Przegląd Mleczarski 2/2024 - Koagulacja mleka – od czego zależy?

Przegląd Mleczarski 2/2024 - Koagulacja mleka – od czego zależy?

Koagulacja mleka to kluczowy etap wytwarzania sera, który silnie wpływa na wydatek produkcji. Produkcja sera dobrej jakości wymaga, aby powstały z mleka skrzep charakteryzował się odpowiednio zwartą strukturą i odpowiednią zdolnością do synerezy [1]. Podczas przetwarzania mleka na ser dochodzi do koncentracji tłuszczu i kazeiny, natomiast pozostałe składniki mleka, są usuwane wraz z serwatką [1, 8, 22]. Vignola [21] zdefiniował koagulację mleka jako destabilizację miceli kazeiny, które ulegają flokulacji i agregacji, tworząc żel otaczający rozpuszczalne składniki mleka.

Mechanizm koagulacji
     Przejście zolu w żel jest następstwem destabilizacji układu koloidalnego białek mleka, zachodzącym pod wpływem, jednego z czterech czynników [1,8]:
  • ogrzewania (destabilizacja cieplna),
  • zmiany kwasowości (zakwaszanie),
  • oddziaływania sił jonowych (wysalanie),
  • działania enzymów (koagulacja enzymatyczna).
     Destabilizacja cieplna powoduje wytrącenie koloidalnego fosforanu wapnia  i zmniejszenie ilości rozpuszczalnego wapnia jonowego w układzie, tym samym następuje wzrost kwasowości (wytrącenie jonów Ca+ i H+), następuje dehydratacja micel kazeinowych, prowadząc do zmniejszenia potencjału elektrokinetycznego. Wraz ze wzrostem temperatury przekroczony zostaje potencjał krytyczny i micele kazeinowe łącząc się ze sobą powodują powstawanie skrzepu [8, 16, 18, 19].
     Koagulacja kwasowa prowadzi do wytrącenia kazeiny w jej punkcie izoelektrycznym (pH=4,6). Zakwaszenie powoduje spadek stopnia dysocjacji grup kwasowych fosfokazeinianu wapnia. Jony wodoru (H+) uwalniane w wyniku zakwaszenia, stopniowo neutralizują ładunki elektroujemne na powierzchni micel kazeinowych co prowadzi do zmniejszenia sił odpychania elektrostatycznego. Micele kazeinowe przyjmując ładunek obojętny ulegają flokulacji – łączą się, tworząc większe konglomeraty, co ostatecznie prowadzi do powstania skrzepu kwasowego [8, 16, 18, 19].
    Koagulacja przy użyciu enzymu zachodzi dwuetapowo: faza enzymatyczna, w której κ-kazeina jest rozkładana przez chymozynę, oraz faza agregacji, która odpowiada tworzeniu żelu poprzez agregację zdegradowanych miceli [10, 12, 23]. W fazie enzymatycznej chymozyna powoduje hydrolizę C-końcowej części κ-kazeiny (hydroliza wiązania pomiędzy Phe105 i Met106) co prowadzi do destabilizacji miceli. W wyniku hydrolizy powstaje para-κ-kazeina (N-końcowa część κ-kazeiny) i glikomakropeptyd (64 reszty aminokwasowe), który przechodzi do roztworu (serwatki)  [12, 21, 23]. Usunięcie hydrofilowego C-końca κ-kazeiny sprawia, że w fazie drugiej w obecności jonów wapnia micele agregują i tworzy się skrzep para-kazeiny (dokładniej para-kazeinianu wapnia). Skrzep powstaje wskutek hydrofobowych oddziaływań pomiędzy micelami, nasilających się w wyniku odłączenia glikomakropeptydu, a co za tym idzie utraty otoczki hydratacyjnej oraz zmniejszenia elektrostatycznego odpychania między micelami [12, 19, 21].
 
