Współczesny przemysł mleczarski stawia coraz większe wymagania dotyczące jakości produktów, ich stabilności oraz atrakcyjności sensorycznej. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na jakość produktów mlecznych są właściwości reologiczne, które określają zachowanie materiałów pod wpływem działania sił zewnętrznych.
Produkty mleczarskie stanowią złożone układy dyspersyjne zawierające białka, tłuszcze, wodę oraz składniki mineralne. Oddziaływania pomiędzy tymi składnikami wpływają na strukturę i konsystencję produktów. Parametry reologiczne, takie jak lepkość, granica płynięcia czy właściwości lepkosprężyste, determinują zarówno przebieg procesów technologicznych, jak i końcową ocenę sensoryczną produktów.
Znaczenie badań reologicznych w mleczarstwie systematycznie wzrasta, ponieważ właściwości przepływowe produktów wpływają na procesy technologiczne, takie jak pompowanie, homogenizacja, fermentacja czy pakowanie. Analiza reologiczna umożliwia także ocenę stabilności produktów podczas przechowywania oraz przewidywanie zmian jakościowych zachodzących w czasie.
Celem pracy było przedstawienie znaczenia właściwości reologicznych w kształtowaniu jakości produktów mleczarskich oraz omówienie wpływu wybranych procesów technologicznych na strukturę układów mlecznych.
Znaczenie właściwości reologicznych w produktach mleczarskich
Właściwości reologiczne stanowią jeden z najważniejszych elementów charakteryzujących jakość produktów mleczarskich. Reologia opisuje zależność pomiędzy działającymi siłami a odkształceniem materiału oraz pozwala określić zachowanie produktów podczas przepływu, mieszania, pompowania czy spożywania. W przemyśle mleczarskim analiza reologiczna ma szczególne znaczenie, ponieważ większość produktów mlecznych wykazuje właściwości cieczy nienewtonowskich o złożonej strukturze wewnętrznej.
Produkty mleczarskie są układami wielofazowymi zawierającymi białka, tłuszcze, wodę, laktozę oraz składniki mineralne. Wzajemne oddziaływania pomiędzy tymi składnikami wpływają na strukturę produktu, jego teksturę oraz stabilność. Zmiany zachodzące w mikrostrukturze produktów mlecznych bezpośrednio wpływają na ich właściwości reologiczne.
Do najważniejszych parametrów reologicznych stosowanych w ocenie produktów mleczarskich należą:
- lepkość dynamiczna,
- lepkość pozorna,
- naprężenie ścinające,
- granica płynięcia,
- tiksotropia,
- właściwości lepkosprężyste.
Lepkość określa opór materiału podczas przepływu i jest jednym z podstawowych wskaźników jakości sensorycznej. W produktach takich jak jogurty, kefiry czy śmietany odpowiednia lepkość wpływa na odczucie kremowości i pełni smaku. Konsumenci często utożsamiają wyższą lepkość z większą zawartością składników odżywczych i wyższą jakością produktu.
W przypadku produktów fermentowanych szczególne znaczenie ma granica płynięcia, określająca minimalną wartość naprężenia niezbędną do rozpoczęcia przepływu produktu. Parametr ten jest istotny podczas transportu technologicznego, dozowania oraz pakowania produktów mlecznych. Jogurty o zbyt niskiej granicy płynięcia wykazują większą podatność na uszkodzenia strukturalne , a tym samym na występowanie synerezy w produkcie.
Istotnym zjawiskiem obserwowanym w produktach mlecznych jest również tiksotropia, polegająca na zmniejszaniu lepkości podczas działania sił ścinających oraz częściowej odbudowie struktury po ich ustaniu. Zjawisko to ma szczególne znaczenie podczas mieszania i transportu produktów fermentowanych. Właściwości lepkosprężyste opisują zdolność produktów do jednoczesnego wykazywania cech cieczy i ciała stałego. Parametry te są szczególnie ważne w ocenie jogurtów, serków homogenizowanych i deserów mlecznych. Produkty o dobrze rozwiniętej strukturze żelowej wykazują większą odporność na odkształcenia mechaniczne oraz lepszą stabilność podczas przechowywania. Znaczenie właściwości reologicznych nie ogranicza się wyłącznie do jakości sensorycznej. Parametry przepływowe wpływają również na efektywność procesów technologicznych, zużycie energii podczas pompowania oraz możliwość automatyzacji produkcji. Zbyt wysoka lepkość może utrudniać transport produktu w instalacjach technologicznych, natomiast zbyt niska może powodować problemy ze stabilnością emulsji i zawiesin. Współczesny przemysł mleczarski wykorzystuje analizę reologiczną także do projektowania nowych produktów funkcjonalnych i produktów o obniżonej zawartości tłuszczu. W takich wyrobach odpowiednie kształtowanie tekstury jest szczególnie istotne, ponieważ redukcja tłuszczu często prowadzi do pogorszenia konsystencji oraz obniżenia akceptacji konsumenckiej.
