Образование геля при изготовлении некоторых молочных продуктов обусловлено в основном дестабилизацией казеинового комплекса. Эти гели необратимы и делятся на следующие группы:
• ферментные гели, образующиеся в результате действия коагулянта, дестабилизирующего к-казеин и вызывающего агрегацию казеина в присутствии ионов кальция;
• гели, полученные в результате нагревания и возникающие как нежелательное явление, если гелеобразование имеет место в У ВТ-молоке или молоке, подвергнутом выпариванию при недостаточно стабилизированной белковой фракции;
• кислотные гели, полученные при кислотной коагуляции молока, например, йогурт;
• гели, образующиеся под действием соли или нагрева (обычно при изготовлении мягкого итальянского сыра «рикотта»).
Хотя изготовление йогурта не включает добавление протеолитического коагулирующего фермента, определенную роль могут играть протеиназы йогуртовых заквасок. Поэтому следует иметь в виду, что йогурт может быть гелем, образованным не только под действием кислоты, и что в образовании денатурированной белковой матрицы могут участвовать протеиназы. Все это может иметь отношение к свойствам гелевой структуры йогурта [863].
Основные различия между молочными гелями, полученными под действием кислоты или фермента, описаны в работах [914,922], в частности:
• прочность кислотного геля не меняется в течение первых суток после гелеобразования, в ферментном геле в течение того же периода она увеличивается;
• молочный гель, образованный ферментами-коагулянтами, более прочен, чем и кислотный гель; кислотныи же гель имеет менее прочную структуру и легко разрушается.
Органолептические показатели ферментированного молока, важные для каждого потребителя, описаны в работе [645], например:
запах: его интенсивность, кислый, фруктовый, масляный, дрожжевой, сливочный, сладкий, другой;
вкус: его интенсивность, кислый, фруктовый, масляный, прогорклый, сливочныий , соленый, горький, лимонный, сладкий, химический, другой;
послевкусие: его интенсивность, горький, кислый, другой;
консистенция: плотность, сметанообразность, вязкость, клейкость (слизистость), творожистый характер, застывание на небе, меловой, отделение сыворотки/плазмы.
Микроструктура йогурта изучена хорошо, но данных о механизмах образования кислотных гелей в молоке с помощью S.thermophilus и L.delbrueckii подвида bulgaricus при 35-45 °С опубликовано недостаточно. Казеиновые мицеллы состоят из различных белковых фракций (см. раздел 2.9.3) и связаны друг с другом мостиками фосфата кальция. При ферментации молока содержание в плазме мицеллярной или коллоидной форм Са2+ (в меньшей степени — магния и цитрата) увеличивается с уменьшением рН вследствие растворения мицеллярного фосфата кальция [545, 714]. Изменение физической природы казеиновых мицелл играет важную роль в молочных гелях, образованных под действием кислоты.
Механизмы диссоциации и агрегации.казеиновых мицелл в таких гелях рассмотрены в работе [863], где делается вывод, что «прямое подкисление молока с помощью НС1 или глюконо-б-лактона (ГДЛ) и добавление веществ, хелатирующих кальций — это различные методы образования молочного геля без метаболического влияния ваквасок» [83,84,124,126,127,386, 388,391, 759,760, 913].
Исследования дезагрегации казеиновых мицелл и их агрегации при кислотном гелеобразовании в молоке показывают, что механизмы этих процессов зависят от рН, концентрации ионов и температуры [63-65, 386, 831, 868, 869]. В основном b-казеин отделяется от казеиновых мицелл при низких рН [388]; об отделении других % казеиновых фракций от мицелл сообщается в работах [759, 760, 924]. Везде наблюдалась также зависимость количества и соотношения диссоциированных казеинов в плазме от рН и температуры. При рН 5,6 все основные казенны склонны к диссоциации, при этом на внешних слоях субмицелл она происходит в большей степени, чем на внутренних [388]. Растворение мицеллярного фосфата кальция происходит при рН < 5,3; при этом имеется линейная связь между Са2+ + Мg2+ и неорганическим фосфатом + цитратом. Связывание ионов кальция и магния с казеином, по-видимому, не зависит от рН в диапазоне 5,6-6,7. Связывание кальция может затрагивать карбоксильные группы, однако уменьшение рН влияет также на пространственные свойства (из-за электростатических взаимодействий между положительно и отрицательно заряженными группами) (см. [388]). В работе [196] описана сходная картина растворения минеральных веществ, обусловленная сочетанием рН и температуры, но универсального объяснения для описания диссоциации ионов соли и казеина из мицелл не найдено. Снижение рН уменьшает силы отталкивания и делает возможными гидрофобные взаимодействия, вызывающие коагуляцию казеиновых мицелл. Тем не менее предварительное нагревание обезжиренного молока до 90 °С с последующим подкислением при 30 °С с помощью ГДЛ смещает рН коагуляции выше 5,5 и сокращает продолжительность коагуляции [168,169, 391].
