Как молоко превращается в сыр? Изучаем процессы сыроварения

И. М. МИРОНЕНКО, к.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории технологий молочных продуктов отдела «Сибирский НИИ сыроделия» ФГБНУ ФАНЦА, г. Барнаул

Производство сыров – ремесло древнейшее, параметры их выработки отточены веками. Издавна процесс сыроварения рассматривался скорее как искусство, т. е. качество сыра зависело от мастерства и навыков сыродела. С развитием промышленного производства сыров (повышением объемов переработки молока, внедрением механизации и автоматизации) и достижениями в области естественных наук возникла потребность в осмыслении и детализации процессов, происходящих при преобразовании молока в сыр.

Несмотря на растущий со временем ассортимент сыров, его разнообразие построено приблизительно на 20 основных так называемых базовых технологиях (например, сыры швейцарской группы, сыры с чеддеризацией сырной массы и т. д.). Базовые технологии сычужных сыров отличаются друг от друга тем, что на стадиях технологического цикла имеют разные сочетания температуры и рН, а также продолжительность их воздействия. Эти три фактора определяют характер и специфику взаимодействий компонентов молока по ходу технологической цепочки, что приводит в конечном итоге к отличительным особенностям органолептических и физико-­химических показателей готового продукта.

Для более полного понимания процессов, происходящих в молоке при его переработке, следует принять ту точку зрения, что молоко – это самоорганизующийся природный объект и все происходящие в нем преобразования имеют определенное программное обеспечение. Молоко является вторичной субстанцией по отношению к крови, так как формируется на ее основе в организмах млекопитающих. При образовании 1 л молока через кровеносные сосуды вымени проходит около 540 л крови [1]. Кровь и молоко – природные биологические суперсистемы с информационно-­алгоритмическим обеспечением. Стабильность крови как суперсистемы поддерживается информационными свойствами эндогенной (кластерной) воды, диапазоном физиологических температур (32 – 39 °С) и наличием буферных систем для поддержания кислотно­щелочного баланса (рН).

Природное предназначение молока – полноценное обеспечение новорожденных организмов всем комплексом питательных веществ для поддержания их жизнедеятельности. Преобразование молока в ЖКТ телят­-молочников представляет собой уникальный программный механизм трансформации компонентов молока в строго заданных взаимосвязях и установленной последовательности. При переработке молока, когда оно становится самостоятельной, оторванной от организмов субстанцией, природная скорость процессов приобретает зависимость от таких внешних воздействий, как охлаждение, нагрев, внесение функциональных ингредиентов, механическое перемешивание (сепарирование), гомогенизация и т. д. Но общая алгоритмика заложенных в молоко преобразований все равно остается, только эти процессы приобретают разную продолжительность в зависимости от регламентов технологического цикла производства той или иной группы сыров.

Алгоритмику процесса производства сыров можно представить в виде:

– общих закономерностей, учитывающих принципы трансформации основных компонентов молока при его преобразовании в сгусток, а затем в сырную массу;

– видовых особенностей отдельных технологий, учитывающих: баланс составных частей молока; используемые виды заквасочной микрофлоры; скорости изменения температуры и активной кислотности; изменение структуры сгустка и сырного зерна в зависимости от температур свертывания и второго нагревания; динамику активного кальция; способы формования и посолки, влагосодержание сырной массы и т. д.

Основной доминирующий компонент молока – вода. Это одновременно и реагент, и реакционная среда. Если оценивать значение воды в производстве сыра в самом общем виде, то именно вода является автором сценария процесса превращения молока в сыр, а статус режиссера-­постановщика принадлежит температуре. Вода по своей сути является организатором процессов взаимодействия между компонентами молока через особенности их гидратных оболочек [4]. Белок в процессе превращения молока в сыр играет роль строительного материала, т. е. белкам принадлежит приоритет в формировании структуры продукта. Жиру и углеводам отводится роль связующих и энергетических компонентов. На вкусообразование влияют в основном продукты ферментативного распада белковой и жировой фаз, что обеспечивается видами заквасочных микроорганизмов.

