Sirjenje mleka, izboljšano z ultrazvočno obdelavo
Ultrazvočno sirjenje mleka je inovativna tehnika obdelave za izboljšanje kakovosti izdelkov in učinkovitosti proizvodnje. Ultrazvočna obdelava mleka pred koagulacijo je pokazala velik potencial za optimizacijo faze sirjenja pri proizvodnji sira. Nizkofrekvenčni ultrazvok velike moči lahko spremeni strukturo mlečnih beljakovin in kazeinskih micel, kar izboljša tvorbo gela med sirjenjem. Zaradi teh učinkov je sonikacija učinkovita metoda za mlečne tehnologe, ki želijo izboljšati postopke predelave mleka ter povečati učinkovitost in enakomernost proizvodnje sira.
Pomen sirjenja pri proizvodnji sira
Sirjenje je ključna prva faza proizvodnje sira. Med tem postopkom encim kimozin cepi molekule κ-kazeina, kar omogoči agregacijo kazeinskih micel in nastanek tridimenzionalne gelske mreže, ki postane sirnina. Kakovost te gelske mreže neposredno vpliva na:
- Čas geliranja
- Čvrstost sirnine
- Hitrost utrjevanja sirnine
- Mikrostrukturo in povezanost gela
Ti parametri določajo, kako učinkovito je mogoče mleko pretvoriti v sir, in nazadnje vplivajo na izkoristek, teksturo in uspešnost obdelave.
Vendar se lahko odziv mleka pri sirjenju razlikuje zaradi dejavnikov, kot so beljakovinska sestava, ravnovesje kalcija, pH in struktura kazeinskih micel. Tehnologije, ki izboljšajo ali stabilizirajo te lastnosti, lahko zato prinašajo pomembno vrednost predelovalcem mleka.
Industrijski sonikator UIP4000hdT za predelavo mleka
Kako ultrazvok izboljša sirjenje mleka
Ultrazvočna obdelava deluje s prenosom nizkofrekvenčnih ultrazvočnih valov (>20 kHz) v tekoče medije. To povzroči akustično kavitacijo, pri kateri mikroskopski mehurčki hitro nastajajo in se sesedajo ter v tekočini ustvarjajo lokalizirane mehanske sile, turbulenco in mikrocurke.
Ti mehanski učinki lahko spremenijo fizikalno strukturo mlečnih beljakovin, ne da bi bile potrebne visoke temperature.
Raziskava Liuja in sod. (2014) je pokazala, da je ultrazvočna obdelava posnetega mleka pri 20 kHz pred sirjenjem bistveno izboljšala lastnosti geliranja mleka.
Študija je pokazala, da je ultrazvočna obdelava:
- Skrajšala čas geliranja, potreben za koagulacijo s siriščem
- Povečala hitrost utrjevanja sirnine
- Ustvarila močnejše gele z večjo čvrstostjo sirnine
- Izboljšala povezanost mreže gela, nastalega s siriščem
Te izboljšave so pripisali spremembam mlečnih beljakovin in strukture kazeinskih micel, ki jih povzroči ultrazvok.
Enake ugotovitve so opisane v naloženi študiji, ki poroča, da je mleko, obdelano z ultrazvokom pri pH 8 in z nato ponovno nastavljenim pH na 6,7, pokazalo najizrazitejše izboljšave učinkovitosti koagulacije.
Ključni strukturni učinki v mleku
Ultrazvočna obdelava na več načinov spremeni mikrostrukturo mlečnih beljakovin. Glede na študijo in povezane raziskave so to:
- Zmanjšanje velikosti kazeinskih micel zaradi mehanskih sil, ki jih povzroča kavitacija
- Nastanek manjših beljakovinskih agregatov
- Povečanje površine kazeinskih delcev
- Okrepljene interakcije med beljakovinami med koagulacijo
Te strukturne spremembe omogočajo učinkovitejšo agregacijo po dodatku sirišča.
