برهم کنش های پروتئین های شیر در طول تولید شیر خشک بدون چربی

جهت مطالعه در مورد فرایند تولید شیر خشک بدون چربی اینجا کلیک کنید.

مرحله پیش‌گرمایش:

پیش‌گرمایش تا حد زیادی برای کنترل ویژگی­‌های عملکردی پودر استفاده‌می‌شود. تغییرات زیادی در شیر در هنگام پیش‌گرم‌شدن رخ می‌دهد: دناتوراسیون پروتئین آب پنیر، اتصال پروتئین­‌های آب پنیر با میسل کازئین، انتقال کلسیم محلول و فسفات محلول به فاز کلوئیدی، از بین رفتن باکتری‌ها و غیر فعال‌سازی آنزیم­‌ها(Arab tehrany and Sonneveld, 2010).

عملیات پیش‌گرمایش‌، قبل از تبخیر‌، مهم‌ترین ابزار در تولید شیر خشک بدون چربی است. دمای پیش‌گرمایش بسیار متفاوت است‌، از پاستوریزاسیون (72 درجه سانتی گراد به مدت 15 ثانیه)‌، تا درجه حرارت پایین‌، گرمایش طولانی مدت (به عنوان مثال 85 درجه سانتیگراد تا 30 دقیقه) تا درجه حرارت بالا و گرمایش کوتاه مدت (120 درجه سانتیگراد برای 2 دقیقه) با استفاده از گرمایش مستقیم (تزریق بخار) یا غیر مستقیم (مبدل حرارتی صفحه ای). مهم‌ترین اثرات پیش‌گرمایش بر پروتئین‌های شیر‌، دناتوره‌شدن پروتئین‌های آب پنیر و پیوستن آن‌‌ها با میسل‌های کازئین است. پروتئین‌های کوچک آب پنیر‌، آلبومین سرم و ایمونوگلوبولین‌ها در دمای 65 درجه سانتیگراد شروع به دناتوره شدن می‌کنند‌، اما پروتئین‌های اصلی آب پنیر‌، β- لاکتوگلوبولین (β-LG) و α-لاکتالبومین (α-LA)‌، در دما‌های بالاتر70-75 درجه دناتوره‌شدن قابل توجهی نشان‌می‌دهند(Singh, 2007).

ترتیب حساسیت پروتئین‌های مختلف آب پنیر به واسرشت شدن ناشی از حرارت  به صورت زیر گزارش شده‌است:

ایمونوگلوبولین‌ها> سرم آلبومین> βلاکتوگلوبولینA> βلاکتوگلوبولینB > αلاکتالبومین

در شرایطی که در شیر وجود دارد‌، دناتوره‌شدن پروتئین‌های آب پنیر بلافاصله با واکنش‌های تجمع همراه‌می‌شود. پروتئین‌های آب پنیر دناتوره‌شده می‌توانند با میسل‌های کازئین‌، به طور خاص با κ-کازئین موجود در میسل‌ها برهم‌کنش داشته‌باشد  و یا به‌سادگی با مولکول‌های خود تولید محصولات پلیمری کنند. نشان داده‌شده‌است که βلاکتوگلوبولین با αلاکتالبومین کمپلکس‌هایی تشکیل‌می‌دهد که می‌توانند متعاقباً با κ- کازئین برهم‌کنش داشته‌باشند، که برهم‌کنش اصلی بین βلاکتوگلوبولین و κ-کازئین شامل تشکیل پیوند‌های دی سولفیدی بین آن‌ها است. دو پل دی سولفید و یک گروه تیول آزاد در ساختار طبیعی βلاکتوگلوبولین نقش مهمی در این برهم‌کنش دارند. عملیات حرارتی باعث می‌شود که β-LG طبیعی تبدیل به مونومر غیر طبیعی و دایمر غیرطبیعی با پیوند دی سولفید شود که سپس با αلاکتالبومین یا κ-کازئین تعامل دارند. جالب است که αs2- کازئین که دارای یک پل دی سولفیدی است‌، در شیر‌ها با βلاکتوگلوبولین برهم کنش ندارد. این ممکن است به این دلیل باشد که αs2- کازئین در داخل میسل‌ها قرار دارد و برای βلاکتوگلوبولین قابل دسترسی نیست یا αs2- کازئین پایدار است‌، به ویژه به عنوان یک دیمر(Singh, 2007).

