О консистенции кисломолочных продуктов. Часть I

      Одной из задач государственной политики в области здорового питания является обеспечение высокого качества и безопасности пищевых, в том числе молочных, продуктов, среди которых особое место занимают кисломолочные напитки (КМН) вследствие  их высокой пищевой, биологической ценности и диетических свойств.

      Рациональное питание, являющееся основным условием здоровья, невозможно без достаточного потребления КМН. Кроме того, что они содержат практически все основные пищевые вещества в легкоусвояемой форме, в их состав входят ферменты. витамины, молочная кислота. антибиотические и другие вещества, образующиеся в процессе жизнедеятельности заквасочной микрофлоры, стимулирующие работу пищеварительной системы организма, подавляющие нежелательную микрофлору кишечника, оказывающие благоприятное воздействие на обменные процессы в организме, его иммунитет. Поэтому эти напитки рекомендуются для диетического питания.

      Диетические свойства КМН обусловливаются наличием в них «живой» полезной микрофлоры и сохраняются на протяжении длительного времени, пока эта микрофлора остается жизнеспособной и доброкачественной.

      Наряду с питательностью и полезностью для здоровья важную роль в приемлемости продукта питания для потребителя играют также его внешний вид и текстура. При производстве КМН наиболее распространенным резервуарным способом нередко получают готовый продукт с жидкой, неоднородной, хлопьевидной консистенцией, отстоем сыворотки под влиянием различных неблагоприятных факторов, в том числе сезонного ухудшения технологических свойств сырья, интенсивного механического воздействия на молочно-белковый сгусток, нарушения условий транспортирования и хранения готового продукта.

      В последнее время в нашей стране все большей популярностью пользуется йогурт, что приводит к увеличению объемов его производства, а также усилению конкуренции. Проблема обеспечения конкурентоспособности связана с тем, что продукт чаше всего вырабатывают резервуарным способом с различными вкусовыми наполнителями (добавками), вносимыми в молочно-белковый сгусток, что приводит к его значительному разрушению.

      Современные тенденции к увеличению срока годности продукта выдвигают проблему сохранения качества его текстуры в процессе длительного хранения. Поиск путей, обеспечивающих высококачественную консистенцию, устойчивую к различным неблагоприятным воздействиям и стабильную в процессе длительного хранения, является насущной задачей.

      Проведенные ранее научно-исследовательские работы, имевшие целью улучшение консистенции КМН, вырабатываемых резервуарным способом, связаны с обогащением белкового состава исходного молока, подбором заквасок, обладающих загушающими свойствами, применением специальных режимов технологической обработки. Эти факторы оказывают большое влияние на консистенцию кисло-молочных напитков, но не всегда достаточно эффективны в случае значительных механических нагрузок, возникающих при их производстве, транспортировании, а также при более длительном хранении.

      В связи с возросшей проблемой  по повышению конкурентоспособности отечественных кисломолочных напитков увеличение сроков их годности (более 36 ч) является также одной из актуальных задач.

      Известно, что в результате длительного хранения вследствие развития посторонней микрофлоры вкус и санитарные показатели продукта ухудшаются. Это можно объяснить тем, что в кисломолочных напитках содержится 86-89 % воды, в том числе 83-86 % свободной и только 3-5 % связанной. Последняя не замерзает при низких температурах, не растворяет электролиты, имеет плотность, вдвое превышающую плотность свободной воды, недоступна микроорганизмам. Поэтому для подавления микро-флоры свободную воду или удаляют, или переводят в связанную, добавляя влагосвязывающие компоненты, тем самым способствуя увеличению сроков хранения кисломолочных напитков при сохранении «живой» микрофлоры.

      Конечно, использование влагосвязывающих компонентов при производстве кисломолочных напитков не является единственным путем увеличения сроков их годности. Выработанные из сырья с «жесткими» микробиологическими показателями, расфасованные в «стерильной зоне» в тару с герметичной укупоркой и охлажденные до 2-4 °С кисломолочные напитки могут сохранять свои первоначальные свойства до 29-30 сут.

      Известны также способы значительного увеличения сроков годности КМН, содержащих жизнеспособную микрофлору, основанные на их консервации путем замораживания, сублимационной или тепловой сушки, хранения в среде инертных газов и др.

