MILK HANDLING WITH DIFFERENT γ -CASEIN CONTENT IN PROTEIN STRUCTURE

Full Text

В настоящее время в сельскохозяйственном производстве России достаточно остро стоит проблема обеспечения продовольственной безопасности страны, что напрямую связано с резким снижением производства продуктов животноводства в целом и молока в частности. Решение данной проблемы может быть достигнуто за счет увеличения производства молока и повышения его качества. Для этого необходимо создать такие породы и внутрипородные типы крупного рогатого скота, которые наиболее полно отвечают требованиям современной перерабатывающей промышленности и новому стандарту на молоко - ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко коровье сырое. Технические условия» [1, 2]. Изучение рынка молока и молочной продукции показывает, что на перспективу будет увеличиваться потребление питьевого молока, сыров, особенно твердых (элитных) сортов, а также йогуртов, сметаны, творога, различных кисломолочных напитков. В связи с этим при оценке качества молока, как сырья для молокоперерабатывающей промышленности, наибольший интерес с точки зрения пищевой и биологической ценности, пригодности для переработки в молочные продукты, представляет белок. Белки молока содержат все жизненно необходимые для организма человека аминокислоты. По содержанию незаменимых аминокислот белки молока относятся к полноценным. Степень усвоения белков молока составляет в среднем 98% [3, 4]. Исследования показывают, что на химический состав и технологические свойства молока, определяющие его пригодность для изготовления кисломолочных продуктов и, особенно, сыров твердых сортов, оказывает влияние целый ряд факторов: порода коров, природно-климатические условия, кормовая база, сезон года, лактация и другие [5]. Молоко коров разных пород, при производстве кисломолочных продуктов и сыра, значительно различается по времени свертывания под действием сычужного фермента, нарастанию кислотности, динамике синерезиса, плотности сгустка. Свертывающая способность молока также зависит от целого ряда факторов: количества белка в молоке, его структуры, размера и массы мицелл казеина, температуры и кислотности молока, содержания в нем солей кальция [6]. По данным Т. А. Остроумовой [7], основной структурный компонент белков молока - казеин - имеет четыре основные фракции : αS1; αS2; β и κ. Выделяемый γ-казеин является фрагментом β-казеина. В молоке казеин находится в соединении с кальциевыми солями и образует казеин-кальциево-фосфатный конгломерат (ККФК) в виде мицелл. Мицеллы имеют шарообразную форму диаметром от 0,03 до 0,30 мкм. Установлено, что при уменьшении содержания ионов кальция дисперсность частиц сдвигается в сторону увеличения числа более мелких мицелл, а при увеличении - в сторону увеличения числа субмицелл казеина. При этом чем крупнее мицелла, тем больше в ней содержание фракции α-казеина и, наоборот, если мицелла мельче, в ней больше фракций βи γ-казеина. Это в определенной степени оказывает значительное влияние на технологических свойствах молока при производстве кисломолочных продуктов и сыра [8]. В научной литературе вопрос структуры белка казеина и влияния отдельных его фракций на технологические свойства молока освящен крайне недостаточно. Среди ученых и практиков нет единого мнения о механизме влияния фракций казеина на формирование казеинового сгустка при воздействии сычужного фермента и причине сычужной «вялости» молока [9]. Цель исследований - улучшение технологических свойств молока коров голштинской породы за счет оптимизации структуры белка казеина. Задачи исследований - изучить влияние доли фракции γ-казеина в структуре белков на технологические свойства молока. Материал и методы исследований. Исследования проводили на базе современного, высокомеханизированного молочного комплекса ООО «Радна» Самарской