1

Homogenizacja

wysokociśnieniowa a

wybrane cechy

mleka pełnego

2

Omawiane zagadnienia:

1. Proces homogenzacji.
2. Budowa homogenizatora

ciśnieniowego.

3. Wpływ homogenizacji

wysokociśnieniowej na
drobnoustroje.

4. Wpływ homogenizacji na cechy

mleka.

3

1. Proces

homogenizacji

W przemyśle spożywczym bardzo często
spotykamy się z układami ciekłymi
niejednorodnymi wielofazowymi.

Ze względu na różne właściwości
fizykochemiczne faz oraz oddziaływań pomiędzy
nimi, w większości tych układów można
zaobserwować nieustannie przebiegający
proces samorzutnego rozdzielania się
powstających faz. Sposobem zapobiegającym
temu zjawisku jest proces homogenizacji.

4

August Gaulin rok 1899- wynalazł jako

pierwszy urządzenie homogenizujące;

Proces Homogenizacji według Wittig’a:

Rys. 1. Rozciąganie się kuleczek tłuszczowych w procesie

homogenizacji (Kessler 1981).

5

Homogenizacja- jest procesem technologicznym,

którego głównym celem jest zapobieganie
postojowi tłuszczu.

W wyniku mechanicznego zmniejszenia

i ujednolicenia rozmiarów kuleczek tłuszczowych
zachodzi równomierne rozproszenie kuleczek
tłuszczowych w mleku, co w konsekwencji zapobiega
zbieraniu się tłuszczu w górnej części produktu w

postaci

uciążliwego „korka”.

6

Homogenizacja poprzez wpływ na
rozrywanie kuleczek tłuszczowych powoduje
trwałe zmiany struktury pozostałych
składników mleka.

Rys. 2. Kuleczki tłuszczowe w mleku: a) nie homogenizowanym;

b) homogenizowanym (Dairy Processing Handbook 2003).

7

Utworzone po procesie homogenizacji nowe kuleczki

tłuszczowe mogą podlegać interakcjom oraz

adsorbować na

swojej powierzchni białka zawarte w plazmie mleka.

W tworzeniu membran kuleczek tłuszczowych biorą

udział wszystkie główne białka znajdujące się w mleku,

ale

decydujący udział stanowi kazeina:

Rys.3. Warstwa powierzchniowa kuleczki

tłuszczowej po homogenizacji

(Walstra 1983).

8

W wyniku homegenizacji:

1.

Białka serwatkowe i kazeina ulegają adsorpcji na powierzchni
powstałych po homogenizacji kuleczek tłuszczowych w ilości 8-10 mg
białka/m

2

powierzchni.

2.

Część miceli kazeinowych ulega rozbiciu na submicele, które stanowią
materiał pokrywający kuleczki tłuszczowe.

3.

Część białek serwatkowych może ulegać denaturacji, wynikiem której
wyeksponowane zostają wolne grupy sulfhydrylowe. Denaturowane
białka serwatkowe ulegają interakcjom z kazeiną, a powstałe
kompleksy są adsorbowane na powierzchni nowo powstałych kuleczek
tłuszczowych.

Otoczka kuleczek tłuszczowych mleka homogenizowanego składa się
więc

zarówno z materiału kompozycyjnego zawierającego elementy dawnych

otoczek

oraz micele i submicele kazeiny, a także białka serwatkowe ( te w mniejszym
stopniu, gdyż posiadają niższą hydrofobowość w porównaniu do kazeiny).

9

W przeprowadzonych badaniach nad

składem białek biorących udział w
tworzeniu

otoczek

kuleczek

tłuszczowych mleka rekombinowanego
stwierdzili obecność micel kazeinowych
w całości lub ich fragmentów oraz, w
mniejszej ilości białek serwatkowych
(Tab.1).

10

Tab.1. Adsorpcja białek na powierzchni tłuszczu w
zależności od

rozmiaru kuleczek

tłuszczowych (Sharma, Singh 1999).

Średni

cakul.

tł., μm

Adsorpcj

a

białka,m

g/m

2

Procentowy udział zaadsorbowanych białek, %

Stosun

ek

α

s

-/β-

kazein

y

Stosun

ek

kazein
y/ WP

a

α

s

-

kazei

na

β -

kazein

a

κ -

kazein

a

β - Lg

α – La

0,66

0,48

0,35

0,30

6,02

6,56

7,88

8,14

37,7

41,6

42,3

44,4

24,2

24,9

24,1

23,7

19,5

17,1

18,4

19,2

16,1

12,5

11,3

10,1

2,5

3,6

3,9

2,6

1,56

1,67

1,75

1,87

4,36

5,10

5,56

6,86

11

Ilość zaadsorbowanych białek

na powierzchni kuleczek
tłuszczowych zwiększa się wraz ze
wzrostem ciśnienia homogenizacji
(Tab.2):

12

Tabela 2. Adsorpcja białek na powierzchni tłuszczu w zależności od ciśnienia

homogenizacji (McCrae, Muir 1993).