Rezultati, navedeni v študiji, poudarjajo izrazite izboljšave učinkovitosti. Na primer:
- Čas geliranja se je skrajšal s približno 40 minut pri neobdelanem mleku na približno 28 minut pri ultrazvočno obdelanem mleku
- Čvrstost sirnine se je v primerjavi z neobdelanim kontrolnim vzorcem povečala za večkrat
- Hitrost utrjevanja sirnine se je znatno povečala
Te spremembe se neposredno odražajo v hitrejšem in zanesljivejšem nastajanju sirnine pri proizvodnji sira.
Ultrazvočna steklena pretočna celica za preskuse na laboratorijski mizi, npr. za sonikacijo mleka
Ultrazvočno sirjenje: prednosti za mlekarne in proizvajalce sira
Pri industrijski predelavi mleka so potencialne koristi ultrazvočno izboljšanega sirjenja znatne.
Hitrejša obdelava
Ultrazvok skrajša čas geliranja, kar lahko pospeši zgodnje faze izdelave sira.
- Krajši čas koagulacije
- Hitrejše nastajanje sirnine
- Potencialno večja proizvodna zmogljivost proizvodnih linij
Izboljšana struktura sirnine
Ultrazvočna obdelava ustvari gostejšo in bolj medsebojno povezano beljakovinsko mrežo, kar daje čvrstejšo sirnino.
To lahko prispeva k:
- Izboljšanemu ravnanju s sirnino
- Boljšemu ločevanju sirotke
- Izboljšanemu nadzoru teksture
Večja učinkovitost proizvodnje
Močnejši geli in hitrejša koagulacija lahko omogočijo:
- Večji potencialni izkoristek pri proizvodnji sira
- Krajši čas obdelave
- Enakomernejšo kakovost izdelkov
Te prednosti so še posebej pomembne za proizvodnjo sira v velikem obsegu, kjer se lahko majhne izboljšave učinkovitosti procesa odrazijo v znatnih gospodarskih koristih.
Ultrazvočni industrijski procesor UIP4000hdT za predelavo mleka v industrijskem obsegu.
Ultrazvok kot netoplotna tehnologija predelave mleka
Ena najprivlačnejših značilnosti ultrazvočne predelave mleka je, da velja za netoplotno oziroma blago tehnologijo obdelave.
V nasprotju s tradicionalnimi toplotnimi obdelavami lahko ultrazvok spremeni strukturne lastnosti beljakovin z mehanskimi učinki kavitacije namesto z visokimi temperaturami. To pomaga ohraniti funkcionalne in prehranske lastnosti sestavin mleka.
Novejši pregledni članki izpostavljajo ultrazvok kot učinkovito in zanesljivo tehniko za nadzor funkcionalnosti beljakovin in procesov geliranja v mlečnih sistemih, vključno s sirom in fermentiranimi mlečnimi izdelki.
Mlečnim tehnologom to odpira možnosti za prilagajanje funkcionalnosti mleka brez ogrožanja kakovosti izdelkov.
Industrijska uvedba v mlekarnah
Ko raziskave napredujejo od laboratorijskih študij do industrijske uporabe, postaneta zanesljivost opreme in skladnost z zahtevami glede varnosti živil ključna dejavnika.
Industrijski sonikacijski sistemi, kot jih razvija Hielscher Ultrasonics, so zasnovani za higiensko izvedbo in varno namestitev v okoljih za predelavo živil. Takšni sistemi lahko delujejo v skladu s smernicami cGMP in FDA, uporabo pri predelavi živil pa je mogoče validirati in certificirati z neodvisnim preskušanjem, ki ga izvede tretja oseba.
Sonikatorji Hielscher se preprosto povežejo s programsko opremo procesnega obrata in se nemoteno vključijo v obstoječe proizvodne linije. Samodejno beleženje podatkov o parametrih ultrazvočnega procesa zagotavlja spremljanje in nadzor kakovosti v skladu s smernicami cGMP.
Zaradi tega je ultrazvočna predelava mleka praktična tehnologija za komercialne mlekarne, ki si prizadevajo za procesne inovacije.
Za mlečne tehnologe in proizvajalce sira ta pristop predstavlja zanesljiv korak obdelave na poti k učinkovitejšim, bolje obvladljivim in inovativnejšim procesom proizvodnje sira.
