Структурно-механические свойства

Качество сычужного сгустка прежде всего характеризуется механи­ческими показателями: твердостью, упругостью, эластичностью, пла­стичностью, вязкостью. Твердость - это способность тела сопротивлять­ся сжатию; упругость - способность быстро возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки; жесткость - сопротивляемость дефор­мациям сдвига; эластичными называют тела, способные под действием внешних сил к большим остаточным деформациям, которые в отличие от упругих деформаций исчезают после снятия нагрузки не сразу, а в тече­ние определенного, иногда довольно продолжительного времени; пла­стичность - способность к необратимым деформациям, т. е. к деформа­циям, которые остаются после снятия нагрузки; вязкость характеризует способность жидких и твердых тел сопротивляться перемещению одного слоя по отношению к другому под действием внешних сил; текучесть - свойство, противоположное вязкости, обладающее им тело при постоян­ном напряжении непрерывно деформируется; прочность определяется минимальными напряжениями, при которых структура разрушается.

Механические свойства определяются химическим составом геля, взаимосвязью компонентов геля друг с другом, количеством и прочностью связей между ними, т. е. составом и структурой геля, в связи с чем эти свойства обычно называют структурно-механическими. Количественно они характеризуются реологическими показателями. Реологические пока­затели характеризуют связь между напряжением (отношением внешних сил к площади поперечного вектору этих сил сечения) и величиной вызы­ваемых этими напряжениями относительных деформаций. Так, сопротив­ляемость сдвигу характеризуется модулем сдвига (G), который равняется отношению напряжения сдвига (S) к деформации сдвига (у); вязкость - коэффициентом вязкости, равным отношению напряжения сдвига к скоро­сти деформации (j). Сычужный сгусток обладает вязкоэластичными свой­ствами, т. е. обладает свойствами твердого и жидкого тела, поэтому для характеристики его свойств нужны несколько реологических показателей. Чаще всего для этого используют модуль сдвига и коэффициент вязкости. Существует корреляционная связь между эффективной вязкостью и моду­лем сдвига, поэтому по изменению этих величин можно судить об измене­нии прочности сгустка.

Изменение константы увеличения вязкости при сычужном сверты­вании молока, в зависимости от ряда факторов, показано в табл. 2.5.

Структурно-механические свойства молочных сгустков характери­зуют модулем упругости G' (модуль запаса) и модулем потерь G", кото­рые определяют с помощью динамического реометра с коаксиальным цилиндром как функцию вызываемой деформации от круговой частоты колебаний. G' - мера энергии, запасаемой и отдаваемой материа­лом в каждом цикле колебаний; G" - количество энергии, теряемой в процессе деформации в виде тепла. G' относится к эластичной, G"- к вяз­костной части реакции геля на прикладываемое напряжение. G' можно назвать модулем эластичности. Тангенс потерь (tg<5 = G"/G') характеризует степень твердообразности материала: для упругого тела он равен нулю, для вязкой жидкости - бесконечности. Тангенс потерь - мера времени существования связей протеин-протеин в матрице геля. Чем выше тангенс потерь, тем с большей вязкостью реагирует гель на прикладываемое напряжение. По этим характеристикам можно вычис­лить динамическую вязкость ГГ = G"/w, время релаксации напряжений при данной частоте колебаний равно 2G'/G'-w.

Величины модулей, а следовательно, прочность сгустка зависит от количества, прочности и времени релаксации связей. Для очень малень­ких и быстрых деформаций (область линейных упругих деформаций) зависимость модулей от главных факторов можно выразить уравнением:

Для гелей из дискретных частиц dF²/dx² характеризует прочность связей, поскольку изменение энтропии для этих типов гелей незначи­тельно. Такие факторы, как силы притяжения ван дер Ваальса, водород­ные связи, гидратационное отталкивание, конформационная энтропия, определенно играют роль в конформации казеиновых мицелл, но важ­ность их пока не выявлена. Водородные связи образуются главным об­разом при связывании воды.

Исследования голландских ученых показали, что в сычужном сгу­стке относительная деформация пропорциональна прилагаемому на­пряжению только до тех пор, пока она не достигнет величины 0,03, что подтверждает мицеллярное строение сгустка, так как гели из макромо­лекул ведут себя по-иному. Предел текучести его намного мень­ше 1 Па, что свидетельствует о наличии остаточных деформаций при очень малых напряжениях.

В табл. 2.6 показаны основные связи, принимающие участие в фор­мировании молочных сгустков (внутримицеллярные и межмицеллярные).

Изменения модуля G' и тангенса потерь молочных сгустков показа­ны на рис. 2.14, 2.15 и 2.16. Сразу после образования сгустков величина G' очень мала, что объясняется небольшим количеством связей между агрегированными параказеиновыми мицеллами в этот момент. По мере старения сгустка величина модуля растет почти линейно по отношению к логарифмической шкале времени вплоть до 6-9 ч, затем появляется плато (-180 Па), а после примерно 12 ч G' начинает снижаться. Парал­лельно с G' увеличивается и уменьшается G". Величина модулей возрас­тает вначале за счет увеличения числа связей, затем также за счет изме­нения характера связей: простые солевые мостики (электростатическое взаимодействие) заменяются мостиками с участием МФК. Однако не­значительные изменения тангенса потерь, которые могут вызываться неоднородностью сгустка, свидетельствуют о небольшом изменении характера связей по мере старения сычужного сгустка, так как тангенс потерь характеризует природу связей, в особенности релаксацию.

Повышение температуры сгустка после его образования снижает величины модулей G'n G", определяемых по достижению ими постоян­ных значений после выдержки сгустка при новой температуре (в преде­лах одного часа). Снижение тангенса потерь и повышение модулей свидетельствует о повышении упругости и прочности сгустка при снижении температуры. Эти изменения полностью обратимы.

Снижение прочности сгустка увеличивает его потери с сывороткой и уменьшает синерезис во время его обработки. Однако снижение проч­ности сгустка происходит не раньше, чем через полчаса после повыше­ния температуры, а в начальный период модули увеличиваются. В связи с этим повышение температуры сгустка во время его обработки (II на­гревание) не отражается на его технологических свойствах.

Снижение содержания мицеллярного фосфата кальция (МФК) уменьшает величины модулей, что подчеркивает важность осуществ­ляемых с участием МФК внутримицеллярных связей в формировании прочности сгустка.

