Молоко как полидисперсная система

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Алтайский государственный аграрный университет"

Кафедра скотоводства, коневодства

Контрольная работа

по дисциплине "Методы исследования молока и молочных продуктов"

Выполнил: Заздравных Фёдор Анатольевич

Факультет: биологотехнологического менеджмента

Заочное отделение

Специальность: технология производства и

переработки с/х продукции (ускоренное)

Группа: 8381 с

Курс 3 Шифр: 090357

Проверил: к.б.н. доцент Попова Людмила Александровна

Барнаул, 2010

Вопрос 1. На чем основана адсорбционная хроматография? Какие составные части молока можно определить адсорбционной хроматографией

Адсорбционная хроматография - вид хроматографии, основанный на способности твёрдого вещества -- неподвижной фазы -- сорбировать примеси, находящиеся в подвижной фазе. При этом эффективность разделения примесей пропорциональна их величинам адсорбции при условиях эксперимента. Процесс взаимодействия может сопровождаться химическим взаимодействием примесей с неподвижной фазой, то есть хемосорбцией.

Адсорбционная хроматография - разделение основано на различии в адсорбируемости разделяемых веществ твердым адсорбентом.

Разделение методом адсорбционной хроматографии осуществляется в результате взаимодействия вещества с адсорбентами, такими, как силикагель или оксид алюминия, имеющими на поверхности активные центры. Различие в способности к взаимодействию с адсорбционными центрами разных молекул пробы приводит к их разделению на зоны в процессе движения с подвижной фазой по колонке. Достигаемое при этом разделение зон компонентов зависит от взаимодействия, как с растворителем, так и с адсорбентом.

В основе сорбции на поверхности адсорбента, имеющего гидроксильные группы, лежит специфическое взаимодействие между полярной поверхностью адсорбента и полярными (или способным поляризоваться) группами или участками молекул. К таким взаимодействиям относят диполь-дипольное взаимодействие между постоянными или индуцированными диполями, образование водородной связи вплоть до образования р-комплексов или комплексов с переносом заряда. Возможным и достаточно частым в практической работе является проявление хемосорбции, которая может привести к значительному повышению времени удерживания, резкому снижению эффективности, появлению продуктов разложения или необратимой сорбции вещества.

Изотермы адсорбции веществ имеют линейную, выпуклую или вогнутую форму. При линейной изотерме адсорбции пик вещества симметричен и время удерживания не зависит от размера пробы. Чаще всего изотермы адсорбции веществ нелинейны и имеют выпуклую форму, что приводит к некоторой асимметрии пика с образованием хвоста.

Наибольшее применение в ВЭЖХ находят адсорбенты из силикагеля с разным объемом пор, поверхностью, диаметром пор. Значительно реже используют оксид алюминия и крайне редко - другие адсорбенты, широко применяющиеся в классической колоночной и тонкослойной хроматографии. Основная причина этого - недостаточная механическая прочность большинства прочих адсорбентов, не позволяющая упаковывать их и использовать при повышенных давлениях, характерных для ВЭЖХ.

Полярные группы, обусловливающие адсорбцию и находящиеся на поверхности силикагеля и оксида алюминия, по свойствам близки. Поэтому обычно порядок элюирования смесей веществ и элюотропный ряд растворителей для них одинаковы. Однако различие химического строения силикагеля и оксида алюминия иногда приводит к появлению различий в селективности - тогда предпочтение отдают тому или другому адсорбенту, более подходящему для данной конкретной задачи. Например, оксид алюминия обеспечивает большую избирательность при разделении некоторых многоядерных ароматических углеводородов.

Предпочтение, отдаваемое обычно силикагелю по сравнению с оксидом алюминия, объясняется более широким выбором силикагелей по пористости, поверхности и диаметру пор, а также значительно более высокой каталитической активностью оксида алюминия, нередко приводящей к искажению результатов анализа вследствие разложения компонентов пробы либо их необратимой хемосорбции.

Разделение компонентов смеси (образца) основано на их различной сорбируемости на твердом адсорбенте. В качестве адсорбентов используют активированный древесный уголь, гель фосфата кальция, оксиды алюминия или кремния. Адсорбент в виде суспензии с растворителем (чаще всего буферным раствором) вносят в стеклянную вертикальную трубку (колонку) и равномерно в ней упаковывают. Образец в небольшом объеме растворителя наносят на колонку - компоненты разделяемой смеси адсорбируются на адсорбенте. Затем приступают к стадии освобождения - десорбции компонентов из колонки, применяя подходящие элюенты. Сбор фракций осуществляют при помощи автоматического коллектора фракций.

Какие составные части молока можно определить адсорбционной хроматографией

Методом адсорбционной хроматографии можно определить следующие составные части молока: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты, липиды, эфирные масла, неорганические катионы и анионы, алкалоиды, витамины, пищевые красители, фенолы, алкалоиды, каротиноиды, стероиды, нуклеотиды,белки.

