Изменение химического состава и свойств молока под влиянием различных факторов

Введение

«Биохимия молока и молочных продуктов» является дисциплиной специального цикла и служит научной основой для последующего изучения технологии молока и молочных продуктов.

При изучении данной дисциплины используются достижения смежных наук, таких, как органическая химия, физическая и коллоидная химия, физиология и биохимия питания.

Содержание дисциплины включает изучение химического состава молока с рассмотрением химической природы, пищевой ценности и биохимических изменений компонентов молока в процессе его хранения и переработки, а также биохимических и физико-химических процессов, протекающих в молоке при выработке молочных продуктов.

Знание основ биохимии молока и молочных продуктов позволит будущим специалистам правильно организовывать производство, совершенствовать технологические процессы и повышать качество молочных продуктов.

Целью преподавания дисциплины «Биохимия молока и молочных продуктов» является приобретение студентами теоретических знаний, умений и навыков, необходимых для производственно-технологической деятельности в области технологии молока и молочных продуктов.

В ходе изучения дисциплины Биохимия молока и молочных продуктов» выпускник должен:

иметь представление:

· об основных научно-технических проблемах и перспективах развития в области биохимии молока и молочных продуктов;

· о роли молока и его отдельных компонентов в обеспечении полноценного и сбалансированного питания населения.

знать:

· химический состав молока;

· характеристику основных компонентов молока: их структуру, состав, физико-химические свойства;

· физико-химические, бактерицидные, органолептические и технологические свойства молока;

· влияние различных факторов на состав и свойства молока;

· биохимические и физико-химические изменения молока при его обработке;

· биохимические и физико-химические процессы при производстве различных молочных продуктов;

· теоретические основы методов контроля состава и свойства молока.

уметь:

1. определять содержание основных компонентов молока;

2. определять физико-химические и органолептические свойства молока;

3. определять способы фальсификации молока;

4. проводить фракционирование белков молока;

5. определять константы молочного жира;

6. теоретически обосновывать выбор технологических параметров обработки молока при производстве различных молочных продуктов.

Объем курса «Биохимия молока и молочных продуктов» предполагает 10 часов – лекционных занятий, 24 часа – лабораторных занятий и 108 часов – самостоятельная работа студента. Контроль знаний студентов осуществляется:

· поверка домашней контрольной работы – 9 семестр;

· проверка итоговой контрольной работы – 9 семестр;

· зачет в объеме выполненных лабораторных работ – 9 семестр;

· экзамен – 9 семестр.

Дисциплина «Биохимия молока и молочных продуктов» включает 10 основных тем:

1. Составные части молока;

2. Физико-химические, органолептические и технологические свойства молока;

3. Изменение химического состава и свойств молока под влиянием различных факторов;

4. Биохимические и физико-химические изменения молока при его хранении и обработке;

5. Биохимические и физико-химические процессы при производстве кисломолочных продуктов и мороженого;

6. Биохимические и физико-химические процессы при производстве сыра;

7. Биохимические и физико-химические процессы при производстве и хранении масла;

8. Физико-химические процессы при производстве молочных консервов и ЗЦМ;

9. Биохимические основы производства детских молочных продуктов;

10. Физико-химические процессы при производстве молочно-белковых концентратов и молочного сахара.

Работа студентов заочной формы обучения по данной дисциплине состоит из самостоятельной работы с литературой и данными методическими указаниями, работы на очной сессии при кафедре «Технология молока, молочных продуктов и продукции общественного питания».

Самостоятельную работу по курсу рекомендуется проводить следующим образом: в начале следует внимательно ознакомиться с программой всего курса и рекомендуемой литературой, чтобы иметь общее представление о курсе, затем можно приступать к последовательной проработке основных тем курса, используя рекомендованную литературу.

Проработав материал. Следует приступить к повторению его по каждому вопросу согласно программе, не используясь литературными источниками. необходим сосредоточить внимание на наиболее важных моментах изучаемой темы и убедиться в эффективности усвоения материала. В случае затруднения следует обратиться за консультацией к преподавателю кафедры «Технология молока, молочных продуктов и продукции общественного питания».

1. Программа учебной дисциплины с методическими указаниями

по изучению каждой темы программы и вопросы для самоконтроля

Составные части молока

Молоко представляет собой биологическую жидкость, которая образуется в молочной железе млекопитающих и предназначена для вскармливания новорожденного. Средний упрошенный состав коровьего молока представлен на рис. 1.

