Физические и химические основы производства йогурта

Министерство образования  и науки РФ

 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ВолгГТУ)

 

Кафедра «Технология пищевых  производств»

Семестровая работа

 

По дисциплине: «Химия и физика молока»

На тему: «Физические и химические основы производства йогурта»

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы

 ПП-352 Артемова А.А.

 

Проверила:

Короткова А.А.

 

Волгоград 2011г

Содержание

 

   Введение………………………………………………………………………..2

1. Способы получения и классификация йогуртов………………….…………3

2. Физико-химические основы в процессе производства йогурта…………...6

3. Тепловая обработка………………………………………………………….10

4. Гомогенизация……………………………………………………………….13

  Заключение…………………………………………………………………….18

  Список литературы……………………………………………………………19

 

Введение

 

Традиции потребления  кисломолочных продуктов, активно  пропагандируемое в настоящее время  «здоровое питание» обеспечивают на рынке устойчивый спрос на такие  продукты, в частности - на йогурты. Постоянно расширяется ассортимент  продукции, разрабатываются все  новые виды йогурта с разными  уровнями кислотности, вязкости, различными вкусовыми и биологически активными  добавками. Йогурт появившийся много столетий назад на Среднем Востоке, сегодня прочно вошел в ежедневный рацион питания миллионов людей.

Сегодня йогурт является не только готовым продуктом, как это  было 10-15 лет назад, на его основе производятся прекрасные продукты с  фруктовыми добавками, с Аloe Vera, газированные напитки, завтраки, содержащие мюсли и витамины, мороженое и даже появилось йогуртное масло. С увеличением количества йогуртных продуктов улучшатся и их качество. Наиболее известным и популярным среди потребителей зарубежных стран является йогурт - представитель класса ферментированных (кисломолочных или сквашенных) продуктов одним десятилетием. "Живые" йогурты служат источником кальция, столь важного для роста и состояния зубов и костей.

Натуральный йогурт - эффективное  средство восстановления микрофлоры кишечника. Йогурт помогает сохранить полезную микрофлору в организме, без которой кишечник не может нормально функционировать.

Йогурт используют при  лечении желудочно-кишечных заболеваний, колита, холецистита, туберкулеза, фурункулеза, детской грудной астмы и других болезней. Употребление этого продукта в пищу помогает улучшить пищеварение и обмен веществ.

 

 

  1. Способы получения и классификация йогуртов

 

Суть различных способов получения  йогуртов с момента их появления  изменилась незначительно. Несмотря на то, что имели место некоторые  усовершенствования, особенно в части  вида молочнокислых бактерий, вызывающих ферментацию, основные стадии процесса остались прежними, а именно:

  • увеличение содержания сухих веществ в обрабатываемом молоке примерно до 14-16 г/100 г;
  • тепловая обработка молока, желательно с обеспечением выдержки при достигнутой температуре в течение 5-30 мин (в зависимости от выбранного режима);
  • использование закваски, в составе которой преобладают Lactobacillus del-brueckii, подвид bulgaricus и Streptococcus thermophilus;
  • сквашивание молока в резервуаре или в потребительской таре в условиях, способствующих получению нежного однородного сгустка с характерным вкусом и ароматом;
  • охлаждение и при необходимости дальнейшая обработка, например, добавление фруктов и других ингредиентов, пастеризация или концентрирование

В настоящее время производится много различных видов йогурта. В таблице 1 проиллюстрировано разделение йогуртов на основе их физических свойств на четыре категории.

 

 

 

 

 

Таблица 1. Классификация йогуртов

Родственные йогурту продукты и  собственно йогурт группируют на основе следующих факторов:

  • нормативные документы (существующие или предлагаемые), классифицирующие продукты на основе химического состава или содержания жира (жирные, цельные, полужирные/средние или нежирные/с низким содержанием жира);
  • физические свойства (консистенция) продукта, то есть густой (с ненарушенным сгустком), перемешанный (с нарушенным сгустком) или жидкий/питьевой; (последний рассматривается как перемешанный йогурт с низкой вязкостью);
  • вкус (натуральный, фруктовый или ароматизированный; последние два — обычно с добавлением подсластителей);

        •  обработка после ферментации (внесение витаминов или термообработка). Схема классификации йогуртов, основанная на описанных выше критериях, приведена на рисунке 1.