برهم کنش پروتئین‌های آب پنیر با میسل‌های کازئین با تغییر در اندازه میسل کازئین در طول عملیات حرارتی مرتبط است. در حرارت‌دادن شیر در دمای حداکثر 100 درجه سانتی گراد‌، تغییر اندازه میسل به PH شیر در حرارت بستگی دارد‌، که این امر همچنین بر میزان پیوستن پروتئین‌های دناتوره‌شده آب پنیر با میسل‌ها تأثیر می‌گذارد. در pH 6.5‌، جایی که حدود 70 درصد پروتئین‌های دناتوره‌شده آب پنیر به میسل‌ها پیوسته  بود‌، اندازه متوسط میسل حدود 35 نانومتر افزایش یافت. در pH 6.7‌، جایی که پروتئین آب پنیر پیوسته حدود 30 بود‌، اندازه میسل فقط حدود 5 نانومتر افزایش یافت. در صنایع لبنی‌، WPNI یک معیار رایج برای دناتوراسیون پروتئین آب پنیر در پودر‌های شیر بدون چربی است. اساساً‌، پودر در آب حل شده و سپس با محلول NaCl اشباع شده و به دنبال آن فیلتراسیون انجام می‌شود که پروتئین‌های آب پنیر دناتوره‌شده و کازئین را حفظ می‌کند. فیلتر برای محتوای پروتئین آن تجزیه و تحلیل می‌شود و مقدار آن به صورت WPNI بیان می‌شود که مقدار پروتئین آب پنیر غیر دناتوره‌شده در هر گرم پودر است. بنابراین‌، با افزایش میزان دناتوراسیون پروتئین‌های آب پنیر‌، WPNI کاهش می‌یابد. همبستگی مثبت قوی (R2> 0.95) بین WPNI و میزان دناتوراسیون βلاکتوگلوبولین یا پروتئین کل آب پنیر نشان‌داده‌شده که توسط تجزیه الکتروفورز ژل پلی‌آکریل‌آمید(PAGE) تعیین‌شده‌است . یک محدودیت عمده WPNI این است که محتوای اصلی پروتئین آب پنیر شیر را در نظر نمی‌گیرد. بنابراین‌، هرچه میزان پروتئین آب پنیر شیر خام قبل از عملیات حرارتی بیشتر باشد‌، WPNI پودر بیشتر است .

از آنجا که میزان پروتئین آب پنیر در شیر خام با شیردهی و/یا فصل متفاوت است‌، استفاده از WPNI تنها زمانی رضایت‌بخش است که محتوای اصلی پروتئین آب پنیر شیر خام نشان‌داده‌شود. بر اساس WPNI،  شیر خشک بدون چربی را می توان به انواع کم‌، متوسط ​​و با حرارت بالا طبقه‌بندی کرد. WPNI همچنین یک شاخص ناخالص‌، با محدودیت‌های خاص‌، مناسب بودن شیر خشک بدون چربی برای برنامه‌های مختلف است (Patel et al, 2007). میزان فعل و انفعالات پروتئینی که در حین پیش‌گرم‌شدن رخ‌ می‌دهد نیز بر حلالیت پودر و عمر مفید آن تأثیر می‌گذارد. به طور کلی‌، هرچه درجه دناتوراسیون و تجمع بیشتر باشد‌، حلالیت پودر ضعیف‌تر و ثبات اکسیداتیو شیر خشک کامل بهتر است(Singh, 2007).

مرحله تبخیر:

هدف از تبخیر حذف هرچه بیشتر آب بدون تأثیر منفی بر کیفیت پودر است. با افزایش غلظت شیر‌، ویسکوزیته آن افزایش‌می‌یابد و حذف آب را دشوارمی‌کند. بنابراین‌، فرایند تبخیر تنها به تغلیظ شیر تا مواد جامد کل 50درصد محدودمی‌شود. تبخیر شیر به طورمعمول در دمای بین 50 تا 70 درجه سانتی گراد و زمان ماندگاری در هر مرحله حدود 1 دقیقه انجام می‌شود . در این شرایط‌، دناتوراسیون پروتئین آب پنیر حداقل در نظرگرفته‌می‌شود. تبخیر شیر بدون چربی به 47 تا 49 درصد کل مواد جامد در یک تبخیر کننده چند اثر‌، و عملیات حرارتی متعاقب آن کنسانتره در محدوده64 -74 درجه هیچ تأثیر قابل توجهی بر دناتوراسیون βلاکتوگلوبولین‌، αلاکتالبومین‌، آلبومین سرم یا ایمونوگلوبولین G ندارد. این تا حدی به دلیل افزایش پایداری پروتئین‌های آب پنیر در غلظت بالای کل مواد جامد در نظرگرفته‌شد(Singh, 2007).

