Ομογενοποίηση του γάλακτος με υπέρηχους. Μεταβολές των συστατικών και των ιδιοτήτων του γάλακτος

Abstract

Με την ομογενοποίηση, το γάλα αποκτά μια ομοιογενή σύσταση, η οποία διατηρείται για ορισμένο χρονικό διάστημα, χωρίς να αλλάζει. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διάσπαση των λιποσφαιρίων του γάλακτος σε μικρότερου μεγέθους λιποσφαίρια, μέσω της διεργασίας της ομογενοποίησης. Η πλέον χρησιμοποιούμενη μέθοδος στη βιομηχανία για την ομογενοποίηση του γάλακτος είναι η υψηλή πίεση. Στην παρούσα, όμως, εργασία μελετήθηκε η ικανότητα των υπέρηχων, μηχανικών κυμάτων συχνότητας μεγαλύτερης των 20 KHz, να επιτύχουν ικανοποιητική διάσπαση των λιποσφαιρίων του γάλακτος, ώστε το τελικό προϊόν να μην παρουσιάζει διαχωρισμό λιπαρών (ανομοιογένεια). Κατά την πειραματική διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις εντάσεις υπέρηχων, δύο χρόνοι έκθεσης των δειγμάτων στους υπέρηχους και οι συνθήκες αυτές εφαρμόστηκαν σε δύο είδη γάλακτος. Συγκεκριμένα δοκιμάστηκαν σε πλήρες και αποβουτυρωμένο γάλα εντάσεις υπέρηχων 150, 350, 550 και 750 W με διάρκεια έκθεσης 2 και 10 min. Για μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της επίδρασης της επεξεργασίας στις ιδιότητες του γάλακτος, εκτός από τα δείγματα που ομογενοποιήθηκαν με υπέρηχους, εξετάστηκαν και δύο άλλα δείγματα, το τυφλό (Τ1) που δεν είχε υποστεί καμία επεξεργασία και το τυφλό (Τ2) που είχε υποστεί μόνο θερμική κατεργασία. Με βάση τη μείωση του μεγέθους των λιποσφαιρίων που επιτεύχθηκε, η ομογενοποίηση με υπέρηχους κρίθηκε αποτελεσματική. Τα λιποσφαίρια μειώθηκαν σε μέγεθος σε ικανοποιητικό βαθμό. Αποδείχθηκε ότι όσο μεγαλύτερη ήταν η ένταση των υπέρηχων και ο χρόνος έκθεσης των δειγμάτων στους υπέρηχους, τόσο πιο μικρό ήταν και το μέγεθος των λιποσφαιρίων στο ομογενοποιημένο γάλα. Συγκεκριμένα, το μέγεθος των λιποσφαιρίων, πλήρους γάλακτος, πριν την επεξεργασία με υπέρηχους ήταν 3-3,5 μm. Με έκθεση των δειγμάτων σε εντάσεις υπέρηχων 150, 350, 550 και 750 W, για χρόνο επιβολής 2 min, το μέγεθος των λιποσφαιρίων, όπως προσδιορίστηκε μέσω οπτικού μικροσκοπίου, βρέθηκε ίσο με 2,9, 1,8, 1,2 και 0,9 μm, αντίστοιχα. Στις ίδιες εντάσεις υπέρηχων και για χρόνο επιβολής 10 min, το μέγεθος των λιποσφαιρίων βρέθηκε ίσο με 2,3, 0,9, 0,7 και 0,4 μm, αντίστοιχα. Το μέγεθος των λιποσφαιρίων προσδιορίστηκε, επίσης, και με το όργανο zetasizer. Με το συγκεκριμένο όργανο το μέγεθος των λιποσφαιρίων πλήρους γάλακτος, πριν την επεξεργασία των δειγμάτων κυμαινόταν μεταξύ 5-5,1 μm. Με έκθεση των δειγμάτων σε εντάσεις υπέρηχων 150, 350, 550 και 750 W, για χρόνο επιβολής 2 min, το μέγεθος των λιποσφαιρίων, βρέθηκε ίσο με 4,8, 4,6, 4,7 και 4,5 μm, αντίστοιχα. Στις ίδιες εντάσεις υπέρηχων και για χρόνο επιβολής 10 min, το μέγεθος των λιποσφαιρίων βρέθηκε ίσο με 5,1, 2,7, 0,7 και 0,4 μm, αντίστοιχα. Με το όργανο zetasizer προσδιορίστηκε και το μέγεθος των καζεϊνικών μικκυλίων. Συγκεκριμένα, το μέγεθος των καζεϊνικών μικκυλίων των μη επεξεργασμένων δειγμάτων γάλακτος κυμαινόταν μεταξύ 0,35-0,4 μm. Στο πλήρες γάλα, σε εντάσεις υπέρηχων 150, 350, 550 και 750 W και χρόνο επιβολής στους υπέρηχους 2 min, το μέγεθος των καζεϊνικών μικκυλίων βρέθηκε ίσο με 0,35, 0,46, 