Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. Химический состав молока 7
1.2. Номенклатура, строение белков молока и характеристика его фракций 10
1.3. Роль белков в производстве молочных продуктов 33
1.4. Заключение по обзору литературы и задачи исследований 36
2. Методика проведения работы 41
2.1. Схема эксперимента 41
2.2. Методы исследований 43
3. Результаты исследований 49
3.1. Сезонные изменения состава и свойств молока 49
3.1.1. Изучение состава молока 49
3.1.2. Фракционный и аминокислотный состав белков молока 53
3.1.3. Физико-химические свойства молока 68
3.2. Влияние состава молока и температуры на процесс кислотно-сычужного свертывания 71
3.2.1. Зависимость продолжительности образования сгустка от массовой доли белка и кальция в молоке и температуры его свертывания 74
3.2.2. Зависимость эффективности использования белков молочным сгустком от массовой доли белка и кальция в молоке и температуры его свертывания 79
3.2.3. Зависимость содержания белка в сыворотке от массовой доли белка и кальция в молоке и температуры его свертывания 84
3.2.4. Обобщение результатов изучаемых зависимостей 88
3.3. Изучение влияния фракций белка молока на выработку творога 90
3.4. Разработка технологии творога из молока с пониженным содержанием белка 95
3.5. Практическая реализация результатов 102
Выводы 105
Список литературы 107
Приложения 120
- Номенклатура, строение белков молока и характеристика его фракций
- Заключение по обзору литературы и задачи исследований
- Зависимость продолжительности образования сгустка от массовой доли белка и кальция в молоке и температуры его свертывания
- Разработка технологии творога из молока с пониженным содержанием белка
Номенклатура, строение белков молока и характеристика его фракций
Казеиновая фракция и сывороточные белки с помощью электрофоре-тических методов разделяются примерно на 30 зон, имеющих различную электрофоретическую подвижность. Фракции казеина обозначают буквами греческого алфавита (а; Р; к; у), указывающими на последовательность их расположения на электрофореграмме [3, 37, 57, 106].
Целенаправленные исследования фракционного состава казеина позволили определить, что каждая из фракций казеина представляет собой комплекс основных и минорных фракций, включая генетические варианты. Генетические варианты предполагают существование обусловленных наследственностью различных форм определенного белка. Генетические варианты белков молока отличаются по своей первичной структуре (расположением аминокислот в полипептидной цепи, реже в полипептидной цепи «вычеркивается» один или несколько аминокислотных остатков). Образование этих фракций связано с наследственными факторами, то есть обусловлено генетически. Генетические варианты обозначают буквами латинского алфавита: А; В; С и т.д. [184].
В настоящее время принято считать, что в молоке коров содержится шесть главных белков: а5і-казеин, аыг- казеин, Р-казеин, к- казеин, (3-лактоглобулин и а-лактальбумин. asi-Казеин - основная фракция as-казеинов, состоит из простой полипептидной цепи, содержащей 199 аминокислотных остатков и 8 остатков фосфорной кислоты, имеет пять генетических вариантов (А, В, С, Д, Е) [23,38,94,98,102,104]. ( -Казеин содержит 207 аминокислотных остатков, имеет четыре генетических варианта, отличающихся степенью фосфорилирования [24, 118]. aso-Казеин имеет структуру идентичную структуре asi-казеина за исключением расположения фосфатных групп, содержание этой фракции -около 10 % содержания as і-казеина. Р-Казенн представлен полипептидной цепью из 209 аминокислотных остатков, которая содержит пять остатков фосфорной кислоты; имеет семь генетических вариантов. Фракция характеризуется повышенным содержанием Валина, лейцина, пролина, содержит меньше аланина и аспара-гиновой кислоты при отсутствии цистеина [89, 117]. Следует особо отметить способность р-казеина, как и as-казеинов осаждаться в присутствии ионов кальция, что имеет большое практическое значение при сычужном свертывании молока (под действием сычужного фермента и в присутствии ионов кальция) в производстве сычужных сыров. От содержания этих фракций в молоке зависят скорость процесса свертывания, реологические свойства получаемых сгустков, поведение их при дальнейшей обработке и, как следствие, выход и качество готового продукта. к-Казеин. Главный компонент