Aleksandra Olech

Technologia Żywności i

Żywienie Człowieka, Rok III

Grupa I

Stabilność układu koloidalnego mleka

Pod względem fizykochemicznym mleko jest roztworem koloidowym. Ośrodkiem dyspersyjnym jest woda, a pozostałe składniki mleka tworzą fazę rozproszoną. W skład substancji rozproszonych wchodzą zawiązki wielkocząsteczkowe, cząsteczki, jony, a także ciała ciekłe. Do związków wielkocząsteczkowych mleka nalezą białka nadające mu cechy roztworu koloidalnego, w postaci cząsteczek rozpuszczone są cukrowce (laktoza), w postaci jonów występują związki mineralne, a ciekły w temperaturze organizmu produkującego mleko tłuszcz rozproszony jest w postaci kuleczek, nadając mleku charakter emulsji.

Mleko stanowi bardzo złożony układ koloidalny. Jego składniki mineralne (głównie NaCl), cytryniany i laktoza rozpuszczone są w wodzie mleka i tworzą roztwór właściwy, natomiast białka mleka i część fosforanów wapniowych tworzą roztwór koloidalny.

O właściwościach roztworu koloidalnego mleka decyduje przede wszystkim duży udział kazieny w zawartości ogólnej białek. Jest ona głównym i najważniejszym białkiem mleka. Stanowi ona około 80% ogólnej zawartości białek mleka, a jej zawartość w mleku waha się najczęściej w granicach od 2,3 do 2,6%. Kazeina jest fosfoproteiną - w składzie elementarnym oprócz węgla (53%), wodoru (7%), tlenu (22%), azotu (15,65%) i siarki (0,76%) zawiera także fosfor (0,85%), który występuje tu w postaci reszt orto- i pirofosforanowych, związanych estrowo jako monoestry lub dwuestry - w określonych miejscach cząsteczek – głównie z seryną, a także treoniną.

W składzie kazeiny wyróżniono 20 frakcji różniących się zawartością fosforu, składem aminokwasów, masą cząsteczkową, udziałem sacharydów i właściwościami. Kazeina więc nie jest białkiem jednorodnym. Do głównych jej frakcji należą:

• kazeina α,

• kazeina β,

• kazeina γ,

• αs- kazeina (strąca się w obecności jonów wapnia),

• к-kazeina (nie strąca się w obecności jonów wapnia)

W mleku ok. 95% kazeiny występuje w postaci sferycznych, silnie porowatych skupisk, zwanych micelami. Micele kazeinowe charakteryzują się znacznymi rozmiarami (średnica od 25 do 300 nm, średnio 150), dlatego w fazie wodnej mleka tworzą roztwór koloidalny (zol). Zostają one uformowane w komórkach mlekotwórczych łańcuchów polipeptydowych poszczególnych frakcji kazeiny połączonych ze sobą za pomocą mostków utworzonych przez jony wapniowe, fosforanowe, a także cytrynianowe.

We wszystkich modelach przyjmuje się, że wnętrze miceli stanowią monomery αs, β i inne śladowe frakcje kazeinowe, zaś zewnętrzną powłokę – cząsteczki к-kazeiny zasocjowane z αs- lub też β-kazeiną, przy czym cząsteczki tych dwóch frakcji mają być zwrócone na zewnątrz miceli (w kierunku frakcji к) tą częścią łańcucha polipeptydowego, która zawiera w przewadze aminokwasy kwaśne. W strukturze micelarnej kazeiny szczególną rolę przypisuje się glikoproteinie - к-kazeinie. Obecność tylko jednej grupy fosforanowej w jej cząsteczce czyni ją rozpuszczalną w obecności jonów wapnia, a - sacharydowego fragmentu złożonego z galaktozy, N-acetylo-galaktozaminy i kwasu N-acetyloneuraminowego zwanego makropeptydem, decyduje o silnych właściwościach hydrofilnych. Poza tym, łącząc się z cząsteczkami innych frakcji poprzez wiązania jonowe i hydrofobowe, nie ulegają wytrąceniu. W świeżym mleku o pH≈6,6 micele kazeinowe mają ujemny ładunek elektryczny, wywołany przewagą zdysocjowanych grup kwasowych nad zasadowymi. Warunkuje to tworzenie się warstw hydratacyjnych otaczających micele przez wiązanie cząsteczek wody – 2g H₂O na 1g białka. Warstwy hydratacyjne o jednoimiennych ładunkach elektrycznych wzajemnie się odpychają, stabilizując roztwór koloidalny kazeiny.

