Химический состав молока
Соединения субмицелл в устойчивые мицеллы происходит с помощью коллоидного фосфата кальция, и возможно за счет цитрата кальция и гидрофобных взаимодействий. Схематично это представлено:
Точный состав коллоидного фосфата кальция и механизм его взаимодействия с казеином до конца не изучен, но выяснено, что удаление его из молока вызывает нарушение структуру мицеллы, что сопровождается увеличением в молоке свободных — -казеинов, которые чувствительны к ионам кальция.
Пористая структура мицелл позволяет проникать внутрь их Н2О, ферментам. Мицеллерный казеин, сильно гидратирован — содержит 2-3,7 г и более воды на 1 г белка, и поэтому вода не только окружает мицеллу казеина в виде гидратной оболочки, но и заполняет большую часть ее объема, т. е. иммобилизуется мицеллой.
В свежем молоке мицеллы казеина устойчивы, не коагулируют при механической обработке (очистке, сепарировании, гомогенизации), и нагревании молока до высоких температур. Снижение их устойчивости и коагуляции наблюдается лишь при понижении РН молока, повышении концентрации ионов кальция, внесении сычужного фермента. А устойчивость и коагуляция коллоидных растворов зависит от соотношения молекулярных сил, притяжения и электростатических сил отталкивает между коллоидными частицами. В свежем молоке последние силы превалируют над силами молекул притяжения, и коллоидная система находится в устойчивом состоянии. И для того, чтобы вызвать соединение и коагуляцию мицелл казеина, необходимо снизить отрицательный заряд, т. е. перевести мицеллы в изоэлектрическое состояние, или близкое к нему, и разрушить гидратные оболочки.
В практике коагуляцию казеина осуществляют снижая РН молока и добавляя кислоты (кислотная коагуляция), внося хлорид кальция (термокальциевая коагуляция), сычужный фермент (сычужная коагуляция). Коагуляция — это хлопьеобразование, оно происходит в результате дестабилизации коллоидных частиц в изоэлектрической точке, когда снижается количество поверхностных зарядов и снижается потенциал отталкивания, и гидратная оболочка ослабевает.
Кислотная коагуляция — образуется при осаждении белков молока молочной кислотой или другими органическими и неорганическими кислотами. Кислота снижает отрицательный заряд казеиновых мицелл, т. к. Н-ионы подавляют диссоциацию карбоксильных групп казеина, и гидроксильных групп. Н3РО4 и при этом группы СОО — переходят в СООН, а РО3-2 в РО3Н2, в результате достигается равенство положительных и отрицательных зарядов при РН 4.6-4.7. При кислотной коагуляции помимо снижения отрицательных зарядов казеина нарушает структуру ККФК, от него отщипляются фосфаты кальция и структурообразующий кальций, и их переход в раствор дополнительно стабилизирует казеиновые мицеллы.
[ККФК] + С3О6О3 ® казеино + Са3(РО4)2 + (С3Н5О3)2Са.
Структурообразующий кальций:
R - СН2 - О
казеин
Состав коллоидного фосфата кальция, присутствующий в частицах казеина и характер его связи до сих пор неизвестны. Это могут быть гидрофосфат или фосфат кальция, их смесь, а также кальций фосфатцитратный комплекс и др. Фосфор коллоидного фосфата кальция в отличие от фосфора органического, входящего в состав казеина, называют неорганическим. Фосфат кальция, по-видимому, может взаимодействовать с серинофосфатными группами казеина соединяя его молекулы между собой наподобие кальциевых мостиков:
Добавление кислоты снижает РН, тем самым разрушается коллоидная система — такое явление может носить желательное, также нежелательное явление: при производстве кислотного творога и технического казеина, нежелательное явление — самопроизвольное скисание сырого и питьевого молока.
