Молочный белок и казеин

Процесс производства молочного пищевого белка и казеина состоит из следующих операций:

подготовка обезжиренного молока,

осаждение казеина,

промывка казеина,

прессование или центрифугирование,

измельчение и сушка казеина.

При наличии соответствующего оборудования, перечисленные технологические операции могут быть осуществлены непрерывно-поточным способом.

Подготовка обезжиренного молока. Для получения пищевого казеина с незначительным содержанием жира (менее 1,5 %), жирность обезжиренного молока должна быть не выше 0,05 %, кислотность – не выше 21 °Т, содержание сухого обезжиренного вещества – не ниже 8 %. Обезжиренное молоко пастеризуют при температуре 85 °С на пластинчатых пастеризаторах немедленно после сепарирования. При получении молочного белка путем осаждения пищевого казеина хлористым кальцием предварительной пастеризации обезжиренного молока не требуется, поскольку коагуляция белка производится при температуре 95 °С. При выработке технического казеина обезжиренное молоко также не пастеризуют, его направляют на выработку казеина сразу же после сепарирования.

Осаждение казеина. При осаждении казеина хлористым кальцием получают кальциевый казеин, коагулирующийся при нагревании совместно с сывороточными белками; при кислотном осаждении получают кислотный казеин, а в случае использования сычужного фермента – сычужный казеин.

При внесении в свежее молоко хлористого кальция снижается устойчивость коллоидной дисперсии казеинаткальцийфосфатного комплекса. При этом происходит катионный обмен между Н-ионами казеинового комплекса и Са-ионами раствора хлористого кальция.

В результате катионного обмена казеинаткальцийфосфатный комплекс дополнительно обогащается кальцием за счет высвобождения Н-ионов. При этом происходит подкисление молока и снижение рН с 6,5 до 5,0, а также агрегация частиц комплекса. При насыщении комплекса кальцием резко снижается его термоустойчивость. Доза 1-1,5 г/л хлористого кальция при нагревании до 95-97 °С приводит к полной коагуляции казеина.

Одновременно с казеином коагулируют и термолабильные сывороточные белки. Степень использования белков молока при хлоркальциевой коагуляции достигает 95 %, при кислотной 90 %, и сычужной – 85 %. Наряду с более полным использованием белков молока коагуляция хлористым кальцием обогащает полученный белок кальцием и фосфором, что также является преимуществом этого способа.

Раствор хлористого кальция 40 %, плотностью 1392 кг/м³ приготовляют заранее. Для этого на 60 л воды берут 40 кг безводного хлористого кальция или соответствующее количество водного кристаллического с учетом содержащейся в нем кристаллической воды. Раствор перед употреблением отстаивают и фильтруют.

Для осаждения белков молока раствором хлористого кальция можно использовать оборудование периодического действия (сырные ванны, ВДП и др.). Обезжиренное молоко, нагретое в пластинчатых или трубчатых пастеризаторах до 95 °С, поступает в ванну, куда при помешивании вливают требуемое количество раствора хлористого кальция. Помешивание продолжают 2-3 мин, а затем осадок оставляют на 7-10 мин для отстаивания сыворотки, после чего ее удаляют и приступают к промывке охлажденного зерна.

Наиболее распространен способ кислотной коагуляции казеина – свертывание молока действием молочной кислоты, образующейся в результате молочнокислого брожения. Этот способ широко применяется в технологии и пищевого, и технического казеина.

В начальной стадии сквашивания молока в нем происходит агрегация отдельных частиц казеинаткальцийфосфатного комплекса в результате потери ими отрицательных зарядов под воздействием положительно заряженных Н-ионов молочной кислоты.