к-казеина представлен полипептидной цепью, состоящей из 169 аминокислотных остатков, а том числе двух остатков цистеина. к-Казеин в отличие от as- и Р-казеинов содержит только один фосфосериновый остаток, поэтому практически не присоединяет ионы кальция, то есть не теряет растворимости в их присутствии и является кальцийустойчивой фракцией [25, 48]. Воздействие сычужного фермента на поверхностную фракцию мицелл казеина - к-казеин - с последующими его гидролизом, потерей отрицательного заряда и дестабилизацией кальцийустойчивых as- и р-казеинов положено в основу сычужного свертывания молока в производстве сычужных или кислотно-сычужных сыров [47, 106, 121]. В свежем молоке здоровых коров содержание у-казеинов составляет от 3 до 7 %. Особенностью у-казеинов является то, что под действием сы . чужного фермента белки этой фракции не осаждаются и уходят в сыворотку. То есть увеличение содержания у-казеинов в молоке приводит к снижению степени использования белков в производстве продуктов, в основу 5 технологии которых положено сычужное свертывание (сычужные сыры, казеин сычужный, отдельные виды творога) [52, 100]. Сывороточные белки - это белки молока, оставшиеся в сыворотке после осаждения казеина из сырого обезжиренного молока при подкисле-нии его до рН 4,6 и температуре 20 С. Сывороточные белки фракционируют не только по их электрофоретической подвижности, но и по их растворимости в растворах солей и при разной температуре [39, 50, 119]. Основными сывороточными белками принято считать р лактоглобулин, массовая доля которых от общего содержания этих белков составляет от 50 до 54 %, и а-лактальбумин - от 20 до 25 %. Остальное ко- личество сывороточных белков приходится на альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, термостабильные сывороточные белки и другие минорные белки [26, 27, 111]. Сывороточные белки не гидролизуются плазмином и сычужным ферментом, по сравнению с казеином менее чувствительны к кальцию, но более чувствительны к нагреванию. Нагревание молока или сыворотки вызывает их денатурацию - изменение структуры (развертывание полипептидных цепей) с последующим взаимодействием друг с другом и с %-казеином казеиновых мицелл. Образующиеся комплексы влияют на техно- логические свойства молока: термоустойчивость и способность к сычужному свертыванию [3, 5, 109]. Лактальбуминовая фракция - фракция термолабильных сывороточных белков, не осаждающаяся при полунасыщении сульфатом аммония или насыщении сульфатом магния. К белкам этой фракции относятся (3-лактоглобулин, а-лактальбумин и альбумин сыворотки крови. (3-Лактоглобулин и а-лактальбумин - это основные сывороточные белки.
Заключение по обзору литературы и задачи исследований
Молоко по своей структуре является сложной полидисперсной системой, включающей различные дисперсные фазы [14, 82]. В зависимости от величины частиц дисперсных фаз, а также их агрегатного состояния дисперсные фазы находятся в виде коллоидных частиц (коллоидная фаза), грубодисперсных частиц различной величины (фаза эмульсии), в ионно-молекулярном состоянии (фаза истинного раствора).
В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся казеин, сывороточные белки, большая часть фосфатов кальция и частично липопро-теиновые мицеллы.
Жировая фаза в молоке представляет собой тонкодисперсную систе-му жировых шариков в плазме, систему двух несмешивающихся жидкостей — эмульсию.
Фазу истинного раствора представляют молекулярно-дисперсные системы, образованные неэлектролитами (лактоза, водорастворимые витамины, небелковые азотистые соединения, часть растворимых солей) и ионно-дисперсные системы - растворы различных электролитов, распадающихся на соответствующие ионы (соли калия, натрия, часть солей кальция магния, органические кислоты). Таким образом, молоко представляет собой сложную полидисперсную систему, в которой жир эмульгирован, а белки присутствуют в гомогенном растворе остальных составных компонентов молока.
Изучение структуры и свойств молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока. Многие десятилетия целенаправленных исследований белковой фазы молока позволили накопить обширный информационный материал о фракционном составе белков, их структуре и свойствах, поведении на различных стадиях технологических процессов. Однако до сих пор многие вопросы остаются дискуссионными.