Wpływ homogenizacji wysokociśnieniowej na właściwości reologiczne mleka
Homogenizacja jest jednym z podstawowych procesów technologicznych stosowanych w przemyśle mleczarskim. Proces ten polega na mechanicznym rozdrobnieniu kuleczek tłuszczowych mleka pod wpływem wysokiego ciśnienia, najczęściej w zakresie od 10 do 25 MPa. W wyniku przepływu mleka przez wąskie szczeliny homogenizatora dochodzi do działania intensywnych sił ścinających, kawitacyjnych i turbulencyjnych, które powodują rozpad dużych kuleczek tłuszczowych na mniejsze cząstki. Zmniejszenie średnicy kuleczek tłuszczowych prowadzi do znacznego zwiększenia powierzchni międzyfazowej tłuszcz–woda. Powoduje to konieczność adsorpcji białek mleka na nowo powstałej powierzchni tłuszczu. W efekcie dochodzi do zmian w strukturze układu białkowo-tłuszczowego, które mają istotny wpływ na właściwości reologiczne produktów mlecznych.
Jednym z podstawowych efektów homogenizacji jest poprawa stabilności emulsji tłuszczowej. W mleku niehomogenizowanym kuleczki tłuszczowe mają większe rozmiary i wykazują tendencję do łączenia się oraz wypływania na powierzchnię produktu, co prowadzi do zjawiska śmietankowania. Homogenizacja ogranicza ten proces poprzez zmniejszenie rozmiaru kuleczek tłuszczowych i bardziej równomierne rozmieszczenie tłuszczu w całej objętości produktu.
Zmiany mikrostrukturalne zachodzące podczas homogenizacji wpływają bezpośrednio na właściwości reologiczne mleka. Wzrost stopnia dyspersji tłuszczu prowadzi zwykle do zwiększenia lepkości produktu. Zjawisko to wynika z większej liczby oddziaływań pomiędzy cząstkami tłuszczu i białkami mleka oraz ze zwiększenia oporu przepływu układu.
W produktach fermentowanych homogenizacja odgrywa szczególnie ważną rolę, ponieważ wpływa na przebieg tworzenia skrzepu białkowego. Rozdrobnione kuleczki tłuszczowe uczestniczą w budowie przestrzennej sieci żelowej, poprawiając stabilność struktury oraz zwiększając zdolność zatrzymywania wody. Dzięki temu jogurty i fermentowane napoje mleczne charakteryzują się większą kremowością, wyższą lepkością oraz mniejszą podatnością na synerezę.
Badania wykazują, że stopień homogenizacji wpływa również na właściwości sensoryczne produktów mleczarskich. Produkty homogenizowane są postrzegane jako bardziej jednorodne, delikatniejsze i bardziej kremowe. Odpowiedni dobór parametrów homogenizacji pozwala więc na kształtowanie pożądanych cech teksturalnych produktu końcowego.
Istotne znaczenie ma także temperatura homogenizacji. Proces prowadzony w zbyt niskiej temperaturze może powodować częściową krystalizację tłuszczu i pogorszenie efektywności rozdrabniania kuleczek tłuszczowych. Natomiast zbyt wysoka temperatura może prowadzić do nadmiernej denaturacji białek serwatkowych i zmian właściwości funkcjonalnych mleka.
