Zgrušavanje mlijeka sirilom poboljšano ultrazvučnom obradom
Ultrazvučno zgrušavanje mlijeka sirilom inovativna je tehnika obrade za poboljšanje kvalitete proizvoda i učinkovitosti proizvodnje. Ultrazvučna obrada mlijeka prije koagulacije pokazala je velik potencijal za optimizaciju faze zgrušavanja sirilom u proizvodnji sira. Ultrazvuk niske frekvencije i velike snage može promijeniti strukturu mliječnih proteina i kazeinskih micela, što dovodi do poboljšanog stvaranja gela tijekom zgrušavanja sirilom. Ti učinci čine sonikaciju snažnom metodom za mljekarske tehnologe koji žele unaprijediti postupke prerade mlijeka te povećati učinkovitost i ujednačenost proizvodnje sira.
Važnost zgrušavanja sirilom u proizvodnji sira
Zgrušavanje sirilom ključna je prva faza u proizvodnji sira. Tijekom tog procesa enzim kimozin cijepa molekule κ-kazeina, omogućujući kazeinskim micelama da se agregiraju i tvore trodimenzionalnu mrežu gela koja postaje sirni gruš. Kvaliteta te mreže gela izravno utječe na:
- Vrijeme geliranja
- Čvrstoću gruša
- Brzinu očvršćivanja gruša
- Mikrostrukturu i povezanost gela
Ti parametri određuju koliko se učinkovito mlijeko može pretvoriti u sir te u konačnici utječu na prinos, teksturu i uspješnost obrade.
Međutim, svojstva zgrušavanja mlijeka sirilom mogu varirati zbog čimbenika kao što su sastav proteina, ravnoteža kalcija, pH i struktura kazeinskih micela. Tehnologije koje poboljšavaju ili stabiliziraju ta svojstva stoga mogu biti od znatne vrijednosti prerađivačima mlijeka.
Industrijski sonikator UIP4000hdT za preradu mlijeka i mliječnih proizvoda
Kako ultrazvuk poboljšava zgrušavanje mlijeka sirilom
Ultrazvučna obrada djeluje prijenosom ultrazvučnih valova niske frekvencije (>20 kHz) u tekuće medije. Time se stvara akustična kavitacija, pri kojoj nastaju mikroskopski mjehurići koji brzo kolabiraju, stvarajući lokalizirane mehaničke sile, turbulenciju i mikromlazove u tekućini.
Ti mehanički učinci mogu promijeniti fizičku strukturu mliječnih proteina bez potrebe za visokim temperaturama.
Istraživanje koje su proveli Liu i sur. (2014) pokazalo je da je sonikacija obranog mlijeka pri 20 kHz prije zgrušavanja sirilom znatno poboljšala svojstva geliranja mlijeka.
Studija je pokazala da je ultrazvučna obrada:
- Skratila vrijeme geliranja potrebno za koagulaciju sirilom
- Povećala brzinu očvršćivanja gruša
- Proizvela čvršće gelove s većom čvrstoćom gruša
- Poboljšala povezanost mreže gela nastalog djelovanjem sirila
Ta su poboljšanja pripisana promjenama u mliječnim proteinima i strukturi kazeinskih micela uzrokovanima ultrazvukom.
Isti su nalazi opisani u učitanoj studiji, u kojoj se navodi da je mlijeko obrađeno ultrazvukom pri pH 8, kojem je pH zatim ponovno podešen na 6,7, pokazalo najizraženija poboljšanja uspješnosti koagulacije.
Ključni strukturni učinci u mlijeku
Ultrazvučna obrada mijenja mikrostrukturu mliječnih proteina na nekoliko načina. Prema toj studiji i povezanim istraživanjima:
- Smanjenje veličine kazeinskih micela zbog mehaničkih sila uzrokovanih kavitacijom
- Stvaranje manjih proteinskih agregata
- Povećanje površine kazeinskih čestica
- Pojačane interakcije proteina tijekom koagulacije
Te strukturne promjene omogućuju učinkovitiju agregaciju nakon dodavanja sirila.
