KOAGULACJA BIAŁEK
MLEKA
( KOAGULACJA KWASOWA ,
KOAGULACJA PODPUSZCZKOWA )
Technologia Żywności I Żywienie Człowieka
Technologia Mleczarstwa
GAWEK DANUTA
KOAGULACJA- proces łączenia się cząstek koloidalnych w większe skupiska (agregaty) i wypadanie ich z układu w postaci osadu.
Zdolność do koagulacji jest jedną z najistotniejszych właściwości mleka wykorzystywanych w przetwórstwie.
Koagulacja (przechodzenie zolu w żel ) jest następstwem destabilizacji układu koloidalnego białek mleka , głównie pod wpływem takich czynników jak:
1. Zmiany kwasowości ( koagulacja przez zakwaszenie ).
2.Działanie enzymów (koagulacja enzymatyczna ).
3. Ogrzewanie (denaturacja cieplna )
4. Oddziaływanie sił jonowych (wysalanie ).
1.Koagulacja przez zakwaszenie
Zakwaszenie mleka (obniżenie pH ) powoduje cofniecie się dysocjacji grup kwasowych miceli kazeinowych. Po osiągnięciu wartości pH 4,6 (temp. 20°C) ilość zdysocjowanych grup kwasowych i zasadowych w miceli kazeiny jest jednakowa (punkt izoelektryczny ), a zewnętrzny ładunek elektryczny miceli jest równy zero. Koncentracja jonów wodorowych do chwili osiągnięcia punktu izoelektrycznego powoduje oddzielenie wapnia z kompleksu fosfo-kazeinowo-wapniowego i uwolnienie nierozpuszczalnej w wodzie kazeiny .
Jednocześnie większość jonów wapniowych tworzących mostki wapniowe w miceli kazeiny oddysocjowuje i przechodzi do fazy wodnej. W wyniku rozluźnienia wewnątrzmicelarnych wiązań następują zmiany geometryczne miceli (wydłużenie , rozciągniecie ponad 3-krotny wzrost średnicy), co ułatwia bezpośredni wzajemny kontakt i tworzenie się międzymicelarnych wiązań (asocjacja). W efekcie powstaje żel kazeinowy o uporządkowanej strukturze sieciowej , zwany skrzepem, zamykający w wolnych przestrzeniach sieci wszystkie pozostałe składniki mleka. Mleko o wyższej zawartości kazeiny daje bardziej zwięzły (zwarty, twardy) skrzep , odwrotny zaś skutek powoduje wyższa zawartość tłuszczu.
Kwasowa koagulacja mleka jest odwracalna - podwyższanie wartości pH wywołuje wzrost dysocjacji grup funkcyjnych micel kazeinowych ( z przewagą grup kwasowych ), co prowadzi do wiązania jonów wapniowych i hydratacji miceli kazeinowych ,a jednocześnie rozluźnianie się wiązań międzymicelarnych. Gdy wartość pH wynosi 6,6 , następuje całkowity powrót kazeiny do stanu koloidalnego .
KAZEINA- jest najważniejszym białkiem mleka , występuje głównie w postaci kulistych, silnie porowatych skupisk, zwanych micelami. Micele kazeinowe charakteryzują się znacznymi rozmiarami (średnica od 25 do300 nm), dlatego w fazie wodnej mleka tworzą roztwór koloidalny (zol).
Mechanizm kwasowej koagulacji przebiega następująco: micele kazeinowe mają charakter wielowartościowych jonów amfolitowych. W stanie natywnym przy pH mleka 6,65, ogólny ładunek elektryczny miceli kazeinowych jest ujemny. Otoczone są więc cząsteczkami wody, przy czym bieguny dodatnie jej dipoli zwrócone są w kierunku miceli, a ujemne na zewnątrz. Micele zostają otoczone warstwą hydratacyjną o jednoimiennym zewnętrznym ładunku elektrycznym i dlatego wzajemnie się odpychają., co stabilizuje roztwór koloidalny kazeiny, a warstwa hydratacyjna uniemożliwia także bezpośredni kontakt między . Stopień hydratacji miceli zależy m.in. od wartości ich ładunku elektrycznego, ten z kolei jest funkcją ilości występujących w stanie zjonizowanym grup -NH3+ i -COO-. Stopień jonizacji tych grup zmienia się przy zmianach pH środowiska . W punkcie izoelektrycznym sumaryczny ładunek elektryczny miceli ma wartość zerową. Wskutek tego tracą one zdolność do wiązania wody, a zatem i powłokę hydratacyjną, co umożliwia wzajemną agregację i wytwarzanie żelu.