Wysokociśnieniowa homogenizacja może również wpływać na właściwości technologiczne mleka podczas produkcji serów. Nadmierne rozdrobnienie tłuszczu może utrudniać proces koagulacji podpuszczkowej oraz powodować zmniejszenie wydajności sera. Dlatego parametry homogenizacji powinny być dostosowane do rodzaju produkowanego wyrobu mleczarskiego.
Reologia jogurtów i fermentowanych produktów mlecznych
Jogurty oraz fermentowane produkty mleczne należą do grupy produktów o najbardziej złożonych właściwościach reologicznych. Ich struktura powstaje w wyniku fermentacji mlekowej prowadzonej przez bakterie fermentacji mlekowej, które powodują obniżenie pH mleka i destabilizację miceli kazeinowych. W efekcie tworzy się przestrzenna sieć białkowa odpowiedzialna za charakterystyczną konsystencję produktu.
Właściwości reologiczne jogurtów zależą od wielu czynników technologicznych i surowcowych, do których należą: 
- skład chemiczny mleka,
- zawartość białka i tłuszczu,
- rodzaj kultur starterowych,
- temperatura fermentacji,
- czas inkubacji,
- intensywność mieszania,
- obecność dodatków stabilizujących.
Jednym z najważniejszych parametrów jakościowych jogurtów jest lepkość pozorna. Wysoka lepkość wpływa korzystnie na odczucie kremowości oraz gęstości produktu. Zbyt niska lepkość powoduje wrażenie wodnistości i obniża atrakcyjność sensoryczną wyrobu.
Podczas fermentacji dochodzi do tworzenia trójwymiarowej sieci białkowej zdolnej do wiązania wody oraz zatrzymywania kuleczek tłuszczowych. Struktura ta jest jednak podatna na uszkodzenia mechaniczne. Mieszanie, pompowanie i transport mogą powodować częściowe zniszczenie skrzepu, prowadząc do zmniejszenia lepkości oraz wzrostu synerezy.
Synereza jest jednym z najczęściej występujących problemów jakościowych jogurtów.
Polega na wydzielaniu serwatki wskutek destabilizacji struktury żelowej. Intensywność tego zjawiska zależy od właściwości reologicznych produktu oraz stabilności sieci białkowej. Produkty o słabo rozwiniętej strukturze wykazują większą podatność na oddzielanie fazy wodnej. Istotne znaczenie ma także zawartość suchej masy oraz białka mleka. Zwiększenie zawartości białka prowadzi zwykle do wzrostu lepkości oraz poprawy stabilności jogurtu. Podobny efekt obserwuje się w przypadku dodatku mleka w proszku lub koncentratów białek serwatkowych. Coraz większe znaczenie w technologii jogurtów mają dodatki stabilizujące, takie jak pektyny, karagen czy skrobie modyfikowane. Substancje te poprawiają zdolność wiązania wody oraz ograniczają synerezę. Odpowiedni dobór dodatków umożliwia uzyskanie produktów o pożądanej konsystencji i trwałości.
Właściwości reologiczne jogurtów są również istotnym wskaźnikiem ich świeżości i trwałości przechowalniczej. W czasie przechowywania mogą zachodzić zmiany strukturalne prowadzące do obniżenia lepkości oraz pogorszenia tekstury. Monitorowanie parametrów reologicznych umożliwia ocenę stabilności produktu i przewidywanie zmian jakościowych.
Badania wykazują, że konsumenci preferują jogurty o wysokiej kremowości, jednorodnej strukturze oraz umiarkowanej lepkości. Oznacza to, że właściwości reologiczne mają bezpośredni wpływ na akceptację produktu oraz jego sukces rynkowy.
Znaczenie dodatków strukturotwórczych
W celu poprawy właściwości reologicznych produktów mleczarskich stosuje się dodatki strukturotwórcze, głównie hydrokoloidy, takie jak pektyny, karagen, guma guar czy skrobie modyfikowane. Dodatki te wpływają na zwiększenie lepkości oraz poprawę stabilności układów mlecznych. Ograniczają również zjawisko synerezy, czyli wydzielania serwatki
z produktów fermentowanych. Współdziałanie hydrokoloidów z białkami mleka umożliwia tworzenie stabilnych struktur żelowych o pożądanych właściwościach teksturalnych. Odpowiedni dobór rodzaju i stężenia dodatków pozwala uzyskać produkty o zróżnicowanej konsystencji i właściwościach sensorycznych.