Ze względu na micelarną strukturę kazeina różni się swoimi właściwościami fizykochemicznymi od pozostałych białek. Jak już wyżej wspomniałam układ koloidalny mleka jest stabilizowany przez odpychanie się jednoimiennych ładunków elektrycznych warstw hydratacyjnych. Układ koloidalny mleka może jednak ulec destabilizacji poprzez koagulację (przejście zolu w żel). Jest to zjawisko, w którym następuje przejście kazeiny w formie miceli, ze stanu koloidalnego do formy skrzepu. W efekcie następuje utrata powłoki hydratacyjnej miceli, modyfikacja ich potencjału elektrycznego oraz zmiana ich struktury przestrzennej i odsłonięcie aktywnych miejsc łańcucha polipeptydowego. Następuje agregacja miceli i powstanie sieci wiązań utrzymujących strukturę „skrzepu”.

Koagulacja mleka może być wywołana czynnikami zewnętrznymi, takimi jak:

• ogrzewanie – następuje nieodwracalna denaturacja cieplna

• zmiany kwasowości – koagulacja wskutek zakwaszania

• oddziaływanie sił jonowych – wysalanie

• działanie enzymów – koagulacja enzymatyczna

Zdolność do koagulacji mleka jest jedną z najbardziej pożądanych właściwości mleka wykorzystywanych w przetwórstwie. W tym celu stosuje się metody, których podstawą jest fakt, iż białka serwatkowe ulegają denaturacji i agregacji oraz skompleksowaniu z micelami kazeinowymi w czasie dość silnego ogrzewania mleka, szczególnie wzbogaconego w jony wapniowe, i w konsekwencji wytrącają się razem z kazeiną pod wpływem działania podpuszczki, jonów wodorowych lub jonów wodorowych w podwyższonej temperaturze.

Koagulacja cieplna zachodzi podczas ogrzewania mleka, które powoduje nieodwracalne zmiany wtórnych struktur białek – rozerwanie wiązań wodorowych i hydrofobowych kształtujących struktury 2-, -3 i 4- rzędowe, prowadzące do zmiany ich właściwości i destabilizacji stanu dyspersji. Następuje wówczas denaturacja cieplna, której to najłatwiej ulegają białka serwatkowe mleka. Proces koagulacji tych białek wskutek ogrzewania serwatki podpuszczkowej do temperatury 90 wykorzystywany jest podczas produkcji serów albuminowych i laktozy. Ze względu na wysoką stabilność miceli kazeinowych podczas ogrzewania, koagulacja następuje dopiero po długotrwałym ogrzewaniu w temp. powyżej 100. Wzrost kwasowości mleka powoduje radykalne zmniejszenie stabilności cieplnej kazeiny – przy pH=6,2 kazeina koaguluje w temp. poniżej 100. Podobny efekt uzyskuje się przez podwyższenie zawartości wapnia jonowego. Te zjawisko wykorzystano w procesach technologicznych wytrącania wszystkich białek mleka, co nosi nazwę ko precypitacji. Stwierdzono, że ogrzewając mleko w temperaturze ok. 90 , dodając jednocześnie CaCl₂ podnosząc stopień zakwaszenia, można wydzielić nawet 96% białek formie ko precypitatów o zróżnicowanej zawartości Ca i P.

Koagulacja przez zakwaszanie, spowodowana jest cofnięciem się dysocjacji grup kwasowych micel kazeinowych. Przy pH=4,6 w t=20 ilość zdysocjowanych grup kwasowych i zasadowych w micelach kazeiny jest równa (punkt izoelektryczny), a zewnętrzny ładunek elektryczny miceli jest równy zeru. Tym samym rozpuszcza się koloidalny fosforan wapnia, zawarty w micelach, a powstałe jony Ca²⁺ i fosforanowe przechodzą do fazy wodnej. Następują wówczas zmiany geometryczne micel, ułatwiając tym samym bezpośredni wzajemny kontakt i tworzenie się wiązań między micelami, co w rezultacie daje żel kazeinowy o uporządkowanej strukturze sieciowej, zwany „skrzepem”, zamykający w wolnych przestrzeniach sieci wszystkie pozostałe składniki mleka. W mleku o wyższej zawartości kazeiny powstaje skrzep bardziej zwięzły. Ten rodzaj koagulacji jest procesem odwracalnym – zobojętnienie uzyskuje się przez dysocjację grup kwasowych w łańcuchach polipeptydowych tworzących submicele i ich elektrostatyczne odpychanie się, czego skutkiem jest rozpuszczenie skrzepu. Dalsze podwyższenie pH powoduje łaczenie się submiceli z udziałem koloidalnego fosforanu wapnia i jonów wapniowych w micele kazeinowe. Destabilizacja układu koloidalnego mleka poprzez zakwaszanie odnalazła zastosowanie w przetwórstwie mleka podczas produkcji fermentowanych napojów mlecznych, serów twarogowych oraz kazeiny.