Изготовление йогурта всегда должно включать стадию ферментации — сквашивания молока под действием микрофлоры закваски. Это означает, что сгусток, полученный прямым добавлением молочной кислоты, не должен называться йогуртом или продуктом, родственным йогурту. Однако, как показывает практика, именно эта стадия может оказаться непредсказуемой, поскольку продукт здесь подвергается влиянию ряда факторов. Так, изменения в составе молока, нетипичное поведение микрофлоры закваски, недостаточно точное поддержание температурных режимов в ходе технологического процесса могут привести к получению продукта неудовлетворительного качества. Только глубокое понимание процесса ферментации позволяет производителю снизить риск неудачи. [1. cтр.20-21]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Физико-химические основы в процессе приготовления йогурта

 

В основе производства йогурта  лежит молочнокислое брожение, вызываемое микроорганизмами.

На первой стадии молочнокислого брожения при участии фермента лактазы происходит гидролиз молочного сахара (лактозы):

С Н О + Н О = С Н О + С Н О

Из гексоз (глюкозы и  галактозы) в конечном счете образуется молочная

кислота:

2С Н О = 4С Н О

Одновременно с процессами молочнокислого брожения ( с образованием молочной кислоты) протекают побочные процессы, при этом образуются различные продукты обмена:

2С Н О + Н О = СН  СН ОН + СН СНОН + 2СН СНОН СООН + 2СО + 2Н

Исходя из этого, в первом случае микробы молочнокислого брожения называются гомоферментативными, во втором – гетероферментативными.

Брожение молочного сахара происходит также под влиянием ароматообразующих микроорганизмов Str. diacetilactis, которые помимо молочной кислоты и летучих кислот образуют ароматические вещетсва, в частности диацетил (СН –СО-СО-СН ), имеющий наибольшее значение в ароматизации йогурта. Наряду с образованием диацетила протекает реакция, в результате которой получается ацетоин (СН –СН-ОН-СО-СН ), не обладающий ароматом, из которого при определенных условиях окислительно-воссстановительной реакции образуется диацетил.

Образование диацетила в процессе молочнокислого брожения, вызываемого ароматобразующими молочнокислыми бактериями, связано с наличием лимонной кислоты как промежуточного продукта брожения лактозы.

В процессе производства йогурта происходит накопление молочной кислоты и титруемая кислотность их достигает 100-120 Т, на что расходуется

молочный сахар в количестве 10 г/л. Таким образом, в йогурте  остается еще много лактозы, которая  служит углеводным источником для дальнейшего  развития молочнокислых бактерий в  кишечнике человека (при достаточно обильном потреблении кисломолочных продуктов).

При развитии молочнокислого брожения накапливается молочная кислота, которая сдвигает реакцию в кислую сторону. Свежее молоко имеет почти нейтральную реакцию, или вернее, несколько сдвинутую в кислую сторону. В заквашенном молоке по достижении требуемой кислотности рН йогурта достигает изоэлектрической точки казеина (рН 4,6 – 4,7). В изоэлектрической точке казеин теряет растворимость и коагулирует в виде сгустка.[2]

      Важнейшими процессами, происходящими при выработке кисломолочных продуктов, являются коагуляция казеина и гелеобразование (переход коллоидной системы молока из свободнодисперсного состояния, золя, в связаннодисперсное состояние - гель).

Коагуляция казеина при  производстве йогуртов может осуществляться двумя способами - кислотным или  сычужным.

Кислотная коагуляция казеина  вызывается молочной кислотой, которая  накапливается в йогурте в  результате брожения лактозы. Молочная кислота снижает отрицательный  заряд мицелл казеина и переводит  его в изоэлектрическое состояние (рН 4,6-4,7), в котором макромолекулы белка теряют свою растворимость и устойчивость. Кроме того, происходит переход в плазму фосфата кальция и органического кальция казеинаткальцийфосфатного комплекса, что дестабилизирует мицеллы казеина и вызывает их диспергирование.