области на коровах голштинской породы немецкой селекции (n=50). Молоко для приготовления сыра брали от коров после третьего отела на 2-3 месяце лактации. Химический анализ образцов молока и сыра проводили в сертифицированной научно-исследовательской лаборатории животноводства ФГБОУ ВО Самарского ГАУ на лицензированном оборудовании по общепринятым методикам. Изучение фракций казеина проводили в аналитической лаборатории аграрного института Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева методом ПЦР. С учетом доли фракции γ-казеина отбирали коров для получения молока для сыра. В молочной лаборатории кафедры «Зоотехния» Самарского ГАУ из молока коров опытных групп были изготовлены сыры типа «Российский» с низкой температурой второго нагревания. Образцы сыра для оценки качества брали после трехмесячного созревания. Результаты исследований. В исследованиях, направленных на изучение белков молока, Т. А. Остроумова установила, что каждая мицелла казеина состоит из αS1-; αS2-; β-, κ- и γ-казеинов. От содержания и структуры этих фракций в молоке зависят скорость процесса свертывания, свойства получаемых сгустков. Главный особенностью α- и β-казеинов является способность выпадать в осадок под воздействием ионов кальция, образуя казеиновый сгусток. Κ-казеин располагается на поверхности мицеллы и, являясь кальций устойчивой фракцией, выполняет роль защитного коллоида, предотвращая осаждение α- и β-казеинов ионами кальция в свежем молоке. При этом к-казеин подвержен воздействию сычужного фермента с последующим его гидролизом, что приводит к потере отрицательного заряда и дестабилизации кальций неустойчивых α- и β-казеинов, составляя основу технологии изготовления сычужных сыров. Особенностью γ-казеинов является то, что под действием сычужного фермента белки этой фракции не выпадают в осадок и остаются в сыворотке. Таким образом, увеличение содержания γ-казеинов в молоке приводит к снижению степени использования белков при производстве молочных продуктов, в основу технологии которых положено сычужное свертывание. По данным А. С. Карамаевой и др. [9], в зависимости от породных особенностей коров доля в молоке α-казеинов изменяется в пределах 34,3-39,2%, β-казеинов - 28,0-30,5%, κ-казеинов - 6,5-9,3%, γ-казеинов - 3,3-6,8%. На основании этого коровы были разделены на группы с долей фракции γ-казеинов в белках молока от 7% и более до 5,4% и менее (табл. 1). Таблица 1 Технологические свойства молока при изготовлении сыра Показатель Доля фракции γ-казеина, % 7 и более 6,9-6,5 6,4-6,0 5,9-5,5 5,4 и менее Продолжительность свертывания сычужным ферментом, мин 41,2±1,6 37,8±1,1 35,4±1,2* 33,7±0,9** 32,3±1,3** в т.ч. фаза коагуляции 30,9±1,4 28,7±0,8 27,1±0,9* 26,2±1,1* 25,1±0,9** фаза гелеобразования 10,3±0,9 9,1±0,7 8,3±0,6 7,5±0,8* 7,2±0,5* Продолжительность обработки сгустка, мин 63,9±2,7 62,4±2,0 61,2±2,3 58,3±1,9 57,4±2,1 Отход сухого вещества в сыворотку, % 57,5±0,9 55,8±0,6 54,3±0,8* 52,7±0,7** 51,9±0,8*** Соотношение фракций сгусток/сыворотка, % 23:77 24:76 26:74 30:70 34:66 Расход цельного молока на получение 1 кг зрелого сыра, кг 14,2±0,31 12,3±0,27*** 11,6±0,22*** 10,9±0,19*** 10,5±0,21*** Примечание: * - Р<0,05; ** - Р<0,1; *** - Р<0,001. Исследования показали, что по мере снижения доли фракции γ-казеина сокращается продолжительность свертывания молока после воздействия сычужным ферментом на 3,4-8,9 мин (8,3-21,6%; Р<0,05-0,01). При этом фаза коагуляции сокращается на 2,2-5,8 мин (7,1-18,8%; Р<0,05-0,01), фаза гелеобразования - на 1,2-3,1 мин (11,7-30,1%; Р<0,05). В результате формируется более качественный сгусток, и время на его обработку также сокращается на 1,5-6,5 мин (2,3-10,2%). При снижении в молоке доли белков, которые не свертываются под воздействием сычужного фермента (сывороточные белки и фракция γ-казеина), потери сухого вещества