Сычужная коагуляция — носит необратимый характер и включает две стадии: ферментативную и коагуляционную. На первой стадии под действием основного компонента сычужного фермента —химозина — происходит разрыв пептидной связи фенилаланин (105) и метионин (106) в полипептидных цепях -казеина КФК. В результате протеолиза, молекулы -казеина распадаются на гидрофобный пара -казеин и гидрофильный гликомакропептид. Схематично это выглядит так:
Гликомакролептиды имеют высокий отрицательный заряд и обладают сильными гидрофильными свойствами. При их отщеплении частично разрушается гидратная оболочка, силы электростатического отталкивания между частицами уменьшаются и дисперсная система теряет устойчивость.
На второй стадии дестабилизированные мицеллы казеина (параказеина), собираются в агрегаты и образуется сгусток, т. е. происходит гелеобразование. Сычужная свертываемость — желательное явление, свертывание молока протеидами микробного происхождения — нежелательное явление.
Кальциевая коагуляция связана со снижением отрицательного заряда казеина под влиянием положительно заряженных ионов двухвалентного кальция (вводят СаСl2). Ее применяют в промышленности для осаждения молочных белков из обезжиренного молока. Коагуляцию хлоридом кальция обычно проводят при высокой температуре (до 85оС), поэтому она носит название термокальциевая коагуляция.
Повышенная температура вызывает денатурацию сывороточных белков, которые коагулируют вместе с казеином. Белковый продукт, полученный на основе комплексного осаждения казеина и сывороточных белков, называется молочным белком, или копреципитатом. Его используют для обогащения некоторых пищевых продуктов. Степень использования белков при кальциевой коагуляции при температуре 90-85оС — 96-97%; при сычужной коагуляции — 85,6% (не осаждается казеин и лишь небольшая часть денатурированных сывороточных белков).
2. Фаза эмульсии
1). Состав и структура оболочки шариков жира.
2). Факторы устойчивости жировой эмульсии молока.
Молоко представляет собой эмульсию жировых шариков в молочной плазме. Плазма — молочная жидкость, свободная от жира, в ней присутствуют все остальные части молока в неизменном виде. Эмульсия представляет собой тонкодисперсную систему из двух нерастворяющихся одна в другой жидкостей, причем одна из жидкостей в тончайшем распределении, находится в другой. Свежевыдоеное молоко — двухфазная эмульсия. При длительном охлаждении часть жира в жировых шариках выкристаллизовывается и образуется трех- и многофазная эмульсия.
Вследствие различной величины жировых шариков в молоке оно образует полидисперсную эмульсию. Средний диаметр жировых шариков равен 2 — 2,5 мкм с колебаниями от 0,1 до 10 мкм и более. Размер их и количество в молоке непостоянны и зависят от всех зоотехнических факторов. Размеры жировых шариков имеют и практическое значение при переходе жира в продукт при производстве сливок, масла, сыра, творога.
Физическая стабильность шариков жира в молоке и молочных продуктах, зависит в основном от состава и свойств их оболочек. Оболочка жирового шарика состоит из двух слоев различного состава — внутреннего тонкого, который плотно прилегает к кристаллическому слою высокоплавких триглицеридов жировой глобулы и внешнего рыхлого (диффузного), который легко десорбирует при технологической обработке молока. Схематично это можно представить так:
Основной компонент внутреннего слоя — лецитин, в незначительном количестве содержатся кефалин, сфингомиелин. Фосфолипиды, вследствие полярного строения молекул является хорошими эмульгаторами. молекула которых состоит из двух частей — липофильной — она обладает химическим сродством с жиром и гидрофильной — которая присоединяет гидратную воду.