Сычужная коагуляция казеина  включает 2 стадии - ферментативную и коагуляционную. Механизм как первой, так и второй стадии окончательно не установлен. Наиболее убедительной считается теория протеолитического действия сычужного фермента (гидролитическая теория). Согласно этой теории, на первой стадии под действием основного компонента сычужного фермента химозина происходит разрыв пептидной связи фенилаланин-метионин в полипептидных цепях k-казеина ККФК, в результате чего молекулы k-казеина расщепляются на гидрофобный пара-k-казеин и гидрофильный гликомакропротеид. Гидратная оболочка мицелл частично разрушается, силы электростатического отталкивания между частицами уменьшаются и дисперсная система теряет устойчивость. На второй стадии частично дестабилизированные мицеллы казеина (параказеина) собираются в агрегаты, которые затем соединяются продольными и поперечными связями в единую сетку, образуя сгусток.

Процесс гелеобразования - агрегирование  частиц казеина и формирование единой пространственной сетки молочного  сгустка.

Независимо от способа  коагуляции, различают 4 стадии формирования сгустка:

1 - индукционный период;

2 - сдадия флоккуляции - массовая коагуляция;

3 - стадия метастабильного  равновесия - уплотнение сгустка;

4 - стадия синерезиса - самопроизвольное уплотнение структуры за счет перегруппировки частиц и увеличения числа контактов между ними, т.е. сжатие геля и выпрессовывание из него дисперсионной среды.

При структурообразовании дисперсных систем могут образовываться два  типа пространственных структур - коагуляционные (тиксотропно-обратимые) и конденсационные (необратимо-разрушающиеся). Коагуляционные структуры обладают эластичностью, пластичностью и малой прочностью, так как частицы удерживаются только межмолекулярными силами. В конденсационных структурах частицы соединены прочными химическими связями, которые обеспечивают их прочность, но делают их хрупкими, неэластичными.

Устойчивость коллоидных частиц казеина в свежем молоке обусловлена  двумя факторами: электрическим  зарядом и гидрофильностью. В свежем молоке частицы казеинаткальцийфосфатного комплекса имеют отрицательный заряд, в силу одноименности заряда частицы отталкиваются при соударении. По мере приближения к изоэлектрической точке частицы приобретают электронейтральность, характерную для изоэлектрического состояния(число положительных зарядов равно числу отрицательных). В изоэлектрическом состоянии частицы казеина соединяются между собой, образуя сетчатую трехмерную структуру, и сквашенное молоко из жидкого состояния переходит в гель.

При сквашивании молока происходит ионный обмен между кальций-ионами казеинаткальцийфосфатного комплекса и Н-ионами молочной кислоты;

(казеиновый комплекс) Са + 2Н (С Н О ) + (Казеин) + 2Са (С Н О )

В результате сгусток казеина  обедняется кальцием. Одновременно образуется растворимый лактат кальция.

Йогурт производят путем  внесения в молоко закваски, под действием которой происходит свертывание белков и образование пространственной структуры из белков молока с включениями молочного жира и влаги. Характерно, что повышение температуры ускоряет процесс структурообразования. Как следует из таблицы 2 повышение температуры пастеризации способствует повышению вязкости сгустка.

 Таблица 2. Влияние температуры пастеризации на вязкость сгустка 10^3 (в Па с)

 

Состояние структуры

Температура пастеризации, С

 

63

72

80

90

Неразрушенная

457

549

1234

1896

Разрушенная

4,53

6,01

6,39

7,9

Через 15 мин после разрушения

6,32

6,32

8,22

10,11


 

  1. Тепловая обработка

 

Нагревание молока давно применяется в производстве йогурта для увеличения концентрации сухих веществ в молочной основе. По современным представлениям, назначение тепловой обработки молока при производстве кисломолочных продуктов заключается в следующем:

  • разрушение и/или удаление патогенных и других нежелательных микроорганизмов;
  • создание условий, благоприятных для развития микрофлоры закваски;
  • изменение физико-химических свойств составляющих молока, влияющих на качество йогурта.

