Mleko jest substancją bardzo złożoną, w skład której wchodzą około 250 składników. Najważniejsze z nich to tłuszcz i białko.
Skład chemiczny mleka może ulegać stosunkowo dużym wahaniom. Według Pijanowskiego przeciętnie skład chemiczny mleka krowiego przedstawia się następująco (%):
woda 87,7 (85- 89)
sucha masa 12,3 (11- 15)
tłuszcz 3,4 (2,7- 5,5)
kazeina 2,5 (2,0- 3,2)
inne białka 0,7 (0,6-0,8)
laktoza 4,6 (3,6- 5,3)
inne związki
organiczne 0,2 (0,1- 03)
popiół 0,7 (0,6-0,8)
Mleko jest mieszaniną wieloskładnikową; składająca się z trzech podstawowych faz (te trzy fazy znajdują się w ścisłej zależności-interakcji):
emulsyjnej ( tłuszczowej)
koloidalnej ( białkowej)
molekularnej
Podstawowymi składnikami wchodzącymi w skład mleka są: tłuszcz, białko, laktoza, składniki mineralne witaminy i substancje biologicznie czynne.
Właściwy przebieg procesów technologicznych prowadzących do uzyskania dobrych pod względem jakości wyrobów mleczarskich jest warunkowany odpowiednią jakością mleka surowego. Musi ono spełniać kryteria jakości fizykochemicznej tj. posiadać odpowiedni skład chemiczny , kwasowość, ciężar właściwy, temperaturę oraz punkt zamarzania. W przemyśle mleczarskim największe znaczenie ma zawartość białka w mleku oraz tłuszczu. Natomiast jakość higieniczna jest odzwierciedlona w liczbie komórek somatycznych oraz ogólnej liczbie drobnoustrojów. Liczba elementów komórkowych jest czynnikiem informującym o stanie zdrowotnym gruczołu mlekowego
Tabela 1. Przeciętny skład chemiczny mleka wybranych gatunków ssaków
Gatunek |
Zawartość % |
||||||
|
woda |
sucha masa |
tłuszcz |
Kazeina |
białka serwatkowe |
Laktoza |
popiół |
Krowa |
87,3 |
12,7 |
3,7 |
2,8 |
0,6 |
4,8 |
0,7 |
Koza |
87,8 |
12,3 |
4,5 |
2,5 |
0,4 |
4,1 |
0,8 |
Owca |
80,7 |
19,3 |
7,4 |
4,6 |
0,9 |
4,8 |
1,0 |
Bawół |
81,7 |
18,3 |
8,0 |
4,2 |
0,6 |
4,5 |
0,8 |
Wielbłąd |
87,8 |
12,3 |
3,3 |
2,9 |
0,4 |
4,8 |
0,7 |
Renifer |
66,5 |
33,5 |
19,0 |
8,5 |
1,7 |
2,6 |
1,5 |
Koń |
90,3 |
9,7 |
1,0 |
1,3 |
0,7 |
6,2 |
0,4 |
Białka
Większość białek mleka jest syntetyzowana przez komórki gruczołowe .Materiałem do syntezy białka są aminokwasy dostarczane z krwią W składzie białka mleka można wyróżnić wiele frakcji, które są odpowiedzialne za różne cechy mleka].