при сыроварении снижаются на 1,7-5,6% (Р<0,05-0,001). Это очень важно с экономической стороны, так как отражается на себестоимости конечного продукта. Снижение потерь сухого вещества молока с сывороткой обеспечивает увеличение выхода казеинового сгустка на 4,3-47,8%. В результате расход цельного молока на производство 1 кг зрелого сыра снижается на 1,9-3,7 кг (13,4-26,1%; Р<0,001). Улучшение технологических свойств молока по мере снижения в структуре белков фракции γ-казеина способствует повышению качества казеинового сгустка, который является основным сырьем для приготовления сыра (табл. 2). Таблица 2 Качество казеинового сгустка в зависимости от доли γ-казеина в структуре белков молока Показатель Доля фракции γ-казеина, % 7 и более 6,9-6,5 6,4-6,0 5,9-5,5 5,4 и менее Поголовье коров, гол. 3 5 9 19 14 Состояние казеинового сгустка, % коров: плотный - - - 10,5 21,4 рыхлый - 20,0 33,3 42,2 57,2 дряблый 33,3 40,0 44,4 36,8 21,4 не свернувшийся 66,7 40,0 22,2 10,5 - Плотность казеинового сгустка, с/см2 1,45±0,04 1,67±0,05*** 1,84±0,04*** 2,12±0,06*** 2,46±0,08*** Влагоудерживающая способность сгустка, % 39,8±0,37 42,5±0,39** 49,3±0,42*** 52,6±0,34*** 56,4±0,31*** Примечание: * - Р<0,05; ** - Р<0,1; *** - Р<0,001. В результате исследований установлено, что молоко с долей фракции γ-казеина 7% непригодно для сыроделия, так как 33,3% образцов имели дряблый сгусток, а 66,7% образцов - не свернулось под действием стандартного сычужного фермента. При уменьшении доли фракции γ-казеина до 6,9-6,5%, молоко 20% коров группы можно считать условно пригодным для сыроделия, а при уменьшении доли фракции γ-казеина до 6,4-6,0% - молоко 33,3% коров группы. Условно - значит можно производить все виды сыров, кроме сыров твердых сортов. При дальнейшем уменьшении доли фракции γ-казеина до 5,9-5,5% и 5,4% и менее в группах отмечено соответственно 10,5 и 21,4% коров, молоко которых пригодно для сыроделия, и 42,2-57,2% коров, молоко которых условно пригодно для сыроделия. Более объективную характеристику качества казеинового сгустка дают лабораторные исследования его плотности. В соответствии с техническими условиями плотность сгустка при производстве твердых сортов сыра должна быть 2,7-3,5 г/см2. В данном случае молоко коров ни одной из опытных групп непригодно для производства твердых сортов сыра. Показатель плотности казеинового сгустка из молока коров голштинской породы оказался ниже минимально допустимого порога согласно технических условий на 1,25-0,24 г/см2 (46,3-8,9%; Р<0,001-0,01). При этом следует отметить, что снижение доли фракции γ-казеина в белках молока сопровождается повышением плотности казеинового сгустка на 0,22-1,01 г/см2 (15,2-69,7%; Р<0,001). Более плотная консистенция казеинового сгустка, обусловленная лучшим сцеплением мицелл при образовании казеин-кальциево-фосфорного конгломерата под воздействием сычужного фермента, лучше удерживает влагу и все составные части сухого вещества молока, повышая тем самым выход готового продукта. При снижении доли фракции γ-казеина влагоудерживающая способность сгустка повысилась на 2,7-16,6% (Р<0,01-0,001). Физико-химические свойства казеинового сгустка значительно повлияли на качество сыра, изготовленного из молока подопытных коров (табл. 3). Таблица 3 Качество сыра Показатель Доля фракции γ-казеина, % 7 и более 6,9-6,5 6,4-6,0 5,9-5,5 5,4 и менее Массовая доля воды, % 49,8±0,32 48,7±0,30* 47,6±0,25*** 46,5±0,31*** 45,2±0,27*** Массовая доля сухого вещества, % 50,2±0,44 51,3±0,38 52,4±0,43* 53,5±0,46*** 54,8±0,33*** Массовая доля жира, % 27,2±0,26 27,5±0,29 27,9±0,33 28,2±0,30* 28,6±0,21*** Массовая доля белка, % 19,1±0,22 19,5±0,31 19,8±0,29 20,3±0,24** 20,8±0,19*** Массовая доля органических кислот, % 1,5±0,10 1,8±0,05* 2,0±0,06** 2,1±0,08*** 2,2±0,05*** Массовая доля золы, % 2,4±0,03 2,5±0,04 2,7±0,02*** 