1.3.4.1 Физико-химические изменения молока в процессе тепловой обработки

Молоко, предназначенное для консервирования, должно выдерживать тепловую обработку, необходимую для уничтожения микроорганизмов и инактивации ферментов, с максимальным сохранением исходных свойств. При этом наиболее полно должны быть сохранены нативные свойства ККФК, который обладает достаточной устойчивостью к воздействию тепла благодаря гидратации, электрозаряженно-сти частиц и присутствие κ-казеина, являющегося природным поверхностно-активным веществом. Агрегация и седиментация частиц комплекса в свежем сыром молоке затруднена. При тепловой обработке некоторые изменения внутренней структуры комплекса отмечаются уже при температуре 72 °С и особенно заметно проявляются при 83 °С, однако при этом ККФК не учитывает способности сохраняться в состоянии коллоидной суспензии.

Казеин, как составная часть ККФК, обладает высокой тепловой стойкостью, что обусловлено высоким содержанием серосодержащих аминокислот. Частицы казеина не изменяются не по форме, ни по размерам при умеренном нагревании молока, включая и кратковременное кипячение. Длительная выдержка при высокой температуре влияет только на соотношение между фракциями казеина. Тепловая обработка воздействует на соли, находящиеся в молоке в растворенном и коллоидном состояниях. Их изменение начинается уже при температуре 60 °С и в наибольшей степени проявляется при 120- 130 °С. В процессе нагревания уменьшается содержание ионизированного трикальцийфосфата. Равновесие ионизированного кальция нарушается, что особенно с заметно при τ_ф > τ_Д (Ра > 1).

Тепловая обработка неизбежно сопровождается денатурацией сывороточных белков. Возможно, что это результат химического изменения в молекуле белка с утратой растворимости в обычных растворителях, или не гидролитическом превращений структуры натив-ного белка с последующим изменением исходных химических, физических и биологических свойств, или разрушение вторичной и третичной структуры глобулярных белков, как модификация вторичной, третичной или четвертичной структуры белковой молекулы.

Устойчивость сывороточных белков к тепловому воздействию зависит от температуры. При нагревании до 45-60 °С сывороточные белки практически остаются в исходном состоянии. Из сывороточных белков наиболее термолабильны иммуноглобулины и сывороточный альбумин, ß-лактоглобулин и α-лактальбумин относятся к более термостабильным белкам. Так, денатурация ß-лактоглобулина завершается при нагревании молока до 85 °С с выдержкой при этой температуре в течение 30 мин, α-лактальбумин при 96 °С. После выдерживания молока при 96-100 °С около 0,1 % сывороточных белков остаётся неденатурированным, в том числе протеозопептонная фракция.

Наряду с температурой на изменение сывороточных белков при нагревании оказывает влияние и техника пастеризации или УВТ-обработки. При прямом нагревании происходит денатурация 82 % ß-лактоглобулина, 53 % α-лактальбумина, при косвенном – соответственно 66 % ß-лактоглобулина и 40 % α-лактальбумина от общего содержания их в молоке.

Денатурация сывороточных белков проявляется в развертывании полипептидной цепи, и с тем большой полнотой, чем меньше в молекуле белка дисульфидных связей. При этом изменяются вязкость, оптические свойства, показатели седиментации, диффузии.

В результате структурных изменений, вызванных денатурацией, в молекулах белка освобождаются функциональные группы -SH-. Вследствие освобождения сульфигидрильных групп и выделение из них сероводорода молоко приобретает вкус кипяченного молока или привкус пастеризации. В результате взаимодействия -SH групп и других реакционноспособных групп наступает агрегация денатурированных белков, т.е. степень их дисперсности уменьшается.

Практический интерес представляют тепловая агрегация ß-лакто-глобулина и α-лактоальбумина. В первую очередь агрегирует денатурированный ß-лактоглобулин начиная с 70 °С. Агрегированный частицы ß-лактоглобулина имеют небольшую величину, сильно гидратированы, поэтому не коагулируют. При высоких температурах тепловой обработки денатурированный ß-лактоглобулин помимо агрегации комплектуется с α-актоальбумином и κ-казеином мицелл казеина. В результате комлексообразования увеличивается средний размер частиц казеина и их молекулярная масса, (таблица 1.6)

Таблица 1.6 – Влияние температуры тепловой обработки на белки молока

Температура тепловой обработки, оС	Средний размер частиц казеина, м·10-10	Молекулярная масса частиц казеина, млн. ед	Массовая доля сывороточных белков, %
0	734,57	164,10	0,706
75	756,10	178,60	0,490
95	784,76	200,57	0,390
115	812,20	224,29	0,358

Тепловое воздействие на молоко уменьшает относительное количество структур, обладающих выраженной тиксотропией. При механическом воздействии на пастеризованное молоко восстанавливаемость структуры ККФК уменьшается. Нарушенные связи в обезжиренном молоке восстанавливаются быстрее, чем в цельном. Белковые структуры восстанавливаются с большей скоростью, чем жировые.