Содержание отдельных компонентов в молоке не постоянно, оно изменяется в зависимости от стадии лактации, породы животных, состояния здоровья кормов, времени года, возраста, индивидуальных особенностей, условий содержания, техники доения и т.д.

Рис.1. Средний химический состав коровьего молока

1.1.1 Вода в составе молока

В молоке содержится в среднем 88 % воды (с колебаниями от 86 до 89 %). Вода, входящая в состав молока и молочных продуктов, неоднородна по физико-химическим свойствам, и роль ее неодинакова.

Большая часть воды молока (84, 5 - 85%) находится в свободном состоянии, т. е. может принимать участие в биохимических реакциях. Свободная вода молока представляет собой раствор различных органических и неорганических веществ (сахара, солей и пр.). Ее легко можно превратить в состояние льда при замораживании молока или удалить при сгущении и высушивании.

Меньшая часть (3 - 3, 5%) воды находится в связанном состоянии. Существует 2 формы связи воды в молоке:

1. Адсорбционно связанная вода удерживается молекулярными силами около поверхности коллоидных частиц (белков, фосфолипидов, полисахаридов). При адсорбировании диполи воды располагаются несколькими слоями вокруг гидрофильных центров белковой

Первый слой (ориентированные неподвижные молекулы воды, прочно связанные с белком) называют гидратной или водной оболочкой. От свойств гидратных оболочек зависит стабильность белковых частиц, а также жировых шариков молока. Последующие слои молекул воды связаны с белком менее прочными связями, и по свойствам она не отличается от свободной воды.

2. Особая форма связанной воды - химически связанная вода. Это вода кристаллогидратов, или кристаллизационная вода. В молоке кристаллизационная вода связана с кристаллами молочного сахара (С₁₂Н₂₂0₁₁Н₂0).

Связанная вода по своим свойствам отличается от свободной. Она не замерзает при низких температурах (ниже - 40°С), не растворяет соли, сахар. Связанную воду нельзя удалить из молока при высушивании. По количеству связанной воды обычно судят о гидрофильности белков, т.е. способности связывать всю влагу (влагу первого и последующих слоев).

1.1.2 Классификация белков молока

В молоке содержится в среднем около 3, 2% белков, колебания составляют от 2, 9% до 3, 5%. Белки, входящие в состав молока, имеют сложный состав, разнообразны по строению, физико-химическим свойствам и биологическим функциям.

Используя современные способы разделения и выделения белков, исследователи установили, что в состав молока входят три группы белков:

· Казеин является главным белком молока, его содержание колеблется от 2, 1 до 2, 9%. Элементарный состав казеина (в %) следующий: углерод - 53, 1; водород - 7, 1; кислород - 22, 8; азот - 15, 4; сера - 0, 8; фосфор - 0, 8. Он содержит несколько фракций, отличающихся аминокислотным составом, отношением к ионам кальция и сычужному ферменту. В молоке казеин находится в виде специфических частиц, или мицелл, представляющих собой сложные комплексы фракций казеина с коллоидным фосфатом кальция. Казеин – комплекс 4 фракций: α _s₁, α _s₂, β, χ. Фракции имеют различный аминокислотный состав и отличаются друг от друга заменой одного или двух аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Казеин в молоке содержится в виде сложного комплекса казеината кальция с коллоидным фосфатом кальция, так называемого казеинаткальцийфосфатного комплекса (ККФК). В состав ККФК также входит небольшое количество лимонной кислоты, магния, калия и натрия.

· Сывороточные белки: После осаждения казеина из молока кислотой (при рН 4, 6 - 4, 7) в сыворотке остается около 0, 6 % белков, которые называют сывороточными. Они состоят из |β -лактоглобулина, α -лактальбумина, иммуноглобулинов, альбумина сыворотки крови, лактоферрина.

· Белки оболочек жировых шариков: К ним относятся белки, являющиеся структурными элементами оболочек жировых шариков и способствующие их стабильности во время технологической обработки. Они могут быть прочно встроенными во внутренний липидный слой оболочки, пронизывать ее или располагаться на внешней поверхности оболочки. Некоторые из них обладают свойствами ферментов.

1.1.3 Молочный жир

Содержание молочного жира в молоке колеблется от 2, 8 до 4, 5%.Он представляет собой смесь многочисленных триглицеридов (содержание ди- и моноглицеридов составляет всего 1, 2 - 2, 6% всех глицеридов). Триглицериды молочного жира содержат, как правило, остатки разных кислот.

