Введение
Существует много факторов и показателей знание которых необходимо в процессе переработки и производства молока и молочных продуктов. При всей важности каждого из них можно с уверенностью сказать, что главной характеристикой пригодности молока к дальнейшей высокотемпературной тепловой обработке является показатель термоустойчивости (термостойкость термостабильность, теплостабильность), далее ТС. К нашему сожалению мы не нашли полного и подробного обзора посвящённого проблеме ТС. Поэтому в данной публикации мы постараемся собрать в единое целое и вынести на суд читателя все найденные нами данные исследований и их трактовку. Надеемся что такой обзор будет полезен работником молокооперабатывающей промышленности и сотрудником производственных лабораторий занимающихся контролем молока-сырья и молочной продукции. Задача осмысления этого показателя и упорядочивание связанных с ним литературных и экспериментальных данных для нас стала актуальной при разработке прибора для анализа термоустойчивости. Подробнее о наших разработках можно будет прочитать здесь, после подготовки рекламных материалов. В настоящее время в части литературных данных на русском языке имеется целый ряд мнений по вопросу от чего зависит ТС и какие факторы определяют процессы её изменения. Все указанные ниже данные являются открытыми, неоднократно цитируемыми и копированными, поэтому мы посчитали возможном их использовать без соответствующих согласований. Но в любом случае мы приносим свои извинения реальным авторам за вольную компоновку и сокращение текста.
Мнение 1 (от производителей стабилизаторов ТС)
Актуальность. ТС молока это прежде всего стабильность белка, которая зависит от состояния белково-жировой фазы, которая изменяется при хранении под действием различных факторов. В условиях производства важно не только заранее представить результат переработки молока, поступающего на переработку, с точки зрения качества конечной продукции, но и оценивать вероятность образования отложений на греющих поверхностях теплообменных аппаратов, определяющим продолжительность и стабильность их работы. Известно, что интенсивность образования отложений на поверхности теплообменных аппаратов тем ниже, чем выше термостойкость сырья. Не следует считать, что анализ на термостойкость важен только при изготовлении молока с высокой температурой обработки, например, стерилизованного молока или УВТ — молока. Потеря белком коллоидной стабильности не менее вредна при изготовлении других продуктов, например, кефира, ряженки или творога. Проведение высокотемпературной пастеризации сопровождается теми же процессами изменения коллоидной стабильности белка. Для получения кисломолочных продуктов высокого качества с однородной структурой сгустка, отсутствие агломератов, глянцевой поверхностью и отсутствием синерезиса при хранении необходимо использовать термостойкое молочное сырье. То есть необходимо выполнять контроль и использовать приемы повышения — а точнее, сохранения — исходного уровня термостойкости молока, потому что, как правило, низкая термостойкость молока — результат несоблюдения режимов и условий его хранения.
Механизм. Как и другие виды коагуляции, тепловая коагуляция делится на две стадии: скрытая и доступная. В ходе скрытой фазы происходит снижение активности казеина (который отвечает за стабилизацию мицеллы), кальцинирование и уменьшения гидратации белка. В ходе второй фазы происходит повышение вязкости молока как результат гидрофобных взаимодействий.
Мнение 2 (ВГМХА имени Н.В. Верещагина)
Актуальность. Для выработки молочных продуктов с заданными свойствами особое внимание следует уделять характеристикам сырья. В условиях повышенных требованиях потребителей к качеству продукта необходима строгая сортировка молока по термоустойчивости. Актуальность определения термоустойчивости молока-сырья и восстановленного молока не вызывает сомнений, так как является показателем их пригодности к интенсивной тепловой обработке и получению конечных продуктов с заданными свойствами. Стойкость белков при нагревании — одна из важных и не решенных до конца проблем, имеющих значение для производства молочных продуктов, технологический процесс которых включает интенсивную тепловую обработку. В различных регионах России доля молока, пригодного к интенсивной тепловой обработке, остается невысокой и составляет лишь 60 — 75%, а в отдельные сезоны года (весной) еще более низкой. Поэтому перерабатывающие предприятия испытывают в нем острый недостаток. Наличие нетермоустойчивого молока исключает получение молочного продукта, а при использовании сырья с низким показателем этого свойства приводит к снижению качества продукта, а также к нежелательным изменениям в работе и производительности молочного оборудования.
