Stabilizatory: Systemy stabilizujące mleczne napoje fermentowane

dr inż. Dorota Zaręba, dr hab. Małgorzata Ziarno
Forum Mleczarskie Biznes 1/2018 (31)
dr hab. Małgorzata Ziarno, prof. SGGW, SGGW Warszawa

W obecnych czasach coraz mniej czasu poświęcamy na przygotowanie, a tym bardziej na delektowanie się, przygotowanym posiłkiem. Przyczyny, jak i konsekwencje, tego zachowania są stale poddawane społecznej dyskusji. W związków z rosnącym zapotrzebowaniem na żywność szybką, wygodną, a przy okazji o wysokiej wartości odżywczej i zdrowotnej, dużym powodzeniem cieszą się produkty mleczarskie. Mleczne napoje fermentowane są nadal dominującą grupą produktów spośród oferty mlecznych przetworów. Podstawowe kryteria wyboru mlecznych napojów fermentowanych są to przede wszystkim: smak, wygląd, wartości odżywcze i zdrowotne oraz wygoda szybkiego i łatwego spożycia.


Do najczęściej kupowanych napojów fermentowanych w pierwszej kolejności należy jogurt, w drugiej kefir, rzadziej wybierane są maślanka i kwaśne mleko. Największą popularnością cieszą się produkty smakowe, przede wszystkim owocowe. Stały postęp w operacjach i procesach technologicznych w przemyśle mleczarskim oraz stale zwiększająca się świadomość i wymagania konsumentów wymuszają ciągłe zmiany i udoskonalenia w ofercie mlecznych napojów fermentowanych. Biorąc pod uwagę, że podstawowe kryteria wyboru to jakość i bezpieczeństwo produktu, wychodząc naprzeciw oczekiwaniom konsumenta należy podnosić jakość sensoryczną produktów finalnych. Jakość napojów fermentowanych obejmuje przede wszystkim ich smak, zapach i konsystencję. Gwarancją smaku i zapachu są przede wszystkim dobór składników wprowadzających charakterystyczny smak i zapach produktu, zaś podstawą najlepszych cech strukturalnych, wpływających na konsystencję produktu gotowego, jest stabilizacja układu koloidalnego mleka. Na stabilizację układu koloidalnego w mlecznych produktach fermentowanych mają wpływ sam surowiec, jego obróbka, proces fermentacji, rodzaj użytej kultury starterowej, jak również obecność dodatków strukturotwórczych oraz smakowych.


Mleko, które jest podstawowym surowcem do produkcji mlecznych napojów fermentowanych, w swojej natywnej postaci jest układem koloidalnym, ze względu na rozproszenie kazeiny w fazie wodnej. Kazeina jest podstawowym białkiem mleka, którego udział wynosi przeciętnie 2,5%. Kazeina składa się z frakcji: αs-kazeina, β-kazeina, γ-kazeina i -kazeina, których rozkład w miceli kazeinowej tworzy zewnętrzną warstwę hydrofilową. Warstwa ta jest bogata w κ-kazeinę, której sole wapniowe dobrze rozpuszczają się w wodzie i dlatego ich sferyczne ulokowanie gwarantuje swobodne rozmieszczenie i unoszenie się kazeiny w fazie wodnej mleka. Ponadto, każde białko charakteryzuje się określonym ładunkiem elektrycznym, który jest pochodną składu aminokwasowego. W świeżym mleku każda micela kazeinowa jest pokryta ładunkiem ujemnym, który powoduje wzajemne odpychanie się micel kazeinowych sprzyjając ich rozproszeniu. Dodatkowo ujemny ładunek zewnętrznej warstwy miceli powoduje tworzenie warstwy hydratacyjnej, tj. warstwy utworzonej z jonów hydroniowych powstałych z cząsteczek wody, co również sprzyja dyspersji micel kazeinowych w wodzie. Układ ten jest stabilny w warunkach mleka świeżego, czyli w granicach pH 6,6-6,8, a ze względu na właściwości buforujące mleka, niewielkie wahania pH są w nim niwelowane. Proces fermentacji mleka zaburza jednak układ jonowy przekraczając zdolności buforujące i powodując dezintegrację układu koloidalnego. Zwiększenie zawartości kwasów organicznych, tj. kwas mlekowy lub octowy, powoduje zmianę konformacji białek zewnętrznej warstwy kazeiny i tym samym zmianę sumarycznego ładunku, który ściśle zależy od pH środowiska. Przy pH równym 4,7 kazeina osiąga punkt izoelektryczny, co oznacza, że zewnętrzna warstwa kazeiny ma sumaryczny ładunek elektryczny równy zero. Obojętny ładunek zewnętrzny kazeiny skutkuje brakiem odpychania między micelami i w konsekwencji ich koagulacją (utworzeniem skupisk kazeinowych), co powszechnie określane jest mianem „wytrącenia skrzepu”. W efekcie powstają dwie frakcje: skrzep i serwatka. Stopień rozwarstwienia mleka po fermentacji zależy od intensywności prowadzonej fermentacji, jej temperatury oraz zastosowania zabiegów stabilizujących, które mają przeciwdziałać synerezie, czyli wydzieleniu się serwatki w mlecznych produktach fermentowanych.

