Тепловая обработка молока

Тепловая обработка молочного сырья проводится с целью его обеззараживания. Она должна обеспечить не только надежное подавление жизнедеятельности микроорганизмов, но и максимально возможное сохранение исходных свойств молока. Любое тепловое воздействие на молоко нарушает его первоначальный состав и физико-химические свойства. Степень физико-химических изменений составных частей молока зависит главным образом от температуры и продолжительности тепловой обработки.

Молочные белки под действием тепла денатурируют. Наиболее чувствительны к нагреванию сывороточные белки, которые денатурируют при температурах выше 65 °С, казеин же обладает высокой тепловой стойкостью. При температурах выше 100 °С начинается частичное разложение лактозы, в результате которого молоко приобретает специфический вкус, запах и цвет (бурый). Молочный жир при нагревании до 100 °С практически не меняется. В процессе тепловой обработки частично разрушаются витамины, особенно водорастворимые (С, B12, тиамин и др.), а также инактивируются ферменты (редуктаза, фосфатаза, пероксидаза). Минеральные соли в результате перехода растворимых солей кальция и фосфора в нерастворимое состояние частично выпадают в осадок. Изменение составных частей молока, вызывающих отрицательное влияние на пищевую ценность и органолептические показатели, должно быть незначительным.

К видам тепловой обработки относятся пастеризация, стерилизация и термизация.

Пастеризация молока – это тепловая обработка молока с целью уничтожения вегетативных форм микрофлоры, в том числе патогенных. Схематическая изображения процесса пастеризации молока приведена на рисуноке 26.

Рисунок 26. Схема пастеризации.

Режим пастеризации должен обеспечить также получение заданных свойств готового продукта, в частности органолептических показателей (придать вкус, нужную вязкость, плотность сгустка).

Эффект пастеризации, обусловленный степенью гибели патогенной микрофлоры, влияет на выбор режимов и способов пастеризации. Из патогенных микроорганизмов более устойчивыми к тепловой обработке являются бактерии туберкулеза. Поскольку работа по определению возбудителей туберкулеза сложна, то эффективность пастеризации принято определять по гибели не менее стойкой кишечной палочки. Эффект пастеризации зависит от температуры (t) и продолжительности тепловой обработки (z), взаимосвязь которых установлена в виде следующего уравнения:

ln z _д = 36, 84 – 0, 48 t,

где 36, 84 и 0, 48 – постоянные величины.

Для предостережения от стремления увеличить продолжительность теплового воздействия в целях повышения эффективности пастеризации был предложен критерий завершенности процесса – критерий Пастера. Это безразмерная величина, представляющая собой отношение фактической продолжительности пастеризации z_ф к достаточной z_д:

Ра = z_ф/ z_д.

Процесс пастеризации считается оптимальным и завершенным, если z_ф = z_д.

На основании кривых гибели патогенных микроорганизмов и инактивации фосфатазы был определен режим пастеризации в производстве молока пастеризованного: 72^оС с выдержкой 15 с. Дальнейшими исследованиями было установлено, что при наличии в сыром молоке большого количества микроорганизмов (десятки и сотни миллионов бактерий в 1 см³) такой режим не обеспечивает необходимую эффективность пастеризации. Было предложено повысить температуру пастеризации до 74–76^оС, а выдержку увеличить до 20с. В этом случае общее количество бактерий снижается до десятков или немногих сотен тысяч клеток.

При тепловой обработке изменяются физико-химические и органолептические свойства молока.

Степень денатурации сывороточных белков при принятых в промышленности режимах пастеризации молока составляет 9–30%.

В зависимости от этих факторов различают три режима пастеризации: длительная пастеризация – при температуре 60–63°С с выдержкой 30 мин; кратковременная – при температуре 74–78°С с выдержкой 20 с; моментальная – при температуре 85–87 °С или 95–98 °С без выдержки.

Выбор режимов пастеризации предопределяется технологическими условиями и свойствами продукта. При содержании в продукте компонентов, отличающихся низкой термоустойчивостью, следует применять длительную пастеризацию. Процесс длительной пастеризации хотя и обеспечивает надежное уничтожение патогенных микробов и наименьшее изменение физико-химических свойств молока, однако требует больших затрат, связанных с использованием малопроизводительного оборудования.

