От молока до сыра. Биохимические процессы производства. | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 22 мая, печатный экземпляр отправим 26 мая.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №13 (355) март 2021 г.

Дата публикации: 27.03.2021

Статья просмотрена: 32 раза

Библиографическое описание:

Калякин, С. Н. От молока до сыра. Биохимические процессы производства. / С. Н. Калякин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 13 (355). — С. 16-21. — URL: https://moluch.ru/archive/355/79514/ (дата обращения: 09.05.2021).



Сыр является древнейшим пищевым продуктом. До сих пор доподлинно неизвестно, где именно зародился технологический процесс изготовления сыра. Старейшие предполагаемые сроки начала изготовления сыра относят к 8000 году до н. э., когда впервые были одомашнены овцы. Процесс образования сыра был обнаружен случайно в процессе использования желудка жвачных животных в качестве ёмкости для хранения молока, в результате под действием сычужных ферментов молоко превращалось в творог и сыворотку. Технологический процесс производства сыра начинается с молока, как основного ингредиента.

Молоко и его состав

Молоко представляет собой биологическую жидкость, которая образуется в молочной железе млекопитающих и предназначена для вскармливания новорожденных. Молоко имеет сложный состав, в который входит более ста различных компонентов. Обычно химический состав молока не изменяется, но иногда содержание тех или иных компонентов может меняться от различных факторов — порода скота, его кормление, стадии лактации, возраст и состояние животного, сезон года и др. В среднем молоко имеет следующий состав:

1) вода — 87,5 %

2) сухое вещество — 12,5 %

3) молочный жир — 3,8 %

4) белки — 3,3 % (казеин — 2,7 %, альбумин — 0,5 %, глобулин — 0,1 %)

5) молочный сахар — 4,7 %

6) минеральные вещества — 0,7 %

Наиболее ценной частью молока является сухой остаток. Сухим веществом называют все то, что остаётся после высушивания при температуре 102–105 Со. В состав сухого остатка входит все части молока, за исключением воды и веществ, улетучивающихся при высушивании. Наиболее изменчивой частью сухого остатка является жир, поэтому в практике чаще пользуются показателем сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО). Сухие вещества находятся в молоке в тонкодисперсном и растворенном состоянии, то есть в благоприятном для усвоения виде: жир — в виде тонкой эмульсии, белки — в виде коллоидных растворов, молочный сахар — в молекулярном состоянии, минеральные соли — коллоидном, молекулярном и ионном состояниях. Самые постоянные по количественному содержанию части молока — лактоза и соли, а наибольший удельный вес занимает вода.

Воды в молоке содержится от 86 % до 89 %, большая часть которой находится в свободном состоянии, а меньшая часть — в связанной форме. Свободная вода является растворителем различных соединений молока, таких как лактоза, минеральные вещества, кислоты, ароматические вещества и прочие. Как растворитель, свободная вода участвует во всех биохимических процессах, протекающих в молоке при выработке молочных продуктов. В отличие от свободной воды, связанная вода имеет ряд преимуществ перед свободной водой, одним из которых является то, что связанная вода недоступна микроорганизмам, поэтому для подавления развития микрофлоры в пищевых продуктах свободную воду полностью удаляют или переводят в связанную, добавляя влагосвязывающие компоненты.

Содержание белков в молоке колеблется от 2,9 % до 4 %, среди них различают казеин (78–85 %), сывороточные белки (19–20 %), белки оболочек жировых шариков (1 %). Казеин- основной белок молока. В молоке он находится в виде специфических частиц, или мицелл, представляющих собой сложные комплексные фракции с коллоидным фосфатом кальция. В молоке казеин образует мицеллы глобулярной формы, каждая мицелла содержит в себе все виды казеина и состоит из 7000–8000 полипептидных цепей, соединенных между собой катионом кальция. После осаждения казеина в сыворотке молока остается 15–22 % всех белков, которые называются сывороточными. К сывороточным белкам относится, а- лактальбумины, в-лактоглобулины, иммуноглбулины.