Wpływ surowca i jego obróbki na stabilizację napojów fermentowanych

Podstawowym czynnikiem jest jakość surowca, która z założenia powinna być najwyższa, m.in. bez obecności substancji hamujących aktywność mikroflory fermentującej mleko. Ponadto, znaczący wpływ mają: obróbka mleka, w tym normalizacja (udział tłuszczu w mleku), homogenizacja oraz obróbka termiczna. Udział tłuszczu wpływa stabilizująco i wygładzająco na strukturę skrzepu, a także zagęszczająco, efekty te dodatkowo potęguje proces homogenizacji. Tłuszcz mleczny zwiększa poczucie pełności smaku i aksamitności masy. Mleczne napoje fermentowane o zwiększonej zawartości tłuszczu charakteryzują się zwięzłą i stałą konsystencją, co wynika z tworzenia struktur krystalicznych przez cząsteczki tłuszczu. Udział tłuszczu mlecznego w napojach mlecznych może wynosić do 10%. Istotnym zabiegiem dla stabilizacji skrzepu jest również obróbka termiczna, która determinuje stopień denaturacji białek mleka. W procesie pasteryzacji dochodzi do denaturacji i wytrącenia białek serwatkowych, a przede wszystkim jednej z β-laktoglobulin. Wytrącone białka serwatkowe łączą się z frakcją κ-kazeiny i w konsekwencji zwiększają wodochłonność skrzepu, a co za tym idzie przeciwdziałają synerezie. Najefektywniejsze wytrącanie białek serwatkowych zachodzi w wysokim zakresie temperatury pasteryzacji (90-95°C), dlatego taka wysoka pasteryzacja surowca jest rekomendowana przy produkcji mlecznych napojów fermentowanych. Obróbka termiczna jest coraz częściej wykorzystywana w celu podwyższenia suchej masy mleka kierowanego na produkcję mlecznych napojów fermentowanych. W tym celu prowadzi się proces zagęszczania termicznego, odwirowania lub ultrafiltracji. Zabiegiem alternatywnym dla zagęszczania jest dodatek proszku mlecznego do mleka przerobowego lub mieszanki białek mleka takich, jak serwatka, koncentraty białek serwatkowych, koncentraty białek mleka, serwatka w proszku. Zwiększenie udziału białek mleka wpływa bezpośrednio na zwięzłość skrzepu ze względu na większe stężenie białek i tym samym zwiększenie właściwości zdolności wodochłonności układu minimalizujących ryzyko synerezy. W przypadku zastosowania proszków mlecznych lub ich frakcji ważnym aspektem jest proces obróbki mleka użytego do produkcji tych składników. Ze względu na zdolność do wiązania wody w przypadku mlecznych napojów fermentowanych zalecane są proszki nisko- lub średniodogrzewane. Obróbka termiczna proszków lub ich frakcji jest związana ze stopniem denaturacji białek (zbyt intensywna denaturacja zmniejsza wodochłonność preparatów). Dodatek proszków mlecznych lub ich frakcji umożliwia stabilizację mlecznych napojów fermentowanych bez dodatków smakowych i substancji aromatyzujących, do których, zgodnie z Rozporządzeniem 1333/2008, nie przewidziano możliwości zastosowania żadnych dodatków do żywności, w tym także tych o charakterze stabilizującym.


