Физические и химические основы производства йогурта

Устойчивость  коллоидных частиц казеина в свежем молоке обусловлена двумя факторами: электрическим зарядом и гидрофильностью. В свежем молоке частицы казеинаткальцийфосфатного комплекса имеют отрицательный заряд, в силу одноименности заряда частицы отталкиваются при соударении. По мере приближения к изоэлектрической точке частицы приобретают электронейтральность, характерную для изоэлектрического состояния(число положительных зарядов равно числу отрицательных). В изоэлектрическом состоянии частицы казеина соединяются между собой, образуя сетчатую трехмерную структуру, и сквашенное молоко из жидкого состояния переходит в гель.

  При сквашивании молока происходит ионный обмен между кальций-ионами казеинаткальцийфосфатного комплекса и Н-ионами молочной кислоты;

(казеиновый  комплекс) Са + 2Н (С Н О ) + (Казеин) + 2Са (С Н О )

  В результате сгусток казеина обедняется кальцием. Одновременно образуется растворимый лактат кальция.

  Йогурт  производят путем внесения в молоко закваски, под действием которой происходит свертывание белков и образование пространственной структуры из белков молока с включениями молочного жира и влаги. Характерно, что повышение температуры ускоряет процесс структурообразования. Как следует из таблицы 2 повышение температуры пастеризации способствует повышению вязкости сгустка.

 Таблица 2. Влияние температуры пастеризации на вязкость сгустка 10^3 (в Па с) 

3. Тепловая  обработка

  Нагревание  молока давно применяется в производстве йогурта для увеличения концентрации сухих веществ в молочной основе. По современным представлениям, назначение тепловой обработки молока при производстве кисломолочных продуктов заключается в следующем:

• разрушение и/или удаление патогенных и других нежелательных микроорганизмов;
• создание условий, благоприятных для развития микрофлоры закваски;
• изменение физико-химических свойств составляющих молока, влияющих на качество йогурта.

  Тепловая  обработка молока является одной  из наиболее распространенных операций в промышленном производстве различных молочных продуктов. Применяемые сочетания температуры и времени варьируются от < 65 °С в течение нескольких секунд (термизация) до 150 °С в течение нескольких секунд для ультравысокотемпературной обработки (УВТ). Тепловую обработку молока при производстве йогурта можно проводить при различных режимах.

  Выбор режима тепловой обработки основывается на ряде факторов, но если предположить, что производственные ограничения отсутствуют, то перечисленные выше соображения окажутся основными.

  Широко  изучено влияние тепловой обработки  молока на изменения составных частей молока, его питательные свойства, инактивацию ферментов (нативных или бактериального происхождения) и функциональные свойства молочных продуктов (например, термоустойчивость УВТ-молока, сгущенного и сухого молока).

  При производстве йогурта молоко нагревается  выше 70 °С, и физико-химические изменения, которые могут произойти в молочной основе, сложны и многообразны. Влияние термической обработки на функциональные свойства йогурта описано ниже.

  Тепловая  обработка молока для йогурта при 85-95°С достаточна для уничтожения большинства, если не всех вегетативных клеток микроорганизмов, присутствующих в сыром молоке, однако бактерии, образующие споры и некоторые термоустойчивые ферменты, сохраняются. Уменьшение конкуренции делает молоко, подвергнутое тепловой обработке, хорошей средой для роста микроорганизмов йогуртовой закваски; вместе с тем бактериологическое качество сырого молока и сухих ингредиентов, добавляемых к молочной основе, является очень важным фактором.

  Высокое содержание психротрофных бактерий может вызвать разрушение казеина, а также жировых компонентов молока. И если разрушение казеина приводит к формированию слабого сгустка, склонного к отделению сыворотки, то гидролитическое прогоркание жира может служить причиной появления выраженного постороннего привкуса в продукте. Важно также помнить, что ферменты (пептидгидролазы и липазы) некоторых видов Pseudomonas термоустойчивы, и для их инактивации требуется высокотемпературная (150 °С) тепловая обработка.