Czynniki wpływające na koagulację mleka
     Koagulacja mleka jest procesem, kształtowanym przez czynniki zewnętrzne (ilość i aktywność dodawanego enzymu, temperatura mleka oraz pH) i naturalne (związane ze składnikami i jakością surowca – ilościowy i jakościowy skład białek mleka, zawartość jonów wapnia, stosunek wapnia do związków azotowych, rozmiar micel kazeinowych) [1, 7].
     Skład mleka ma istotny wpływ na przebieg procesu koagulacji, głównymi składowymi warunkującymi są kazeina oraz tłuszcz. Proporcja tłuszczu do kazeiny wpływa na synerezę i szybkość osuszania skrzepu. Czas powstawania skrzepu zwiększa się tylko nieznacznie wraz ze wzrostem zawartości kazeiny [1, 3, 11, 21, 22].  Rozmiar micel kazeinowych wpływa na jakość skrzepu - małe micele prowadzą do powstania bardziej zwięzłego skrzepu [11]. Producenci sera mogą wpływać zarówno na poziom białka jak i na formę, w której ono występuje, poprzez fortyfikację (dodatek proszków mlecznych) i zagęszczanie (techniki membranowe), obróbkę termiczną mleka przed zaprawieniem oraz homogenizację [8].
     Na właściwości krzepnięcia mleka wpływa nie tylko ogólna zawartość białka/kazeiny, ale również polimorfizmy genetyczne laktoprotein. Dla każdego z białek mleka zidentyfikowano wiele wariantów genetycznych i wykazano związek między nimi a procesem koagulacji. Badania sugerują, że wariant B κ-kazeiny sprzyja krzepnięciu, natomiast wariant E ma negatywny wpływ na krzepnięcie mleka [3, 4, 13].
     Kwasowość czynna (pH) mleka świeżego wpływa na czas koagulacji, szybkość wiązania skrzepu i jego jędrność. Proces koagulacji prowadzony jest najbardziej efektywnie, gdy pH świeżego mleka (surowca) mieści się w zakresie 6,0-6,7. Przy pH większym od 7 (mleko mastitisowe) koagulacja nie zachodzi. Obniżenie pH oraz podwyższenie temperatury (w kontrolowanym zakresie) skraca czas koagulacji [3, 19]. Według Croguenneca i in. [6] optymalne pH działania enzymu koagulującego wynosi około 5,1-5,5 (przyśpieszona faza koagulacji przez redukcję stabilności micel kazeinowych i uwalnianie jonów wapnia).
     Poziom wapnia w mleku waha się w granicach 1200-1400 mg/l, jego stężenie znacząco wpływa na proces krzepnięcia. Gdy zawartość wapnia rozpuszczalnego (fosforan wapnia i cytrynian wapnia) wzrasta, szybkość koagulacji również wzrasta. Ponadto zaobserwowano dość silną korelację pomiędzy zwięzłością żelu a zawartością wapnia [5, 15]. Producenci serów mogą regulować jego poziom, dodając chlorek wapnia do mleka kotłowego, bezpośrednio przed wprowadzeniem koagulantu. Wymagania dotyczące stężenia wapnia w mleku kotłowym różnią się w zależności od rodzaju wytwarzanego sera i zamierzonych cech charakteryzujących produkt końcowy. Proces krzepnięcia wspomagają większe ilości zarówno wapnia związanego, jak i wolnych jonów. Wapń dodany do mleka powoduje obniżenie poziomu pH [5, 8, 15]. Czas żelowania stanowi również funkcję stężenia dodanej podpuszczki i dodanego CaCl2. Kontrola czasu żelowania (uzyskania skrzepu o określonej zwięzłości) wymaga zastosowania zrównoważonej kombinacji stężenia podpuszczki i stężenia chlorku wapnia. Obniżenie ilości podpuszczki można zrekompensować zwiększeniem ilości chlorku wapnia i odwrotnie.
     Temperatura kształtuje proces krzepnięcie mleka, głównie poprzez wpływ na działanie enzymu koagulującego [1, 21]. W temperaturze poniżej 10°C enzym koagulujący, dodany do mleka kotłowego, jest aktywny, ale nie następuje żelowanie. W temperaturze od 10 do 20°C koagulacja jest powolna, od 30 do 42°C krzepnięcie następuje stopniowo. Powyżej 42°C tempo koagulacji zaczyna maleć i zatrzymuje się całkowicie w temperaturze 65°C. Schładzanie mleka na kilka dni przed prowadzeniem procesu koagulacji również wpływa na żelowanie, w niskich temperaturach koloidalny fosforan wapnia rozpuszcza się, powodując destabilizację micel, efekt ten jest częściowo odwracalny po doprowadzeniu mleka do temperatury zaprawiania [19, 21].
     Rolą enzymu koagulującego, w procesie wyrobu sera, jest przekształcenie kazeiny w parakazeinę oraz proteoliza białek podczas dojrzewania. Wielkość dodatku zależy od aktywności stosowanego preparatu, żądanego czasu koagulacji oraz składu chemicznego mleka [12, 16]. Optymalny dodatek enzymu koagulującego to: lepsze osuszanie i zwięzłość skrzepu oraz redukcja pyłu kazeinowego. Ważny jest odpowiedni dobór rodzaju enzymu koagulującego ze względu na jego aktywność proteolityczną (np. powstawanie gorzkich peptydów w czasie dojrzewania sera) [8, 9].
     Na aktywność koagulantu wpływa stężenie jonów wapnia, szczególnie ważny jest stosunek wapnia do azotu (Ca : N), gdy wynosi on poniżej 0,2, mleko określa się mianem wolno krzepnącego, natomiast stosunek Ca : N > 0,23, charakteryzuje mleko szybko krzepnące [5, 8, 9, 12].
     Wahania temperatury mleka kotłowego przed dodaniem koagulantu również modyfikują jego właściwości koagulujące – schłodzenie mleka prowadzi do rozproszenia kazeiny, zwiększa się w ten sposób stabilność miceli, co powoduje zahamowanie działania podpuszczki. W przypadku ogrzewania, jeśli obróbka cieplna jest umiarkowana (< 60°C), zmienia się bilans soli, zwiększa się udział formy koloidalnej nierozpuszczalnych fosforanów i zwiększa się wielkość miceli, następuje spadek stabilności układu, sprzyjający działaniu enzymu [8, 9, 12, 22].
     Do niedawna podpuszczka cielęca (ekstrahowana z trawieńców młodych przeżuwaczy) była powszechnie stosowanym koagulantem. Zawierała dwie aktywne frakcje: chymozynę (95% aktywności enzymatycznej) i pepsynę. Aktualnie wśród powszechnie stosowanych koagulantów wymienia się chymozynę oraz enzymy proteolityczne pochodzenia mikrobiologicznego lub roślinnego [2, 17, 12, 14].
 