Всостав молочного жира входит свыше 100 жирных кислот. Жирнокислотный состав молочного жира зависит от рационов кормления, стадии лактации, времени года, породы животных и т. д. В составе жира преобладают насыщенные жирные кислоты, среднее количество которых составляет 65% (колебания от 53 до 77%). Содержание ненасыщенных кислот в среднем равно 35% (при колебании летом 34 - 47%, зимой - 25-39%).

Физико-химические свойства жиров определяются свойствами входящих в их состав жирных кислот. Для их характеристики служат так называемые константы, или физические и химические числа жиров. К важнейшим физическим числам относят температуру плавления и отвердевания, число рефракции, к химическим - число омыления, йодное число, число Рейхерта-Мейссля и число Поленске.

1.1.4 Молочный сахар

Содержание лактозы в молоке коров составляет в среднем 4, 6% (4, 4 - 4, 9%).

Брожение- это процесс глубокого распада молочного сахара (без участия кислорода) под действием ферментов микроорганизмов. При брожении молочный сахар распадается на более простые соединения: кислоты, спирт, углекислый газ и пр. В результате выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов. В зависимости от образующихся продуктов различают молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое и другие виды брожения.

Все виды брожения до образования пировиноградной кислоты идут по одному и тому же пути. На первой стадии молочный сахар под влиянием лактазы распадается на моносахариды: глюкозу и галактозу (галактоза не подвергается непосредственному брожению и переходит в глюкозу)

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О → С₆Н₁₂О₆+ С₆Н₁₂О₆

Лактоза Глюкоза Галактоза

В дальнейшем глюкоза вовлекается в целый рад ферментативных реакций. Из каждой молекулы глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кислоты.

С₆Н₁₂О₆→ 2 СН₃СОСООН

Лактоза Пировиноградная кислота

Последующие превращения пировиноградной кислоты (в зависимости от вида брожения) идут в разных направлениях, которые определяются специфическими особенностями (составом ферментов) микроорганизмов.

Молочнокислое брожение - основной процесс при производстве кисломолочных продуктов, сыров, кисло-сливочного масла. Спиртовое брожение происходит при выработке кефира, кумыса и ацидофильно-дрожжевого молока. Пропионовокислое брожение играет важную роль в созревании сыров с высокой температурой второго нагревания (швейцарский, советский и др.). Маслянокислое брожение при производстве молочных продуктов нежелательно, так как является причиной появления в кисломолочных продуктах неприятного вкуса и запаха, а в сырах - вспучивания.

1.1.5 Минеральные вещества

В золе молока, содержание которой составляет 0, 7 - 0, 8%, обнаружены следующие элементы: Са, Mg, P, Na, К, CI, S, Fe, Cu, Co, I, F, Mn, Zn и др. (рис. 4). В молоке данные элементы содержатся в виде катионов и анионов, в прочном соединении с органическими веществами (в составе белков, ферментов, нуклеиновых кислот) и др.

1.1.6 Ферменты молока

Из молока, полученного при нормальных условиях от здорового животного, выделено более 20 истинных, или нативных, ферментов. Большая их часть образуется в клетках молочной железы и переходит в молоко во время секреции. Меньшая часть, переходит в молоко из крови животного.

В молоке ферменты находятся в свободном состоянии, а также связаны с казеиновыми мицеллами и оболочками жировых шариков. К основным ферментам молока относятся: дегидрогеназы, пероксидаза, каталаза, липазы, фосфатазы, протеазы (протеолитические ферменты), лактаза, амилаза и лизоцим (мурамидаза).

1.1.7 Витамины молока

Молоко содержит практически все витамины, необходимые для нормального развития человека. Они попадают в него из поедаемого животными корма и синтезируются микрофлорой рубца. Содержание витаминов в молоке колеблется в зависимости от сезона года, стадии лактации, рационов кормления, породы и индивидуальных особенностей коров. Кроме того, содержание некоторых витаминов изменяется при хранении и тепловой обработке молока (пастеризации, сгущении, сушке).

Жирорастворимые витамины молока включены в оболочки жировых шариков, водорастворимые содержатся в свободном виде и в составе различных ферментов.