Механизм. Термоустойчивость молока определяется способностью казеина оставаться в коллоидной суспензии, а сывороточных белков — в растворе при воздействии высоких температур. То есть термоустойчивость — это технологическое свойство молока выдерживать воздействие высоких температур без коагуляции белков. Термоустойчивость свежевыдоенного молока зависит от целого ряда биологических факторов, влияющих на синтез компонентов молока в организме животного. Она изменяется также в процессе хранения и обработки молока на фермах и заводах. Механизм процессов тепловой коагуляции белков молока до сих пор полностью не раскрыт, можно только говорить об основных факторах, влияющие на термоустойчивость молока (РH, состав белковой фракции, породы коров итд).
Мнение 3 (продавцы секретных добавок)
Актуальность. Производство молочных продуктов высокого качества напрямую связано с термоустойчивостью молока-сырья. В регионах России термоустойчивость молока разная, что обусловлено неодинаковыми природно-климатическими условиями и содержанием разных пород скота. Различия в химическом составе и термоустойчивости молока, связанные с сезонами года и лактационным периодом, отражаются на степени изменения его исходных свойств в условиях термической обработки. Чем выше термоустойчивость молока, тем меньше изменяется его белковый и минеральный состав в процессе высокотемпературного нагрева.
Механизм. Термоустойчивость молока определяется способностью казеина оставаться в коллоидной суспензии, а сывороточных белков — в растворе при воздействии высоких температур. В процессе тепловой обработки молока изменяется его солевой состав. Эти изменения часто имеют необратимый характер. В первую очередь нарушается соотношение форм солей кальция в плазме молока. В процессе нагревания гидрофосфат кальция, находящийся в виде истинного раствора переходит в плохо растворимый фосфат кальция. Образовавшийся фосфат кальция агрегирует в виде коллоида, осаждается на казеиновых мицеллах. Часть его выпадает на поверхности нагревательных аппаратов, образуя с денатурированными сывороточными белками, так называемый молочный камень. Таким образом, солевое равновесие влияет не только на стабильность казеина к высокотемпературной обработке, но так же на качество тепловой обработки и бесперебойную работу оборудования. Кроме этого, высокие режимы тепловой обработки существенно влияют на содержание в молоке растворимых солей кальция (снижение от 11 до 50%), что приводит к ухудшению сычужного свертывания при производстве творога и сыра. Именно по этой причине перед заквашиванием/свертыванием, вносят раствор хлористого кальция.
Мнение 4 (МСХА им. К.А. Тимирязева)
Актуальность. В целом компиляция из вышесказанного.
Механизм. По мнению ряда исследователей, главным фактором, влияющим на термоустойчивость свежего молока, является солевой состав. Казеин-кальций-фосфатный комплекс устойчив к действию высоких температур только при определенном содержании ионов кальция, растворимых фосфатов и цитратов,
Мнение 5 (неизвестный интернет-автор)
Актуальность. То же
Механизм. Способность белковой системы молока выдерживать высокие температуры является уникальным свойством и позволяет осуществлять такие операции, как пастеризация, УБТ (ультравысокотемпературная) — обработка и стерилизация. Свойство столь высокой термоустойчивости молока определяет казеин, имеющий специфическую структуру и относящийся к числу немногих известных науке термостабильных пищевых белков. Свертывание молока при нагревании в основном зависит от устойчивости казеинат-кальций-фосфатного комплекса. Основными факторами, обеспечивающими стойкость казеинат-кальций-фосфатного комплекса молока, являются степень гидратации и величина поверхностного заряда казеиновой мицеллы. Чем выше кислотность молока, тем ниже температура нагревания, при которой оно свертывается. Термоустойчивость свежевыдоенного молока зависит от ряда факторов, влияющих на синтез компонентов молока в организме животного (сезон года, период лактации, порода, кормление, индивидуальные особенности и др.). Она изменяется также в процессе хранения и обработки молока на фермах и заводах. Какой-либо зависимости показателя тепловой стойкости молока от времени доения коров не установлено. Солевой состав молока, как и другие его компоненты, на протяжении года подвержены изменениям. Количество растворимого кальция в молоке с марта к июлю снижается. В этот период происходит повышение солей лимонной кислоты (цитратов), что сопровождается повышением термоустойчивости молока. В целом термоустойчивость летнего молока выше ве¬сеннего на 9 мин и выше осеннего на 15 мин. В период пастбищного содержания коров молоко отличается высокой термоустойчивостью и наиболее пригодно к высокотемпературной обработке. Во время лактационного периода состав и свойства молока претерпевают значительные изменения, в связи с чем изменяется и термостабильность