Białka mleka stanowią grupę niejednorodną pod względem składu i właściwości. Ogólnie dzieli się je na kompleks kazeinowy i białka serwatkowe (tabela 1). Podstawowym i najważniejszym białkiem mleka jest kazeina. Jej zawartość w mleku krowim mieści się w granicach 2,4% -2,6% co stanowi około 79% białek. Skład elementarny kazeiny: węgiel C (53%), wodór H (7%), tlen O (22%), azot N (15,65%), siarka S (0,76%), fosfor P (0,85%). Obecnie wyróżnia się cztery główne frakcje kazeiny: as1-, as2 -, β-, K- kazeinę. Różnią się one zawartością fosforu, składem aminokwasowym, masą cząsteczkową. Kazeina powstaje w komórkach mlekotwórczych. W mleku występuje w postaci miceli tworzących roztwór koloidalny. Średnica miceli waha się w granicach 50-250 nm. Micele utworzone są z podjednostek, połączonych za pomocą mostków utworzonych przez jony wapniowe , fosforanowe i cytrynianowe. Charakterystyczną cechą kazeiny jest jej proces koagulacji pod wpływem podpuszczkIstotną rolę odgrywa kappa-kazeina, która odpowiada m.in. za ilość i skład mleka i jego przydatność do przetwórstwa
Zdolność do koagulacji jest jedną z najistotniejszych właściwości mleka wykorzystywana w przetwórstwie. Koagulacja ( przechodzenie zolu w żel) jest następstwem destabilizacji układu koloidalnego białek mleka, gównie pod wpływem takich, czynników jak ogrzewanie (denaturacja cieplna), zmiany kwasowości (koagulacja wskutek zakwaszenia), oddziaływanie sił jonowych (wysalanie), działanie enzymów (koagulacja enzymatyczna).
Ze wszystkich związków azotowych obecnych w mleku wyróżnia się: związki azotowe niebiałkowe (5%), kazeinę (75-80%), białka serwatkowe (15-20%).
Drugą ważną grupa białek mleka są białka serwatkowe, których zawartość w mleku wynosi ok. 06% co stanowi około 20% azotu białkowego. Należą do nich: laktoglobulina -beta, laktoglobulina-alfa, immunoglobuliny, albumina serum krwi, laktoferyna, transferryna, protezo-peptony, laktoperoksydaza.
Pozostałą część tj. 1% stanowią białka otoczek tłuszczowych. Białka serwatkowe występują w mleku w rozproszeniu molekularnym. W odróżnieniu od kazeiny nie zawierają fosforu i charakteryzują się wysoką zawartością aminokwasów siarkowych- metioniny, cysteiny i cystyny.
Polimorfizm białek mleka ma duże znaczenie dla jego wartości technologicznej. Wykazano że mleko z typem β kappa-kazeiny ma większą wartość i jest bardziej przydatne do produkcji serów niż mleko z typem A kapp-kazeiny. Badania wykazały że gen β kappa-kazeina jest związany z produkcją mleko korzystniejszym składzie chemicznym oraz lepszych parametrach technologicznych, tj. krótszym o 10-30% czasem koagulacji, większą o 20-100% zwięzłością powstającego skrzepu, wyższą o 5-8% wydajnością świeżego i dojrzałego sera (parmezanu, cheddara, camembert i goudy
Tabela 2. Skład białek mleka krowiego
Składniki mleka |
Zawartość w mleku (g/l)
|
Kazeiny |
|
Alfa s1 Alfa s2 Beta Kappa |
10 3,7 10 3,5 |
Białka serwatkowe |
|
Alfa-laktoalbumina Beta-latkoglobulina Albumina Lizozym Laktoferryna Immunoglobiny |
1,2 3,3 0,4 ślad 0,1 0,7 |
Tłuszcz
