Technol. Spec. I

UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ TECHNOLOGII śYWNOŚCI

Katedra Przetwórstwa Produktów Zwierzęcych

ĆWICZENIE 2

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY

FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Studia niestacjonarne II stopnia – rok I, semestr I

Specjalizacja: Przetwórstwo Mleka

Technologia Specjalizacyjna I: Mleko i koncentraty mleczne

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

I. WSTĘP

Ogrzewanie jest jednym z podstawowych zabiegów w procesach przetwarzania mleka.

Mamy z nim do czynienia podczas pasteryzacji i sterylizacji mleka, podczas zagęszczania w

wyparkach oraz podczas suszenia mleka.

W zaleŜności od wysokości stosowanej temperatury i czasu jej działania wyróŜniamy

kilka systemów pasteryzacji i sterylizacji mleka.

Pasteryzacja – jest to ogrzewanie produktu do temperatury niŜszej od temperatury

wrzenia w czasie potrzebnym do zabicia wszystkich znajdujących się w nim drobnoustrojów

chorobotwórczych i większości drobnoustrojów saprofitycznych, w celu zapewnienia takiego

stanu zdrowotnego, który umoŜliwia bezpośrednie spoŜycie produktu oraz trwałość potrzebną

do jego przechowywania w temperaturze 4-8 °C, przez czas potrzebny do transportu,

dystrybucji i ewentualnego dalszego przerobu.

Wpływ działania temperatury na składniki mleka oraz drobnoustroje zawarte w tym

mleku jest funkcją czasu, która wyraŜa się równaniem logarytmicznym:

Log x = a - b⋅t

Gdzie: t – temperatura, °C;

x – czas potrzebny do zabicia bakterii w sek;

a, b – stałe.

Z równania wynika, Ŝe im wyŜsza jest temperatura pasteryzacji, tym krótszy jest wymagany

czas ogrzewania.

W zaleŜności od wysokości stosowanej temperatury i czasu jej działania wyróŜniamy

kilka systemów pasteryzacji mleka:

System pasteryzacji:

Parametry obróbki:

- niska długotrwała

63-65 ºC/ 20-30 min.

- krótkotrwała

72 ºC/ 15 sek.

- wysoka

80-85 ºC/ 15-20 sek.-kilkanaście min.

- momentalna

85-90 ºC/ 1-2 sek.

- wysoka długotrwała

95ºC/ 30 min. (pasteryzacja mleka do produkcji zakwasów)

Dobór metody pasteryzacji zaleŜy przede wszystkim od jakości mleka poddawanego

pasteryzacji, od kierunku przerobu oraz od wymagań w stosunku do mleka poddawanego

obróbce termicznej stawianych przez ustawodawstwo danego kraju.

Zasadnicze cele pasteryzacji to:

- całkowite zniszczenie mikroflory chorobotwórczej,

- maksymalne zniszczenie mikroflory saprofitycznej,

- unieczynnienie enzymów rodzimych i bakteryjnych,

- zniszczenie droŜdŜy i pleśni,

- usunięcie z mleka gazów.

Prawidłowo przeprowadzona pasteryzacja niszczy powyŜej 99% saprofitycznej

mikroflory mleka. Ilość drobnoustrojów pozostających w pasteryzowanym mleku jest zaleŜna

głównie od początkowego zakaŜenia surowca. Stosowane systemy pasteryzacji powodują

równieŜ zniszczenie rodzimych i bakteryjnych enzymów mleka. Wpływ temperatury

pasteryzacji na zniszczenie niektórych enzymów mleka przedstawia tabela:

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Enzym

Substrat

Temperatura inaktywacji

Lipazy

Glicerydy

5,2 – 9,8

71°C/36 sek lub 80°C/20 sek

Fosfataza

Kw. f. glicerynowy

6,8 – 10,1

63°C/30 min lub 72°C/15 sek

alkaliczna

Fosfataza

Kw. f. glicerynowy

4,0 – 4,5

88°C/30 min lub 92°C/2 min

kwasowa

Amylazy

skrobia

7,4

63°C/30 min

Proteazy

proteiny

6,5 – 9,0

90°C/1-5 min

Peroksydaza

75°C/3 min lub 80°C/30 sek

H2O2

6,8

lub 85°C/13 sek lub 88°C/8 sek

Katalaza

65°C/30 min lub 90-

H2O2

7,0

92°C/natychmiast

Na wykrywaniu obecności lub nieobecności niektórych enzymów w mleku opierają

się praktyczne próby określenia skuteczności pasteryzacji:

Enzym

System pasteryzacji:

amylaza

fosfataza alkal.

peroksydaza

fosfataza kwas.

