Сравнение структурно-механических характеристик ферментированных молочных концентратов

Введение. Интегрирование баромембранных методов обработки сырья в традиционные технологии молочных продуктов получает все большее распространение среди производителей молочной отрасли [1]. На сегодняшний день к основным способам баромембранного разделения можно отнести микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос [2]. Главным их преимуществом перед классическим вакуум-выпариванием (ВВ) является использование щадящих режимов температурного воздействия (4–50 °С), что обеспечивает максимальное сохранение нативности белковых фракций молока.

Помимо этого использование мембранных технологий позволяет снижать затраты на перевозку цельного молока, энергоемкость производства при его последующей обработке и, как следствие, интенсифицировать технологический процесс.

Наиболее широко применяемым баромембранным методом в переработке молока является его ультрафильтрация (УФ), позволяющая осуществлять максимальную концентрацию молочных белков, оставляя практически неизменным состав растворимой фазы. По некоторым исследовательским данным использование УФ-ретентатов в производстве ферментированных продуктов способствует увеличению степени прочности сычужных гелей, обеспечивая наиболее высокую плотность получаемых сгустков [2, 3]. В данном аспекте представляется весьма актуальным получение новых данных по сравнению коагуляционной способности молока-сырья и произведенных из него УФ-ретентата и ВВ-концентрата.

Цель исследования – сравнительная оценка состава и способности к сычужно-индуцированной коагуляции ретентата, полученного посредством ультрафильтрационной обработки молока, концентрата, выработанного путем вакуумного выпаривания, и исходного молока-сырья, осуществляемая при комплексном использовании инструментальных методов динамической реологии в совокупности с оценкой физико-химических свойств модельных сычужных сгустков (коагулятов), полученных из исследуемых образцов.

Задачи: установить влияние технологических факторов концентрирования, селективности мембран и особенностей состава получаемых концентратов на изменение механизма процесса коагуляции.

Объекты и методы. В качестве объектов исследования были выбраны: молоко, отнесенное к I классу по сыропригодности в соответствии с ГОСТ 32901-2014 (п. 8.2); концентрат, полученный из части этого молока путем вакуум-выпаривания со степенью сгущения 1,7 по сухим веществам; ретентат, полученный из другой части молока посредством баромембранной обработки (ультрафильтрации) с объемным фактором концентрирования 3,5; коммерческие молокосвертывающие препараты – химозин (Х) и пепсин (П) активностью 100 тыс. у. е.

Измерение динамической вязкости (η, сПз) производили на ротационном вискозиметре Brookfield DV-II+Pro с использованием камер для образцов SС4-13R(P), выполненных из высокотеплопроводного материала для обеспечения ускоренного нагрева, с применением измерительного вращающегося шпинделя SC4-3 (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид (А) и измерительные принадлежности (Б) ротационного вискозиметра Brookfield; 1 – водяная баня; 2 – камера для пробы; 3 – шпиндель

На этапе пробоподготовки цельное сырое молоко очищали, обезжиривали путем сепарирования и пастеризовали при температуре (74±2) °С с выдержкой 15–20 с (образец 1). Часть обезжиренного пастеризованного молока (образец 1) концентрировали на однокорпусном лабораторном аппарате при температуре (70±2) °С и разрежении 0,09 МПа для получения пробы с массовой долей сухих веществ (СВ) 16,40 % (образец 2). Другую часть молока (образец 1) охлаждали до температуры (16±2) °С и подвергали УФ-обработке на пилотной установке AL 362, укомплектованной блоком мембранных элементов из полиэфирсульфона с порогом за- держки 50 кДа (20 нм) для получения ретентата с массовой долей СВ 16,59 % (образец 3).

Показатели качества и безопасности образцов 1, 2 и 3 устанавливали посредством общепринятых методов, регламентированных для пастеризованного молока и обезжиренного сгущенного молока-сырья, а также рекомендованных [4].

