Несмотря на критику и предостережения со стороны ученых, метод гомогенизации пользуется высокой популярностью благодаря множеству положительных факторов. На крупных производственных площадках процесс гомогенизации становится неотъемлемой частью при изготовлении любого молочного продукта.
Гомогенизация молока. Что значит гомогенизированный сок
Гомогенизация представляет собой процесс, в ходе которого создается равномерная структура продукта: все его компоненты интенсивно измельчаются и тщательно перемешиваются. Эта методика часто используется в производстве различных пищевых продуктов, таких как молоко, соки, пюре, паштеты, майонез, сливочное масло и маргарин. Для осуществления гомогенизации применяются специальные оборудования, известные как гомогенизаторы, которые могут быть механическими, ультразвуковыми или высокого давления.
По сути, данная технология представляет собой способ механической переработки молока и других жидких продуктов, направленной на улучшение дисперсности жировой фазе. В процессе гомогенизации также происходит уменьшение неоднородности распределения химических элементов в объеме гетерофазной структуры. Важно отметить, что эту технологию не следует путать с процессом диспергирования, так как дробление дисперсной фазы не обязательно является составной частью метода гомогенизации. Например, смешивание твердых порошков может обходиться без этой стадии, и наоборот, диспергирование может включать в себя процесс гомогенизации.
МЯКОТЬ — НА МАКСИМУМ
Гомогенизация — это уникальная техника измельчения, обеспечивающая однородную структуру продукта, когда все компоненты сока или пюре равномерно перемешиваются для достижения идеальной консистенции. Это делается для предотвращения образования комков и нежелательных кусочков мякоти в конечном продукте.
Сок, произведенный данным методом, не создается путем простого отжима или восстановлением из однородного массированного состава (фруктовых или овощных пюре), а изготовляется по специальной технологии. Сначала плоды моются и ошпариваются, затем измельчают на протирочных машинах, после чего добавляют сахарный сироп и тонко измельчают получившуюся смесь в гомогенизаторах. В дальнейшем гомогенизированный сок разливают по контейнерам в горячем состоянии и замораживают в специализированных холодильных установках. Получить гомогенизированный сок в домашних условиях через обычный блендер, к сожалению, невозможно.
Стоит отметить, что подобный метод используется не только в производстве соков с мякотью, но также часто встречается в производстве майонеза, пюре, паштетов, сливочного масла, маргарина и других молочных продуктов.
Цель производства гомогенизированного молока заключается в том, чтобы разложить молочный жир на мелкие частицы и равномерно распределить их по всему объему молока, тем самым предотвращая сгущение на поверхности в виде сливок. Это значительно увеличивает срок хранения молока.
ПОЛЬЗА И ВРЕД
Гомогенизированные соки считаются более полезными, так как они сохраняют все компоненты химического состава исходных фруктов и овощей, включая нерастворимые элементы: пищевые волокна, клетчатку, полуклетчатку и протопектин, а также жирорастворимые пигменты.
Особое внимание следует уделить высокому содержанию клетчатки в гомогенизированных соках, которая благоприятно воздействует на работу кишечника. Она стимулирует его перистальтику и способствует выведению токсичных веществ из организма. Употребление такого сока помогает очищать кишечник от шлаков без необходимости прибегать к слабительным средствам. Это особенно важно для тех, кто следит за своим весом.
Не стоит забывать и о натуральной мякоти, которая, по сути, обогащает сок витаминами. При этом в нем отсутствуют нежелательные шкурки и кожицы, что делает его более приятным для употребления.
Зачем нужна гомогенизация?
При хранении молока, налитого в бидоны, жир поднимается на поверхность, поскольку он легче плазмы (обрата), что приводит к их расслоению. Молоко при отстаивании образует крупный комок жира, который, поднимаясь вверх, сталкивается с аналогичными частицами. В условиях иммуноглобулинов происходит агглютинация, то есть склеивание отдельных элементов, и выпадение их в осадок из однородной смеси, что негативно сказывается на консистенции и качестве продукта. Чтобы предотвратить это, необходимо разбить жировые шарики на мелкие частицы, которые не будут образовывать пленки на поверхности.
Скорость всплытия жирового шарика напрямую зависит от его размеров: чем больше шарик, тем быстрее он всплывает. Согласно формуле Стокса, эта скорость пропорциональна квадрату радиуса комочка. Размеры жировых шариков изменяются в диапазоне от 0,5 до 18 мкм. После процесса гомогенизации размер этих частиц уменьшается в среднем в 10 раз (до 0,85 мкм), что замедляет их всплытие в 100 раз. Более того, для мелких шариков, которые меньше 1 мкм, силы взаимного отталкивания превосходят силы притяжения.
В ходе дробления жирового элемента происходит перераспределение вещества его оболочки. Часть фосфатидов переходит в плазму, тогда как плазменные белки образуют оболочку вокруг мелких частиц жира. Все эти процессы способствуют стабилизации жировой эмульсии в гомогенизированном молоке. За счет высокой дисперсности жировых шариков, гомогенизированное молоко практически не подлежит отстаиванию.
