Физико-химические свойства молока

Физико-химические свойства молока как единой полидисперсной системы обусловливаются свойствами его компонентов и взаимодействиями между ними.

Кислотность. Кислотность молока выражают в единицах титруемой кислотности (в градусах Тернера) и величиной рН при 20 ºС.

Титруемая кислотность является критерием оценки качества заготовляемого молока. Титруемую кислотность выражают в условных единицах – градусах Тернера (°Т). Под градусами Тернера понимают количество кубических сантиметров 0,1 н раствора гидроксида натрия, необходимого для нейтрализации 100 см³ разбавленного вдвое молока.

Кислотность свежевыдоенного коровьего молока составляет 16–18 °Т (женского 3–13 °Т). Она обусловливается на 65 % кислыми солями – дигидрофосфатами и дигидроцитратами (около 9–13 °Т), а также белками (4–6 °Т), диоксидом углерода, кислотами (молочной, лимонной, аскорбиновой и др.) и другими компонентами молока, которые в сумме дают около 1–3 °Т.

Титруемая кислотность молока у отдельных коров зависит от кормового рациона, породы, возраста, периода лактации, состояния здоровья и др.

В первые дни после отела кислотность молока (молозива) очень высокая (до 50 ºТ) за счет большого содержания белков и солей. По мере установления нормального химического состава молока его кислотность снижается. Стародойное молоко (полученное в конце лактации) имеет низкую кислотность (до 10 ºТ). Молоко от коров, болеющих маститом, имеет также низкую титруемую кислотность.

В значительной степени титруемая кислотность молока зависит от рационов кормления. Повышение кислотности от этого фактора может наблюдаться до 23−26 ºТ. Кроме того, подобное повышение кислотности может являться следствием серьезного нарушения минерального обмена в организме животных, обусловленного, как правило, недостаточным количеством солей кальция в кормах.

При хранении сырого молока титруемая кислотность повышается по мере развития в нем микроорганизмов, сбраживающих молочный сахар с образованием молочной кислоты.

рН (активная кислотность). Величина рН характеризует концентрацию свободных ионов водорода (активность) в молоке и численно равна отрицательному десятичному логарифму концентрации водородных ионов (Н⁺), выраженной в моль на 1 л. В свежем молоке рН колеблется в довольно узких пределах – от 6,55 до 6,75.

Изменение рН происходит из-за изменения концентрации отдельных составных частей молока или вследствие сдвига фазового равновесия. Величина его изменяется при разбавлении (повышается) или концентрировании (понижается) молока. Наиболее сильно влияют на изменение рН молока процессы обмена веществ молочнокислых бактерий.

В производственных условиях измерение рН необходимо производить в тех случаях, когда концентрация водородных ионов оказывает решающее влияние на качество и выход молочных продуктов.

От величины рН зависят многие производственные показатели: коллоидное состояние белков молока и стабильность полидисперсной системы молока; условия развития полезной и вредной микрофлоры и ее влияние на процессы сквашивания и созревания; состояние равновесия между ионным и коллоидным фосфатом кальция и обусловленная этим термоустойчивость белковых веществ; активность нативных и бактериальных ферментов и др. Таким образом, показатель рН служит для молока показателем качества и фактором управления технологическими процессами.

Изменения активной и титруемой кислотности не совпадают. При хранении сырого молока активная кислотность изменяется медленнее, чем титруемая. Такое несовпадение объясняется буферными свойствами молока.

Молоко, содержащее слабую кислоту и ее щелочные соли, а также гидрофосфаты, белки, цитраты, диоксид углерода другие компоненты, является буферной системой, сохраняющей определенный рН при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи. Буферная способность белков молока (главным образом казеина) объясняется наличием аминных и карбоксильных групп. Группы вступают в реакцию с ионами водорода образовавшейся или добавленной молочной кислоты:

NH₂ NH₃⁺ NH₃⁺ NH₃⁺

| | | |

R + H⁺ ↔ R , R – COO⁻ + H⁺ ↔ R – COO⁻

| | | |

COO⁻ COO⁻ COO⁻ COOH

Диссоциация данных групп белков незначительна, поэтому концентрация ионов водорода остается постоянной, в то время как титруемая кислотность повышается, так как при ее определении в реакцию со щелочью вступают как активные, так и связанные ионы водорода.

Буферная способность фосфатов заключается во взаимном переходе гидрофосфатов и дигидрофосфаты и обратно. При образовании кислоты часть гидрофосфатов переходит в дигидрофосфаты:

НРО₄⁻²+ Н⁺ ↔Н₂РО₄⁻.

Так как анион Н₂РО₄⁻ слабо диссоциирует на ионы Н⁺ и НРО₄⁻², происходит связывание ионов водорода, рН не меняется, а титруемая кислотность возрастает.

Цитраты, бикарбонаты и лактаты при добавлении кислоты ведут себя подобно фосфатам.