Тангенс потерь возрастал с увеличением времени деформации: он равнялся 0,28 при 0,1 с и 0,55 при 100 с. Это указывает на то, что при увеличении времени деформации сгусток становится более вязким (с увеличением времени деформации С и G" уменьшались).

Разрушение сычужного сгустка наступает при относительной де­формации между 1,2 и 1,6 (табл. 2.7). Разрушающее напряжение для сы­чужного сгустка, характеризующее его прочность, увеличивается со сни­жением времени деформации: оно равно 2-10⁴ Па при времени деформа­ции 10'⁷ с, 160 Па - при 1 с, 85 Па - при 30 с и 17 Па при 10 мин.

Доза молокосвертывающего энзима

Обычно в молоко для выработки твердых сыров вносят такое коли­чество молокосвертывающего энзима, чтобы свертывание произошло примерно за 30 мин. Необходимое для этого количество энзима в значи­тельной степени зависит от физико-химических свойств молока. Мето­дика его определения с помощью прибора «кружка ВНИИМС» изложена в Сборнике технологических инструкций по производству твердых сы­чужных сыров. Обычно на 100 кг молока вносят примерно 2,5 г препара­та с активностью 100 тыс. условных ед. При необходимости ускорения этой фазы, например, при переработке сычужновялого молока, дозу эн­зима, по сравнению с указанной, стараются значительно не повышать. Это связано с тем, что чем выше доза сычужного порошка, тем больше химозина останется в сыре, тем интенсивнее будет протекать неспеци­фический протеолиз, от масштабов которого зависит качество сыра; в частности, это может способствовать появлению в сырах горечи. Так, сыр Чеддер, выработанный с применением повышенных доз сычужного порошка, на ранних стадиях созревания имел отличный вкус и эластич­ную консистенцию, а к концу созревания вкус его стал горьким, конси­стенция - мажущейся, пастообразной. Свертывание сычужновя­лого молока можно ускорить некоторым повышением степени зрелости молока, температуры свертывания, доз закваски и СаСП.

В отличие от скорости энзиматической фазы, скорость второй фазы не зависит от концентрации молокосвертывающего энзима. Это понятно, так как вторая фаза начинается после того, как почти весь æ-казеин уже расщеплен. Однако, если использовать низкую концен­трацию молокосвертывающего энзима, то казеин выпадает в осадок без образования геля, или гель распространяется не на весь объем молока. По-видимому, это обусловлено незаконченностью первой фазы из-за низкой концентрации молокосвертывающих энзимов.

Скорость сычужного свертывания

Молоко должно быстро свертываться после внесения в него моло­косвертывающих ферментов, так как именно в этом случае образуется прочный сгусток, хорошо удерживающий жир и отдающий сыворотку. Ованова обнаружила тесную корреляционную связь, близкую к функциональной (г = -0,96), между временем сычужного свертывания молока и прочностью образующегося сгустка, которую она оценивала по нарастанию предельного напряжения сдвига. Сгусток из молока с низкой сычужной свертываемостью не только медленно образуется, но и обладает малой прочностью, так как сычужновялое молоко имеет низкое содержание казеина и Са (содержание Са коррелирует с содержанием казеина), а чем ниже содержание казеина в молоке, тем меньше будет связей между параказеиновыми мицеллами в сгустке. Смешивание сы­чужновялого молока с молоком с нормальной свертываемостью и ки­слотностью в равных отношениях не полностью ликвидирует недостатки сычужновялого молока, несмотря на увеличение кислотности смеси. Сле­довательно, причины плохого сгустка в таком молоке лежат не просто в низкой его кислотности, а в изменении содержания и свойств казеина. Время свертывания сычужновялого молока в четыре раза выше, чем мо­лока с нормальной сычужной свертываемостью.

Температура свертывания

Зависимость скоростей первичной и вторичной фаз сычужного свертывания молока от температуры показано на рис. 2.14. В диапазоне физиологических температур скорости увеличиваются с повышением температуры.

Скорость первичной фазы (V_еnz) равна К_кat [Е]/К_m (уравнение 3). В интервале температур от 25 до 40° С значение К_кат удваивается (Gamier, 1963), а значит, в два раза сокращается продолжительность первой фазы при прочих равных условиях. Повышение температуры с 20 до 42° С уменьшило продолжительность индукционного периода с 36 до 11 мин, или в 3,27 раза, а продолжительность стадии флокуляции - с 12,5 до 1,8 мин, или в 6,94 раза. При таком повышении температуры доля индукционного периода во времени сычужного свертывания молока (ВСС) увеличилась с 53,3 до 71,3%, доля стадии флокуляции снизилась с 18,5 до 11,7%. По Краюшкину, температурный коэффициент энзимати­ческой фазы сычужного свертывания Q_w равен примерно 2, а коагуляцион­ной стадии - больше 10. Это означает, что температура гораздо сильнее влияет на скорость второй (неэнзиматической) фазы. В диапазо­не температур от 30 до 44° С кривые продолжительности индукционного и флокуляционного периодов имеют точку перегиба при 42° С, соответ­ствующую минимуму функций при использовании сычужного порошка и пепсинов. Наличие точки перегиба при 42° С свидетельствует о том, что влияние температуры на сычужное свертывание молока неодно­значно. Отрицательное влияние температур выше 42° С на сычужное свертывание молока вызвано постепенной инактивацией энзимов.

Скорость вторичной фазы (V_floc) резко снижается, приближаясь к нижней температуре, при которой может происходить коагуляция мо­лока, и при температуре ниже 15° С становится равной нулю. Раманаускас полагает, что агрегация параказеиновых мицелл идет и при темпе­ратуре ниже 15° С, но с очень низкой скоростью из-за того, что эта ста­дия сычужного свертывания характеризуется наиболее высокой энер­гией активации . Если энергия активации первой фазы равна 12,9 ккал/моль, то для второй фазы она равняется 43,8 ккал/моль. Особенно быстро скорость формирования сгустка увеличивается при повышении температуры от 15 до 30° С. В опытах Раманаускаса и Урбене повышение температуры свертывания с 20 до 32° С со­кратило время сычужного свертывания в 4,8 раза. При темпера­туре выше 50° С скорость агрегации приближается к теоретическому максимуму, рассчитываемому по уравнению Смолуховского, и стано­вится независимой от температуры. Однако, по другим данным, максимальная скорость флокуляции так же, как и первой фазы реакции, наблюдалась при 42° С. Различия в этих данных, скорее всего, обусловлены разной продолжительностью наблюдений, так как при температурах выше 42° С, как указывалось выше, происходит по­степенная инактивация молокосвертывающих энзимов. Минимальные продолжительности индукционного периода и стадии флокуляции при 42°С наблюдали и другие авторы.