Znaczenie dodatków strukturotwórczych jest szczególnie istotne w produktach o obniżonej zawartości tłuszczu, gdzie konieczne jest kompensowanie zmian tekstury wynikających
z redukcji fazy tłuszczowej. W ostatnich latach coraz większe znaczenie zyskują nowoczesne techniki homogenizacji wysokociśnieniowej oraz mikrofluidyzacji. Metody te umożliwiają uzyskanie bardzo drobnych emulsji o wysokiej stabilności oraz poprawę właściwości funkcjonalnych produktów mlecznych. Nowoczesne technologie pozwalają również ograniczać stosowanie dodatków stabilizujących poprzez odpowiednie kształtowanie mikrostruktury produktu.
Homogenizacja jest więc nie tylko procesem poprawiającym trwałość emulsji mlecznej, ale również ważnym narzędziem umożliwiającym kontrolowanie właściwości reologicznych i jakości sensorycznej produktów mleczarskich.
Wpływ temperatury na właściwości reologiczne
Temperatura należy do najważniejszych czynników wpływających na właściwości reologiczne produktów mleczarskich. Zmiany temperatury oddziałują zarówno na strukturę białek mleka, stan fizyczny tłuszczu mlecznego, jak i wzajemne oddziaływania pomiędzy składnikami układu. W konsekwencji wpływają na lepkość, właściwości lepkosprężyste oraz stabilność produktów mlecznych. W większości produktów mleczarskich wzrost temperatury powoduje obniżenie lepkości. Zjawisko to związane jest ze zwiększeniem ruchliwości cząsteczek oraz osłabieniem oddziaływań pomiędzy składnikami układu. Produkty stają się bardziej płynne,
co ma istotne znaczenie podczas procesów technologicznych, takich jak pompowanie, mieszanie czy dozowanie. W przypadku mleka i śmietany temperatura wpływa również na stan skupienia tłuszczu mlecznego. W niskich temperaturach część tłuszczu występuje w postaci krystalicznej, co zwiększa lepkość produktu i wpływa na jego konsystencję. Wraz ze wzrostem temperatury następuje topnienie kryształów tłuszczu, prowadzące do zmniejszenia lepkości
i zwiększenia płynności produktu.
Temperatura odgrywa szczególnie istotną rolę w produktach fermentowanych. Proces fermentacji przebiega optymalnie w określonym zakresie temperatur, który zapewnia odpowiednią aktywność bakterii fermentacji mlekowej oraz prawidłowe tworzenie struktury żelowej. Zbyt wysoka temperatura może prowadzić do nadmiernej denaturacji białek oraz destabilizacji skrzepu, natomiast zbyt niska ogranicza intensywność fermentacji i pogarsza właściwości teksturalne produktu.
W jogurtach oraz deserach mlecznych temperatura wpływa na stabilność sieci białkowej odpowiedzialnej za konsystencję produktu. Wzrost temperatury może powodować osłabienie wiązań pomiędzy micelami kazeinowymi i zwiększenie podatności struktury na uszkodzenia mechaniczne. W efekcie dochodzi do obniżenia lepkości oraz wzrostu synerezy. Zmiany temperatury mają również znaczenie podczas przechowywania produktów mlecznych. Wielokrotne wahania temperatury mogą prowadzić do destabilizacji emulsji tłuszczowych oraz pogorszenia właściwości sensorycznych produktu. W produktach fermentowanych obserwuje się wtedy zwiększoną skłonność do występowania zjawiska synerezy oraz pogorszenie tekstury.
W technologii serków homogenizowanych i deserów mlecznych odpowiednia kontrola temperatury jest niezbędna do uzyskania pożądanej konsystencji. Produkty te wykazują dużą wrażliwość na zmiany termiczne, ponieważ ich struktura zależy od równowagi pomiędzy fazą tłuszczową, białkową i wodną. Temperatura wpływa również na skuteczność działania dodatków strukturotwórczych stosowanych w produktach mlecznych. Właściwości hydrokoloidów, takich jak pektyny czy karagen, zależą od warunków termicznych procesu technologicznego. Odpowiednie dobranie temperatury umożliwia uzyskanie stabilnych układów żelowych o pożądanych właściwościach reologicznych. W procesach przemysłowych kontrola temperatury ma także znaczenie ekonomiczne i technologiczne. Odpowiednia temperatura produktu wpływa na efektywność homogenizacji, zużycie energii podczas pompowania oraz szybkość procesów cieplnych. Zbyt wysoka lepkość w niskiej temperaturze może utrudniać transport produktu w instalacjach technologicznych i powodować wzrost kosztów produkcji.