      Длительной сохранности таких продуктов, как творог, творожные изделия, сметана, способствует тепловая обработка готового продукта с последующей расфасовкой его в горячем виде в тару с герметичной укупоркой. С целью предотвращения появления пороков песчанистости и крупитчатости в готовом продукте, возникающих при тепловой обработке, необходимо использовать пищевые ингредиенты, стабилизирующие его консистенцию.

      Поэтому с целью улучшения (стабилизации) консистенции и увеличения сроков годности кисломолочных напитков, вырабатываемых резервуарным способом, а также кисломолочных продуктов, как белковых, так и жировых, возникла необходимость в подборе новых видов добавок.

      Под стабилизацией следует понимать достижение определенных эффектов физического, химического и биологического характера и поддержание их в течение заданного времени. Поэтому гидрокол-лоиды в молочных продуктах могут выполнять роль загустителей, желируюших агентов, пенообразователей, стабилизаторов пены, белка. Их применяют для связывания воды, жира и в качестве эмульгаторов.

      Консистенция кисломолочных напитков, формирующаяся в ходе технологического процесса, зависит от многих факторов. Образование молочно-белкового (кисломолочного) геля является результатом жизнедеятельности молочнокислых бактерий, сбраживаюших молочный сахар до молочной кислоты и других производных. В результате повышения концентрации ионов водорода происходит коагуляция казеина с образованием пространственной структурированной системы. Ее внутреннее строение обусловливает структурно-механические свойства (СМС), характеризующие поведение продукта в напряженном состоянии, т.е. в условиях деформаций, возникающих в дальнейшем ходе технологического процесса.

      На СМС кисломолочных напитков влияют такие основные факторы, как качество исходного молока, содержание в нем жира, белка, наличие стабилизирующих добавок, состав закваски, параметры технологического процесса производства (режимы тепловой обработки, гомогенизации, охлаждения и перемешивания кисломолочного сгустка, кислотность молочно-белкового сгустка в конце сквашивания, степень механического воздействия при его перекачивании, розливе).

Тепловая обработка молока

      Во время тепловой обработки молока при определенных режимах происходит комплексообразование между казеином и сывороточными белками (СБ).

      Доля СБ в молоке составляет около 0,65 %, основная часть из которых (0,4 %) принадлежит β-лактоглобулину. Этот сывороточный белок обладает специфическими функциональными свойствами, имеющими большое значение в промышленной технологии.

      Денатурация СБ под действием температуры протекает с определенными закономерностями. Отдельные фракции СБ отличаются разными термостабильностью и скоростью денатурации в зависимости от температуры.

      В общем виде процесс тепловой денатурации сывороточных белков протекает в две стадии с различной энергией активации. Первая, в ходе которой в результате разрыва водородных мостиков и побочных валентных связей белковых спиралей происходит развертывание белковых частиц, протекает при температуре 80 °С в течение 20-30 мин, при 85 °С - 5-20, при 90 "С - 1,5-6,5 мин. Вторая, заключающаяся в агрегировании частиц белка в результате формирования новых во-дородных связей и дисульфидных мостиков, происходит при 90 °С в течение 1,5-6,5 мин, при 95 °С -1-5,5, при 100 °С - 1-4 мин, при 112 °С - 40 с-2,5 мин.

      Увеличение концентрации СБ приводит к увеличению скорости денатурации. На последнюю оказывают влияние также другие факторы. Например, увеличение концентрации и лактозы замедляет денатурацию, особенно при температурах, меньших 90 °С; обработка сверхвысоким давлением, понижение рН усиливают денатурацию.

      В нагретом молоке при величине рН более 6,8 в диапазоне температур 90-140°С денатурированные (поли-меризованные и агрегированные) СБ осаждаются на мицеллы казеина с образованием комплекса с к-казеином, в основном за счет - S-S-связей через свои цистеин-тиоловые группы, а также за счет гидрофобных взаимодействий и кальциевых мостиков. При рН менее 6,8 они осаждаются в межмицеллярную жидкость.

      Денатурированный β-лактоглобулин и неорганический фосфат кальция осаждаются на гидрофобные участки миделл казеина, что ведет к их укрупнению с образованием так называемых «шипов» или волокнистых отростков с иррегулярной структурой. Это показывает изучение методом электронной микроскопии казеиновых мицелл, выделенных из молока, подвергнутого нагреванию при 95 и 121,7 °С в течение 15 мин.

