Usirivanje mlijeka poboljšano ultrazvučnom obradom
Ultrazvučno usirivanje mlijeka je inovativna tehnika obrade za poboljšanje kvalitete proizvoda i efikasnosti proizvodnje. Primjena ultrazvuka na mlijeko prije koagulacije pokazala je snažan potencijal za optimizaciju faze usirivanja u proizvodnji sira. Ultrazvuk niske frekvencije i velike snage može promijeniti strukturu proteina mlijeka i kazeinskih micela, što dovodi do poboljšanog formiranja gela tokom usirivanja. Zahvaljujući tim efektima, ultrazvučna obrada (sonikacija) je snažna metoda za mljekarske tehnologe koji žele unaprijediti postupke prerade mlijeka i povećati efikasnost i konzistentnost proizvodnje sira.
Značaj usirivanja u proizvodnji sira
Usirivanje je presudna prva faza proizvodnje sira. Tokom ovog procesa enzim himozin cijepa molekule κ-kazeina, čime se kazeinskim micelama omogućava da se agregiraju i formiraju trodimenzionalnu mrežu gela koja postaje sirni gruš. Kvaliteta te mreže gela direktno utječe na:
- Vrijeme geliranja
- Čvrstoću gruša
- Brzinu očvršćavanja gruša
- Mikrostrukturu i povezanost gela
Ovi parametri određuju koliko se efikasno mlijeko može pretvoriti u sir i na kraju utječu na prinos, teksturu i performanse prerade.
Međutim, ponašanje mlijeka pri usirivanju može varirati zbog faktora kao što su sastav proteina, ravnoteža kalcija, pH i struktura kazeinskih micela. Tehnologije koje poboljšavaju ili stabiliziraju ta svojstva stoga mogu mljekarskim prerađivačima pružiti značajnu vrijednost.
Industrijski sonikator UIP4000hdT za preradu mlijeka
Kako ultrazvuk poboljšava usirivanje mlijeka
Ultrazvučna obrada funkcionira tako što se ultrazvučni talasi niske frekvencije (>20 kHz) prenose u tečne medije. Time se stvara akustična kavitacija, pri kojoj se mikroskopski mjehurići formiraju i brzo kolabiraju, stvarajući u tečnosti lokalizirane mehaničke sile, turbulenciju i mikromlazeve.
Ovi mehanički efekti mogu promijeniti fizičku strukturu proteina mlijeka bez potrebe za visokim temperaturama.
Istraživanje Liua i saradnika (2014) pokazalo je da je ultrazvučna obrada obranog mlijeka na 20 kHz prije usirivanja znatno poboljšala karakteristike geliranja mlijeka.
Studija je pokazala da ultrazvučni tretman:
- Skraćuje vrijeme geliranja potrebno za koagulaciju sirištem
- Povećava brzinu očvršćavanja gruša
- Daje čvršće gelove s većom čvrstoćom gruša
- Poboljšava povezanost mreže sirišnog gela
Ta poboljšanja pripisana su promjenama proteina mlijeka i strukture kazeinskih micela izazvanim ultrazvukom.
Isti nalazi opisani su u učitanoj studiji, u kojoj se navodi da je mlijeko tretirano ultrazvukom pri pH 8 i potom vraćeno na pH 6,7 pokazalo najizraženija poboljšanja u performansama koagulacije.
Ključni strukturni efekti u mlijeku
Ultrazvučni tretman mijenja mikrostrukturu proteina mlijeka na nekoliko načina. Prema studiji i srodnim istraživanjima:
- Smanjenje veličine kazeinskih micela zbog mehaničkih sila izazvanih kavitacijom
- Stvaranje manjih proteinskih agregata
- Povećana površina kazeinskih čestica
- Pojačane interakcije proteina tokom koagulacije
Ove strukturne promjene omogućavaju efikasniju agregaciju nakon dodavanja sirišta.
Rezultati navedeni u studiji ukazuju na dramatična poboljšanja performansi. Na primjer:
- Vrijeme geliranja smanjilo se s oko 40 minuta kod netretiranog mlijeka na otprilike 28 minuta kod ultrazvučno obrađenog mlijeka
- Čvrstoća gruša povećala se nekoliko puta u poređenju s netretiranom kontrolom
- Brzina očvršćavanja gruša znatno se povećala
Ove promjene se direktno odražavaju na bržu i robusniju tvorbu gruša tokom proizvodnje sira.