В опытах Раманаускаса и Урбене прочность сгустка при повыше­нии температуры свертывания с 20 до 32° С возрастала, что со­гласуется с возрастанием числа гидрофобных связей, играющих особо важную роль в строении сгустка (табл. 2.6). В опытах Шингаревой по­вышение температуры свертывания молока в интервале 30-42° С при использовании в качестве коагулянта сычужного порошка, ферментных препаратов ВНИИМС, ФП-6 и ФП-7 увеличивало прочность сгустка и скорость синерезиса, но уменьшало степень использования сухих ве­ществ молока и жира.

Температура и ВСС молока во время выработки сыра устанавли­ваются с учетом обеспечения наиболее благоприятных условий для раз­вития необходимой микрофлоры и получения требуемых органолепти­ческих показателей сыра, поэтому используют такие концентрации эн­зима, которые обеспечивают свертывание молока при производстве сы­чужных сыров при температуре 30-34° С в течение, примерно, 30 мин. Увеличение продолжительности свертывания, как указано выше, может привести к снижению прочности сгустка и скорости синерезиса. Повы­шение концентрации энзимов сверх установленной дозы вызывает го­речь в сырах, повышение температуры свертывания интенсифицирует рост вредной и замедляет развитие необходимой микрофлоры. Однако в определенных пределах концентрацию энзимов и температуру сверты­вания используют для управления процессами выработки сыра. Несо­стоятельны попытки повысить температуры свертывания в производст­ве мелких сыров выше 42° С без изменения состава закваски, потому что максимальные температуры для лактококков и лейконостоков, ис­пользуемых для выработки этих сыров, равны 37-40° С.

Роль кальция и фосфатов

Кальций не участвует в энзиматической фазе сычужного свертыва­ния, однако изменение его содержания в среде может изменить физико­химические условия. Повышение количества вносимого в молоко СаС1₂ с 0 до 40г/100 л снизило продолжительность индукционного периода с 14,69 до 4,21 мин, т. е. в 3,5 раза, стадии флокуляции - в 3,7 раза, метастабильного равновесия - в 2,7 раза, т. е. СаС1₂ оказал влияние на все стадии сычужного свертывания. По Patel et al., внесение ионов Са в молоко уменьшает время сычужного свертывания и прочность сгустка через 20 мин (К₂о), которые достигают минимума при 0,01 мМ Са; при высоком содержании Са (0,54мМ) значения этих величин повышаются. СаС1₂ может оказать влияние на сычужное свертывание молока через содержание Са²⁺ и изменение pH молока. При поддержании pH на постоянном уровне, добавление к молоку СаС1₂ в обычных дозах мало влияет на первую фазу сычужного свертывания, что хорошо вид­но на рис. 2.14. Следовательно, добавление к молоку СаС1₂ оказывает влияние на энзиматическую стадию через снижение pH молока.

Вторая фаза - флокуляция может проходить только при наличии в молоке определенного количества ионов Са. Нормальная концентрация Са²⁺ равна 11 мг/100 г; молоко с содержанием меньше 8 мг/100 г Са²⁺ является сычужновялым. При увеличении содержания Са²⁺ в молоке выше этого уровня время свертывания снижается пропорционально концентрации ионов.

Во время пастеризации концентрация ионов Са в молоке снижается за счет перехода части растворенного в молоке фосфата Са в нераство­римую форму и выпадения в осадок в составе так называемого «молоч­ного камня». В молочный камень переходит из молока около 7,5% фос­фатов, 16% Са и Mg. В молоке, пастеризованном при 72° С в тече­ние 20 с, содержание Са²⁺ снижается по сравнению с его содержанием в исходном молоке на 15,2%. Это немного замедляет свертывание молока и скорость упрочения сгустка.

Влияние пастеризации на кинематические характеристики сычуж­ного свертывания молока приведены в табл. 2.5 и 2.8. О ско­рости флокуляции в этих опытах судили по скорости увеличения вязко­сти. Из приведенных в табл. 2.8 данных видно, что пастеризация и хранение пастеризованного молока оказали отрицательное, а созрева­ние, особенно пастеризованного молока с закваской, - положительное влияние на константы скорости увеличения вязкости. Положительный эффект, очевидно, связан с повышением активной кислотности молока во время созревания.

Для восстановления сычужной свертываемости пастеризованного молока в него вносят хлористый кальций. Зависимость времени сычуж­ного свертывания молока от концентрации СаС1₂ Климовский выразил уравнением:

Уравнение справедливо при концентрации хлористого кальция от минимального уровня, при котором начинается коагуляция молока, до 56 г/100 л молока. На рис. 2.14 показано графически влияние количества добавляемого СаСl₂ на скорость вторичной фазы сычужного свертывания молока, которая практически перестает увели­чиваться при увеличении количества вносимого в молоко СаС1₂до 0,05%. Подобный результат получен и другими исследователями. Продолжительность свертывания пастеризованного по обычному режи­му молока (72° С, 20 с) можно восстановить добавлением в него 0,056 г/л СаС1₂ (Humberi & Alais, 1975).

Роль ионов Са²⁺ в образовании сгустка состоит в том, что они осу­ществляют перекрестные связи мицелл друг с другом через фосфосерильные остатки казеинов. Возможно также, что положительно заряжен­ные ионы Са²⁺ нейтрализуют остатки поверхностного заряда, а следовательно, способствуют снижению гидратного слоя, кото­рый частично сохраняют параказеиновые мицеллы (рис. 2.2). При внесе­нии в молоко больше 50 мМ СаС1₂ поверхностный заряд мицелл казеина меняется на положительный и между ними снова возникают силы оттал­кивания, пропорциональные количеству внесенного в молоко СаС1₂. О не­избежности перехода изоточки казеина в щелочную зону при увеличе­нии содержания ионов Са в молоке писал Глаголев еще в 1958 г.