В соответствии с образованием белковых комплексов изменяют­ся размеры их частиц и вязкость η. При УВТ-обработке (110-112 °С без выдержки) вязкость η молока увеличивается незначительно, тогда как при температуре пастеризации 80-90 °С она возрастает в 2,1 раза. Изучение ступенчатой тепловой обработки молока нагревание до 87 °С, охлаждение до 77 °С – показало, что её влияние на вязкость и денатурацию сывороточных белков особенно велико. Нагревание с длительной выдержки Ра > 1 приводит к увеличению вязкости молока. Тепловая денатурация сывороточных белков и взаимодействие казеина с солями кальция приводит к образованию конденсационной структуры.

При оптимальной завершенности процесса пастеризации или УВТ-обработки (Ра=1) лактоза способствует сохранению устойчиво­сти белкового комплекса молока. Она задерживает раскрытие пеп­тидных цепочек казеина, благодаря чему ограничивается связь его с кальцием и, как следствие, повышается тепловая стойкость молока. Увеличение продолжительности выдержки при температуре тепловой обработки против требуемой (Ра>1) сопровождается утратой способ­ности лактозы задерживать раскрытие и пептидных цепочек казеина. Лактоза при этом частично разлагается с образованием ограниченных кислот. При соблюдение условий τ_ф = τ_Д (Ра=1) нагревание молока до 100° С практически не влияет на молочный сахар. С увеличением продолжительности теплового воздействия τ_ф > τ_Д (Ра>1) обычная связь лактозы с белками разрывается и возникает новая, необратимая аминокарбонильная. В результате этого молоко приобретает специ­фический вкус, запах и цвет.

Тепловая обработка молока практически не оказывает существенного влияния на молочный жир. Состав и константы молочного жира при пастеризации сохраняются, дисперсность жировой фазы не нарушаются. Из-за увеличения заряда на поверхности жировых шариков скорость отстаивания жира в пастеризованном молоке снижается.

Нагревание молока непосредственно паром до температуры 140 °С с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3-4 с и быстрым охлаждением в вакуум-камере (пароконтактный нагрев) и через стенку до 85-90 °С показала, что независимо от способа тепловой обработки массовая доля витамина А изменялась незначительно, потери каротина составили 10-17 % и были тем больше, чем выше температура нагревания, несущественно снижалась масса витамина B₁. Стойким к нагреванию оказался и витамин В₂, лишь витамин С разрушился на 26-30 %. На витамины влияет не столько температура, сколько присутствие кислорода при нагревании.

При тепловой обработке снижается питательная ценность молока, что обосновывается денатурацией и выпадением осадка при нагревании молока до температуры 85, 100, 130 °С соответственно: им-муных глобулинов – 42, 37, 33 %; ß-лактоглобулина-59,37,17%; сывороточных альбуминов – 62, 48, 100 %. Наиболее стойкой оказалась фракция α-лактоальбумина. В связи с изменением количественного соотношения отдельных фракций сывороточных белков отмечено также изменение в них содержание аланина, лейцина, аргинина, глицина и увеличивается содержание фенилаланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот, что объясняется неодинаковой тепловой стойкостью фракций сывороточных белков.

При температуре оптимуме 20-37 °С для ферментов молока, включая и ферменты бактериального происхождения, принятые в производстве продуктов консервирования молока и молочного сырья режимы пастеризации и УВТ-обработки обеспечивает их полную инактивацию. Наибольшую устойчивость проявляет бактериальная липаза. При нагревании до 80-85 °С она разрушается на 78 % до 90- 95 °С на 80 % меньше, и лишь при температуре 104-106 °С полностью инактивируется.

Согласно теории пастеризации для любого режима фактическая выдержка молока при температуре нагревания по времени должна строго соответствовать требуемой Ра = 1. При несоблюдении этого условия неизбежны физико-химические изменения молока.

Выдержка в течение 10 мин, предусмотренная для пастеризации 95 °С создаёт условия для связывания ß-лактоглобулина и α-лакто-альбумина с казеином, в результате чего исключается возможность присоединения ионизированного кальция к казеину, повышается тепловая стойкость молока. Нерегулируемая по длительности выдержка молока при 87 °С приводит к уменьшению дисперсности частиц ККФК, обусловленному взаимодействием ß-лактоглобулина с κ-казеином. При увеличении выдержки молока до 30 мин при температуре пастеризации 87 °С фракционный состав сывороточных белков изменяется.

Пастеризация молока при 90-95 °С с нерегулируемой длительностью выдержки создаёт условия для диссоциации. Казеиновые глобулы развертываются, по свободным связям полипептидных цепочек –CO-NH- присоединяется ионизированный кальций, изменяется их заряд и понижается тепловая стойкость молока.

Если температура пастеризации 90-95 °С или УВТ-обработка при 105, 110, 120 °С длительная выдержка неизбежна из-за отсутствия синхронности таких приёмов, как пастеризация и выпаривание, то охлаждение молока сразу после нагревания до 70-75 °С значительно ослабляет нежелательные физико-химические изменения. В отдельных случаях рассмотренное выше влияние фактической выдержки молока при температуре пастеризации или УВТ-обработки на изменение свойств используется в целях регулирования вязкости продуктов, например, молока цельного сгущенного с сахаром. Так, летом рекомендуется тепловая обработка при температуре не ниже 105 °С, зимой – 95 °С. При таком режиме вязкость молока цельного сгущенного с сахаром, вырабатываемого в любой период года, колеблется в пределах от 3 до 5 Па·с.