Изменение состава и свойств в процессе формирования сгущенного молока с сахаром
06.09.2018
Сущность, степень и глубина физико-химических преобразований в процессе производства сгущенных молочных консервов о добавками наиболее полно и во взаимосвязи могут быть раскрыты по изменению казеинаткальцийфосфатного комплекса, казеина, сывороточных белков, лактозы, жира, рН, цвета, структурно-механических свойств в процессе обработки молока в целях консервирования. Изучение изменений аминокислотного состава казеина и сывороточных белков в процессе производства сгущенного молока с сахаром с использованием аминокислотного анализатора НД-1200-Е показало, что при пастеризации содержание аминокислот в казеине уменьшается на 5,4 %, в том числе незаменимых на 9 %. Из отдельных аминокислот наиболее заметно уменьшилось содержание циклических - гистидина и пролина, а из незаменимых - валина и лизина. Не изменилось или незначительно уменьшилось содержание треонина, аланина, серина, лейцина, изолейцина.
Наибольшим оказалось влияние пастеризации на аминокислоты сывороточных белков, количество которых уменьшилось на 16,3 %. В отличие от казеина особенно заметно уменьшилось содержание моноаминомонокарбоновых кислот: глицина на 50,6 %, аланина на 46,9 %, лейцина на 25,1 %, треонина на 19,2 %. Из циклических аминокислот после пастеризации тирозина стало меньше на 39,4 %; из моноаминодикарбоновых содержание аспарагиновой кислоты снизилось на 35,6 %, а глутаминовой - всего лишь на 0,9 %.
Сгущение молочной смеси до 34 % сухих веществ выпариванием (при температуре 55-65 °С в течение 180 мин) сопровождалось уменьшением содержания всех, в том числе и незаменимых, аминокислот казеина на 24,9 % по сравнению с сырым молоком и на 19,5 % по сравнению с пастеризованной молочной смесью.
При выпаривании существенным было воздействие на моноаминокарбоновые кислоты, количество которых уменьшилось на 20-25 %, в том числе содержание треонина снизилось на 23,9 %. Незначительно уменьшилось количество циклических аминокислот.
В процессе сгущения содержание аминокислот сывороточных белков уменьшилось на 15,2 % по сравнению с сырым молоком и на 1,1 % по сравнению с пастеризованной молочной смесью. При сгущении наблюдалось увеличение содержания глицина (на 40,2 %), аланина (на 37,5 %), лейцина (на 15,8 %), лизина (на 4,1 %), треонина (на 2 %). Из циклических продолжалось уменьшение гистидина и особенно заметно пролина (на 17,9 %), содержание же тирозина увеличилось на 20,2%, а фенилаланина - на 5,2%. Аспарагиновой кислоты стало больше на 41,6 %.
При последующем сгущении молока вместе с сахарным сиропом изменения в аминокислотном составе казеина оказались незначительными. По сравнению со сгущенной молочной смесью осталось неизменным содержание аминокислот, пролина, глицина и аланина, незначительно снизилось содержание лизина, аргинина, серина, валина, метионина, изолейцина, тирозина, фенилаланина и уменьшилось на 6-10 % содержание цистина и гистидина. Уменьшение гистидина, как и при пастеризации, оказалось наибольшим.
Концентрирование молока вместе с сахарным сиропом до получения готового продукта в отличие от изменения аминокислот казеина сопровождалось увеличением содержания всех аминокислот сывороточных белков, за исключением гистидина, серина, глутаминовой кислоты, цистина. Особенно заметно было увеличение содержания аспарагиновой кислоты, тирозина и глицина и уменьшение гистидина и цистина.
Таким образом, по ходу технологического процесса аминокислоты казеина наибольшие изменения претерпевают при раздельном сгущении молочной смеси. Пастеризация и особенно смешивание молока с сахаром и совместное сгущение общей смеси не оказывают существенного влияния на аминокислотный состав казеина. Аминокислоты сывороточных белков в наибольшей степени изменяются при пастеризации молочной смеси. В процессе сгущения молочной смеси изменения незначительны, а при смешивании сгущенной молочной смеси с сахаром содержание их несколько возрастает в результате фракционных изменений белков и комплексообразования.
Интересно отметить, что добавление сахара в виде сахарного сиропа в раздельно предварительно сгущенную молочную смесь не вызывает существенных изменений аминокислотного состава казеина и сывороточных белков при дальнейшей обработке, вплоть до получения готового продукта. В сгущенном молоке с сахаром, выработанном по общепринятой технологии, общее содержание аминокислот меньше, чем в исходном молоке, на 16,6 %, незаменимых - на 17 %.
