UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ TECHNOLOGII śYWNOŚCI

Katedra Przetwórstwa Produktów Zwierzęcych

ĆWICZENIE 2

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY

FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Studia niestacjonarne II stopnia – rok I, semestr I

Specjalizacja: Przetwórstwo Mleka

Technologia Specjalizacyjna I: Mleko i koncentraty mleczne

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

I. WSTĘP

Ogrzewanie jest jednym z podstawowych zabiegów w procesach przetwarzania mleka.

Mamy z nim do czynienia podczas pasteryzacji i sterylizacji mleka, podczas zagęszczania w

wyparkach oraz podczas suszenia mleka.

W zależności od wysokości stosowanej temperatury i czasu jej działania wyróżniamy

kilka systemów pasteryzacji i sterylizacji mleka.

Pasteryzacja – jest to ogrzewanie produktu do temperatury niższej od temperatury

wrzenia w czasie potrzebnym do zabicia wszystkich znajdujących się w nim drobnoustrojów

chorobotwórczych i większości drobnoustrojów saprofitycznych, w celu zapewnienia takiego

stanu zdrowotnego, który umożliwia bezpośrednie spożycie produktu oraz trwałość potrzebną

do jego przechowywania w temperaturze 4-8 °C, przez czas potrzebny do transportu,

dystrybucji i ewentualnego dalszego przerobu.

Wpływ działania temperatury na składniki mleka oraz drobnoustroje zawarte w tym

mleku jest funkcją czasu, która wyraża się równaniem logarytmicznym:

Log x = a - b⋅t

Gdzie: t – temperatura, °C;

x – czas potrzebny do zabicia bakterii w sek;

a, b – stałe.

Z równania wynika, że im wyższa jest temperatura pasteryzacji, tym krótszy jest wymagany

czas ogrzewania.

W zależności od wysokości stosowanej temperatury i czasu jej działania wyróżniamy

kilka systemów pasteryzacji mleka:

System pasteryzacji:

Parametry obróbki:

- niska długotrwała

63-65 ºC/ 20-30 min.

- krótkotrwała

72 ºC/ 15 sek.

- wysoka

80-85 ºC/ 15-20 sek.-kilkanaście min.

- momentalna

85-90 ºC/ 1-2 sek.

- wysoka długotrwała

95ºC/ 30 min. (pasteryzacja mleka do produkcji zakwasów)

Dobór metody pasteryzacji zależy przede wszystkim od jakości mleka poddawanego

pasteryzacji, od kierunku przerobu oraz od wymagań w stosunku do mleka poddawanego

obróbce termicznej stawianych przez ustawodawstwo danego kraju.

Zasadnicze cele pasteryzacji to:

- całkowite zniszczenie mikroflory chorobotwórczej,

- maksymalne zniszczenie mikroflory saprofitycznej,

- unieczynnienie enzymów rodzimych i bakteryjnych,

- zniszczenie drożdży i pleśni,

- usunięcie z mleka gazów.

Prawidłowo przeprowadzona pasteryzacja niszczy powyżej 99% saprofitycznej

mikroflory mleka. Ilość drobnoustrojów pozostających w pasteryzowanym mleku jest zależna

głównie od początkowego zakażenia surowca. Stosowane systemy pasteryzacji powodują

również zniszczenie rodzimych i bakteryjnych enzymów mleka. Wpływ temperatury

pasteryzacji na zniszczenie niektórych enzymów mleka przedstawia tabela:

1

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Enzym

Substrat

pH

Temperatura inaktywacji

Lipazy

Glicerydy

5,2 – 9,8

71°C/36 sek lub 80°C/20 sek

Fosfataza

Kw. f. glicerynowy

6,8 – 10,1

63°C/30 min lub 72°C/15 sek

alkaliczna

Fosfataza

Kw. f. glicerynowy

4,0 – 4,5

88°C/30 min lub 92°C/2 min

kwasowa

Amylazy

skrobia

7,4

63°C/30 min

Proteazy

proteiny

6,5 – 9,0

90°C/1-5 min

Peroksydaza

75°C/3 min lub 80°C/30 sek

H2O2

6,8

lub 85°C/13 sek lub 88°C/8 sek

Katalaza

65°C/30 min lub 90-

H2O2

7,0

92°C/natychmiast

Na wykrywaniu obecności lub nieobecności niektórych enzymów w mleku opierają

się praktyczne próby określenia skuteczności pasteryzacji:

Enzym

System pasteryzacji:

amylaza

fosfataza alkal.

peroksydaza

fosfataza kwas.