А-лактальбумин занимает второе место по количеству содержания. Находится в тонко диспергированном состоянии, в силу своей гидратированности, не свертывается под действием сычужного фермента, а также термостабилен. Биологическая роль заключается в том, что а-лактальбумин является специфическим белком, необходимым для синтеза лактозы из галактозы и глюкозы.

В-лактоглобулин занимает практически половину всех сывороточных белков. В молоке находится в виде димера, состоящего из двух цепей с молекулярной массой каждого около 18000! Он в нативном состоянии обладает способностью связывать катионы, анионы, липидные соединения. В кислой среде желудка лактоглобулин устойчив к действию ферментов пепсина и химозина. Одной из главных биологических функций является транспортирование в кишечнике важных для растущего организма кислотно-неустойчивых веществ.

Иммуноглобулины содержатся в молоке в малом количестве. Они обладают резко выраженными свойствами агглютинации — склеивание микробов, чужеродных клеток, шариков жира.

Кроме белков, в молоке содержатся жиры. Липидная фракция молока является источником биологически ценных полиненасыщенных жирных кислот и жирорастворимых витаминов. Содержание жира в молоке колеблется от 2,8 % до 5 %. Главным компонентом жира молока является триглицериды. Триглецириды — основа, составляющая массу жира молока (около 99 %). Триглецириды главным образом разнокислотны. Кислотный состав в триглициридах регулируется в процессе синтеза молочного жира специальными ферментами. В триглециридах молочного жира обнаружен 140 жирных кислот. В состав триглицирида входят насыщенные жирные кислоты: масляная, капроновая, каприловая, каприновая, лауриновая, миристиновая, пальметиновая, стеариновая. Среди ненасыщенных — пальмитоолеиновая, олеиновая, линолевая, линолевая, арахидоновая.

Так же в молоке содержатся небелковые азотистые соединения. Они представляют собой промежуточные и конечные продукты азотистого обмена в организме животных и попадают в молоко непосредственно из крови. Важнейшими компонентами являются: мочевина, пептиды, аминокислоты, креатин и креатинин, аммиак, ортовая, мочевая и гиппуровая кислоты.

Мочевина является главным конечным продуктом азотистого обмена животных. Нормальное содержание мочевины в крови и молоке составляет 15–30мг %. Увеличение количества мочевины наблюдается в весенне-летний период при избыточном потреблении животных белков с зеленым кормом.

Пептиды и аминокислоты относятся к промежуточным продуктам азотистого обмена. Эти соединения молока являются одним из основных источников азотистого питания микроорганизмов заквасок. Поэтому наблюдается весной ослабление развития молочнокислых бактерий может быть обусловлено низким содержанием в молоке свободных аминокислот. В молоке весеннего периода понижено содержание таких важных для молочнокислых бактерий аминокислот, как аргинин, валин, метионин, фенилаланин и тирозин.

Креатин, креатинин и аммиак содержатся в молоке около 2,5–4,5 мг %. В свежевыдоенном молоке содержание аммиака невысокое, но оно может повышаться при хранении вследствие развития посторонней микрофлоры.

Ортовая кислота образуется в процессе синтеза пиримидиновых азотистых оснований. Ее содержание в молоке составляет 2–8 мг %. Мочевая и гиппуровая кислота являются конечными продуктами азотистого обмена, и в сумме их содержание не превышает 0,7–1,5мг %.

В молоке содержатся более 20 ферментов (оксидоредуктазы, оксидазы, пероксидаза, каталаза, фосфатазы, лактаза, амилаза, лизоцим, протеазы, гидролитические и другие ферменты) которые принимают участие в молочнокислом брожении, придают молоку антибактериальные свойства, являются лакмусом наличия бактериальной инфекции у молочных животных, например каталаза, и т. д.

Также в составе молока содержатся углеводы (глюкоза, галактоза, лактоза — молочный сахар C₁₂H₂₂O₁₁ которые придают сладковатый вкус молоку. На долю углеводов приходиться 30 % энергетической ценности продукта.

