Обогащенные белками сухие молочные продукты, получаемые из коровьего молока, благодаря своей пищевой ценности считаются очень важными компонентами пищевых продуктов. Эти обогащенные белками ингредиенты используются в пищевом производстве для связывания и эмульгирования жиров, связывания и удержания влаги, а также для удерживания и стабилизации воздуха.

Обычное коровье молоко – очень сложная система, массовая доля белка в которой составляет приблизительно 3,5%.

В зависимости от растворимости выделяют две основные группы белков молока:

• казеины, которые составляют примерно 80% общего азота в молоке, – нерастворимые в изоэлектрической точке (рН 4,6) при температурах более 8°С и осаждаемые из молока в тех же условиях;
• сывороточные белки – растворимы в интервале рН 3-8 (максимальная растворимость до 96% наблюдается при рН 6,5).

Казеины очень склонны к ассоциации из-за наличия высокогидрофобных участков, а последовательность аминокислот приводит к распределению заряда, фосфорилированию и гликозилированию.

В молоке казеины представлены в форме больших сфероподобных коллоидных скоплений, или мицелл, молекулярная масса которых около 10⁸ Да и которые можно отделить от сывороточных белков с помощью процесса центрифугирования. Мицеллы также содержат коллоидный фосфат кальция, магний, натрий, калий и цитрат. Считается, что мицеллы состоят из субмицелл, содержащих различное количество казеинов и расположенных таким образом, что к-казеины находятся на поверхности мицеллы.

Водородная связь, гидрофобные и электростатические взаимодействия играют значительную роль в сохранении структуры мицеллы. Связывание кальция с заряженными участками белков регулирует гидрофобные взаимодействия между белками и субмицеллами, а фосфаткальциевые мостики придают стабильность мицелле.

В нативном молоке электростатическое и пространственное отталкивание, возникающее благодаря к-казеиновому «волосяному покрову», предотвращает агрегацию мицелл. Протеолитическое удаление «волосяного покрова» при сычужном свертывании или вызванное этанолом разрушение покрова дестабилизирует мицеллы, и может возникнуть, в зависимости от температуры, рН и ионного окружения, опосредованная кальцием агрегация. Охлаждением и термической обработкой можно вызвать частичную диссоциацию казеина из мицелл.

Удаление кальция из мицеллы с помощью солей ведет к диссоциации казеинов, что в конечном счете ведет к дезинтеграции мицелл в зависимости от условий. Окисление ведет к растворению коллоидного фосфата кальция, разрушению структуры мицелл и снижению заряда белков, вызывая агрегацию и осаждение казеинов.

Фракция сывороточных белков также гетерогенна и включает основные сывороточные белки: β-лактоглобулин, α-лактальбумин, альбумин сыворотки крови, иммуноглобулины, производные β-казеина, минорные протеины, например лактоферрин, лактопероксидаза и другие ферменты.

Казенны обладают высокой устойчивостью к температурному воздействию, в то время как сывороточные белки денатурируют. Так, при нейтральном значении рН (~6,7) молоко можно нагревать до 140°С в течение 20 мин до того, как произойдет коагуляция. Сывороточные белки денатурируют уже при нагревании молока до температуры 72-75°С и взаимодействуют с казеином, образуя комплекс. Некоторые различия между казеинами и сывороточными белками являются основой для промышленных методов выделения казеинов и сывороточных белков; однако их также можно выделить вместе в различных высокобелковых продуктах, называемых молочными белковыми концентратами или суммарными белками молока.

5.2.1. КРАТКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА БЕЛКОВ МОЛОКА

Казеин (кислотный и сычужный) получают из обезжиренного молока, чтобы минимизировать возможное ухудшение вкуса, появляющееся вследствие окисления жира в сухом казеине.

При получении кислотного казеина казеиновые мицеллы дестабилизируют путем снижения рН молока до 4,6 одним из следующих методов:

• внесением неорганической кислоты (обычно 1-2 М НС1) в молоко при температуре приблизительно 30°С;
• смешиванием молока при температуре около 10°С с достаточным количеством катионообменной смолы в водородной форме, что обусловливает обмен катионов в молоке на Н+, который приводит к снижению рН молока приблизительно до 2,0 с последующим разделением кислого молока и смолы и смешиванием этого молока с необработанным молоком, обеспечивающим нужное значение рН (в России данный метод не применяется);
• инокуляцией молока закваской и сквашиванием при 30°С, что приводит к образованию молочной кислоты из лактозы, вследствие чего происходит коагуляция казеина при достижении изоэлектрической точки.