- niska długotrwała

-

-

+

+

- krótkotrwała

-

-

+

+

- wysoka

-

-

-

+

- momentalna

-

-

-

+

- wysoka długotrwała

-

-

-

-

- brak

+ obecność

Ogrzewanie mleka do temperatury 88-95 °C bardzo korzystnie wpływa na trwałość

niektórych produktów np. proszku mlecznego i masła. Spowodowane jest to m.in.

uwalnianiem się z białek serwatkowych, głównie z β-laktoglobuliny grup sulfhydrylowych (-

SH), które w mleku surowym występują w formie utajnionej. Optymalna temperatura

uwalniania grup –SH wynosi ok. 90 °C. Wolne grupy –SH wykazują działanie

przeciwutleniające, które polega na obniżeniu potencjału oksydoredukcyjnego oraz wiązaniu

jonów miedzi i żelaza (katalizatory utleniania) w nieczynne sulfidy.

Oprócz pożądanych zmian wywołanych pasteryzacją, ogrzewanie powoduje cały

szereg niekorzystnych zmian w mleku. Należą do nich:

− denaturacja białek serwatkowych – najbardziej wrażliwe są immunoglobuliny,

albumina serum, β-laktoglobulina, α-laktoalbumina;

− utrata witamin – najbardziej wrażliwa jest witamina C, witaminy B1 i B2 wykazują

większą odporność;

− przemiany wapnia i fosforanów – obniżenie krzepliwości pod wpływem

podpuszczki;

− zmiany barwy, smaku i zapachu (posmak gotowania, utleniania).

Sterylizacja - to ogrzewanie mleka w temp. powyżej 100 ºC w czasie niezbędnym do uzyskania sterylności handlowej tj. nieobecności w produkcie mikroorganizmów zdolnych do

rozmnażania się w trakcie przechowywania.

2

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Stosowane systemy sterylizacji:

System sterylizacji:

Parametry obróbki:

- długotrwała

110 ºC/ 2-30 min.

- UHT (ultra high temperature)

130-150 ºC/ kilka sek.

Zmiany składników mleka podczas sterylizacji są wyraźniejsze, większe jest też

obniżenie wartości biologicznej, które może następować np. na skutek reakcji Maillarda

zachodzącej głównie między aminokwasem egzogennym lizyną, a grupą aldehydową laktozy.

Oprócz lizyny udział w tej reakcji brać mogą następujące aminokwasy: arginina, histydyna i

tryptofan.

Oprócz pasteryzacji i sterylizacji ogrzewanie mleka występuje również w procesach

zagęszczania i suszenia mleka.

W najczęściej stosowanych opadowych wyparkach trójdziałowych temperatura, do

której ogrzewane jest mleko w poszczególnych działach wynosi:

I – 65-70 ºC;

II – 55-60 ºC;

III – 42 ºC.

Suszenie odbywa się najczęściej w suszarkach rozpyłowych, w których czynnikiem

suszącym jest gorące powietrze o temperaturze 150 ºC. Mleko ogrzewane jest do temperatury

nie przekraczającej zwykle 70 ºC.

Zmiany w składnikach mleka wywołane zagęszczaniem lub suszeniem są

pogłębieniem zmian powstających w procesie pasteryzacji.

3

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

II. WYKONANIE

OGRZEWANIE

Próbki mleka:

1. nieogrzewane (surowe)

2. pasteryzowane – 72-75 °C/ 15 sek. – pasteryzacja krótkotrwała

3. pasteryzowane – 95 °C/ 30 min. – pasteryzacja wysoka długotrwała

4. sterylizowane – 115-120 °C/ 20 min – sterylizacja długotrwała

5. UHT

ANALIZY:

1. Oznaczanie kwasowości potencjalnej

Wykonanie. Do kolby stożkowej odmierzyć 25 cm3 mleka, dodać kilka kropel fenoloftaleiny

i miareczkować 0,25 N roztworem NaOH do lekko różowego zabarwienia utrzymującego się

przez 30 sekund. Wynik wyrazić w °SH tj. ilość cm3 zużytego do miareczkowania r-ru NaOH

pomnożyć przez 4.