Общую направленность процесса производства сыра определяет динамика рН (при этом изменяется структура воды и структура гидратных оболочек). Величина рН (power Hidrogen – «сила водорода»), введенная для формализации и описания свойств воды является фиксатором изменчивости ее поведения.

Температура – внешний фактор воздействия на динамику и специфику происходящих взаимодействий. Изменение температуры влияет на структуру воды и, соответственно, на соотношение ионов Н+ и ОН– в водной фазе молока. Поэтому щадящие режимы пастеризации при производстве сычужных сыров применяются не только с целью защиты белковой фазы от денатурации, но и для сохранения информационных свойств воды. Подтверждением этому является тот факт, что молоко, разбавленное водой, не дает плотного сычужного сгустка и из него невозможно получить качественную продукцию.

Производство сыра – это способ консервирования молока путем удаления излишней влаги. Для этого молоко нужно свернуть и отделить сгусток от сыворотки. Свертывание молока – это потеря системой стабильности, что зависит от воздействия внешних факторов. Механизмы свертывания молока принято подразделять на 4 типа (см. табл.).

Особенности сычужного свертывания. Из четырех типов свертывания молока именно сычужное свертывание обладает схожестью с процессом свертывания крови. Причиной этого, во-­первых, являются параметры молока: рН наиболее приближенный к нейтральному (6,8 – 6,5 ед.) и диапазон температур, входящий в зону физиологических (32 – 39 °С). Во-­вторых, общим условием для запуска этих процессов свертывания необходимо ферментативное вмешательство в статичность белковых структур. В сыроделии таким внешним фактором выступает сычужный фермент (или другие молокосвертывающие ферменты) [2].

В настоящее время процесс свертывания крови (гемокоагуляция) рассматривается как каскадно-­матричная система – процесс активации одних ферментов другими ферментами вплоть до момента формирования сгустка крови. Причем факторы свертывания крови создают не просто цепь реакций, а разветвленную сеть с системой самоусиления. При этом каждый фермент (как катализатор) активирует более чем одну реакцию. В процессе гемокоагуляции участвуют более 20 различных белков, составляющих систему свертывания крови. В силу каталитической природы процесса факторы, действующие на начальных этапах, требуются в очень малых количествах. Их эффект многократно увеличивается благодаря большому количеству последующих этапов [5, 8].

На текущий момент в свежем сыром молоке обнаружено достаточно высокое количество ферментов. Их локализация оценивается следующим образом: ~ 25 ферментов находятся в водной фазе в свободном состоянии; ~ 20 ферментов связаны с мицеллами казеина и реже – с сывороточными белками; ~ 36 ферментов связаны с оболочками жировых шариков молока [9]. Попадая в молоко из крови, ферменты принимают статус «нативные ферменты молока». Химозин (сычужный фермент), пепсин и реннилаза (микробиологический молокосвертывающий фермент) имеют статус «технические ферменты» [10].

При свертывании крови, как и при сычужном свертывании молока, выделяется
4 основных периода: инициирование (индукционный период); усиление (стадия
флокуляции); распространение (стадия метастабильного равновесия); – посткоагуляционная фаза (стадия синерезиса) [8].

Следует подчеркнуть, что главное условие получения сгустков в крови и в молоке – это формирование в среде длинных и тонких белковых молекул. Основа формирования сгустка при свертывании крови – превращение белка фибриногена (норма его содержания в плазме крови 2 – 4 г/л) в нерастворимый фибрин. При активации системы свертывания крови фибриноген подвергается расщеплению ферментом тромбином. Образующийся фибринмономер под действием ионов Са2+ и трансглутаминазы (фактора свертывания крови XIIIа) полимеризуется в виде фибрин­полимера, образующего в крови сетку, в ячейках которой фиксируются эритроциты и другие клетки крови. Кровь из жидкого состояния переходит в желеобразное (свертывается). Тромбин – ключевой фермент системы свертывания крови – запускает процесс полимеризации, а плазмин упорядочивает сгусток за счет отщепления так называемых «продуктов деградации фибрина», нарушающих полимеризацию фибрин­мономеров, что приводит к уплотнению первичного рыхлого сгустка и выделению сыворотки крови [7, 11].