Drugim ważnym składnikiem mleka jest tłuszcz. Tłuszcz mlekowy nie jest substancją jednorodną. Składa się z kilku grup związków organicznych nierozpuszczalnych w wodzie, natomiast rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak: eter, chloroform, benzen czy aceton. Powstaje on w tkance gruczołowej wymienia ze składników pobranych z osocza krwi: octanu, beta-hydroksymaslanu, trójglicerydów z lipoproteidów i chylomikronów oraz w mniejszych ilościach ze steroli, fosfolipidów wolnego glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych (WKT). Kwas octowy wraz z beta-hydroksymaślanem pobierane są przez wymię i zużywane do syntezy kwasów tłuszczowych o łańcuchu węglowym od 4 do 16 węgli. Kwasy te stanowią ok. 40% wszystkich kwasów tłuszczowych mleka. Kwasy o dłuższym łańcuchu węglowym pochodzą z osocza krwi, transportowane są do komórek gruczołu mlekowego i włączane do tłuszczu mleka. Dotyczy to kwasów 16-, 18- i 20 węglowych
Średnia zawartość tłuszczu w mleku krowim wynosi ok. 3,5% z wahaniami 2,8-6,0%. Tłuszcz mlekowy występuje w postaci drobnych , silnie zdyspergowanych kuleczek tłuszczowych tworzących emulsję. O dużym stopniu zdyspergowania świadczy fakt, że w 1 cm3 mleka znajduje się 2-6 mld kuleczek tłuszczowych średnicy kilku um. Około 80% całej masy tłuszczu reprezentują kuleczki średnicy 2-6 um. Silny stopień dyspersji oznacza jednocześnie, że tłuszcz w mleku przedstawia dużą powierzchnię zbiorową i stosunkowo łatwo podlega działaniu czynników katalitycznych z osocza mleka ( procesy hydrolityczne i oksydacyjne ). Emulsja tłuszczowa mleka wykazuje znaczą stabilność dzięki otoczkom kuleczek tłuszczowych. W skład otoczek wchodzą: białka - 41%, fosfolipidy - 27%, cerebrozydy - 3%, cholesterol - 2%, neutralne glicerydy - 14%, oraz woda - 13%. Materiał otoczkowy produkowany jest przez tkankę gruczołową wymienia - nabłonek wydzielniczy. Na 100g tłuszczu przypada 2,2g materiału otoczkowego. Struktura otoczki jest dwuwarstwowa. Jej grubość wynosi około 10 mm, przy czym dołącza się tu jeszcze 20-30-krotnie grubsza warstwa hydratacyjna
W tłuszczu mlekowym występuje około 400 kwasów tłuszczowych przy czym tylko 14 z nich występuje w ilości powyżej 1%, a olbrzymia większość w ilościach śladowych ( poniżej 0,1%). Do najczęściej występujących należą:
Krótkołańcuchowe (nasycone) , lotne z parą wodną: masłowy, kapronowy, kaprylowy, kaprynowy;
Wyższe nasycone (stałe): laury nowy, mirystynowy, palmitynowy, stearynowy;
Nienasycone o jednym podwójnym wiązaniu lub większej ich liczbie: palmitooleinowy, oleinowy, linolowy, linolenowy, arachidowy.
Charakterystyczną cechą tłuszczu mlekowego jest duża zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych ( do 10 atomów węgla). Ich zawartość korzystnie wpływa na strawność tłuszczu mlekowego, dzięki nim bowiem szybciej ulega on przemianom metabolicznym w organizmie człowieka, w przeciwieństwie do tłuszczu, w skład którego wchodzą kwasy długołańcuchowe. Tłuszcz mlekowy zawiera nieznaczną ilość nienasyconych kwasów tłuszczowych (NNKT) -3%
W tłuszczu mleka występuje cholesterol o wzorze sumarycznym C27H45OH, który stanowi 0,2-0,4% wszystkich lipidów mleka.