Механизм дробления жировых шариков можно объяснить следующим образом. В гомогенизирующем клапане, на границе седла гомогенизатора и клапанной щели, присутствует порог резкого изменения сечения потока и, следовательно, изменение скорости движения. Когда молоко проходит от малых скоростей к высоким, жировой шарик деформируется: его передняя часть, попадая в поток с высокой скоростью, начинает растягиваться в нить и дробится на мелкие капли. Таким образом, степень раздробленности, или эффективность гомогенизации, зависит в первую очередь от скорости потока на входе в гомогенизирующую щель, а значит, от давления гомогенизации, которое всегда определяет эту скорость. Повышение давления усиливает механическое воздействие на продукт, увеличивает дисперсность жира и уменьшает средний размер жировых шариков. При давлении 15 МПа средний размер жировых шариков составляет 1,43 мкм, a эффективность гомогенизации – 74%. При увеличении давления до 20 МПа средний диаметр частиц уменьшается до 0,97 мкм, а эффективность возрастает до 80%.
Для достижения повышения давления можно использовать гомогенизаторы с двумя или тремя клапанами, которые называются двух- и трехступенчатыми соответственно. Следует учесть, что увеличение давления ведет к увеличению расхода электроэнергии, поэтому рекомендованным является диапазон давления от 10 до 20 МПа. Оптимальное давление гомогенизации зависит от типа и состава производимого продукта. При увеличении содержания жира и сухих веществ в продукте рекомендуется использование более низкого давления, чтобы сократить энергетические затраты.
Интенсивность процесса гомогенизации возрастает при повышении температуры, так как при этом жир полностью переходит в жидкое состояние, что снижает вязкость продукта. А при повышенной температуре отстаивание жира также уменьшается. Температура гомогенизации считается оптимальной при 60-65 °C. При температурах ниже 50 °C наблюдается усиление отстаивания жира, что может привести к ухудшению качества продукта. Чрезмерно высокая температура, в свою очередь, может вызвать осаждение сывороточных белков в гомогенизаторе.
Кроме того, эффективность гомогенизации во многом зависит от свойств и состава продукта, таких как вязкость, плотность, кислотность, содержание жира и сухих веществ. При увеличении кислотности молока эффективность гомогенизации снижается, так как в кислых условиях наблюдается уменьшение стабильности белков и образование белковых агрегатов, что затрудняет дробление жировых шариков. Повышение вязкости и плотности также негативно сказываются на эффективности гомогенизации.
Использование гомогенизации
Гомогенизация находит широкое применение в различных областях. Вот некоторые конкретные примеры:
- В пищевой промышленности: при производстве молока, маргарина, сливочного масла, майонеза и других сложных соусов, паштетов, пюре, детского питания и соков;
- В химической промышленности: для изменения формы продуктов и ускорения их переработки;
- В строительстве: для создания бетонных смесей и растворов;
- В лакокрасочной промышленности: для изготовления красок и пигментов;
- В производстве топлива и взрывчатых веществ: для получения ракетного топлива, пороха и водоугольных топливных смесей;
- В косметической и фармацевтической промышленности: для создания кремов и эмульсий.
Медиатека
Гомогенизация представляет собой важный этап подготовки биологических образцов при проведении различных исследований, связанных с анализом, разделением или выделением определенных веществ, например, нуклеиновых кислот и белков. Первоначальный этап подобной работы всегда включает разрушение и измельчение тканей. Это стандартная и крайне необходимая процедура как в лабораторных условиях, так и в ряде промышленных секторов: химическом, фармацевтическом, биотехнологическом, косметическом и пищевом. Поэтому понятие гомогенизации является достаточно обширным и включает множество различных методов. В данной статье мы проанализируем, какие именно методы гомогенизации существуют и для чего они применяются.
Для гомогенизации доступны как немеханические методы, которые требуют применения определенных реагентов для разрушения тканей, так и механические или физические методы, которые опираются исключительно на физическое воздействие.
1. Химический метод.
Химический метод лизиса клеток основан на использовании органических растворителей, таких как ДМСО, толуол, эфир, бензол и метанол, а также разнообразных поверхностно-активных веществ (ПАВ или детергенты), ЭДТА и хаотропных солей. Например, ЭДТА применяется для разрушения клеточной оболочки грамотрицательных бактерий, дестабилизируя липополисахаридный слой и создавая отверстия в клеточной стенке. Различные ПАВ непосредственно повреждают клеточную стенку или мембрану. Одним из наиболее часто используемых ПАВ является додецилсульфат натрия (SDS), который реорганизует клеточную мембрану, нарушая взаимодействия между белками. Главный недостаток использования ПАВ — это риск денатурации многих белков в результате обработки. Кроме того, после лизиса клеток может потребоваться дополнительный этап очистки, что ограничивает использование ПАВ в крупных производственных процессах. Поэтому чаще их используют для однократного лизиса клеток в лабораторных условиях. Хаотропные соли применяются для разрушения слабых взаимодействий между молекулами, таких как водородные связи в воде и гидрофобные взаимодействия между белками, и особенно эффективны для выделения нуклеиновых кислот.
