При спиртовом брожении пировиноградная кислота под
действием фермента пируватдекарбоксилазы
расщепляется на уксусный альдегид и углекислый газ:
Уксусный альдегид с участием окислительновосстановительного фермента алкогольдегидрогеназы
восстанавливается в этиловый спирт:
Суммарно спиртовое брожение лактозы можно
представить в следующем виде:

7. Сущность кислотной коагуляции

Образующаяся (или внесенная) молочная
кислота снижает отрицательный заряд
казеиновых мицелл, так как Н-ионы
подавляют диссоциацию карбоксильных
групп казеина, а также гидроксильных
групп фосфорной кислоты. В результате
этого достигается равенство
положительных и отрицательных
зарядов в изоэлектрической точке
казеина (pH 4,6—4,7).
При кислотной коагуляции помимо
снижения отрицательного заряда
казеина нарушается структура
казеинаткальцийфосфатного комплекса
(отщепляется фосфат кальция и
структурообразующий кальций). Их
переход в раствор дополнительно
дестабилизирует казеиновые мицеллы.

8. Действие на казеин молочной кислоты и сычужного фермента

Под действием сычужного фермента казеин
превращается в параказеин, имеющий
изоэлектрическую точку в менее кислой среде
(pH 5—5,2).
В изоэлектрической точке казеиновые или
параказеиновые частицы при столкновении
агрегируют, образуя цепочки или нити, а затем
пространственную сетку, в ячейки или петли
которой захватывается дисперсионная среда с
жировыми шариками и другими составными
частями молока (рис). Происходит
гелеобразование.

9. Схема образования пространственной структуры в процессе свертывания молока

а — начало образования структурной сетки;
б — пространственная структура сгустка;
1 — частицы белка; 2 — петли структуры, заполненные
дисперсионной средой

10. Свойства сгустков

Образующийся сгусток (гель) обладает определенными
механическими свойствами: вязкостью, пластичностью,
упругостью и прочностью. Эти свойства связаны со структурой
системы, поэтому их называют структурно-механическими
или реологическими.
Структурно-механические свойства сгустков определяются
характером связей, возникающих между белковыми
частицами при формировании структуры. Связи могут быть
обратимыми и необратимыми.
Обратимые (тиксотропно-обратимые) связи
восстанавливаются после нарушения структуры сгустка. Они
обусловливают явление тиксотропии (от греч. thixis —
прикосновение + trope — изменение) — способность структур
после их разрушения в результате какого-нибудь
механического воздействия самопроизвольно
восстанавливаться во времени.

11.

Необратимые (необратимо разрушающиеся) связи
не обладают свойством восстанавливаться после
механического воздействия на сгусток. С ними
связано явление синерезиса.
Синерезис — уплотнение, стягивание сгустка с
укорачиванием нитей казеина и вытеснением
заключенной между ними жидкости. Скорость
синерезиса определяется влагоудерживающей
способностью казеина и зависит от концентрации в
сырье сухих веществ, состава бактериальных
заквасок, режимов тепловой обработки и
гомогенизации, способа свертывания молока и
других факторов.

12. Схема синерезиса сгустка (по Тёпелу)

Для кисломолочных напитков и сметаны синерезис —
явление нежелательное
При производстве творога, наоборот, требуется удалить
избыток сыворотки из сгустка.
Для усиления синерезиса применяют также
измельчение, нагревание сгустка и т. д.

13. Факторы, влияющие на брожение и свойства сгустков

Состав и свойства молока (количество витаминов,
аминокислот, солей кальция, белков; наличие
антибиотиков; здоровье и кормление животных;
длительность и условия хранения молока).
Вид и активность бактериальных заквасок.
Режимы пастеризации, гомогенизации,
сквашивания, созревания.

14. БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЫРА

Механизм сычужного свертывания белков
молока.
Влияние некоторых факторов на сычужное
свертывание и синерезис сгустка.