Наиболее распространенным способом в производстве пастеризованного молока, кисломолочных продуктов, мороженого является кратковременная пастеризация. Этот способ также надежен для инактивации микробов и максимального сохранения исходных свойств молока. Моментальная пастеризация по воздействию на микробы и свойства молока аналогична кратковременной. Она рекомендуется для пастеризации сливок, из которых вырабатывается масло, и при производстве молочных консервов. Таким образом, все способы пастеризации позволяют получить продукт, безвредный для непосредственного употребления в пищу, но обладающий ограниченным сроком хранения.

Сопротивляемость микроорганизмов тепловой обработке увеличивается при повышении содержания жира и сухих веществ в продуктах (сливки, смесь для мороженого), так как жировые и белковые вещества оказывают защитное действие на микробные клетки. Поэтому для продуктов с повышенным содержанием жира и сухих веществ температуря пастеризации должна быть увеличена на 10–15 % по сравнению с температурой пастеризации молока.

Одновременно с процессом пастеризации для улучшения органолептических показателей молока и сливок проводится их дезодорация. Изменение органолептических показателей происходит вследствие наличия в молоке летучих веществ и газов, особенно кислорода, обусловливающих нежелательные вкус и запах. Кислород, присутствующий в молоке, при хранении способствует окислению жировой фракции и разрушению витаминов. Для удаления этих нежелательных веществ из молока используют вакуум-дезодорационные установки. Дезодорация осуществляется обычно при температуре 65–70 °С и разрежении 0, 04–0, 06 МПа в течение 4–5 с. При этих условиях молоко закипает, и вместе с парами удаляются нежелательные газы и летучие вещества.

Стерилизация молока – это тепловая обработка молока (выше 100°С) с целью повышения стойкости в хранении путем уничтожения как вегетативных, так и споровых форм микроорганизмов.

В зависимости от применяемых технических средств стерилизация молока может быть тепловой, химической или ионизированным излучением.

В данном случае под термином “стерилизация” понимают тепловую стерилизацию.

Для вывода теоретического обоснования уничтожения бактерий при тепловой стерилизации существует следующий эксперимент.

Из спор хорошо известных видов бактерий готовили однородную микробиологическую суспензию и измеряли первоначальную концентрацию С₀ жизнедеятельных клеток в единице объема. Затем суспензию подвергали тепловой обработке при различных комбинациях температуры и продолжительности, причем переменным являлся только один параметр.

При постоянной температуре количество переживших тепловое воздействие спор подсчитывают через равные промежутки времени, т. е. определяют их концентрацию С в конце каждого периода времени. По полученным данным строят график, показывающий постоянное снижение концентрации С как функцию времени t. Построить такой график очень сложно из-за большого разброса данных о концентрации переживших спор, поэтому строят график логарифма С как функции времена действия при постоянной температуре.

Рис. 27. Полулогарифмическая зависимость изменения количества спор от продолжительности нагрева

Полученный график (рис. 27) - прямая линия в зоне высокой концентрации при условии использования суспензии из спор с совершенно однородным термическим сопротивлением. Следовательно, полулогарифмическая зависимость термического разрушения спор в функции от продолжительности нагрева является прямой линией.

Математическое выражение можно представить равенством

y = b - ax,

где y = log C;

b = log C₀;

x = t мин.

Коэффициент a показывает наклон графика и зависит от выбранной температуры.

Равенство можно представить в виде

log C = log C₀ - at

или

log C - log C₀ = log (C / C₀) = - at.

Оно выражает полулогарифмическую зависимость изменения отношения конечной и начальной концентраций от продолжительности нагрева, т. е. показывает часть первоначального количества спор, выдержавших тепловую обработку в течение времени t.

Рис. 28. Полулогарифмическая зависимость изменения C/C₀ от продолжительности нагрева

Графическое выражение (рис. 28) представляет собой семейство прямых линий {1, 2}, проходящих через начало координат. Каждый график соответствует определенной температуре.

Значение log(C/C₀), очевидно, всегда отрицательно, так как C/C₀ всегда меньше 1.

Построенные графики не соответствуют действительной форме, показывающей ход бактериологического разрушения, так как они просто представляют собой изменения логарифма количества спор, выдержавших тепловую обработку.