Wielkość

 

 

Ciśnienie homogenizacji,

MPa

 

 

 

6,9

20,7

34,5

Przeciętna średnica

kuleczek tłuszczowych,

μm

 

 

0,80

 

0,57

 

0,47

Adsorpcja kazeiny,

mg/m

2

tł.

10,6

11,8

13,1

Procentowy udział

Γ- kazeina

6,9

6,3

8,3

zaadsorbowanych

Κ- kazeina

14,1

14,6

14,4

frakcji kazeiny

Β- kazeina

22,7

24,6

24,1

 

α

s1

-,α

s2

-

kazeina

47,2

46,4

46,0

 

pozostałe

9,1

8,1

7,2

Adsorpcja białek

serwatkowych,

 

mg/ m

2

tł.

 

0,2

 

0,4

 

0,7

 

immunoglob

uliny

5,4

5,0

4,2

Procentowy udział

zaadsorbowanych

albumina

serum i

laktoferryna

8,8

9,0

7,0

białek serwatkowych

β-Lg

63,4

63,4

65,1

 

α-La

22,4

22,8

23,8

13

Proces homogenizacji powoduje również

zmiany rozmiarów miceli kazeinowych nie
biorących udział w odbudowie otoczek

kuleczek

tłuszczowych.

Utworzone w wyniku procesu submicele

łączą się tworząc micele kazeinowe o

rozmiarach

i składzie odmiennym w porównaniu z

micelami

natywnymi.

14

2. Budowa

homogenizatora

15

W głowicy homogenizatora
zachodzi proces rozgniatania i
rozrywania kuleczek tłuszczowych.
Zasadą pracy głowicy
homogenizującej jest wytworzenie
ciśnienia homogenizującego
poprzez przyłożenie odpowiedniej
siły, aby domknąć elementy głowicy
i spowodować „przeciskanie się”
produktu przez szczelinę.

16

Zawór homogenizujący zbudowany
jest z nieruchomego gniazda,
szczeliny (regulowanej) oraz
pierścienia udarowego:

Rys. 5. Budowa jednostopniowego zaworu homogenizującego
(Dairy Processing

Handbook 2003):

1- grzybek zaworu;
2- pierścień udarowy;
3- nieruchome gniazdo;
4- element dociskowy.

17

W przemyśle mleczarskim stosuje się

także homogenizację dwustopniową, przy
ciśnieniach na pierwszym stopniu w

granicach

15-20 MPa, zaś na drugim stopniu
homogenizacji ciśnienie jest mniejsze (2-10
krotnie) i zawiera się w przedziale 3-7 MPa.

18

Kuleczki tłuszczowe po przejściu przez
zawór

pierwszego stopnia ulegają rozdrobnieniu,

przy

czym istnieje możliwość skupienia się ich w
niestabilne agregaty. Agregaty te rozbijane są

w

zaworze drugiego stopnia pracującym przy

niższym

o 30% ciśnieniu w stosunku do panującego na
pierwszym stopniu.

19

4. Wpływ homogenizacji

wysokociśnieniowej na

drobnoustrojów

Homogenizacja stwarza możliwości stosowania
podczas przerobu mleka łagodniejszych systemów
jego obróbki cieplnej w celu osiągnięcia zamierzonych
efektów.

Ponadto powoduje również zniszczenie znacznej liczby
drobnoustrojów zawartych w przerabianym mleku.

Wysokie ciśnienie procesu przyczynia się do
inaktywacji drobnoustrojów w stopniu zależnym od
parametrów tego zabiegu oraz od rodzaju mikroflory.

20

Wysokie ciśnienie homogenizacji
wpływa prawie w całości na
inaktywację drożdży i pleśni.

Mimo to stosowanie tak wysokich
ciśnień nie inaktywuje przetrwalników
a może przyczynić się do przyśpieszenia
ich kiełkowania

21

Wpływ

wysokociśnieniowej

homogenizacji

na

zniszczenie

drobnoustrojów

zależy od

ciśnienia

przeprowadzanego

procesu (Tab. 3).