Результаты и их обсуждение. По основным физико-химическим и санитарно-гигиеническим параметрам все исследуемые образцы соответствовали требованиям нормативной и технической документации. Наиболее значимые для проводимого исследования результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Показатель	Образец 1	Образец 2	Образец 3
Титруемая кислотность, °Т	16,5	31,5	25,6
Активная кислотность, рН	6,73	6,60	6,75
Массовая доля истинного белка, %	3,45	5,90	9,89
Массовая доля казеина, %	2,77	4,72	8,44
Массовая доля лактозы, %	5,39	9,11	5,32
Массовая доля сухих веществ, %	9,81	16,40	16,59
Массовая доля золы, %	0,80	1,38	1,24

Физико-химические показатели образцов обезжиренного молока, его ВВ-концентрата и УФ-ретентата

Как следует из представленных данных, титруемая кислотность при ВВ-концентрировании возросла почти в 2 раза, а при использовании УФ-обработки – только в 1,5 раза, что связано с переходом в пермеат части кислых солей и органических кислот. При этом активная кислотность в УФ-ретентате не изменилась ввиду повышения содержания казеиновых фракций и, как следствие, возможного усиления буферных свойств (увеличения количества аминных групп и связанных фосфатов). При сравнении соотношений показателей массовых долей казеина и истинного белка их значения в исходном молоке и ВВ-концентрате были практически равными и составляли 80 %, для УФ-ретентата – 85 %. Однако при сопоставимом содержании СВ в образцах 2 и 3 массовая доля истинного белка в последнем оказалась выше на 67 %, чем в образце 2, за счет селективной специфичности данного способа баромембранной обработки [2]. Отличия состава ВВ-концентрата по сравнению с УФ-ретентатом заключались также в повышенном содержании в концентрате лактозы (на 71 %) и минеральных веществ (на 11 %).

Для определения влияния методов концентрирования молока на его способность к сычужной коагуляции был проведен анализ кинетики гелеобразования инструментальным методом. Для определения коагуляционной способности был использован экспресс-метод ротационной вискозиметрии в регулируемых условиях (модификация ФГАНУ «ВНИМИ»). Перед началом измерения камеру прибора с 10 мл анализируемой пробы в течение (10±2) мин термостатировали на водяной бане при температуре (40±1) ºС. Затем в камеру вносили 0,1 мл 10 %-го раствора химозина (образцы 1-Х1, 2-Х1, 3-Х1) или пепсина (образцы 1-П1, 2-П1, 3-П1), быстро перемешивали (в течение 10 с) и немедленно помещали камеру в закрепленный на приборе термостат с температурой (40±1) ºС, одновременно запуская вращение шпинделя с минимальной постоянной скоростью 10 об/мин. Фиксирование показателей эффективной вязкости осуществляли в течение (7±2) мин. Для каждой из проб проводили не менее трех повторных измерений, с построением графических зависимостей в диапазоне эффективной вязкости от 0,0 до 2000 сПз.

Полученные динамические кривые соответствовали основным периодам, условно характеризующим процесс гелеобразования в молочных системах (по данным П.Н. Дудника и В.П. Табачникова, ВНИИМС) (рис. 2) [5, 6].

Изменение углов наклона реограмм, построенных по экспериментальным данным, соответствовало точкам смены периодов сычужного свертывания. По проекциям из этих точек на ось абсцисс определяли продолжительность каждой фазы (рис. 3).