Еще один метод химического разрушения клеток предполагает использование растворителей, таких как спирты, диметилсульфоксид, метилэтилкетон или толуол. Эти вещества извлекают липидные компоненты клеточной стенки и разрушает её целостность. Данный метод является универсальным и может применяться к широкому спектру организмов, однако также может привести к денатурации некоторых белков.
Рис.1. Схема немеханической гомогенизации.
2. Ферментативный метод.
Другой подход к лизису клеток заключается в использовании ферментов. Разные типы клеток имеют различные клеточные стенки и мембраны, поэтому выбираемый фермент зависит от образца, который необходимо разрушить. Например, лизоцим часто применяется для разложения клеточной стенки грамположительных бактерий, а зимолиаза или литиказа необходимы для деградации клеточной стенки дрожжей и грибов. Кроме того, для гомогенизации таких образцов, как дрожжи и грибы, могут быть использованы разнообразные целлюлазы, пектиназы, ксиланазы и хитиназы.
3. Механические/физические методы.
Основной принцип механических методов гомогенизации заключается в сильном физическом воздействии на клетки. Учитывая, что химические вещества при этом не участвуют, белки остаются неповрежденными после высвобождения их из клеток, что делает физические методы весьма полезными для выделения белков и ферментных анализов. К основным физическим методам относятся перетирание в ступке, использование блендеров, ультразвук, высокое давление и встряхивание с шариками.
Какой метод лучше?
На практике ученые комбинируют и подбирают методы гомогенизации для достижения наилучших результатов, ориентируясь на цели исследования. Конечный продукт диктует инструменты и методы, используемые для его получения.
Методы могут варьироваться в зависимости от типа и структуры клеток, поскольку клетки млекопитающих проще всего разрушить, так как у них нет клеточной стенки, в отличие от растительных, грибных и бактериальных клеток. Именно по этой причине химические методы, хоть и предпочтительны для многих типов образцов (например, лизис E. coli с помощью SDS для очистки плазмид), могут оказаться менее эффективными для образцов с плотными оболочками.
Также важно учитывать, что хотя ПАВ и хаотропные соли полезны для выделения нуклеиновых кислот, они могут денатурировать белки. Поэтому использование таких веществ может быть нежелательным при очистке белков. То же самое касается литических ферментов, которые необходимо будет удалить после очистки белков. Если добавление химических веществ нецелесообразно, в качестве альтернативы можно применять механическое и физическое разрушение образцов.
Если важна целостность мембран, процесс гомогенизации должен эффективно разрушать ткани и клетки, но не вести к полному разрушению клеточных компонентов. Если необходимы активные белки, особенно термолабильные, стоит избегать процессов, которые генерируют тепло или приводят к денатурации. Для количественного анализа определенного аналита следует обеспечить его полное высвобождение при этом минимизируя риск деградации.
Следует также принять во внимание такие факторы, как вероятность контаминации, максимальный размер образца, скорость, стоимость, воспроизводимость и другие. Например, перетирание в ступке — простой и экономически выгодный метод гомогенизации, но он подходит только для небольших объемов и подвержен человеческому фактору, что может вызвать ошибки. В свою очередь, гомогенизация под высоким давлением является более дорогим процессом, требующим специализированного оборудования, но она подходит для больших объемов материала и обеспечивает высокую воспроизводимость, а также позволяет достигнуть очень мелких размеров частиц.
Независимо от используемого метода, основная цель состоит в том, чтобы гомогенизация была эффективной, а полученный продукт при необходимости оставался в активной форме.
Гомогенизаторы
Гомогенизировать биологические образцы можно как вручную, так и с использованием специализированных приборов — гомогенизаторов. Поскольку гомогенизация служит основой многих экспериментов и производств, на сегодняшний день существует множество различных моделей — от простейших ступок с пестиками до мощных машин на промышленном уровне.
В лабораториях высоко ценятся компактные гомогенизаторы, которые обладают достаточной мощностью для обработки плотных материалов в необходимых объемах. Особой популярностью пользуются гомогенизаторы, работающие по принципу шариковой мельницы, которые измельчают образцы, встряхивая их с шариками. Это эффективный способ быстрой обработки нескольких образцов объемом 2 или 5 мл. Для предотвращения перегрева у гомогенизаторов предусмотрены функции охлаждения, что особенно критично при работе с термолабильными веществами. Благодаря небольшому размеру и высокой производительности они становятся оптимальным решением для любой лаборатории. Кроме того, использование индивидуальных пробирок предотвращает кросс-контаминацию. Компания Хеликон предлагает широкий спектр оборудования для гомогенизации, в том числе высокоскоростные гомогенизаторы от компании Allsheng, подходящие для работы с различными образцами. Модели Bioprep-6 и Bioprep-24 предназначены для одновременного измельчения до 6 и 24 образцов соответственно, а Bioprep-24R Homogenizer подходит для работы с термолабильными образцами такими как РНК, ДНК и белки.