1.1.8 Гормоны и газы

В молоко из крови переходят гормоны (от греч. hormaino - привожу в движение, побуждаю) - химические стимуляторы, образующиеся в клетках желез внутренней секреции и регулирующие обмен веществ в организме. По химическому строению они могут быть пептидами и белками (пролактин, окситоцин, инсулин), стероидами (половые гормоны) и производными аминокислот (тироксин и др.).

Молоко при получении и обработке соприкасается с воздухом, газы которого растворяются в нем согласно общим законам растворимости газов в воде. Общее количество газов, растворенных в молоке, составляет около 80 - 120 мг в 1 кг молока. Из них на долю углекислого газа приходится 50 - 70%, кислорода – 5 - 10%, азота - 20 - 30%.

После выдаивания молока количество газов в нем уменьшается и устанавливается на определенном уровне. Затем в процессе хранения вследствие развития микрофлоры в молоке понижается содержание кислорода, поэтому по степени его снижения можно судить о качестве заготовляемого молока.

1.1 9 Посторонние химические вещества

Из организма животного в молоко могут переходить различные химические вещества, опасные для здоровья человека. Некоторые из этих веществ затрудняют технологические процессы при выработке молочных продуктов, снижают их качество и пищевую ценность. К посторонним химическим веществам молока относятся антибиотики, пестициды, моющие и дезинфицирующие вещества, соли тяжелых металлов, радиоактивные вещества, токсины, нитраты, нитриты и пр.

Вопросы для самоконтроля

1. Каков средний химический состав коровьего молока?

2. Массовые доли каких составных частей молока контролируются на молочных предприятиях?

3. В каком состоянии находится вода в молоке?

4. Что представляют собой белки? Их основные свойства и состав.

5. Перечислите главные белки молока и их биологические функции.

6. Дайте характеристику казеина и его фракциям.

7. Назовите основные сывороточные белки.

8. Что представляет собой молочный жир?

9. Перечислите физические и химические свойства молочного жира.

10. Напишите формулу лактозы и опишите ее свойства.

11. Основные виды брожения лактозы?

12. Какие углеводы встречаются в молоке?

13. Назовите основные макроэлементы молока.

14. Назовите основные микроэлементы молока.

15. Дайте определения ферментов и расскажите об их свойствах.

16. Назовите окислительно-восстановительный ферменты молока.

17. Перечислите гидролитические ферменты молока.

18. Назовите основные водорастворимые витамины молока.

19. Назовите основные жирорастворимые витамины молока.

Свойства молока

1.2.1 Физико-химические свойства молока

Титруемая кислотность выражается в условных единицах – градусах Тернера (^оТ). Под градусами Тернера понимают количество кубических сантиметров 0, 1 н. раствора гидроксида натрия, которое расходуется на нейтрализацию (титрование) 100 см³ молока, разбавленного вдвое водой. Кислотность свежевыдоенного молока, в среднем, составляет 16 - 18^оТ. Титруемая кислотность молока обусловлена наличием некоторых анионов фосфорной и лимонной кислот), белков (казеин и сывороточные белки) и диоксида углерода. Белки дают 4 - 5°Т, дигидрофосфаты и дигидроцитраты - около 1°Т, СО₂и другие составные части молока - 1 - 2°Т.

Активная кислотность выражается концентрацией водородных ионов, или водородным показателем (рН). Водородный показатель свежего молока колеблется в пределах 6, 55 - 6, 75. Активная кислотность не совпадает с титруемой. При хранении сырого молока титруемая кислотность изменяется значительно быстрее, чем активная. Несовпадение активной и титруемой кислотности объясняется буферностью молока, которая обусловлена содержанием в нем белков и смеси фосфатов и цитратов.

Окислительно-восстановительный потенциал молока характеризует способность его составных частей отдавать или присоединять электроны (атомы водорода).

Плотность молока - это масса молока при 20°С, заключенная в единице объема (кг/м3). Ее определяют ареометрическим методом. Плотность молока зависит от температуры и содержания в нем составных частей, которые имеют следующую плотность (кг/м3): молочный жир — 922, белки — 1391, молочный сахар —1610, соли — 2857.

Под вязкостью, или внутренним трением, понимают свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещении одной части ее относительно другой. В среднем, вязкость молока при 20°С равна 1, 8*10^-3 Пас с колебаниями от 1, 3*10^-3 до 2, 2*10^-3Па с. Вязкость молока зависит от содержания белков, жира и их агрегатного состояния. В результате охлаждения, хранения, перекачивания, гомогенизации и тепловой обработки вязкость молока изменяется.