Rezultati navedeni u studiji ističu izrazita poboljšanja učinkovitosti. Na primjer:
- Vrijeme geliranja skratilo se s oko 40 minuta u neobrađenom mlijeku na približno 28 minuta u soniciranom mlijeku
- Čvrstoća gruša povećala se nekoliko puta u usporedbi s neobrađenim kontrolnim uzorkom
- Brzina očvršćivanja gruša znatno se povećala
Te promjene izravno dovode do bržeg i stabilnijeg stvaranja gruša tijekom proizvodnje sira.
Ultrazvučna staklena protočna ćelija za ispitivanja na laboratorijskom stolu, npr. za sonikaciju mlijeka
Ultrazvučno zgrušavanje sirilom: prednosti za proizvođače mliječnih proizvoda i sira
Potencijalne prednosti ultrazvučno poboljšanog zgrušavanja sirilom za industrijsku preradu mlijeka znatne su.
Brža obrada
Ultrazvuk skraćuje vrijeme geliranja, što može ubrzati rane faze proizvodnje sira.
- Kraće vrijeme koagulacije
- Brže stvaranje gruša
- Potencijalno veći proizvodni kapacitet proizvodnih linija
Poboljšana struktura gruša
Ultrazvučnom obradom nastaje gušća i međusobno povezanija proteinska mreža, čime se dobiva čvršći gruš.
To može pridonijeti:
- Lakšem rukovanju grušem
- Boljem odvajanju sirutke
- Boljoj kontroli teksture
Povećana učinkovitost proizvodnje
Čvršći gelovi i brža koagulacija mogu omogućiti:
- Veći potencijalni prinos sira
- Kraće vrijeme obrade
- Ujednačeniju kvalitetu proizvoda
Te su prednosti osobito važne za proizvodnju sira u velikim razmjerima, u kojoj mala poboljšanja učinkovitosti procesa mogu donijeti znatnu ekonomsku korist.
Industrijski ultrazvučni procesor UIP4000hdT za obradu mlijeka u industrijskim razmjerima.
Ultrazvuk kao netoplinska tehnologija obrade mliječnih proizvoda
Jedan od najprivlačnijih aspekata ultrazvučne obrade mlijeka jest to što se smatra netoplinskom ili blagom tehnologijom obrade.
Za razliku od tradicionalnih toplinskih obrada, ultrazvuk može mijenjati strukturna svojstva proteina mehaničkim učincima kavitacije umjesto visokim temperaturama. To pomaže očuvati funkcionalna i nutritivna svojstva sastojaka mlijeka.
Noviji pregledni radovi ističu ultrazvuk kao učinkovitu i pouzdanu tehniku za kontrolu funkcionalnosti proteina i procesa geliranja u mliječnim sustavima, uključujući sir i fermentirane mliječne proizvode.
Mliječnim tehnolozima to otvara mogućnosti prilagodbe funkcionalnosti mlijeka bez narušavanja kvalitete proizvoda.
Industrijska primjena u mljekarama
Kako istraživanja napreduju od laboratorijskih ispitivanja prema industrijskoj primjeni, pouzdanost opreme i usklađenost sa zahtjevima sigurnosti hrane postaju ključna pitanja.
Industrijski sustavi za sonikaciju, poput onih koje razvija Hielscher Ultrasonics, projektirani su prema načelima higijenskog dizajna i za sigurnu ugradnju u okruženja za preradu hrane. Takvi sustavi mogu raditi u skladu sa smjernicama cGMP-a i FDA-a, a primjene u preradi hrane mogu se validirati i certificirati neovisnim ispitivanjima treće strane.
Sonikatori Hielscher lako se povezuju sa softverom procesnog postrojenja i jednostavno se integriraju u postojeće proizvodne linije. Automatsko bilježenje podataka o parametrima ultrazvučnog procesa osigurava praćenje i kontrolu kvalitete u skladu sa smjernicama cGMP-a.
Zbog toga je ultrazvučna obrada mlijeka praktična tehnologija za komercijalne mljekare koje žele uvesti inovacije u procese.
Za mliječne tehnologe i proizvođače sira ovaj pristup predstavlja pouzdan korak obrade prema učinkovitijim, lakše upravljivim i inovativnijim procesima proizvodnje sira.
