Dodatki: Znaczenie stabilizatorów w produkcji mleczarskiej cz. 1
Zasada stabilności układu koloidalnego
Drugą niestabilną fazą w mleku jest koloidalny układ białek mleka. Dominującą grupą białek jest kazeina, którą tworzy kompleks podjednostek składający się na micele kazeinowe. Obecność micel kazeinowych tworzących roztwór koloidalny powoduje, że poprzez rozproszenie światła odbieramy barwę mleka jako białą. Rozkład poszczególnych podjednostek (submicel) warunkuje taką strukturę miceli kazeinowej, która umożliwia jej pływanie w fazie wodnej mleka. W skład submiceli wchodzą cztery frakcje: αs-kazeina, ß-kazeina, γ-kazeina i κ-kazeina, ich rozkład w submiceli jest nierównomierny. Centrum submiceli kazeinowej jest wypełnione w przeważającym udziale αs- i ß-kazeiną, które charakteryzują się hydrofobowym oddziaływaniem. Zewnętrzna warstwa submiceli kazeinowej jest zdominowana frakcją κ-kazeiny o silnym charakterze hydrofilowym. Rozkład submicel w miceli kazeinowej też jest uporządkowany – zewnętrzną warstwę miceli kazeinowej tworzą submicele o dużym powierzchniowym zagęszczeniu frakcji κ-kazeiny. Warstwa ta jest silnie hydrofilowa i w efekcie umożliwia zawieszenie miceli kazeinowej w wodzie. Warstwę wewnętrzną tworzą submicele o niewielkim udziale κ-kazeiny, co wpływa na ich hydrofobowy charakter.
Kompleks submicel w miceli kazeinowej jest stabilizowany za pośrednictwem połączeń fosforanowo-wapniowych oraz oddziaływań hydrofobowych. Sole wapniowe κ-kazeiny są rozpuszczalne w wodzie, w przeciwieństwie do soli wapniowych αs- i ß-kazeiny. Dlatego sferyczne rozmieszczenie reszt hydrofilowych κ-kazeiny w submicelach zewnętrznych miceli kazeinowej czyni tę ostatnią rozpuszczalną w wodzie.
Dodatkowo, warto przypomnieć, że każdy łańcuch białkowy ma wypadkowy ładunek elektryczny, który jest wynikiem składu aminokwasowego łańcucha. Zewnętrzne frakcje miceli o charakterze hydrofilowym wykazują ładunek ujemny, który powoduje wzajemne odpychanie się micel kazeinowych przy wartości pH świeżego mleka i jednoczesne tworzenie warstwy hydratacyjnej, którą tworzą cząsteczki wody dysocjujące z ładunkiem dodatnim. Chmura wodna, która otacza micelę kazeinową, zamienia ją w wielką cząstkę wody i tym samym przyczynia się do jej dyspersji w wodzie. Układ ten jest stabilny w warunkach świeżego mleka i jest wzmacniany zbilansowanym udziałem jonów metali, obecnością różnych substancji, w tym białek buforujących, słabych kwasów (mlekowego, cytrynowego) i ich soli, które modelują wartość pH świeżego mleka na poziomie średnio 6,6. Tę dynamiczną strukturę mleka określa się jako pojemność buforowa. Ma ona znaczenie dla stabilności mleka i niweluje niewielkie zachwiania równowagi pH mleka. Przy przekroczeniu natywnych zdolności buforujących mleka dochodzi do dezintegracji układu koloidalnego i wytrącenia micel kazeinowych z układu. Dezintegracja układu związana jest z punktem izoelektrycznym białek. Punkt ten określa taki stan białek, w których grupy funkcyjne z ładunkiem ujemnym zrównują się z liczbą grup funkcyjnych o ładunku dodatnim i tym samym wypadkowy ładunek białka wynosi 0. Jak już wspomniano, w świeżym mleku (o pH 6,6) zewnętrzny ładunek miceli kazeinowej jest ujemny, co gwarantuje możliwość pływania miceli kazeinowej w chmurze fazy wodnej o ładunku dodatnim (zgodnie z zasadą przyciągania ładunków różnoimiennych). Dlatego zmiana ładunku powierzchniowego miceli kazeinowej zaburza cały układ koloidalny.
Zależności układu emulsyjnego, jak i koloidalnego, z jednej strony są wykorzystywane w technologii mleczarskiej, z drugiej niejednokrotnie stanowią przeszkodę technologiczną. Dezintegracje roztworu koloidalnego wykorzystuje się w technologii fermentowanych, zakwaszanych i podpuszczkowych produktów mleczarskich. Obserwujemy wówczas przemiany białek określane jako koagulacja (denaturacja): kwasowa lub enzymatyczna. Mechanizm przemian układu koloidalnego w obu przypadkach ma odmienny przebieg.