Примерно то же самое происходит и в процессе сычужного свертывания. В молоке основные структурообразующие белки присутствуют в форме мицелл (казеины) или глобул (сывороточные белки). Чтобы произошел процесс полимеризации, необходимо также придать им развернутую нитеобразную форму и сшить отдельные нити пептидными связями.

Сформированный в процессе свертывания (при воздействии сычужного фермента и нативных протеолитических ферментов молока) первичный рыхлый сгусток не отличается прочностью. Технологический прием разрезки способствует формированию более прочного «основного сгустка» (в виде сырного зерна) путем отторжения в сыворотку фрагментов расщепления белков, не способных к полимеризации. К последним относятся гликомакропептиды, отщепленные от к­казеина, и протеозопептонные фракции. При постановке и обработке сырного зерна происходит выделение лишней сыворотки и уплотнение «основного сгустка», который в дальнейшем трансформируется в монолит сырной массы на стадиях формования и прессования [2].

Возможно, проведенные аналогии помогут раскрыть секрет механизма сычужного свертывания. За примерно 100-­летнюю историю научных поисков в этой области создано несколько десятков моделей структуры казеиновых мицелл и теорий сычужного свертывания, но ни одна из них с полной достоверностью не объясняет механизм формирования структуры сычужного сгустка.

Особенности кислотно­-сычужного свертывания. Из всего многообразия продуктов переработки молока именно технологии кислотно-­сычужных сыров наиболее приближены к природному циклу преобразования молока в ЖКТ телят молочного периода. При попадании молока в сычуг на него оказывают воздействие соляная кислота и сычужный фермент. В молоке жестко меняется рН: с 6,8 – 6,7 ед. до 5,4 ед. и менее. 

В этих условиях происходит расформирование казеиновых мицелл и, соответственно, высвобождение белковых фракций. В сычуге образуются хлопьевидный сгусток и сыворотка, т. е. воздействие сычужного фермента и рН ниже 5,4 является условием расформирования казеиновых мицелл.

Суть процесса кислотно-­сычужного свертывания в сыроделии также состоит в совместном воздействии сычужного фермента и ионов Н+ (прямое подкисление и/или продуцирование кислот микроорганизмами). Данный тип свертывания используется в сырах с чеддеризацией. Причем в зависимости от особенностей технологии процесс чеддеризации может быть осуществлен: в сгустке (чечил), в зерне (моцарелла) или в пласте (чеддер, сулугуни). Чеддеризацию можно рассматривать как процесс перестройки структуры казеинов – переход белков из глобулярной формы в фибриллярную. Причем слоистая структура возникает тогда, когда потери кальция сгустком достигают 75% (от общего его количества в молоке) [3].

Особенности термокислотного свертывания. Это тип неферментативного свертывания. Получение сгустка в зоне высоких температур (вплоть до 90 – 95 °С) приводит к разрушению структуры воды и снятию гидратных оболочек с компонентов «сухого остатка» молока, что приводит к быстрому хаотичному формированию белково­жировых ассоциатов и их объединению, обеспечивая высокий выход продуктов.

Особенности кислотного свертывания. Проводится при низких уровнях рН 4,9 – 4,7, т. е. при ИЭТ казеинов. Поэтому в продуктах кислотного свертывания молока казеины в основном находятся в нативном виде. Продукты кислотного свертывания, вырабатываемые с отделением сгустка от сыворотки, обычно относят к кисломолочным продуктам, хотя в международной практике их считают сырами, поскольку они представляют белково­жировые концентраты молока [6].