0,51 και 0,6 μm, αντίστοιχα, ενώ για χρόνο επιβολής 10 min, για ένταση υπέρηχων 150 W το μέγεθος των μικκυλίων βρέθηκε ίσο με 0,47 μm, για ένταση 350 W ίσο με 0,67 μm και για ένταση 550 W ίσο με 0,37 μm, ενώ για το δείγμα έντασης 750 W δεν βρέθηκαν καζεϊνικά μικκύλια, πολύ πιθανό λόγω της επικάλυψης της κατανομής τους από την κατανομή των λιποσφαιρίων του γάλακτος. Στην περίπτωση του αποβουτυρωμένου γάλακτος, το μέγεθος των καζεϊνικών μικκυλίων, σε όλες τις εντάσεις των υπέρηχων, για χρόνο επιβολής υπέρηχων 2 min, κυμαινόταν μεταξύ 0,28-0,29 μm, ενώ για χρόνο επιβολής 10 min, κυμαινόταν μεταξύ 0,3-0,33 μm. Τα δείγματα του γάλακτος παρουσίασαν διαφορές στο χρώμα ανάλογα με το χρόνο έκθεσης στους υπέρηχους. Στο πλήρες γάλα για χρόνο έκθεσης των δειγμάτων στους υπέρηχους 2 min, με αύξηση της έντασης των υπέρηχων, από 150 W στα 750 W, το χρώμα γινόταν όλο και πιο ανοιχτό, με πιο λευκό χρώμα να παρουσιάζει το δείγμα έντασης υπέρηχων 750 W. Για χρόνο έκθεσης στους υπέρηχους 10 min, λευκότερο χρώμα παρουσίασαν τα δείγματα που εκτέθηκαν σε ένταση υπέρηχων 150 και 750 W, ενώ τα δείγματα σε ένταση υπέρηχων 350 και 550 W είχαν πιο σκούρο χρώμα. Στην περίπτωση του αποβουτυρωμένου γάλακτος, το χρώμα του τόσο για χρόνο έκθεσης στους υπέρηχους 2 min, όσο και για χρόνο 10 min, διατηρήθηκε σταθερό, με το χρώμα του αποβουτυρωμένου γάλακτος να είναι πιο λευκό κατά την επεξεργασία με υπέρηχους για χρόνο 2 min. Το ιξώδες των δειγμάτων γάλακτος τόσο για πλήρες όσο και για το αποβουτυρωμένο γάλα δεν επηρεάστηκε σημαντικά από την επεξεργασία με υπέρηχους. Όσον αφορά την επίδραση των υπέρηχων στις πρωτεΐνες, βρέθηκε ότι ο βαθμός μετουσίωσης αυτών ήταν σχεδόν ίδιος για όλα τα θερμικά επεξεργασμένα δείγματα πλήρους και αποβουτυρωμένου γάλακτος για χρόνο έκθεσης στους υπέρηχους 2 min, ενώ για χρόνο 10 min τα επεξεργασμένα με υπέρηχους δείγματα είχαν αυξημένο βαθμό μετουσίωσης, σχεδόν διπλάσιο, πράγμα που αποδεικνύει ότι ο μεγαλύτερος χρόνος επεξεργασίας επιδρά σε μεγαλύτερο βαθμό στη μετουσίωση των πρωτεϊνών. Με βάση τα μικροβιολογικά αποτελέσματα φάνηκε ότι οι υπέρηχοι συμβάλλουν σε μικρό βαθμό στη μείωση του μικροβιακού φορτίου του γάλακτος και ότι όσο αυξάνεται η ένταση των υπέρηχων, τόσο σημαντικότερη είναι κι η συμβολή τους. Από οργανοληπτική άποψη, τα δείγματα με μικρό χρόνο έκθεσης σε υπέρηχους μικρότερης έντασης (150 W 2 min), απορρίπτονταν πολύ σύντομα, λόγω ανεπαρκούς ομογενοποίησης, όπως και τα δείγματα με μεγάλο χρόνο έκθεσης σε υπέρηχους μεγαλύτερης έντασης (750 W 10 min), λόγω αλλοίωσης της οσμής τους. Τόσο το πλήρες όσο και το αποβουτυρωμένο γάλα που είχε επεξεργαστεί σε μεγαλύτερες εντάσεις υπέρηχων (350, 550 και 750 W) για 4 ημέρες σε ψύξη διατηρήθηκε σταθερό παρουσιάζοντας μικρή συσσωμάτωση των λιποσφαιρίων. Στα δείγματα που είχαν επεξεργαστεί με υπέρηχους για χρόνο 10 min το μικροβιακό φορτίο διατηρήθηκε σχεδόν σταθερό και κατά τη διάρκεια των 4 ημερών αποθήκευσης.