При получении сычужного казеина мицеллы казеинов дестабилизируют при нейтральных значениях рН молока в результате использования ряда протеолитических ферментных препаратов, таких как телячий сычуг или, более того, полученный методом генной инженерии химозин или заменители сычуга, такие как микробные протеиназы. Происходит расщепление к-казеина на пара-к-казеин и растворимые гликомакропептиды, и модифицированные мицеллы казеина становятся восприимчивыми к присутствию кальция в плазме молока и коагулируют при температуре выше 20°С.

Процесс, известный как тепловая обработка зерна, заключающийся в повышении температуры до 50-60°С, ускоряет непрерывную коагуляцию дестабилизированных мицелл, ведущую к образованию легко отделимого от сыворотки творожистого осадка (казеинового зерна).

Методом вибрации подвижно или стационарно наклоненного сита (нейлонового или из нержавеющей стали) или полиэфирного матерчатого фильтра с каскадным расположением либо с использованием механических устройств, таких как центрифуга с горизонтальным барабаном или прокатные валики, можно разделить творожистый осадок и сыворотку. После разделения зерно промывают с целью удаления остаточных количеств лактозы, солей и сывороточных белков, затем механически обезвоживают и высушивают до содержания влажности менее 12% с помощью пневматических циркуляционных сушилок, сушилок с псевдоожиженным слоем или сушилок фрикционного действия. Для получения однородного содержания влаги используют перемешивание частиц казеина, затем их измельчают или дробят.

Кислотный казеин нерастворим при повторном диспергировании в воде. Казеинат натрия распылительной сушки, наиболее широко применяемый в пищевом производстве, изготавливают растворением кислотного казеина в NaOH. Казеиновый сгусток, обработанный кислотой, разбавляют водой (40°С) до содержания сухих веществ около 25%, измельчают в коллоидной мельнице, а затем эту суспензию смешивают с раствором NaOH (2,5 М) до рН 6,6-6,8.

Вязкий раствор затем интенсивно перемешивают и нагревают в резервуарах при 75°С до полного растворения, а затем продолжают нагревать до 95°С. При необходимости, чтобы получить казеинат нужной кислотности, уровень рН регулируется с помощью NaOH, и раствор казеината натрия затем подвергают распылительной сушке. Время воздействия высоких температур ограничено вследствие потемнения казеина, вызванного реакцией Майера. Чтобы предотвратить образование лизиноаланина и нежелательных привкусов, время воздействия сильнокислой средой также ограничено.

Казеинаты также можно получить, используя другие методы производства или применяя другие основания для нейтрализации кислотного казеина. Сыворотка – это жидкая фракция молока, которая остается после удаления жира и казеина в ходе производства сыра и кислотного или сычужного казеина. Сладкая сыворотка (рН не менее 5,6) получается в ходе производства сыра и сычужного казеина, а кислая (рН не более 5,1) – при производстве кислотного казеина.

Кислая сыворотка обладает большим содержанием минералов/ золы, чем сладкая, и если заквасочные бактерии производили кислоту посредством ферментации лактозы, то концентрация лактозы снижается.

Сывороточные растворы и растворы, обогащенные сывороточными белками, обычно пастеризуют при минимальных температурах и продолжительности процесса, а также сохраняют при низкой температуре. Это позволяет минимизировать микробиологическую порчу и ухудшение физико-химических свойств белков и других компонентов сыворотки, которые могут повлиять на функциональные и органолептические свойства готовых, обогащенных белками продуктов.

Сухая сыворотка, содержащая менее 15% белков, производится концентрацией сыворотки непосредственным выпариванием или в комбинации с обратным осмосом с последующей распылительной сушкой.

Маточный раствор, получаемый как побочный продукт производства лактозы, можно сконцентрировать и высушить распылением, чтобы получить концентрат сывороточных белков, содержащий ~30% белка.

Безлактозная сухая сыворотка обладает высоким содержанием минералов (до 25%), что может наложить ограничение на ее использование в некоторых пищевых производствах и повлиять на вкус, аромат и пищевую ценность.