Два последних типа свертывания характерны для выработки свежих сыров, т. е. для сыров без созревания (или с минимальными сроками созревания). Отсутствие выраженных ферментативных процессов протеолиза и липолиза определяет их органолептические показатели, поэтому такие сыры часто вырабатываются с наполнителями.

Частные технологии производства натуральных сычужных сыров с созреванием отличаются друг от друга тем, что имеют различную интенсивность белковых преобразований в диапазоне рН 5,8 – 5,1 [3]. В этой связи алгоритмика превращения молока в сыр наилучшим образом описывается «кривой рН», ход которой характерен для каждого вида сыра. Установлено, что именно тип кривой кислотности при выработке сыров и особенно динамика рН в первые 24 ч являются факторами, которые в значительной степени определяет качественные показатели сыров в возрасте кондиционной зрелости. Для всех частных технологий сычужных сыров динамика рН (с небольшими отклонениями) описывается общей схемой: (рН 6,8 – 6,5) → (рН 5,2 – 5,1) → (рН 5,5 – 5,8).

Главенствующими параметрами белковых преобразований являются: скорость кислотообразования и интенсивность протеолиза, которые находятся в конкурентных отношениях. Смысл частных технологий сыров состоит в том, чтобы создать наиболее благоприятные условия либо для протекания протеолиза, либо для нарастания кислотности.

На стадии формирования сгустков осуществляется процесс биотрансформации молочных белков и от алгоритма образования связей (белок-­белок и жир-­белок) зависит распределение компонентов молока между сгустком и сывороткой, т. е. выход сыра. Традиционно количество сухих веществ молока в сыворотке в среднем составляет 6,25%. В процентах от доли сухих веществ молока ~ 51% переходит в сыр и ~ 49% остается в сыворотке. Повышение выхода сыра и улучшение его качества – это насущная проблема сыродельной отрасли.

На современном уровне развития сыроделия необходимы систематизация и обобщение новых знаний, полученных в научных исследованиях по таким дисциплинам, как медицина, энзимология, биохимия, микробиология, общая, физическая, коллоидная и органическая химия, физика и химия молока и др., применительно к трансформации компонентов молока по ходу его переработки. Понимание сущности процессов преобразования молока в сыр будет способствовать совершенствованию существующих технологий производства сыров, что повысит эффективность их производства.

Литература

1. Алексеев Н. Г., Кудрявцева Т. А. Микроструктура молока и молочных продуктов: конспект лекций. – Л.: Изд-­во Ленинградского технологического института холодильной промышленности. 1984. – 48 с.

2. Мироненко И. М. Вероятные участники процесса сычужного свертывания молока // Сыроделие и маслоделие. – 2019. № 4. С. 20 – 23.

3. Мироненко И. М. Процесс чеддеризации в сыроделии // Сыроделие и маслоделие. – 2017. № 2. С. 34­-38.

4. Мироненко И. М. Участие воды в формировании структуры сыров // Сыроделие и маслоделие. – 2019. № 1. С. 14 – 16.

5. Особенности свертывания крови. – 2015. [Электронный ресурс]. – URL: http:// doktorland.ru/razvitie­75.html (дата обращения: 9.08.2018).

6. Раманаускас Р. Классификация сыров // Сыроделие и маслоделие. – 2011. № 6. С. 12 – 16.

7. Свертывающая и антисвертывающая системы крови. – 2019. [Электронный ресурс]. – URL: https://dendrit.ru/page/show/mnemonick/svertyvayuschaya ­
(дата обращения: 17.09.2019).

8. Современные представления о гемокоагуляции. – 2019. [Электронный ресурс]. – URL: https://en.ppt­online.org/279011 (дата обращения: 09.07.2019).

9. Справочник технолога молочного производства. Т. 10. В. П. Шидловская. Ферменты молока. – СПб.: ГИОРД, 2006. – 296 с: ил.

10. Тепел А. Химия и физика молока. – СПб.: Профессия, 212. – 832 с.

11. Фибриноген. – 2019. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki

Журнал «Cельская Сибирь» № 1(15) 2020