Как видно из приведенного обзора литературы, молочный белок весьма сложная по своему составу и строению субстанция, которая может претерпевать различные видоизменения, что может сказаться на качестве и объеме выпускаемой продукции. Особенно это относится к продуктам с повышенным содержанием белка - творогу и сырам.
Считается, что качественное молоко должно содержать белка не менее 3,2 %, жира - не менее 3,6 %. Сухой обезжиренный остаток должен составлять не менее 8,4 %. При этом соотношение между жиром и белком считается оптимальным от 1,25 до 1,10, между жиром и СОМО - от 0,46 до 0,40, а между белком и СОМО - от 0,42 до 0,36. Плотность молока должна быть не ниже 1027 кг/м3, титруемая кислотность - не ниже 16 Т и не выше 20 Т, активная кислотность - в пределах рН от 6,58 до 6,70 [77].
Зависимость между содержанием сухих веществ в молоке, скорость образования сычужного сгустка и его реологическими характеристиками изучали ряд исследователей. Установлено, что независимо от причины повышения сухих веществ в молоке, продолжительность сычужного свертывания сокращается, а прочность сгустка и скорость выделения ими сыворотки увеличивается [49,91]. Объяснить такие результаты, по-видимому, можно различной степенью дисперсности казеиновых мицелл, а также фракционным составом казеина. Изменения в соотношении фракций казеина, а также дисперсности казеиновых частиц при длительном хранении молока в условиях низких температур отрицательно сказывается на сычужном свертывании молока и синеретических свойствах сгустков [1]. Алексеева Н.Ю. считает, что для сыроделия наиболее пригодно молоко с высоким содержанием фракций казеина - ots, Р и к (в сумме не менее 91 %) [1]. Во ВНИИМС были проведены исследования влияния содержания жира и дозы денатурированных сывороточных белков на кинетику сычуж-" ного свертывания молока и реологические показатели сгустка [79]. Исследования показатели, что изменения содержания жира в молоке путем нормализации в пределах от 0 до 4,0 % не влияют на формирование реологических свойств сычужного сгустка. Однако на отдельных стадиях процесса свертывания молока (в индукционный период и на стадии флокуляции) отмечено некоторое повышение вязкости, а на последующих стадиях влияние содержания жира не обнаружено. Более значительно влияние добавок денатурированных сывороточных белков в дозах от 2,0 до 8,0 г на 1 кг молока на все стадии сычужного свертывания. Сывороточные белки обуславливают сокращение индукционного периода гелеобразования, интенсифицируют процесс флокуляции и начальную стадию синерезиса, а также способствуют повышению прочностных свойств сгустка. По-видимому, денатурированные сывороточные белки принимают участие в формировании структуры сычужного сгустка, входя в пространственную сетку, образованную мицеллами казеина. Денатурация сывороточных белков, их взаимодействие с казеиновым комплексом в результате тепловой обработки молока оказывают значительное влияние на формирование сычужных сгустков. Изучению воздействия различных режимов нагревания на белковую фазу молока посвящено достаточно много исследований. Установлено, что наиболее чувствительны к нагреванию сывороточные белки, что объясняется наличием в их макромолекулах упорядоченных вторичной, третичной и четвертичной структур, стабилизированных в основном водородными и дисульфидными связями, очень чувствительных к нагреванию [9]. Все это позволяет предполагать о наличии определенного влияния состава и свойств белков молока на качественные показатели молочных продуктов, в том числе творога. Для устранения подобного эффекта Хус-нуллина Н.В. обогащала молоко при выработке мягкого сыра сухим обезжиренным молоком [66]. Фракционный состав белков обезжиренного молока существенно отличается от фракционного состава белков натурального молока. В нем на 41,0 % снизилось процентное содержание (3-лактоглобулина и отсутствовала фракция а-лактальбумина, что связано с их денатурацией в процессе тепловой обработки при сушке обезжиренного молока. Кроме того, отсутствовали фракции иммуноглобулина, лактоферрина, к-казеина, церуло-плазмина и протеозо-пептонов. В то же время процентное содержание asr казеина увеличилось на 35,3 %, р-казеина - на 9,7 % и а52-казеина - на 76,7 %. Это можно объяснить адсорбцией части денатурированных белков и некоторых других на казеиновых фракциях. Следует обратить внимание на тот факт, что количество выделившейся из сгустков сыворотки существенно уменьшалось по мере увеличения в исходной смеси содержания сухого обезжиренного молока. Целью настоящей работы является изучение сезонных изменений состава молока и отработка технологии творога из молока с пониженным содержанием белка. Для реализации поставленной цели решали следующие задачи: - изучение состава молока в течение года; - изучение фракционного и аминокислотного состава белков молока; - исследование сезонных изменений физико-химических свойств молока; - изучение влияния отдельных технологических факторов (массовая доля белка, титруемая кислотность, температура обработки) на качественные показатели творога; - изучение влияния фракционного состава белков молока на качество и выход творога; отработка технологии творога из молока с пониженным содержанием белка путем добавления сухого обезжиренного молока; - практическая реализация результатов исследований.
