Свойства казеинового концентрата с различными уровнями содержания бета-казеина

Ингредиенты, содержащие казеин, часто используются при изготовлении продуктов питания.

Значительная часть исследований казеиновых концентратов сосредоточена на их функциональности при производстве сыра. Казеин-ретентат микрофильтрации используется для стандартизации белка в молоке при изготовлении сыров «Чеддер» и «Моцарелла». Поскольку финальное количество сыра зависит от согласования казеина, больший интерес представляет способность ретентатов микрофильтрации увеличивать и регулировать содержание казеина в молоке для производства сыра.

Для отделения сыворотки от казеина (CN) используется такой метод, как микрофильтрация обезжиренного молока с применением керамических мембран. Размер пор (более 0,05 мкм) позволяет удерживать казеины и пропускать сыворотку, лактозу и растворимый зольный остаток. Получившиеся в результате микрофильтрации ретентаты могут быть сконцентрированы при помощи ультрафильтрации и диафильтрации для получения концентрированного казеинового порошка с уровнем белка более 80 %. Иногда эти концентраты называются фосфоказеинатами или мицеллярными казеинами. Остаточное содержание сывороточного белка, как правило, составляет менее 10 % от общего количества белка. Пермеат, полученный в результате производства концентрированного казеина, содержит сывороточный белок и используется для получения концентрата сывороточного белка (WPC), который иногда называется нативной сывороткой.

Брандсма и Ризви (2001 год) оценили реологические свойства частично обезжиренного сыра моцарелла с низким уровнем влажности, приготовленного с добавлением казеинового концентрата. Они обнаружили, что в таких сырах протеолиз происходит медленнее. Другие ученые выявили, что обогащение молока концентрированным казеиновым порошком способствовало увеличению выхода готового продукта. Были рассмотрены функциональные свойства фракций альфа-эс-казеина/к-казеина (as-CN/k-CN) либо бета-казеина (b-CN). В качестве среды для тестирования использовали казеинат натрия. Фракции b-CN казеината натрия способствовали увеличению пенообразующих свойств и эмульгирующей способности.

Около 10 лет назад были разработаны спиралевидные мембраны для микрофильтрации, которые используются и для производства ретентатов в сыроделии. Этими полимерными мембранами легко управлять при низких температурах. При таких температурах (менее 10 оC) некоторые казеины, особенно бета-казеин, могут отделяться от мицеллы на сывороточной фазе, поэтому микрофильтрация холодного молока используется для изменения соотношения бета-казеина к альфа-эс-казеину в казеиновом концентрате, если оказывается какое-либо влияние на его функциональные свойства. Ученые обнаружили, что сыр, приготовленный с меньшим содержанием бета-казеина, имел большую растекаемость во время таяния и был менее горьким в процессе старения.

ОБРАБОТКА КАЗЕИНОВОГО КОНЦЕНТРАТА И КОНЦЕНТРАТА МОЛОЧНОГО БЕЛКА

Для приготовления концентратов казеина использовали пастеризованное и негомогенизированное обезжиренное молоко. Производили концентрат казеина с низким (CC–LBC) и высоким содержанием бета-казеина (CC-HBC) при температуре микрофильтрации 7 и 23 оC соответственно и сравнивали их с традиционным концентратом молочного белка (MPC). Перед обработкой CC–LBC обезжиренное молоко хранили при температуре ниже 4 оC в течение 12 часов, а перед обработкой CC-HBC оно было нагрето до 23 оC в течение часа. Во время обработки заданные температуры поддерживались на постоянном уровне при помощи бака с двойными стенками. Температуры выбирали в ходе предварительных экспериментов, чтобы максимизировать разницу в истощении и удержании бета-казеина, не уменьшая значительно поток и не увеличивая риск микробного роста. Обез-жиренное молоко подвергали микрофильтрации и диафильтрации водой до тех пор, пока ретентат не содержал 80 % сухого белка. Конечный ретентат составлял приблизительно 16,0 % твердых частиц, причем частицы пермеата занимали 1,2 %. Ретентат был подвергнут распылительной сушке. Для сушки казеинового концентрата и ретентатов MPC применяли опытную газовую распылительную сушилку (PSD 55; APV, Копенгаген, Дания).

Ретентаты хранили всю ночь при температуре 4 оC. Перед добавлением в сушильную камеру с двухжидкостной форсункой ретентаты (приблизительно 14 % твердых частиц) предварительно нагревали до 55 оC. Входная температура сушилки составляла 190 оC, а на выходе — 90 оC. В результате каждого пробега было получено приблизительно 5 кг порошка, содержащего около 80 % белка.

КОМПОЗИЦИОННЫЙ И ФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗЫ

Для определения общего содержания белка и казеина проводили анализ по методу Кьельдаля. Количество отдельных молочных белков находили при помощи обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (RP-HPLC) по методу Фредгольма и других (2006 г.) с некоторыми модификациями. Модификации метода включали изменение градиентного вымывания, чтобы обеспечить лучшую степень разделения пиков. Измерения выполняли при температуре около 22 оС. Белки определяли по времени удержания максимальных значений очищенных молочных белков (as-CN, b-CN, j-CN, a-LA и b-LG) (Sigma-Aldrich, Штайнхайм, Германия).