Zjawisko to jest powiązane z redukcją potencjału elektrokinetycznego na powierzchni miceli do wartości zerowej oraz ze zmianami struktury przestrzennej łańcuchów polipeptydowych na powierzchni miceli.
Z obniżenia pH mleka wynika też uwolnienie części jonów wapniowych uczestniczących w budowie miceli i przejściu ich do fazy wodnej (serwatki). Wzrost zawartości wapnia jonowego w roztworze wspomaga proces koagulacji . Zwiększona ilość jonów wapniowych w roztworze wpływa destabilizująco na układ koloidalny Alfa i Beta kazeiny. W układzie złożonym, jakim jest mleko, wartość pH punktu izoelektrycznego kazeiny zależy od natury tych białek i ich stężenia w roztworze, wysokości temperatury, stężenia określonych jonów.
Koagulacja kwasowa mleka może by spowodowana samoistnym ukwaszeniem mleka, dodatkiem zakwasu lub wprowadzeniem określonej ilości biologicznego kwasu mlekowego.
W produkcji twarogu kwasowego stosuje się koagulację długotrwałą i krótkotrwałą.
W metodzie długotrwałej do mleka schłodzonego do temperatury 20-26° C dodaje się zakwas (0,5-2,5%) bakterii fermentacji mlekowej i pozostawia w tych warunkach przez 12-16h w celu wytworzenia skrzepu. pH mleka po inkubacji 4,5-4,6.
W metodzie krótkotrwałej do mleka schłodzonego do temperatury 32-35°C dodaje się 5% zakwasu bakterii fermentacji mlekowej , czas koagulacji wynosi 6-8 h. W tych metodach mogą byś stosowane zakwasy otrzymywane ze szczepionek lub koncentratów bakterii mlekowych (termofilne lub mezofile) oraz koncentraty kultur bakteryjnych do bezpośredniego zaszczepiania mleka.
2. KOAGULACJA ENZYMATYCZNA
Koagulacja mleka może być wywołana działaniem enzymów koagulujących , takich jak chymozyna ,pepsyna, proteolityczne preparaty enzymatyczne pochodzenia mikrobiologicznego.W procesie enzymatycznej koagulacji wyróżniamy dwie wyraźne fazy:
- enzymatyczną (proteoliza)
-żelifikacji (powstawanie skrzepu)
Faza enzymatyczna polega na przekształceniu kazeiny w parakazeinę.
Podpuszczka (także pepsyna i chymotrypsyna ) odszczepia z cząsteczki Kappa-kazeiny w miejscu najbardziej labilnego wiązania peptydowego, znajdującego się między 105 a 106 aminokwasem w łańcuchu (między fenyloalaniną a metioniną ), części jej łańcucha polipeptydowego- glikomakropeptydu.
Powstały glikomakropeptyd stanowi około 30% masy Kappa-kazeiny, jako związek silnie hydrofilowy rozpuszcza się w fazie wodnej mleka. Zawiera 63 reszty aminokwasowe oraz całość glucydów Kappa-kazeiny. Pozostałe części frakcji K-kazeiny (para- K-kazeina ), ma charakter liofobowy i nie jest rozpuszczalna zarówno w obecności jak i nieobecności jonów wapniowych.
Żelifikacja- powstawanie skrzepu
Struktura żelu powstaje w wyniku interakcji między micelami. Powstawanie trójwymiarowej sieci rozciągniętych splotów łańcuchów polipeptydowych , struktury te powstają z miceli kazeinowych, połączonych między sobą mocnymi wiązaniami(hydrofobowymi, jonowymi, wodorowymi). Wiązania te powstają podczas tzw. zderzeń miceli, wykonujących ruchy Browna z odpowiednią energią kinetyczną zależną od temperatury mleka - min. 20°C .
Połączenia między micelami są utworzone poprzez pewne części łańcuchów polipeptydowych frakcji kazeinowych znajdujących się na powierzchni miceli. Mimo, że w tworzeniu się wiązań miedzy micelarnych nie biorą udziału jony wapnia, to odpowiednia ich zawartość jest niezbędna do uzyskania dostatecznej zwięzłości skrzepu (warunkuje silną sieć wiązań wewnątrz miceli kazeinowych). Wynika z tego konieczność uzupełniania ubytków wapnia jonowego powodowanych obróbką cieplną mleka, przed koagulacją enzymatyczną mleka pasteryzowanego.
Koagulacja enzymatyczna zachodzi szybciej, gdy obniżone jest pH mleka, podwyższona temperatura oraz wyższa zawartość kazeiny i wapnia w mleku.