1 – емкость для хранения молока; 2 – насосы; 3 – теплообменник; 4 – емкость для осаждения копреципитата; 5 – пресс-тележка; или центрифуга; 6 – волчок для измельчения копреципитата-сырца; 7 – емкости с рубашкой или мешалкой; 8 – коллоидная мельница; 9 – гомогенизатор; 10 – распылительная сушилка; 11 – ванна для подогрева промывной воды; 12 – бак для приготовления раствора хлористого кальция

Рисунок 9.1 – Схема технологической линии производства пищевого растворимого высококальциевого копреципитата

1 – емкость для хранения обезжиренного молока; 2 – насосы; 3 – теплообменник; 4 – коагулятор; 5 – пресс-тележка; 6 – емкости для нагревания и перемешивания белка; 7 – коллоидные мельницы; 8 – гомогенизаторы; 9 – распылительные сушилки; 10 – емкости для приготовления раствора хлористого кальция4 11 – емкости для приготовления раствора триполифосфата

Рисунок 9.2 – Схема технологической линии производства сухого молочного белка

По мере нарастания кислотности сквашенного молока и приближения рН к изоэлектрической точке казеина (рН 4,6) происходит химическое разложение казеинаткальцийфосфатного комплекса, высвобождаются свободный казеин и минеральная часть комплекса.

В результате образуется сгусток казеина, из которого можно удалить лактат и фосфат кальция тщательной промывкой. Содержание золы в кислотном казеине зависит от полноты разложения казеинового комплекса и от наличия неотмытых солей кальция, адсорбируемых казеинатом.

По указанной схеме протекает процесс выделения казеина из обезжиренного молока и в случае применения минеральных кислот – соляной и серной. При осаждении казеина соляной кислотой представляется возможным благодаря хорошей растворимости хлоркальциевых солей получать кислотный казеин с меньшей зольностью, чем при осаждении серной кислотой, кальциевые соли которой малорастворимы.

Существует обратная зависимость растворимости казеина в щелочах от содержания в нем золы. Плохая растворимость кислотного казеина, как правило, обусловлена высокой зольностью. Высокая зольность влияет на вязкость и структуру концентрированных растворов казеина. Во всех случаях применения казеина в виде растворов предпочитают иметь казеин с наименьшей зольностью, хорошо растворимый в слабых щелочах, с низкой вязкостью растворов.

Осаждение казеина молочной кислотой может быть осуществлено двумя способами: сквашиванием обезжиренного молока путем внесения закваски и осаждением кислой сывороткой («зерненый способ»). В первом случае в пастеризованное и охлажденное до 25-35 °С обезжиренное молоко вносят закваску чистых культур молочнокислых бактерий, применяемых в производстве кислосливочного масла (3-5 % к молоку); закваску приготовляют на обезжиренном молоке. Молоко с закваской тщательно перемешивают, с поверхности удаляют пену и оставляют молоко в покое для сквашивания на 8-10 ч и более.

Готовность сгустка проверяют пробой на излом. Готовый сгусток дает излом четкий; сыворотка, выделяющаяся в месте излома, должна быть прозрачной, иметь зеленоватый цвет. Нормальная кислотность сгустка 80-90 °Т; по достижении ее приступают к обработке сгустка.

Обработку сгустка с отвариванием ведут в сырной ванне или с помощью эжектора. В сырной ванне готовый кислотный сгусток разрезают на кубики и затем подогревают до 45-50 °С, повышая температуру не более чем на 1 °С в минуту. Нагретое зерно вымешивают в сырной ванне, измельчая до размеров 4-5 мм, при одновременном дальнейшем повышении температуры не быстрее чем на 1,5 °С в минуту. По доведении температуры массы до 60-65 °С нагревание прекращают, но вымешивают еще 10-15 мин до полной готовности зерна, определяемой органолептически: готовое зерно при легком сжатии в руке и слабом растирании легко рассыпается. Зерну дают осесть на дно ванны, возможно полнее удаляют сыворотку и приступают к промывке.

