Условия дестабилизации коллоидного состояния золя и формирование геля при различных способах коагуляции

Дестабилизация коллоидного состояния золя, в котором находится белковая фаза в свежем молоке, положена в основу производства различных групп молочных продуктов и осуществляется путем воздействия на факторы ее устойчивости. В практических условиях осуществляют переход системы из коллоидного состояния золя в коллоидное состояние геля при кислотной, сычужной или кислотно-сычужной коагуляциях белков. Способы кислотной коагуляции используют в производстве кисломолочных диетических напитков, сметаны, творога (кислотным способом), казеина (кислотным способом).

Сычужную коагуляцию казеина проводят в производстве сычужных сыров и казеина сычужного. Кислотно-сычужная коагуляция положена в основу производства кислотно-сычужных сыров и творога кислотно-сычужным способом.

При всех названных способах коагуляции происходит переход молока как коллоидной системы из золя в гель.

Гели – это коллоидные системы с особыми свойствами, в которых коллоидные частицы теряют подвижность и формируют структуры, пронизанные капиллярными промежутками, заполненными дисперсионной средой. Заполнение всего пространства с образованием геля происходит в результате ориентировки казеиновых частиц в трехмерный, напоминающий соты каркас геля с полостями, заполненными молочной сывороткой. Образование геля происходит под действием накапливающейся вследствие молочнокислого брожения молочной кислоты, либо под действием сычужного фермента, или при совместном воздействии молочной кислоты и сычужного фермента. Гели образуются только при нахождении системы в покое. Характерным свойством гелей является синерезис – самопроизвольное снижение водоудерживающей способности. При синерезисе быстрее выделяется вода, заполняющая пустоты, затем капиллярная вода, а гидратная, связанная с казеином, остается. Повышение температуры способствует отдаче гидратной воды.

Процессы гелеобразования (коагуляции) в производстве молочных продуктов, структурно-механические и синеретические свойства белковых сгустков зависят от ряда факторов, с помощью которых регулируют процессы гелеобразования. К ним относятся: состав и свойства молока, состав бактериальных заквасок, их активность и доза; активность и доза сычужного фермента (или его заменителя); режимы пастеризации и гомогенизации молока; способ и продолжительность коагуляции белков.

Изучение закономерностей формирования сгустков в производстве молочных продуктов достаточно сложный и до конца не изученный процесс и является постоянным объектом исследований как отечественных, так и зарубежных ученых. Однако, с помощью кинетико-реологических методов достоверно установлено, что гелеобразование при кислотной коагуляции молока аналогично структурообразованию при сычужном или кислотно-сычужном свертывании и протекает в четыре стадии (фазы).

Первая стадия – индукционный период; вторая – стадия флокуляции (фаза интенсивной коагуляции); третья – стадия метастабильного равновесия (фаза уплотнения сгустка); четвертая – синерезис.

Механизм кислотной коагуляции казеина. Кислотная коагуляция происходит под воздействием кислотообразования в молоке (как результат молочнокислого брожения) или при непосредственном добавлении минеральной или органических кислот.

Процесс основан на осаждении казеина в изоэлектрической точке (рН 4,6-4,7), когда силы электростатического отталкивания между частицами белка ослабевают и начинают преобладать силы межмолекулярного взаимодействия.

Повышение концентрации ионов водорода в молоке сдвигает равновесие между диссоциированными карбоксильными и фосфатными группами на поверхности мицелл казеина и ионами водорода в сторону недиссоциированных карбоксильных и фосфатных групп.

СОО^- + Н⁺ → СООН

РО₃^2- + 2Н⁺ → РО₃Н₂

При этом происходит снижение отрицательного заряда белковых частиц. Кроме отрицательно заряженных групп на поверхности белковых частиц находятся положительно заряженные аминогруппы (-NH₃⁺). При определенной концентрации ионов водорода (рН 4,6-4,7), происходит выравнивание отрицательных и положительных зарядов, то есть наступает изоэлектрическое состояние, в котором происходят конформационные изменения макромолекул белка, они теряют растворимость и соединяются между собой, формируя сетчатую трехмерную структуру сгустка или выпадают в виде хлопьев (при непосредственном внесении кислоты).

Под действием молочной кислоты нарушается структура казеинаткальцийфосфатного комплекса: от него отщепляются фосфат и органический кальций в виде лактата кальция и переходит в плазму.

СаНРО₄ + 2С₃Н₆О₃ → (С₃Н₅О₃)₂Са + Н₃РО₄

Цитрат кальция тоже переходит в более растворимый лактат кальция

Са₃(С₆Н₅О₇)₂ + 6С₃Н₆О₃ → 3(С₃Н₅О₃)₂Са + 2С₆Н₈О₇

Структурно-механические свойства кислотного сгустка и процесс синерезиса зависят от режимов предварительной тепловой обработки молока и механической (гомогенизации). С повышением температуры пастеризации увеличивается прочность сгустка и снижается интенсивность отделения сыворотки (степень синерезиса). Это объясняется увеличением содержания в сгустках денатурированных сывороточных белков, которые, взаимодействуя с κ-казеином, увеличивают заряд мицелл казеина, а следовательно его гидрофильные свойства.