Для производства модифицированной сухой сыворотки, такой как деминерализованная и деминерализованная/безлактозная сухая сыворотка, которая содержит 15-35% белка, с целью снижения концентрации лактозы и (или) минералов в сыворотке используется деминерализация с помощью обратного осмоса, электродиализа или ионного обмена и (или) кристаллизации лактозы.

Используя различные комбинации процессов, можно регулировать минеральный состав сывороточных продуктов.

Глобулярные сывороточные белки легко денатурируют при нагревании и принимают случайные структуры, которые обнажают сульфгидрильные и гидрофобные группы, ускоряя агрегацию и осаждение денатурированных белков, зависящей от температуры нагревания, времени воздействия и концентрации кальция.

Условия промышленного осаждения белка зависят от типа сыворотки и желаемых свойствах готового продукта, при этом сыворотка может быть предварительно сконцентрирована и (или) деминерализована перед осаждением.

Для получения продукта, известного как лактальбумин (его не следует путать с белком α-лактальбумином), сыворотку перед сушкой деминерализуют и промывают с целью уменьшения содержания минеральных веществ и лактозы.

5.2.2. СВОЙСТВА БЕЛКОВ МОЛОКА

Растворимость белковых продуктов является важным функциональным свойством, так как предопределяет их пенообразующие и эмульгирующие способности.

Кислотный казеин совершенно не растворим при диспергировании в воде, так как рН дисперсии близко к изоэлектрической точке казеинов (рН 4,0-5,0). Однако при добавлении одновалентного катионового основания рН дисперсии можно повысить до значений рН > 5,5, т.е. казеин превращается в полностью растворимую катионную соль (Na, К, NH₃). Растворы, содержащие 10-15% таких казеинатов, можно легко приготовить при рН 6,0-7,0. При рН < 3,5 казеин также растворим, но раствор при этом становится более вязким, чем при нейтральных значениях рН, и образуются гелеподобные системы.

Сычужный казеин также нерастворим в воде при рН ~ 7,0, но его можно растворить после повышения рН до значений выше ~ 9,0 или добавлением хелатов кальция, таких как пищевые полифосфаты и (или) цитраты.

Сывороточные белки в их нативной глобулярной форме растворимы при низкой ионной силе во всем диапазоне рН, встречающемся в пищевой промышленности. Однако их растворимость понижается вследствие высаливания при высоких концентрациях соли, а также при нагревании при температуре выше 70°С.

Степень денатурации и последующая нерастворимость при рН 7,0 и 4,6, вызываемые обработкой и хранением обогащенных сывороточными белками продуктов, зависят от температуры нагревания и продолжительности, а также рН сыворотки и концентрации ионов кальция при нагревании.

Как уже отмечалось, молоко образует гель при обработке, и обычно в качестве гелеобразователя выступает казеин. Ограниченный протеолиз молока, ведущий к гидролизу стабилизирующего мицеллы к-казеина, приводит к образованию мицелл, содержащих пара-к-казеин, которые коагулируют в присутствии Са²⁺ молочной сыворотки. Мицеллы казеина можно также дестабилизировать, получая гели смешиванием равных объемов молока и этанола.

Гелеобразование или медленная коагуляция молока, вызванные воздействием кислоты, приводят к образованию кислотных гелей, которые могут как обладать, так и не обладать синерезисом и которые зависят от режимов пастеризации молока. Пастеризация при температуре, превышающей температуру денатурации сывороточных белков (обычно выше 85°С), снижает синерезис в ферментированном молоке, в то время как молоко, используемое для производства сыров и казеина, нагревают в минимальной степени, что способствует отделению сыворотки. Вязкость казеина намного выше при низких рН (2,5-3,5), чем при нейтральных рН, и гелеподобная структура образуется при содержании белков более 5% и температуре ниже 40°С. Казеинат кальция обладает свойством термообратимости геля. Концентрированные дисперсии казеината кальция (более 15% белка) образуют гель при нагревании до 50-60°С, при охлаждении гель разжижается, но при повторном нагревании опять образуется. Температура гелеобразования увеличивается при повышении концентрации белка от 15 до 20% и в диапазоне рН 5,2-6,0.