- niska długotrwała

- krótkotrwała

- wysoka

- momentalna

- wysoka długotrwała

- brak

+ obecność

Ogrzewanie mleka do temperatury 88-95 °C bardzo korzystnie wpływa na trwałość

niektórych produktów np. proszku mlecznego i masła. Spowodowane jest to m.in.

uwalnianiem się z białek serwatkowych, głównie z β-laktoglobuliny grup sulfhydrylowych (-

SH), które w mleku surowym występują w formie utajnionej. Optymalna temperatura

uwalniania grup –SH wynosi ok. 90 °C. Wolne grupy –SH wykazują działanie

przeciwutleniające, które polega na obniŜeniu potencjału oksydoredukcyjnego oraz wiązaniu

jonów miedzi i Ŝelaza (katalizatory utleniania) w nieczynne sulfidy.

Oprócz poŜądanych zmian wywołanych pasteryzacją, ogrzewanie powoduje cały

szereg niekorzystnych zmian w mleku. NaleŜą do nich:

− denaturacja białek serwatkowych – najbardziej wraŜliwe są immunoglobuliny,

albumina serum, β-laktoglobulina, α-laktoalbumina;

− utrata witamin – najbardziej wraŜliwa jest witamina C, witaminy B1 i B2 wykazują

większą odporność;

− przemiany wapnia i fosforanów – obniŜenie krzepliwości pod wpływem

podpuszczki;

− zmiany barwy, smaku i zapachu (posmak gotowania, utleniania).

Sterylizacja - to ogrzewanie mleka w temp. powyŜej 100 ºC w czasie niezbędnym do uzyskania sterylności handlowej tj. nieobecności w produkcie mikroorganizmów zdolnych do

rozmnaŜania się w trakcie przechowywania.

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

Stosowane systemy sterylizacji:

System sterylizacji:

Parametry obróbki:

- długotrwała

110 ºC/ 2-30 min.

- UHT (ultra high temperature)

130-150 ºC/ kilka sek.

Zmiany składników mleka podczas sterylizacji są wyraźniejsze, większe jest teŜ

obniŜenie wartości biologicznej, które moŜe następować np. na skutek reakcji Maillarda

zachodzącej głównie między aminokwasem egzogennym lizyną, a grupą aldehydową laktozy.

Oprócz lizyny udział w tej reakcji brać mogą następujące aminokwasy: arginina, histydyna i

tryptofan.

Oprócz pasteryzacji i sterylizacji ogrzewanie mleka występuje równieŜ w procesach

zagęszczania i suszenia mleka.

W najczęściej stosowanych opadowych wyparkach trójdziałowych temperatura, do

której ogrzewane jest mleko w poszczególnych działach wynosi:

I – 65-70 ºC;

II – 55-60 ºC;

III – 42 ºC.

Suszenie odbywa się najczęściej w suszarkach rozpyłowych, w których czynnikiem

suszącym jest gorące powietrze o temperaturze 150 ºC. Mleko ogrzewane jest do temperatury

nie przekraczającej zwykle 70 ºC.

Zmiany w składnikach mleka wywołane zagęszczaniem lub suszeniem są

pogłębieniem zmian powstających w procesie pasteryzacji.

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

II. WYKONANIE

OGRZEWANIE

Próbki mleka:

1. nieogrzewane (surowe)

2. pasteryzowane – 72-75 °C/ 15 sek. – pasteryzacja krótkotrwała

3. pasteryzowane – 95 °C/ 30 min. – pasteryzacja wysoka długotrwała

4. sterylizowane – 115-120 °C/ 20 min – sterylizacja długotrwała

5. UHT

ANALIZY:

1. Oznaczanie kwasowości potencjalnej

Wykonanie. Do kolby stoŜkowej odmierzyć 25 cm3 mleka, dodać kilka kropel fenoloftaleiny

i miareczkować 0,25 N roztworem NaOH do lekko róŜowego zabarwienia utrzymującego się

przez 30 sekund. Wynik wyrazić w °SH tj. ilość cm3 zuŜytego do miareczkowania r-ru NaOH

pomnoŜyć przez 4.