Зависимость продолжительности образования сгустка от массовой доли белка и кальция в молоке и температуры его свертывания
Альбумин сыворотки крови - это относительно крупный глобулярный белок, его полипептидная цепь состоит из 582 аминокислотный остатков, содержит 17 внутримолекулярных дисульфидных связей и только одну свободную сульфгидрильную группу, термолабилен [29].
Альбумин сыворотки крови не синтезируется в молочной железе, а поступает в молоко из крови. Содержание этой фракции в молоке увеличивается при нарушении функций молочной железы (при заболеваниях маститом [29].
Лактоглобулиновая фракция сывороточных белков включает в себя термолабильные белки, которые осаждаются из молочной сыворотки при полунасыщении сульфатом аммония или насыщении сульфатом магния. К белкам этой фракции относятся иммуноглобулины. В нормальном молоке массовая доля иммуноглобулинов составляет от 1,9 до 3,3 % общего содержания белков, а в молозиве они составляют около 90 % всех сывороточных белков [30, 31].
Иммуноглобулины - это высокомолекулярные белки (гликопротеи-ды), выполняющие функцию антител. Антитела - вещества, образующиеся в организме при введении в него различных чужеродных белков (антигенов) и нейтрализующие их действие. Иммуноглобулины молока обладают резко выраженными свойствами агглютинации - склеивания микробов и других чужеродных клеток, а также шариков жира. Термостабильная фракция сывороточных белков включает в себя протеозо-пептонную фракцию, осаждаемую трихлоруксусной кислотой из фильтрата сыворотки после осаждения термолабильных сывороточных белков. Доля протеозо-пептонной фракции составляет 2-6 % всех белков молока.
Красняштанова А.А., Попов В.Г. и Рытченкова О.В. отмечают, что сывороточные белки являются ценными биологически активными веществами молочной сыворотки [40]. Они указывают, что основными сывороточными белками являются Р-лактоглобулин (молекулярная масса 18,3 кДа), а-лактоальбумин (14,2 кДа), иммуноглобулины (150-900 кДа), сывороточный альбумин (66,0 кДа), лактоферрин (80 кДа), лактопероксидаза (80,6 кДа). Авторы изучили распределение молекулярных масс белковых фракций, полученных при ультроконцентрировании молочной сыворотки. Получены фракции обогащенные высокомолекулярными белками с массой более 100 кДа (иммуноглобулины), белками с массой 100-50 кДа (лактоферрин, лактопероксидала, сыворточный альбумин), белками с молекуляр " ной массой 50-5 кДа (лактоальбумин, лактоглобулин). Дальнейшие исследования направлены на выделение отдельных белков полученных фракций.
Белки оболочек жировых шариков составляют около 1 % всех белков молока. Ферменты - вещества белковой природы, биологическая функция которых состоит в ускорении (катализе) течения химических реакций в биологических системах. Все эти вещества в одних случаях - простые белки, а в других - сложные, содержащие в своем составе небелковые компо ненты - коферменты. В молоке содержится более 20 нативных ферментов, а также присутствуют многочисленные внеклеточные и внутриклеточные ферменты, продуцируемые микрофлорой молока и бактериальных заквасок [25, 28, 29, 30,31, 32, 33, 34]. Белковые молекулы содержат от 100 до нескольких тысяч аминокислот в пептидных цепях, упорядоченных в пространстве. Для характеристики строения белков введены понятия о первичной, вторичной и третичной структуре. И если речь идет о белках, образующих мицеллы, - о четвертичной структуре. В настоящее время изучена первичная структура большинства компонентов казеина, (3-лактоглобулина, а-лактальбумина, проте-озо-пептонов. А также получены некоторые сведения о вторичной, третичной и четвертичной структурах основных белков молока [46, 90, 93, 103].