Добавление СаС1₂ к молоку повышает модуль эластичности (С) (рис. 2.14) и прочность сгустка. Одна и та же эластичность сгустка была достигнута при добавлении в молоко 10, 20, 30 и 40 г/100 л СаС1₂ соответственно через 28, 21, 14 и 11 мин. Эла­стичность сгустка в конце его формирования сильно увеличивалась при добавлении к молоку от 0 до 30 г/100 л СаС1₂, но практически не изме­нилась при дальнейшем повышении его дозы до 40 г/100 л. По Раманаускасу и Урбене, эффективная вязкость сычужного сгустка повышается при добавлении к молоку до 0,08% СаС1₂. Дальнейшее повыше­ние количества добавляемого к молоку СаС1₂ снижало эффективную вязкость и повышало тиксотропность системы.

Поскольку при пастеризации осаждается часть фосфата Са, для вос­становления свертывающих свойств в пастеризованное молоко целесо­образно добавлять фосфаты. Добавление фосфата Са вместо СаС1₂ или в качестве частичной его замены оказало существенное влияние на скорость сычужного свертывания и качество сыра. Добавле­ние в молоко фосфата Са за 30 мин до внесения молокосвертывающего энзима снижало время сычужного свертывания; минимальным время свертывания было при внесении в молоко 0,01 М фосфата. Внесе­ние в 100 л молока 10-20 г СаС1₂ и 50-70 г монофосфата натрия предот­вращало излишнее снижение pH сырной массы, улучшало консистенцию сыра, снижало частоту появления горького вкуса.

Японские ученые полагают, что на структуру сыра большое влия­ние оказывает соотношение Са и Р, которое даже существеннее, чем влияние pH. Молоко с отношением содержания Са к содержанию Р меньше 1 свертывалось за 36,8 мин, с немного большим 1 отношением - через 34,2 мин, еще более высоким - за 27 мин.

Повышение содержания фосфата до 0,75 г/л и более немного уве­личило время свертывания при незначительном изменении плотности сгустка.

Французские ученые установили, что в сычужновялом молоке от­ношение содержания Са к содержанию N менее 0,20, в нормальном мо­локе более 0,23 (Mocquot et al., 1954).

Солевое равновесие в молоке после добавления СаС1₂ или фосфатов наступает через определенное время. Поэтому рекомендуется их вносить в подготовленную для выработки сыра смесь с внесенным молокосвертывающим энзимом (около половины дозы) при 30-36° С, выдерживать смесь в течение 14-15 мин, а затем вносить остальную часть энзима; или вносить соли в пастеризованное молоко перед созреванием.

Коллоидный фосфат кальция (ККФ) играет важную роль в сычуж­ном свертывании молока: снижение содержания ККФ в мицеллах умень­шает скорость агрегации мицелл казеина. При снижении содержания ККФ больше чем на 20% сычужное свертывание вообще не происходит, если не увеличить содержание ионов Са в молоке.

Влияние ионной силы, катионов и анионов

На обе фазы сычужного свертывания влияет ионная сила молока. Влияние ее на энзиматическую фазу обусловлено тем, что энзим и суб­страт имеют отрицательные заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Изменяя ионную силу молока, можно уменьшить величину и да­же знак заряда. По-видимому, по этой причине при выработке некото­рых видов сыров в молоко вносят до 0,15% NaCl. При слишком высокой ионной силе молокосвертывающая активность энзимов будет снижаться, и слишком высокие дозы соли в молоке не уменьшают, а увеличивают время сычужного свертывания. Наличие максимума на кривой ВСС, как функции ионной силы, очевидно, вызвано сменой за­ряда казеиновых мицелл в точке перегиба.

При посолке Чеддера замена части NaCl на NaH₂P0₄ или КН₂Р0₄ не изменила влаго- и жироудерживающую способности, кислотность сырной массы, но заметно уменьшила степень протеолиза и выраженно­сти сырного вкуса и аромата; консистенция сыра стала тверже, более зернистой, менее липкой и эластичной, появился самокол; цвет теста стал белесым.

Предполагают, что агрегация параказеиновых мицелл осуществляет­ся путем электростатического взаимодействия между отрицательно за­ряженными участками мицеллы, освобождающимися в результате отде­ления от нее МП, и неидентифицированными положительно заряжен­ными участками соседних параказеиновых мицелл. Поэтому фак­торы, влияющие на поверхностный заряд, влияют и на скорость сычуж­ного свертывания молока.

С увеличением ионной силы среды скорость агрегации параказеи­новых мицелл может увеличиваться и уменьшаться, что зависит от спе­цифичности ионов [213]. Сычужное свертывание молока стимулировали Са , Mg²⁺, Mn²⁺, Cd²⁺, ингибировали Cu²⁺, Ni²⁺, Hg²⁺. Показано, что добавление в молоко Na⁺, К⁺, Li⁺ и Cs⁺ снижало концентрацию па­раказеиновых мицелл, необходимую для осуществления второй фазы сычужного свертывания.

Внесение в сырое молоко при 30° С FeCl₃ в количестве 0,43 мМ ус­коряет гидролиз æ-казеина химозином при производстве сыров, обога­щенных железом.

Поликатионы могут устранить отрицательное влияние недостатка ККФ в мицелле на свертывание и даже вызвать коагуляцию казеина в отсутствие молокосвертывающих энзимов (Di Gregorio & Sisto, 1981). Добавление в молоко смеси Mn, Zn, Со и других микроэлементов сокра­тило продолжительность сычужного свертывания молока, а также на 17% - время обработки зерна; содержание влаги в опытном Литовском сыре было ниже, чем в контрольных, на 1,7%.

Сычужное свертывание молока замедляется при внесении в него нитратов К или Na. По Раманаускасу, внесение в молоко до 0,7% поваренной соли понизило константу скорости увеличения истинной вязкости при агрегации параказеиновых частиц с 350 до 194 Па ¹-с¹⁵, что свидетельствует о замедлении образования структурных связей и упро­чения сгустка (табл. 2.5). В его опытах константа вязкости моно­тонно снижалась с увеличением количества добавляемой к молоку соли. Ионы Na обладают способностью заменять связанный с казеином Са и влиять на формирование и реологические показатели сычужного сгустка. В то же время Кайрюкштене нашла, что максимальной проч­ностью сычужный сгусток обладал при внесении в молоко 0,5% пова­ренной соли. По Patel et al., сычужное свертывание и упрочение сгустка замедляются с повышением содержания NaCl в молоке. Даже 0,5% NaCl замедляет сычужное свертывание молока.

