Лекция № 4 Тема 1.3 Получение и обработка сгустка и сырного зерна

Лекция № 4

Тема 1.3 Получение и обработка сгустка и сырного зерна

Молокосвертывающие ферменты, их свойства, условия использования в сыроделии, приготовление растворов. Методика расчета массы сычужного фермента. Образование сгустка. Теория сычужной коагуляции.

Лит №11 стр. 191-196

1 Молокосвертывающие ферменты, их свойства, условия использования в сыроделии, приготовление растворов.

Для свертывания молока в сыроделии применяют молокосвертывающие ферменты животного проис­хождения: сычужный фермент и пепсин, а также ферментные препараты на их основе.

Сычужный фермент получают из желудков (сычугов) молочных телят, ягнят и козлят. Он представляет собой смесь ферментов хи­мозина (реннина) и пепсина. Количественное соотношение химо­зина и пепсина в сычужном ферменте зависит от возраста и инди­видуальных особенностей животного. В сычугах телят 1...2-месяч­ного возраста преобладает реннин (70 %), в дальнейшем соотно­шение ферментов меняется, и в желудках взрослых животных содержится преимущественно пепсин. Промышленный препарат сычужного фермента содержит 30...40 % пепсина. Используют его в виде порошка, состоящего из смеси сычужного фермента и хло­рида натрия в таких пропорциях, что молокосвертывающая актив­ность сычужного порошка составляет 100 000 усл. ед. Молокосвертывающую активность определяют по количеству частей молока, свертываемых одной частью порошка при температуре 35 °С в те­чение 40 мин.

Важные условия для действия сычужного фермента — кислот­ность и температура молока.

Кислотность молока. Оптимальная кислотность молока для действия сычужного фермента соответствует рН 6...6,3. При зна­чении рН выше 6,5 фермент теряет активность. При созревании молока кислотность его повышается. При этом рН приближает­ся к значению, оптимальному для действия сычужного фермен­та. Поэтому зрелое молоко свертывается быстрее, чем свежее (рН 6,68).

Температура молока. Зависимость между температурой молока и продолжительностью свертывания при добавлении одинако­вого количества сычужного фермента (по Флейшману) приве­дена ниже.

Температура, °С         20  25         30  40        41        42         50

Продолжительность        32,7         14,0  8,5  6,1        6,0        6,1        12,0
свертывания, мин

Прочность сгустка, ед.        1         2         3        5        —        —        —

Оптимальная температура действия сычужного фермента 40...41 °С. Однако в сыроделии эту температуру не применяют, по­тому что она выше оптимальной температуры развития лактококков (28...35 °С). Кроме того, при температуре 40...41 °С быстро об­разуется и уплотняется сгусток, прочность которого в пять раз больше, чем сгустка, полученного при 20 0С, вследствие чего зат­рудняется его механическая обработка.

В сыроделии обычно применяют температуру свертывания мо­лока 28...36 °С. Для твердых сычужных сыров температура сверты­вания 32...36 0С, для мягких температуру свертывания снижают до 28...30 °С с целью увеличения продолжительности свертывания и получения более мягкого сгустка.

Для одного и того же вида сыра свертывание проводят при бо­лее высоких температурах, если молоко имеет низкую кислот­ность, недостаточную зрелость и высокую жирность. И наоборот, температуру свертывания понижают при повышении кислотнос­ти, высокой степени зрелости и пониженной жирности молока. Кроме того, для сыров с большей массовой долей влаги целесооб­разно свертывать молоко при низких температурах, а для сыров с меньшей массовой долей влаги — при высоких.

Для молока с повышенной способностью к свертыванию сы­чужным ферментом температуру свертывания снижают в преде­лах, допустимых для данного вида сыра. И наоборот, использова­ние молока с пониженной свертывающей способностью связано с необходимостью повышения температуры, что, в свою очередь, позволяет регулировать структурно-механические свойства сгуст­ка. В первом случае происходит некоторое снижение, а во вто­ром — повышение прочностных свойств сгустка.

Для повышения активности растворы сычужного фермента лучше готовить не на воде, а на кислой сыворотке (45...60 °Т). Ее можно приготовить из пастеризованной при 85...90 °С и охлаж­денной до 35...40 °С сыворотки, заквашивая чистыми культурами молочнокислых бактерий. Раствор готовят за 3...4 ч до при­менения. Раствор сычужного порошка на воде готовят за 20...30 мин до внесения его в молоко. Готовый раствор не сле­дует хранить более 1 ч, так как активность фермента постепенно снижается.

