Ферментация в молочной промышленности: производство йогурта, сыра и других ферментированных молочных продуктов

Ферментация является одной из старейших и наиболее широко используемых технологий сохранения пищевых продуктов, а в молочной промышленности она служит основой для огромного количества любимых продуктов. От танги сливочной йогурты до сложных профилей выдержанных сыров ферментация превращает простое молоко в продукты с увеличенным сроком годности, повышенной усвояемостью и отличительными сенсорными качествами. На протяжении веков традиционные методы были усовершенствованы современной микробиологией и пищевой наукой, позволяя производителям производить последовательные, безопасные и питательные ферментированные молочные продукты в глобальном масштабе. Понимание биохимических процессов, специфических вовлеченных микроорганизмов и технических параметров, которые управляют ферментацией, имеет важное значение для любого молочного профессионала, стремящегося к инновациям или оптимизации производства.

Что такое ферментация в молоке?

В молочном контексте ферментация представляет собой метаболическое преобразование компонентов молока — в первую очередь лактозы, натурального сахара в молоке — в органические кислоты, газы и другие соединения с помощью отдельных микроорганизмов. Наиболее распространенным путем является гомолаксная ферментация, где молочнокислые бактерии (LAB) превращают лактозу в молочную кислоту. Это подкисление снижает рН молока, заставляя белки казеина коагулировать и образовывать гелеобразную сеть. Получающаяся текстура, кислотность и аромат зависят от конкретных используемых штаммов, условий ферментации и любых последующих этапов обработки, таких как старение или дренаж.

Помимо молочной кислоты, вторичные метаболиты, такие как диацетил, ацетальдегид и углекислый газ, способствуют аромату и текстуре. Например, диацетил придает маслянистую ноту в сметане и некоторых сырах, в то время как ацетальдегид является ключевым компонентом вкуса в йогурте. Взаимодействие этих соединений определяет идентичность продукта.

Наука, стоящая за ферментацией молочной кислоты

Ферментация молочной кислоты является формой анаэробного дыхания. Бактерии разрушают лактозу (диакахарид глюкозы и галактозы) посредством гликолиза, в конечном итоге производя две молекулы молочной кислоты на молекулу лактозы. Эта реакция снижает рН примерно с 6,6 (свежее молоко) до примерно 4,5 или ниже, в зависимости от продукта. При этом рН мицеллы казеина дестабилизируются и агрегируются, образуя непрерывную трехмерную сеть, которая захватывает воду и жировые глобулы — создавая характерную структуру творога йогурта и свежих сыров.

На скорость и степень подкисления влияют температура, наличие питательных веществ (таких как свободные аминокислоты и витамины) и наличие в молоке ингибирующих веществ, таких как природные противомикробные препараты. Для обеспечения надежной ферментации тщательно отбираются стартовые культуры и добавляются в определенных концентрациях.

Роль стартовых культур

Стартерные культуры представляют собой препараты живых микроорганизмов, которые инициируют и контролируют ферментацию. В молочных продуктах они обычно представляют собой одиночные или смешанные штаммы молочнокислых бактерий, с случайным включением дрожжей или плесени для конкретных продуктов. Общие роды включают Lactococcus, Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc и Pediococcus. Каждый штамм способствует уникальным ферментативным действиям, которые влияют на скорость подкисления, производство аромата и текстуру.

Например, йогурт опирается на симбиотические отношения между Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus.S. thermophilus производит муравьиную кислоту и углекислый газ, которые стимулируют L. bulgaricus, что в свою очередь высвобождает аминокислоты, поддерживающие S. thermophilus рост. Этот мутуализм приводит к более быстрому подкислению и более толстому телу. Сыры, напротив, могут использовать мезофильные культуры, такие как Lactococcus lactis subsp.cremoris для чеддер

Ключевые ферментированные молочные продукты

Разнообразие ферментированных молочных продуктов обусловлено различиями в источнике молока (корова, коза, овца, буйвол), содержании жира, стартовых культурах, этапах обработки и режимах старения. Ниже приведены наиболее известные категории, каждая из которых имеет различные методы производства и сенсорные характеристики.