Частичное дефосфорилирование казеина оказало небольшое влия­ние на первую фазу сычужного свертывания, но заметно снизило ско­рость второй фазы и скорость упрочения сгустка, что указывает на существенную роль фосфосерильных остатков казеинов в агрегации параказеиновых мицелл. Оноприйко для ускорения образования сгустка и синерезиса вносил в молоко после пастеризации фосфорную кислоту и фосфаты калия и натрия. К сожалению, в его опытах нет данных о влиянии этих добавок на микробиологические процессы и качество сыра.

Кислотность

Из рис. 2.14 видно, что скорости энзиматической и неэнзиматической фаз коагуляции молока снижаются при повышении pH. В опытах Раманаускаса повышение кислотности молока с 17 до 25° Т увеличило истин­ную константу скорости увеличения вязкости при сычужном свертывании молока с 291 до 606 Па ¹-с'¹’⁵, что свидетельствует об ускорении формиро­вания сгустка при повышении кислотности молока (табл. 2.5).

Оптимальный pH для гидролиза <æказеина примерно равен 6,0; в интервале 5,6-6,4 скорость гидролиза изменяется незначительно. Если сычужное свертывание молока проводить при таком pH, то твердый сыр с традиционной консистенцией и вкусом не выработать из- за изменения состава и структуры мицеллы казеина и сыра (разд. 2.3). Сычужное свертывание молока проводят при pH 6,5-6,7 (17-20° Т), хо­тя скорость энзиматической реакции при этом намного ниже, чем при pH 6,0. В допустимом интервале кислотности молока лучше придержи­ваться ее верхней границы - как с точки зрения качества сыра, так и экономии молокосвертывающих энзимов. При повышении кислотности молока с 17 до 19,5° Т расход сычужного порошка снижается на 43%, свиного пепсина - на 65% при одном и том же времени свертывания; константа скорости увеличения вязкости при 20° Т в 1,34 раза выше, чем при 17° Т.

Снижение pH молока до 6,3 путем насыщения С0₂ уменьшает ко­личество требуемого сычужного порошка на 75%, повышает прочность сгустка, образуемого свиным пепсином. Избыток С0₂ из молока можно удалить инертным газом, например азотом.

Во время выработки сыра pH снижается. Однако некоторое снижение pH после гидролиза æ-казеина для качества сыра неопасно, потому что па- раказеиновые мицеллы, в отличие от нативных, не теряют мицеллярный фосфат кальция и β-казеин и не изменяют свою структуру при снижении pH до определенного уровня. От pH зависит содержание в параказеиновых мицеллах органического Са, но, по данным Белоусова, содержание Са в сыворотке и в сгустке не меняется при снижении pH до 6,25, следо­вательно, в этих границах pH параказеиновые мицеллы не теряют кальция. При дальнейшем снижении pH содержание Са в сыворотке начинает быст­ро увеличиваться, а в сгустке и сыре - уменьшаться. Если же первую ста­дию сычужного свертывания молока проводить при pH 6,4-6,2 (21-25° Т), то переход Са в сыворотку резко возрастает за счет поступления в нее мицеллярного фосфата Са из нативных мицелл казеина. При внесении моло­косвертывающих энзимов в молоко с кислотностью 21-25° Т сгусток уже в начале обработки будет содержать на 13-17% меньше Са, чем сгусток из молока с pH 6,5-6,6. Сыры голландской группы при нормальной скорости нарастания кислотности во время выработки со­держали в среднем 0,85% Са и 0,53% Р, при слишком быстром нарастании кислотности - 0,63-0,75% Са и 0,35-0,50% Р, при оптимальном содер­жании Са 0,8-0,9%. Отсюда следует, что сычужное свертывание молока следует проводить при pH 6,5-6,7, а удалять сыворотку нужно тогда, когда pH сыров с низкими температурами II нагревания будет на уровне 6,25, но не ниже 6,15. Более высокая кислотность молока при проведении энзиматической фазы и в начале формования сгустка при­водит к крошливой, колющейся консистенции, более низкая - к грубой, резинистой консистенции сыра.

Модули G' и G" при снижении pH после образования сгустка внача­ле немного возрастают (рис. 2.14), что, возможно, связано с увеличением количества положительно заряженных участков (рК гистидина ~ 6,4) и уменьшением отрицательно заряженных участков в параказеиновых ми­целлах. Начиная с pH ~ 6,15, они довольно быстро снижаются с достижением минимума при pH 5,3. Таким образом, изменение модулей, в зависимости от изменения pH сгустка после его образования, согласует­ся с изменениями содержания в сгустке Са в опытах Белоусова. Влияние pH нельзя объяснить увеличением активности Са²⁺, которое не может происходить при снижении pH. По-видимому, это связано с выхо­дом из мицелл МФК и казеинов. При pH 5,3-5,4 максимальна степень гидратации мицелл (рис. 2.2), что объясняется заполнением водой про­странства, занимаемого вышедшими из мицеллы казеинами, большой пористостью мицелл. Возможно, что pH влияет на время сычужного свертывания путем воздействия на ККФ (Shaabi & Fox, 1982).

При переработке молока с высокой кислотностью увеличивается количество химозина, остающегося в сыре, что может стать причиной появления горечи в сыре. Таким образом, pH сыров, при котором про­водят энзиматическую фазу, должен поддерживаться в довольно узких границах, нарушение которых ухудшает качество сыра.