В настоящее время с помощью электронномикроскопических иссле- дований установлено, что казеинаткальцийфосфатный комплекс (ККФК) образует мицеллы, которые имеют сферическую форму с диаметром от 40 до 300 нм (средний диаметр составляет около 100 нм) и являются высокоорганизованными структурными единицами со средней молекулярной массой 6108 [41, 43, 115]. К настоящему времени известны более десяти моделей структуры мицелл казеина, которые предполагают сцепление в мицелле, как отдельных полипептидных цепей, так и субмицелл между собой, в основном, с помощью коллоидного фосфата кальция. В основе болышшствамоделей лежит субмицеллярный принцип построения мицел- лы, то есть субмицеллы рассматриваются как структурные субъединицы мицелл. Сведения о характере комбинаций фракций казеина в субмицеллах достаточно противоречивы. Эти противоречия касаются соотношения фракций казеина в субмицеллах, относительно распределения их в объеме субмицелл (гиброфобное ядро и гидрофильная поверхность), зависимости соотношения фракций казеина от размеров субмицелл [55, 58, 116].
Субмицеллы объединяются в мицеллы с помощью коллоидного фосфата кальция. Ряд исследователей не исключают возможность мицел-лообразования казеина за счет гидрофобных взаимодействий между суб- мицеллами.Субмицеллы с незначительным содержанием к-казеина или без него расположены внутри мицеллы, а с высоким содержанием к-казеина - на ее поверхности. Таким образом, поверхность мицеллы казеина за счет электрических зарядов связывает значительное количество воды, что обуслов-лено полярностью ее молекул. На образовавшемся слое адсорбируются другие частицы воды. По мере утолщения слоя связанной воды новые молекулы воды все слабее удерживаются коллоидной частицей [13, 59].
Таким образом, строение белков молока следующее. Белки состоят из крупных молекул (полипептидных цепей) с относительной молекулярной массой свыше 10000, способных агрегировать друг с другом в субмицеллы и мицеллы. Свойства белков определяются количеством, видом и последовательностью расположения аминокислот (т.е. первичной структурой), их пространственной ориентацией и способом укладки полипептидных цепей (вторичной и третичной структурой), а также взаимодействием агрегатов основных фракций субмицелл (из а г, а$2-, Р- и к-казеинов) в мицеллах (четвертичной структурой). Силы, обусловливающие ту или иную структуру отличаются по своей природе и прочности. Важным физико-химическим свойством казеина является то, что в молоке казеин содержится в виде казеинатов кальция, соединенных с коллоидным фосфатом кальция [19, 20].
Разработка технологии творога из молока с пониженным содержанием белка
Полноценный рацион человека должен включать известный набор питательных веществ, среди которых белкам уделяется особое значение.
В процессе жизнедеятельности организма белкам принадлежит особая роль, так как никакие другие пищевые вещества не могут их заменить в воспроизводстве основных структурных элементов клетки, а также в образовании таких важнейших веществ, как ферменты и гормоны.