молока. Наиболее резкие отклонения в молоке, которые снижают его термоустойчивость, бывают в первые дни после отела (молозивный период) и перед запуском коров. Добавление (попадание) 5% молозива снижает термоустойчивость молока на 13−19%, а добавление 30% молозива снижает термоустойчивость молока почти в 2 раза. Стародойное молоко примерно за 10−12 суток до запуска коров уже менее термостойкое, чем нормальное, и по мере приближения к запуску термоустойчивость молока снижается. Важнейшим фактором, определяющим состав и свойства молока, а также пригодность его для переработки на молочные продукты, является количество, качество и соотношение отдельных кормов в рационе животного. Общий уровень кормления коров, содержание в кормовых рационах белка, углеводов, жира, минеральных веществ и витаминов оказывают влияние не только на величину удоев, но и изменяют состав и свойства молока, а, следовательно, и качество и термоустойчивость молочных продуктов. Минеральные вещества оказывают влияние на обмен веществ в организме, удой и состав молока. Животные получают минеральные вещества главным образом с растительной пищей и в меньшей степени — питьевой водой. Кислотно-щелочное равновесие организма коровы, и как следствие кислотность и термоустойчивость молока, определяется поступлением в организм как кислых (фосфор, хлор, сера), так и щелочных элементов (кальций, магний, натрий, калий). Велика роль натрия и калия в поддержании осмотического равновесия и как компонентов буферных систем. Молоко с повышенной кислотностью или нарушенным солевым и белковым составом может иметь низкую термоустойчивость и свернуться при незначительном нагревании.
Мнение 6 (суровые ученые)
Актуальность. То же
Механизм. Нашими исследованиями установлено, что термоустойчивость коровьего молока исследуемых пород скота достаточно высокая и характеризуется показателем, 54,5 мин., что вполне удовлетворяет технологические требования для тепловой обработки сырья. При этом наиболее оптимальной термоустойчивостью обладало молоко коров голштинской, айрширской пород и татарстанского типа, а молоко холмогорских и бестужевских коров оказалось менее желательным для такой обработки. Наиболее важным фактором, определяющим термоустойчивость молока, является концентрация в нем белка. Между этими признаками существует устойчивая отрицательная зависимость,
Мнение ООО НПП «БИОМЕР»
Лирическое отступление про способы определения ТС
Обычно под термином тепловая стабильность молока рассматривается процесс тепловой обработки молока, при котором не происходит видимой коагуляции и расслоения объекта. Наиболее правильный и широко используемый метод определения термостабильносnи заключается в закупоривании молока в стеклянных пробирках и помещение пробирок в масляную (глицериновую) баню с контролируемой температурой. Для молока это обычно 140Со для концентрированного молока 120Со. Закрепленные на дне платформе пробирки нагревают и встряхиваются с определенной скоростью до тех пор пока не будет наблюдаться видимая коагуляция. Время тепловой коагуляции (ВТК) определятся как время, которое прошло от начала помещения пробирок в масло до начала видимой коагуляции. Данная методика рекомендуется для исследовательских и арбитражных промышленных испытаний, но к сожалению не стандартизирована и не может использоваться аккредитованными лабораториями. На сегодня в РФ не существует прибора для прямого измерения ТС. Хотя попытки его разработки имели место быть. Так ВНИМИ была предложена методика измерения ТС с помощью отечественного прибора «Термол-1». Почему данный прибор не нашел применения, и так и остался в виде прототипа, неизвестно. Другие методы определения ТС включают в себя этанольный тест (алкогольная проба стандартизирована в виде ГОСТа), отбеливающий тест, тест с осаждением белков, а также тест с определением вязкости или удельной электропроводности. Однако корреляция всех указанных тестов с ВТК в целом является недостаточной, и данные о ТС определенные по данным методикам плохо коррелируют с ТС при коммерческой стерилизации. С производственной точки зрения данные о прямом определении ВТК являются более правильными для предсказания поведения молока при его обработке.
Актуальность. Вопрос термоустойчивости возник более века назад в связи с началом производства концентрированного молока. Первые патенты на эту тему были сделаны в США и Великобритании. После 1960 г эта проблема была рассмотрена и в разрезе неконцентрированного молока, были изучены зависимости коагуляции молока от PH и структуры белковой фракции.
Механизм. Во-первых по нашему мнению следует разграничить причины и следствия. Так изменение кислотности молока действительно может влиять на ТС, но по нашему мнению в большинстве случаев это следствие, а не причина. Причины могут быть напрямую не связаны с кислотностью, например, редко обсуждаемое и мало изученное разграничение молока по типу, А и В. 