Interpretacja wyniku

Kwasowość świeŜego surowego mleka mieści się w zakresie 6-7,5 °SH (pH 6,6-6,8). Podczas

ogrzewania obserwuje się spadek pH oraz wzrost kwasowości miareczkowej mleka. Przyczyniają się

do tego: wzrost ilości koloidalnego fosforanu i spadek jonów Ca2+, przemiany laktozy prowadzące do

powstawania laktulozy i kwasów organicznych, wzrost zawartości fosforanów nieorganicznych na skutek rozpadu estrów fosforowych i fosfolipidów.

2. Stwierdzenie obecności fosfatazy alkalicznej przy pomocy fosfatestów

Wykonanie. Bezpośrednio przed uŜyciem koniec torebki foliowej obciąć noŜyczkami od

strony, na której widoczna jest perforacja, wyciągnąć wskaźnik i zanurzyć go w badanym

mleku po znak perforowania na 2-3 sek. Nasycony mlekiem fosfatest włoŜyć z powrotem do

torebki foliowej. Oderwać część perforowaną, po czym fosfatest przyprasować dłonią, a

następnie inkubować przez 1 godz. w temperaturze 37-38 °C.

Po inkubacji dokonać oceny barwy fosfatestu i porównać ze wzorcem, posiadającym

pięciozakresową skalę barw o róŜnym stopniu intensywności koloru Ŝółtego i kremowego:

Wzorzec

Barwa

Interpretacja

„K”

biała

mleko prawidłowo spasteryzowane

„S”

intensywnie Ŝółta

mleko niepasteryzowane

„1”

lekko kremowa

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 1% mleka

niepasteryzowanego

„2,5”

kremowa

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 2,5% mleka

niepasteryzowanego

„5”

lekko Ŝółta

mleko pasteryzowane, które zawiera ok. 5% mleka

niepasteryzowanego

Interpretacja wyniku

Interpretacji dokonać według powyŜszych wytycznych. Prawidłowo spasteryzowane mleko nie

powinno reagować ze wskaźnikiem (brak fosfatazy), a fosfatest po inkubacji powinien przybrać barwę

wzorca „K” (barwa kontrolna).

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

3. Próba Sherna-Gorliego

Wykonanie. Do probówki wlać 5 cm3 mleka i 2 krople roztworu indyga, dobrze wymieszać i

pozostawić w termostacie w temperaturze 37 °C. JeŜeli po 2 godz. w górnej warstwie utworzy

się czerwona obrączka, wyraźnie odróŜniająca się od reszty mleka – reakcja jest dodatnia (+)

czyli mleko nie było pasteryzowane. JeŜeli obrączki nie będzie – reakcja jest ujemna (-) tzn.

mleko było pasteryzowane. Mleko pasteryzowane zmieszane z mlekiem niepasteryzowanym

wykazuje dwie obrączki, górną bezbarwną i dolną barwną, co pozwala stwierdzić juŜ 5%

dodatek mleka surowego do pasteryzowanego.

4. Próby na obecność peroksydazy

a) próba Storcha

Wykonanie. Do probówki odmierzyć 5 cm3 mleka, dodać 1 kroplę 1% H2O2 i 2 krople 2%

parafenylenodwuaminy. Probówkę wstrząsnąć w celu wymieszania zawartości. Obserwować

zabarwienie próbki w ciągu 0,5 minuty.

Interpretacja wyniku

Interpretacji dokonać według tabeli:

Barwa

Interpretacja

ciemnoniebieska

mleko niepasteryzowane lub pasteryzowane w temperaturze nie wyŜszej niŜ 78°C

jasnoniebieska

mleko pasteryzowane w temperaturze 78-80°C

biała (bez zmiany)

mleko pasteryzowane w temperaturze powyŜej 85°C

b) próba Dupoy

Wykonanie. Do probówki odmierzyć 2 cm3 mleka, 2 cm3 nasyconego roztworu gwajakolu, po czym po wymieszaniu dodać 1-2 krople 0,5 r-ru % H2O2 i obserwować zabarwienie górnej

warstwy płynu. (Probówkę naleŜy ogrzać trzymając ją w dłoni).

