Биотермодинамические параметры молочной сыворотки

12-05-2014, 15:42

Проф. П.А. Лисин и проф, Н.Б. Гаврилова в системном виде изложили сформированные в ОмГАУ воззрения по биотермодинамической характеристике молочного сырья, получаемых продуктов, в т. ч. молочной сыворотки. С любезного согласия и даже просьбы авторов ниже приводится изложение их публикации по новому взгляду, равному, по меньшей мере осмофории, на оценку объекта монографии. Кажется, этот показатель для молока и молочных продуктов, в т.ч. молочной сыворотки, получит свое развитие и дополнит наши преставления с совершенно оригинальной стороны их БТС. В основе исследований — величина и интерпретация поверхностного натяжения. По опубликованным данным величина поверхностного натяжения составляет (мДж/м2): молочной сыворотки — 45,6; бесказеиновой фазы — 48,2 мДж/м2; обезжиренного молока — 53,60 (для сведения — поверхностное натяжение воды составляет 70,0 мДж/м2).
Термодинамика поверхностных явлений была поставлена и развита лауреатом Нобелевской премии Джозайя Уиллард Гиббсом. Он принимал поверхностный слой за новую «поверхностную фазу», отличную от объемных фаз тем, что ее толщина чрезвычайно мала по сравнению с протяженностью в двух других измерениях, и поэтому рассматривал поверхностный слой, как геометрическую разделяющую поверхность, применяя к ней общие термодинамические уравнения.
Для описания термодинамики поверхностного натяжения сыворотки применялся метод избыточных величин Гиббса. Практически вся поверхностная энергия сосредоточена в поверхностном слое толщиной в несколько молекул. В соответствии с термодинамическим соотношением энтальпия поверхности (H) выражается уравнением:

H = G + T * S,

где G — энергия поверхности; T — термодинамическая температура; S — энтропия. Внутренняя энергия поверхности складывается из энергии Гиббса — σ и теплоты образования поверхности — q. Для индивидуальных веществ теплота q всегда положительна, так как при образовании поверхности теплота поглощается. В результате внутренняя удельная поверхностная энергия (единицы поверхности) больше поверхностной энергии Гиббса на теплоту образования единицы поверхности. Поэтому ее обычно называют полной поверхностной энергией — Us. При постоянстве параметров определяющих процесс, кроме температуры, изменение полной поверхностной энергии определяется уравнением Гиббса - Гельмгольца:

Биотермодинамические параметры молочной сыворотки

Уравнение (1.11) связывает полную поверхностную энергию — Us с энергией Гиббса (поверхностная энергия а) и энтропийным множителем. Из этого уравнения следует, что для определения полной поверхностной энергии необходимо знать зависимость поверхностного натяжения от температуры. Данную зависимость можно получить только экспериментально. Для большинства жидкостей эта зависимость линейная и аппроксимируется соотношением:

σT = σ0 - α * ΔT,

где: σT σ0 — поверхностная энергия соответственно при температуре T и при стандартной температуре;
ΔT — разность между данной и стандартной температурами;
α — постоянная, равная температурному коэффициенту поверхностного натяжения с обратным знаком, мДж/(м2*К).
Зная температурный коэффициент (α) поверхностного натяжения, можно рассчитать внутреннюю энергию межфазной поверхности. Так как поверхностное натяжение снижается с повышением температуры, а полная энергия от нее не зависит, то в соответствии с уравнением Гиббса-Гельмгольца энтропийная составляющая единицы поверхности увеличивается в этом же направлении.
Поверхностная энергия различных видов молочной сыворотки имеет близкие значения (порядка 50 мДж/м2). Это можно объяснить тем, что их поверхности имеют одинаковую природу. Для обеспечения минимальной поверхностной энергии молекулы на поверхности ориентируются таким образом, что радикалы находятся на поверхности, а функциональные группы — внутри жидкой фазы. Ориентирование поверхностных молекул снижает энтропийную составляющую внутренней энергии поверхностного слоя, что объясняется упорядоченностью молекул на поверхности раздела фаз. Таким образом, структура поверхностного слоя молочных продуктов, в том числе и молочной сыворотки, формируется в результате самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии.
Экспериментальные исследования проводились с подсырной и творожной сывороткой (натуральной и осветленной) концентрацией от 6,5 до 40%, а также с ультрафильтратом подсырной сыворотки с массовой долей сухих веществ 5,0-11,0% в интервале температур от 20 до 70 °С. Для определения поверхностного натяжения молока и молочных продуктов авторами усовершенствован прибор акад. П. А. Ребиндера, работающий по принципу максимального давления в капилляре.
Анализ экспериментальных данных показал, что увеличение температуры молочной сыворотки и ультрафильтрата до 70 °С оказывает более существенное влияние на поверхностное натяжение, чем увеличение концентрации сухих веществ, соответственно молочной сыворотки до 40% и ультрафильтрата до 11 %. Исследования с подсырной сывороткой кислотностью 17 °T и 54 °Т показали линейную зависимость изменения поверхностного натяжения от температуры продукта (рис. 1.24).

Скорость снижения поверхностной энергии подсырной сыворотки с разной кислотностью практически одинакова и равна температурному коэффициенту — 0,224 мДж/(м2К). Поверхностное натяжение подсырной сыворотки с увеличением кислотности с 17 до 54 °Т уменьшается с 52 до 45 мДж/м2, что можно объяснить уменьшением содержания лактозы в продукте, которая является поверхностно-инактивным компонентом. Для сравнительной оценки в табл. 1.34 приведены температурные коэффициенты молочной сыворотки и некоторых молочных продуктов.

В табл. 1.35 приведены биотермодинамические параметры молочной сыворотки и некоторых молочных продуктов.

Наибольшая величина полной поверхностной энергии наблюдается у творожной сыворотки, которая составляет 179,54 мДж/м2, минимальная в ультрафильтрате подсырной сыворотки с концентрацией сухих веществ 11 % — 90,18 мДж/м2, энтропийный множитель — 36,91 мДж/м2 Полученные биотермодинамические параметры характеризуют состояние продукта и могут быть использованы как в оценке биоэнергетической ценности, так и хранимоспособности сыворотки.
В табл. 1.36 приведены расчетные значения относительного термодинамического индекса устойчивости молочной сыворотки в сравнении с эталоном (сливки).

Относительный биотермодинамический индекс термостабильности (BIOS) характеризует уровень (степень) температурного воздействия на продукт по сравнению с температурным воздействием на жидкость, принятую за эталон сравнения (в данном случае сливки Ж = 20 %, полная поверхностная энергия которых равна Us = 75,86 мДж/м2). Индекс термостабильности можно сравнить с критерием самопроизвольности процесса Гиббса. Чем ближе индекс термостабильности к единице, тем биосистема ближе к равновесному состоянию и максимальному значению энтропийной составляющей продукта.
В целом термодинамическое равновесное состояние характеризует деградацию биосистемы — отсутствие активной жизнедеятельности микроорганизмов, снижение скорости биохимических реакций и как следствие, при определенном уровне энергетического потенциала, снижение качественных показателей продукта — молочной сыворотки.