РАСТВОРИМОСТЬ

Порошки были регидратированы в деионизированной воде при температуре 30 оС, в результате чего количество твердых частиц составило 4,0 %. В блендер добавляли порошок, деионизированную воду и противовспениватель (минеральное масло), все это смешивали в нем при 3500 оборотах в минуту, а затем помешивали 80 минут в водяной бане при температуре 30 оС. Центрифугировали 20 мл раствора в течение 10 минут. Супернатант удаляли и проверяли на количество твердых частиц. Результаты сравнивали с показателями содержания твердых частиц для оригинального раствора.

СЫЧУЖНАЯ СВЕРТЫВАЕМОСТЬ

Реологические свойства коагулированного сычужного фермента (реннина) в образцах казеинового концентрата определяли при помощи реометра Paar Physica UDS 200. Порошковый казеиновый концентрат регидратировали, в результате чего содержание казеина составило 3,9 %. Добавили 0,02 % хлорида кальция и азида натрия, а уровень pH отрегулировали до 6,60. В течение 60 минут температуру растворов казеиновых концентратов поддерживали на уровне 32 оС. Для загущения использовали сычужный фермент (20 мкл растворенного химозина в соотношении 1:10). Образцы осциллировали с частотой 0,5 Гц, а примененное напряжение составляло 0,5 %, что не превышает пределы линейной упруго-вязкой области. На выставленную поверхность образца наносили тонкий слой растительного масла, чтобы предотвратить испарение во время проведения анализа. Время загущения определяли как время, необходимое для того, чтобы образец достиг значения модуля накопления (G') 1 Па. Также было зафиксировано значение G' через 60 минут после добавления сычужного фермента.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Концентрация казеина (CN) в процентном отношении от общего содержания белка составляла 91,6; 89,3 и 80,6 % для образцов CC-HBC, CC–LBC и MPC соответственно (табл. 1). Более высокие уровни содержания казеина в казеиновых концентратах отражают потери сывороточных белков в пермеате, в результате чего получили казеиновый концентрат с уровнем казеина около 95 %. Уровень остаточного сывороточного белка в казеиновом концентрате зависит от степени фильтрации (или диафильтрации). В двух образцах казеинового концентрата присутствовало гораздо (P 0,05) больше золы и кальция, чем в MPC, что и указывает на более высокие уровни казеина в казеиновых концентратах (поскольку такие нерастворимые минералы, как кальций и фосфат, являются частью мицелл казеина). В образцах казеиновых концентратов отношение кальция к белку также было более высоким. Размер мицелл казеина в образце CC–LBC оказался значительно меньше (P 0,05), чем в образцах CC-HBC и MPC (табл. 1). Соотношение b-CN/as-CN в образце CC–LBC составляло 66/100, в то время как в образцах CC-HBC и MPC оно было больше — 74/100 (табл. 2). Меньший размер мицелл может отражать некоторые потери в структуре/размере из-за распада b-CN при низких температурах микрофильтрации. Замечено, что меньшие по размеру мицеллы обладают более низкими пропорциями b-CN и as-CN. Уровни сывороточного белка были значительно выше в MPC.

Все образцы обладали похожими объемами пены (табл. 3). Стабильность пены статистически различалась (P 0,05) и была представлена в следующем порядке: CC-HBC > CC–LBC > MPC. Та же тенденция обнаруживалась при вычислении кажущегося предела текучести пены. Более высокая концентрация b-CN в образце CC-HBC по сравнению с образцами CC–LBC и МРС, вероятно, способствовала более высокой стабильности пены.

Мы отметили положительную корреляцию (R2 > 0,9) между содержанием b-CN в образцах и кажущимся пределом текучести пены. Более высокое содержание казеина в образцах казеинового концентрата по сравнению с образцами концентрата молочного белка может способствовать созданию более стабильной пены.

Время загущения варьировалось от 5,7 до 6,2 минуты для образцов CC-HBC и CC–LBC соответственно. Существенной разницы между временем загущения сычужного фермента не наблюдалось (табл. 3). Значение G' по истечении 60 минут для образца CC–LBC было значительно ниже (P 0,05), чем для образцов CC-HBC и MPC. Это означает, что матрица данного образца обладает более слабым белковым взаимодействием. Однако когда измерили показатель G' по истечении 240 минут, результаты оказались противоположными (то есть образец LBC, полученный из MPC, обладал наивысшим значением G' благодаря более медленным темпам изначального увеличения и более высокому плато).

Процентное выражение нерастворимости снизилось после увеличения температуры и времени гидратирования. Повышение температуры всего на 4 оС оказывает такое же влияние на регидратацию, как и увеличение скорости помешивания вдвое. Восстановление порошка является сложным процессом и зависит от многих параметров. Доказано, что растворимость сухого молока с высоким содержанием казеина вызывает сложности для предприятий молочной индустрии.

Джаклин Р. Сайбель, Майкл С. Молитор, Джон А. Луси, Висконсинский исследовательский центр молочного животноводства, Университет Висконсина-Мэдисона, США