Ультрафильтрация и обогащение молока СОМО

Скорость первичной фазы незначительно, а вторичной фазы - су­щественно нарастает при увеличении степени концентрирования молока ультрафильтрацией и при повышении дозы молокосвертывающего эн­зима (рис. 2.14). При постоянной дозе энзима концентрирование молока ультрафильтрацией немного замедляет сычужное свертывание и очень сильно ускоряет упрочение сгустка (модуль G' увеличивается) (Fox & Morrissey, 1972; Dalgleish, 1980; Green et al., 1983. Это можно объяснить двухфазностью свертывания: увеличение концентра­ции субстрата при одинаковой дозе энзима должно увеличить продол­жительность энзиматической фазы; с другой стороны, увеличение кон­центрации казеина должно повысить число эффективных соударений параказеиновых мицелл и количество связей в сгустке. Тангенс потерь при этом не изменяется, следовательно, не меняется и характер связей в сгустке. Повышение содержания казеина с помощью добавления ретен- тата, полученного ультрафильтрацией, увеличивает максимальную плотность сгустка примерно на 15% и снижает образование сырной пы­ли примерно на 20% (Amram et al., 1982). В сгустке из концен­трированного ультрафильтрацией молока особенно сильно увеличива­ется вязкость (Culioli & Sherman, 1978).

С увеличением степени концентрирования молока ультрафильтра­цией ухудшаются показатели сгустка, характеризующие его способ­ность к синерезису. Синерезис ухудшается за счет снижения проницае­мости сгустка при неизменном давлении синерезиса. Однако, для сгуст­ка из ультрафильтрованного молока, когда вся или большая часть влаги удаляется из молока во время ультрафильтрации, синерезис не играет заметной роли.

Казеиновый каркас сгустков из концентрированного УФ молока бо­лее жесткий и грубый, чем в сгустке из обычного молока, что обусловли­вает такие дефекты сыра, как крошливая, зернистая консистенция (Green, 1985). Он хуже удерживает жир, чем сгусток из нормального моло­ка (Green et al. 1981), возможно, в связи с увеличением его содержания в результате ультрафильтрации. Структуру этого сгустка можно улучшить некоторым понижением температуры свертывания, а, следовательно, ско­рости агрегации параказеиновых мицелл. Сгусток из концентрированного молока начинает образовываться даже при 5° С.

Сычужная свертываемость концентрированного УФ молока лучше сохраняется при пастеризации его при 90-97° С по сравнению с обыч­ным молоком. Высокотемпературная обработка такого молока повышает выход сыра, улучшает консистенцию мягких сыров (Prokopek et al., 1976).

Повышение содержания казеина в обычном молоке за счет добавле­ния СОМО увеличивает время сычужного свертывания и плотность сгу­стка. В опытах Кузнецова с соавт. средняя продолжительность индукци­онного периода без дополнительного внесения в молоко СОМО состави­ла 7,8 мин при средней вязкости 1,5710'³ Па с; средняя продолжитель­ность стадии флокуляции составляла 1,9 мин. Внесение в молоко от 10 до 50 г /л СОМО удлиняло индукционный период на 0,27 мин и повышало вязкость на 0,001 Па с на каждые 10 г/л добавляемого СОМО; продолжительность стадии флокуляции повышалась на 0,26 мин с уве­личением вязкости на 0,29-10'³ Па с. В этом случае при одинаковой дозе энзима снижалась его концентрация по отношению к непосредственному субстрату, что замедлило гидролиз Jf-казеина, но увеличило количество и прочность связей, участвующих в формировании сгустка.

Попытка улучшить технологические свойства сычужновялого моло­ка путем добавления в него сухого молока низкотемпературной сушки не увенчалась успехом, так как в этом случае замедляется синерезис и обра­зуется большое количество сырной пыли (Атгаш et al., 1962).

Состав и свойства молока

Главным показателем молока, характеризующим его сычужную свертываемость, является содержание казеина. Для получения хорошего сгустка, высокого выхода и качества сыра содержание казеина должно быть не ниже 2,5%; молоко с содержанием меньше 0,7% казеина сы­чужный сгусток не образует. При повышении содержания казеина в молоке выше 2,5% существует зависимость между прочностью сгуст­ка и содержанием казеина, причем прочность растет быстрее, чем со­держание казеина. Увеличение содержания казеина в молоке с 26 до 36 г/кг не оказывает влияния на время свертывания, но заметно повышает прочность сгустка. В сычужновялом молоке содержа­ние казеина на 9-11% ниже , в нем больше у- и пара-æ-казеина и мало æ- и β-казеина. Смешивание с нормальным молоком не улучшает сычужную свертываемость сычужновялого молока. Хранение сычужно­вялого молока при 4° С приводит к появлению очень сильной горечи в вырабатываемом из него сыре.

С содержанием казеина коррелирует содержание в молоке Са и Р, кислотность свежего молока, т. е. показатели, играющие важную роль в сычужном свертывании молока. Все факторы, оказывающие отри­цательное влияние на содержание казеина в молоке, ухудшают его сы­чужную свертываемость. К ним относятся заболевания коров маститами, недостаточное кормление, в частности, дефицит энергии в рационах и др. Так, например, при увеличении содержания соматических клеток в моло­ке (что чаще всего связано с заболеваниями коров маститами) с 500 до 1000 тыс. клеток/мл, содержание казеина снижается примерно на 15%, а время сычужного свертывания увеличивается на 28%. Еще сильнее снижается прочность сычужного сгустка.

На сычужную свертываемость молока оказывает влияние фракцион­ный и генотипический состав казеинов. Факторы, от которых зависит содержание и состав казеинов в молоке, рассмотрены в гл. 7.

Повышение содержания жира в смеси с 0 до 4% не оказало влия­ния на продолжительность фаз сычужного свертывания и эластичность сгустка, немного увеличив эффективную вязкость.

Продолжительность энзиматической фазы зависит, а фазы флокуля­ции - не зависит от размеров мицелл казеина, хотя, по Нильсе­ну с соавт., продолжительность фазы флокуляции более зависит от этого фактора. По их данным, если продолжительность первой фазы сычужного свертывания молока со средними размерами мицелл при 30° С принять за 1,00, то для молока с мелкими мицеллами она будет равняться 0,90, с крупными - 1,18; для второй фазы соответственно 0,72 и 1,72. Японские ученые разделили мицеллы центрифугированием на крупные и мелкие, затем подвергли сычужному свертыванию: в обоих вариантах содержание небелкового азота увеличивалось после добавле­ния химозина в течение 20 мин, следовательно, скорость энзиматической фазы не зависела от размера мицелл. Противоречивость результа­тов этих опытов может объясняться тем, что наряду с размерами мицелл менялись и некоторые другие, неучтенные факторы, оказывающие большее влияние на процесс. Однако зависимость сычужной свертывае­мости молока от размеров мицелл вряд ли имеет существенное практи­ческое значение для сыроделия, поскольку сортировка молока по разме­ру мицелл казеина на заводах невозможна. Этот вопрос может иметь значение для селекции скота в зонах сыроделия.

