UHT: Technologia UHT w produkcji mleczarskiej

Mleko i przetwory mleczne są spożywane na całym świecie przez szerokie grono konsumentów, którzy oczekują wysokiej jakości i stabilności produktu. Mleko surowe jest jednak surowcem wyjątkowo nietrwałym, ponieważ szybko traci swoją jakość i obniża się jego bezpieczeństwo, jeśli nie zastosuje się odpowiednich warunków przechowywania lub przetwarzania.

Producenci z branży mleczarskiej stosują różnego rodzaju techniki, które pozwalają na wydłużenie okresu przydatności do spożycia mleka i produktów nabiałowych. Wśród tych technik można wyróżnić m.in.:

• mikrofiltrację,
• obróbkę cieplną,
• zakwaszanie w wyniku fermentacji,
• odwadnianie,
• dodatek środków konserwujących.

Najczęściej wykorzystywaną technologią utrwalania w przemyśle mleczarskim jest obróbka termiczna. Jej głównym celem jest wyeliminowanie z mleka zarówno bakterii chorobotwórczych, jak i tych powodujących psucie się produktu, co pozwala na zapewnienie bezpieczeństwa i wydłużonego okresu przechowywania.

Mleko ze względu na swój bogaty skład stanowi doskonałe środowisko do rozwoju mikroorganizmów takich jak drożdże, bakterie i pleśnie. To właśnie te drobnoustroje są głównymi zanieczyszczeniami powodującymi pogorszenie jakości. Mleko jest praktycznie sterylne, gdy jest wydzielane do pęcherzyków wymienia, a jego droga zanieczyszczenia rozpoczyna się od mikroflory obecnej na strzykach. Po procesie udoju do mleka dostają się mikroorganizmy obecne w środowisku, w tym te z powierzchni urządzeń do udoju i magazynowania, z pomieszczeń czy pochodzące od personelu pracującego przy produkcji na różnych etapach. Najczęstszym rodzajem mikroorganizmów występujących w produktach mlecznych są bakterie. Surowe mleko posiada naturalny system antybakteryjny, ale jego właściwości bakteriobójcze lub bakteriostatyczne są krótkotrwałe. W mleku surowym możemy spotkać m.in. bakterie z rodzajów Lactococcus, Lactobacillus, Enterococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Pseudomonoas, Bacillus, Micrococcus, a także bakterie z grupy coli. Przechowywanie mleka w temperaturze chłodniczej może spowolnić ich wzrost, jednak nie gwarantuje dużo dłuższej zdatności do spożycia. Ponadto niektóre z bakterii mają zdolność do rozwoju również w warunkach chłodniczych.

Wydłużenie przydatności do spożycia mleka surowego jest możliwe poprzez usunięcie lub dezaktywację obecnych w nim mikroorganizmów, co można osiągnąć np. dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranej obróbki termicznej. Pomimo rozwoju alternatywnych technologii służących do niszczenia mikroorganizmów, takich jak obróbka wysokociśnieniowa i technologia pulsacyjnego pola elektrycznego, obróbka cieplna pozostaje metodą najszerzej stosowaną w przemyśle mleczarskim i przetwórstwie innych produktów spożywczych. W przemyśle stosowane są różne rodzaje obróbki termicznej, które mogą mieć na celu otrzymanie zarówno mleka przeznaczonego do bezpośredniego spożycia przez konsumentów, jak i kierowanego do dalszej obróbki w celu wytworzenia produktów mleczarskich, np. jogurtów czy serów. 

Standardowe metody obróbki termicznej mleka surowego obejmują termizację, pasteryzację i sterylizację. Podział i parametry poszczególnych obróbek termicznych przedstawiono w tabeli 1. Termizacja to technika obróbki termicznej w temperaturze 57–68°C, stosowana przede wszystkim w przypadku mleka przeznaczonego do dalszej obróbki, głównie do produkcji sera. Pozwala na zmniejszenie liczby mikroorganizmów w mleku i wydłużenie jego świeżości. Jest jednak delikatniejsza od pasteryzacji, co pozwala na zminimalizowanie zmian w składzie i smaku mleka wywołanych wysoką temperaturą. 

Pasteryzacja mleka jest procesem prowadzonym w temperaturze poniżej 100°C i prowadzi do otrzymania produktu, który należy przechowywać w warunkach chłodniczych. Mleko pasteryzowane charakteryzuje się długością przydatności do spożycia od kilku do kilkunastu dni. Stosowana jest pasteryzacja w wysokich temperaturach przez krótki czas (HTST – ang. high temperature, short time) lub niskich temperaturach przez długi czas (LTLT – ang. low temperature, long time). Procesy te mają na celu dezaktywację mikroflory chorobotwórczej do poziomu niezagrażającego zdrowiu publicznemu, a także znaczne wyeliminowanie mikroflory wegetatywnej, której obecność może wpływać na zmniejszenie trwałości mleka. Ponadto dochodzi do inaktywacji niektórych rodzimych enzymów mleka, takich jak fosfataza alkaliczna czy lipaza lipoproteinowa, których obecność również może wpływać na skrócenie przydatności do spożycia. W wyniku tego procesu nie dochodzi jednak do inaktywacji termoopornych bakterii tworzących i nietworzących zarodników, a także samych termoopornych zarodników bakterii. 