Koagulacja kwasowa w przypadku produktów spożywczych zachodzi najczęściej przy wykorzystaniu fermentacji prowadzonej przez bakterie fermentacji mlekowej. Fermentacja jest to proces mikrobiologicznego rozkładu laktozy (cukru mlecznego) na monocukry składowe (glukozę i galaktozę), które w ostateczności podlegają przemianom biochemicznym z utworzeniem kwasów organicznych. W dominującym udziale produkowany jest kwas mlekowy, który powoduje zachwianie równowagi kwasowo-zasadowej mleka świeżego. W efekcie stopniowo obniżana jest kwasowość mleka, która wpływa na wypadkowy ładunek powierzchni miceli kazeinowej, który był ujemny. Nagromadzenie kwasowych jonów wodorowych powoduje zmianę środowiska powierzchni miceli i stopniową eliminację warstwy hydratacyjnej (wodnej) wokół micel, z jednoczesnym przechodzeniem wapnia koloidalnego do fazy wodnej. Zmiany te powodują rozluźnienie struktury micel kazeinowych – na skutek utraty wiązań wapniowych oraz przyciąganie wzajemne micel (agregację) – w efekcie utraty ujemnego ładunku powierzchniowego miceli i jej warstwy hydratacyjnej. W taki sposób powstaje kwasowy skrzep mleka, na przykład przy produkcji mlecznych napojów fermentowanych lub w pierwszym etapie tworzenia twarogów. Dalsze przemiany fermentacyjne układu, idące w kierunku przekroczenia punktu izoelektrycznego białek mleka, potęgują zmiany w układzie, sprzyjając oddzielaniu serwatki od skrzepu, co w przypadku produkcji mlecznych napojów fermentowanych nie jest korzystnym zjawiskiem. Dlatego zasadne jest kontrolowane prowadzenie procesu fermentacji oraz stymulacja układu poprzez dodatek różnych form substancji stabilizujących (z puli dopuszczonych dodatków stabilizujących lub składników żywności spełniających równie cenną funkcję).
Mechanizm koagulacji enzymatycznej kazeiny oparty jest na odłączeniu hydrofilowych fragmentów submicel. Jak wcześniej opisano, po zewnętrznej części miceli kazeinowej znajdują się submicele, które charakteryzują się sferycznym nagromadzeniem hydrofilowej frakcji κ-kazeiny. Skrzep podpuszczkowy powstaje w wyniku odłączenia przez enzym proteolityczny (podpuszczkę) fragmentu κ-kazeiny. Od miceli odłączany jest fragment o silnych właściwościach hydrofilowych, fragment ten określany jest jako glikomakropeptyd. Fragment κ-kazeiny, który pozostał w submiceli (określany jako para-κ-kazeina) nie posiada właściwości hydrofilowych. W ten sposób micele kazeinowe, po stracie fragmentów hydrofilowych, w efekcie oddziaływań hydrofobowych, łączą się ze sobą dodatkowo tworząc mostki wapniowe. Liczba mostków warunkuje zwięzłość skrzepu, zaś zwiększenie oddziaływań hydrofobowych (związane ze stopniowym traceniem cząsteczek glikomakropeptydu) przyczynia się do separacji serwatki od masy serowej. Na stabilność skrzepu wpływa efektywność enzymatycznego odszczepiania hydrofilowej frakcji κ-kazeiny (glikomakropeptydu) oraz skuteczność tworzenia mostków wapniowych, co w pierwszym przypadku zależy od ilości zdenaturowanej β-laktoglobuliny związanej z κ-kazeiną, w drugim przypadku od zawartości w układzie jonów wapnia.
W matrycy białek mleka, oprócz różnych frakcji kazeiny, występuje szereg innych białek. między innymi: α-laktoalbuminy, ß-laktoglobuliny, immunoglobuliny, albuminy serum krwi, białka otoczek kuleczek tłuszczowych, laktoferyna. Pod względem stabilizacji i przydatności technologicznej najważniejszymi z nich są α-laktoalbuminy i β-laktoglobuliny. Ich znaczenie technologiczne uzależnione jest od stabilności termicznej. Wysoką stabilność termiczną wykazują α-laktoalbuminy, w przeciwieństwie do β-laktoglobulin, które już w temperaturze 60oC ulegają stopniowej denaturacji termicznej, w czasie której odsłaniane są grupy siarczkowe tworzące mostki z innymi składnikami mleka, w tym z κ-kazeiną i α-laktoalbuminą. Tworzenie tych mostków ma kluczowe znaczenie w przypadku otrzymywania skrzepu podpuszczkowego i kwasowego. Stabilność termiczna pozostałych białek, a przede wszystkim kazeiny, zależy bezpośrednio od kwasowości środowiska.
Zarówno zachwianie równowagi w kierunku zasadowym, jak i kwasowym, destabilizuje układ koloidalny i powoduje wytrącenie kazeiny.
