Кислотного сгустка пахты

Подробно описана кислотная коагуляция казеина Н.И. Дунченко. Кислотная коагуляция основана на изоэлектрическом осаждении казеина путем введения в молоко органических (молочной, уксусной) или минеральных (соляной, серной) кислот, или под действием молочной кислоты, образующейся в результате жизнедеятельности микрофлоры закваски, вносимой в молоко. Установлено, что характер сгустков зависит от способа и температуры введения кислот.

При быстром введении с одновременным нагреванием сгустки имеют рыхлую, вязкую, зернистую структуры. При медленном введении или образовании и при условии отсутствия перемешивания происходит образование плотной, ровной структуры. Кислотные сгустки относятся к коагуляционно-конденсационным структурам, содержащим как необратимо разрушающиеся, так и тиксотропно-обратимые связи. От соотношения этих связей зависят структурно-механические свойства структур: вязкость, прочность, упругость, эластичность.

Процесс кислотной коагуляции, также как и сычужной – является двухстадийным:

I – нарушение стабильности системы и структурные изменения казеиновых частиц;

II – образование трехмерной структуры (коагуляционная стадия).

В доступной литературе имеются математические и физические модели изучения процесса структурообразования при сычужной коагуляции, особенно первой стадии.

Н.Н. Липатовым (мл.) на базе компьютерного моделирования казеина при непрерывном производстве творога предложены формулы для расчета геометрических характеристик пространственного каркаса кислотных молочно-белково-жировых сгустков.

Компьютерное моделирование процесса коагуляционного структурообразования казеина молока при условиях, соответствующих получению молочно-белковых сгустков для производства творога и домашнего сыра, показало, что критические размеры казеиновых агрегатов, из которых формируются пространственные белковые каркасы (гели) за счет взаимофиксации частиц в ближнем энергетическом минимуме, характеризуются радиусом _кр» 6, 2·10^-7 м.

В общем случае время, необходимое для укрепления казеиновых частиц явной коагуляции, предшествующей началу гелеобразования, может быть вычислено по формуле:

(2)

где d^*_Б = 20 _кр; V_Б – объемное содержание казеина в исходном молоке, м³; К_Б – константа коагуляции казеиновых частиц, соответствующая их к однодисперсному состоянию; К_Б = ³с^-1, μ – динамическая вязкость плазмы молока, Па·с.

Анализ геометрических характеристик пространственных каркасов кислотных молочно-белково-жировых сгустков позволил получить следующие формулы для расчета среднего линейного размера «ε» элементарной ячейки этих каркасов и количества таких ячеек «g» в усредненном по объему сгустка «гелевом столбике», совпадающем с направлением движения сыворотки от условного центра геля к его периферии:

ε = (3)

где d* - критический диаметр жирового шарика или казеинового агрегата, образующих пространственные цепочечные структуры за счет взаимофиксации в ближнем энергетическом минимуме, м; N_Б*_, N_Ж* - счетные концентрации казеиновых агрегатов и жировых шариков, соответственно, диаметры которых равны d*, м^-3|Х|, |У|, |Z| - характеристические линейные размеры объема, первоначально занимаемого сгустком, м

Исследования Л.А. Забодаловой, А.М. Маслова, Г.М. Паткуль показали, что кинетика структурообразования при кислотной коагуляции аналогична кинетике сычужной коагуляции, предложенной и исследованной В.П. Табачниковым и предполагает наличие трех стадий: индукционного периода, стадии флокуляции и метастабильного равновесия.

В индукционный период вязкость молока практически не меняется, на стадии флокуляции происходит образование агрегатов из белковых частиц (субмицелл), обуславливающее резкое повышение агрегатов до (гель-точки). Скорость образования белковых агрегатов условно можно характеризовать величиной тангенса угла наклона кривой к оси абсцисс (рис. 1). После точки Г повышение вязкости прекращается, так как происходит упрочнение образующейся структуры сгустка.

Рис. 1 – Кинетика образования кислотного сгустка

Гель-точка наступает при рН 4, 76-4, 85, в это время структура кислотного сгустка непрочна и необратимо разрушается при механическом воздействии. Поэтому при резервуарном способе производства кисломолочных напитков для получения готового продукта хорошей консистенции без отстоя сыворотки авторы рекомендуют перемешивать сгусток при рН не выше 4, 65.

Экспериментально доказано, что независимо от условий свертывания молока отношение промежутка времени от момента заквашивания до гель-точки к продолжительности индукционного периода практически постоянно и равно в среднем 1, 1-1, 2. Таким образом, по легко фиксируемой продолжительности индукционного периода можно предсказать продолжительность второй и третьей стадий процесса коагуляции.

Установлено, что скорость кислотной коагуляции и структурно-механические свойства зависят от массовой доли белка, жира и сухих веществ, от температуры свертывания, дозы и состава бактериальной закваски, технологических режимов тепловой обработки и гомогенизации. Так, повышение температуры в интервале от 30 до 46 ⁰С способствует значительному сокращению длительности индукционного периода, продолжительность двух других стадий при этом снижается менее интенсивно, так как увеличение температуры интенсифицируется образованием агрегатов белковых частиц, вследствие чего увеличивается вязкость и прочность сгустков.