Белковые компоненты оболочки по растворимости в воде (разбавленных солевых растворах) делятся на две фракции: одна плохо растворима в воде, содержит 14% азота, содержит меньше лезина, валина, лейцина, глютаминовой и аспарагиновой кислот, больше аргинина по сравнению с молоком. Она включает значительное количество гликопротеидов, содержащих гексозы, гексозамины и сиаловую кислоту. В другую водорастворимую белковую фракцию входят гликопротеид с высоким содержанием углеводов и разнообразные ферменты: ксантиноксидазу, фосфатазу, холинэстеразу, глюкоза-6 фосфотазу и др. Большая их часть идентична ферментам клеточных мембран. В оболочке шариков жира обнаружены, кроме белков и липидов, обнаружены минеральные вещества: Cu, Fe, Mo, n, Ca, Mg, Se, Na, K. С оболочкой связано от 5 до 25% нативной меди молока и 28-29% нативного Fe (содерание Cu в 1 г оболочки составляет 5-25 мкг, Fe — 70-150 мкг.). Fe и Mo являются компонентами ксантиноксидазы, Cu входит в состав специфиического (богатого CU) белка оболочки, а остальные минеральные элементы в виде катионов плазмы молока связываются с отрицательно заряженными группами белков оболочек шариков жира.
Таким образом, внешний слой оболочки жирового шарика состоит из фосфолепидов, оболочечного белка и гидратной воды.
Состав и структура оболочек шариков жира после охлаждения, хранения и обработки молока отличаются от состава и структуры нативных оболочек. Так, в процессе охлаждения и хранения сырого молока на внутренней мембране адсорбируются иммуноглобулины, и липаза, которую называют мембранной, в отличие от плазменной); а при механической и тепловой обработке еще казеин и денатурированный b-лактоглобулин. Коренным образом изменяется состав оболочки в процессе гомогенизации молока и сливок.
2. Факторы устойчивости жировой эмульсии молока — она достаточно устойчива. Все выше перечисленные воздействия незначительно изменяют состав, физико-химические свойства оболочек жировых шариков, не нарушая при этом стабильности жировой эмульсии.
При технологической обработке молока в первую очередь изменяется внешний слой оболочки, имея неровную, шероховатую, рыхлую поверхность и довольно большую толщину после перемешивания, встряхивания и хранения. Оболочки шариков жира становятся более гладкими и тонкими. Это объясняется десорбцией липопротеидных мицелл из оболочек в плазму. Одновременно с десорбцией мицелл происходит сорбция белков и др. компонентов плазмы молока на поверхности мембраны шариков жира. Вот эти два явления десорбции — сорбции вызывают изменение состава и поверхностных свойств оболочек, что приводит к снижению прочности и частичному разрыву.
В процессе тепловой обработки молока уже происходит частичная денатурация мембранных белков, что способствует дальнейшему снижению стабильности оболочек шариков жира. Они могут быть разрушены довольно быстро и в результате специального механического воздействия: например, при производстве масла, при действии концентрированных кислот и щелочей, амилового спирта.
Стабильность жировой эмульсии в первую очередь объясняется возникновением на поверхности капелек жира электрического заряда за счет содержания на поверхности оболочки жирового шарика полярных групп — фосфолипидов, СООН, NH2, СООН — группы маловой кислоты белковых и углеводных компонентов. Значит на поверхности создается суммарный отрицательный заряд (изоэлектрического тока — рН 4,5). К отрицательно заряженным группам присоединяется катион кальция, магния и др. В результате образуется второй электрический слой, силы отталкивания которого превышают силы притяжения. И поэтому не происходит расслоения эмульсии, кроме того дополнительно стабилизирует жировую эмульсию гидратная оболочка, которая образуется вокруг полярных групп мембранных компонентов.
Вторым фактором устойчивости жировой эмульсии является создание на границе раздела фаз структурно-механического барьера за счет того, что оболочки жировых шариков обладают повышенной вязкостью, механической прочностью и упругостью, которые препятствуют слиянию шариков. Этот фактор наиболее сильный фактор стабилизации концентрированных эмульсий, например, высокожирные сливки. Следовательно, для обеспечения устойчивости жировой эмульсии молока и сливок в процессе выработки молочных продуктов необходимо стремиться сохранить неповрежденными оболочки шариков жира и не снижать степень их гидратации. Для этой цели надо сократить до минимума механические воздействия на дисперсную фазу молока при транспортивке, хранении и обработке, избегать его вспенивания, правильно проводить тепловую обработку, т. к. длительная выдержка при высоких температурах может вызвать значительную денатурацию структурных белков оболочки и нарушение ее целостности. А также для стабилизации жировой эмульсии необходимо широко применять дополнительное диспергирование жира путем гомогенизации.