Ključne poruke
Sonikacija se može primijeniti na mlijeko prije proizvodnje različitih mliječnih proizvoda, poput sira i drugih namirnica koaguliranih sirilom, kako bi se poboljšala njihova funkcionalna i strukturna svojstva. Promjenom fizikalnih svojstava mliječnih proteina i masnih globula ultrazvučna obrada mliječnih proizvoda može poboljšati koagulacijska svojstva, strukturu gruša i ukupnu kvalitetu proizvoda. Osim toga, sonikacija se može upotrebljavati za frakcioniranje mliječnih sastojaka, čime se omogućuje odvajanje ili modificiranje sastojaka mlijeka radi poboljšanja funkcionalnosti proizvoda, učinkovitosti obrade i prinosa.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta 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 |
| nije primjenjivo | 10 do 100L/min | UIP16000hdT |
| nije primjenjivo | veći | skupina uređaja UIP16000hdT |
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.
Hielscher Ultrasonics je tvrtka s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su sa zahtjevima oznake CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Ultrazvučni homogenizator za prehrambene proizvode UIP16000hdT poboljšava podsirivanje 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
Što je podsirivanje mlijeka?
Podsirivanje mlijeka proces je enzimske koagulacije u kojem enzim kimozin (aktivna komponenta sirila) cijepa κ-kazein na površini kazeinskih micela. Time se micele destabiliziraju, što im omogućuje agregaciju i stvaranje trodimenzionalne proteinske gelske mreže koja postaje sirni gruš.
Što je sirilo?
Sirilo je kompleks enzima koji koaguliraju mlijeko, a upotrebljava se u proizvodnji sira za poticanje koagulacije mlijeka. Njegova glavna aktivna komponenta je kimozin (EC 3.4.23.4), aspartatna proteaza koja specifično cijepa κ-kazein u mlijeku. Ta enzimska reakcija destabilizira kazeinske micele, omogućujući im agregaciju i stvaranje gelske mreže koja se razdvaja na gruš i sirutku.
Tradicionalno se sirilo ekstrahira iz sirišta (četvrtog želuca) neodbijene teladi, gdje se taj enzim prirodno proizvodi radi probave mliječnih proteina. Danas se u komercijalnoj proizvodnji sira uobičajeno upotrebljava mikrobni ili rekombinantni kimozin, proizveden fermentacijom, koji osigurava ujednačenu enzimsku aktivnost i široko se primjenjuje u industrijskoj preradi mlijeka.
Zašto se sirilo dodaje mlijeku?
Sirilo se dodaje mlijeku kako bi se pokrenula koagulacija kazeinskih proteina. Cijepanjem κ-kazeina sirilo omogućuje kazeinskim micelama agregaciju i stvaranje strukture gruša koja se odvaja od sirutke, čime se omogućuje pretvorba tekućeg mlijeka u sir.
Kako mlijeko koagulira i gruša se?
Mlijeko koagulira i gruša se kada se naruši stabilnost kazeinskih micela u mlijeku, zbog čega mliječni proteini agregiraju i stvaraju trodimenzionalnu gelsku mrežu. 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 agregiraju i stvaraju gruš.
Koagulacija može nastati enzimskim djelovanjem, najčešće djelovanjem enzima kimozina iz sirila, koji specifično cijepa κ-kazein. Tim se cijepanjem uklanja stabilizirajući sloj oko kazeinskih micela, što im omogućuje agregaciju putem hidrofobnih interakcija i vezivanja posredovanog kalcijem te stvaranje čvrste gelske strukture.
Mlijeko se može grušati i zakiseljavanjem, pri čemu mliječna kiselina koju proizvode bakterije snižava pH mlijeka prema izoelektričnoj točki kazeina (približno pH 4,6). Pri tom pH smanjuje se elektrostatsko odbijanje između čestica kazeina, što dovodi do agregacije i taloženja proteina.
U oba mehanizma agregacijom kazeinskih proteina mast i voda ostaju zarobljene unutar proteinske mreže koja se stvara, što rezultira odvajanjem čvrstog gruša od tekuće sirutke, a to je temeljni korak u proizvodnji sira i drugih fermentiranih mliječnih proizvoda.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.