Interpretacja wyniku

Kwasowość świeżego surowego mleka mieści się w zakresie 6-7,5 °SH (pH 6,6-6,8). Podczas

ogrzewania obserwuje się spadek pH oraz wzrost kwasowości miareczkowej mleka. Przyczyniają się

do tego: wzrost ilości koloidalnego fosforanu i spadek jonów Ca2+, przemiany laktozy prowadzące do

powstawania laktulozy i kwasów organicznych, wzrost zawartości fosforanów nieorganicznych na skutek rozpadu estrów fosforowych i fosfolipidów.

2. Stwierdzenie obecności fosfatazy alkalicznej przy pomocy fosfatestów

Wykonanie. Bezpośrednio przed użyciem koniec torebki foliowej obciąć nożyczkami od

strony, na której widoczna jest perforacja, wyciągnąć wskaźnik i zanurzyć go w badanym

mleku po znak perforowania na 2-3 sek. Nasycony mlekiem fosfatest włożyć z powrotem do

torebki foliowej. Oderwać część perforowaną, po czym fosfatest przyprasować dłonią, a

następnie inkubować przez 1 godz. w temperaturze 37-38 °C.

Po inkubacji dokonać oceny barwy fosfatestu i porównać ze wzorcem, posiadającym

pięciozakresową skalę barw o różnym stopniu intensywności koloru żółtego i kremowego:

Wzorzec

Barwa

Interpretacja

„K”

biała

mleko prawidłowo spasteryzowane

„S”

intensywnie żółta

mleko niepasteryzowane

„1”

lekko kremowa

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 1% mleka

niepasteryzowanego

„2,5”

kremowa

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 2,5% mleka

niepasteryzowanego

„5”

lekko żółta

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 5% mleka

niepasteryzowanego

Interpretacja wyniku

Interpretacji dokonać według powyższych wytycznych. Prawidłowo spasteryzowane mleko nie

powinno reagować ze wskaźnikiem (brak fosfatazy), a fosfatest po inkubacji powinien przybrać barwę

wzorca „K” (barwa kontrolna).

4

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

3. Próba Sherna-Gorliego

Wykonanie. Do probówki wlać 5 cm3 mleka i 2 krople roztworu indyga, dobrze wymieszać i

pozostawić w termostacie w temperaturze 37 °C. Jeżeli po 2 godz. w górnej warstwie utworzy

się czerwona obrączka, wyraźnie odróżniająca się od reszty mleka – reakcja jest dodatnia (+)

czyli mleko nie było pasteryzowane. Jeżeli obrączki nie będzie – reakcja jest ujemna (-) tzn.

mleko było pasteryzowane. Mleko pasteryzowane zmieszane z mlekiem niepasteryzowanym

wykazuje dwie obrączki, górną bezbarwną i dolną barwną, co pozwala stwierdzić już 5%

dodatek mleka surowego do pasteryzowanego.

4. Próby na obecność peroksydazy

a) próba Storcha

Wykonanie. Do probówki odmierzyć 5 cm3 mleka, dodać 1 kroplę 1% H2O2 i 2 krople 2%

parafenylenodwuaminy. Probówkę wstrząsnąć w celu wymieszania zawartości. Obserwować

zabarwienie próbki w ciągu 0,5 minuty.

Interpretacja wyniku

Interpretacji dokonać według tabeli:

Barwa

Interpretacja

ciemnoniebieska

mleko niepasteryzowane lub pasteryzowane w temperaturze nie wyższej niż 78°C

jasnoniebieska

mleko pasteryzowane w temperaturze 78-80°C

biała (bez zmiany)

mleko pasteryzowane w temperaturze powyżej 85°C

b) próba Dupoy

Wykonanie. Do probówki odmierzyć 2 cm3 mleka, 2 cm3 nasyconego roztworu gwajakolu, po czym po wymieszaniu dodać 1-2 krople 0,5 r-ru % H2O2 i obserwować zabarwienie górnej

warstwy płynu. (Probówkę należy ogrzać trzymając ją w dłoni).