      В процессе ферментации казеиновые мицеллы образуют флокулы путем прикрепления частицы к частице. Наблюдаемая расплывчатая микроструктура соответствует низкой вязкости и прочности геля. Более интенсивное тепловое воздействие приводит к началу преципитации α-лактоальбумина, который покрывает слой β-лактоглобулина и заполняет пробелы. Количество α-лактоальбумина, присутствующего на казеиновой мицеллярной поверхности, зависит от интенсивности теплового процесса. Мицеллярная поверхность казеина становится более сглаженной и гидрофобной. При ферментации мицеллы «срастаются», образуя компактную, плотную структуру, в результате чего улучшается текстура геля, увеличиваются его вязкость и влагоудерживающая способность.

      Отмечено, что с повышением температуры пастеризации с 63 до 90 ºС эффективная вязкость неразрушенной структуры кисломолочного сгустка повышается в 4 раза, релаксационная вязкость - более чем в 2 раза, увеличивается предельное напряжение сдвига, условно-мгновенный модуль упругости возрастает в 3,5 раза, интенсивность отделения сыворотки уменьшается в 2 раза. Параллельно увеличивается удельный вес структурных связей конденсационного типа, необратимо разрушающихся, т.е. количество структур с выраженными тиксотропными свойствами уменьшается с повышением температуры пастеризации. Видимо, коагуляционные контакты между частицами дисперсной фазы заменяются более прочными фазовыми контактами. С увеличением продолжительности выдержки молока при 80 °С до 30 мин возрастают эффективная вязкость на 1,9 Па • с, предельное напряжение сдвига - на 40 Па, нарастает количество неразрушаюшихся связей в сгустке. Установлено, что прочность сгустка повышается с ростом температуры до 125 °С, затем она начинает понижаться. Чрезмерно жесткая и длительная тепловая обработка вызывает более глубокие денатурационные изменения казеина, приводящие к гидрофобизации поверхности раздела мицелла - плазма молока и, как следствие, к их значительному укрупнению вплоть до хлопьеобразования, что затрудняет образование сплошной структуры при кислотной коагуляции.

      Степень тепловой денатурации СБ, поданным ряда зарубежных авторов, при 85 °С с выдержкой 5 мин составляет 75 %, 15 мин – 80-85, 20-30 мин - 85-90 %; при 90 °С с выдержкой 5-15 мин - 85-90 %; при 90-95 °С с выдержкой 2 мин - 70-75 % при 90-95 °С с выдержкой 10 мин - 85-95 %; при 95 °С с выдержкой 10 мин – 90-95 %; при 93-95 °С с выдержкой 15 мин - 90-95%; при 130°С с выдержкой 15-45с - 70-80 %; при 140-150 °С с выдержкой 2-4 с и при 110- 135 °С с выдержкой несколько секунд - менее 75 %.

      Для улучшения консистенции КМН рекомендуется проводить теплового обработку до достижения степени денатурации СБ 70-99 %. Причем отмечается, что чем больше степень их денатурации, тем значительнее эффект. Необходимо принимать во внимание, что содержание сухих веществ, или добавление стабилизаторов, или использование вязких заквасок могут иметь большее значение, чем тепловая денатурация СБ. Поэтому темлературно-временные режимы тепловой обработки должны быть согласованы с содержанием в молоке сухих веществ. При массовой доле в молокедо9,5- 12 % сухих веществ требуется более интенсивная денатурация СБ - до 90-99 %. Это наблюдается при температуре 95 °С с выдержкой 5 мин или при 80-85 °С с выдержкой 20- 30 мин. Увеличение продолжительности выдержки более чем это не-обходимо для денатурации 99 % СБ не вызывает улучшения консистенции геля. Для молока с содержанием сухих веществ выше 14%иособенно выше 20 % достаточна денатурация 70-75 % СБ, что достигается при температуре 85 °С с выдержкой 5 мин; при 90 °С с выдержкой 2-3 мин, при 90-95 ºС с выдержкой 1-2 мин или при 130- 150 °С с выдержкой 2-4с.