Чувствительность к температуре обычно считается нежелательным свойством при приготовлении продуктов, обогащенных сывороточными белками, однако это свойство можно использовать для производства термических гелей из сывороточных белков, которые обладают прекрасными термогелеобразующими характеристиками.

Связывание воды, или гидратация, является важным функциональным свойством молочных продуктов в пищевой промышленности.

Уровень гидратации зависит от вида продукта; значения гидратации для мицелл казеина находятся в диапазоне 1,4–6,4, для казеина и казеинатов – 0,7-3,8, а для индивидуальных нативных сывороточных белков – 0,32-0,60 г Н₂0 на 1 г продукта.

Однако при нагревании растворов сывороточных белков, содержащих достаточное количество протеина и имеющих подходящие условия к растворению (рН, ионы и т.д.), происходит гелеобразование, и способность таких гелей к удержанию воды значительно улучшает текстуру и реологию некоторых продуктов. Согласно исследованиям, показатели сорбции некоторых белков молока в моделированной системе мучного теста находятся в диапазоне 0,96-3,45 г Н₂0 на 1 г продукта.

Молочные белковые продукты в целом, а казеинаты в особенности, являются очень хорошими эмульгаторами жиров и поэтому широко используются в этом качестве в пищевой промышленности.

5.2.3. ПРИМЕНЕНИЕ БЕЛКОВ МОЛОКА

Молочные белки достаточно широко используются в производстве хлебобулочных изделий.

Поскольку казеин содержит достаточно большое количество лизина, он является прекрасной биологически активной добавкой для круп, которые не содержат лизина.

Казеин/казеинаты добавляют в зерновые завтраки, молочное печенье, обогащенные белками хлеб и печенье, высокобелковый хлеб и сухое печенье в качестве питательной биологически активной добавки, в замороженные торты и печенье – в качестве эмульгатора и улучшителя текстуры.

Тип казеина/казеината необходимо выбирать с особой тщательностью, чтобы не ухудшить процесс выпечки.

Белки молока используются в качестве добавки в производстве стандартных молочных продуктов, а также в производстве имитаторов молочных продуктов.

Казеин, растительный жир, соли и сахар используются для производства аналогов сыров, что приводит к значительным сокращениям затрат по сравнению с производством натурального сыра. Такие сырные продукты можно использовать в пицце, лазанье, соусах, гамбургерах и чизбургерах, горячих бутербродах, макаронах и т.д. Используемые здесь важные функциональные свойства казеина включают связывание воды и жира, улучшение текстуры, плавление, тягучесть и возможность нарезания. Для производства аналогов сыров чаще всего используются сычужный, кислотный казеин и казеинаты.

Казеинат натрия в сухих сливках для кофе (которые также содержат растительный жир, углеводы и эмульгаторы/стабилизаторы) выступает в роли эмульгатора, средства для капсулирования жира и забеливателя, также он загущает продукт, улучшает запах и вкус и улучшает сопротивляемость образованию хлопьев молочного белка (т.е. коагуляции сливок) на поверхности горячего кофе. Такие сливки дешевле, обладают более длительным сроком годности, не требуют хранения в холодильнике и более удобны в использовании, чем свежие сливки для кофе.

Казеинат натрия используется для снижения синерезиса, повышения прочности геля в йогуртах, добавляется в молочные коктейли в качестве эмульгатора и пенообразователя. Казеин/казеинаты, растительное масло и углеводы, например кукурузный сироп, являются основными ингредиентами, используемыми в производстве низких по стоимости имитаторов молочных продуктов, которые не содержат лактозы, нежелательной для некоторых людей.

Казеинат натрия также используется как эмульгатор и средство для капсулирования жиров в производстве порошков с высоким содержанием жира, которые используются для добавления в тесто для рассыпчатости. Сухие взбитые жиры или взбитые сливки содержат казеин, в то время как некоторое количество похожих на масло молочных пастообразных продуктов производится с использованием молока и (или) растительного масла и различных казеиновых продуктов. В этих случаях казеин используется как эмульгатор, а в молочных пастообразных продуктах он также улучшает текстуру и аромат.

Сывороточные белки применяются при производстве йогуртов и сыров для увеличения выхода продукта, пищевой ценности и консистенции. Вязкость и стабильность йогуртов можно улучшить замещением сухого обезжиренного молока сывороточным белковым концентратом (СБК). До 20% казеина в твороге может быть заменено термически модифицированным СБК, что повышает пищевую ценность и увеличивает выход.