Вопрос 2. Методы определения содержания жира в молоке

Содержание жира в молоке определяют кислотным методом. Сущность метода заключается в том, что в результате действия серной кислоты казеиново-кальциевый комплекс молока переходит двойное растворимое соединение казеина с серной кислотой.

В результате добавления изоамилового спирта понижается поверхностное натяжение жировых шариков, с поверхности жировых шариков удаляется белковая оболочка. Реакция ускоряется подогреванием и центрифугированием. После центрифугирования жир выделяется в виде сплошного прозрачного слоя в шкале жирометра и объем его измеряют в градуированной части жирометра.

Оборудование, посуда, реактив 1) центрифуга Гербера; 2) жиромеры молочный и сливочный с резиновой пробкой; 3) пипетка Мора на 10,77 мл; 4) автоматические пипетки на 1 мл и 10 мл; 5) баня водяная; 6) весы технохимические с разновесом; 7) пипетка цилиндрическая; 8) полотенце; 9) серная кислота с относительной плотностью 1,81--1,82; 10) спирт изоамиловый.

Ход определения. Берут сухой и чистый жиромер, стараясь не смочить горлышка, автоматической пипеткой наливают 10 мл серной кислоты с относительной плотностью 1,81--1,82. Затем осторожно по стенке, чтобы не смешивались жидкости, наливают 10,77 мл исследуемого молока и добавляют также автоматической пипеткой 1 мл изоамилового спирта. Жиромер закрывают резиновой пробкой, встряхивают до полного расплавления белковых веществ и ставят на водяную баню (пробкой вниз) на 5 мин. Температура воды в бане должна быть 65--70 °С. После нагревания в водяной бане жиромер вынимают, вытирают досуха и центрифугируют в центрифуге Гербера в течение 5 мин.

Жиромеры в металлических патронах центрифуги располагают симметрично. Узкая часть их при этом должна быть обращена к центру. Крышку центрифуги хорошо закрывают. Отцентрифугировав, жирометры вынимают (держат пробкой вниз) и, регулируя пробкой, устанавливают слой жира в пределах шкалы жиромера. После этого жиромер ставят в водяную баню повторно, также пробкой вниз. Через 5 мин его вынимают, вытирают и производят отсчет. Жиромер при этом держат вертикально и строго на уровне глаз. Движением пробки вверх или вниз устанавливают нижнюю гранцу слоя жира против целого деления шкалы. Шкала жиромера рассчитана так, что одно малое деление ее соответствует 0,1% жира.

Чтобы определить содержание жира в молоке, освобождают жировые шарики от белковых оболочек. В качестве растворителя применяют концентрированную серную кислоту. Для более полного выделения освободившегося от оболочек жира употребляют изоамиловый спирт. При последующем центрифугировании смеси жир, как наиболее легкая составная часть, концентрируется в градуированной шкале стеклянного прибора -- жиромера.

Если молоко исследуется вскоре после отбора, то его хорошо перемешивают, переворачивая до 6 раз закрытые бутылочки с пробами. При этом не допускают образования пены, которая приводит к неправильному отмериванию. Особенно тщательно подготавливают пробы долго стоявшего молока.

Иногда их прогревают в воде, чтобы смыть жировой слой, приставший к стенкам бутылочки, а затем перемешивают. В штатив устанавливают нужное количество пронумерованных жиромеров. Нумеруют жиромеры путем загибания вокруг шкалы жестяных пластинок с высеченными номерами.

В каждый жиромер отмеривают дозатором 10 мл серной кислоты. Потом отбирают пипеткой 10,78 мл (II г) хорошо перемешанного молока. Осторожно, по стенке вливают молоко в жиромер. Во избежание преждевременного разогревания слой молока должен расположиться над слоем кислоты. При этом конец пипетки не должен касаться серной кислоты.

Отмеривают дозатором 1 мл изоамилового спирта, стараясь не смочить горлышко жиромера, что в последующем может привести к выскакиванию пробки.

Заполненные жиромеры закрывают резиновыми пробками и вставляют в центрифугу, привинчивают крышку центрифуги и центрифугируют 5 мин со скоростью около 1000 об/мин. По окончании центрифугирования жиромеры на 5 мин устанавливают пробками вниз в водяную баню при 65 єС.

Вынув жиромер из бани, и осушив его салфеткой, отсчитывают количество жира по шкале.

"Автоматическое определение содержания жира в молоке и молочных продуктах".

В молочных продуктах используют фотоэлектрические, ультразвуковые, высокочастотные, кондуктометрические, термоэлектрические и другие методы и средства.

1. Фотоэлектрические жиромеры:

Принцип действия их основан на изменении степени поглощения или рассеивания светового потока слоем жировых шариков молока (жира).