  В сыром молоке присутствует около 60 ферментов, некоторые из которых  нестойки к нагреванию, а другие могут переносить ультравысокотемпературную обработку молока. Активность ферментов молока — полезный индикатор физиологических изменений в вымени млекопитающих, условий обработки молока и факторов, влияющих на вкус и качество молочных продуктов. При производстве йогуртов сохранение этих ферментов не представляет серьезной проблемы.

  Нагревание  молока может привести к высвобождению  некоторых веществ, стимулирующих или ингибирующих активность молочных заквасок, а так же происходят следующие явления:

• стимулирование развития микрофлоры закваски в молоке при тепловой обработке его в интервале от 62 °С с выдержкой 30 мин до 72 °С с выдержкой 40 мин;
• ингибирование развития микрофлоры закваски при нагреве молока в диапазоне от 72 °С с выдержкой 45 мин до 82 °С с выдержкой 10-120 мин или до 90 °С с выдержкой 1-45 мин;
• стимулирование развития заквасочной микрофлоры в молоке, подвергнутом тепловой обработке при 90 °С в течение 60-180 мин и при автоклавировании (120°С, 15-30 мин);
• ингибирование развития микрофлоры закваски при ужесточении режима стерилизации молока в автоклаве (120 °С, более 30 мин).

  Явный цикл «стимулирование — ингибирование  — стимулирование — ингибирование» имеет место вследствие изменений белков сыворотки и может быть смоделирован добавлением денатурированных сывороточных белков или гидрохлорида цистеина. [1. стр.77-80] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Гомогенизация

    Гомогенизация означает буквально получение гомогенной (однородной) эмульсии двух несмешиваемых  жидкостей — например, масла/жира и воды. В молочных продуктах встречаются два вида эмульсий:

• «масло в воде» — «прямая» эмульсия, в которой капельки масла (жира) распределены в водной фазе (в эту категорию попадает большинство гомогенизированных молочных продуктов);
• «вода в масле» — «обратная» эмульсия, в которой капельки воды распределены в масляной фазе (типичный пример — сливочное масло).

   Молоко для  йогурта — типичный пример эмульсии типа «масло в воде», поэтому со временем жир стремится отделиться (особенно в период сквашивания в резервуарах). Для предотвращения этого молочную основу подвергают высокоскоростному перемешиванию или гомогенизации, т. е. ее пропускают под высоким давлением через небольшое отверстие или кольцевой зазор.

  Хорошо  известно, что диаметр жировых  шариков в молоке варьирует от 1 до 10 мкм при среднем его значении 3 мкм. Эти изменения размера жировых  шариков зависят от факторов, влияющих на химический состав молока (порода коровы, стадия лактации, возраст и здоровье коровы, вид корма, и т. д.). После гомогенизации средний диаметр жировых шариков становится меньше 2 мкм что предотвращает образование конгломератов жира и отстой его на поверхности. В белковом компоненте молока (казеине и сывороточных белках) могут происходить следующие процессы:

• денатурация некоторых белков сыворотки;
• взаимодействие казеина с денатурированными сывороточными белками;
• образование сульфгидрильных соединений из денатурированных белков сыворотки.

  Однако  изменения составных частей молока, и желаемый результат гомогенизации  могут быть достигнуты только при  соблюдении определенных условий, а именно правильном выборе давления и температуры гомогенизации с учетом необходимого содержания жира в обрабатываемой смеси.