Мерой буферной способности служит буферная емкость – количество эквивалентов кислоты или щелочи, которые требуются для изменения рН на одну единицу.

Для определения буферной емкости молока пользуются формулой П. Ф. Дьяченко:

Б = К / Р,

где К – количество кислоты или щелочи, расходуемое на титрование 100 см³ молока до рН 4,7 или 8,2; Р – величина смещения рН молока на 1,9 при титровании кислотой или на 1,6 при титровании щелочью.

Буферная емкость свежего нормального молока по кислоте составляет 1,7–2,6, а по щелочи – 1,2–1,4.

Буферная способность молока играет большую роль в жизнедеятельности молочнокислых бактерий при производстве кисломолочных продуктов и сыров. Молочнокислые бактерии чувствительны к низким значениям рН среды, границы их развития лежат в определенном интервале рН, характерном для отдельных групп. Минимальное значение рН для развития термофильных молочнокислых палочек составляет 3,5–4,25, для лактококков – 4,75. рН среды также влияет на характер образующихся продуктов брожения, в том числе на выход диацетила.

Вследствие буферных свойств молока рН кефира в конце сквашивания при титруемой кислотности 75–80 °Т составляет лишь 4,85–4,75, при таком рН возможны развитие молочнокислых стрептококков и накопление ароматических веществ.

Окислительно-восстановительный потенциал (Е). Является количественной мерой окисляющей или восстанавливающей способности молока, он равен 0,25–0,35 В (250–350 мВ).

Молоко содержит ряд химических соединений, способных отдавать или присоединять электроны (атомы водорода): аскорбиновую кислоту, цистеин, кислород, металлы, и пр.

Окислительно-восстановительные условия в молоке зависят от концентрации ионов водорода, поэтому их выражают также условным показателем rH₂ который вычисляют по уравнению:

rH₂ = Е/ 0,03 + 2рН (при 20 °С).

Если принять, что в свежем молоке Е=0,3 В, рН=6,6, то rH₂=23,2. Следовательно, свежее молоко представляет собой среду со слабыми восстановительными свойствами (в нейтральной среде rH₂=28, если rH₂ выше 28, то среда обладает окислительной способностью, если ниже 28 – восстановительной способностью).

Усиление восстановительных свойств молока, то есть падение окислительно-восстановительного потенциала и rH₂, вызывают тепловая обработка, развитие микроорганизмов и т. д. На изменении величины окислительно-восстановительного потенциала основана редуктазная проба. При определенном значении Е индикаторы (метиленовый голубой или резазурин), внесенные в молоко, восстанавливаются, обесцвечиваясь или изменяя окраску. Чем больше бактерий содержится в сыром молоке, тем быстрее падает окислительно-восстановительный потенциал и восстанавливаются добавленные реактивы. Резазурин по сравнению с метиленовым голубым восстанавливается и меняет цвет при более высоком значении окислительно-восстановительного потенциала, поэтому редуктазная проба с резазурином менее продолжительна (1 ч вместо 5,5 ч с метиленовым голубым).

Повышению окислительно-восстановительного потенциала, то есть усилению окислительных свойств молока, способствуют металлы (Си, Fe) и аэрация (перемешивание).

От величины окислительно-восстановительного потенциала зависят интенсивность протекания в молочных продуктах (сыр, кисломолочные продукты, масло) биохимических процессов (протеолиз, липолиз и др.) и накопление ароматических веществ (в первую очередь диацетила, который образуют молочнокислые бактерии со слабыми редуцирующими свойствами).

Возникновение в молоке и молочных продуктах (масло, сухое молоко и др.) таких пороков вкуса, как окисленный, металлический и салистый привкусы, обусловлено повышением окислительно-восстановительного потенциала среды.

Плотность молока. Представляет собой массу молока в единице объема при 20 °С (кг/м³), определяемую ареометрическим методом. Плотность молока колеблется от 1027 до 1032 кг/м³. Она зависит от температуры (понижается с ее повышением) и химического состава молока (понижается при увеличении содержания жира и повышается при увеличении количества белков, лактозы и солей).

Плотность молока, определенная сразу же после доения, ниже плотности, измеренной через несколько часов, на 0,8–1,5 кг/м³. Это объясняется улетучиванием части газов и повышением плотности жира и белка при постепенном понижении температуры молока. Поэтому плотность закупаемого молока следует определять не ранее чем через 2 ч после дойки.

Величина плотности молока меняется в течение лактационного периода, вследствие болезней, а также под влиянием кормовых рационов, породы и других факторов. Значительно отличаются от нормального молока по плотности молозиво и молоко, полученное от больных маститом животных, что объясняется резким изменением содержания в них белков, лактозы и других составных частей.