Mleko niekoagulujące
     Mleko niekoagulujące stanowi poważny problem w przemyśle serowarskim, ponieważ zmniejsza wydatek produkcji sera, co prowadzi do strat ekonomicznych [15].
     Mleko niekoagulujące definiuje się jako próbkę mleka, która nie skrzepnie w ciągu 30 minut po dodaniu enzymu koagulującego. Mleko takie nie jest zdatne do produkcji serów. Mieszanie mleka o słabszych właściwościach koagulujących z mlekiem o dobrych właściwościach koagulujących wpływa na właściwości całej partii mleka, w sposób nieliniowy [15].
     Wykazano, że dodatek zaledwie 25% mleka niekoagulującego ma wyraźnie niekorzystny wpływ na ogólne właściwości koagulujące [10]. Badania na mleku krów fińskiej rasy Ayrshire wykazały, że 30% krów przynajmniej raz w laktacji wytwarzało mleko niekoagulujące [20]. Co więcej, Frederiksen i in. [10] wnioskowali, że 4% krów rasy holsztyńsko-fryzyjskiej produkuje mleko niekoagulujące. W badaniach Nilsson i in. [15] porównanie mleka niekoagulującego i koagulującego wykazało istotnie niższą zawartość wapnia i mniejszą zawartość wapnia jonowego w mleku niekoagulującym.

Podsumowanie
     Zdolność mleka do koagulacji, która determinuje powstawanie skrzepu, jest szczególnie ważnym parametrem dla producentów serów. Poprawnie przeprowadzony proces koagulacji skutkuje zwiększeniem wydatku sera, tym samym wysoką wydajnością produkcji oraz powstaniem produktu o pożądanych przez konsumentów właściwościach. Dlatego konieczne jest zrozumienie procesu koagulacji i czynników wpływających na jego kształtowanie.

mgr. inż. Monika Małkowska-Kowalczyk
inż. Sarah Shanmugaraj
dr hab. inż. Justyna Żulewska, prof. UWM
 
Katedra Mleczarstwa i Zarządzania Jakością
Wydział Nauki o Żywności
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Przegląd Mleczarski 2/2024, str. 4-7
 