Пепсин получают из желудков взрослых животных: крупного рогатого скота, овец, коз, свиней и птицы (цыплят и кур). Свер­тывающая способность препаратов пепсина такая же, как и сы­чужного порошка. Активность пепсина усиливается в более кис­лой среде. Рабочие растворы пепсина для свертывания молока го­товят на кислой (60...70 0Т) пастеризованной сыворотке.

Существенный недостаток свиного пепсина — падение его ак­тивности в процессе длительного хранения (более 2...3 мес), что вызывает перерасход пепсина, а также появление горечи в сырах. Говяжий пепсин более стоек в хранении.

В сыродельной промышленности применяют также фермент­ные препараты, представляющие собой смесь различных молокосвертывающих ферментов, — СГ-50, СГ-25, КС-50, КГ-50, КГ-30. Эти ферментные препараты, носят названия, отражающие их ви­довой и количественный состав, при этом буква «С» обозначает сычужный фермент, «Г» — говяжий пепсин и «К» — куриный. Цифры указывают массовую долю (%) фермента, обозначенного первой буквой.

Препарат СГ-50 представляет собой смесь сычужного фермента и говяжьего пепсина в соотношении 50:50, т. е. 1:1; СГ-25 — смесь сычужного фермента и говяжьего пепсина в соотношении 1:3; КС-50 — смесь куриного пепсина и сычужного фермента в соотношении 1:1; КГ-50 — смесь куриного и говяжьего пепсина в соотношении 1:1; КГ-30 — смесь куриного и говяжьего пепсина в соотношении 3:7. Кроме того, выпускается трехкомпонентный препарат «Алтазим».

Продолжительность свертывания молока сычужным ферментом. Устанавливают ее в зависимости от вида сыра в пределах от 25 до 80 мин. Для твердых сыров, вырабатываемых из молока низкой степени зрелости, продолжительность свертывания 25...35 мин, для сыров пониженной жирности 30...40 мин. Для мягких сыров, вырабатываемых из молока высокой степени зрелости, с целью активизации молочнокислого брожения продолжительность свер­тывания увеличивают до 60...90 мин.

2  Методика расчета массы сычужного фермента

Чтобы обеспечить установленную продолжительность сверты­вания, а также определить зрелость молока и его готовность к свертыванию сычужным ферментом, проводят сычужную пробу с помощью прибора ВНИИМСа, принцип действия которого осно­ван на законе сычужного свертывания, который для данной пробы молока и препарата сычужного фермента можно выразить следую­щим уравнением:

Х1 Т1 = К, или Х1 Т1 / m1, = К

где Х1 — масса сычужного фермента, вносимого в 1 кг молока, г; Т1  — продолжи­тельность свертывания, мин; К — величина, постоянная для данной пробы мо­лока и препарата сычужного фермента; m1 — масса молока, вносимого в прибор, кг (1 кг).

Прибор представляет собой емкость в форме усеченного конуса вместимостью 1 дм3 с калиброванным отверстием в дне и со шка­лой, нанесенной на внутренней стенке емкости. Деления шкалы показывают одновременно продолжительность свертывания мо­лока в приборе, выраженную в минутах, и массу фермента (г), ко­торую следует внести в 100 кг молока для свертывания его в задан­ное время.

Массу фермента, который нужно внести в прибор, рассчитыва­ют по уравнению

Х1 Т1 / m1 = Х2 Т2 / m2

где Т2 — заданная продолжительность свертывания 100 кг молока, мин; Х2 — масса фермента для свертывания 100 кг молока, г; т2 — масса молока, равная 100 кг.

Принимая продолжительность свертывания 100 кг молока рав­ной 25 мин и учитывая, что Т1 численно равно Х2, рассчитывают количество фермента, которое нужно внести в прибор:

Х1 = 25 · 1/100 = 0,25 г.

Следовательно, в прибор надо внести 0,25 г фермента. Вносят фермент в виде 2,5%-ного раствора в объеме 10 см3.

Прибор заполняют молоком, подготовленным к свертыванию, и устраивают его на борту аппарата выработки сырного зерна так, чтобы молоко стекало в аппарат. Когда уровень молока в приборе достигает нулевого деления, в него быстро вносят 10 см3 подготов­ленного раствора ферментного препарата, молоко тщательно пе­ремешивают в течение 4 ± 1 с шпателем и быстро останавливают его движение. После того как молоко в приборе свернется, оно перестает вытекать. Деление, которое соответствует уровню свер­нувшегося молока, показывает число граммов фермента, необхо­димое для свертывания 100 кг молока в течение 25 мин.

Нормальному сыропригодному молоку соответствует показа­ние 2,5 ед., менее сыропригодному — большее число единиц. Если прибор показывает более 3 делений, молоко считают малопригод­ным для переработки на сыр, а если молоко не свернется до 5-го деления, то из него нельзя вырабатывать сыр. Исходя из показаний прибора, пересчитывают количество фермента на все молоко, в аппарате выработки сырного зерна.