      Достаточно прочный сгусток образуется при пастеризации молока при 80 °С с выдержкой 30 мин, при 85 ºС - 10, при 90 °С - 5, при 95 °С - 2 мин.

      В условиях промышленного производства КМН применяют следующие режимы тепловой обработки: в РФ - 85-87 °С с выдержкой 10-15 мин иди 90-94 °С с выдержкой 2-8 мин (выдержка может быть увеличена до 25 мин); за рубежом – 85-95 °С с выдержкой от 5 до 30 мин; 110-135 °С с выдержкой несколько секунд или 140-150 °С - 2-4 с; 130-140 ºС - 15-45 с.

Гомогенизация молока

      Другим значительным фактором, влияющим на консистенцию кисло-молочного сгустка, является дисперсность и физическое состояние жировой фазы молока. Повышение дисперсности жировой эмульсии способствует улучшению СМС кисломолочного сгустка.

      Диспергирование жировых шариков (гомогенизация) достигается воздействием значительного внешнего усилия, вызываемого перепадом давления, ультразвуковой, высоко-частотной электрической обработкой и т.д. В промышленном производстве КМН применяется главным образом гомогенизация в клапанных гомогенизаторах под действием высокого давления.

      При гомогенизации возрастает отношение поверхности жировых шариков к объему. Имеющихся в молоке оболочечных веществ недостаточно, чтобы покрыть всю поверхность вновь образовавшихся жировых шариков. Поэтому на ней происходит адсорбция поверхностно-активных компонентов плазмы, и оболочки жировых шариков гомогенизированного молока отличаются по составу от таковых негомогенизированного молока. Исследования оболочечного белка негомогенизированного молока показывают наличие одного белкового глобулиноподобного компонента, тогда как в оболочке жировых шариков гомогенизированного молока обнаружены главным образом казеин (3/4 поверхности), а также а-лактоальбумин и измененный лактоглобулин (1/4 поверхности).

      Таким образом, часть белков плазмы молока перераспределяется на поверхность жировых шариков. Во время гомогенизации меняются не только состав, но и физические свойства их оболочек, жировые шарики гомогеншированного молока можно рассматривать как своеобразные комплексы белок - жир по свойствам, приближающимся к крупным казеиновым мицеллам. Белковые вещества оболочек жировых шариков включаются в структурообразование кисломолочного сгустка. Жировые шарики служат как бы узлами структурной сетки и повышают ее прочность. При этом в готовом продукте не наблюдается отстоя жира, снижается при хранении отделение сыворотки, увеличивается в 1,5-2 раза вязкость КМН из гомогенизированного молока. Поданным Л.А. Милютиной, наивысшая вязкость сгустка наблюдается при давлении гомогенизации молока 17,5 МПа. Минимальное давление, обеспечивающее хорошую консистенцию продукта, - 12,5 МПа.

      По данным разных авторов, средний диаметр жировых шариков в молоке, гомогенизированном при 10 МПа, составляет от 1,23 до 1,91 мкм, соответственно при 15 МПа - от 0,99 до 1,38 мкм, при 17,5 МПа – от О,92 до 1,08, при 20 МПа - от 0,69 до 0,89 мкм. При повышении давления уменьшается не только средний диаметр жировых шариков, но и широта их распределения по размерам.

      Эффективность процесса гомогенизации зависит от температуры молока. Установлено, что при температуре ниже 50 °С эффективность гомогенизации снижается, увеличивается отстаивание сливок. Оптимально - 55-70 °С. При более высоких температурах эффективность меняется незначительно, но возможно образование осадка белков в гомогенизаторе. Отмечается также, что дисперсность молочного жира при гомогенизации после пастеризации выше, чем при осуществлении процесса до пастеризации при тех же режимах.

      На эффективность гомогенизации кроме давления, температуры, конструкции и состояния гомогенизирующей насадки влияют содержание и свойства веществ, образующих оболочку жировых шариков, а также кислотность. При рН ниже 6,6 свойства гомогенизированного продукта значительно ухудшаются.

      Применение одно- или двухступенчатой гомогенизации зависит от содержания жира в молоке. Двухступенчатая гомогенизация применяется для высокожирных молочных продуктов (свыше 10 % жира) с большим перепадом давления (7,5- 10 МПа) между ступенями.