  До  обработки цельного молока любых  млекопитающих не происходит какого-либо взаимодействия между основными  его составляющими — белками, жирами и лактозой. Жировые шарики в сыром молоке окружены оболочкой, состоящей из белка, липидов и фосфолипидов. Нагрев и давление вызывают химические и физические изменения в жировых шариках молока. Если химические изменения касаются остатков жирных кислот, то физическе изменения под действием температуры и давления выражаются в сложных взаимодействиях между составляющими молока. [1. стр.70-73]

  Нагревание  гомогенизированного молока свыше 70 °С приводит к усилению денатурации и формированию из денатурированных белков сыворотки новых структур, которые в дальнейшем могут участвовать в таких реакциях, как:

• осаждение на поверхности мицелл казеина коллоидной дисперсии молока (за счет взаимодействия с к-казеином);
• взаимодействие с к-казеином, адсорбированном на жировых шариках;
• взаимодействие с остатками мембран жировых шариков;
• адсорбция на поверхности жировых шариков (с вытеснением адсорбированных казеинов)

      Применение  одноступенчатой или двухступенчатой  гомогенизации зависит от содержания жира в исходном сырье. При обработке сырья с высоким содержанием жирового компонента, например, сливок, рекомендуется двухступенчатая гомогенизация, поскольку жировые шарики в гомогенизированных сливках имеют тенденцию к образованию скоплений. При производстве йогурта молоко обычно подвергается одноступенчатой гомогенизации при температуре 65-70 °С и давлении 15-20 МПа. Сообщалось о давлении до 30 МПа, но на практике такой режим широко не используется.

Влияние гомогенизации на свойства молока для  производства йогурта:

• общая площадь поверхности жировых шариков увеличивается, их размер уменьшается и происходит изменение состава оболочек;

• часть вновь образованной поверхности жировых шариков из-за дефицита на-тивных оболочечных компонентов покрывается поверхностно-активными веществами, в основном адсорбированными белками;
• турбулентный характер гомогенизации способствует большей адсорбции казеиновых мицелл по сравнению с сывороточными белками; казеин покрывает около 25 % площади поверхности жирового шарика, в то время как сывороточные белки — лишь 5 %;
• в рекомбинированном молоке, при получении которого молочный жир эмульгируется в обезжиренном молоке, оболочки жировых шариков состоят только из сывороточных белков;
• жировые шарики после гомогенизации ведут себя подобно крупным казеиновым мицеллам (поскольку их оболочки состоят в основном из казеинов), увеличивая эффективную концентрацию казеина, и могут участвовать в некоторых процессах, характерных для казеина, например, в кислотном свертывании;
• увеличение количества мелких жировых шариков повышает способность молока отражать свет, поэтому ферментированное молоко кажется белее;
• уменьшается риск синерезиса (выделение свободной сыворотки на поверхности сгустка), а плотность конечного продукта увеличивается, улучшая вкусовые ощущения.

      В некоторых случаях гомогенизация  молока для йогурта производится после тепловой обработки молочной основы. При этом необходимо помнить об опасности повторного загрязнения продукта и, во избежание

этого, следует ужесточить гигиенические требования и, по возможности, использовать асептический гомогенизатор.

 Основные  причины улучшения консистенции йогурта, полученного из гомогенизированного молока, могут быть следующими:

• изменение влагоудерживающей способности белков молока, снижающее интенсивность синерезиса;
• увеличение содержания в плазме молока компонентов оболочек жировых шариков (белков и фосфолипидов), что также повышает влагоудерживающую способность сгустка;
• снижение продолжительности сквашивания молока, особенно при увеличении давления гомогенизации (0-15 МПа) ;
• плотность сгустка при производстве био-йогурта существенно зависит от содержания СОМО (18 г/100 г), применения двухступенчатой гомогенизации (давление 1 и 2 ступеней 14,6 и 3,5 МПа соответственно), в меньшей степени — от содержания жира (4,5 г/100 г) и не зависит от продолжительности выдержки молока при тепловой обрботке (90 °С);
• улучшение физических свойств йогурта может быть достигнуто обогащением молока с помощью УФ, нагреванием его до 100-120 °С в течение 4 или 16 с и применением двухступенчатой гомогенизации при температуре 55 "С и давлении 14,2 и 3,5 МПа соответственно после нагрева молока;
• гомогенизация молока для йогурта при 0; 10,3 и 34,5 МПа влияла только на синерезис и водоудерживающую способность;
• замена молочного жира растительным маслом или заменителями жира влияет на реологические и органолептические характеристики, а также на микроструктуру йогурта.