3  Образование сгустка

Молокосвертывающий препарат вносят в молоко в виде раствора, приготовленного за 25 + 5 мин до исполь­зования. Потребное количество ферментного препарата растворя­ют в пастеризованной при температуре 85 °С и охлажденной до 34 ± 2 °С воде из расчета 2,5 г на 150 ± 50 см3 воды.

Для равномерного распределения ферментного препарата по всему объему молоко после внесения препарата перемешивают в течение 6 ± 1 мин, а затем оставляют в покое до образования сгустка.

В первые 5...15 мин после внесения молокосвертывающего препарата изменений молока, видимых невооруженным глазом, не происходит. Затем вязкость молока быстро повышается, что свидетельствует об изменении состояния белка, белковые части­цы начинают укрупняться, образуя мелкие хлопья. Затем появ­ляется очень нежный сгусток, в дальнейшем происходит его уп­рочение.

В процессе свертывания молока происходит коагуляция казеи­на, образуется сгусток (гель); при этом сывороточные белки не коагулируют и переходят в сыворотку. Коагуляция казеина проис­ходит в две стадии: первая стадия (ферментативная) — превраще­ние казеина в параказеин — химический процесс; вторая стадия — коагуляция параказеина — коллоидно-химический процесс.

Теоретическая сущность процесса коагуляции. В настоящее время существует две теории сычужной коагуляции казеина: фосфоамидазная (проф. ­ко) и гидролитическая. По мнению , на первой стадии происходит разрыв одной из двух связей остатков фосфорной кислоты с казеином, а именно фосфоамидной связи. При этом в параказеине освобождаются щелочные гуани-диновые группы аргинина и гидроксильные группы фосфорной кислоты. На второй стадии гидроксильные группы фосфорной кислоты связывают ионы кальция и создают «кальциевые мостики» между мицеллами параказеина, обра­зуется сгусток.

Сторонники гидролитической теории считают, что на первой стадии под действием молокосвертывающего фермента происходит разрыв пептидной цепи ж-казеина. В результате от мицеллы казеина отщепляется растворимый пептид, содержащий в своем составе углеводы (гликомакропептид). Гликомакропептиды имеют высокий отрицательный заряд. При их отщеплении от ж-казеина уменьша­ется электрический заряд на поверхности мицелл казеина (параказеин), частично уменьшается гидратная оболочка, в результате снижается устойчивость мицелл. На второй стадии дестабилизированные мицеллы параказеина объединяются друг с другом под действием сил гидрофобного взаимодействия неполярных групп (пара-ж-казеина), а также благодаря электростатическим связям положительно заряженных участков пара-ж-казеина и отрицательно заряженных участков аS - и в-казеинов.

Существующие концепции не дают цельного представления о сычужной коагуляции, не связаны между собой и имеют существенные недостатки. Так, первая
концепция рассматривает механизм коагуляции с позиций первичной структуры
и совершенно не учитывает факторов стабильности мицеллы казеина, в частности
роль         ж-казеина как природного ПАВ, стабилизирующего мицеллу казеина. Вторая концепция не объясняет роли растворимых солей кальция на коагуляционной
стадии свертывания молока.

Рис.  Схема механизма сычужной коагуляции казеина:

а — гидролиз ж-казеина; б— структурные изменения в мицелле; в — образование сгустка

с сотрудниками предлагает свою концепцию коагуляции казеина и дает следующее объяснение механизма действия молокосвертывающего фермен­та. В поверхностном слое мицеллы содержится много ж-казеина. При этом та часть полипептидной цепи ж-казеина, которая носит название пара-ж-казеина и имеет глобулярную структуру, связана с as - и в-казеинами в мицелле, а гликомакропептид (ГМП), имеющий нитевидную и разветвленную за счет углеводов струк­туру, развернут в сторону водной фракции (рис.).

ГМП имеет высокий отрицательный заряд, обладает сильными гидрофиль­ными свойствами и в значительной степени усиливает гидратную оболочку ми­целл казеина.