Mleko

Niehomo-

genizowan

e

Homogeniz

acja przy

200 MPa

Homogeniz

acja przy

300 MPa

Ogólna liczba drobnoustrojów

(j.t.k./cm

3

)

1,8-2,7 x

10

4

1,7-1,9 x

10

3

28-48

Procentowy

udział

drobnoustroj

ów

-

ciepłoodporn

e

-

psychrotrofo

we

- mezofilne

-

Lactobacillus

2-12

43-68
16-24

1-4

4-12

11-34
26-33

1-4

100

21-57

71-100

13-43

Temperatura wlotowa mleka (

o

C)

Temperatura wylotowa mleka (

o

C)

24

24

60,3

78

22

Bakteriobójczy wpływ
homogenizacji wzrasta dodatkowo
przy dodaniu enzymów litycznych.
Zastosowane przed homogenizacją
powodują rozluźnienie struktury
ścian komórkowych bakterii, a co za
tym idzie odporność
mikroorganizmów na oddziaływane
mechaniczne jest niższa i ich
inaktywacja jest bardziej efektywna.

23

5. Wpływ homogenizacji

na cechy mleka.

Kwasowość czynna i potencjalna mleka;
Przewodność elektryczna mleka;
Stabilność cieplna mleka;
Lepkość mleka;
Barwę i smak mleka;
Krzepliwość mleka pod wpływem działania
podpuszczki;
Lipoliza mleka;
Oksydacja mleka;
Strawność białek mleka.

24

Kwasowość czynna i

potencjalna mleka

Homogenizacja

powoduje

wzrost

kwasowości potencjalnej oraz obniżenie
kwasowości czynnej mleka.

Zachodzące w wyniku homogenizacji zmiany kwasowości

czynnej i kwasowości potencjalnej są odzwierciedleniem
zachwiania równowagi składników plazmy mleka
odpowiedzialnych za te cechy fizykochemiczne.

W wyniku dezintegracji micel do podjednostek

następuje zachwianie równowagi soli mineralnych, związane z
przejściem koloidalnego fosforanu wapnia w formę
rozpuszczalną

25

Przewodność elektryczna

mleka

Homogenizacja powoduje wzrost
przewodności elektrycznej mleka.

Homogenizacja oddziałuje na dezintegrację micel do podjednostek,
które łatwo ulegają adsorpcji na powierzchni tłuszczu.
Oprócz wzrostu stopnia rozproszenia miceli kazeinowych
homogenizacja powoduje uwolnienie do fazy wodnej frakcji kazeiny
χ, αs

1

, αs

2

.

Zachwianie równowagi soli mineralnych w tym przypadku
związane jest z dysocjacją koloidalnego fosforanu wapnia i
przejściem wapnia i fosforu w formę rozpuszczalną co może
przyczynić się do wzrostu przewodności.

26

Stabilność cieplna mleka

Zastosowanie homogenizacji
wysokociśnieniowej wpływa na obniżenie
stabilności cieplnej mleka.

Na stabilność cieplną pełnego mleka homogenizowanego wpływa
koncentracja białek na powierzchni kuleczek tłuszczowych.
Wzrost adsorpcji białek, głównie kazeiny, na powierzchni
kuleczek tłuszczowych i związane z tym, zmiany ich stabilności
stanowią główną przyczynę wzrostu wrażliwości mleka
poddanego procesowi homogenizacji na czynniki koagulujące.
Negatywny wpływ homogenizacji na stabilność cieplną mleka
można obniżyć stosując odpowiedni dobór parametrów procesu
homogenizacji lub też stosować homogenizację dwustopniową

27

Lepkość mleka

Homogenizacja wpływa na niewielki
wzrost lepkości mleka.

Proces homogenizacji podnosi lepkość mleka 1,2- 1,4-

krotnie. Związane jest to z większym stopniem dyspersji
tłuszczu mlekowego a także występowaniem gronek i skupisk
pohomogenizacyjnych, szczególnie wyraźnym w przypadku
nie tylko samego mleka, ale również innych produktów
charakteryzujących się wysoką zawartością tłuszczu, np.
śmietanka.

28

Barwa i smak mleka

Homogenizacja wywiera wpływ na smak i
barwę

mleka homogenizowanego:

pełniejsza percepcja smaku (zwiększa się powierzchnia
kontaktu tłuszczu z kubkami smakowymi);

większą podatność na światło słoneczne, przez co może
pojawiać się w nim posmak słoneczny;

większą zdolność zabielająca tzw. wybielanie mleka
nazywane z języka angielskiego „milk witening”.

29

Krzepliwość mleka pod wpływem

działania podpuszczki

Homogenizacja przez oddziaływanie na

zmiany frakcji koloidalnej (białka, fosforanu

wapnia) powoduje skrócenie czasu

krzepnięcia podpuszczkowego mleka, które

uzależnione jest od parametrów procesu.

Proces homogenizacji mleka wpływa na parokrotne obniżenie

zawartości tłuszczu w serwatce, nawet do 0,1% Proces synerezy

hamowany jest poprzez wbudowanie kazeiny micelarnej

w powierzchniową warstwę kuleczek tłuszczowych, co powoduje, iż

tłuszcz staje się częścią parakazeinianu wapnia podczas tworzenia

skrzepu.