Cholesterol to alicykliczny alkohol należący do steroidów. W pewnych ilościach jest niezbędny jako składnik błon komórkowych, otoczki mielinowej w tkance nerwowej oraz składnik lipoprotein osocza. Ponadto jest on również prekursorem hormonów sterydowanych, a także jest niezbędny do syntezy witaminy D
Fosfolipidy i cerebrozydy należą do tłuszczów złożonych. Ich udział w tłuszczu mleka nie przekracza 1%. Spełniają one ważną funkcję stabilizatorów układu emulsyjnego tłuszczu w wodzie. Karotenoidy zawarte w tłuszczu mlekowym występują najczęściej w postaci β-karotenu i śladowych ilości ksantofilu. Beta-karoten zawarty w tłuszczu mlekowym w całości pochodzi z paszy, toteż jego zwartość jest znacznie wyższa w okresie spasania zielonek niż w okresie zimowym
Laktoza
Laktoza zwana cukrem mlekowym, jest głównym węglowodanem mleka i wpływa na jego wartość kaloryczną oraz słodkawy smak. Przyswajalność laktozy wynosi 98% i jest źródłem energii dla pracy serca, wątroby i nerek. Cukier ten korzystnie wpływa na wchłanianie wapnia w dalszych odcinkach jelita cienkiego. Laktoza wpływa na prawidłowe funkcjonowanie komórek nerwowych i mózgu. Syntetyzowana jest w komórkach mlekotwórczych z glukozy zawartej we krwi
O jakości technologicznej mleka decyduje m.in. jego kwasowość , skład chemiczny, a przede wszystkim zawartość suchej masy beztłuszczowej, w tym białka ogólnego i kazeiny oraz korzystna proporcja białka do tłuszczu. Zawartość kazeiny w mleku jest głównym czynnikiem decydującym o wydajności sera z jednostki objętości. W produkcji serów podpuszczkowych równie ważnym wskaźnikiem jest czas koagulacji pod wpływem podpuszczki. Do produkcji mleka i śmietanki UHT oraz koncentratów mlecznych, niezbędny jest natomiast surowiec zdolny do przetwarzania zastosowanej obróbki cieplnej, czyli zachowujący właściwości koloidalne
Stabilność cieplna czyli termostabilność jest ważnym kryterium doboru mleka do produkcji mleka zagęszczonego. Nazwą tą określa się zdolność mleka do zachowania koloidalnych właściwości pod działaniem wysokiej temperatury. W praktyce termostabilność najczęściej mierzy się czasem niezbędnym do koagulacji mleka ogrzewanego temp. 1400C. Stabilność mleka krowiego wnosi od kilku do kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu minut Stabilność cieplna mleka świeżego zależy bezpośrednio od składu chemicznego, a od takich czynników, jak: rasa, i cechy indywidualne krów. Okres laktacji, pora roku, sposób żywienia i stan zdrowotny krów. Do podstawowych czynników wynikających ze składu chemicznego zalicza się zalicza się zawartość białek i ich wzajemne proporcje ( kazeina i jej frakcje , białka serwatkowe), a także ph mleka.
Kazeina jako podstawowe białko mleka w największym stopniu decyduje o stabilności cieplnej mleka. Spośród kazein najbardziej wpływa na stabilność cieplną kazeina -K, która ze względu na amfolityczne właściwości stabilizuje pozostałe kazeiny wobec jonów wapnia, dlatego wyższy jej udział sprzyja zwiększeniu stabilności cieplnej mleka. Małe micele kazeiny zawierają relatywie więcej kazeiny -K , zatem stabilność cieplna mleka o małych micelach jest wysoka. Duże micele kazeiny zawierają w swoim składzie mniej kazeiny -K , ale więcej fosfor, i z tego powodu wykazują większą skłonność do asocjacji podczas ogrzewania.
Białka serwatkowe oraz ich stosunek do kazeiny, w szczególności
β-laktoglobuliny
do kazeiny -K , mają również wpływ na stabilność cieplną mleka. Zwiększa się ona wówczas, gdy stosunek molowy kazeiny -K do β-laktoglobuliny
wynosi 1. Podwyższona zawartość albumin , jak to ma miejsce w mleku pochodzącym od krów chorych na zapalenie wymion, obniża stabilność cieplna mleka.
Częstą przyczyną obniżenia stabilności cieplnej mleka jest stan zapalny wymienia. W czasie mastitis bowiem następują zmiany w proporcjach białek mleka, soli oraz podwyższenie pH. Surowiec uzyskiwany od chorych krów nie nadaje się do produkcji koncentratów mlecznych
Zawartość białka w tym kazeiny
Najważniejszym składnikiem mleka, którego ilość bezpośrednio wpływa na wydatek serów twarogowych jest białko, a szczególnie kazeina której wartość waha się najczęściej w granicach 2,4-2,6% Kazeina w stanie nastywnym występuje w postaci miceli tworzących roztwór o charakterze koloidalnym (zol). Micele formują się w komórkach mleko twórczych wymienia i mają kształt sferyczny Wysoka koncentracja miceli kazeinowych w mleku umożliwia tworzenie się struktury przestrzennej skrzepu kwasowego o korzystnych właściwościach reologicznych. Konsekwencją niskiej zawartości kazeiny w mleku jest tworzenie się zbyt delikatnego skrzepu, po procesie koagulacji kwasowej.