Procesy sterylizacji prowadzone są w temperaturze powyżej 100°C i stosowane w celu otrzymania produktu trwałego w temperaturze pokojowej. Podstawowymi procesami sterylizacji stosowanymi w przemyśle są sterylizacja w opakowaniach oraz technologia UHT (ang. ultra-high temperature). Obecnie technologia UHT zdominowała rynek mle-cznych produktów sterylizowanych, ponieważ proces sterylizacji w opakowaniach prowadził często do powstawania niekorzystnych posmaków przegrzania, brązowienia produktu i istotnych zmian chemicznych, co wynikało z dłuższego (10–20 minut) poddawania mleka wysokiej temperaturze. Mleko UHT pomimo przechowywania w temperaturze pokojowej charakteryzuje się przydatnością do spożycia od 6 do nawet 12 miesięcy. 

Zastosowanie procesu sterylizacji mleka UHT w połączeniu z pakowaniem aseptycznym ma prowadzić do tzw. sterylności handlowej, która oznacza produkt wolny od wszelkich mikroorganizmów (głównie bakterii, wirusów i grzybów), które są zdolne do rozwoju w warunkach przechowywania danego produktu (tj. w temperaturze pokojowej) w całym okresie dystrybucji i przechowywania. W przypadku mleka mikroorganizmami, które w głównej mierze są wyznacznikami sterylności handlowej, są bakterie wytwarzające przetrwalniki, w tym głównie bakterie z rodzajów Clostridium i Bacillus. Ich przetrwalniki (głównie Bacillus subtilis i Bacillus stearothermophilus) są najczęściej wykorzystywane jako organizmy testowe w badaniu efektu sterylizacji. 

W celu otrzymania mleka UHT o odpowiedniej trwałości konieczne jest przeznaczanie do tego celu mleka surowego wysokiej jakości. Przede wszystkim istotne jest wykorzystywanie mleka o niskiej początkowej zawartości bakterii, zwłaszcza tych wytwarzających przetrwalniki. Istnieje bezpośredni związek między liczbą przetrwalników w mleku surowym a występowaniem wad bakteriologicznych rozwijających się po sterylizacji. Mleko powinno charakteryzować się również niskim stężeniem enzymów, które mogą być wytwarzane przez bakterie psychrotrofowe (np. z rodzaju Pseudomonas) w trakcie chłodniczego przechowywania. Podczas przechowywania enzymy te mogą powodować zmiany w smaku i konsystencji produktu. Niektóre z nich mają ponadto znacznie większą odporność na ciepło niż przetrwalniki bakterii. Mleko surowe przeznczone do sterylizacji powinno również charakteryzować się prawidłową kwasowością (pH na poziomie około 6,65), która świadczy o braku zakwaszenia produktu wynikającego z rozwoju bakterii. Mleko o zwiększonej kwasowości ma zmniejszoną stabilność termiczną i powoduje problemy nie tylko z przetwarzaniem (np. przypalanie na powierzchniach grzewczych), ale także z sedymentacją białek na dnie opakowań podczas przechowywania. W związku z powyższymi czynnikami mleko surowe przeznaczone do sterylizacji powinno być bezpośrednio po udoju chłodzone, jak najkrócej przechowywane i możliwe jak najszybciej kierowane do procesu sterylizacji.

Najważniejszym celem przetwarzania mleka z zastosowaniem technologii UHT jest przekształcenie bardzo nietrwałego surowca w produkt, który pozostanie praktycznie niezmieniony przez dłuższy czas bez konieczności jego chłodzenia. Ponadto przetworzony produkt powinien mieć właściwości sensoryczne i odżywcze podobne do surowego produktu lub produktu poddanego łagodnej obróbce cieplnej. Osiągnięcie tego celu przez producentów było trudne do zrealizowania, gdy technologia ta dopiero się rozwijała. Na przestrzeni lat znacznie poprawiły się zarówno wydajność przetwarzania UHT, jak i jakość otrzymywanego w ten sposób mleka. Traktowanie każdego produktu spożywczego wysoką temperaturą zawsze jednak wiąże się z wpływem na jego poszczególne składniki. 

Od czasu wprowadzenia mleka poddanego obróbce UHT na rynek omawiano jego jakość, a przede wszystkim smak i zapach. Początkowo mleko UHT miało barwę podobną do mleka pasteryzowanego, ale smak i zapach gotowanego mleka. Były one spowodowane strukturalnymi zmianami białka, które są całkowicie nieszkodliwe, ale nie były akceptowane przez konsumentów. Podejmowano wiele wysiłków, aby uzyskać smak bliższy smakowi zwykłego mleka pasteryzowanego i wysiłki te są kontynuowane. Obecnie wiele osób uważa, że nie jest w stanie odróżnić dobrego mleka UHT od mleka pasteryzowanego.