Изучение состава сывороточных белков и изменения его в производстве сгущенного молока с сахаром (в результате нагревания и концентрирования) методом количественного диск-электрофореза в полиакриламидном геле позволило разделить их на 8 фракций.
Количество белков отдельных фракций определяли по относительной массе площадей под пиками на электрофореграммах.
В процессе производства молочных консервов с сахаром и добавками, начиная с исходного молока и включая сгущение, лактоза, концентрация которой максимально возрастает до 32 %, при температурах выпаривания остается в растворенном состоянии и существенно не влияет на свойства сгущенного продукта. Только длительное тепловое воздействие на молоко при высоких температурах выпаривания создает благоприятные условия для реакции образования меланоидинов и, как следствие, потемнения сгущаемого продукта. Измерение окраски продукта, не соответствующего требованию стандарта («белый с кремовым оттенком, равномерный во всей массе»), позволило установить, что величина показателя отражения для такого продукта должна быть не менее 26 %.
По ходу процесса были отмечены заметные изменения окраски обрабатываемого сырья. Пастеризация при 92 °С сопровождается повышением величины отражения до 69 % по сравнению с показателем для сырого молока, равным 66,5 %. Очевидно, большая отражательная способность молока обусловлена, с одной стороны, частичной тепловой денатурацией сывороточных белков с образованием глобул, а с другой, увеличением размера казеиновых частиц, что согласуется с результатами исследования Р. Б. Давидова. При смешивании сгущенной молочной смеси с сахарным сиропом и дальнейшем совместном досгущении их продолжается уменьшение показателя отражения, но с меньшей интенсивностью (на 10 % по сравнению с отражением сгущенной молочной смеси).
Исследования позволяют сделать вывод, что отражение, равное 46-50 %, определяемое по условиям эксперимента, является характерным для свежего сгущенного молока с сахаром, выработанного выпариванием в однокорпусном циркуляционном вакуум-выпарном аппарате (без гомогенизации молочной смеси).
При сгущении молока в производстве молочных консервов концентрация макромолекул белкового комплекса приближается или достигает критического значения, составляющего 15 г∙100-1 мл при 20 °С, следовательно, в нем создаются условия для возникновения дисперсной пространственной структуры.
Наличие структуры придает дисперсным системам своеобразные механические свойства (упругость, пластичность, вязкость). По характеру связей между молекулами, мицеллами и макромолекулами структуры разделяются на коагуляционные, кристаллизационные (конденсационные) и смешанные коагуляционно-кристаллизационные. При современном состоянии научных основ реологии появилась возможность сгущенные молочные консервы как дисперсные системы, обладающие текучестью, отнести к соответствующему виду жидкости и выбрать показатели для оценки их структурно-механических свойств.
Вопросы структурно-механических свойств сгущенных молочных консервов как в отечественной, так и зарубежной литературе освещены еще недостаточно. Однако дальнейшее совершенствование техники и технологии производства сгущенного молока с сахаром, создание новых конструкций вакуум-выпарных аппаратов и аппаратов для охлаждения продуктов, разработки автоматического контроля и регулирования технологическими процессами, объективных методов оценки консистенции и структуры продукта невозможны без изучения структурно-механических свойств продуктов и влияния на них различных факторов.
Как известно, структурообразование происходит лишь по достижении определенной концентрации фазовых частиц, обеспечивающей возникновение контактов между ними, необходимых для поддержания прочной объемной структуры. Кинетика структурообразования заключается в образовании пространственного каркаса, в результате чего появляется предельное напряжение сдвига.
Исходя из существующих представлений об оценке структурно-механических свойств неньютоновских жидкостей наиболее правильным для них будет определение предельного напряжения сдвига как показателя прочности образовавшейся структуры. В исследованиях структурно-механические свойства в ходе процесса производства сгущенного молока с сахаром изучены по изменению динамической вязкости, предельного напряжения сдвига и продолжительности разрушения структуры, т. е. по таким показателям, для которых наиболее заметны отклонения по абсолютным параметрам.
Динамическая вязкость и структурно-механические показатели определялись с помощью реовискометра Гепплера при 20 °С, действующие сдвигающие усилия в абсолютных единицах и скорость сдвига - по методике И. Н. Влодавца и Т. Ф. Никулиной, предельное напряжение сдвига - по реологической кривой. Для выявления тиксотропных свойств исследуемых образцов наряду с начальной вязкостью находили вязкость разрушенной структуры и вязкость после восстановления ее в течение 15 мин. По этим показателям определяли потерю вязкости и восстановление структуры.
Структура молока цельного сгущенного с сахаром разрушалась путем ряда последовательных пропусканий шарика через кювету с исследуемой пробой до достижения равновесной вязкости при одном и том же сдвигающем усилии - 10 г•см-2.