Mleko krów o genotypach AB i BB tego białka oznacza się krótkim o 10-30% czasem koagulacji, większą zwięzłością powstałego skrzepu i wyższą wydajnością sera Ważnym wskaźnikiem decydującym o przydatności mleka do produkcji serów podpuszczkowych jest czas koagulacji pod wpływem podpuszczki. Wadliwe mleko, np. pochodzące od krów ze stanem zapalnym wymienia, żywionych paszami ubogimi w sole mineralne może krzepnąć dopiero po 20 min., bądź nie krzepnie wcale. Szybkość powstawania skrzepu oraz stopień jego zwięzłości w głównej mierze zależą od zawartości w mleku kazeiny i wielkości miceli kazeinowych
Krzepliwość
Kwasowość mleka należy do głównych czynników fizykochemicznych , decydujących o przydatności technologicznej mleka w różnych procesach produkcyjnych. Kwasowość mleka wynika z kwasowości poszczególnych składników i wraz ze zmianą ich stężenia zmienia się odczyn. Zależy ona od obecności soli kwaśnych, kazeiny, kwasów nieorganicznych i organicznych. Można ją wyrazić dwojako: jako kwasowość czynną i potencjalną.
Kwasowość czynna, zwana też rzeczywistą, zależy od stężenia jonów wodorowych (H+) w roztworze i wyraża się wykładnikiem wodorowym -pH, który stanowi ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych -pH= -log [H+]. Odczyn świeżego mleka ma pH 6,5-6,8. Wartość pH wyższe niż 6,8 sugerują najczęściej stan zapalny wymienia lub zafałszowania mleka przez dodatek substancji neutralizujących. Wartości niższe od pH 6,5 mogą przemawiać za rozwojem mikroflory mleka z wytworzeniem kwasu mlekowego, wadliwym sposobem żywienia. Pomiar kwasowości czynnej pH może być dokonamy metodą instrumentalną (pehametr) lub chemiczną, używając tzw. wskaźników pehametrycznych.
Udział i wielkość kuleczek tłuszczowych
Średnia zawartość tłuszczu w mleku krowim wynosi około 3,7% z odchyleniami 2,8-6 w zależności od rasy, właściwości osobniczych, okresu laktacji. Tłuszcz ten jest rozproszony w mleku w postaci drobnych kuleczek tworzących emulsję. Wielkość kuleczek waha się od 1 do 20 um. Otoczka kuleczek tuszczowych składa się białka -41%, fosfolipidy-27%, celebrozydy-3% , cholesterol-2%, neutrlne glicerydy-14% i woda- 13%. Otoczkę wytwarza tkanka gruczołowa wymienia, a ścislej- nabłonek wdzielniczy. Otoczka jest dwuwarstwowa: wewnętrzną warstwę tworzą kompleksy lipoproteinowe, zawierające pseudokreatynęjako główne białko, a zewnętrzną- luźno związane kompleksy lipoproteinowe bogate w fosfolipidy i zawierające jako białko główne rozpuszczalny glikoproteid.
Wielkość kuleczek tłuszczowych ma n wpływ na jakość serów i masła. Przy produkcji serów miękkich (np. typu Camembert) lepsze parametry uzyskuje się z mleka zawierającego więcej małych kuleczek tłuszczowych A przy produkcji sera typu twardego ( np. Ementaler) lepsze efekty daje użycie mleka z większym udziałem dużych kuleczek tłuszczowych. Wiązały one mniej wody,