30

Lipoliza mleka

Mleko homogenizowane jest bardziej

podatne na działanie enzymów

lipolitycznych.

Homogenizacja mleka zwiększając stopień dyspersji tłuszczu,

przyspiesza jego hydrolizę na skutek migracji lipaz na granicę faz

podczas rekonstytuowania otoczek kuleczek tłuszczowych oraz

wzrostu dostępności substratu w wyniku zwiększenia powierzchni

tłuszczu i wzrostu przepuszczalności otoczki.
Hydroliza homogenizowanego tłuszczu mlekowego przebiega z

najwyższą intensywnością bezpośrednio po homogenizacji, a jej

tempo zależy od parametrów przeprowadzonego procesu i np.

w temperaturze 40C już ciśnienie 7 MPa wystarcza, aby kuleczki

tłuszczowe uczynić podatne na działanie lipaz.

31

W wyniku lipolizy występują zmiany cech

organoleptycznych (jełkość) oraz podwyższenie

kwasowości mleka oraz wpływa ona na szereg

cech fizykochemicznych obniżających jakość

i przydatność technologiczną mleka.

Z uwagi na fakt, że lipaza mleczna jest

inaktywowana dopiero podczas ogrzewania w

temperaturze 72C przez 60 sekund.

Korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie

obróbki cieplnej przed procesem homogenizacji

co powoduje znaczne obniżenie działania lipa i

zakresu przemian lipolitycznych w produkcie.

32

Oksydacja mleka

Proces homogenizacji mleka znacznie opóźnia
utlenianie tłuszczu, na skutek odsłonięcia grup
–SH wiązania przez nie jonów miedzi, które są
katalizatorami tych reakcji, a ponadto zmniejsza
dostępność fosfolipidów podatnych na reakcje
utleniania.

33

Strawność białek mleka

Z punktu żywieniowego proces
homogenizacji nie wpływa w większym
stopniu na wartość odżywczą produktów
mleczarskich.

Produkty te charakteryzują się mimo to
większą przyswajalnością zarówno tłuszczu
jak i białka, a skrzep, który tworzy się
w żołądku ma lepszą dostępność przez
działające w nim enzymy.

34

Literatura:

1. Dairy Processing Handbook, 2003 Tetra Pack;
2. Dębski G., Gea Niro Soavi, Gea Process Engineering Sp. z o. o., wykład.
3. Kiełczewska K., A. Kruk , 1997, Technologiczne aspekty homogenizacji mleka. Przeg. Mlecz., 4, 117 - 121.
4. Kiełczewska K., E. Haponiuk, A. Krzyżewska, 2000a, Effect of high pressure homogenization on some

physicochemical

properties of milk. Medical FacultyLandbouww University of Gent, 65/3b, 603-606.
5. Kiełczewska K., A. Kruk, M. Czerniewicz, 2000b, Homogenizacja wysokociśnieniowa.Biul. Inf. Rhodia Food
BIOLACTA, 2 (20), 12-14.
6. Kiełczewska K., A. Kruk, M. Czerniewicz, M. Warmińska, E. Haponiuk, 2003, The effect of high-pressure
homogenization on changes in milk coloidal and emulsifying systems. Pol. J. Food Nutr. Sci. 12, 1, 43 – 46.
7. Komsta H., 2000, Analiza procesów homogenizacji ciśnieniowej emulsji i zawiesin w przemyśle spożywczym-

rozprawa

habilitacyjna. AR, Lublin;
8. Komsta H., K. Olszewski, 2006, Modernizacja układu regulacji ciśnienia homogenizacji, Inżynieria Rolnicza, 5, 283 –
289.
9. Kruk A., J. Kisza, A. Rozkosz, 1973, Próba określenia stabilności termicznej mleka. Zesz. Nauk., ART. Olsztyn, Techn.
Żywn., 1, 35 – 46.
10. McCrae C.H., D. Hirst , A.J.R. Law, D.D. Muir, 1994, Heat stability of homogenized milk: role of interfacial protein.

J.

Dairy Res., 61, 507 – 516.
11. Pijanowski E.,1980, Zarys chemii i technologii mleczarstwa Tom I. Wyd. PWRiL, Warszawa.
12. Pijanowski E., J. Gaweł, 1986, Zarys chemii i technologii mleczarstwa Tom III. Wyd. PWRiL, Warszawa.
13. Ziajka S. 1997, Mleczarstwo zagadnienia wybrane. Wyd. ART. Olsztyn .
14. Ziajka S. 1997, Mleczarstwo zagadnienia wybrane. Wyd. Uniwersytetu Warmińsko Mazurskiego w Olsztynie.