Через емкость с испытуемым продуктом пропускают световой поток от источника излучения. Интенсивность этого потока изменяется по сравнению с исходной в зависимости от оптической плотности молока, которая зависит от его жирности. Полученный поток регистрируют фотоэлектрическим датчиком. Градуировку приборов периодически проверяют с помощью калибровочного фильтра с оптической плотностью, соответствующей определенной жирности молока.

Погрешность измерений фотоэлектрическими жиромерами заметно уменьшается в случае определения содержания жира в предварительно нагретом гомогенизированном молоке. Как показывают исследования погрешность измерений жира, использующих данный метод измерений, составляет 0,05%.

2. Ультразвуковые жиромеры:

Принцип действия ультразвуковых жиромеров заключается в измерении скорости распространения, степени поглощения или рассеивания ультразвука в продукте, которые зависят от содержания жира в молоке. Эта зависимость более резко выражена при температуре 50°С.

Типичная схема построения ультразвуковых жиромеров такова. Ультразвуковые колебания, которые передаются датчиком погружного или проточного типа в молоко, воспринимаются вторичным прибором, который преобразует их в электрические сигналы. Блок счета импульсов в соответствии с полученными сигналами формирует показания прибора. На точность измерения влияет температура продукта. Поэтому поддержание постоянной температуры молока 50°C является необходимым условием измерений с высокой точностью (до 0,1% жира).

Ультразвуковые жиромеры по сравнению с фотоэлектрическими имеют то преимущество, что не требуют гомогенизации продукта и его разбавления или обработки. Однако сложность конструкции и эксплуатации, а также высокая стоимость ограничивают применение этих приборов.

3. Жиромеры, основанные на измерении удельной теплоемкости молока:

Принцип действия этих жиромеров основан на измерении величины удельной теплоемкости молока, которая зависит от содержания в нем жира. Молоко нагревают постоянным тепловым потоком от 60°С до 90°С (в этих условиях теплоемкость продукта практически мало зависит от температуру).

В зависимости от содержания жира в молоке меняется величина удельной теплоемкости молока и соответственно время нагрева продукта в указанном диапазоне температур.

Сосуд, наполненный испытуемым молоком, помещают в термоизолированную камеру, где молоко подогревается электронагревателем, который питается постоянным напряжением от стабилизатора. В сосуде помещены два полупроводниковых термосопротивления. Первое включено в схему измерительного моста, баланс которого осуществляется при достижении молоком нижнего предела температуры (60°С). При этом включается таймер. Второе термосопротивление включено в диагональ измерительного моста, который уравновешивается при достижении молоком верхнего предела температуры (90°С). При этом таймер останавливается. По показанию таймера судят о жирности молока.

4. Жиромеры инфракрасной спектроскопии:

Этими приборами можно определять содержание не только жира, но и других составных частей молока.

Разработанные жиромеры инфракрасной спектроскопии функционируют следующим образом. Образец молока предварительно гомогенизируется и поступает в небольшой сосуд, через который проходит поток инфракрасного излучения с различной длиной волны (5,8; 6,5; 9,6 мкм). Интенсивность излучения определяют при выходе из сосуда. По степени поглощения этих волн определяют соответственно содержания в молоке жира, белка и лактозы. Сомо рассчитывают в зависимости от содержания белка и лактозы. По интенсивности потока инфракрасного излучения, проходящего через сосуд с водой, определяют поправку на поглощение потока излучения водой. Погрешность метода сравнима с погрешностью химических методов.

5. Высокочастотные жиромеры:

Принцип действия этих жиромеров основан на зависимости между величиной одного из электрических параметров продукта, помещенного в поле высокой частоты, и содержанием жира. Таким параметром является в частности диэлектрическая проницаемость.

Действие высокочастотного жиромера для молока типичной конструкции основано на измерении емкости конденсаторного датчика, содержащего контролируемый продукт. Конденсаторный датчик заполняется пробой молока, предварительно разбавленной дистиллированной водой в определенном соотношении (1:2 или 1:3). Вследствие добавления в молоко дистиллированной воды уменьшается сквозная проводимость конденсаторного датчика, и повышается точность измерений.

Датчик высокочастотного жиромера молока представляет собой электрический конденсатор с обкладками в виде двух коаксиальных круговых цилиндров. При заполнении конденсатора в нем поддерживается постоянный уровень жидкости. Внутренний и внешний электроды покрыты цилиндрическими тонкостенными прокладками из оргстекла. С измерительным прибором датчик соединяется экранированным кабелем.

Чтобы установить жирность молока, определяют его плотность, приготавливают смесь молока с дистиллированной водой, измеряют температуру молока, емкость конденсаторного датчика заполненного водой (x1), емкость датчика, заполненного разбавленным молоком (x2), вычисляют разность x1-x2, определяют по графику градуировки прибора содержание жира в молоке в % и вносят поправку на плотность.

Как показали испытания, погрешность высокочастотных жиромеров при исследовании одной и той же пробы молока составляет до 0,08%. Однако максимальные расхождения показаний прибора с результатами определения содержания жира химическими методами составляли до 0,17%.