pH شیر در طول تغلیظ از متوسط ​​مقدار اولیه 6.7 به تقریبا 6.3 در 45درصد مواد جامد کل کاهش‌می‌یابد. این امر تا حدی ناشی از تغییر در تعادل نمک است زیرا فسفات کلسیم بیشتری از محلول به حالت کلوئیدی منتقل‌می‌شود‌، با انتشار همزمان یون‌های هیدروژن. وقتی شیر با تبخیر حدود پنج برابر تغلیظ می‌شود‌، کلسیم محلول و فسفات محلول تا دو برابر افزایش‌می‌یابد‌، بقیه کلسیم محلول و فسفات محلول به حالت کلوئیدی تبدیل‌می‌شود. فعالیت یون‌های کلسیم تنها اندکی افزایش‌می‌یابد اما نسبت کاتیون‌های تک ظرفیتی به دو ظرفیتی به طور چشمگیری افزایش‌می‌یابد. میسل‌های کازئین ممکن‌است به دلیل افزایش کلسیم فسفات کلوئیدی یا به دلیل ادغام میسل‌ها اندازه خود را افزایش‌دهند‌. در حالی که مطالعات متعددی در مورد رفتار پروتئین‌ها در شیر معمولی انجام‌شده‌است‌، تحقیقات در مورد شیر تبخیر شده به دلیل گرانروی زیاد و گرایش به ژله‌شدن بسیار مشکل است(Singh, 2007).

مرحله خشک‌کردن پاششی:

خشک‌کردن پاششی رایج ترین روش خشک‌کردن شیر و فرآورده‌های شیر است. این شامل حذف سریع رطوبت، منجر به تشکیل لاکتوز آمورف می‌شود، که ماتریس پیوسته ای را تشکیل‌می‌دهد که در آن پروتئین‌ها‌، گلبول‌های چربی و سلول‌های هوا پراکنده‌می‌شوند(Arab tehrany and Sonneveld, 2010).

تغییرات ایجاد شده در سیستم‌های شیر با خشک‌کردن پاششی به خوبی درک‌نشده‌است. بسته به نوع طراحی خشک‌کن‌، شرایط کارکرد و مدت زمان نگهداری پودر قبل از سردشدن‌، قرار گرفتن در معرض حرارت شیر ​​در هنگام خشک‌کردن پاششی ممکن است بطور قابل توجهی متفاوت باشد. خواص بومی اجزای شیر اساساً در شرایط خشک‌شدن متوسط ​​تغییرنمی‌کند. توزیع اندازه معمولی میسل‌های کازئین و پایداری حرارتی آن‌‌ها و ویژگی‌های رنیتینگ آن‌‌ها پس از بازسازی شیر خشک‌شده‌پاششی به میزان قابل توجهی بازیابی می‌شود(Singh, 2007).

در طول خشک‌شدن پاششی‌، افزایش دناتوراسیون و تجمع پروتئین به احتمال زیاد به دمای هوایی که شیر در آن اسپری می‌شود (دمای هوای ورودی)‌، میزان تغلیظ و دمای کنسانتره قبل از خشک‌شدن‌، اندازه  قطرات و دمای مخلوط هوا/پودر که از خشک کن خارج می‌شود (دمای هوای خروجی) بستگی دارد. خشک‌شدن معمولاً بسیار سریع است و دمای قطرات شیر ​​تا زمانی که تقریباً تمام آب خود را از دست ندهند از 70 درجه سانتی گراد تجاوز نمی‌کند(Singh, 2007).

با نزدیک شدن مراحل خشک‌شدن به انتها، دمای قطرات به دمای هوای خروجی نزدیک‌می‌شود. به همین دلیل‌، دمای هوای خروجی یک پارامتر مهم کنترل آسیب حرارتی به محصولات شیر خشک است. اخیراً نشان‌داده‌شده‌است که دناتوراسیون پروتئین‌های آب پنیر در طول خشک‌کردن پاششی بدون از دست دادن مشخص ایمونوگلوبولین G و فقط از دست دادن کمی آلبومین سرم (3-7درصد)) حداقل بوده‌است. به نظر می رسد تغییر دمای خشک‌کن هوای ورودی/خروجی (200/100 -160/89) تأثیر معنی‌داری بر دناتوراسیون پروتئین آب پنیر ندارد. ممکن است تغییراتی در تعادل نمک‌ها در طول خشک‌شدن با اسپری ایجاد شود. انتظار می رود فرایند خشک‌شدن با تبخیر تغییرات مشابهی را در تعادل نمک‌ها ایجاد کند‌، یعنی افزایش فسفات کلسیم کلوئیدی و کاهش pH. نشان داده شده‌است که غلظت کلسیم محلول و فسفات محلول در شیر بدون چربی بازسازی شده حدود 20 درصد کمتر از شیر اصلی است(Singh, 2007).

منابع :

Singh, Harjinder (2007). Interactions of milk proteins during the manufacture of milk powders, Le Lait, INRA Editions. Vol.87. No.4-5.413-423.

Arab Tehrany, Elmira & Sonneveld, Kees (2010). Packaging and the Shelf Life of Milk Powders. Food packaging and shelf life. Chapter 7. 127-141