Гомогенизация сырья способствует повышению вязкости сгустков и снижению степени и скорости отделения ими сыворотки за счет увеличения дисперсности жира с одновременной адсорбцией на поверхности шариков плазменных белков, удерживающих сыворотку (гидрофильность) и затрудняющих синерезис сгустка, а также за счет повышения степени дисперсности частиц белковой фазы и, как следствие, увеличения их общей поверхности и усиления гидратации.

Механизм сычужной коагуляции казеина. Процесс коагуляции казеина под действием сычужного фермента (или его заменителя) носит необратимый характер и объясняется с позиции гидролитической теории. Механизм его заключается в следующем. Под действием внесенного сычужного фермента происходит гидролиз полипептидных цепей κ-казеина ККФК (разрыв пептидных связей). Гидролиз цепей κ-казеина происходит по чувствительной к сычужному ферменту пептидной связи между фенилаланином (остаток 105) и метионином (остаток 106). Схематично процесс представлен на рисунке 10.2.

Сычужный фермент

105 106

Фен Мет

1 169

Пиро Глу Вал-СООН

Пара- κ-Казеин Гликомакропептид

κ-Казеин

Рис.10.2. Схема ферментативного гидролиза κ-казеина

В результате ограниченного специфического протеолиза молекулы κ-казеина распадаются на гидрофобный пара- κ-казеин и гидрофильные гликомакропептиды. Поскольку гликомакропептиды κ-казеина несут большую часть отрицательного заряда на поверхности мицелл казеина, то при их отщеплении происходит потеря отрицательного заряда мицеллой и частичные разрушения гидратной оболочки. При таких условиях уменьшаются силы электростатического отталкивания между частицами и дисперсная система теряет устойчивость, следствием чего является появление первых хлопьев белка. Эта стадия характеризуется как индукционная. Потеря κ-казеином функций защитного коллоида по отношению к кальцийнеустойчивым α_S- и β-казеинам на этой стадии создает предпосылки для интенсивной коагуляции при участии в структурообразовании пара-казеина ионов кальция (вторая стадия). В этот период формируется пространственная сетка сгустка. Ответить на вопрос, за счет каких взаимодействий происходит процесс агрегации мицелл параказеина во время гелеобразования пока трудно. Это могут быть не только силы межмолекулярного притяжения, но и гидрофобные взаимодействия неполярных групп пара- κ-казеина, электростатические связи между положительно заряженными участками пара- κ-казеина и отрицательно заряженными участками α_S- и β-казеинов, кальциевые мостики между серинфосфатными группами этих фракций.

10.2.3. Совместное осаждение казеина и сывороточных белков при термокальциевом и термокислотном способах коагуляции

Рассмотрев условия дестабилизации коллоидного состояния казеина – состояние золя – и переход его в состояние геля при различных способах коагуляции, имеет смысл вспомнить о других физико-химических свойствах белков: влияние концентрации солей в системе на их растворимость и отношение к нагреванию (см. подраздел 5.4 «Физико-химические свойства белков»).

На изменении этих свойств основаны практические способы совместного осаждения казеина и сывороточных белков: термокальциевая и термокислотная коагуляция.

Термокальциевую коагуляцию используют в производстве копреципитатов или молочного белка из обезжиренного молока и в производстве отдельных видов творога.

Термокислотная коагуляция положена в основу производства копреципитатов и группы сыров, получивших название «Сыры с термокислотной коагуляцией».

Термокальциевая коагуляция белков – коагуляция под действием сильного электролита – хлористого кальция – впервые была разработана и объяснена теоретически П.Ф.Дьяченко. Электролиты в водном растворе распадаются на сильно гидратированные ионы. Эти ионы конкурируют с коллоидами вследствие повышенной плотности своего заряда и отнимают гидратную воду у белков. На поверхности мицелл казеина происходит замещение ионов водорода в кислотных группах казеина (СООН) на ионы кальция. При этом, вследствие перехода ионов водорода в среду, активная кислотность повышается с рН 6,6 до рН 5,0. Присоединение ионов кальция к казеину приводит к значительному снижению его термоустойчивости и казеин при температуре 95-97^оС коагулирует. Одновременно с ним коагулируют и денатурированные сывороточные белки, то есть достигается комплексная коагуляция казеина и сывороточных белков (95-97 % всех белков, а при кислотной – 90-95 %, сычужной – 86%). Для белков, осажденных этим способом характерна высокая степень минерализации.

Термокислотный способ коагуляции осуществляется путем добавления соляной кислоты, молочной (кислая сыворотка) или других органических кислот в нагретое до 95-97^оС молоко. Механизм действия кислоты тот же что и при кислотной коагуляции. Нагревание молока до высокой температуры обеспечивает денатурацию сывороточных белков, их взаимодействие с казеином и совместную коагуляцию при увеличении концентрации ионов водорода в среде. Степень минерализации белков, осажденных термокислотным способом, значительно ниже, чем при термокальциевом. Это связано с образованием более растворимых солей кальция (лактатов) и переходом их в сыворотку при термокислотной коагуляции.