Ključna spoznanja
Sonikacijo je mogoče uporabiti za obdelavo mleka pred proizvodnjo različnih mlečnih izdelkov, kot so sir in druga živila, koagulirana s siriščem, da se izboljšajo njihove funkcionalne in strukturne lastnosti. S spreminjanjem fizikalnih značilnosti mlečnih beljakovin in maščobnih kroglic lahko ultrazvočna obdelava mleka izboljša potek koagulacije, strukturo sirnine in splošno kakovost izdelkov. Poleg tega je mogoče sonikacijo uporabiti za frakcioniranje mlečnih sestavin, kar omogoča ločevanje ali spreminjanje sestavin mleka za izboljšanje funkcionalnosti izdelkov, učinkovitosti obdelave in izkoristka.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 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. | večji | sklop naprav UIP16000hdT |
Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije
Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam, ki združujejo najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijazno upravljanje. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Ultrazvočni homogenizator za živila UIP16000hdT izboljša sirjenje mleka
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.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kaj je sirjenje mleka?
Sirjenje mleka je proces encimske koagulacije, pri katerem encim kimozin (aktivna sestavina sirišča) cepi κ-kazein na površini kazeinskih micel. To destabilizira micele ter omogoči njihovo agregacijo in nastanek tridimenzionalne beljakovinske gelske mreže, ki postane sirnina.
Kaj je sirišče?
Sirišče je kompleks encimov za koagulacijo mleka, ki se pri izdelavi sira uporablja za sprožitev koagulacije mleka. Njegova glavna aktivna sestavina je kimozin (EC 3.4.23.4), aspartatna proteaza, ki specifično cepi κ-kazein v mleku. Ta encimska reakcija destabilizira kazeinske micele ter omogoči njihovo agregacijo in nastanek gelske mreže, ki se loči na sirnino in sirotko.
Tradicionalno se sirišče pridobiva iz siriščnika (četrtega želodca) neodstavljenih telet, kjer se encim naravno tvori za prebavo mlečnih beljakovin. Danes se pri komercialni izdelavi sira pogosto uporablja mikrobni ali rekombinantni kimozin, proizveden s fermentacijo, ki zagotavlja enakomerno encimsko aktivnost in se široko uporablja pri industrijski predelavi mleka.
Zakaj se mleku dodaja sirišče?
Sirišče se dodaja mleku za sprožitev koagulacije kazeinskih beljakovin. S cepljenjem κ-kazeina sirišče omogoči agregacijo kazeinskih micel in nastanek strukture sirnine, ki se loči od sirotke, kar omogoča pretvorbo tekočega mleka v sir.
Kako mleko koagulira in se sesiri?
Mleko koagulira in se sesiri, ko se poruši stabilnost kazeinskih micel v mleku, zaradi česar mlečne beljakovine agregirajo in tvorijo tridimenzionalno gelsko mrežo. V svežem mleku so kazeinske beljakovine organizirane v micele, ki ostajajo dispergirane zaradi stabilizacijskega delovanja κ-kazeina na njihovi površini. Ko se ta stabilnost zmanjša, micele agregirajo in tvorijo sirnino.
Koagulacija lahko nastopi zaradi encimskega delovanja, najpogosteje delovanja encima kimozina v sirišču, ki specifično cepi κ-kazein. To cepljenje odstrani stabilizacijsko plast okoli kazeinskih micel in jim omogoči agregacijo s hidrofobnimi interakcijami in povezovanjem, ki ga posreduje kalcij, pri čemer nastane čvrsta gelska struktura.
Mleko se lahko sesiri tudi z zakisanjem, pri katerem mlečna kislina, ki jo proizvajajo bakterije, zniža pH mleka proti izoelektrični točki kazeina (približno pH 4,6). Pri tem pH se elektrostatični odboj med kazeinskimi delci zmanjša, kar vodi do agregacije in obarjanja beljakovin.
Pri obeh mehanizmih agregacija kazeinskih beljakovin ujame maščobo in vodo v nastajajočo beljakovinsko mrežo, kar povzroči ločitev trdne sirnine od tekoče sirotke; to je temeljni korak pri proizvodnji sira in drugih fermentiranih mlečnih izdelkov.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.