График 1. Таким образом по факту повышение кислотности не всегда ведет в уменьшению ТС, хотя в конечном итоге при определённом уровне PH нормальное молоко все равно свернется. Мы просто хотели указать, что не существует однозначных зависимостей, конечный результат всегда определяет совокупность многих факторов, в подтверждение сказанному, при наших исследованиях встречались образцы молока с весьма высокой кислотностью (выше 6,4 PH, см. рисунок), которые были вполне термоустойчивы и при весьма высоких (выше 130Со) температурах.
Во-вторых, следует различать некие условные типы тепловой коагуляции. На наш взгляд условно можно выделить два типа — один характеризуется образованием белково-жирового сгустка после выдержки при определённой температуре в зависимости от исходной термоустойчивости, другой расслоением и по сути визуализацией сворачивания (скажем так) уже априори свернувшегося молока, то есть изначально находящегося в нестабильной многофазной системе. Это на наш взгляд абсолютно два разных процесса. Поэтому вести разговор про ТС молока для низких температурах тепловой коагуляции (менее 90Со) представляется не совсем корректным поскольку такие процессы будут скорее относится к анормальному объекту исследования.
В-третьих, не следует смешивать и сопоставлять полную тепловую коагуляцию молока, с образованием сгустка или выпадением белкового осадка, и потерю белками своей нативной структуры. Изменение структуры белков (как обратимое так и необратимое) имеет место уже при нагреве до 60−70 градусов, а при высоких температурах стерилизации любые белки (даже термолабильные) будут менять свою первоначальную пространственную структуру, местоположение и взаимодействие с остальными компонентами молока. Но при таких процессах даже полная денатурация белка не всегда приводит к его осаждению, по которому определяется ТС.
В-четвертых по нашему мнению при анализе данных прямых измерений никогда не следует брать в расчет любые данные полученные в других условиях на других пусть даже очень близких объектах и тем более с использованием методик косвенного измерения, что зачастую было сделано многими авторами. Никаких обобщений образцов по типам обработки или по составу сделано быть не может, поскольку все крайне индивидуально, и любой неучтённый и неконтролируемый фактор может привести к ложно положительным или ложноотрицательным выводам. Так рассуждать о влиянии на ТС периода лактации животного бессмысленно, если при этом никак не учитываются сезонные изменения в содержании и рационе. Только прямой метод и только конкретный образец.
В-пятых по нашим данным изменение термоустойчивости зачастую носит «взрывной характер», что в принципе коррелирует с экспоненциальным изменениями ряда показателей молока (например кислотности) по времени. По факту может оказаться так, что два эксперимента разнесенные по незначительному отрезку времени могут дать кардинально отличные результаты. Следствием этого является необходимость крайне осторожных и скрупулёзных подходов при сравнении и сопоставлении полученных данных и тем более выводов которые делаются на их основе.
Итого
Как видим мы честно привели мнения всех «заинтересованных» сторон. Конечно в чем-то они имеют общие подходы и посылы, в чем-то противоречивы. Мы не хотели бы выделять из них какой-либо конкретный либо пытаться их компилировать. Нашей основной целью было показать, что единого мнения не существует. И на сегодня мы не можем уверенно сказать какой из указанных выше «механизмов» является наиболее правдоподобным и полученные нами данные также не подтверждают ни один из них. В целом по совокупности данных мы склоняемся к существованию некого комплексного влияния конкретных факторов на ТС в целом. Более того любая обработка молока (как температурная так и механическая, а также использование аддитивов) может привнести к первоначальным факторам дополнительные, не существовавшие ранее. В зависимости от конкретного образца при прямом измерении теромустойчивости., влияние отдельного фактора может быть либо совсем не выраженным, либо критичным.