Interpretacja wyniku

Zabarwienie róŜowo-pomarańczowe nie znikające w ciągu minuty wskaŜe, Ŝe mleko zawiera

peroksydazę. Brak zabarwienia świadczy o ogrzewaniu mleka w temperaturze powyŜej 80°C. Na wynik próby Dupouy oraz próby Storcha wpływa kwasowość mleka: mleko o kwasowości powyŜej 22°SH wykazuje ujemną reakcję na peroksydazę. Obecność bakterii denitryfikujących, ślady miedzi,

dodatek dwuchromianu potasowego mogą wywołać reakcję dodatnią pomimo prawidłowego

przeprowadzenia pasteryzacji.

5. Oznaczanie stopnia denaturacji białek serwatkowych

Wykonanie. Do kolby stoŜkowej odmierzyć cylindrem 100 cm3 mleka, dodać powoli 7 cm3

10% kwasu octowego przy jednoczesnym wolnym mieszaniu próby bagietką. Po dodaniu

kwasu próbę pozostawić w spokoju przez 3 min. po czym przesączyć przez sączek z bibuły Whatman 3. Następnie do skalowanej probówki odmierzyć 7 cm3 przesączu i dodać 3 cm3

10% kwasu fosforowolframowego. Całość wymieszać bagietką, a następnie wirować w

wirówce laboratoryjnej przez 25 min. przy 2000 obr./min. Po odwirowaniu wynik (ilość

osadu) odczytać z dokładnością do 0,1 cm3. W oparciu o uzyskane wyniki obliczyć stopień denaturacji białek serwatkowych w próbach mleka ogrzewanego korzystając ze wzoru:

100( a b

− )

= a

gdzie:

D- stopień denaturacji białek serwatkowych (%);

a – ilość osadu w mleku surowym (cm3);

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

b – ilość osadu w mleku ogrzewanym (cm3).

Interpretacja wyniku

W trakcie ogrzewania mleka dochodzi do denaturacji białek serwatkowych. Szczególnie wraŜliwe są

pod tym względem immunoglobuliny, albumina serum, β-laktoglobulina i α-laktoalbumina. Kazeina

(główne białko mleka) jest natomiast odporna na ogrzewanie powyŜej 100°C. Stopień denaturacji białek serwatkowych zaleŜy od parametrów obróbki termicznej, i tak: podczas pasteryzacji denaturuje

do 10% białek serwatkowych, obróbki UHT – 50-70%, podczas sterylizacji – 90-100%.

6. Oznaczanie 5-hydroksymetylofurfuralu i jego prekursorów

Zasada. Oznaczenie polega na spektrofotometrycznym pomiarze intensywności zabarwienia

powstałego w wyniku reakcji 5-hydroksymetylofurfuralu (HMF) z kwasem 2-

tiobarbiturowym TBA. Metoda ta pozwala na łączne oznaczenie tzw. wolnego i potencjalnego

HMF tj. obecnego w postaci prekursorów będących ubocznymi lub pośrednimi produktami

brązowienia. Zmiana prekursorów na HMF zachodzi podczas ogrzewania mleka z kwasem

szczawiowym.

Wykonanie. Do probówki miarowej ze szlifem o pojemności 25 cm3 odmierzyć 10 cm3

mleka dodać 5 cm3 0,3 n kwasu szczawiowego, dokładnie wymieszać, nakryć probówkę małą

zlewką lub folią i umieścić we wrzącej łaźni wodnej na 1 godz. Po wyjęciu z łaźni i

ochłodzeniu dodać ciągle mieszając 5 cm3 40% kwasu trójchlorooctowego. W razie

częściowego odparowania uzupełnić wodą do 20 cm3, wymieszać i sączyć przez bibułę

Whatman 1. Do suchej probówki odmierzyć 4 cm3 filtratu, dodać 1 cm3 0,05 M roztworu

TBA, probówkę zamknąć i umieścić w kąpieli wodnej o temperaturze 40 °C na 30-40 min. Po

ochłodzeniu do temp. pokojowej zmierzyć absorbancję roztworu E przy długości fali 443 nm

i grubości warstwy 1 cm wobec próby ślepej, w której zamiast mleka uŜyto 10 cm3 wody.

Zawartośc HMF wolnego i ogólnego obliczyć ze wzorów:

HMFwolny = (E – E wody) ⋅ 71,8 – 0,53 (µmol/l)

HMFogólny = (E – E wody) ⋅ 72,6– 0,55 (µmol/l)

Interpretacja wyniku

Hydroksymetylofurfural (HMF) jest jednym z wielu produktów wysoce złoŜonych reakcji typu

Maillarda zapoczątkowanych reakcją grup aminowych białek i aminokwasów z grupami

karbonylowymi cukrów redukujących. Wzrostowi zawartości HMF sprzyja wysoka wilgotność oraz

wysoka temperatura. Zatem im wyŜsza jest temperatura i czas ogrzewania tym większa zawartość HMF.