Ultrazvučna staklena protočna ćelija za laboratorijska ispitivanja na stolu, npr. za sonikaciju mlijeka
Ultrazvučno usirivanje: prednosti za proizvođače mliječnih proizvoda i sira
Za industrijsku preradu mlijeka potencijalne koristi ultrazvučno poboljšanog usirivanja su znatne.
Brža obrada
Ultrazvuk skraćuje vrijeme geliranja, što može ubrzati rane faze proizvodnje sira.
- Kraće vrijeme koagulacije
- Brža tvorba gruša
- Potencijalno veća propusnost proizvodnih linija
Poboljšana struktura gruša
Ultrazvučni tretman rezultira gušćom i više međusobno povezanom proteinskom mrežom, što daje čvršći gruš.
To može doprinijeti:
- Boljem rukovanju grušem
- Boljem odvajanju surutke
- Boljoj kontroli teksture
Povećana efikasnost proizvodnje
Čvršći gelovi i brža koagulacija mogu omogućiti:
- Veći potencijalni prinos sira
- Kraće vrijeme obrade
- Konzistentniju kvalitetu proizvoda
Ove prednosti su posebno važne za proizvodnju sira velikih razmjera, gdje se mala poboljšanja efikasnosti procesa mogu pretvoriti u značajne ekonomske dobitke.
Ultrazvučni industrijski procesor UIP4000hdT za preradu mlijeka u industrijskim razmjerima.
Ultrazvuk kao netermička tehnologija prerade mlijeka
Jedan od najatraktivnijih aspekata ultrazvučne prerade mlijeka jeste to što se smatra netermičkom ili blagom tehnologijom obrade.
Za razliku od tradicionalnih toplinskih tretmana, ultrazvuk može mijenjati strukturna svojstva proteina putem mehaničkih efekata kavitacije, a ne visokim temperaturama. To pomaže u očuvanju funkcionalnih i nutritivnih karakteristika sastojaka mlijeka.
Nedavni pregledni radovi ističu ultrazvuk kao efikasnu i pouzdanu tehniku za kontrolu funkcionalnosti proteina i procesa geliranja u mliječnim sistemima, uključujući sir i fermentirane mliječne proizvode.
Za mljekarske tehnologe ovo otvara mogućnosti za prilagođavanje funkcionalnosti mlijeka bez ugrožavanja kvalitete proizvoda.
Industrijska primjena u mljekarama
Kako istraživanja napreduju od laboratorijskih studija prema industrijskoj primjeni, pouzdanost opreme i usklađenost s propisima o sigurnosti hrane postaju ključna pitanja.
Industrijski sistemi za ultrazvučnu obradu, poput onih koje razvija Hielscher Ultrasonics, projektirani su za higijenski dizajn i sigurnu ugradnju u okruženjima za preradu hrane. Takvi sistemi mogu se koristiti u skladu sa cGMP i FDA smjernicama, a primjene u preradi hrane mogu se validirati i certificirati putem nezavisnog testiranja treće strane.
Hielscher sonikatori se lako povezuju sa softverom procesnog postrojenja i neometano se integriraju u postojeće proizvodne linije. Automatizirano bilježenje podataka o parametrima ultrazvučnog procesa osigurava praćenje i kontrolu kvalitete u skladu sa cGMP smjernicama.
Zahvaljujući tome, ultrazvučna prerada mlijeka postaje praktična tehnologija za komercijalne mljekare koje traže procesne inovacije.
Za mljekarske tehnologe i proizvođače sira ovaj pristup predstavlja pouzdan korak obrade prema efikasnijim, kontroliranijim i inovativnijim procesima proizvodnje sira.
Ključni zaključak
Sonikacija se može primijeniti na mlijeko prije proizvodnje raznih mliječnih proizvoda, kao što su sir i druga hrana koja se koagulira sirištem, kako bi se poboljšala njihova funkcionalna i strukturna svojstva. Mijenjanjem fizičkih karakteristika proteina mlijeka i masnih globula, ultrazvučni tretman mliječnih proizvoda može poboljšati ponašanje pri koagulaciji, strukturu gruša i ukupnu kvalitetu proizvoda. Osim toga, sonikacija se može koristiti za frakcioniranje mliječnih komponenti, što omogućava odvajanje ili modifikaciju sastojaka mlijeka radi poboljšanja funkcionalnosti proizvoda, efikasnosti obrade i prinosa.
Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000hdT |
Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po svojoj najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju neometanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su usklađeni s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Ultrazvučni homogenizator hrane UIP16000hdT poboljšava usirivanje mlijeka
Literatura / reference
- Liu, Zheng; Juliano, Pablo; Williams, Roderick; Niere, Julie; Augustin, Mary Ann (2014): Ultrasound improves the renneting properties of milk. Ultrasonic Sonochemistry 21(6), 2014.
- Carrillo-Lopez, L.M.; Juarez-Morales, M.G.; Garcia-Galicia, I.A.; Alarcon-Rojo, A.D.; Huerta-Jimenez, M. (2020): The Effect of High-Intensity Ultrasound on the Physicochemical and Microbiological Properties of Mexican Panela Cheese. Foods 2020, 9, 313.
- Bermúdez-Aguirre, D., Mawson, R. and Barbosa-Cánovas, G.V. (2008): Microstructure of Fat Globules in Whole Milk after Thermosonication Treatment. Journal of Food Science 73, 2008. E325-E332.
Često postavljana pitanja
Šta je usirivanje mlijeka?
Usirivanje mlijeka je enzimski proces koagulacije u kojem enzim himozin (aktivna komponenta sirišta) cijepa κ-kazein na površini kazeinskih micela. Time se micele destabiliziraju, što im omogućava da se agregiraju i formiraju trodimenzionalnu proteinsku mrežu gela koja postaje sirni gruš.
Šta je sirište?
Sirište je kompleks enzima koji koaguliraju mlijeko, a koristi se u proizvodnji sira za izazivanje koagulacije mlijeka. Njegova glavna aktivna komponenta je himozin (EC 3.4.23.4), aspartatna proteaza koja specifično cijepa κ-kazein u mlijeku. Ta enzimska reakcija destabilizira kazeinske micele, što im omogućava da se agregiraju i formiraju mrežu gela koja se razdvaja na gruš i surutku.
Tradicionalno se sirište ekstrahira iz sirišta (četvrtog želuca) teladi koja još nisu odbijena od sisanja, gdje se enzim prirodno proizvodi radi razgradnje proteina mlijeka. Danas se u komercijalnoj proizvodnji sira uobičajeno koristi mikrobni ili rekombinantni himozin, proizveden fermentacijom, koji osigurava konzistentnu enzimsku aktivnost i široko se koristi u industrijskoj preradi mlijeka.
Zašto se sirište dodaje mlijeku?
Sirište se dodaje mlijeku radi pokretanja koagulacije kazeinskih proteina. Cijepanjem κ-kazeina sirište omogućava kazeinskim micelama da se agregiraju i formiraju strukturu gruša koja se odvaja od surutke, čime se tečno mlijeko pretvara u sir.
Kako se mlijeko zgrušava i usiruje?
Mlijeko se zgrušava i usiruje kada se naruši stabilnost kazeinskih micela u mlijeku, zbog čega se proteini mlijeka agregiraju i formiraju trodimenzionalnu mrežu gela. U svježem mlijeku kazeinski proteini organizirani su u micele koje ostaju dispergirane zahvaljujući stabilizirajućem djelovanju κ-kazeina na njihovoj površini. Kada se ta stabilnost smanji, micele se agregiraju i formiraju gruš.
Koagulacija se može odvijati enzimskim djelovanjem, najčešće enzimom himozinom iz sirišta, koji specifično cijepa κ-kazein. Ovo cijepanje uklanja stabilizirajući sloj oko kazeinskih micela, što im omogućava da se agregiraju putem hidrofobnih interakcija i veza posredovanih kalcijem, formirajući čvrstu strukturu gela.
Mlijeko se može zgrušati i acidifikacijom, pri kojoj mliječna kiselina koju proizvode bakterije snižava pH mlijeka prema izoelektričnoj tački kazeina (približno pH 4,6). Pri tom pH elektrostatsko odbijanje između kazeinskih čestica opada, što dovodi do agregacije i taloženja proteina.
Kod oba mehanizma agregacija kazeinskih proteina zarobljava mast i vodu unutar proteinske mreže koja se formira, što rezultira odvajanjem čvrstog gruša od tečne surutke, a to je temeljni korak u proizvodnji sira i drugih fermentiranih mliječnih proizvoda.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.