Биологическая ценность белков определяется наличием в них незаменимых аминокислот и степенью их усвоения. Чем ближе потребляемый белок по аминокислотному составу подходит к составу белков данного организма, тем выше его биологическая ценность. Среди огромного количества различных продуктов животного и растительного происхождения наиболее совершенными, то есть наиболее ценными в пищевом и биологическом отношении, являются молоко и молочные продукты. Перевариваемость белков молока составляет 96-98 %, а показатель чистой утилизации - 82 %. В молочных продуктах практически отсутствуют лимитирующие биологическую ценность аминокислоты. В связи с этим молочная промышленность наряду с мясной и птицеперерабатывающей служит одним из основных поставщиков животного белка. Высокая питательная ценность и уникальные биологические свойства молока предопределяют необходимость использования всех его компонентов в пищевых целях. При производстве традиционных молочных продуктов (сливочного масла, сыра, творога, казеина и др.) получают вторичные (побочные) продукты в виде обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки, которые широко используются для выработки пищевых продуктов, кормов, медицинских и технических препаратов. Промежуточными продуктами в молочной отрасли являются альбуминное молоко (белко .. вая масса) и меласса, получаемые в процессе производства лактозы - молочного сахара. Разнообразие, высокая биологическая ценность, хорошие органолеп-тические и функционально-технологические свойства молока и продуктов его переработки явились объектом пристального внимания ученых и специалистов при разработке богатейшего ассортимента продуктов, позволяющих максимально вовлечь белковые молочные ресурсы в обеспечение здорового и полноценного питания человека. Ассортимент этих продуктов включает напитки, сыры, творог, белковые продукты, мороженое и т.д. . Они успешно применяются в качестве рецептурных компонентов, улучши-телей, обогатителей, наполнителей, гидролизатов и других белковых продуктов. Молочные продукты используют как в свежем виде (цельное молоко, обезжиренное молоко, обрат, сливки, молочная сыворотка), так и в концентрированном (сухое цельное и обезжиренное молоко, концентраты сывороточных белков, альбумин молочный пищевой, пищевой казеин, казеи-нат натрия). Большинство из них содержат водорастворимые белки, имеют высокую водосвязывающую, эмульгирующую и пенообразующую способность.
В перерабатывающих отраслях наибольшее распространение получили сухое цельное (СЦМ) и обезжиренное (СОМ) молоко, сухой белковый концентрат из подсырной сыворотки (СБК) и казеинат натрия.
Следует заметить, что роль белков и белковых веществ в технологии пищевых продуктов не ограничивается структурообразованием, многие из них участвуют в формировании вкуса, запаха и цвета. Это особенно проявляется при хранении, термической обработке и созревании сырья и связано с исходными свойствами белковых систем.
Основными компонентами при формировании вкуса и запаха являются аминокислоты и амиды: гистидин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, глутамин, глицин, треонин, фенилаланин, лейцин и др. Это вещества образуются и накапливаются в процессе автолиза при распаде белков, а также пептидов, относящихся к экстрактивным веществам мышечной ткани (глютатион, карнозин, ансерин), и придают вкус мясному бульону.
Аминокислоты и пептиды оказывают выраженное влияние на вкус и запах молочных продуктов (сыра, творога, кисломолочных продуктов). Так, например, сладкий вкус проявляют аланин, глицин и пролин; горьковатый - лейцин и фенилаланин. Установлено, что некоторые фракции низкомолекулярных пептидов придают продукту горьковатый вкус. В формировании вкуса и аромата пищевых продуктов принимают участие и другие органические вещества: углеводы и их производные, нуклеотиды и продукты их распада, продукты превращения жиров, фосфорорганических соединений.
Одним из важных показателей качества пищевых продуктов является их безвредность для организма человека. В современных сложных экологических условиях особое внимание уделяют контролю за содержанием в пищевых продуктах таких вредных веществ, как пестициды, нитраты, токсичные минеральные элементы, радионуклиды и др., внедренному в системе сертификации на территории РФ. Кроме перечисленных выше веществ в пищевых продуктах контролируют уровень содержания тяжелых металлов, к которым относятся свинец, кадмий, ртуть, медь, цинк, железо и олово. В пищевые продукты могут попадать остатки различных лекарственных средств, применяемых для лечения и профилактики заболеваний животных, ускорения их роста, улучшения качества и сохранности кормов. Особенно нежелательно загрязнение пищевых продуктов такими сильнодействующими препаратами, как антибиотики, гормоны, сульфаниламиды и нитрофураны. Рекомендуется строго нормировать применение различных добавок.
Для производства экологически чистых белковых продуктов как наиболее ценных необходимы тщательный и повсеместный контроль сырья, широкое внедрение технологических мероприятий по обеспечению снижения уровня токсичности путем специальной обработки сырья, использования очищенных ингредиентов и пищевых добавок и других эффективных мер. Очевидно, что развитие данного направления сопряжено с производством приборной техники для анализа веществ.