Использование сладких СБК в производстве сыра Рикотта (Ricotta) повышает связность сгустка. Эмульсии, изготовленные с помощью денатурированных нагреванием сывороточных белков и жиров, используются как белковая основа для производства сливочного сыра и спредов из него. Нарезанные и упакованные сырные продукты, вырабатываемые на эмульгирующих и желирующих свойствах сывороточ-ных белков, производят нагреванием сухого обезжиренного молока и сухих СБК, диспергированных в эмульсии молочного жира в СБК.

СБК также используются для производства сырных начинок и подливок, так как они дополняют вкус и аромат сыра и делают продукт более мягким.

Благодаря своим свойствам взбиваемости и пенообразования, а также стабилизации казенны используются для производства шоколадных, шипучих и других видов напитков.

Казеинат натрия используется как эмульгатор и стабилизатор в сливочных ликерах, которые обычно содержат сливки, казеинат натрия, добавленный сахар, этанол и тринатрий цитрат, который предотвращает вызванное кальцием гелеобразование; также он используется, правда в меньшей степени, в других аперитивах.

Казенны также используются для очищения, чтобы уменьшить окрашивание, вяжущий вкус и способствовать осветлению вина и пива.

Во фруктовые соки, безалкогольные или молочные напитки можно добавлять СБК, что повышает их пищевую ценность, они известны под названием спортивных напитков. Для использования в безалкогольных напитках СБК должны быть обезжирены, деминерализованы, быть хорошо растворимы при рН 3,0 и обладать слабым ароматом. Свойства СБК не должны ухудшаться при хранении, а также они не должны вступать в реакцию с ароматизаторами, присутствующими в продукте, чтобы не изменить вкуса напитка. Сывороточные белковые концентраты и изоляты добавляют в молочные ароматизированные напитки для придании им вязкости, нужной консистенции и коллоидной стабильности. Они также включены в качестве белковых добавок в рецептуры сухих обогащенных белком спортивных ароматизированных напитков и в замороженные концентраты соков.

Казеинат натрия используется в мороженом и замороженных десертах для улучшения свойств взбиваемости, консистенции, текстуры и для стабилизации продукта; по тем же причинам, а также благодаря его эмульгирующей и пленкообразующей способности он используется в приготовлении муссов, растворимых пудингов и взбитых покрытий.

В производстве мороженого часть сухих веществ обезжиренного молока можно заменить сухой сывороткой, а используя безлактозную деминерализированную сухую сыворотку или СБК, можно заменить даже большее количество, и это замещение не окажет влияния на вкус и аромат, текстуру или внешний вид готового продукта. СБК также использовались в плитках замороженных соков, в сложных покрытиях, особенно шоколадных глазурях, и в замороженных десертах.

Молочные белки можно включать в состав муки, используемой для приготовления различных макаронных изделий, что улучшает пищевые характеристики и текстуру продукта. Обогащение муки для макаронных изделий неденатурированным сывороточным белком приводит к изготовлению более жестких изделий, которые также обладают большей устойчивостью к замораживанию/оттаиванию, а следовательно, подходят для варки в микроволновой печи. Также было разработано производство продуктов – имитаторов макаронных изделий, которые содержат значительную долю молочных белков.

Сывороточные белки можно использовать в аэрированных конфетных массах и включать в замороженные сильно взбитые сахарные сиропы, содержащие взбитый белок. Казеины используются в производстве ириса, карамели, помады и других кондитерских изделий, так как при нагревании они образуют твердую, упругую жевательную основу, а также способствуют водосвязыванию и эмульгированию. СБК менее полезны в этих продуктах, так как они образуют более мягкий коагулят, а высокое содержание лактозы может вызвать кристаллизацию в процессе хранения.

Гидролизаты казеина используют как пенообразователи вместо яичного альбумина в маршмеллоу и нуге, так как они придают стабильность при высоких температурах, а также хороший вкус, аромат и темный цвет. Использовать СБК и сывороточно-белковый изолят (СБИ) в качестве заменителей яичного белка в производстве меренг допустимо, только если эти продукты обезжирены; и наоборот, производство качественных бисквитных тортов требует использования жиросодержащих СБК.