6. Кондуктометрические жиромеры:

Принцип их действия основан на зависимости электропроводности продукта от содержания в нем жира.

Типичная конструкция кондуктометрического жиромера состоит из измерительной ячейки, термометра и измерительного устройства. Измерительная ячейка представляет собой емкость, в которую вмонтирован двухэлектродный датчик и термометр.

Погрешность кондуктометрических жиромеров, получаемая при измерении содержания жира в молоке, слишком велика, поэтому их используют для определения жирности прочих молочных продуктов, но не молока.

Требования к измерению жирности молока:

Диапазон изменения относительного содержания жира в молоке составляет (0,10 - 6,5)% от массы продукта.

Требования, предъявляемые к измерению содержания жира в молоке изложены в ГОСТе 5867-92 "Молоко и молочные продукты. Методы определения жира". В нем рассматривается кислотный и оптический методы определения массовой доли жира в молоке. Кислотный метод является полностью химических и поэтому для нас не представляет интереса. Рассмотрим требования ГОСТа для оптического метода:

Отсчет показаний проводят по шкале или цифровому индикатору с дискретизацией отсчетов не более 0,01% массовой доли жира. Допустимое значение ско случайной составляющей погрешности метода при измерении одной и той же пробы - 0,02% (по результатам однократных измерений).

Систематическая составляющая погрешности прибора не более 0,10%. Ско случайной составляющей погрешности прибора не более 0,05%.

Вопрос 3. Молоко, как полидисперсная система

Дисперсные системы молока.

Подавляющее большинство вырабатываемых молочной промышленностью продуктов, а также сырья и полуфабрикатов относится к дисперсным системам, состоящим из двух или более фаз. Одна фаза (сплошная) - дисперсионная среда, другая, распределенная в виде отдельных частиц в дисперсионной среде, - дисперсная фаза. В отличие от истинного раствора, получаемого в результате растворения в растворителе растворяемого вещества до молекулярного уровня и являющегося гомогенной системой, в дисперсионной системе частички дисперсной фазы состоят не из отдельных молекул, а из их конгломератов, которые обладают термодинамическими свойствами фазы. Очевидно, что основным условием существования дисперсных систем является нерастворимость или малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Огромное разнообразие компонентов дисперсной системы по химическим и физическим свойствам, размеру, конфигурации и концентрации частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде затрудняет классификацию дисперсных систем по какому-либо одному признаку, вследствие чего единая классификация дисперсных систем отсутствует.

В основу существующих классификаций дисперсных систем положено использование того или иного критерия, отражающего одно определенное свойство дисперсной системы. Наиболее известной является классификация, предложенная Оствальдом, основанная на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Для краткости каждый из типов дисперсных систем условно обозначается дробью, числитель и знаменатель которой указывают на агрегатное состояние соответственно дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Кроме классификации по агрегатному состоянию фаз предложены классификации по структуре свободнодисперсные, в которых частицы дисперсной фазы могут перемещаться свободно в дисперсионной среде (суспензии, эмульсии, золи) и связнодисперсные, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может свободно перемещаться (капилярноористые тела, пасты, пены).

По межфазному взаимодействию используется только для систем с жидкой дисперсионной средой Лиофильные системы сильное межмолекулярное взаимодействие фаз, дисперсная фаза способна растворяться в дисперсионной среде. Лиофобные системы - слабое взаимодействие фаз, дисперсная фаза не взаимодействует с дисперсионной средой.

По размеру частиц дисперсной фазы - грубодисперсные, содержат частицы, оседающие в гравитационном поле и не проходящие через бумажные фильтры, видимые в обычный световой микроскоп и высокодисперсные,частицы невидимы в световой микроскоп, практически не оседают. Могут быть обнаружены с помощью электронного микроскопа, они задерживаются ультрофильтрами и могут быть отделены с помощью центробежного поля. Высокодисперсные системы можно разделить на ультрогетерогенные с размером частицы от 10-7 до 10-5 см и микрогетерогенные с размером частиц от 10-5 до 10-3 см. Размер частиц грубодисперсных систем превышает 10-3 см.

Молоко является сложной полидисперсной системой. Дисперсные фазы находятся в ионно-молекулярном состоянии (фаза истинного раствора), в виде коллоидных (коллоидная фаза) и грубодисперсных частиц различной величины (фаза эмульсии). Однако провести строгую границу между дисперсными фазами и дисперсионной средой молока нельзя, так как водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других.

Фаза истинного раствора

В виде истинного, или ионно и молекулярно-дисперсного, раствора в молоке (молочной сыворотке) содержатся соли кальция, натрия, калия, магния, молочный сахар, а также водорастворимые витамины, небелковые азотистые соединения, органические кислоты, альдегиды и др. Размеры молекул и ионов солей составляют менее 1 нм, молекул лактозы -1-1,5 нм. Все соли натрия и калия (хлориды, гидро-, дигидрофосфаты и цитраты) диссоциированы практически нацело и содержатся в молоке в ионном состоянии, например соли натрия:

NaCl Na+ + Cl-

Na2HPO4 2Na+ + HPO2-4

Na2HPO4 Na+ + H2PO4-

C6H5O7Na3 3Na+ + C6H5O73-

Хлориды калия и натрия обусловливают осмотическое давление и электропроводность молока, фосфаты входят в состав его буферной системы.