Тепловая обработка молока

В производстве большинства сыров молоко пастеризуют при 72-74° С в течение 15-20 с. Отрицательное влияние такой пастеризации на сычужную свертываемость молока в основном связано со снижением в нем содержания ионов Са и рассмотрено в разд. 2.5.4. Оно ликвидирует­ся внесением в молоко СаС1₂, созреванием пастеризованного молока с закваской (за счет снижения pH), но не хранением при температурах меньше 7° С, во время которого pH молока обычно повышается за счет размножения психротрофов. Привлекательна идея ужесточения режима пастеризации, в том числе проведение тепловой обработки молока при температурах выше 100° С с целью повышения бактериального качества сыра, в частности, предотвращения порчи сыров маслянокислыми бак­териями, споры которых не уничтожаются обычной пастеризацией.

Режим тепловой обработки молока оказывает сильное влияние на первую фазу сычужного свертывания. Эффект незначителен до тех пор, пока не начнет денатурироваться β-лактоглобулин. Степень денатурации сывороточных белков зависит от температуры нагревания и времени выдержки при этой температуре (рис. 2.17). При обычно применяемой в сыроделии пастеризации молока денатурируется 7,5-9,0% сывороточных белков. Сгусток из такого молока с добавлением СаС1₂ имеет хорошие технологические свойства. Увеличе­ние выдержки молока при 70° С до 15 мин приводит к получению очень слабого сгустка. При повышении температуры пастеризации с 72 до 80° С, с 15-секундной выдержкой, количество денатурированных сыво­роточных белков увеличивается с 7,5 до 27,5%. Сывороточные белки частично денатурируются в молоке, пастеризованном при 98° С с выдержкой в течение 0,5-1,87 мин, и в молоке, подвергнутом ультравысокой температурной обработке (140° С в течение 2-8 с); полностью - в молоке, нагреваемом до температуры 85° С и выдерживаемом при этой температуре 10-40 мин.

Жесткая температурная обработка молока ингибирует энзиматиче­скую фазу сычужного свертывания. Ингибирование состоит в том, что в молоке, обработанном при высоких температурах, снижается скорость гидролиза æ-казеина, и часть его совсем не гидролизируется молокосвер­тывающими энзимами. При повышении температуры пастеризации с 70 до 95° С с выдержкой 15 с, скорость первичной фазы снизилась на 25%, дальнейшее повышение температуры при этой выдержке не оказывало на нее влияния. При такой обработке денатурировалось 25% сыворо­точных белков молока. Скорость первичной фазы снижалась при повы­шении температуры пастеризации линейно по отношению к количеству денатурированного β-лакто глобулина. Количество МП - продукта гидро­лиза ге-казеина - снизилось при тепловой обработке при 120° С в течение 5 мин на 10% (при температурах ниже 95° С количество отщепляемого МП не уменьшалось). При этом часть æказеина (~5%) была гидролизо- вана в результате тепловой обработки до внесения в молоко химозина.

В другом опыте обезжиренное молоко и мицеллы казеина, суспен­дированные в ультрафильтрате молока с добавлением или без добавле­ния сывороточного альбумина (СА), βлактоглобулина (ЛГ) и иммуног­лобулина (ИГ), нагревали при 80° С в течение 30 мин, охлаждали до 30° С и свертывали клонированным химозином. С А, ЛГ и ИГ су­щественно замедляли сычужное свертывание молока.

Причиной отрицательного действия жесткой тепловой обработки на энзиматическую фазу сычужного свертывания является то, что дена­турированный β-лактоглобулин взаимодействует с æ-казеином через дисульфидные связи, что делает æ-казеин менее доступным для моло- косвертывющих энзимов. Однако это не единственная причина ухудшения технологических свойств сгустка, так как негативное дейст­вие увеличивается с повышением температуры даже в условиях постоян­ной степени денатурации сывороточных белков.

Высокотемпературная обработка молока оказывает более сильное негативное влияние на вторичную фазу сычужного свертывания, что, по-видимому, связано с осаждением на мицеллах Са₃(Р0₄)₂ и измене­ниями мицеллярного кальцийфосфатного комплекса.

Сычужный сгусток из молока, подвергнутого высокотемператур­ному воздействию, имеет низкую прочность и малопригоден для изго­товления твердых сыров, так как при последующей обработке он плохо отдает сыворотку, что является одной из причин появления излишне кислого вкуса и горечи, колющейся или пастообразной консистенции в продукте. По данным Оноприйко, повышение температуры пастеризации молока (с выдержкой в течение 20 с) с 70 до 80° С увели­чило продолжительность сычужного свертывания молока в 1,5 раза, уменьшило скорость синерезиса в 1,7 раза.

Часто высокотемпературную обработку молока пытаются применить для увеличения выхода и биологической ценности сыра за счет захвата де­натурированного сывороточного белка сгустком. Выход сыра может быть увеличен воздействием высокой температуры, но не более, чем на 5%, и в основном за счет увеличения содержания влаги. Увеличение выхода за счет включения денатурированных сывороточных белков в сгусток без модер­низации технологии нивелируется увеличением потерь казеина с сырной пылью, образующейся при обработке слабого сгустка.

В целях предотвращения денатурации β-лактоглобулина молоко для выработки сычужных сыров пастеризуют при температуре не выше 75° С или термизуют (при выработке твердых сыров с высокой темпера­турой II нагревания) при 63-65° С в течение 15-25 с. Замена пастериза­ции молока термизацией при 65-70° С снижает продолжительность сы­чужного свертывания молока в производстве твердых сыров, в зависи­мости от подкласса, на 2-10%, а также повышает качество сыра: она особенно полезна зимой.

Высокотемпературную обработку молока можно применять только при использовании специальных технологических приемов, восстанав­ливающих свойства сгустка, прежде всего прочность и синеретическую способность, и предупреждающих появление горьких продуктов, кото­рые в большем количестве образуются из сывороточных белков во вре­мя созревания сыра.