1.2.2 Технологические свойства молока

К основным технологическим свойствам молока относят термоустойчивость и сычужную свертываемость.

Молоко, полученное от здоровых животных, обладает термоустойчивостью (термостабильностью) - способностью при высоких температурах сохранять первоначальные свойства.

Под сычужной свертываемостью молока понимают способность его белков коагулировать под действием внесенного сычужного фермента с образованием относительно плотного сгустка.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие физико-химические свойства молока контролируют на молочных заводах?

2. Можно ли точно определить количество добавленной к молоку воды по его плотности?

3. Назовите основные технологические свойства молока. При выработке каких молочных продуктов надо их контролировать?

Задания для домашней контрольной работы

В процессе изучения данного курса студент выполняет контрольную работу, цель которой выявить степень усвоения материала по курсу.

Вариант контрольной работы выбирается по последней цифре шифра закрепленного за студентом. Письменные ответы должны быть обстоятельными, краткими и теоретически обоснованными.

Варианты контрольных работ:

1 вариант:

1. Основные ферменты молока.

2. Изменение составных частей молока при тепловой обработке.

2 вариант:

1. Физико-химические процессы при производстве мороженого

2. Биохимические и физико-химические процессы при производстве сыров.

3 вариант:

1. характеристика молочного жира.

2. Биохимические и физико-химические процессы при холодильной обработки молока.

4 вариант:

1. Характеристика молочного сахара.

2. Изменение состава и свойств молока под влиянием различных факторов.

5 вариант:

1. Характеристика минеральных веществ и витаминов молока.

2. Биохимические и физико-химические процессы при производстве кисломолочных продуктов.

6 вариант:

1. Технологические и физико-химические свойства молока.

2. Физико-химические процессы при механической обработке молока.

7 вариант:

1. Физико-химические процессы при производстве молочно-белковых концентратов.

2. Изменение молочного жира во время хранения сливочного масла.

8 вариант:

1. Физико-химические процессы при производстве молочного сахара.

2. Формирование структура, консистенции и рисунка сыра.

9 вариант:

1. Биохимические процессы при производстве детских молочных продуктов.

2. Фракционирование белков молока.

10 вариант:

1. Физико-химические процессы при производстве молочных консервов.

2. Биохимические и физико-химические процессы при производстве сыров.

Перечень лабораторных работ

1. Изучение и освоение методов определения химического состава молока.

2. Изучение физико-химических свойств молока.

3. Определение фальсификации молока

4. Изучение и определение органолептических, физико-химических и технологических свойств молока

5. Изучение фракционного состава белков молока

6. Определение констант молочного жира.

7. Влияние тепловой обработки на сохранность витамина С

8. Определение пастеризации молока и молочных продуктов пробами на фосфатазу и пероксидазу.

4. Экзаменационные вопросы

1. Пищевая ценность молока, роль ученых в развитие науки о молоке

2. Химический состав молока. Факторы, влияющие на состав молока

3. Характеристика воды в составе молока

4. Состав и строение белков. Классификация белков молока

5. Характеристика основных свойств и фракционного состава казеина

6. Характеристика основных свойств и фракционного состава сывороточных белков

7. Классификация и строение липидов

8. Глицеридный состав и физико-химические свойства молочного жира

9. Константы молочного жира

10. Классификация, состав и строение углеводов

11. Молочный сахар, основные физические свойства

12. Лактоза, основные химические свойства

13. Классификация видов брожения при производстве молочных продуктов

14. Минеральные вещества в составе молока

15. Ферменты в составе молока

16. Витамины в составе молока

17. Посторонние химические вещества в составе молока

18. Физико-химические свойства молока

19. Органолептические свойства молока

20. Технологические свойства молока

21. Бактерицидные свойства молока

22. Пороки молока

23. Биохимические и физико-химические изменения молока при его охлаждении и замораживании

24. Биохимические и физико-химические изменения молока при его центробежной очистки и сепарировании

25. Биохимические и физико-химические изменения молока при его перекачивании и перемешивании

26. Биохимические и физико-химические изменения молока при его гомогенизации

27. Изменение составных частей молока при тепловой обработке

28. Брожение молочного сахара при производстве кисломолочных продуктов

29. Коагуляция казеина и гелеобразование при производстве кисломолочных продуктов

30. Физико-химические процессы при производстве мороженого