2,9±0,03*** 3,2±0,02*** Содержание кальция, мг/100 г 867,5±63,0 879,6±56,2 910,3±54,1 923,4±58,5 931,9±52,7 Содержание фосфора, мг/100 г 573,4±34,2 588,3±35,1 608,1±29,6 619,8±30,4 627,6±26,3 Кислотность, ºТ 276,7±3,1 269,8±3,4* 260,3±2,9** 246,7±3,1*** 231,5±2,7*** рН 4,95±0,05 4,98±0,03 5,10±0,03* 5,18±0,04*** 5,23±0,02*** Степень зрелости по Шиловичу, ºШ 96,9±7,3 101,5±6,9 106,3±7,4 116,4±6,0* 124,6±5,6** Примечание: * - Р<0,05; ** - Р<0,1; *** - Р<0,001. В связи с тем, что в процессе приготовления сыра, по мере уменьшения доли фракции γ-казеина в белках молока, уменьшались потери компонентов сухого вещества с сывороткой и повышалась влагоудерживающая способность сгустка, массовая доля сухого вещества в готовом сыре повышалась на 1,1-4,6% (Р<0,05-0,001), жира - на 0,3-1,4% (Р<0,05-0,001), белка - на 0,4-1,7% (Р<0,01-0,001), золы - на 0,1-0,8% (Р<0,001), массовая доля органических кислот - на 0,3-0,7% (Р<0,05-0,001). Оптимальное содержание органических кислот в твердых сортах сыра должно быть 3,1-3,5%, что придает им яркий, характерный аромат и высокие вкусовые качества. В опытных образцах сыра массовая доля органических кислот была в пределах 1,5-2,2%, что ниже минимального порога, предусмотренного техническими условиями на 1,6-0,9%. Процесс созревания сыра представляет собой ферментативно-микробиологический процесс, в результате которого все компоненты молока претерпевают биохимические изменения. Под воздействием микрофлоры молочный сахар сбраживается с образованием молочной, уксусной и пропионовой кислот. При этом кислотность сырной массы не должна превышать 220ºТ, а рН зрелого сыра быть в пределах 5,35-5,50. В опытных образцах титруемая кислотность была выше оптимальной нормы соответственно на 56,7-11,5ºТ (25,8-5,2%), активная кислотность, наоборот, ниже - на 0,4-0,12 (7,5-2,2%). При повышении кислотности в процессе созревания сыра большая часть бактерий отмирает, и освобождаются их эндоферменты. Совместное воздействие на сырную массу сычужного фермента и эндоферментов бактерий приводит к расщеплению более 60% белка. Степень зрелости сыра, по методике Шиловича, выражает отношение расщепленного азота к 100 частям общего азота. Установлено, что по мере уменьшения в белках молока доли фракции γ-казеина, степень зрелости сыра повышается на 4,6-27,7ºШ (4,7-28,6%). Заключение. В связи с тем, что белки фракции γ-казеина не свертываются под воздействием сычужного фермента, их количество в структуре белков оказывает значительное влияние на сыропригодность молока, его технологические свойства и качество сыра. Установлено, что молоко только 28% коров из группы подопытных животных было пригодно для производства сыров твердых сортов. При этом, из 14 голов в группе, 3 коровы (21,4%) имели молоко, дающее при обработке сычужным ферментом плотный сгусток, пригодный для сыроделия, и 8 коров (57,2%) - молоко, образующее рыхлый сгусток, пригодный для сыроделия. Таким образом, только из молока коров пятой группы, с долей фракции γ-казеина в структуре белков 5,4% и менее, были получены сыры, наиболее соответствующие качественным показателям сыра типа «Российский».

About the authors

N. V. Soboleva

FSBEI HE «Orenburg State Agrarian University»

Email: bakaeva.lora@mail.ru
Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor of the Department «Technology of Production and Processing of Livestock Products» Orenburg

A. S. Karamayeva

FSBEI HE «Samara State Agrarian University»

Email: annakaramaeva@rambler.ru
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department «Zootechnia» Samara region, settlement Ust-Kinelsky

S. V. Karamayev

FSBEI HE «Samara State Agrarian University»

Email: karamaevsv@mail.ru
Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department «Zootechnia» Samara region, settlement Ust-Kinelsky

References

Supplementary files