Минеральный состав молока зависит от качества питания молочных животных. В основном это фосфаты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов. Макроэлементы, такие как (Ca, P, K, Na, Mg, Cl) содержатся в молоке в большем количестве (99,9 %), микроэлементы — Cu, Fe, Zn, Co, Mn, I, Pb, F и др. — около 0,1 %

Процесс сквашивания

Молоко подвержено сквашиванию. Это процесс образования молочного сгустка в молоке и продуктах его переработки под действием заквасочных микроорганизмов. Сквашивание сопровождается снижением показателя активной кислотности (pH) и повышением содержания молочной кислоты. Сам процесс происходит из-за введения заквасок чистых культур молочнокислых бактерий и созданием соответствующих условий для их быстрого развития в продукте.

Сквашивание молока делится на два вида: молочнокислое и смешенное (молочнокислое и спиртовое брожение).

Молочнокислое брожение используется для приготовления простокваши, йогурта и т. д. Для их получения на молоко воздействуют ферментом лактоза, выделяемая молочнокислыми бактериями.

На первой стадии брожения лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу, из которых в результате последующих ферментных превращений образуется молочная кислота, обладающая консервирующим действием. В результате побочных процессов молочнокислого брожения из лактозы образуются некоторые летучие кислоты, углекислый газ и другие. Под действием ароматообразующих бактерий молочный сахар разлагается с образованием диацетила и ацетоина, которые придают продукту специфический запах.

При смешанном брожении превращения лактозы вызываются действием молочнокислых бактерий и молочных дрожжей. На первой стадии брожения лактоза, также, как и при молочнокислом брожении, расщепляется на глюкозу и галактозу, из которых образуется пировиноградная кислота.

Под действием ферментов молочнокислых бактерий часть пировиноградной кислоты восстанавливается до молочной, а другая часть под действием ферментов молочных дрожжей расщепляется на уксусный альдегид и углекислый газ. Уксусный альдегид затем восстанавливается в этиловый спирт.

Молочная кислота, которая образуется в результате молочнокислого и смешанного брожения, взаимодействует с казеинаткальцийфосфатным комплексом молока, связывая кальций и освобождая казеин, который в кислой среде (следствие образования молочной кислоты) коагулирует, образуя сгусток.

Процесс сквашивания — определенный процесс, происходящий в молоке, который используется для приготовления молока в творог. Процесс производства сыра включает в себя: пастеризацию, внесение закваски, повторное нагревание и засол.

Процесс производства сыра, химические процессы

Подготовка молока

Для изучения процесса приготовления сыра я использовал рецептуру и необходимые компоненты для изготовления сыра Тильзитер. Это полутвердый сыр светло-желтого оттенка с текстурой, для которой типичны небольшого размера «глазки» и трещинки. Для приготовления я использовал цельное созревшее коровье молоко. Я провел пастеризацию молока, то есть быстро его нагрел до 73 оС при интенсивном перемешивании, выдержал 30 сек, охладил на водяной бане до 32–34 оС.

Пастеризация молока

Рис. 1. Пастеризация молока

Внесение дополнительных компонентов

В охлажденное молоко добавил закваску для сыра Тильзитер (Streptococcus thermophiulus, Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis, Lactococcus debrueckii subsp. Lactis, Lactobacillus helveticus, Leuconostoc ssp.). Соблюдая правила асептики и антисептики, рассыпал культуру по поверхности молока, оставив на некоторое время, после чего тщательно перемешал молоко для равномерного распределения.

Далее я растворил кальций хлористый в 50 мл кипяченной воде комнатной температуры и его внес в молоко с тщательным перемешиванием. Затем внес Пепсин-ренин Meito из расчета 0,04–0,14 г на 10л молока. Фермент предварительно растворил в столовой ложке кипяченой воды комнатной температуры.

Внесение дополнительных компонентов

Рис. 2. Внесение дополнительных компонентов

Проверка образования сгустка и его обработка

Молоко начинает сворачиваться через 12–15 минут, но, чтобы сгусток набрал плотность и нужную кислотность, я подождал около 40–55 минут, не забывая поддерживать температуру молочной смеси около 32–34 Со. Для проверки сгустка я положил на поверхность шумовку, потому что при правильном свёртывании сквозь её отверстия пройдет прозрачная сыворотка, а сгусток под действием веса шумовки упруго прогнется на несколько миллиметров.