1 – танк для обезжиренного молока; 2 – насос центробежный; 3 – теплообменник; 4 – танк для сыворотки; 5 – насос центробежный; 6 – ванна сырная; 7 – насос для сырного зерна; 8 – отделитель сыворотки (воды); 9 – центрифуга (пресс); 10 – волчок; 11 – сушилка

9.3 – Схема технологического процесса производства казеина, вырабатываемого «зерненным способом»

Эжектирование готового сгустка производят при температуре 56-59 °С. Температуру эжектирования регулируют путем изменения подачи сгустка или пара в камеру эжектора. Сгусток обезжиренного молока засасывается в камеру эжектора, где раздробляется на мелкие зерна и одновременно нагревается до нужной температуры. Полученная при эжектировании отваренная масса казеина поступает в ванну для промывки.

При производстве казеина «зерненым способом» казеин осаждают кислой (140 °Т) сывороткой; температура обезжиренного молока и сыворотки 34-35 °С. Сыворотку вливают непрерывно в течение 10 мин при постоянном помешивании обезжиренного молока до выпадения хлопьев казеина, после чего добавление сыворотки прекращают. Вымешивание массы продолжают еще 5-10 мин. Если за это время сыворотка станет прозрачной и приобретет светло-зеленый цвет, то полученному зерну казеина дают осесть, а из ванны удаляют часть сыворотки. Если же сыворотка в ванне мутная, то кислую сыворотку приливают до тех пор, пока отделяющаяся от сгустка сыворотка не станет прозрачной.

После удаления части прозрачной сыворотки массу продолжают перемешивать и дополнительно прибавляют кислую сыворотку до тех пор, пока кислотность ее в ванне не достигнет 65-70 °Т, что соответствует рН 4,6 и обеспечивает наиболее полное отщепление минеральной части от казеинаткальцийфосфатного комплекса и, следовательно, получение кислотного казеина с минимальной зольностью и хорошей растворимостью.

После добавления последних порций сыворотки вымешивание продолжают еще 10-12 мин. Зерно считается готовым, когда оно приобретает достаточную упругость и плотность. По окончании обработки сыворотку сливают и приступают к промывке зерна.

При осаждении казеина соляной кислотой ее приливают в обезжиренное молоко в течение 20-30 мин при постоянном помешивании. При этом способе кислотность сыворотки должна быть доведена до 50-53 °Т и рН до 4,5. На 100 л молока расходуется от 3 до 3,5 л соляной кислоты плотностью 1190 кг/м³ и концентрацией 37,2 % (предварительно разбавленной в 8 раз).

При осаждении сычужным ферментом коагуляция казеина в молоке протекает в две стадии: первая – ферментативная, заключается в химическом превращении казеина в параказеин; вторая – коагуляционная – стадия осаждения параказеина в виде сгустка под влиянием ионов кальция.

Первую стадию можно наблюдать в чистом виде при действии фермента на молоко, не содержащее ионов кальция или содержащее малое количество их (так называемое «сычужновялое» молоко).

При превращении казеина в параказеин не происходит существенного изменения в молекулярной структуре как органической, так и неорганической части комплекса. Поэтому добавка к молоку хлористого кальция в количестве 20 г на 100 кг вполне достаточна для создания необходимых количеств кальциевых мостиков между крупными частицами параказеинового комплекса при образовании сетчатой трехмерной структуры сычужного сгустка в молоке.

Зольность сычужного казеина практически равна зольности исходного казеинаткальцийфосфатного комплекса свежего обезжиренного молока и составляет около 8,5 %. Всякое повышение кислотности молока до сычужного свертывания неизбежно приводит к снижению зольности сычужного казеина, что объясняется кислотной деминерализацией исходного казеинаткальцийфосфатного комплекса свежего молока.

При сычужном свертывании в обезжиренное пастеризованное молоко кислотностью не выше 21 °Т добавляют хлористый кальций из расчета 20 г на 100 л молока. Температуру свертывания устанавливают в пределах 33-35 °С. Сычужный фермент или пепсин вносят в таком количестве, чтобы молоко свернулось в течение 20-30 мин. Готовый сгусток измельчают на зерно размером 3-5 мм и нагревают до 58-60 °С при постоянном вымешивании.