Нежелательные последствия высокотемпературной обработки мо­лока можно почти полностью ликвидировать снижением pH до 5,8 с последующим повышением его перед добавлением молокосвертываю­щих энзимов до 6,3 (Davis & While, 1960). При снижении pH из мицеллы выходит часть мицеллярного фосфата Са, а после повышения pH происходит реформация мицелл с восстановлением нормальной структуры. Нежелательное влияние на сычужное свертывание молока нагревания до 85° С, с выдержкой при этой температуре в течение 5 мин, и последующего его нагревания до 135° С без выдержки можно уменьшить понижением pH, добавлением СаС1₂ и непрогретых мицелл казеина.

Созревание пастеризованного молока с 0,2-0,3% закваски, во время которого кислотность увеличивается на 1-2° Т (кислотность зрелого мо­лока должна быть меньше 20° Т), восстанавливает его технологические свойства даже если пастеризацию проводят при температурах 75-79° С в течение 15-20 с. Хранение пастеризованною молока при температурах меньше 7° С не только не восстанавливает, но даже ухуд­шает его технологические свойства.

Получены положительные результаты по использованию высокотем­пературной пастеризации в производстве сыров Моцарелла, Чешир.

Разработана технология сыра Волжский (твердый сыр с высоким уровнем молочнокислого брожения), включающая пастеризацию моло­ка при 77-79° С в течение 15-25 с, созревание пастеризованного молока с добавлением закваски в течение 8-16 ч при 8-12° С, термизацию пе­ред выработкой и применение специальной закваски, уменьшающей опасность появления горечи. Термизация молока после созрева­ния нужна для уничтожения или дезактивации бактериофагов и вредной микрофлоры, размножившейся в молоке во время созревания. В резуль­тате применения этой технологии выход сыра увеличился ~ на 3%, со­держание бактерий группы кишечной палочки и стафилококков умень­шилось в 6-10 раз по сравнению с контрольным сыром, вырабатывае­мым по технологии Российского сыра.

Макарян и др. показали, что в производстве рассольных сыров вне­сение в сырое молоко 0,03-0,05% триполифосфата натрия позволяет пас­теризовать его при 85-90° С без снижения качества продукции.

Высокотемпературная обработка молока может найти широкое при­менение в производстве мягких сыров, в которых синерезис сгустка игра­ет менее важную роль ввиду их высокой влажности и обработка сгустка проводится менее интенсивно, что предотвращает образование больших количеств сырной пыли. Кроме этого, значительное повышение кислот­ности молока - характерная черта технологии большинства мягких сыров - ликвидирует большую часть негативного влияния высокотемпературной обработки на технологические свойства сгустка. Применение ее в произ­водстве этих сыров повышает выход сыра на 4-8%.

Хранение молока при низких температурах

Широкое распространение получило хранение молока на фермах в течение нескольких суток при 3-4° С. Низкие температуры ингибируют рост микрофлоры в молоке, продолжительное хранение сокращает рас­ходы на транспортировку. При низких температурах ослабляются гид­рофобные связи в мицелле, часть казеинов, и прежде всего /9-казеина, выходит из мицеллы, определенное количество мицеллярного фосфата кальция также переходит в растворимое состояние, размеры мицелл уменьшаются (разд. 2.3). Кроме этого, увеличивается содержание у-казеина за счет гидролиза β-казеина и, в меньшей степени, продуктов гидролиза других казеинов плазмином (натуральная протеиназа молока) и энзимами, образуемыми размножающимися в молоке психротрофными бактериями. Эти изменения снижают выход сыра и ухудшают сычужную свертываемость молока: увеличивают время свер­тывания, уменьшают прочность сгустка и повышают количество сыр­ной пыли, а также замедляют синерезис (табл. 2.9).

Изменения в мицелле, возникающие при низких температурах, обра­тимы, по крайней мере частично, при повышении температуры молока. При 20° С для частичного восстановления сычужной свертываемости тре­буется 18-24 ч. Скорость свертывания можно восстановить, хотя и не пол­ностью, выдержкой молока при 45° С в течение 80 мин, при 60° С - 35 мин и пастеризацией молока при 12° С (15-20 с), однако реакция различных партий молока на эту обработку неодинакова (Qvist, 1979). Влияние различных факторов на восстановление технологических свойств молока, длительное время выдерживаемого при низких температурах, показано в табл. 2.10. Из приведенных в ней данных видно, что хорошие результаты по восстановлению сычужной свертываемости молока после холодильно­го хранения дает добавление в него 0,2 г/л СаС1₂ за час до внесения молокосвертывающего энзима. После добавления СаС1₂ молоко следует вы­держивать при температуре 30-35° С.

Гомогенизация и другие механические воздействия на молоко

Гомогенизация молока может повлиять на энзиматическую фазу сычужного свертывания. Во время гомогенизации часть оболочек жиро­вых шариков разрушается, а сами шарики дробятся на более мелкие. В рекомбинированные оболочки новых шариков включаются белки моло­ка. В результате этого часть мицелл казеина связывается с компонентами оболочек жировых шариков (Oortwijn, Walstra & Mulder, 1977), что дела­ет чувствительную связь в æ-казеине менее доступной для энзима и уве­личивает время сычужного свертывания молока. Синерезис сгустков из гомогенизированного молока также замед­ляется (Emmons et al., 1980), что ведет к повышению влажности сыра из гомогенизированного молока. Сгусток из гомогенизированного молока обладает меньшей жесткостью, и это улучшает консистенцию вырабатываемых из него мягких сыров. В производстве твердых сыров гомогенизация может интенсифицировать липолиз и привести к появле­нию пороков вкуса и мажущейся консистенции.

Интенсивное механическое воздействие на молоко не оказывает прямого влияния на продолжительность энзиматической фазы. Скорость флокуляции существенно снижалась при повышении механи­ческого воздействия на молоко в ротационном вискозиметре с коаксиаль­ными цилиндрами. Роль механических воздействий на образова­ние сычужного сгустка, очевидно, связана с разрушением непрочных связей, участвующих в агрегации параказеиновых мицелл. Интенсивное механическое воздействие на молоко ингибирует размножение молоч­нокислых бактерий во время выработки сыра, что снижает скорость на­растания кислотности молока, которая влияет на его сычужную сверты­ваемость, особенно на синерезис сгустка.