Тепловая  обработка молока является одной  из наиболее распространенных операций в промышленном производстве различных молочных продуктов. Применяемые сочетания температуры и времени варьируются от < 65 °С в течение нескольких секунд (термизация) до 150 °С в течение нескольких секунд для ультравысокотемпературной обработки (УВТ). Тепловую обработку молока при производстве йогурта можно проводить при различных режимах.

Выбор режима тепловой обработки основывается на ряде факторов, но если предположить, что производственные ограничения отсутствуют, то перечисленные выше соображения окажутся основными.

Широко  изучено влияние тепловой обработки  молока на изменения составных частей молока, его питательные свойства, инактивацию ферментов (нативных или бактериального происхождения) и функциональные свойства молочных продуктов (например, термоустойчивость УВТ-молока, сгущенного и сухого молока).

При производстве йогурта молоко нагревается выше 70 °С, и физико-химические изменения, которые могут произойти в молочной основе, сложны и многообразны. Влияние термической обработки на функциональные свойства йогурта описано ниже.

Тепловая обработка молока для йогурта при 85-95°С достаточна для уничтожения большинства, если не всех вегетативных клеток микроорганизмов, присутствующих в сыром молоке, однако бактерии, образующие споры и некоторые термоустойчивые ферменты, сохраняются. Уменьшение конкуренции делает молоко, подвергнутое тепловой обработке, хорошей средой для роста микроорганизмов йогуртовой закваски; вместе с тем бактериологическое качество сырого молока и сухих ингредиентов, добавляемых к молочной основе, является очень важным фактором.

Высокое содержание психротрофных бактерий может вызвать разрушение казеина, а также жировых компонентов молока. И если разрушение казеина приводит к формированию слабого сгустка, склонного к отделению сыворотки, то гидролитическое прогоркание жира может служить причиной появления выраженного постороннего привкуса в продукте. Важно также помнить, что ферменты (пептидгидролазы и липазы) некоторых видов Pseudomonas термоустойчивы, и для их инактивации требуется высокотемпературная (150 °С) тепловая обработка.

В сыром  молоке присутствует около 60 ферментов, некоторые из которых нестойки к нагреванию, а другие могут переносить ультравысокотемпературную обработку молока. Активность ферментов молока — полезный индикатор физиологических изменений в вымени млекопитающих, условий обработки молока и факторов, влияющих на вкус и качество молочных продуктов. При производстве йогуртов сохранение этих ферментов не представляет серьезной проблемы.

Нагревание молока может привести к высвобождению некоторых веществ, стимулирующих или ингибирующих активность молочных заквасок, а так же происходят следующие явления:

  • стимулирование развития микрофлоры закваски в молоке при тепловой обработке его в интервале от 62 °С с выдержкой 30 мин до 72 °С с выдержкой 40 мин;
  • ингибирование развития микрофлоры закваски при нагреве молока в диапазоне от 72 °С с выдержкой 45 мин до 82 °С с выдержкой 10-120 мин или до 90 °С с выдержкой 1-45 мин;
  • стимулирование развития заквасочной микрофлоры в молоке, подвергнутом тепловой обработке при 90 °С в течение 60-180 мин и при автоклавировании (120°С, 15-30 мин);
  • ингибирование развития микрофлоры закваски при ужесточении режима стерилизации молока в автоклаве (120 °С, более 30 мин).

Явный цикл «стимулирование — ингибирование  — стимулирование — ингибирование» имеет место вследствие изменений белков сыворотки и может быть смоделирован добавлением денатурированных сывороточных белков или гидрохлорида цистеина. [1. стр.77-80]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Гомогенизация

 

Гомогенизация означает буквально  получение гомогенной (однородной) эмульсии двух несмешиваемых жидкостей  — например, масла/жира и воды. В  молочных продуктах встречаются два вида эмульсий:

  • «масло в воде» — «прямая» эмульсия, в которой капельки масла (жира) распределены в водной фазе (в эту категорию попадает большинство гомогенизированных молочных продуктов);
  • «вода в масле» — «обратная» эмульсия, в которой капельки воды распределены в масляной фазе (типичный пример — сливочное масло).