В измельченном мясе казеины высвобождают белки мяса, что приводит к гелеобразованию и водосвязыванию, а это способствует эмульгированию жиров, связыванию воды и улучшает консистенцию. До 20% мясных белков в сосисках и рулетах можно заменить на сывороточные белки, которые используются для изготовления первичных эмульсий части жиров и посредством гелеобразования в процессе варки могут поддержать образование пространственной полимерной сетки. Растворимые низковязкие СБК можно использовать в инъекционных рассолах для укрепления таких цельномышечных продуктов, как вареная ветчина. Инъекция свежего или измельченного мяса раствором белков молока повышает выход продукции.

Белки молока широко используются в специальных диетических препаратах для больных или выздоравливающих детей, страдающих недоеданием, а также для людей, соблюдающих диету для снижения веса. Сухая деминерализованная сыворотка используется для производства адаптированных молочных смесей для детского питания, соотношение белок/казеин в которых близко к соотношению белок/казеин в женском молоке.

Гидролизаты сывороточных белков применяются при изготовлении гипоаллергенных пептидных смесей. Фракционирование сывороточных белков позволяет разработать рецептуры молочных смесей, которые имеют состав сывороточных белков, аналогичный составу белков женского молока.

Гидролизаты молочных белков используются для внутривенного кормления пациентов, страдающих расстройствами в переваривании белков, заболеваниями кишечного тракта, а также для пациентов после операции.

Казенны используются в специальных препаратах, которые улучшают спортивные результаты, а также являются компонентами питания космонавтов в космосе.

Препараты специальных казеинов используются для питания больных раком, панкреатитом или анемией. Из β-казеина, включая β-казеиноморфины и пептиды от тетра- до гепта-, были получены пептидные лекарства, которые регулируют сон, чувство голода или секрецию инсулина. Сульфированные гликопептиды, полученные из казеина, используются для лечения язвы желудка. Считается также, что использование казеина в зубной пасте может предотвратить разрушение зубов.

Смеси сыворотки/казеинатов используются в качестве забеливателей в подливках. Сухая сыворотка входит в состав сухих супов и соусов, придавая им молочный вкус и улучшая вкус других компонентов, а также выступая в качестве эмульгатора и стабилизатора. Казеинаты используются в качестве эмульгаторов, регулируют вязкость консервированных кремообразных супов и соусов, применяются в приготовлении сухих эмульсий для дегидрированных кремообразных супов и соусов. Соусы и подливки, содержащие сывороточные белки, менее склонны прилипать к стенкам посуды, требуют минимального перемешивания и стабильны к циклам замораживания/оттаивания.

Смеси казеинатов и сывороточных белков применяются в качестве дешевых заменителей сухого обезжиренного молока в некоторых продуктах быстрого приготовления. Сывороточные белковые продукты могут заменять яичный желток в салатных майонезах, а модифицированные сывороточные белковые продукты, возможно, могут заменять жиры в различных продуктах быстрого приготовления. Предполагают, что молочные белки также улучшают текстуру, стабильность и аромат продуктов, приготовленных в микроволновой печи.

Повторно увлажненные кислотные казенны, подкисленный сычужный казеин можно подвергнуть экструзии, при этом получают воздушные снеки. Для производства обогащенных белками снеков казеинаты можно экструдировать совместно с пшеничной мукой.

Пленки, образованные из казеинов/казеинатов, могут быть растворимыми или нерастворимыми в воде в зависимости от условий среды (рН), использованных в процессе их приготовления, в то время как проницаемость для паров воды зависит от типа использованного казеина/казеината. Вызываемая термическим воздействием дисульфидная поперечная сшивка важна, как выяснилось, для получения пленок с использованием СБК и СБИ.

Эмульсии казеината кальция, наносимые на фрукты и овощи, использовались для снижения потери влаги.

Хотя уже сейчас из молока получают большое количество белков, велика вероятность, что их количество в будущем еще возрастет.

Методы фракционирования для производства конкретных белков в промышленности уже существуют, но находятся на начальной стадии развития, в то время как промышленные методы производства или изолирования биологически активных пептидов, полученных из казеинов, еще надо разработать.

Важной задачей является разработка получения белков молока с учетом конкретных потребностей.