При выработке одних молочных продуктов перед инженером-технологом стоит задача предотвратить агрегирование и коалесценцию шариков жира, то при получении масла наоборот стоит задача разрушить (деэмульгировать) стабильную жировую эмульсию и выделить из нее дисперсную фазу.
Коалесценция — это когда слои дисперсионной среды или адсорбционные слои и частицы сливаются в новые более крупные образования, причем это приводит к заметному разделению фаз.
Агрегация диспергированных частиц с образованием более крупных частиц, которые под действием силы тяжести выпадают в осадок, приводит к флокуляции или коагуляции.
Схема строения двойного электрического слоя вокруг коллоидной частицы
1 — коллоидная частица.
2 — двойной электрический слой.
3 — его адсорбционная часть.
4 — диффузная часть.
3. Меры предупреждения жиров от порчи.
Характеристика природных и синтетических антиокислителей. Механизм их воздействия
Предохранение жиров от порчи имеет важное биологическое и экономическое значение. В первую очередь необходимо по возможности исключить соприкосновение жира с О2 воздухе, светом, теплом. Сохранение жиров в герметической таре значительно удлиняет индукционный период. например, рекомендуется пищевые жиры сохранять в вакууме, в атмосфере инертного газа при минусовой температуре. В жирах не должно быть примесей, катализирующих металлов и бактерий. Для предупреждения окислительного разрушения жиров к ним добавляют антиокислители. Этот процесс называется стабилизацией жиров. Сущность действия окислителей заключается в том, что они более активно вступают в реакцию со свободными радикалами и тем самым обрывают цепную реакцию, приводящую к порче жиров. По характеру участия в ингибировании цепной реакции различают два типа антиокислителей: одни препятствуют образованию свободных радикалов, другие способствуют разрушению уже образовавшихся гидроперекисей. Существует также группа веществ, которые не обладая прямым антиокислительным действием, усиливают действия антиокислителей, т. е. являются их синергистами.
К антиокислителям и их синергистам предъявляют следующие требования:
1) не должны обладать вредными для организма человека свойствами;
2) не должны изменять органолептических качеств жира;
3) должны предохранять жир от окисления в течение длительного времени.
Следует иметь в виду, что простое добавление антиоксидантов в жиры не всегда предупреждает их от окисления. Антиоксиданты эффективны только тогда, когда их применяют с соблюдением следующих требований:
1) жиры, подвергаемые стабилизации, должны быть свежими, без признаков прогоркания;
2) не следует смешивать жиры, имеющих признаки прогоркания, со свежими жирами, в состав которых они входят, поскольку это приводит к ускорению окисления.
Повышенное содержание воды, температуры, свободный доступ кислорода, света снижают эффективность антиоксидантов.
Природные антиокислители — фосфолипиды, топоферолы, каратиноиды.
Синтетические — бутилокситолуол — белый или бледно желтый кристаллический порошок без запаха, не растворим в воде, но хорошо растворяется в жирах и растворителях жиров.
Бутилоксианизол — воскообразные кристаллы кремневого или розового цвета с феноловым запахом. Растворим в жирах, этаноле, эфире, бензоле. Устойчив к действию температур, поэтому его можно вносить в продукты, подвергающиеся тепловой обработке. Эти два антиокислителя по составу и свойствам близки между собой, и поэтому совместное их применение усиливает стабилизирующее действие. Стабилизаторы — лейцин, аргинин, цистеин увеличивают сохраняемость молочного жира. В литературе имеются сообщения об антиокислительном эффекте элеутерокка кислого. К синергистам относятся: фосфорная, фосфолипиды аминокислоты, аскорбиновая, лимонная кислоты.
Работы,