Wpływ kultury starterowej na stabilizację napojów fermentowanych

Obecnie mleczne napoje fermentowane są określane napojami II generacji. Klasyfikacja ta jest związane z zastosowaniem gotowych kultur bakterii fermentacji mlekowej w formie starterów. Kultury starterowe mogą różnić się pod względem składu na poziomie rodzaju, gatunku lub szczepu użytych bakterii fermentacji mlekowej. Rodzaj użytej mikroflory jest podstawowym determinantem warunkującym powstanie określonego napoju fermentowanego. Niektóre z napojów, jak na przykład jogurt, mają ściśle określony podstawowy skład mikroflory technicznej, do której należą: Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Skład mieszanek bakteryjnych jest stale zmieniany i udoskonalany pod względem stabilności i powtarzalności fermentacji oraz pod względem funkcji technologicznych. W przypadku stabilizacji skrzepu napojów mlecznych cenną właściwością mikroorganizmów jest wytwarzanie w procesie fermentacji egzopolisacharydów. Są to biopolimery, czyli długie łańcuchy składające się z różnych cukrów. Wykazują właściwości strukturotwórcze i zagęszczające. Obecność szczepu wykazującego zdolność do produkcji egzopolisacharydów w kulturze starterowej jest przykładem dodatkowych funkcji technologicznych startera. Czyste formy egzopolisacharydów bakteryjnych są również powszechnie i z powodzeniem stosowane, ale są klasyfikowane jako dodatki do żywności w myśl załącznika II do Rozporządzenia 1333/2008. Przykładem tych substancji są hydrokoloidy – między innymi: guma ksantan, guma gellan itp.

Katarzyna Filipowska, Technical Sales Manager Dairy Industry w firmie Hydrosol

Katarzyna Filipowska

Technical Sales Manager Dairy Industry w firmie Hydrosol

Konsumenci mają wysokie wymagania wobec produktów – powinny one spełniać oczekiwania pod względem tekstury, koloru, aromatu i smaku oraz nie posiadać wad.

Aby spełnić wszystkie te kryteria, potrzebne są wysoce funkcjonalne systemy stabilizacyjne. Pomagają one uniknąć defektów produktu, takich jak synereza lub denaturacja białek oraz nadają odpowiednią teksturę.

Mleczarnie oczekują nowatorskich pomysłów i wyrafinowanych systemów stabilizacyjnych. W firmie Hydrosol podążamy za trendami konsumenckimi i opracowujemy innowacyjne produkty, spełniające oczekiwania konsumentów w zakresie jakości i nowości. W zeszłym roku na przykład, opracowaliśmy produkty ze słodkiej oraz kwaśnej serwatki, odpowiadając tym samym na potrzebę zagospodarowania produktów wtórnych. W obszarze wegańskich alternatyw zaprojektowaliśmy i wdrożyliśmy szeroka gamę produktów – od alternatywy do jogurtu i mleka po alternatywy do lodów. Dzięki naszym pomysłom, mleczarnie mogą poszerzać swoją ofertę oraz zdobywać nowe rynki.