15. Механизм сычужного свертывания белков молока

Производство сыра можно условно разделить на
две стадии. Первая стадия включает весь процесс
обработки молока и сгустка, включая формование
и посолку сыра, вторая стадия — созревание сыра.
Первая стадия как бы предопределяет вторую, т. е.
созревание сыра зависит не только от условий
хранения сыра в сырохранилище, ухода за ним, но
и от свертывания молока сычужным ферментом,
обработки сгустка и других операций. Строго
говоря, созревание сыра начинается уже при
обработке молока в ванне.
Глубокие биохимические изменения составных
частей молока, придающие сыру специфические
вкус, запах и консистенцию, протекают при
созревании, т. е. во второй стадии.

16. Сычужное свертывание молока

Сычужный фермент представляет собой смесь
химозина и пепсина (60–70 % первого
фермента и 30–40 % второго).
Проходит две стадии: ферментативную и
коагуляционную.
На первой стадии под действием сычужного
ферментапроисходит разрыв чувствительной к
нему пептидной связи фенилаланин —
метионин (Фен — Мет) в полипептидной цепи
-казеина (см. схему). В результате этого казеин распадается на нерастворимый
(чувствительный к ионам кальция) пара- казеин и растворимый гликомакропептид.

17. Схема ферментативной стадии

Гликомакропептиды -казеина имеют высокий отрицательный
заряд и обладают сильными гидрофильными свойствами. При их
отщеплении от -казеина снижается электрический заряд на
поверхности казеиновых мицелл (с постепенным приближением к
изоэлектрическому состоянию), частично теряется гидратная
оболочка, в результате чего снижается устойчивость казеиновых
мицелл и они коагулируют, т. е. наступает вторая стадия —
коагуляция.

18. Схема процесса сычужного свёртывания молока

а – коагуляция мицелл под действием сил гидрофобного
взаимодействия; б – коагуляция мицелл за счёт кальциевых мостиков;
1 – нативные казеиновые мицеллы; 2 – параказеиновые мицеллы,
потерявшие защитные гликомакропептиды -казеина

19.

Картину сычужного свертывания молока можно изучить с
помощью реологического метода. Метод основан на измерении
эффективной вязкости в течение всего периода сычужного
свертывания молока в потоке.
О – внесение
сычужного
фермента; К –
начало явной
коагуляции; Г –
гель-точка; С –
начало синерезиса
По данным ВНИИМСа (В. П. Табачников и др.), процесс
сычужного свертывания можно условно разделить на четыре
стадии: I – индукционный период, включающий
ферментативную стадию и стадию скрытой коагуляции (участок
О–К); II – стадия массовой (явной) коагуляции (участок К–Г); III –
стадия структурообразования и упрочнения сгустка (участок Г–
С); IV – стадия синерезиса (после точки С).

20. Влияние некоторых факторов на сычужное свертывание и синерезис сгустка

Состав и свойства молока
Режим пастеризации
Активность бактериальной закваски и
сычужного фермента
Кислотность молока и температура
свертывания
Доза хлорида кальция

21. Сыропригодность молока

Характеризуется комплексом показателей химического
состава, физико-химических, технологических и
гигиенических свойств. Молоко должно иметь
оптимальное содержание белков, жира, СОМО, кальция,
образовывать под действием сычужного фермента
плотный сгусток, хорошо отделяющий сыворотку, и
быть благоприятной средой для развития
молочнокислых бактерий.
Для сыроделия наиболее пригодно молоко с высоким
содержанием белков (не ниже 3,1 %, в том числе казеина
— не менее 2,6 %), жира ( > 3,6 %), СОМО ( > 8,4 %) и
оптимальным соотношением между ними: между жиром
и белком 1,1–1,25, между белком и СОМО 0,35–0,45 и т.
д.
Оптимальным следует считать молоко с высоким
содержанием в казеине фракций αs, β и (в сумме они
должны составлять не менее 91 %) и низким
количеством γ-казеина.

22.

При производстве сыров молоко, как
правило пастеризуют при низкой t
70-72 или 74-76 С с выдержкой 2025 с. Более высокие температуры
вызывают переход растворимых
солей кальция в нерастворимое
состояние, образование комплексов
денатурированного βлактоглобулина с -казеином и т.д.
При повышении t пастеризации
увеличивается период образования
сгустка и ухудшаются его
синеретические свойства.
При подборе молочнокислых
бактерий следует учитывать энергию
кислотообразования,
протеолитическую активность
отдельных штаммов, а также
свойства образуемых ими сгустков,
накопление ароматических веществ
и свободных аминокислот.