The aim of this thesis was the application and the effect of ultrasonic homogenization in whole and skim milk and the study of the change of properties and constituents of milk, both immediately after treatment of milk and when stored at cooling for 2 and 4 days. Due to the homogenization, milk becomes homogeneous and remains stable for a long time. The main effect of homogenization is the reduction of fat globules size. The industrial method for milk homogenization is applied with high pressure homogenizers. In the present project the ability of ultrasound, mechanical sound waves with frequency greater than 20 KHz, was studied as a method of homogenization, during which in the final product fat aggregation and separation would not be observed. During the experimental procedure there were used four ultrasound intensities 150, 350, 550 and 750 W, two exposure times of the samples to ultrasound 2 and 10 min and two kinds of milk, whole and skim milk. In order to understand the effect of ultrasound in milk, two blank samples were used. The first (T1) was only fat standardized and the second (T2) was fat standardized and heat treated. The action of ultrasound in milk homogenization was observed in the efficiency fat globules size reduction with the help of optical microscope. It was proved that the more intensity and exposure time of ultrasound were increased the more fat globules size was reduced. The initial size was 3-3,5 μm and after homogenization conditions 750 W and 2 min the size was reduced up to 0,9 μm, but for exposure time at the same intensity the size was further reduced to 0,4 μm. The fat globules size was also measured with Zetasizer. The initial size was ranged between 5-5,1 μm and after homogenization conditions 750 W and 2 min the size was reduced up to 4,5 μm, but for exposure time at the same intensity the size was further reduced to 0,4 μm. As far as the sample colour was concerned there were observed differences due to the exposure time. More specifically, both whole and skim milk treated with higher exposure time presented brighter colour than the samples treated for 2 min. The viscosity of the milk samples wasn’t significantly altered by the ultrasound treatment. The effect of ultrasound in milk protein denaturation was also measured. For exposure time of 2 min the percentage of protein denaturation was nearly 20% for all heat treated milk samples, which meant that in low exposure times, ultrasound don’t further denaturate proteins. On the other hand, for exposure time of 10 min the percentage of milk protein denaturation was up to 40%. The microbiological results showed that the more intensity and exposure time of ultrasound were increased the more viable colony count was reduced. As far as the sensory evaluation was concerned, samples treated with low intensity and exposure time (150 W 2 min) were rejected due to the insufficient homogenization whereas samples with high intensity and exposure time (750 W 10 min), were also rejected due to the off flavor of milk. The samples with intermediate conditions of treatment were considered acceptable. Both whole and skim milk, which were treated with higher ultrasound intensities (350, 550 και 750 W) were remained stable during cooling for 4 days and there were no aggregation was observed. Samples, which were treated with higher exposure time (10 min) haven’t shown any change in the viable colony count during storage.