Установлено, что от количества и вида закваски зависит кислотность молока, следовательно, это оказывает влияние на скорость коагуляции.

Агрегативная устойчивость и неустойчивость определяется способностью частиц вступать в контакт, т.е. сблизиться до определенного расстояния. Контакт между частицами – это необходимое условие коагуляции.

М. Смолуховский разработал теорию коагуляции частиц при условии, что контакт между частицами – не только необходимая предпосылка, но и достаточное условие коагуляции. Коагуляция происходит во времени и характеризуется определенной скоростью

υ _с = -d υ _ч/ dτ, (4)

Скорость коагуляции описывается формулой и определяется как изменение по времени τ численной концентрации υ _ч дисперсной фазы. Скорость коагуляции всегда положительна, а величина υ _ч /dτ – отрицательна.

Концентрация частиц в данное время υ _ч зависит от начальной концентрации υ _ч⁰ и времени коагуляции τ:

υ ^τ _ч = f(υ ⁰_чτ), (5)

М. Смолуховскому удалось найти вид функции при следующих допущениях: частицы монодисперсны и имеют сферическую форму; сила взаимодействия между частицами не учитывается. Предполагается, как уже отмечалось, что для коагуляции частицам достаточно сблизиться до определенного расстояния; частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения; учитывается только взаимодействие двух частиц; одновременно взаимодействие трех и более частиц считается маловероятным.

Несмотря на такие существенные допущения, теория М. Смолуховского дает возможность с достаточной для практики точностью рассчитывать численную концентрацию.

Слипание частиц и кинетика коагуляции рассматриваются с точки зрения химической кинетики как реакции второго порядка:

d υ _ч/dt = - k υ _ч² , (6)

где k – константа скорости коагуляции.

Согласно теории Смолуховского, константа скорости коагуляции зависит от коэффициента диффузии D и расстояния между частицами h:

k = 4 hD, (7)

На расстоянии h осуществляется взаимодействие между частицами. Это расстояние, согласно теории, равно сумме радиусов частиц: h = 2 r.

Коэффициент диффузии рассчитывается по уравнению:

k = 4 RT/(3η N_А), (8)

где η – вязкость дисперсной среды.

Константа скорости коагуляции, как это следует из формулы 8, не зависит от начальной концентрации частиц дисперсной фазы и размеров частиц. Она остается неизменной в течение всего процесса коагуляции.

Найденная расчетным путем из уравнения 7 константа k_ТЕОР характеризует быструю коагуляцию. Экспериментальные значения константы k_ЭКС могут не совпадать с теоретическими. Если соблюдается условие k_ЭКС< k_ТЕОР, то имеет место медленная коагуляция.

Теория Смолуховского получила дальнейшее развитие: сняты некоторые ее ограничения и допущения, в частности в отношении монодисперсности частиц; более четко определен смысл вероятности слипания. Однако эта теория абстрагируется от свойств самих дисперсных систем. Между тем эти свойства в определенных условиях оказывают решающее влияние на коагуляцию.

Вязкость сливок. Сливки, являющиеся дисперсной коллоидной системой, обладают пространственной структурой, которую могут характеризовать такие показатели, как вязкость, предельное напряжение сдвига и др. Во время сравнительно длительной подготовки сливок к сбиванию на их свойства оказывают влияние технологические факторы, особенно температура.

В результате этого изменяется агрегатное состояние жировой фазы, что создает необходимые условия для последующей ее дестабилизации и агрегации жировых частиц при сбивании в маслоизготовителях. В отношении жировой фазы сливки являются эмульсией (дисперсией) жировых шариков со средним диаметром 2, 5 мк в плазме. В ней также распределены и другие компоненты: белки, углеводы, соли органических и неорганических кислот, витамины, ферменты, микроэлементы и др. В результате дестабилизации в сливках происходит образование скоплений цепочек жировых шариков микрозерен, что является одной из важных причин образования структурных связей.

Структурные связи сливок выражены в вязкости, которая характеризует консистенцию сливок, их физическое состояние во время подготовки к сбиванию в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия. Под вязкостью сливок мы подразумеваем их способность сопротивляться смещению частей или слоев относительно друг друга. Вязкость сливок, поскольку определение ее связано с их течением, а также разрушением и восстановлением структурных связей, можно выразить произведением предела текучести и деформирующей силы, например, крутящего момента, нагрузки на шарик и т.п.

Вязкость может быть повышена выдержкой сливок при температуре от 2, 2 ⁰С до 3, 3 ⁰С, причем практически все увеличение вязкости достигается в первые два часа.

В зависимости от концентрации жира, сливки могут быть отнесены как к ньютоновским, так и к неньютоновским жидкостям. Сливки с содержанием жира до 30 % незначительно проявляют аномалию вязкости, и при инженерных расчетах их можно отнести к ньютоновским жидкостям. К ньютоновским жидкостям относятся также сливки и с более высоким содержанием жира, если жир находится в расплавленном состоянии.

Вязкость сливок, проявляющих ньютоновское или близкое к нему течение, при а = 1, 975 и б = 162, приведена в табл. 11.

Таблица 11