7. Oznaczenie ogólnej ilości witaminy C

Zasada. Formę utlenioną (dehydro) witaminy C naleŜy uprzednio przeprowadzić w postać zredukowaną (kwas askorbinowy) za pomocą H2S wydzielonego z Na2S po zakwaszeniu

środowiska. Nadmiar siarkowodoru, który moŜe zredukować indofenol defekuje się za

pomocą HgCl2, bez ujemnego wpływu na samą witaminę. Po przesączeniu strąconych

siarczków i białek, otrzymany klarowny filtrat miareczkuje się roztworem barwnika

indofenolowego zgodnie z metodą Tillmansa.

Wykonanie. Do cylinderka miarowego na 25 cm3 z korkiem odmierzyć 1,75 cm3 1 M

roztworu Na2S, a następnie 3,5 cm3 1 M HCl i 12,5 cm3 badanego mleka. Przestrzegać

kolejności dodawania płynów. Dalej oznaczenie wykonywać pod sprawnym wyciągiem.

Płyny wymieszać i zamknięty cylinder pozostawić na 10-15 minut w spokoju pod wyciągiem,

chroniąc przed dostępem światła. Następnie dodać 2,5 cm3 1 M alkoholowego roztworu

WPŁYW OGRZEWANIA MLEKA NA JEGO CECHY FIZYKOCHEMICZNE I BIOLOGICZNE

HgCl2, dopełnić wodą do 25 cm3, wstrząsnąć i sączyć. Odmierzyć do kolbki 10 cm3

klarownego filtratu i miareczkować mianowanym roztworem indofenolu do trwałego

róŜowego zabarwienia. Wykonać teŜ próbę ślepą. Zawartość witaminy C ogółem w mleku

obliczyć ze wzoru:

( a − b) ⋅ ,

0 088 ⋅ 20

mg% wit C

. =

gdzie:

a – ilość cm3 ściśle 0,001 N indofenolu zuŜyta na 10 cm3 mleka;

b - ilość cm3 ściśle 0,001 N indofenolu zuŜyta w próbie ślepej;

0,088 – ilość mg kw. askorbinowego (wit. C) odpowiadająca 1 cm3 ściśle 0,001 N

indofenolu;

d – gęstość mleka.

Interpretacja wyniku

Dane literaturowe podają, iŜ mleko surowe zawiera około 18 mg witaminy C w 1 L (tj. 1,8 mg%). W

trakcie ogrzewania dochodzi do obniŜenia jej zawartości, tym wiekszego im wyŜszą temperaturę i czas

ogrzewania stosuje się w trakcie obróbki. Straty witaminy C w trakcie ogrzewania mleka w temperaturze 75 °C w czasie15 sekund sięgają 5-20%; w temperaturze 140 °C/15 sek. 10-20%, zaś sterylizacja w temperaturze 115°C w czasie 20 minut powoduje obniŜenie poziomu tej witaminy o 30-60%, przy czym naleŜy pamiętać, Ŝe stopień tych zmian zaleŜy równieŜ od stęŜenia tlenu w trakcie obróbki cieplnej.

Literatura:

1. Budsławski J. 1973. Badanie mleka i jego przetworów. PWRiL, W-wa.

2. Burton H. 1988. Ultra-high temperature processing of milk and milk products. Elsevier, London.

3. Fox P.F. 1995. Heat-induced changes in milk. IDF Special Issue Nr 9501, Brussel.

4. Pijanowski E. 1984. Zarys chemii i technologii mleczarstwa T. 1. PWRiL, W-wa.

5. Walstra P., Geurts T.J., Noomen A., Jellema A., van Boekel M.A.J.S. (red.) 1999. Dairy Technology.

Pronciples of Milk Properties and Processes. Part II. Marcel Dekker Inc., New York.

6. Ziajka S. 1997. Mleczarstwo zagadnienia wybrane. ART., Olsztyn.

7. Zmarlicki S. 1981. Ćwiczenia z analizy mleka i produktów mleczarskich. Skrypt SGGW, W-wa.