Współczesne technologie mleczarskie wykorzystują kontrolę temperatury jako jeden z podstawowych elementów kształtowania właściwości reologicznych produktów. Odpowiednie zarządzanie parametrami termicznymi umożliwia uzyskanie produktów o wysokiej jakości sensorycznej, stabilności przechowalniczej oraz pożądanej teksturze.
Znaczenie reologii w ocenie jakości produktów mleczarskich
Analiza właściwości reologicznych stanowi obecnie jedno z podstawowych narzędzi oceny jakości produktów mleczarskich. Parametry reologiczne dostarczają informacji zarówno o strukturze produktu, jak i o przebiegu procesów technologicznych zachodzących podczas jego produkcji oraz przechowywania.
Znaczenie reologii w mleczarstwie wynika z faktu, że właściwości przepływowe produktów są ściśle związane z ich jakością sensoryczną. Konsumenci oceniają produkty mleczne przede wszystkim na podstawie:
- konsystencji,
- kremowości,
- smarowności,
- gęstości,
- jednorodności struktury.
Wszystkie te cechy są bezpośrednio związane z parametrami reologicznymi produktu. Nawet niewielkie zmiany lepkości lub struktury żelowej mogą wpływać na postrzeganie jakości przez konsumenta.
Badania reologiczne umożliwiają również kontrolę przebiegu procesów technologicznych.
W trakcie produkcji mleka fermentowanego, śmietan czy deserów mlecznych konieczne jest utrzymanie odpowiednich parametrów przepływowych umożliwiających prawidłowe mieszanie, pompowanie oraz pakowanie produktów.
Reologia odgrywa istotną rolę w projektowaniu instalacji technologicznych w przemyśle mleczarskim. Znajomość właściwości przepływowych produktów pozwala na:
- dobór odpowiednich pomp i mieszadeł,
- określenie parametrów homogenizacji,
- optymalizację procesów cieplnych,
- ograniczenie strat technologicznych,
- zmniejszenie zużycia energii.
Analiza reologiczna jest także ważnym narzędziem kontroli jakości podczas przechowywania produktów mlecznych. Zmiany lepkości, granicy płynięcia lub właściwości lepkosprężystych mogą świadczyć o pogorszeniu jakości produktu, destabilizacji emulsji lub rozwoju niekorzystnych zmian mikrostrukturalnych. Szczególne znaczenie reologii obserwuje się podczas projektowania produktów o obniżonej zawartości tłuszczu. Redukcja tłuszczu często prowadzi do pogorszenia tekstury i zmniejszenia kremowości produktu. W takich przypadkach konieczne jest odpowiednie modyfikowanie struktury produktu poprzez zastosowanie dodatków funkcjonalnych lub zmianę parametrów technologicznych.
Nowoczesne badania reologiczne umożliwiają również analizę zależności pomiędzy mikrostrukturą produktu a jego właściwościami sensorycznymi. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych reometrów i metod mikroskopowych możliwe jest dokładne określenie wpływu poszczególnych składników na strukturę układów mlecznych.
Rosnące wymagania konsumentów oraz rozwój żywności funkcjonalnej powodują, że znaczenie reologii w przemyśle mleczarskim stale wzrasta. Współczesne badania koncentrują się nie tylko na ocenie jakości produktów tradycyjnych, ale również na projektowaniu nowych produktów o kontrolowanych właściwościach teksturalnych i wysokiej stabilności przechowalniczej.