Логарифмическую функциональную зависимость выражали как функцию, показывающую изменения, которые соответствуют числам, так как логарифм числа N является степенью, в которую возводится основание В для получения числа N. Между числом N и его логарифмом существует следующая связь:

N = B^logN.

Чтобы перейти от log(C/C₀) к C/C₀, можно написать

C/C₀ = B^log(C/C0)

но

log (C/C₀) = - at,

откуда

C/C₀ = B ^-at.

В начале координат при t = 0, C/C₀ = 1, то есть C = C₀.

Полученное выражение можно представить в виде

C=C₀B ^-at

а это показательная функция y = k ^x.

Кривая, представляющая эту функцию, состоит из двух ветвей - параболы и гиперболы. Вторая ветвь (рис. 29) асимптотически приближается к оси x(t).

Рис. 29. Зависимость изменения количества спор от продолжительности нагрева.

Однако тепловое разрушение микроорганизмов не всегда выражается графиком логарифмического вида, так как в чистых культурах могут содержаться более термостойкие клеточные семейства.

Культура приобретает термостойкость, например, под влиянием старения.

В ряде случаев это свойство является врожденным, генетического происхождения, следовательно, передается по наследству.

Бактерия способна наследовать характеристики, собранные в генах, содержащихся в хромосомовом комплексе клеток, поэтому истинные генетические изменения могут быть причиной появления передающейся изменчивости.

Чтобы определить, можно ли достигнуть абсолютной стерильности продукта, вводят понятие о скорости теплового разрушения.

Скорость теплового разрушения - количество клеток, погибших в единицу времени.

V_n = (C_n–1 - C_n) / dt

При тепловой обработке концентрация и скорость разрушения бактерий уменьшаются в зависимости от продолжительности нагрева.

Скорость разрушения пропорциональна концентрации. Это понятие идентично понятию мономолекулярной реакции, когда при понижении концентрации понижается скорость. В пределе такой реакции, когда концентрация становится малой, скорость становится также бесконечно малой, а продолжительность реакции - бесконечно большой. Последняя клетка разрушится через бесконечно большой промежуток времени, завершения процесса уничтожения бактерий практически достичь невозможно и, следовательно, не может быть абсолютной стерилизации.

Такой вывод подтверждается тем фактом, что график второй части показательной функции заканчивается гиперболой, асимптотически приближающейся к оси времени.

Отсюда следует, что понятие " логарифмической смерти" не совместимо с понятием стерильности. Но, бесконечно малая концентрация, которая потребовала бы бесконечной продолжительности разрушения последней клетки, характерна для бесконечно большого объема.

В ограниченном объеме концентрация микроорганизмов может не быть бесконечно малой с соответствующей бесконечно большой продолжительностью разрушения и для разрушения последней клетки не потребуется бесконечно большой продолжительности нагрева. Cледовательно, достигнуть стерильности в данном объеме теоретически можно. Кроме того, на показательном графике величина C или C/C₀ не стремится к нулю, а величина C стремится к единице (последний зародыш). Этой ординате на оси времени соответствует величина, располагающаяся на определенном расстоянии от начала координат, но не в бесконечности.

Такая аргументация подкрепляется в том случае, если бактериальная смерть не соответствует логарифмическому закону в области малых концентраций, то есть полулогарифмическая кривая в зоне не соответствует прямой линии. Следовательно, кривая изменения C в определяемой области не является показательной функцией и не имеет форму гиперболы.

Стерилизация по сравнению с пастеризацией проводится при более высоких температурах, но с менее продолжительной выдержкой, поэтому физико-химические свойства молока претерпевают почти такие же изменения, как при пастеризации.

В зависимости от особенностей производства и фасования, продукта различают периодическую и непрерывную стерилизацию в таре и в потоке с асептическим розливом. Периодическая стерилизация в таре осуществляется после фасования и герметического укупоривания продукта при температуре 110–120 °С в течение 15–30 мин. Для одноступенчатой стерилизации в таре служат стерилизаторы периодического действия – автоклавы. При периодической стерилизации продукт в таре загружают в стерилизатор, нагревают паром, выдерживают определенное время и охлаждают водой или воздухом до 40–50 °С. Периодический способ стерилизации обеспечивает высокую стойкость продукта при хранении даже в неблагоприятных условиях (при 50 °С) в течение 12 месяцев и более. Однако этот способ малопроизводителен и вызывает физико-химические изменения составных частей молока вследствие продолжительного теплового воздействия. В результате этих изменений молоко приобретает сильно выраженный кипяченый вкус, буровато-кремовую окраску.