Znamy naszych klientów i ich procesy. Nasze innowacje są zawsze dostosowane do standardowych technologii – w większości mogą być realizowane bez dużych inwestycji. Oczywiście przy opracowywaniu nowych produktów uwzględniamy wymagania naszych klientów, związane z przedziałem cenowym w jakim mają się one znajdować. Działamy jako partner po stronie mleczarni i dostarczamy nowe produkty na nowe rynki.

Wpływ substancji strukturotwórczych na stabilizację napojów fermentowanych

Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom konsumentów aktualne tendencje skierowane są w stronę „czystej etykiety” (z ang. clean label). Dlatego najczęściej stosowanymi związkami strukturotwórczymi są substancje z grupy środków spożywczych lub z grupy dodatków do żywności, ale o dużej akceptacji konsumenckiej pod względem naturalnego pochodzenia. Substancje o właściwościach stabilizujących są to najczęściej hydrokoloidy, których właściwości technologiczne mają różne znaczenie: od żelującego, zagęszczającego, po emulgowanie i stabilizowanie. Są to najbardziej wszechstronne preparaty stosowane w technologii żywności. Większość hydrokoloidów należy do grupy dodatków do żywności, których możliwość zastosowania jest określona w załączniku II do Rozporządzenia 1333/2008. Do najczęściej wykorzystywanych w przemyśle spożywczym należą: skrobie modyfikowane, agar, karagen, guma guar, guma ksantan, pektyny, mączka chleba świętojańskiego itp.

Dużą akceptacją konsumencką cieszą się pektyny. Dobra opinia dot. pektyn związana jest z ich pochodzeniem. Pektyny znajdują się w ścianach komórkowych roślin, gdzie zapewniają właściwą strukturę tkanki oraz kontrolują bilans wodny. Z technologicznego punktu widzenia są to wysokocząsteczkowe heteropolisacharydy, których dominującym składnikiem jest kwas galakturonowy, który może być zestryfikowany z grupą metylową lub amidową. W produkcji żywności pektyny są stosowane jako substancje żelujące, zagęszczające lub stabilizujące produkt spożywczy. W mlecznych produktach fermentowanych pektyny są stosowane jako środki stabilizujące, przy czym przy niskich wartościach pH pektyna spełnia funkcję ochronną wobec kazeiny oraz przeciwdziała flokulacji i sedymentacji lub minimalizuje ryzyko wystąpienia synerezy. Mechanizm działania pektyny jest związany z tworzeniem warstwy ochronnej wokół kazeiny. W efekcie obniżenia pH mleka micele kazeinowe zmieniają swój ładunek na przeciwny, a dodane do układu pektyny, jako elementy ujemnie naładowane, gromadzą się wokół miceli tworząc stabilizujący układ koloidalny. Niskometylowane pektyny tworzą strefy łączenia z wielowartościowymi kationami (w przypadku produktów mlecznych jest to wapń). Optymalna ilość jonów wapnia potrzebnych do żelowania pektyn zależy od wartości pH produktu, od zawartości rozpuszczalnych substancji stałych oraz zawartości składników kompleksujących (wiążących jony wapnia). Frakcje pektyn amidowanych tworzą mocniejsze żele nawet przy niskich zawartościach jonów wapnia. Pektyny są stabilne w zakresie pH wynoszącym 2,5-4,5. Jednak w produktach mlecznych przy wartościach pH poniżej 3,5 stabilizacja już nie jest skuteczna, ze względu na zahamowaną dysocjację grup karboksylowych i w efekcie zmniejszenia ładunku ujemnego pektyn, co nie sprzyja tworzeniu warstw ochronnych wokół miceli kazeinowej. Z kolei powyżej pH 4,5 stabilizacja również nie jest możliwa ze względu na to, że w tych warunkach kazeina ma niewielki ładunek ujemny lub obojętny, a ponadto przy wartościach powyżej pH 5 dochodzi do depolimeryzacji łańcuchów pektynowych i w efekcie utraty zdolności żelujących i stabilizujących. Trzeba również zauważyć, że wraz ze zwiększaniem zawartości białka w układzie stabilizowanym, należy zwiększać udział pektyn. Podobnie, sam proces fermentacji ma wpływ na skuteczność technologiczną pektyn. Szybka fermentacja sprzyja powstawaniu dużych cząstek białka, które jest trudno zawiesić w układzie i w tym przypadku wymagana jest większa dawka pektyn stabilizujących. Z kolei bardzo małe cząstki białek mają dużą powierzchnię właściwą, co również wymaga zwiększenia udziału pektyn. Dlatego układ najłatwiejszy do stabilizacji to taki, który charakteryzuje się optymalnymi i jednorodnymi cząstkami białek skrzepu. Do tego celu zalecana jest homogenizacja przy ciśnieniu 150-250 bar w temperaturze około 35°C.