• •    О - внесение

молокосвертывающего репарата

• •    индукционный период: ферментативная стадия и стадия скрытой коагуляции

• •    К - начало коагуляции

• •    период массовой коагуляции

• •    Г - гель-точка

• •    период структурообразования, соответствующий максимальной прочности сгустка (η_max)

• •    С - начало синерезиса

• •    период синерезиса

  Рис. 2. Периоды сычужного свертывания

  
  
  

  А

  
  

1-Х1      2-Х1      3-Х1

Б

Рис. 3. Реограммы сычужного свертывания образцов обезжиренного молока, УФ-ретентата и ВВ-концентрата: А - с химозином; Б - с пепсином

Пробы с химозином 1-Х1 и 3-Х1 показали наименьшую длительность индукционного периода (49 и 30 с соответственно) в сравнении с пробами с пепсином 1-П1 и 3-П1 (76 и 72 с соответственно). Наиболее высокая динамическая вязкость на этапе структурообразования (n max ) отмечена в УФ-ретентате, а максимальный показатель - в пробе УФ-ретентата с химозином: 1952 сПз (образец 3-Х1). Для пробы УФ с пепсином n max составила 1280 сПз (образец 3-П1). Образцы 2-Х1 и 2-П1, вне зависимости от типа молокосвертывающего препарата, наряду с длительным индукционным периодом (135 и 132 с соответственно) проявили очень слабую коагуляционную активность. Максимальная динамическая вязкость в этих образцах не превышала 64 сПз, что в 2,5 раза ниже вязкости образцов обезжиренного молока (1-Х1 и 1-П1) и в 30 и 20 раз ниже этого показателя в пробах 3-Х1 и 3-П1 соответственно.

Положительная корреляция кинетики гелеобразования с процессом УФ-концентрирования обусловлена, прежде всего, спецификой минерального состава исследуемого ретентата, характеризующегося пониженным содержанием растворимых поливалентных ионов и более высоким количеством мицеллярного кальция в сравнении с ВВ-концентратами [7, 8].

Для изучения качества сычужных сгустков (коагулятов) образцов 1, 2 и 3 использовали экспериментальные модели, полученные путем термостатирования анализируемых проб с заданным количеством молокосвертывающих препаратов (Х и П).

В три пробирки вместимостью 150 мл взвешивали по 150 г образцов 1, 2 и 3 с температурой (38±1) °С и по 5 г 1 %-го раствора Х активностью 100 тыс. у. е. (образцы 1-Х2, 2-Х2 и 3-Х2), в три других - по 150 г образцов 1, 2 и 3 с температурой (38±1) °С и по 5 г 1 %-го раствора П активностью 100 тыс. у. е. (образцы 1-П2, 2-П2 и 3-П2). Содержимое пробирок тщательно перемешивали и термостатировали при (38± 1) °С для проведения сычужного свертывания до образования плотных сгустков с хорошим синерезисом.

Визуальное наблюдение в процессе эксперимента выявило начало активного гелеобразования в образцах 1-Х2, 1-П2, 3-Х2, 3-П2 через 15 мин, а через 30-45 мин - начало синерезиса. Спустя 180 мин в пробах 3-Х2, 3-П2 и 200 мин в пробах 1-Х2, 1-П2 сформировались плотные сгустки с отделением чистой прозрачной сыворотки. В образцах 2-Х2 и 2-П2 процесс гелеобразования начался только после 30 мин термостатирования, а для образования сычужных сгустков потребовалось 360 мин. Полученные сгустки имели неплотную, легко деформирующуюся структуру и слабо выраженный синерезис (рис. 4).

1-Х2                            2-Х2                          3-Х2

1-П2                            2-П2                          3-П2

Рис. 4. Визуализация сычужно-индуцированных сгустков

Полученные модельные сгустки, не разрушая структуры, отделяли от сыворотки путем фильтрования. По окончании фильтрования определяли количество отделившейся сыворот-

ки и коагулята, массовые доли СВ в них, а также рассчитывали выход коагулята и переход протеиновых фракций в сыворотку (табл. 2).