Сгусток обрабатывают так же, как и в производстве сычужных сыров. Однако если в сыроделии стараются удалить из сычужного геля строго определенное количество воды для получения оптимальной влажности сыра, то при выработке казеина процесс обработки ведут с таким расчетом, чтобы выделить из сгустка максимальное количество воды.

Промывка казеина. При промывке казеина-сырца из него удаляют примеси: молочный сахар, молочную кислоту, растворимые в воде соли, снижающие качество казеина, особенно технического. Питьевая вода, применяемая для промывки, должна быть чистой и бактериально необсемененной, в особенности гнилостными бактериями, не содержать солей железа, так как последние адсорбируются белком и окрашивают его в бурый цвет (в 1 л воды допускается не более 2 мг железа в пересчете на Fe₂O₃); реакция воды должна быть нейтральной (щелочная сода, содержащая двууглекислые соли кальция, вызывает набухание казеина и увеличивает зольность), жесткость – не более 5 ° (воду с повышенной жесткостью необходимо умягчать и нейтрализовать кислотой).

Казеин промывают не менее 3 раз, вначале водой температурой 30-35 °С, затем 20-25 °С и третий раз 10-15 °С. Каждая промывка длится 10-15 мин; расход воды на одну промывку – 20 % к количеству переработанного молока. Пищевой казеин промывают пастеризованной или хлорированной водой.

Прессование и центрифугирование. Казеин всех видов независимо от способа изготовления перед сушкой освобождают от избытка влаги прессованием или центрифугированием. Для прессования применяют рычажные или винтовые прессы. Казеин, выдержанный 8-10 мин на покрытом серпянкой сточном столе, переносят в прессовальный мешок или завертывают в серпянку пакетом и кладут под пресс на отжимную решетку. Спрессованный пласт должен быть не толще 10 см; при большем количестве массы пакеты следует разделять отжимными решетками. Давление прессования не менее 20 кг на 100 см² прессуемой площади пласта; продолжительность прессования 2-3 ч. Первая перепрессовка через 30 мин, вторая через 1 ч после начала прессования (с размешиванием массы казеина). Прессование ведется при температуре 15-20 °С; при более высоких температурах за время прессования кислотность казеина может сильно повыситься, что отрицательно отражается на качестве продукта. Количество влаги в отпрессованном казеине около 60 %.

Более рационально обезвоживать казеин-сырец на центрифугах периодического или непрерывного действия. При использовании первых промытый казеин-сырец в количестве 20-50 кг (в зависимости от производительности центрифуги) переносят из ванны в фильтровальный мешок, уложенный в барабан центрифуги, завязывают мешок шпагатом, крышку барабана плотно закрывают, закрепляют и приводят центрифугу в действие. Число оборотов барабана в первые 2 мин вращения доводят до 800, а затем постепенно увеличивают до 1000 об/мин и центрифугируют 6-10 мин до конечного содержания влаги не выше 60 %. Казеин, полученный эжекторным способом, центрифугируют дважды; после первого центрифугирования содержимое мешка перетряхивают.

Измельчение и сушка казеина. Отпрессованный или отцентрифугированный казеин перед сушкой измельчают на зерна размером 3-5 мм в казеинодробилке, волчке или в специальной терке. В терке вращающийся деревянный рифленый барабан протирает казеин через проволочную, из нержавеющего металла сетку с ячейками 4-5 мм, которая прикреплена к станине. Дробление казеина происходит при частоте вращения барабана не выше 100 об/мин. Производительность терки 120 кг/ч. Полученные зерна по возможности должны быть одинакового размера, чтобы вся масса казеинового зерна высыхала одновременно.

Для сушки казеина используют сушилки различных типов – периодического (шкафные) и непрерывного действия (конвейерные, скребковые и др.). В шкафных сушилках казеин сушат на рамах с натянутой парусиной или мешковиной. На раму размером 75-100 см насыпают до 2 кг казеина-сырца слоем толщиной около 1 см. Температуру воздуха, подаваемого в сушилку, сначала поддерживают на уровне 40-45 °С, а через 1,5-2 ч ее повышают до 55-60 °С. Во время сушки казеин помешивают сначала через каждые полчаса, а затем через час.