Наибольшее распространение получила непрерывная стерилизация с одноступенчатым и двухступенчатым режимами. При одноступенчатой стерилизации в потоке продукт подвергают кратковременной ультравысокотемпературной обработке (УВТ) при температуре 130–150 °С в течение нескольких секунд, после чего фасуют в асептических условиях в стерильную тару. Стерилизация в потоке может осуществляться прямым или косвенным нагревом. Прямой нагрев осуществляется путем смешивания теплоносителя (пара) с продуктом, а косвенный нагрев – через теплопередающую поверхность. При смешивании с паром происходит практически мгновенное нагревание продукта, что позволяет использовать молоко более низкой термоустойчивости. Кроме того, мгновенное тепловое воздействие вызывает наименьшие физико-химические изменения. К существенным недостаткам указанного способа относятся низкий коэффициент регенерации тепла, повышенные требования к качеству пара, используемого для нагревания продукта.

Для стерилизации продукта способом косвенного нагрева применяют трубчатые, пластинчатые и для вязких продуктов скребковые теплообменники. Эти теплообменники характеризуются надежностью в работе, простотой обслуживания, высокой степенью использования тепла. Однако при стерилизации в теплообменниках косвенного нагрева быстрее образуется пригар на теплопередающих поверхностях.

Непрерывная стерилизация при двухступенчатом режиме осуществляется в следующей последовательности: первоначально продукт стерилизуют в потоке при 130–150°С в течение нескольких секунд, затем после розлива и укупоривания вторично стерилизуют продукт в таре при температуре 110–118°С в течение 15–20 мин. Двухступенчатый режим стерилизации предназначен не только для уничтожения микроорганизмов, имеющихся в сырье, но и попавших в продукт при его фасовании. Продукт, полученный при двукратном режиме стерилизации, обладает высокой стойкостью при длительном хранении.

При выборе способа стерилизации и типа установок следует учитывать условия эксплуатации, качество исходного сырья, вид вырабатываемого продукта и экономическую целесообразность.

Термизация - это тепловая обработка молока при более мягких режимах, чем режимы пастеризации.

По Казалису ее проводят при 57-68°С с выдержкой 15 с, но обычно - при 63-65° С с выдержкой 10-20 с.

Она применяется для регулирования микробиологических и технологических процессов в производстве сыра и не может заменить пастеризацию, кроме частных случаев, когда наряду с ней применяются другие средства дезактивации патогенной микрофлоры.

В таблице 4 показано влияние термизации на содержание микроорганизмов в молоке. Термизация снижает его в молоке в 5-100 раз, в результате чего численность психротрофов в первом и втором образцах молока через 4 сут хранения при 7°С не превышает допустимого уровня; в третьем образце с высокой общей исходной бактериальной обсемененностью она была близка к этому уровню после 3 сут хранения.

Термизация снижает активность щелочной фосфатазы на 7-45%, другие энзимы молока к ней малочувствительны.

Замена пастеризации термизацией при 65-70° С уменьшает время сычужного свертывания молока в производстве твердых сыров на 2-10%, ускоряет созревание, повышает качество сыра; она особенно полезна зимой.

Таблице 4 Влияние термизации на содержание микроорганизмов в молоке

Пастеризацию считают наиболее вероятной причиной недостаточно выраженного вкуса сыров. Несмотря на, эти преимущества, термизация на фоне роста пищевых отравлений во всем мире может заменить пастеризацию только при наличии комбинации следующих факторов:

- высокого бактериального качества молока к отличных гигиенических условий выработки сыра;

- достаточно длительного созревания сыров (за исключением тех видов мягких сыров, в которых длительное созревание сопровождается слишком большим повышением pH);

- высоких температур II нагревания.

Следует отметить, что проведение термизации способствует загрязнению пастеризатора термофильным стрептококком, который может вызвать пороки твердых сыров с низкими температурами II нагревания.