Молоко для йогурта — типичный пример эмульсии типа «масло в воде», поэтому со временем жир стремится  отделиться (особенно в период сквашивания  в резервуарах). Для предотвращения этого молочную основу подвергают высокоскоростному перемешиванию или гомогенизации, т. е. ее пропускают под высоким давлением через небольшое отверстие или кольцевой зазор.

Хорошо  известно, что диаметр жировых  шариков в молоке варьирует от 1 до 10 мкм при среднем его значении 3 мкм. Эти изменения размера жировых  шариков зависят от факторов, влияющих на химический состав молока (порода коровы, стадия лактации, возраст и здоровье коровы, вид корма, и т. д.). После гомогенизации средний диаметр жировых шариков становится меньше 2 мкм что предотвращает образование конгломератов жира и отстой его на поверхности. В белковом компоненте молока (казеине и сывороточных белках) могут происходить следующие процессы:

  • денатурация некоторых белков сыворотки;
  • взаимодействие казеина с денатурированными сывороточными белками;
  • образование сульфгидрильных соединений из денатурированных белков сыворотки.

Однако  изменения составных частей молока, и желаемый результат гомогенизации  могут быть достигнуты только при  соблюдении определенных условий, а именно правильном выборе давления и температуры гомогенизации с учетом необходимого содержания жира в обрабатываемой смеси.

До  обработки цельного молока любых  млекопитающих не происходит какого-либо взаимодействия между основными  его составляющими — белками, жирами и лактозой. Жировые шарики в сыром молоке окружены оболочкой, состоящей из белка, липидов и фосфолипидов. Нагрев и давление вызывают химические и физические изменения в жировых шариках молока. Если химические изменения касаются остатков жирных кислот, то физическе изменения под действием температуры и давления выражаются в сложных взаимодействиях между составляющими молока. [1. стр.70-73]

Нагревание  гомогенизированного молока свыше 70 °С приводит к усилению денатурации и формированию из денатурированных белков сыворотки новых структур, которые в дальнейшем могут участвовать в таких реакциях, как:

  • осаждение на поверхности мицелл казеина коллоидной дисперсии молока (за счет взаимодействия с к-казеином);
  • взаимодействие с к-казеином, адсорбированном на жировых шариках;
  • взаимодействие с остатками мембран жировых шариков;
  • адсорбция на поверхности жировых шариков (с вытеснением адсорбированных казеинов)

Применение одноступенчатой или  двухступенчатой гомогенизации  зависит от содержания жира в исходном сырье. При обработке сырья с высоким содержанием жирового компонента, например, сливок, рекомендуется двухступенчатая гомогенизация, поскольку жировые шарики в гомогенизированных сливках имеют тенденцию к образованию скоплений. При производстве йогурта молоко обычно подвергается одноступенчатой гомогенизации при температуре 65-70 °С и давлении 15-20 МПа. Сообщалось о давлении до 30 МПа, но на практике такой режим широко не используется.

Влияние гомогенизации на свойства молока для производства йогурта:

• общая площадь поверхности жировых шариков увеличивается, их размер уменьшается и происходит изменение состава оболочек;

  • часть вновь образованной поверхности жировых шариков из-за дефицита на-тивных оболочечных компонентов покрывается поверхностно-активными веществами, в основном адсорбированными белками;
  • турбулентный характер гомогенизации способствует большей адсорбции казеиновых мицелл по сравнению с сывороточными белками; казеин покрывает около 25 % площади поверхности жирового шарика, в то время как сывороточные белки — лишь 5 %;
  • в рекомбинированном молоке, при получении которого молочный жир эмульгируется в обезжиренном молоке, оболочки жировых шариков состоят только из сывороточных белков;
  • жировые шарики после гомогенизации ведут себя подобно крупным казеиновым мицеллам (поскольку их оболочки состоят в основном из казеинов), увеличивая эффективную концентрацию казеина, и могут участвовать в некоторых процессах, характерных для казеина, например, в кислотном свертывании;
  • увеличение количества мелких жировых шариков повышает способность молока отражать свет, поэтому ферментированное молоко кажется белее;
  • уменьшается риск синерезиса (выделение свободной сыворотки на поверхности сгустка), а плотность конечного продукта увеличивается, улучшая вкусовые ощущения.