Сырое молоко не является истинно-вязкой жидкостью, оно обладает структурной вязкостью, которая обусловлена присутствием белковых компонентов и жира. При пастеризации белки молока, в первую очередь сывороточные, подвергаются денатурации. Происходит нарушение внутренней организации их молекул, связанное с ослаблением сил взаимного действия между белковыми цепями аминокислотных остатков. Это приводит к внутримолекулярному развертыванию глобул, увеличению их объема и асимметрии; происходит частичная замена кальция белков на натрий. Белковые молекулы становятся более гидрофильными - увеличивается вязкость молока. Образуется более прочная структура, что подтверждается показателями предельного напряжения сдвига.
Зависимость вязкости (в Па•с) от концентрации дисперсной фазы системы описывается уравнением Эйнштейна.
Согласно этому уравнению между вязкостью и концентрацией дисперсной фазы существует прямолинейная зависимость. Для молока цельного сгущенного с сахаром эта зависимость непрямолинейна. При увеличении концентрации дисперсной фазы в 3 раза вязкость продукта увеличивается в тысячи раз. Аномалия вязкости объясняется только ориентационным эффектом.
Уравнение Эйнштейна справедливо для частиц, которые не взаимодействуют друг с другом. При выпаривании в связи с увеличением концентрации белка происходит сближение белковых агрегатов и усиление их взаимодействия, приводящие к образованию структурированной системы, характеризующейся повышенной вязкостью. Несомненно, что это явление усиливается предшествующей тепловой обработкой молока, в результате которой определенные участки поверхности белковых частиц приобретают повышенную активность в образовании связей с другими денатурированными белковыми частицами. Устойчивость белковой молекулы определяется наличием гидратационной оболочки. Любые воздействия, разрушающие эту оболочку, уменьшают устойчивость белков.
При получении сгущенного молока с сахаром в процессе тепловой обработки и при сгущении происходит изменение активной кислотности в сторону изоэлектрической точки белка, а именно: от 6,6 ед. для сырого молока до 6,06 ед. для свежего молока цельного сгущенного с сахаром. Гидратная оболочка белковой молекулы при этом уменьшается, взаимодействие между белковыми частицами усиливается и при определенной концентрации казеина становится причиной резкого, скачкообразного увеличения вязкости. Отмечена тесная отрицательная корреляция между рН и вязкостью (r = -0,84).
Исследования показали, что молоко цельное сгущенное с сахаром обладает тиксотропными свойствами. Восстановление структуры после прекращения действия нагрузки отмечено уже через 15 мин спокойного состояния. Через сутки структура молока цельного сгущенного с сахаром восстанавливалась полностью. Сравнительно медленное восстановление структуры обусловлено большой вязкостью продукта. Чем меньше вязкость дисперсионной среды и больше в ней содержание дисперсной фазы, тем быстрее проходит тиксотропное восстановление структуры.
По разрушению структуры, тиксотропии сгущенное молоко с сахаром находится в промежуточном ряду структур между коагуляционной и кристаллизационной. При максимальном выделении жидкой дисперсной среды (воды) возможен переход структуры сгущенного молока с сахаром в кристаллизационную (сгущенное молоко с сахаром блочное).
В сгущенном молоке с сахаром отмечено наличие поперечной вязкости, заключающейся в том, что при вращении стержня, опущенного в сгущенное молоко с сахаром, продукт под влиянием центростремительного нагнетающего действия поднимается по нему (эффект Вейссенберга).
Поперечные напряжения обусловлены ориентацией вытянутых молекул, растворенных или взвешенных в жидкости. Это явление наблюдается обычно по мере понижения температуры сгущенного молока с сахаром и объясняется разматыванием сферических молекул денатурированного белка.
Исследования показали, что просто, удобно, доступно и дешево изменение структурно-механических свойств в процессе производства сгущенного молока с сахаром изучать по показателю текучести (ОСТ 18-237-75). При проведении опытов на одном из молочно-консервных комбинатов выяснена устойчивая корреляция между показателями текучести сгущенной молочной смеси после подачи в вакуум-выпарной аппарат сахарного сиропа и общей продолжительности сгущения. Так, увеличение текучести пробы до 4 мл соответствует увеличению длительности процесса сгущения в среднем на 20-30 мин. В целом за процесс выработки сгущенного молока с сахаром показатель текучести уменьшается от 105,2 ±0,81 мл в сыром молоке до 0,41 ±0,03 мл в готовом продукте.
Согласно литературным данным молочный жир в процессе получения сгущенного молока с сахаром существенных изменений не претерпевает.