 
Literatura
  1. Bonfatti V., Tuzzato M., Chiarot G., Carnier P. 2014. Variation in milk coagulation properties does not affect cheese yield and composition of model cheese. Int. Dairy J., 39(1), 139-145.
  2. Broome M.C. Limsowtin G.K.Y. 1998.  Milk coagulants. Australian Journal of Dairy Technology. Melbourne. 53.
  3. Caroli A.M., Chessa S., Erhardt G.J. 2009. Invited review: Milk protein polymorphisms in cattle: Effect on animal breeding and human nutrition. J. Dairy Sci., 92(11), 5335-5352.
  4. Cassandro M. Comin A., Ojala M., Dal Zotto R., De Marchi M., Gallo L., Bittante G. 2008. Genetic parameters of milk coagulation properties and their relationships with milk yield and quality traits in Italian Holstein cows. J. Dairy Sci., 94(8), 4205-4213.
  5. Choi J., Horne D. S., Lucey J. A. 2007. Effect of insoluble calcium concentration on rennet coagulation properties of milk. Journal of Dairy Science, 90(6), 2612-2623.
  6. Croguennec T., Jeantet R., Gérard B., 2008. Fondements physicochimiques de la technologie laitière. Paris: Lavoisier
  7. Duchemin S. I., Nilsson K., Fikse W. F., Stålhammar H., Johansen L. B., Hansen M. S., Glantz M. 2020. Genetic parameters for noncoagulating milk, milk coagulation properties, and detailed milk composition in Swedish Red Dairy Cattle. Journal of dairy science, 103(9), 8330-8342.
  8. Fox P.F. Mc Sweeney P.L.H. 2004. Cheese: chemistry, physics and microbiology. Vol. 1. General aspects. London: Elsevier Academic Press.
  9. Fox P.F., Guinee T.P. 2013. Cheese Science and Technology In: Milk and Dairy Products in Human Nutrition: Production, Composition and Health. Ed. Park Y.W. Haenlein G.F.W. D Sci. Ag. John Wiley & Sons.  https://doi.org/10.1002/9781118534168.ch17
  10. Frederiksen P. D., Andersen K. K., Hammershøj M., Poulsen H. D., Sørensen J., Bakman M., Larsen L. B. 2011. Composition and effect of blending of noncoagulating, poorly coagulating, and well-coagulating bovine milk from individual Danish Holstein cows. Journal of Dairy Science, 94(10), 4787-4799.
  11. Glantz M., Devold T. G., Vegarud G. E., Månsson H. L., Stålhammar H., Paulsson M. 2010. Importance of casein micelle size and milk composition for milk gelation. Journal of dairy science, 93(4), 1444-1451.
  12. Gumus P., Hayaloglu A. A. 2019. Effects of blends of camel and calf chymosin on proteolysis, residual coagulant activity, microstructure, and sensory characteristics of Beyaz peynir. Journal of Dairy Science 102: 5945-5956 (13)
  13. Hallén E. 2008. Coagulation properties of milk: Association with milk protein composition and genetic polymorphism. Department of Food Science, Swedish University of Agricultural Sciences.
  14. Nasiri E., Hesari J., Shekarforoush S. S., Damirchi S. A., Gensberger-Reigl S., Pischetsrieder M. 2020. Novel milk-clotting enzyme from sour orange flowers (Citrus aurantium L.) as a coagulant in Iranian white cheese. European Food Research and Technology. 246:139-148.
  15. Nilsson K., Stålhammar H., Hansen M. S., Lindmark-Månsson H., Duchemin S., Fikse F., Glantz M. 2019. Characterisation of non-coagulating milk and effects of milk composition and physical properties on rennet-induced coagulation in Swedish Red Dairy Cattle. International Dairy Journal, 95, 50-57.
  16. Rymaszewski J., Śmietana Z. 1997. Sery dojrzewające i sery twarogowe. W: Mleczarstwo Zagadnienia Wybrane. Ed. S. Ziajka. ART Olsztyn, Polska, 151-221.
  17. Soltani M., Saremnezhad S, Faraji A.R., Hayaloglu A.A, 2022. Perspectives and recent innovations on white cheese produced by conventional methods or ultrafiltration technique, International Dairy Journal. 125. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.105232.
  18. TetraPak. 2013. Dairy Technology and Technology. TetraPak Sp. z o.o. Warszawa, 2013. 301-334.
  19. Troch T., Lefébure É., Baeten V., Colinet F., Gengler N., Sindic M. 2017. Cow milk coagulation: process description, variation factors and evaluation methodologies. A review. Biotechnologie, Agronomie, Société et Environnement. 21.
  20. Tyrisevä A.M., Vahlsten T., Ruottinen O., Ojala M., 2004. Non coagulation of milk in Finnish Ayrshire and Holstein-Friesian cows and effect of herds on milk coagulation ability. J. Dairy Sci., 87(11), 3958-3966
  21. Vignola C.L. 2002. Science et technologie du lait: transformation du lait. Montréal, Canada: Presses internationales Polytechnique.
  22. Walstra P., Woulters J.T.M., Geurts T.J.: Lipids. Dairy Science and Technology 2nd ed. CRC Taylor&Francis Group, London, 2006, 37- 60; 490-492.
  23. Yun J., Kiely L.J. Kindstedt P.S. Barbano D.M. 1993. Mozzarella cheese: impact of coagulant type on functional properties. Journal of Dairy Science. 76(12): 3657-3663.

Najnowsze Artykuły

Licznik odwiedzin

9 505 859


Współpraca