Показатели сычужной коагуляции в экспериментальных моделях

Таблица 2

Показатель	1-Х2	1-П2	2-Х2	2-П2	3-Х2	3-П2
Продолжительность свертывания, мин	200	200	360	360	180	180
Выход коагулята по массе, %	12,9	13,1	28,8	29,5	41,1	41,9
Массовая доля влаги в коагуляте, %	76,93	77,50	79,71	79,12	74,43	74,29
Массовая доля белка в коагуляте, %	19,41	19,60	17,94	17,38	22,38	21,95
Массовая доля белка в сыворотке, %	1,08	1,02	1,04	1,09	1,21	1,19
Переход белка в сыворотку, %	27,5	26,7	12,4	13,1	7,2	7,0

Как следует из полученных данных, выход по массе коагулята из образцов УФ-ретентата превышал аналогичные значения в образцах обезжиренного молока в 3,2 раза, что коррелировало с коэффициентами концентрирования по казеину при сопоставимом содержании влаги в сгустках. Переход общего белка в сыворотку в образцах 3-Х2 и 3-П2 оказался в 3,8 раз ниже, чем в пробах обезжиренного молока.

Пробы 3-Х2 и 3-П2 также показали увеличение выхода коагулята в 1,4 раза по сравнению с образцами 2-Х2 и 2-П2, при этом массовая доля влаги ВВ-сгустков была выше на 5,3 и 4,8 % соответственно, что обусловлено высокой концентрацией лактозы и минеральных веществ в их водной фазе. В результате применения традиционной технологии вакуумного выпаривания молока, помимо длительного воздействия высоких температур, оказывающих негативное влияние на коагуляционные свойства получаемого концентрата, для его состава является характерным повышенное по сравнению с УФ-ретентатом содержание лактозы. Увеличение массовой доли молочного сахара в концентрате приводит к снижению показателя активности воды, способствуя, в свою очередь, деструктурированию к-казеиновой фракции на поверхности мицелл казеина с уменьшением доступности химозина и скорости агрегации параказеина. Такое воздействие увеличивает продолжительность индукционного периода и снижает интенсивность массовой коагуляции. Помимо этого повышенное содержание минеральных веществ в ВВ-концентрате способствует снижению количества фосфатных групп в мицеллах казеина, тем самым оказывая негативное воздействие на их гидратацию и, как следствие, на способность к агрегации, приводя к образованию казеиновой пыли и снижая эффективность удержания белка в сгустке. Процесс классического концентрирования путем вакуум-выпаривания также сопровождается частичным комплексообразованием к-казеина с β-лактоглобулином в сгущенном концентрате, что приводит к увеличению размеров мицелл с повышением их гидрофильности. Следствием этого является низкая плотность и степень синерезиса получаемого сгустка.

По воздействию молокосвертывающих препаратов можно отметить несколько более высокий выход коагулята в образцах с пепсином (на 1,5–2,4 %) и меньший переход белка в сыворотку (на 3,0 и 2,8 %) в пробах пастеризованного молока и УФ-ретентата при сопоставимых показателях влажности сгустков всех экспериментальных образцов.

В целом из результатов эксперимента следует, что обезжиренное молоко, подвергнутое УФ-концентрированию, демонстрирует наиболее выраженную кинетику гелеобразования и способность к формированию наиболее плотных сгустков по отношению к исходному молоку, а ВВ-концетрат, напротив, наряду с низкой коагуляционной способностью показывает слабую структуру коагулятов и увеличенную продолжительность всех периодов сычужного свертывания.

Заключение. Обобщая итоги эксперимента, можно сделать вывод, что наиболее эффективным способом концентрирования молока с целью получения прочных сычужно-индуцированных молочных гелей является его ультрафильтрация.

Использование ВВ-концентратов в молочном производстве, несмотря на их низкую коагуляционную способность, имеет определенные перспективы для получения линейки сычужно-индуцированных продуктов, характеризующихся мягкой консистенцией и высокой влажностью сгустков, как, например, некоторые виды творога и сыра. Определенные подходы, создающие частичную деминерализацию в процессе производства (например диафильтрация, подкисление), способны обеспечить применение не только УФ-ретентатов молока, но и его ВВ-концен-тратов, позволяя посредством различных способов концентрирования сырья прогнозировать и регулировать свойства получаемых ферментированных молочных продуктов.