Koagulacja enzymatyczna jest nieodwracalna i zwykle przeprowadzana jest na słodko tj. pH mleka świeżego.
Proces ten wykorzystuje się przy produkcji serów podpuszczkowych i kazeiny podpuszczkowej.
Podpuszczka- chymozyna , jest enzymem proteolitycznym wywołującym koagulację świeżego mleka bez zmiany jego kwasowości. Uzyskuje się ją z żołądków młodych cieląt i jagniąt w okresie karmienia ich wyłącznie mlekiem. Preparaty podpuszczkowe mogą by w postaci płynnej o mocy 1:10000 lub 1:15000 co oznacza , że jedna część podpuszczki może skoagulować przez 40min. 10000-15000 części mleka w temperaturze 35°C
Pepsyna -enzym pochodzenia zwierzęcego , otrzymywany z żołądków wieprzowych . Badania wykazały, że pepsyna nie koaguluje mleka świeżego. Aktywność proteolityczna pepsyny w zakresie pH mleka i sera jest niższa niż aktywność proteolityczna podpuszczki, co powoduje, że dojrzewanie serów przy użyciu pepsyny jest znacznie dłuższe . Pepsynę można stosować do produkcji serów w połączeniu z podpuszczką 50/50 lub z biologicznymi substytutami podpuszczki.
W procesie wyrobu sera rola podpuszczki lub innego enzymu koagulującego polega na: przekształceniu kazeiny w parakazeinę , proteolizie białka w czasie dojrzewania .
Ilość dodawanego do mleka preparatu zależy od :
- aktywności preparatu
- żądanego czasu koagulacji
- składu chemicznego użytego mleka
Należy oceniać aktywność preparatu i na podstawie uzyskanych danych obliczyć ilość preparatu która jest potrzebna do uzyskania skrzepu w określonym czasie:
- sery twarde i półtwarde czas krzepnięcia 30-40min.
- sery miękkie 60-90min .
Temperatury krzepnięcia mleka mieszczą się w granicach od 28 do 35°C . W wyrobie serów miękkich zbliża się ona do dolnej granicy, natomiast w wyrobie serów twardych i półtwardych wynosi 30-35°C . Aby proces koagulacji kwasowej i podpuszczkowej przebiegał prawidłowo, mleko przeznaczone do wyrobu serów , powinno spełniać wymagania normy . Przy ocenie mleka na sery powinno się zwracać uwagę na parametry:
- w zakresie składu chemicznego :na zawartość kazeiny, jonów wapniowych oraz zawartość kwasu cytrynowego i cytrynianów.
Obniżona zawartość jonów wapnia przedłuża czas koagulacji, a niska zawartość kazeiny obniża wydatek sera i powoduje jego wady.
- w zakresie jakości mikrobiologicznej: na obecność bakterii z grupy coli, bakterii psychrotrofowych i przetrwalników bakterii fermentacji masłowej.
- w zakresie obecności substancji hamujących: na obecność antybiotyków, pozostałości środków myjących i dezynfekujących hamujących rozwój bakterii fermentacji mlekowej dodanych w postaci zakwasu lub szczepionki DVS.
3. OGRZEWANIE(DENATURACJA CIEPLNA)
Ogrzewanie mleka w zależności od wysokości temperatury i czasu ogrzewania powoduje nieodwracalne zmiany wtórnych struktur białkowych (rozrywanie wiązań wodorowych i hydrofobowych kształtujących struktury drugo-, trzecio- i czwartorzędowe), prowadzące do zmiany ich właściwości i destabilizacji stanu dyspersji. Procesom denaturacji cieplnej najłatwiej ulegają białka serwatkowe mleka. Proces koagulacji białek serwatkowych przez ogrzewanie serwatki podpuszczkowej do temperatury 90°C wykorzystuje się podczas produkcji serów albuminowych i laktozy.
4. ODZIAŁYWANIE SIŁ JONOWYCH (wysalanie)
Wprowadzenie do mleka znacznych ilości dysocjujących soli, np. MgSO4, ( NH4)2SO4, NaCl, CaCl2 powoduje koagulację białek w następstwie utraty warstw hydratacyjnych.
LITERATURA:
1. T. Obrusiewicz „ Mleczarstwo cz.2 „ Warszawa 1992
Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne
2. E. Pijanowski „ Zarys Chemii i Technologii Mleczarstwa” tom1
Warszawa 1980 Państwowe wydawnictwo Rolnicze i Leśne
3. S. Ziajka „ Mleczarstwo- zagadnienia wybrane” Olsztyn 1997
Wydawnictwo ART