Działanie enzymów tj. chymozyna, zwana podpuszczką, pepsyna i proteolitycznych preparatów enzymatycznych pochodzenia mikrobiologicznego również powodują koagulację białek mleka. W procesie enzymatycznej koagulacji wyróżniamy dwie fazy: enzymatyczną, czym jest proteoliza oraz żelifikacji – powstanie skrzepu.

Pierwsza faza polega na proteolizie wiązania peptydowego pomiędzy aminokwasami Phe 105 oraz Met 106, odłączając w ten sposób glikomakropeptyd (reszty 106-169) o m.cz. 8 kDa, natomiast reszty aminokwasów 1-105 pozostają związane z micelą. Makropeptyd, który stanowi ok. 30% masy Kappa-kazeiny, jako wiązek silnie hydrofilowy, rozpuszcza się w fazie wodnej mleka, a pozostałe części kappa- kazeiny , grającej rolę koloidu ochronnego miceli kazeinowych, przestaje spełniać swą rolę tworząc parakappa-kazeinę. Wskutek odczepienia się makropeptydu zmniejsza się objętość micel kazeinowych, wzrasta ich hydrofobowość, a maleje stopień hydratacji i siły wzajemnego odpychania się, przez co zmniejsza się lepkość mleka.

Podczas fazy drugiej tworzy się skrzep – powstaje trójwymiarowa sieć rozciągniętych splotów łańcuchów polipeptydowych. Formują się one z micel kazeinowych, połączonych między sobą mocnymi wiązaniami hydrofobowymi, jonowymi ,wodorowymi, które powstają podczas tzw. skutecznych zderzeń micel – bezpośredni kontakt reaktywnych centrów wykonujących ruchy Browna z odpowiednią energią kinetyczną, zależną od temperatury mleka (min. 20, poniżej tej temp. skrzep nie powstanie). Aby powstał skrzep konieczne jest odpowiednie stężenie jonów wapniowych, których zadaniem jest tworzenie międzymicelarnych mostków wapniowych. Również ważną rolę w tworzeniu skrzepu ma koloidalny fosforan wapnia, decydujący o zachowaniu integralności micel, co jest warunkiem powstania zwięzłego skrzepu. Dlatego też konieczne jest uzupełnienie ubytku jonów wapniowych, spowodowanego obróbką cieplną mleka – wytrącenie się Ca₃(PO₄)₂ - przed koagulacją enzymatyczną mleka pasteryzowanego przez dodatek CaCl₂. Koagulacja wywołana przez działanie enzymów jest procesem nieodwracalnym i przebiega już pH= 6,6. Zachodzi w krótszym czasie jeżeli pH mleka jest obniżone, temp. jest wyższa oraz zawartość Kaziny i wapnia jest większa.

Koagulację białek mleka można również wywołać poprzez wysalanie, czyli wprowadzenie do mleka znacznych ilości dysocjujących soli tj. MgSO₄, (NH₄)₂SO₄, NaCl, CaCl₂. Dodatek takich związków powoduje utratę warstw hydratacyjnych, a w rezultacie powstanie tzw. skrzepu.

Stabilność układu koloidalnego mleka, jak widać, jest uwarunkowana obecnością warstw hydratacyjnych micel kazeinowych oraz warunków otoczenia wpływających na ewentualne usunięcie specyficznych otoczek wodnych. Ta micelarna budowa głównego białka mleka daje wiele możliwości wykorzystania mleka do przetwórstwa. Dzięki zdolności tych białek do koagulacji przemysł mleczarski posiada tak szeroki asortyment produktów mlecznych.

Źródła:

1. Mleczarstwo cz. 1, S. Ziajka, Wyd. UWM, Olszyn 2008

2. Publikacja „Podstawy koagulacyjnych metod wydzielania wszystkich białek z mleka i ich charakterystyka”, S. Zmarlicki

3. www.wikipedia.pl