йогурт

Йогурт производится путем ферментации молока с определенной культурой, содержащей Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus. Эти термофильные бактерии процветают при температурах около 40-45 °C. Ферментация обычно длится 4-8 часов, пока рН не достигнет 4,5 или ниже. После ферментации гель может быть охлажден, перемешивается (для питья йогурта) или напрягается (для греческого йогурта) для увеличения толщины и концентрации белка.

Современное производство йогурта часто включает дополнительные пробиотические штаммы, такие как Lactobacillus acidophilus или Bifidobacterium , чтобы повысить претензии к здоровью. Йогурт может быть в стиле набора (ферментированный в финальной чашке) или в стиле перемешивания (ферментированный навалом, затем упакованный).

Сыр

Производство сыра включает коагуляцию молочного белка (казеина) через кислоту или реннет, затем обработку творога для достижения желаемой влаги, текстуры и вкуса. Свежие сыры, такие как рикотта и творог, полагаются в первую очередь на коагуляцию кислоты. Старые сыры, такие как чеддер, гуда и пармезан, проходят период созревания, в течение которого ферменты из культуры стартера, реннета и иногда добавленные формы расщепляют белки, жиры и углеводы на пептиды, аминокислоты, жирные кислоты и летучие соединения.

Каждый сорт сыра использует определенную стартовую культуру и режим созревания. Например, Penicillium roqueforti вводится для создания синих сыров, таких как Roquefort, в то время как поверхностно-разрыхленные сыры, такие как бри и камамберт используют Penicillium camemberti. Содержание влаги, концентрация соли и температура старения влияют на микробную активность и окончательное развитие вкуса. Некоторые сыры промываются рассолом или спиртом для содействия росту Brevibacterium linens, давая характерный оранжевый кожура и острый аромат.

Кефир

Кефир - это ферментированный молочный напиток с тангичным, шипучим вкусом, происходящий из Кавказских гор. Он производится путем прививки молока кефирными зернами - сложной симбиотической матрицей молочнокислых бактерий (например, ]Lactobacillus kefiranofaciens ), уксусно-кислотными бактериями и дрожжами (например, Saccharomyces cerevisiae ). Зерна не являются стартовой культурой в традиционном смысле; они представляют собой живую культурную массу, которую можно повторно использовать для последовательных ферментаций.

Ферментация происходит при 20–30 °C в течение 12–24 часов. Смешанный метаболизм производит молочную кислоту, этанол (обычно 0,5–1% ABV) и углекислый газ, придавая кефиру характерную газировку. Полисахарид кефиран, вырабатываемый Lactobacillus kefiranofaciens, способствует вязким текстура. Кефир часто потребляется из-за его пробиотического разнообразия, которое включает штаммы, не встречающиеся в йогурте.

Кислый крем

Сметана производится ферментирующим кремом (с содержанием молочного жира не менее 18%) с использованием мезофильных молочнокислых бактерий, обычно Lactococcus lactis subsp. cremoris и Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris. Ферментация превращает лактозу в молочную кислоту, понижая pH до 4,5 и утолщая крем. Диацетил, вырабатываемый Leuconostoc, обеспечивает масляный аромат. После ферментации сметану охлаждают, чтобы остановить дальнейшее подкисление, и ее можно стабилизировать желатином или другими загустителями для улучшения текстуры.

пахотный

Традиционная пахта — это жидкость, оставшаяся после отбивания масла из ферментированного крема. Современная культивируемая пахта производится пастеризующим обезжиренным или обезжиренным молоком и прививкой его мезофильной стартерной культурой, аналогичной той, что используется для сметаны. Бродение мягкое, вырабатывая тонкий, оловянный напиток, часто используемый в выпечке. В некоторых регионах пахта также употребляется в качестве освежающего напитка.

Другие ферментированные молочные продукты

Широкий спектр региональных специальностей существует во всем мире. Скир, исландский сыр-йогуртовый гибрид, производится путем ферментации обезжиренного молока с термофильными культурами и затем напрягается. Он имеет толстую, кремовую текстуру и высокое содержание белка. Лабнех - напряжённый йогурт с Ближнего Востока, часто скатывается в шарики и сохраняется в оливковом масле. Клэббер - простой ферментированный молочный продукт, изготовленный путем предоставления сырому молоку естественно кислого и утолщенного при комнатной температуре. Каждый из этих продуктов демонстрирует приспособляемость молочного брожения к местному климату и вкусам.