Skrobie są to substancje pozyskiwane z roślin. Najczęściej w technologii żywności są wykorzystywane skrobie ziemniaczane, kukurydziane, pszenne, ryżowe, z tapioki lub manioku. W produkcji żywności mają zastosowanie skrobie natywne i modyfikowane. Te pierwsze są pozyskiwane bez większych zabiegów bezpośrednio z roślin. Skrobie modyfikowane są to preparaty skrobi poddanej różnym zabiegom chemicznym, które mają na celu uszlachetnienie i wyspecjalizowanie jej funkcji technologicznych. Skrobia modyfikowana, ze względu na intensywność zabiegów modyfikujących, znajduje się na liście dodatków do żywności ujętej w załączniku II do Rozporządzenia 1333/2008. Skrobie te są to długołańcuchowe węglowodany, nierozpuszczalne w zimnej wodzie, pęczniejące w różnym stopniu zależnie od rodzaju i temperatury. Ze względu na większe wymagania technologiczne skrobia natywna jest trudniejsza w zastosowaniu, jednak coraz większa jest oferta aplikacyjna tych form skrobi. Zależnie od aplikacji, skrobie natywne mogą wymagać połączenia z innymi hydrokoloidami, przyjaznymi dla etykietowania, na przykład z pektyną lub mieszanką różnych skrobi natywnych lub żelujących na zimno. Właściwości technologiczne skrobi są wykorzystywane do zapobiegania synerezie i żelowania, dając produktom finalnym naturalny, bogaty i luksusowy wygląd, gładką i kremową konsystencję, pełność i autentyczność wyczuwalnego smaku.

Jednym z ciekawych rozwiązań w zakresie kształtowania konsystencji i struktury mlecznych produktów fermentowanych jest zastosowanie transglutaminazy (por. Ziarno M., Zaręba D. Transglutaminaza w produktach mleczarskich. Forum Mleczarskie Biznes 2017, 4, 24-29). Enzym ten katalizuje tworzenie wiązań między grupami aminokwasów, peptydów zawierających lizynę i glutaminę. Na skuteczność reakcji enzymatycznej ma istotny wpływ pH i temperatura. Enzym wykazuje optymalną aktywność w zakresie pH 6-7, co powoduje, że jego działanie jest wykorzystywane przed procesem fermentacji, a sama fermentacja powoduje inaktywację enzymu i możliwość nieetykietowania użytego enzymu. W przypadku jogurtu zastosowanie transglutaminazy wpływa na zwięzłość i twardość skrzepu, co wynika z międzycząsteczkowych połączeń micel kazeinowych.

Podsumowując, stabilizacja matrycy mlecznych napojów fermentowanych może być realizowana na kilka sposobów z jednoczesnym zachowaniem jakości składu produktu finalnego. Dobór sposobu kontroli jakości skrzepu jest warunkowany rodzajem napoju, gęstością produktu i użyciem składników smakowych, a także chęcią spełniania oczekiwań konsumentów odnośnie naturalności składu produktu.