      Гомогенизация непосредственно влияет на жировую фазу молока. Белки подвергаются наиболее значительным конформационным изменениям только под косвенным воздействием процесса под влиянием молекулярных сил на границе раздела жир-плазма. Менее значительно влияние прямого воздействия гомогенизации и температуры. В процессе гомогенизации молока только при высоких давлениях (свыше 30 МПа) отмечены химические изменения молочного белка.

      Обработка молока в гомогенизаторах высокого давления в диапазоне от 100 до 800 МПа рассматривается рядом зарубежных исследователей как альтернатива тепловой обработке. Гомогенизация при 15 МПа вызывает изменение функциональных свойств многих белков с последующим улучшением текстуры, влагоудерживающей способности и органолептики кисломолочных продуктов.

      Гомогенизация молока в сочетании с тепловой обработкой способствует усилению влияния на консистенцию сквашенного продукта по сравнению с одной гомогенизацией.

      Ее режимы рекомендуется выбирать в зависимости от содержания сухих веществ (СВ) молока. Для молока с содержанием СВ 9,5-12 %, СОМО (сухой обезжиренный молочный остаток) - 8 % рекомендуется давление 15-22 МПа при температуре 55-65 °С или максимум 30 МПа и 90 °С; при содержании СВ 12 и более 14%, СОМО - 8,5-11 %-8-10 МПа при 40-50 °С

      В промышленном производстве КМН в основном применяют следующие режимы гомогенизации молока: в РФ - 12,5-17,5 МПа, 55-85 "С (перед пастеризацией); за рубежом -15-17 МПа, 20, 25 МПа, 55-65 °С (до и после пастеризации).

Перемешивание, охлаждение молочно-белкового сгустка

      Качество кисломолочного продукта во многом зависит от своевременности прекращения процесса сквашивания, начала перемешивания и условий охлаждения. Правильная оценка свойств сгустка и точное определение момента его готовности перед перемешиванием представляют особую важность. Обычно их устанавливают визуально по получению достаточно прочного сгустка, а также по вязкости и кислотности.

      Перемешивание кисломолочного сгустка в интервале рН 5,1-4,7 вызывает ухудшение текстуры, приводит к низковязкому, неоднородному, с повышенной тенденцией к синерезису готовому продукту.

      Перемешивание при рН выше 4,5 сводит к нулю влияние всех других факторов предшествующей технологической обработки, призванных улучшить СМС продукта. Перемешивание при рН ниже 4,5 приводит к увеличению вязкости в готовом продукте в 1,5 раза по сравнению с вязкостью продукта, перемешанного при рН 5,1-4,9. Рекомендуется начинать перемешивание сгустка при рН 4,5-4,3, когда сгусток приобретает достаточную прочность.

      Своевременное охлаждение позволяет избежать перекисания продукта и связанного с ним ухудшения органолептических, реологических и синеретических свойств. Поэтому его начинают при рН выше 4,5 без перемешивания.

      Известно, что молочный сгусток способен набухать и уплотняться, когда остается ненарушенным при охлаждении. В связи с этим процесс охлаждения проводят в два этапа. Первый осуществляется в резервуаре для сквашивания до температуры 20-25 °С для замедления или остановки дальнейшего нарастания кислотности. При этом скорость перемешивания не должна быть более чем 48 об/мин с целью минимального повреждения сгустка. Затем сгусток перекачивают, используя насосы с минимально возможным давлением, для розлива в потребительскую упаковку. Скорость движения продукта в насосе - не более 0,01 м/с. Течение его по трубам должно быть ламинарным со скоростью не более 0,6 м/с. Фруктовые наполнители в продукт вносят непосредственно в резервуар или в потоке, используя специальные насосы-дозаторы.

      Второй этап охлаждения происходит в холодильной камере. Во время медленного охлаждения от 25 до 5 ºС формируется конечная структура КМН и значительно возрастает их вязкость.

Для охлаждения сгустка можно использовать охлаждающую технику. При этом степень воздействия на сгусток имеет большое влияние на вязкость конечного продукта. Если его сильно перемешивать при низкой температуре, то текстура не восстановится в значительной степени.

      Указанные факторы широко применяются в технологии производства КМН с целью обеспечения необходимой консистенции.