Способы повышения (изменения) ТС
В заключении приведем некое эссе в части способов повышения темоустойчивости
Способ 1 (от производители стабилизаторов ТС). Традиционно для повышения термостойкости молока используются соли — стабилизаторы. Обычно это предусматривается внесение в исходное молока фосфатно-цитратной смеси солей натрия и калия, которые берут в соотношении близком к соотношению этих солей в натуральном молоке. Роль солей сводится к трем основным действиям: — сдвига активной кислотности до PН 6,70 — 6,75; - замещению ионов кальция на натрий или калий, что приводит к снижению скорости агломерации и последующих гидрофобных взаимодействий; - повышению буферной емкости молока и снижению скорости изменения PН при нагревании. Другой распространенный прием — предварительный нагрев / пастеризация. Предполагается, что предварительный нагрев приводит к взаимодействию белок — кальций по карбоксильным группам и в агломерации белков. Гидрофобные взаимодействия при этом отсутствуют. Снижение уровня свободных карбоксильных групп смещает зону максимальной ТС к значению рН 6.70 — 6,75. как и при действии солей. Но это смещение обусловлено реакциями карбоксильных групп и кальция. При этом белок выступает как кальций — связывающий агент. Дальнейший высокотемпературный нагрев проходит с меньшим риском видимой коагуляции, поскольку снижение рН при дальнейшем нагреве не достигает критических значений (6.3 — 6,4). По существу повышенная термостойкость сухого молока объясняется теми же причинами, что и влияние на ТС предварительного нагрева. Еще один способ повышения Термостойкости молока — применение молочных белковых концентратов (МБК), которые обладают высокой ТС. Известно, что применение МБК способствует повышению ТС концентрированных молочных продуктов. Предполагается. Что повышение ТС при введении МСК обусловлено значительным изменением буферности молока. А также снижением суммарной доли «углеводной» части сырья, которая может негативно влиять на термостойкость молока. Практическое использование получили также комбинированные способы корректировки ТС молока — например совмещенное действие солей, МБК и предварительного нагрева.
Способ 2, профилактический (от ВГМХА).
— поддержанием плотности молока в пределах 27 — 32 °А;
— повышением содержания белка в молоке — не менее чем до 3,0%;
— улучшением санитарно-гигиенических условий получения молока;
— профилактикой маститов; - селекционными методами;
— увеличением в рационе коров содержания провитамина А.
Способ 3, секретный (от продавца добавок). В настоящее время, для повышения термоустойчивости молока, используют различные варианты солей-стабилизаторов и смесей на их основе. Как правило, эффект от их применения оставляет желать лучшего (изменение уровня рН продукта, низкая активность, повышенная дозировка, появление в процессе хранения посторонних химических привкусов и запаха, горький вкус), что связано с неправильно подобранным составом и низкой степенью очистки используемых компонентов. Нами разработана уникальная система «МАк» (тм), которая решает вопросы качества молока-сырья. Благодаря высокой эффективности и безопасности «МАк» пользуется повышенным спросом у молокоперерабатывающих предприятий.
Мнение ООО НПП «БИОМЕР».
Наше мнение сводится к тому, что любые действия направленные на изменения ТС образца должны быть осмысленны. Если например мы с этой целью изменяем PH, то теоретически делать это нужно установив тип (А, В) молока (см. выше), поскольку для них зависимость ТС от кислотности различна. Опять же самый простой по нашему мнению способ «повысить» ТС — это снизить температуру нагрева (в кавычках потому что ТС при этом не меняется), но для этого опять же следует иметь данные об исходных свойствах молока-сырья, то есть можно ли при снижении температуры получить продукт с требуемыми свойствами и показателями безопасности. Понятно, что все это потребует проведения дополнительных исследований объекта, что с одной стороны увеличивает затраты времени и средств в конкретной технологической цепочке, а с другой может привести к спорным результатам, особенно в случае если используемая методика дает только косвенные данные об исследуемых характеристиках образца. Но по нашему мнению это все-таки правильнее, чем общепринятая практика перманентного использования регулирующих ТС аддитивов вне зависимости от действительной их необходимости. Именно в этом случае быстрое и точно прямое измерение термоустойчивости образца непосредственно перед проведением процесса теромомбработки может оказаться незаменимым. Более того в современных процессах обработки молока такие измерения были бы крайне полезны на протяжении всей технологической цепочки производства продукции (см. График 2), поскольку как уже упоминалось выше любые воздействия на молоко-сырье возникающие при этом, могут значительно изменить его теромусточивость.
График 2. Стадии процесса показанные на графике. 1- Нагрев до температуры подачи на дезодоратор и гомогенизатор; 2- Подача на дезодоратор и гомогенизатор; 3- Нагрев до температуры предварительной пастеризации; 4- Выдержка при температуре предварительной пастеризации; 5- Нагрев до температуры стерилизации; 6- Выдержка при температуре стерилизации; 7- Охлаждение в секции регенерации;
Спасибо тем, кто дочитал статью до конца, мы будем благодарны, за любые предложения и замечания по делу, которые мы постараемся учесть в работе нового прибора для прямого определения термоустойчивости.
Комментарии