Процесс ферментации

Хотя каждый продукт имеет определенные вариации, общие шаги для молочной ферментации являются последовательными. Понимание этих шагов помогает обеспечить воспроизводимость, безопасность и качество.

Шаг 1: Отбор и стандартизация молока.] Молоко выбирают на основе желаемого содержания жира, уровня белка и общих твердых веществ. Для йогурта и сыра молоко часто стандартизируется путем корректировки соотношения жира к белку и добавления сухого молока или концентратов для увеличения общего количества твердых веществ, что улучшает текстуру и урожайность.

Шаг 2: Пастеризация.] Молоко нагревают до 72-80°C в течение 15-20 секунд (HTST) или выше в течение длительного времени для устранения патогенных и порчи микроорганизмов. Пастеризация также денатурирует сывороточные белки, что помогает улучшить организм ферментированных продуктов. Для некоторых сыров молоко может подвергаться термической обработке при более низких температурах для сохранения нативных ферментов, важных для вкуса.

Шаг 3: Гомогенизация (необязательно). Для йогурта и некоторых жидких продуктов молоко гомогенизируется для уменьшения размера жировых глобул, предотвращая разделение кремов и улучшая однородность геля.Гомогенизация обычно не используется для твердых сыров, так как она может мешать структуре творога.

Шаг 4: Инокуляции. Молоко охлаждают до оптимальной температуры ферментации (обычно 40–45°C для термофильных культур, 20–30°C для мезофильных). Стартерную культуру добавляют в концентрации 1–5% от объема молока. Для сыра на этой стадии также добавляют сыворотку для коагуляции молока.

Шаг 5: Ферментация и коагуляция.] Молоко удерживается при целевой температуре до достижения желаемого рН. Для йогурта это занимает 4-8 часов. Для мягкого сыра, такого как камамбер, творог образуется в течение 30 минут, после чего его разрезают и сливают. Для твердого сыра творог разрезают на мелкие кусочки, готовят при более высоких температурах и прессуют, чтобы удалить сыворотку перед старением.

Шаг 6: Охлаждение и дальнейшая обработка.] Ферментация прекращается быстрым охлаждением после достижения целевой кислотности. Для йогурта охлаждение также предотвращает разделение сыворотки (синерез). Перемешанный йогурт перемешивается перед охлаждением; установленный йогурт охлаждается как твердый блок. Сыр подвергается солению (сухой или рассол), прессованию, а затем может выдерживаться в течение нескольких дней до нескольких лет при контролируемой влажности и температуре.

Факторы, влияющие на ферментацию

Для производства последовательной высококачественной продукции необходимо жестко контролировать несколько переменных:

• Температура: Каждая стартовая культура имеет оптимальную температуру роста. Отклонение выше нескольких градусов может резко замедлить подкисление или благоприятствовать нежелательным микробам. Например, культуры йогурта терпят неудачу ниже 35°C, в то время как мезофильные культуры ингибируются выше 35°C.
• Время: Время ферментации определяет конечную кислотность и развитие вкуса. Короткая ферментация (3-4 часа) дает мягкие продукты, в то время как длительная ферментация (12-24 часа) производит более острые, более острые ароматы. Чрезмерная ферментация может вызвать чрезмерную кислотность и текстурные дефекты.
• Тип и соотношение культур: Смешивание различных штаммов может улучшить вкус, текстуру и функциональность. Например, добавление в йогурт лактобациллы ацидофилуса обеспечивает пробиотические преимущества, но его рост может быть затруднен культурами, которые производят бактериоцины.
• Молочный состав: Более высокие общие твердые вещества (особенно белок и жир) приводят к более твердым гелям. Молоко с низким содержанием твердых веществ приводит к слабой коагуляции и синерезису. Качество молока — особенно отсутствие антибиотиков, которые могут ингибировать стартовые культуры — имеет решающее значение.
• pH Control: Мониторинг pH в реальном времени позволяет точно отсечь. Многие современные установки используют автоматизированные датчики pH для прекращения ферментации именно тогда, когда достигается желаемая кислотность.
• Доступность кислорода: Большинство молочнокислых бактерий являются факультативными анаэробами, но они лучше всего растут в средах с низким содержанием кислорода. Перемешивание может вводить кислород и влиять на метаболические пути, иногда способствуя окислительным отвратителям.