Процесс образования сгустка

Рис. 3. Процесс образования сгустка

Формирование и засолка

Я выложил форму салфеткой, расправляя все складочки. Выложил сырное зерно в форму, накрыл крышкой и прессовал сыр 30 минут весом 2 кг. Затем вынул сыр из формы, снял салфетку, перевернул головку сыра, поместил обратно в форму и прессовал еще 6–7 часов, весом 2 кг, переворачивая каждый час — полтора. После прессовки я поместил сыр в заранее подготовленный 20 % соляной раствор для засолки.

Формирование и засолка сыра

Рис. 4. Формирование и засолка сыра

Созревание сыра

Через сутки я поместил сыр в помещение с температурой 11–12 Со и влажностью около 80–85 % для формирования корки. Местом для хранения я выбрал холодильник, в котором кроме сыра, ничего не было. Это было сделано для того, чтобы процесс созревания проходил в правильных условиях, схожих с созреванием сыра в специальных хранилищах. Через 10–12 дней, я обработал поверхность сыра 3 % уксусом, во избежание образования плесени. Через 4 недели сыр был готов к употреблению, при желании его можно было оставить созревать до 6 месяцев, тогда сыр стал полутвердым и еще более ароматным.

Сыр, полученный после 4 недель созревания

Рис. 5. Сыр, полученный после 4 недель созревания

Полученный результат и выводы

На основании проделанной работы мною были сделаны следующие выводы:

  1. Молоко — это живая среда, без пастеризации молоко является средой для размножения бактерий и микроорганизмов.
  2. Молоко может сквашиваться в естественных условиях (например, в теплом помещении) однако для того, чтобы сквашивание, формирование сгустка и созревание сыра проходило правильно, необходимы специальные культуры, ферменты и кальций хлористый. От того, какая культура будет внесена в процессе приготовления, зависит структура, вкус, качество и аромат сыра.
  3. Основным компонентом сбраживания лактозы является молочная кислота (С3Н6О3). В процессе созревания сыров количество молочной кислоты уменьшается, так как она сбраживается пропионово-кислыми, маслянокислыми и другими бактериями, вступает в реакцию с солями и другими веществами. Выход молочной кислоты определяет величину титруемой и активной кислоты сыра, которые влияют на скорость созревания и консистенцию продукта, которая в свою очередь, зависит от химического состава параказеинаткальцийфосфатного комплекса, количество влаги, жира и других факторов. Характер рисунка сыра определяется структурно-механическими свойствами сырной массы и интенсивностью накопления в ней газов.
  4. Для получения вкусного и качественного сыра необходимо не только качественное исходное сырье, но и соблюдение всех этапов работы и созревания сыра.
  5. При приготовлении сыра было использовано 10 л. цельного молока, на выходе готового продукта получилось около 1 кг сыра. Таким образом, 1 кг натурального сыра не может стоить дешево (в моем случае 800 руб. за 1 кг -только материальные расходы, без учета трудовых затрат).

Сыр — один из самых полезных и вкусных продуктов, пришедший к нам из древности. Он пережил гонения, некоторое время считался вредным для здоровья, но ни разу за несколько тысячелетий не был забыт. Поэтому не исключено, что и через 1000 лет он будет пользоваться такой же популярностью, как и сегодня.

Литература:

  1. М. В. Чугунова Биохимия сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов. Глава 2 Биохимия молока и молочных продуктов
  2. Инструкция производства сыра Тильзитер в домашних условиях компания «Здоровеево».
  3. Энциклопедия производства сыра https://cheesewiki.ru
Основные термины (генерируются автоматически): молока, молочная кислота, молоко, свободная вода, молочнокислое брожение, молочный сахар, созревание сыра, сыр, азотистый обмен, молочный жир.


Задать вопрос