Важнейшими процессами, происходящими при выработке кисломолочных напитков и других кисломолочных продуктов, являются коагуляция казеина и гелеобразование, то есть переход коллоидной системы молока из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное (гель).

Кислотная коагуляция

Кислотная коагуляция казеина под действием образовавшейся при молочнокислом брожении лактозы молочной кислоты происходит при выработке кисломолочных напитков, сметаны, кислотного творога и свежих кисломолочных сыров.

Кислотная коагуляция казеина возможна как под влиянием ферментов (молочнокислое брожение), так и в результате воздействия химических веществ (добавления к молоку кислоты и др.). Происходящие при этом процессы основаны на осаждении казеина в изоэлектрической точке при рН 4,6–4,7.

Казеин как амфотерный электролит в результате диссоциации амино- и карбоксильных групп получает заряд, знак которого зависит от рН, температуры, ионной силы, состава растворителей. Так, при рН выше изоэлектрической точки (что характерно для свежего молока) казеин имеет отрицательный заряд NH₂–R–COO⁻, при рН ниже изоэлектрической точки – положительный заряд NH₃⁺–R–COOH. В изоэлектрической точке казеин находится в виде электронейтральной молекулы с одинаковым количеством положительных и отрицательных зарядов.

Сущность кислотной коагуляции казеина заключается в потере заряда его частицами при приближении рН среды к изоэлектрической точке казеина. При этом растворимость, вязкость и набухание казеина минимальны.

При подкислении молока до рН 4,6–4,7 полностью коагулируют все фракции, составляющие мицеллу казеина. Сывороточные белки (β-лактоглобулин и α-лактальбумин) переходят в сыворотку.

При нагревании молока изоэлектрическая точка казеина увеличивается, что, вероятно, обусловлено образованием связи между ним и денатурированными сывороточными белками. Если температура молока во время подкисления находится в пределах 1–10 °С, то рН молока может понижаться до изоэлектрической области без видимой коагуляции казеина. Процессы, происходящие при этом, еще не изучены.

При обычных условиях сквашивания, то есть при температуре молока выше 15–20 °С, казеин очень чувствителен к изменению рН. Он начинает осаждаться уже при подкислении до рН 5,2–5,3. При этом рН частицы казеина недостаточно стойки и некоторые из них коагулируют.

Одним из факторов, обусловливающих стойкость коллоидной системы, является солевое равновесие, которое, в свою очередь, зависит от концентрации ионов водорода.

Вследствие увеличения концентрации ионов водорода фосфат кальция постепенно отщепляется от мицеллы. В изоэлектрической точке казеина фосфат кальция полностью теряет связь с ней.

На устойчивость казеиновых мицелл также большое значение оказывает толщина гидратной оболочки. По мере уменьшения рН гидратная оболочка истончается, в изоэлектрической точке казеина мицеллы практически лишены гидратной оболочки.

В процессе кислотной коагуляции дисперсность частиц казеинового комплекса изменяется в две стадии. При снижении рН до 5,85 наблюдается увеличение дисперсности частиц, связанное с распадом их на субмицеллы. Затем при дальнейшем повышении кислотности дисперсность уменьшается в связи с агрегацией гидрофобных частиц. Далее процесс агрегирования частиц преобладает и наступает процесс структурообразования с формированием единой пространственной сетки молочного сгустка (геля), в петли которого захватывается дисперсионная среда с шариками жира и другими составными частями молока.

Сычужная коагуляция

Свертывание казеина молока при внесении в него сычужного фермента носит необратимый характер и включает два процесса – про­теолитическое расщепление ККФК и формирование пространственной структуры сгустка (геля).

Процесс сычужной коагуляции зависит от свойств ϰ-казеина. α_s-Казеин чувствителен к ионам кальция; ϰ-казеин, напротив, невосприимчив к их действию. При объединении их в присутствии ионов кальция образуется стабильный Са–α_s–ϰ-комплекс, в то время как один α_s-казеин коагулирует при той же концентрации ионов кальция. Следовательно, ϰ-казеин играет роль защитного коллоида α_s-казеина, предохраняя его от коагуляции под действием ионов кальция. ϰ-Казеин – единственный компонент казеинового комплекса, который подвергается воздействию сычужного фермента, теряя в результате свои защитные свойства.

Под действием внесенного в молоко сычужного фермента (точнее главного его компонента – химозина) происходит ферментативный гидролиз полипептидных цепей ϰ-казеина комплекса. В результате молекулы ϰ -казеина распадаются на две части. Одна часть – гидрофобный пара-ϰ-казеин в присутствии ионов кальция коагулирует вместе с другими компонентами казеина. Другая часть – гидрофильная хорошо растворяется в воде, отщепляется от казеинового комплекса и переходит в сыворотку. В нее входят гликомакропептиды, небелковый азот и др. Считают, что защитные свойства ϰ-казеина обусловлены именно этой гидрофильной частью. Гидрофильные гликомакропептиды в нативном состоянии, с одной стороны, связаны с казеиновым комплексом, с другой – погружены вводную фазу молока. Благодаря этому казеин имеет химически связанную гидратную оболочку. В результате отщепления сычужным ферментом растворимых гликомакропептидов казеиновый комплекс теряет гидратную оболочку и коагулирует.

Таким образом, в результате действия сычужного фермента устойчивые казеиновые частицы переходят в потерявшие устойчивость параказеиновые частицы, которые на второй стадии образуют агрегаты и затем пространственную сетку геля. Изоэлектрическая точка с     рН 4,6–4,7 (для казеина) сдвигается до рН 5,0–5,2 (для параказеина).

Продолжительность процесса гелеобразования и отдельных его стадий определяется составом и свойствами молока, сычужного фермента, температурой свертывания, режимами пастеризации сырья и т. д.