В скребковых сушилках непрерывного действия казеин перемещается в сушилке скребками. Горячий воздух подается в сушилку вентилятором. Влага из зерен казеина быстро испаряется. Сухой казеин выгружается пневматически. Продолжительность сушки не более 40-50 мин.

При непрерывнопоточном способе производства казеина наиболее перспективно применение пневматических сушилок. В этих сушилках казеин в виде гранул очень быстро высушивается во взвешенном состоянии в токе горячего воздуха (высушивание в псевдокипящем слое). Эти сушилки имеют высокую производительность, они просты по конструкции, удобны в обслуживании, процесс сушки в них полностью механизирован и автоматизирован.

Перспективны также сушка в инфракрасных лучах и сушка методом сублимации (под вакуумом при отрицательных температурах).

При всех способах сушки готовый сухой казеин должен содержать не более 12 % влаги. К концу сушки казеиновые зерна при нажатии растрескиваются. Высушенный казеин упаковывают в мешки из крафт-бумаги или тару из синтетического материала. Хранение пищевого казеина в герметизированных мешках из полиэтилена позволяет сохранить качество более длительное время.

Показатели качества и пороки казеина. Пищевой кислотный казеин, предназначенный для использования в различных отраслях пищевой промышленности и для производства казеинатов, должен отвечать следующим показателям качества.

Органолептические показатели: вкус и запах – специфический, без посторонних привкусов и запахов (кислого, сырного, металлического и др.); цвет – белый или кремовый, однородный по всей массе; внешний вид – сухое плотное или пористое зерно размером не более 5 мм.

Химические показатели: содержание влаги не более 12 %; жира – 1,5 %; кислотность – 30 °Т (высший сорт) и 50 °Т (первый сорт); золы 2 % и 2,5 % (соответственно); примесь олова – не более 100 мг/кг, меди – 8 мг/кг. Наличие свинца не допускается.

Бактериологические показатели: общее количество бактерий 50 (высший сорт) и 100 тыс. (первый сорт) в 1 г. Титр кишечной палочки 0,1.

Технический казеин (кислотный и сычужный) в зависимости от качества разделяют на 4 сорта: высший, первый, второй и третий. В оценку качества входят такие показатели, как цвет, внешний вид, размер зерна, структура зерна, чистота продукта, содержание жира, золы, кислотность и растворимость.

Наиболее часто встречающийся порок казеина – высокая жирность вследствие плохого обезжиривания молока. Остатки жира в казеине быстро разлагаются и придают ему неприятный вкус и запах, поэтому необходимо строго контролировать процесс сепарирования молока.

Высокая кислотность казеина обусловливается плохой промывкой зерна или является следствием повышения кислотности в процессе длительного хранения казеина-сырца до сушки.

Повышенная зольность кислотного казеина – результат неполного разложения казеинаткальцийфосфатного комплекса при кислотной коагуляции и плохой промывке зерна. Низкую зольность имеет сычужный казеин из молока с повышенной кислотностью (выше 22 °Т). Высокая влажность казеина обусловливается не доведенной до конца сушкой или хранением казеина в сыром помещении.

Неполная растворимость казеина может быть результатом денатурации белка при высоких температурах сушки. Бурый, коричневый цвет казеина получается вследствие сушки при высокой температуре, плохой промывки (наличие лактозы) и при наличии в промывной воде солей железа. Темный и серый цвет казеин-сырец приобретает в процессе порчи при длительном хранении при повышенных температурах.

Блестящая оплавленная поверхность казеиновых зерен – следствие неправильной сушки, когда сырой казеин помещают в сушку при высокой температуре; легче оплавляется сычужный казеин с высокой кислотностью.

Гнилостный и затхлый запах возникает в результате порчи казеина-сырца или сухого казеина, хранившегося во влажном помещении; порча казеина усиливается при несоблюдении санитарно-гигиенический недоброкачественной водой.