В ионно-молекулярном состоянии в молоке содержится часть цитратов и фосфатов кальция и магния:

СаНРО4 Са2+ + НРО42-

Са (H2PO4)2 Са2+ + 2H2PO4-,

Са3 (РO4)2 Са2+ + 2РО43-,

(C6H5O7)2Ca3 3Ca2+ + 2C6H5O73-

Фосфаты кальция обладают малой растворимостью и незначительной степенью диссоциации, лишь небольшая часть их содержится в виде истинного раствора, а большая - в виде коллоидного раствора. Между ними устанавливается равновесие. Например, nCaHPO4 (CaHPO4)n истинный раствор коллоидный раствор.

Сдвиг равновесия в ту или другую сторону зависит от рH молока, температуры и других факторов. Соотношение этих форм фосфатов кальция играет важную роль в стабилизации белковых частиц молока. Так, фосфаты кальция в форме истинного раствора являются источниками образования ионов кальция, от количества (активности) которых зависят размер и устойчивость мицелл казеина при тепловой обработке, а также скорость сычужной коагуляции. По концентрации отдельных ионов в молоке нельзя судить об их активности, что объясняется действием ионов друг на друга, а также их взаимодействием с дисперсионной средой (водой) и дисперсными фазами других дисперсных систем молока.

Как известно, в растворе электролитов между ионами действуют силы притяжения и отталкивания. В концентрированных растворах сильные межионные взаимодействия приводят к взаимному связыванию ионов, что влияет на величину осмотического давления, температуру замерзания и электропроводность раствора.

Молочный сахар, растворяясь в плазме молока, образует молекулярный раствор. Он содержится в виде гидратных б- и в-форм, находящихся в равновесии: б-лактозар ? влактоза. Равновесие между формами зависит от температуры, но обычно сдвинуто в сторону в-формы, так как последняя более растворима в воде (молоке), чем б-форма. Так, при 20 °С содержание в формы в молоке составляет около 60 %, а б-формы - около 40 %. Константа равновесия между ними К = 11,8/7,4 = 1,59.

Насыщение раствора лактозой и выпадение ее в кристаллической форме наблюдается при сгущении молока и последующем охлаждении сгущенного молока с сахаром, а также при сгущении молочной сыворотки в процессе получения молочного сахара.

Коллоидная фаза.

В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки, казеин и большая часть фосфатов кальция.

Размеры коллоидных частиц молока составляют (в нм): в- лактоглобулина - 25-50, б-лактальбумина - 15-20, мицелл казеина - 40-300, фосфата кальция - 10-20. Частицы сывороточных белков молока представлены отдельными макромолекулами, а также их димерами и полимерами. Макромолекулы белков свернуты в компактные глобулы, имеющие отрицательный заряд и очень прочные гидратные оболочки. Они обладают большой устойчивостью в молоке, не коагулируют при достижении изоэлектрической точки, хотя при понижении рН образуют ассоциаты из нескольких мономеров. При нагревании молока до высоких температур сывороточные белки денатурируют, затем агрегируют и частично коагулируют.

Казеин в молоке содержится в виде мономеров (так называемый растворимый казеин) и в форме полимеров (субмицеллярный и мицеллярный казеин).

Коллоидный фосфат кальция малорастворим в воде и в молоке образует типичную неустойчивую коллоидную систему с гидрофобной дисперсной фазой. Его растворимость повышается под влиянием казеина (явление коллоидной защиты), вместе с которым он входит в состав мицелл.

Таким образом, мицеллы казеина представляют собой коллоидную фазу смешанного состава, обладающую свойствами гидрофильного и гидрофобного золя. Нахождение казеина и фосфата кальция в молоке в виде сложных мицелл имеет большое значение для новорожденного. Так, под действием химозина в его желудке мицеллярный белок легко образует сгусток, который подвергается дальнейшему воздействию пепсина. Кроме того, в составе растворимых мицелл казеина транспортируются очень важные для молодого организма соли кальция. Мицеллы казеина имеют почти сферическую форму, средний диаметр 70-100 нм (с колебаниями от 40 до 300 нм) и молекулярную массу 6·108 (с колебаниями от 2,6·107 до 5·109). В свою очередь мицеллы казеина состоят из нескольких сотен субмицелл диаметром 10-15 нм и молекулярной массой 250000-300000.

В состав субмицелл и мицелл не входит г-казеин - он находится в свободном состоянии.