В некоторых  случаях гомогенизация молока для  йогурта производится после тепловой обработки молочной основы. При этом необходимо помнить об опасности повторного загрязнения продукта и, во избежание

этого, следует ужесточить гигиенические требования и, по возможности, использовать асептический гомогенизатор.

Основные  причины улучшения консистенции йогурта, полученного из гомогенизированного молока, могут быть следующими:

  • изменение влагоудерживающей способности белков молока, снижающее интенсивность синерезиса;
  • увеличение содержания в плазме молока компонентов оболочек жировых шариков (белков и фосфолипидов), что также повышает влагоудерживающую способность сгустка;
  • снижение продолжительности сквашивания молока, особенно при увеличении давления гомогенизации (0-15 МПа) ;
  • плотность сгустка при производстве био-йогурта существенно зависит от содержания СОМО (18 г/100 г), применения двухступенчатой гомогенизации (давление 1 и 2 ступеней 14,6 и 3,5 МПа соответственно), в меньшей степени — от содержания жира (4,5 г/100 г) и не зависит от продолжительности выдержки молока при тепловой обрботке (90 °С);
  • улучшение физических свойств йогурта может быть достигнуто обогащением молока с помощью УФ, нагреванием его до 100-120 °С в течение 4 или 16 с и применением двухступенчатой гомогенизации при температуре 55 "С и давлении 14,2 и 3,5 МПа соответственно после нагрева молока;
  • гомогенизация молока для йогурта при 0; 10,3 и 34,5 МПа влияла только на синерезис и водоудерживающую способность;
  • замена молочного жира растительным маслом или заменителями жира влияет на реологические и органолептические характеристики, а также на микроструктуру йогурта.

Очевидно, что наибольшим изменениям в результате тепловой обработки молока, применяемой  при производстве йогурта, подвергаются сывороточные белки, хотя определенное значение могут иметь изменения  и некоторых других компонентов  молока, например:

• нагревание может влиять на состояние солей молока, особенно кальция, фосфата, цитрата и магния; эти соли могут существовать в молоке в виде растворимых ионов или в коллоидной форме как часть комплекса казеиновых мицелл, а нагревание молока при 85 °С в течение 30 мин может перевести в коллоидную фазу до 16% растворимого кальция;

• нагревание молока может снизить количество присутствующего кислорода, т. е. уменьшить окислительно-восстановительный потенциал, стимулирующий рост закваски;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Йогурты обладают многими полезными  веществами, они благотворно влияют на пищеварительную деятельность человеческого  организма. Йогурт повышает общую сопротивляемость организма, улучшает работу иммунной системы, так как содержащиеся в нем ферменты выводят из организма вредные вещества и шлаки. Содержит витамины В2 и В12. Способствует восстановлению полезной микрофлоры кишечника, уничтоженной антибиотиками. Одним словом, при всех нарушениях работы кишечника йогурт весьма полезен. Йогурты, в которые добавлена растворимая клетчатка, способен снижать уровень холестерина в крови и также показан страдающим сердечными заболеваниями.[5]

Йогурт рекомендуют больным  с лучевой болезнью и онкологическими  заболеваниями, как дополнительный компонент в курсе общего лечения. Сам факт того, что йогурт может  нормализовать микрофлору кишечника, снижает риск возникновения рака толстой кишки.

Йогурт быстро снимает  чувство голода, утоляет жажду. Как  и большинство кисломолочных  продуктов, он полезен людям всех возрастов, особенно пожилым, а также  беременным и кормящим матерям.

   Выпуск лечебных йогуртов без добавок, но содержащих лекарственное растительное сырье, являющееся целебным компонентом, особенно удобен и практичен для детского, диетического, диабетического и спец питания людей.

                   Производство йогурта является очень тонким процессом, поскольку производители имеем дело с микроорганизмами и сложной пищевой системой - молоком и выполняют множество операций. Поэтому производители йогурта должны очень тщательно следить за каждым этапом производства, контролируя каждый значимый параметр технологического процесса. Ведь от этого зависят и вкусовые качества и сохранность продукта.