На первой, ферментативной, стадии происходит вначале гидролиз полипеп­тидной цепи ж-казеина с образованием пара-ж-казеина и гликомакропептида. Пара-ж-казеин остается в составе мицеллы, а гликомакропептид отделяется от мицеллы и переходит в сыворотку. Отделение гликомакропептида приводит к нарушению гидратной оболочки мицеллы и возникновению структурных измене­ний мицеллы, вследствие чего нарушаются имеющие невысокую прочность элек­тростатические связи между фосфосериновыми и гуанидиновыми группами арги­нина в мицелле казеина с освобождением гидроксильных групп фосфорной кис­лоты и гуанидиновых групп аргинина (рис.). Этот вывод подтверждается ис­следованиями , который методом кондуктометрического титрования установил, что при действии химозина на казеин происходит сдвиг изоточки казеина с рН 4,6...4,7 до рН 5,0...5,2 вследствие освобождения щелочных гуанидиновых групп аргинина.

Однако коагуляции еще не происходит. От начала ферментативной стадии до стадии коагуляции проходит определенное время — лаг-период. Существование лаг-периода объясняет следующим образом. Контакту мицелл препят­ствует их одноименный электрический заряд, в значительной степени обуслов­ленный гликомакропептидами и создающий энергетический барьер, который не может быть преодолен при столкновении частиц в результате броуновского дви­жения. Поэтому стадия коагуляции не наступит до тех пор, пока гидролиз ж-казеина, сопровождающийся отщеплением гликомакропептидов, не достигнет та­кого уровня, при котором произойдет существенное снижение ж-потенциала и станет возможным непосредственный контакт между мицеллами параказеина. По данным различных исследователей, для начала коагуляции необходимо сни­жение ж-потенциала мицелл почти вдвое, при этом гидролиз ж-казеина достига­ет 86...90 %.

На второй стадии, (коагуляционной) гидроксильные группы фосфорной кис­лоты связывают ионы кальция и коллоидный фосфат кальция и создают «мости­ки» между мицеллами параказеина с образованием сгустка (рис. в). Не исклю­чено, что на стадии коагуляции между мицеллами действуют силы гидрофобного взаимодействия неполярных групп пара-ж-казеина и электростатические связи между положительно заряженными участками пара-ж-казеина и отрицательно за­ряженными участками as - и в-казеинов.

Установлено, что мицеллы казеина при формировании сгуст­ка образуют тонкие нити, затем хлопья и в дальнейшем трех­мерную сетчатую структуру. Сгусток напоминает губку с мель­чайшими порами, в которых удерживаются другие составные части молока.

Процесс сычужного свертывания, по данным и , можно условно разделить на четыре периода: первый (I) — индукционный период, включающий ферментатив­ную стадию и стадию скрытой коагуляции (лаг-период); второй (II) — стадия массовой коагуляции и структурообразования; тре­тий (III) — стадия образования сгустка; четвертый (IV) — стадия упрочения сгустка (рис. а).

Готовность сгустка опре­деляют следующим образом. Шпателем разрезают сгусток, затем плоской частью шпа­теля вдоль разреза припод­нимают сгусток и по расколу сулят о его свойствах. Если сгусток дает раскол с нерасплывающимися, острыми краями, без образования хлопьев белка и с хорошо выделяющейся сывороткой светло-зеленого цвета, то он готов к разрезке. Неровный излом с мелкими кусочками сгустка и мутная беловатая сыворотка указы­вают на недостаточную прочность сгустка.

Разработан сигнализатор СМГС-1 для автоматического опреде­ления готовности молочного сгустка к дальнейшей переработке. Прибор основан на измерении величины светового потока, прохо­дящего от осветителя через молочную среду на фотоприемник.

Величина светового потока зависит от плотности сгустка. После достижения заданной плотности сгустка загорается световой ин­дикатор и подается сигнал.

Слишком нежный и слишком прочный сгусток одинаково не­пригодны для дальнейшей обработки. В первом случае происхо­дит значительный отход белка и жира в сыворотку и, следователь­но, снижается выход продукта. Образование слишком прочного сгустка затрудняет постановку зерна, связано с необходимостью применения повышенных скоростей вращения режущего инстру­мента, что также приводит к получению неоднородного и излишне мелкого зерна и пыли.

Контрольные вопросы и задания

Изучите виды молокосвертывающих ферментов, используемых в сыроделии. Какими свойствами обладает сычужный фермент? Какими свойствами обладает пепсин? Дать понятие о ферментных препаратах. Как приготовить растворы молокосвертывающих ферментов, их концентрация? Обоснуйте выбор растворителя для молокосвертывающих ферментов. Изучите методику определения массы сычужного фермента с использованием прибора ВНИИМС. Какие факторы влияют на продолжительность свертывания молока и качество сгустка? Изучите теории сычужной коагуляции молока, дайте их сравнительный анализ. Как определить сгустка в сыроделии? Соберите информацию и подготовьте презентацию о составе, свойствах и пищевой ценности сыров. Соберите информацию о влиянии различных факторов на продолжительность свертывания молока и качество сгустка. Оформите в виде конспекта.