В молоке казеин содержится в виде казеината кальция, соединенного с коллоидным фосфатом кальция, - в виде так называемого казеинаткальцийфосфатного комплекса (ККФК). С помощью электронно-микроскопических исследований установлено, что ККФК образует мицеллы почти сферической формы, состоящие из субмицелл и имеющие размер от 40 до 300 нм.

Казеинат кальция образуется при взаимодействии ионов кальция с карбоксильными и серинфосфатными группами казеина. При этом кальций может реагировать с одной или двумя СООН и ОН-группами.

Содержание органического и неорганического фосфора и кальция в ККФК молока непостоянно. Оно зависит от стадии лактации, времени года, породы, индивидуальных особенностей животных и т. д.

Казеинаткальцийфосфатный комплекс стабилен в свежем молоке. Он сохраняет свою устойчивость при механической и тепловой обработке молока. Однако в процессе высокотемпературной обработки молока может происходить необратимая минерализация ККФК, а при выработке кисломолочных продуктов, казеина и сыра, наоборот, его деминерализация. При этом наблюдается нарушение мицеллярной и субмицеллярной структуры казеинаткальцийфосфатного комплекса. Разрушение структуры мицелл казеина сопровождается увеличением в молоке свободных б и в-казеинов, чувствительных к ионам кальция.

Снижение устойчивости мицелл казеина и их коагуляция наблюдается лишь при понижении pH молока, повышении концентрации ионов Са, внесении сычужного фермента и т.д. В практике коагуляцию казеина осуществляют, снижая рН молока или добавляя кислоты (кислотная коагуляция), внося хлорид кальция при нагревании (термокальциевая коагуляция) и сычужный фермент (сычужная коагуляция). Коагуляцию казеина при выработке большинства кисломолочных продуктов вызывает образующаяся при молочнокислом брожении лактозы молочная кислота, т. е. происходит кислотная коагуляция казеина или кислотное свертывание белков молока.

Сущность кислотной коагуляции казеина сводится к следующему. Молочная кислота при накоплении в молоке снижает отрицательный заряд мицелл казеина, так как Н-ионы подавляют диссоциацию свободных карбоксильных групп и кислотных групп фосфорной кислоты казеина: группы СОО - переходят в СООН, а РО3-2 - в РО3Н2. В результате этого перехода достигается равенство положительных и отрицательных зарядов, т. е. наступает изоэлектрическое состояние казеина (при рН 4,6-4,7), в котором происходят конформационные изменения макромолекул белка и они теряют свою растворимость и устойчивость.

Помимо снижения отрицательного заряда мицелл казеина под действием молочной кислоты нарушается структура казеинаткальцийфосфатного комплекса - от него отщепляется фосфат кальция и органический кальций. Так как кальций и фосфат кальция являются важными структурными элементами комплекса, их переход в плазму молока дестабилизирует мицеллы казеина и вызывает их диспергирование. Сычужное свертывание белков молока (сычужная коагуляция казеина) носит необратимый характер и включает две стадии - ферментативную и коагуляционную. На первой стадии под действием основного компонента сычужного фермента химозина происходит разрыв пептидной связи фенилаланин - метионин в полипептидных цепях казеина ККФК. В результате ограниченного специфического протеолиза молекулы казеина распадаются на гидрофобный параказеин и гидрофильный гликомакропептид. Гликомакропептиды казеинов имеют высокий отрицательный заряд и обладают сильными гидрофильными свойствами. При их отщеплении снижается приблизительно наполовину потенциал на поверхности мицелл казеина и разрушается частично гидратная оболочка. Таким образом, силы электростатического отталкивания между частицами уменьшаются, и дисперсная система теряет устойчивость.

На второй стадии, частично дестабилизированные мицеллы казеина (параказеина), содержащие в отличие от нативных мицелл параказеинаткальций-фосфатный коиплекс (ПККФК), собираются в агрегаты из двух, трех и более частиц, которые затем соединяются между собой продольными и поперечными связями в единую сетку, образуя сгусток. Таким образом, возникает рыхлая пространственная структура, в петлях которой заключена дисперсионная среда, т. е. происходит гелеобразование.

При понижении агрегативной устойчивости дисперсных систем может происходить или истинная коагуляция, или гелеобразование. При истинной коагуляции частицы полностью теряют устойчивость и, слипаясь друг с другом, образуют хлопья или осадок - коагулят. При гелеобразовании частицы теряют устойчивость не по всей поверхности, а на некоторых участках, вследствие чего слипаются и образуют пространственные сетки.

Действие раствора хлорида кальция при кальциевой коагуляции связан со снижением отрицательного заряда казеина под влиянием положительно заряженных ионов двухвалентного кальция.

Механизм действия Ca заключается в связывании свободных ОН-групп фосфорной кислоты казеиновых мицелл, в результате чего уменьшается их отрицательный заряд и электронейтральные белковые частицы агрегируют (образование кальциевых мостиков ускоряет процесс агрегации). Хлорид Ca- сильное дегидратирующее соединение, он вызывает дополнительную дестабилизацию казеина, уменьшая его гидрофильность.