Interpretacja wyniku

Zabarwienie różowo-pomarańczowe nie znikające w ciągu minuty wskaże, że mleko zawiera

peroksydazę. Brak zabarwienia świadczy o ogrzewaniu mleka w temperaturze powyżej 80°C. Na wynik próby Dupouy oraz próby Storcha wpływa kwasowość mleka: mleko o kwasowości powyżej 22°SH wykazuje ujemną reakcję na peroksydazę. Obecność bakterii denitryfikujących, ślady miedzi,

dodatek dwuchromianu potasowego mogą wywołać reakcję dodatnią pomimo prawidłowego

przeprowadzenia pasteryzacji.

5. Oznaczanie stopnia denaturacji białek serwatkowych

Wykonanie. Do kolby stożkowej odmierzyć cylindrem 100 cm3 mleka, dodać powoli 7 cm3

10% kwasu octowego przy jednoczesnym wolnym mieszaniu próby bagietką. Po dodaniu

kwasu próbę pozostawić w spokoju przez 3 min. po czym przesączyć przez sączek z bibuły Whatman 3. Następnie do skalowanej probówki odmierzyć 7 cm3 przesączu i dodać 3 cm3

10% kwasu fosforowolframowego. Całość wymieszać bagietką, a następnie wirować w

wirówce laboratoryjnej przez 25 min. przy 2000 obr./min. Po odwirowaniu wynik (ilość

osadu) odczytać z dokładnością do 0,1 cm3. W oparciu o uzyskane wyniki obliczyć stopień denaturacji białek serwatkowych w próbach mleka ogrzewanego korzystając ze wzoru:

100( a b

D

− )

= a

gdzie:

D- stopień denaturacji białek serwatkowych (%);

a – ilość osadu w mleku surowym (cm3);

5

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

b – ilość osadu w mleku ogrzewanym (cm3).

Interpretacja wyniku

W trakcie ogrzewania mleka dochodzi do denaturacji białek serwatkowych. Szczególnie wrażliwe są

pod tym względem immunoglobuliny, albumina serum, β-laktoglobulina i α-laktoalbumina. Kazeina

(główne białko mleka) jest natomiast odporna na ogrzewanie powyżej 100°C. Stopień denaturacji białek serwatkowych zależy od parametrów obróbki termicznej, i tak: podczas pasteryzacji denaturuje

do 10% białek serwatkowych, obróbki UHT – 50-70%, podczas sterylizacji – 90-100%.

6. Oznaczanie 5-hydroksymetylofurfuralu i jego prekursorów

Zasada. Oznaczenie polega na spektrofotometrycznym pomiarze intensywności zabarwienia

powstałego w wyniku reakcji 5-hydroksymetylofurfuralu (HMF) z kwasem 2-

tiobarbiturowym TBA. Metoda ta pozwala na łączne oznaczenie tzw. wolnego i potencjalnego

HMF tj. obecnego w postaci prekursorów będących ubocznymi lub pośrednimi produktami

brązowienia. Zmiana prekursorów na HMF zachodzi podczas ogrzewania mleka z kwasem

szczawiowym.

Wykonanie. Do probówki miarowej ze szlifem o pojemności 25 cm3 odmierzyć 10 cm3

mleka dodać 5 cm3 0,3 n kwasu szczawiowego, dokładnie wymieszać, nakryć probówkę małą

zlewką lub folią i umieścić we wrzącej łaźni wodnej na 1 godz. Po wyjęciu z łaźni i

ochłodzeniu dodać ciągle mieszając 5 cm3 40% kwasu trójchlorooctowego. W razie

częściowego odparowania uzupełnić wodą do 20 cm3, wymieszać i sączyć przez bibułę

Whatman 1. Do suchej probówki odmierzyć 4 cm3 filtratu, dodać 1 cm3 0,05 M roztworu

TBA, probówkę zamknąć i umieścić w kąpieli wodnej o temperaturze 40 °C na 30-40 min. Po

ochłodzeniu do temp. pokojowej zmierzyć absorbancję roztworu E przy długości fali 443 nm

i grubości warstwy 1 cm wobec próby ślepej, w której zamiast mleka użyto 10 cm3 wody.