23.

Для свертывания молока в сыроделии применяют главным
образом сычужный фермент (химозин (ренин) и пепсин). Фермент
проявляет свою активность при рН 5,2–6,3, оптимальное значение
рН для сычужного фермента 6,2. Оптимальная температура его
действия 39–42 С. В практических условиях при температуре
свертывания 29–35 °С получается достаточно плотный сгусток.
Для свертывания молока применяют также пепсин, получаемый из
желудков свиней, взрослых жвачных животных и птицы. Свиной
пепсин обладает меньшей свертывающей способностью. Он
действует при более низких значениях рН, при рН выше 6,5 его
активность резко падает. Говяжий пепсин по
молокосвертывающей способности и протеолитической
активности ближе подходит к сычужному ферменту, чем свиной.
В настоящее время в практику сыроделия внедрены ферментные
препараты ВНИИМСа, представляющие собой смесь (1:1; 1:3)
сычужного фермента с говяжьим и куриным пепсинами.

24.

Кислотность молока и t свертывания
При низкой кислотности – неплотный, вялый
сгусток; при повышенной – излишне плотный, сыр
получается крошливой консистенции.
Зрелость молока перед свертыванием для твердых
сыров 19–20 Т, для мягких – 22–25 Т.
Оптимальной температурой свертывания является
28–34 С и время 30-40 минут. При t ниже 10 и
выше 60 С свертывание не происходит.
Доза СаCl2
На 100 л пастеризованного молока вносят 30-40 г
хлорида кальция из расчета сухой соли, что
ускоряет свертывание и синерезис.

25. БИОХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАСЛА

Производство масла способом сбивания
сливок
Производство масла способом
преобразования ВЖС

26. Производство масла способом сбивания сливок

Производство масла сводится к изменению агрегатного
состояния жировых шариков сливок с последующим
освобождением и концентрированием жировой фазы
при одновременном формировании структуры масла.
В результате механической обработки сливок при их
сбивании в маслоизготовителе жировая эмульсия
полностью разрушается. Жировые шарики окончательно
лишаются оболочек, объединяются сначала в мелкие, а
затем в более крупные комочки, т. е. образуют масляные
зерна, которые подвергают дальнейшей обработке для
получения однородного пласта масла с равномерно
распределенными каплями влаги.

27. Стадии дестабилизации жировой дисперсии сливок

а – исходный жировой шарик; б – частичная гидрофобизация
поверхности шарика за счет выделения жидкого жира; в –
частичная гидрофобизация шарика путем удаления части
наружного слоя оболочки; г – полная гидрофобизация поверхности
шарика вследствие потери гидрофильных компонентов наружного
слоя оболочки; д – комкование частично или полностью
гидрофобилизированных шариков; е – плавление комка и
образование вторичного шарика; ж – полное разрушение жировой
дисперсии

28. Производство масла способом преобразования ВЖС

Сущность способа заключается в концентрации
молочного жира путем сепарирования и
преобразования высокожирных сливок в масло
при их термомеханической обработке.
Маслообразование включает процессы
отвердевания жира, обращения фаз и
структурообразования.

29. Схема обращения эмульсии типа «масло в воде» в эмульсию типа «вода в масле»

30.

Консистенция масла зависит от процессов кристаллизации
жира. Форма и размеры кристаллов зависят от условий
охлаждения жира. Чем выше скорость и ниже температура
охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации,
образуются мелкие кристаллы и более интенсивно происходят
фазовые превращения жира.
Механическая обработка во время дестабилизации жира
способствует формированию мелких кристаллов. При
медленном охлаждении жира образуется мало центров
кристаллизации и формируются очень крупные кристаллы.
Хранение масла при повышенных температурах также
способствует образованию крупных кристаллов жира и
возникновению порока мучнистости.
Образовавшиеся кристаллы жира взаимодействуют между
собой и образуют пространственную сетку, или структуру,
масла, от которой зависит его консистенция.