Кальциевую коагуляцию применяют в промышленности для осаждения молочных белков из обезжиренного молока. Коагуляцию хлоридом Ca обычно проводят при высокой температуре (до 90-95 пС), поэтому она называется термокальциевой коагуляцией. Повышенная температура вызывает денатурацию сывороточных белков, которые коагулируют вместе с казеином. Белковый продукт, полученный на основе комплексного осаждения казеина и сывороточных белков, называется молочным белком или копреципитатом. Его используют для обогащения некоторых пищевых продуктов.

Фаза эмульсии.

Молоко является типичной природной эмульсией жира в воде - жировая фаза находится в плазме молока в виде мелких капель (шариков жира) более или менее правильной формы, окруженных защитной липопротеидной оболочкой. Нахождение жира в молоке в мелкодиспергированном виде играет важную роль в процессе его усвоения новорожденными, а также при технологической обработке молока.

Эмульсии по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды делят на прямые (масло в воде) и обратные (вода в масле). В зависимости от концентрации дисперсной фазы в системе различают разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные эмульсии.

Разбавленные эмульсии по своим свойствам сходны с лиофобными коллоидными растворами. Их устойчивость обусловлена электрическим зарядом частиц (капелек). При потере устойчивости системы капельки самопроизвольно образуют агрегаты с последующим их слиянием (коалесценцией) друг с другом.

Размер и количество шариков жира в молоке непостоянны и зависят от породы животных, стадии лактации, кормовых рационов и других факторов. В 1 мл молока содержится от 1,5 до 3 млрд. шариков жира, их средний диаметр равен от 2 до 2,5 мкм с колебаниями от 0,1 до 10 мкм и более. Размеры шариков жира имеют практическое значение, так как определяют степень перехода жира в продукт при производстве сливок, масла, сыра, творога и т. д.

Физическая стабильность шариков жира в молоке и молочных продуктах, их поведение при отстое сливок и технологической обработке (гомогенизации, пастеризации и т.д.) в основном зависят от состава и свойств их оболочек.

Оболочка шариков жира состоит из липидов и белков. Эти компоненты, ориентированные определенным образом на поверхности шариков, стабилизируют жировую эмульсию молока. В липидной фракции оболочки содержатся фосфолипиды (фосфатидилхолин фосфатидилэтаноламин, сфингомиелин и др.) высокоплавкие триглицериды, цереброзиды, холестерин, каротины, витамин А и др. Белковые компоненты оболочки по растворимости в воде (разбавленных солевых растворах) делятся на две фракции. Одна фракция структурных белков плохо растворима в воде, содержит около 14 % азота, по аминокислотному составу отличается от белков молока (содержит меньше лизина, валина, лейцина, глютаминовой и аспарагиновой кислот и больше аргинина).

B другую водорастворимую белковую фракцию входят гликопротеид с высоким (около 18 %) содержанием углеводов и разнообразные ферменты.

К ферментам оболочки шариков жира относятся ксантин-оксидаза, щелочная и кислая фосфатазы, холинэстераза и др.

В оболочке шариков жира помимо липидов и белков обнаружены минеральные элементы: Сu, Fe, Mo, Zn, Ca, Mg, Se, Na и К. Выяснено, что с оболочкой связано от 5 до 25 % нативной меди молока и от 28 до 59 % нативного железа (содержание Сu в 1 г оболочки составляет от 5 до 25 мкг, Fе-от 70 до 150 мкг).

По данным электронно-микроскопических исследований, оболочка шарика жира состоит из двух слоев различного состава - внутреннего тонкого, плотно прилегающего к кристаллическому слою высокоплавких триглицеридов жировой глобулы, и внешнего рыхлого (диффузного), легко десорбируемого при технологической обработке молока.

Внутренний слой (мембрана, матрикс) имеет толщину от 5 до 10 нм, образуется из плазматической мембраны секреторной клетки молочной железы в процессе выведения секрета.

На тонкой мембране адсорбирован внешний слой оболочки, состоящий из водорастворимых сферических липопротеидных мицелл различного размера (от 3 до 30 нм и более). Липопротеидные мицеллы представляют собой фрагменты разрушенной плазматической мембраны или мембран эндоплазматического ретикулума секреторных клеток, которые сворачиваются и образуют замкнутые структуры (микросомы). Они содержат фосфолипиды, гликолипиды, нуклеиновые кислоты и белки, главным образом растворимые гликопротеиды, и большую часть ферментов оболочки. Установлено, что некоторые липопротеидные мицеллы слабо связаны с мембраной шарика жира и могут мигрировать в плазму при хранении, механической и тепловой обработке молока.

Эмульсия шариков жира в молоке достаточно устойчива. Охлаждение молока, механическое воздействие насосов, мешалок, нагревание до относительно высоких температур незначительно изменяют состав, физико-химические свойства оболочек шариков жира, не нарушая при этом стабильности жировой эмульсии.