Zawartośc HMF wolnego i ogólnego obliczyć ze wzorów:

HMFwolny = (E – E wody) ⋅ 71,8 – 0,53 (µmol/l)

HMFogólny = (E – E wody) ⋅ 72,6– 0,55 (µmol/l)

Interpretacja wyniku

Hydroksymetylofurfural (HMF) jest jednym z wielu produktów wysoce złożonych reakcji typu

Maillarda zapoczątkowanych reakcją grup aminowych białek i aminokwasów z grupami

karbonylowymi cukrów redukujących. Wzrostowi zawartości HMF sprzyja wysoka wilgotność oraz

wysoka temperatura. Zatem im wyższa jest temperatura i czas ogrzewania tym większa zawartość HMF.

7. Oznaczenie ogólnej ilości witaminy C

Zasada. Formę utlenioną (dehydro) witaminy C należy uprzednio przeprowadzić w postać zredukowaną (kwas askorbinowy) za pomocą H2S wydzielonego z Na2S po zakwaszeniu

środowiska. Nadmiar siarkowodoru, który może zredukować indofenol defekuje się za

pomocą HgCl2, bez ujemnego wpływu na samą witaminę. Po przesączeniu strąconych

siarczków i białek, otrzymany klarowny filtrat miareczkuje się roztworem barwnika

indofenolowego zgodnie z metodą Tillmansa.

Wykonanie. Do cylinderka miarowego na 25 cm3 z korkiem odmierzyć 1,75 cm3 1 M

roztworu Na2S, a następnie 3,5 cm3 1 M HCl i 12,5 cm3 badanego mleka. Przestrzegać

kolejności dodawania płynów. Dalej oznaczenie wykonywać pod sprawnym wyciągiem.

Płyny wymieszać i zamknięty cylinder pozostawić na 10-15 minut w spokoju pod wyciągiem,

chroniąc przed dostępem światła. Następnie dodać 2,5 cm3 1 M alkoholowego roztworu

6

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

HgCl2, dopełnić wodą do 25 cm3, wstrząsnąć i sączyć. Odmierzyć do kolbki 10 cm3

klarownego filtratu i miareczkować mianowanym roztworem indofenolu do trwałego

różowego zabarwienia. Wykonać też próbę ślepą. Zawartość witaminy C ogółem w mleku

obliczyć ze wzoru:

( a − b) ⋅ ,

0 088 ⋅ 20

mg% wit C

. =

d

gdzie:

a – ilość cm3 ściśle 0,001 N indofenolu zużyta na 10 cm3 mleka;

b - ilość cm3 ściśle 0,001 N indofenolu zużyta w próbie ślepej;

0,088 – ilość mg kw. askorbinowego (wit. C) odpowiadająca 1 cm3 ściśle 0,001 N

indofenolu;

d – gęstość mleka.

Interpretacja wyniku

Dane literaturowe podają, iż mleko surowe zawiera około 18 mg witaminy C w 1 L (tj. 1,8 mg%). W

trakcie ogrzewania dochodzi do obniżenia jej zawartości, tym wiekszego im wyższą temperaturę i czas

ogrzewania stosuje się w trakcie obróbki. Straty witaminy C w trakcie ogrzewania mleka w temperaturze 75 °C w czasie15 sekund sięgają 5-20%; w temperaturze 140 °C/15 sek. 10-20%, zaś sterylizacja w temperaturze 115°C w czasie 20 minut powoduje obniżenie poziomu tej witaminy o 30-60%, przy czym należy pamiętać, że stopień tych zmian zależy również od stężenia tlenu w trakcie obróbki cieplnej.

Literatura:

1. Budsławski J. 1973. Badanie mleka i jego przetworów. PWRiL, W-wa.

2. Burton H. 1988. Ultra-high temperature processing of milk and milk products. Elsevier, London.

3. Fox P.F. 1995. Heat-induced changes in milk. IDF Special Issue Nr 9501, Brussel.

4. Pijanowski E. 1984. Zarys chemii i technologii mleczarstwa T. 1. PWRiL, W-wa.

5. Walstra P., Geurts T.J., Noomen A., Jellema A., van Boekel M.A.J.S. (red.) 1999. Dairy Technology.

Pronciples of Milk Properties and Processes. Part II. Marcel Dekker Inc., New York.

6. Ziajka S. 1997. Mleczarstwo zagadnienia wybrane. ART., Olsztyn.

7. Zmarlicki S. 1981. Ćwiczenia z analizy mleka i produktów mleczarskich. Skrypt SGGW, W-wa.

7