Podsumowanie
Właściwości reologiczne odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu jakości produktów mleczarskich oraz w przebiegu procesów technologicznych stosowanych w przemyśle mleczarskim. Parametry takie jak lepkość, granica płynięcia, tiksotropia oraz właściwości lepkosprężyste wpływają bezpośrednio na konsystencję, stabilność i akceptację sensoryczną produktów mlecznych. Produkty mleczarskie stanowią złożone układy wielofazowe, których właściwości zależą od wzajemnych oddziaływań pomiędzy białkami, tłuszczem i fazą wodną. Nawet niewielkie zmiany mikrostruktury produktów mogą powodować istotne zmiany ich właściwości reologicznych, a tym samym wpływać na jakość końcowego wyrobu. Przeprowadzona analiza wykazała, że homogenizacja jest jednym z najważniejszych procesów wpływających na właściwości reologiczne mleka i produktów mlecznych. Rozdrobnienie kuleczek tłuszczowych zwiększa stabilność emulsji, poprawia jednorodność produktu oraz wpływa korzystnie na jego teksturę i kremowość. Odpowiednio dobrane parametry homogenizacji umożliwiają uzyskanie produktów o wysokiej jakości sensorycznej
i technologicznej.
Szczególne znaczenie właściwości reologicznych obserwuje się w przypadku jogurtów oraz fermentowanych produktów mlecznych. Stabilność przestrzennej sieci białkowej decyduje o lepkości, kremowości i odporności produktów na synerezę. Właściwości te zależą od wielu czynników, takich jak skład surowca, warunki fermentacji, obróbka mechaniczna oraz zastosowanie dodatków strukturotwórczych. Istotny wpływ na charakterystykę reologiczną produktów mleczarskich wywiera temperatura. Parametry termiczne wpływają na strukturę białek, stan fizyczny tłuszczu mlecznego oraz stabilność układów emulsji i żeli. Odpowiednia kontrola temperatury jest niezbędna zarówno podczas procesów technologicznych, jak i przechowywania produktów mlecznych. Badania reologiczne stanowią obecnie jedno
z podstawowych narzędzi kontroli jakości w przemyśle mleczarskim.
Analiza właściwości przepływowych umożliwia ocenę stabilności produktów, optymalizację procesów technologicznych oraz projektowanie nowych wyrobów o pożądanych cechach teksturalnych i sensorycznych. Rosnące wymagania konsumentów dotyczące jakości, tekstury i trwałości produktów mlecznych powodują, że znaczenie reologii w mleczarstwie stale wzrasta. Rozwój nowoczesnych metod pomiarowych oraz technologii przetwórczych umożliwia coraz dokładniejsze kształtowanie właściwości produktów mleczarskich i dostosowywanie ich do oczekiwań rynku. W przyszłości badania nad właściwościami reologicznymi będą odgrywały coraz większą rolę w projektowaniu żywności funkcjonalnej, produktów o obniżonej zawartości tłuszczu oraz innowacyjnych wyrobów mleczarskich o wysokiej wartości odżywczej i stabilności przechowalniczej.
Elżbieta Haponiuk
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Literatura
- Elżbieta Haponiuk, Kiełczewska K., Kruk A., Czerniewicz M.
Wpływ homogenizacji wysokociśnieniowej na właściwości fizykochemiczne mleka. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość, 2006, 4(49), 67–78. - Elżbieta Haponiuk, Zander Z., Zander L.
Stabilność reologiczna jogurtu handlowego. Inżynieria Rolnicza, 2008, 2(100), 85–92. - Elżbieta Haponiuk
Wpływ dodatków strukturotwórczych na właściwości reologiczne produktów mleczarskich. Przemysł Spożywczy, 2010, 64(7), 32–36. - J. A. Lucey
Cultured dairy products: An overview of their gelation and texture properties. International Journal of Dairy Technology, 2016, 69(1), 1–12. - M. A. Rao
Rheology of Fluid and Semisolid Foods: Principles and Applications. 4th ed., Springer, New York, 2020. - M. H. Tunick, Van Hekken D.L.
Dairy products and rheology: A review. Journal of Texture Studies, 2019, 50(6), 493–515. - A. Y. Tamime
Fermented Milks: Current and Future Trends. Wiley-Blackwell, Oxford, 2018. - W. J. Lee, J. A. Lucey
Structure and physical properties of yogurt gels: Effect of inoculation rate and incubation temperature. Journal of Dairy Science, 2016, 99(2), 1234–1245.