При технологической обработке молока в первую очередь изменяется внешний слой оболочки. Известно, что в свежевыдоенном молоке оболочки имеют неровную, шероховатую поверхность и довольно большую толщину внешнего слоя. После перемешивания, встряхивания и хранения молока оболочки шариков жира становятся более гладкими и тонкими. Эти изменения обусловлены десорбцией липопротеидных мицелл из оболочек в плазму. Одновременно с десорбцией мицелл происходит сорбция белков и других компонентов плазмы молока на поверхности мембраны шариков жира. Процессы десорбции - сорбции при перемешивании, охлаждении могут вызвать некоторые изменения состава и поверхностных свойств оболочек, что приводит к снижению их прочности и частичному разрыву. В процессе тепловой обработки молока наблюдается не только значительная перестройка структурных компонентов оболочки, но и частичная денатурация (конформационная перестройка) мембранных белков, что способствует дальнейшему снижению стабильности оболочек шариков жира.

Оболочки могут быть сравнительно быстро разрушены в результате специального механического воздействия, применяемого, например, при получении сливочного масла, а также действия химических веществ (концентрированных кислот, щелочей, амилового спирта).

Стабильность жировой эмульсии молока можно объяснить следующими факторами. Первым важным фактором устойчивости разбавленных эмульсий, стабилизированных эмульгатором, является, как известно, возникновение на поверхности капелек жира электрического заряда.

Оболочки шариков жира содержат на поверхности полярные группы фосфатные группы фосфатидилхолина и других фосфолипидов, карбоксильные группы, аминогруппы, СООН-группы сиаловой кислоты белковых и углеводных компонентов. На поверхности шариков создается суммарный отрицательный заряд (их изоэлектрическое состояние наступает при рН молока около 4,5). К отрицательно заряженным группам присоединяются катионы Са2+, Mg2+ и др. В результате образуется двойной электрический слой, аналогичный слою, который возникает на поверхности частиц типичных гидрофобных коллоидов. Таким образом, на границе раздела фаз между шариками жира действуют электростатические силы отталкивания, превышающие силы притяжения (энергетический барьер). Дополнительное стабилизирующее действие оказывает гидратная оболочка, образующаяся вокруг полярных групп мембранных компонентов.

Среди всех структурных компонентов оболочки шариков жира особенно важны для стабилизации жировой эмульсии молока гликопротеиды и фосфолипиды. Так, после обработки оболочек протеиназами, разрушающими гликопротеиды, стабильность, эмульсии снижается, а после удаления полярных групп фосфолипидов с помощью фосфолипазы С она резко падает и наступает коалесценция шариков жира.

Вторым фактором устойчивости эмульсий является создание на границе раздела фаз структурно-механического барьера. Исследование структурномеханических свойств оболочек шариков жира показало, что они обладают повышенной структурной вязкостью, механической прочностью и упругостью, а, следовательно, могут служить структурно-механическим барьером, препятствующим слиянию шариков.

Таким образом, стабильность жировой эмульсии молока обусловливается термодинамическим (наличие двойного электрического слоя и гидратной оболочки) и структурно-механическим факторами. Структурномеханический фактор является наиболее сильным фактором стабилизации концентрированных эмульсий, к которым принадлежат, например, высокожирные сливки.

Следовательно, для обеспечения устойчивости жировой эмульсии молока и сливок в процессе выработки молочных продуктов необходимо стремиться сохранить неповрежденными оболочки шариков жира и не снижать степень их гидратации. Для этой цели необходимо сокращать до минимума механические воздействия на дисперсную фазу молока при транспортировке, хранении и обработке, избегать его вспенивания, правильно проводить тепловую обработку (длительная выдержка при высоких температурах может вызвать значительную денатурацию структурных белков оболочки и нарушение ее целостности), а также широко применять дополнительное диспергирование жира путем гомогенизации.

Если при выработке большинства молочных продуктов перед инженером-технологом стоит задача предотвратить агрегирование и коалесценцию шариков жира, то при получении масла перед ним стоит обратная задача -- разрушить (деэмульгировать) стабильную жировую эмульсию и выделить из нее дисперсную фазу.

Список использованной литературы

1. Барабанщиков Н.В. Качество молока и молочных продуктов. - М.: Колос, 1980. - 255 с.

2. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - СПб.: ГИОРД, 2003. - 320с.

3. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. - М.: Академия, 2003. - 464 с.

4. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. - М.: Высш. школа, 1998. - 479 с.

5. Крусь Г.Н., Шалыгина А.М., Волокитина З.В. Методы исследования молока и молочных продуктов/ Под ред. А.М. Шалыгиной. - М.: Колос, 2000. - 368 с.

6. Рогожин В.В. Биохимия молока и молочных продуктов: Учебное пособие. - СПб: ГИОРД, 2006. - 320 с.: ил.