Нагревание растворов казеина, приготовленных восстановлением СОМ или казеината натрия, в состоянии покоя и свертывание при 0-2°С приводит к получению устойчивой суспензии частиц казеина [761, 762]. Гелебразование происходит при температуре выше 10 °С, а снижение температуры до 4 °С после образования геля имеет следствием следующие эффекты:
• казеиновые частицы образуют сложную необратимую структуру;
• формирование кислотного геля зависит от энергии активации Гиббса, которая уменьшается при увеличении температуры;
• если гель был прочным при I выше 10 °С, то по меньшей мере в течение недели наблюдалась линейная зависимость деформационных модулей С' и С" от логарифма времени;
• гелевая система состоит из крупных и мелких скоплений агрегатов казеиновых частиц в виде нитей и узлов со свободными пространствами 1-10 мкм; это предполагает, что нити и узлы состоят из концентрированного белка (около 25%) с модулем около 105N-t [761,762]; подобное описание геля имеющихся на рынке фракций b-Лг и a-Лаопубликовано в работе [775].
Диссоциация казеиновых мицелл в молоке может вызываться и по-другому — например, растворами солей (СаCl2, МgCl2 или NaCl) или хелатирующими кальций веществами — такими, как ЭДТА, гексаметафосфат, оксалат, цитрат или ортофосфат [66,127,298,299,386,436,776]. Диализ с буферами без фосфатов и с фосфатом кальция уменьшает содержание коллоидного фосфата кальция и Р| (в зависимости от типа используемого буфера) до диссоциации казеина. В работе [386] сообщается, что диссоциация происходит в результате разрыва связей между казеином и неорганическими компонентами. Однако диссоциация казеиновых мицелл в модельном молочном ультрафильтрате, подвергнутом диализу с имидазольным буфером, зависит от содержания эфира фосфата [66]. Добавление ионов Са2+, Мg2+ и Na+, ассоциирующихся с фосфатными и карбоксильными группами казеина, увеличивает концентрацию ионов водорода благодаря уменьшению отталкивающих сил гидратации между мицеллами. При этом гидратационные силы притяжения вызывают коагуляцию, поскольку ионы водорода вытесняют связанные иoны Са2+, Мg2+ и Na+ в мицеллах казеина. Связывание ионов с группами лизина, аргинина и гистидина также уменьшает отталкивающие гидратационные силы между ионами мицелл казеина в коллоиде [127].
К сожалению, в опубликованных результатах исследований о механизмах геле-образования, обусловленного непосредственным добавлением кислоты к молоку, довольно мало полезной информации. Поскольку молочная основа для производства ферментированных продуктов готовится иначе и подвергается гомогенизации и высокотемпературной обработке, свойства геля, сформировавшегося благодаря ферментации, могут быть иными. В работе [760] был сделан вывод, что поскольку в исследовании использовалось СОМ низкого нагрева, «из-за зависимости результатов от предыстории образцов (таких факторов, как рН и температура), для выявления происходящих изменений требуются более тщательные исследования».
Очевидно, что формирование йогуртового геля является результатом биологических и физических воздействий на молоко — таких как обогащение, гомогенизация и тепловая обработка молочной основы и катаболизм лактозы в молоке микроорганизмами заквасок для удовлетворения их энергетических потребностей, в результате чего образуется молочная кислота и другие соединения. Эти эффекты вызывают образование в молоке геля. В работе [363] сообщается, что при свертывании обезжиренного молока с ГДЛ при 30 °С мицеллы казеина могут при различных рН претерпевать следующие изменения (см. также [650]):
• рН 6,6-5,9 — нет данных об изменении казеиновых мицелл, размер их около 0,1 мкм и они распределены в молоке равномерно;
• рН 5,5-5,2 — происходит частичное разрушение мицелл, и при рН < 5,2 казеиновые частицы соединяются между собой и образуют структуры с пустыми пространствами между ними; при таком взаимодеиствии между мицеллами
молочный гель должен быть неподвижен;
• рН 5,2-4,8 — происходит сжатие казеиновых агрегатов, и полученные частицы по своим размерам больше, чем естественные мицеллы;
• рН £ 4,5 — происходит перестройка и агрегация казеиновых частиц, ведущие к образованию белковой матрицы, состоящей из мицеллярных цепей и агрегатов.
В работе [689] делается вывод, что образование молочного геля при кислотной вязкости (индукционный период), стадии быстрого изменения вязкости (нарастания) и конечной стадии высокой вязкости. Однако те же авторы сообщают, что диссоциация казеиновых мицелл происходит при рН 5,1 и, по-видимому, на нее влияет
превращение коллоидного Са в Са2+. При рН 4,8 эти казеиновые субмицеллы вновь объединяются и образуют крупные казеиновые агрегаты неопределенной формы и размера.
Разумно предположить, что взаимодействие a-Ла/b-Лг с казеином (связь с помощью -SН и -SS мостиков) частично защищает мицеллы, однако при снижении рН молока начинает происходить их дестабилизация или разрушение. В результате гелевая сетка или белковая матрица, состоящая из мицеллярных цепей и/или агрегатов, захватывает и удерживает внутри себя все остальные составляющие молочной основы, включая водную фазу.