Плотность молока изменяется при фальсификации – понижается при добавлении воды (каждые 10 % добавленной воды вызывают уменьшение плотности в среднем на 3 кг/м³) и повышается при поднятии сливок или разбавлении обезжиренным молоком. Поэтому по величине плотности косвенно судят о натуральности молока при подозрении на фальсификацию.

Вязкость. Вязкость – это свойство среды оказывать сопротивление относительному смещению ее слоев. В среднем при 20°С вязкость цельного молока составляет 1,8 ∙ 10⁻³ Па · с. Она зависит главным образом от содержания белков и жира, дисперсности мицелл казеина и жировых шариков, степени их гидратации и агрегирования. Содержание лактозы и сывороточных белков незначительно влияют на вязкость молока в нативном состоянии.

В процессе хранения и обработки молока (перекачивание, гомогенизация, пастеризация и т. д.) вязкость молока повышается. Это объясняется увеличением степени диспергирования жира, укрупнением белковых частиц, адсорбцией белков на поверхности шариков жира и т. д.

Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение молока (сила, действующая на единицу длины границы раздела фаз молоко ─ воздух) ниже поверхностного натяжения воды (77,2 · 10^-3 Н/м) и при 20 °С равно около 44 · 10^-3 Н/м. Более низкое по сравнению с водой значение поверхностного натяжения объясняется наличием в молоке поверхносто-активных веществ (ПАВ) – фосфолипидов, белков, жирных кислот и т. д. Поверхностное натяжение молока зависит от его температуры, химического состава, состояния белков, жира, активности липазы, продолжительности хранения, режимов технологической обработки и т. д. Так, оно снижается при нагревании молока и особенно сильно при его липолизе, так как в результате гидролиза жира образуются ПАВ – жирные кислоты, ди- и моноглицериды, понижающие величину поверхностного натяжения.

Натяжение в молоке возникает также на границе раздела других фаз: жир – плазма и воздух – плазма, способствуя образованию гидратных оболочек жира и пены. Пенообразование имеет большое значение для некоторых процессов переработки молока, например, для процесса маслообразования, фризерования смеси при производстве мороженого. Вместе с тем пенообразование при получении, транспортировке, перекачивании, сепарировании и сгущении молока отрицательно влияет на качество получаемых молочных продуктов, так как способствует дестабилизации жировой эмульсии, липолизу и окислению свободного жира.

Все факторы, снижающие поверхностное натяжение, уменьшают пенообразование, и наоборот.

Осмотическое давление и температура замерзания. Осмотическое давление – это избыточное гидростатическое давление молока, препятствующее диффузии воды через полупроницаемую перегородку (мембрану). Температура замерзания – это температура, при которой молоко переходит из жидкого состояния в твердое или наоборот.

Обе характеристики взаимосвязаны и зависят в основном от концентрации лактозы и растворенных солей. На осмотическое давление и температуру замерзания оказывают влияние лишь вещества, находящиеся в молоке в виде истинного раствора, другие вещества, например жир, не влияют на эти характеристики.

Осмотическое давление молока близко по величине к осмотическому давлению крови животного и в среднем составляет 0,66 МПа. Температура замерзания нормального молока в среднем равна минус 0,54 °С.

Температура замерзания существенно зависит от кислотности молока. При повышении кислотности из каждой молекулы молочного сахара получается 4 молекулы молочной кислоты, т. е. молярная концентрация раствора повышается, что приводит к снижению температуры его замерзания.

Заметно повышается температура замерзания молока при разбавлении его водой. В среднем при добавлении в молоко 1 % воды температура замерзания изменяется на 0,005 °С.

Принцип измерения температуры замерзания молока лежит в основе криоскопического метода контроля натурального молока.

Теплофизические свойства. Для расчета затрат теплоты на нагревание или охлаждение молока и молочных продуктов необходимо знать их теплофизические свойства. Наиболее важными из них являются удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент температуропроводности, которые связаны между собой соотношением:

а = λ/(с· ρ),

где а – коэффициент температуропроводности, м²/с; λ – теплопроводность, Вт/(м· К); с – удельная теплоемкость, Дж/(кг· К); ρ – плотность продукта, кг/м³.

Теплофизические свойства молока и молочных продуктов зависят от температуры, содержания сухих веществ, влаги, жира, кислотности, дисперсности жира и т. д.

Удельная теплоемкость. В интервале температур от 0 до 60 °С удельная теплоемкость молока изменяется незначительно и приближенно равна 3900 Дж/(кг·К), или 3,9 кДж/(кг·К).

Теплопроводность. Теплопроводность молока при 20 °С равна примерно 0,5 Вт/(м·К). Она увеличивается с повышением температуры и незначительно уменьшается с увеличением содержания в нем жира.

Коэффициент температуропроводности. Он зависит от температуры, жирности, влажности, плотности и пористости молочных продуктов. Коэффициент температуропроводности молока при 20 °С равен около 13 · 10^-8 м²/с.