Badania jasno wskazują, że odpowiedni dobór parametrów procesu sterylizacji pozwala na ograniczenie do minimum wszelkich zmian w składzie mleka. Pomimo że zarówno technologia UHT, jak i sterylizacja w opakowaniach mają podobny efekt sterylizacji, istnieje duża różnica w efektach chemicznych – reakcja brązowienia, redukcja witamin i wpływ na strukturę białek są istotnie ograniczone w przypadku stosowania technologii UHT. W wyższej temperaturze przez krótszy czas zmiany są znacznie mniejsze. 

Obróbka cieplna podczas przetwarzania UHT powoduje jednak kilka zmian, które wpływają na wydajność przetwarzania i jakość produktu. Podwyższona temperatura wpływa w największym stopniu na białka mleka. Zakres tych zmian w dużej mierze zależy od charakteru ogrzewania, w szczególności profilu temperatury i czasu jej oddziaływania na produkt. Obróbka UHT wpływa na strukturę głównego białka mleka, tj. kazeiny, powodując defosforylację aminokwasów. Ponadto powoduje denaturację białek serwatkowych. Zjawiska te mogą prowadzić do zmniejszenia rozpuszczalności białek i w efekcie ich osadzania się na dnie opakowania. Należy jednak zaznaczyć, że wartość biologiczna białek w mleku poddanemu obróbce UHT jest mimo wszystko podobna do wartości biologicznej mleka surowego, a jego przyswajalność jest zmniejszona jedynie o kilka procent. W wyniku zastosowania obróbki UHT może dochodzić również do rozkładu witamin na poziomie do około 10%. Najbardziej podatne na ten proces są witaminy z grupy B i witamina C. Laktoza obecna w mleku w wyniku podwyższonej temperatury jest zaś przekształcana do laktulozy, która wykazuje właściwości prebiotyczne. 

Produkcja mleka z wykorzystaniem systemu UHT jest podzielona na kilka głównych etapów, które mogą być modyfikowane w zależności od stosowanego typu instalacji. Obejmują wstępne nagrzewanie, wysokie nagrzewanie (UHT), chłodzenie, homogenizację i aseptyczne pakowanie. Wszystkie części systemu znajdujące się poniżej właściwej sekcji grzewczej o wysokiej temperaturze są zaprojektowane aseptycznie, aby wyeliminować ryzyko ponownego zakażenia. Sterylność komercyjna obowiązuje tylko tak długo, jak długo produkt pozostaje w warunkach aseptycznych, dlatego konieczne jest zapobieganie ponownej infekcji poprzez pakowanie produktu po obróbce cieplnej w uprzednio wysterylizowane materiały opakowaniowe w warunkach aseptycznych. Sam proces doprowadzania ciepła do produktu w systemie UHT może odbywać się w sposób bezpośredni lub pośredni. W systemach bezpośrednich produkt i medium grzewcze mają ze sobą bezpośredni kontakt. Medium grzewczym jest para, która jest mieszana bezpośrednio z mlekiem. Mieszanie może przebiegać poprzez wstrzykiwanie pary do strumienia płynącego mleka lub alternatywnie mleko może być rozpylane do komory pary (tzw. infuzja parowa). W systemie tym produkt o temperaturze około 4°C jest dostarczany ze zbiornika wyrównawczego i transportowany przez pompę zasilającą do sekcji podgrzewania wstępnego z wykorzystaniem wymiennika ciepła (płytowego lub rurowego). Po podgrzaniu wstępnym do około 80°C produkt przechodzi do dyszy parowej. Następnie para jest wtryskiwana do produktu (lub produkt jest przepuszczany przez atmosferę pary – w metodzie infuzji parowej), co natychmiast podnosi temperaturę do około 140–150°C. Produkt jest utrzymywany w tej temperaturze przez kilka sekund przed jego błyskawicznym schłodzeniem. Szybkie schłodzenie odbywa się w naczyniu próżniowym, w którym częściowa próżnia jest utrzymywana przez pompę. Próżnia jest kontrolowana tak, aby ilość pary odparowującej z produktu była równa ilości pary wcześniej wstrzykniętej. Pompa odśrodkowa podaje produkt poddany obróbce UHT do aseptycznego dwustopniowego homogenizatora. Szybkie chłodzenie to operacja, która oprócz chłodzenia obejmuje również odpowietrzanie i dezodoryzację przetworzonego produktu. Ponadto odpowietrzanie zapewnia wyższą wydajność homogenizacji, a także pozytywnie wpływa na stabilność magazynową przetworzonego produktu, zapobiegając procesom utleniania.