Взаимосвязь состава молочной сыворотки с ее пенообразующей активностью

14-05-2014, 11:15

А.Ю. Просеков и его последователи системно рассмотрели влияние основных компонентов молочного сырья на пенообразование. Все эти положения можно распространить на молочную сыворотку с корректировкой и сравнительной оценкой по другим видам молочного сырья и их компонентам.
Молочные белки, благодаря присутствию на их поверхности заряженных групп, обладают рядом функциональных свойств и влияют на поведение коллоидной дисперсии молочного сырья, в т. ч. молочной сыворотки, на различных этапах их переработки.
Сывороточные белки при взбивании молочной сыворотки более интенсивно флотируют в межфазную поверхность и удерживаются пленками ПДС, по сравнению с казеином. Это можно объяснить их поверхностно-активными свойствами, которые выражены в большей степени. В целом на процесс пенообразования молочного сырья наибольшее влияние оказывает казеин. Напротив, сывороточные белки не оказывают существенного влияния на формирование воздушных пузырьков.
В этой связи научный и практический интерес имеет оценка способности генетических модификаций казеина к флотации в межфазные структуры при пенообразовании молока. Степень участия различных фракций казеина и сывороточных белков в формировании меж-фазных пленок ПДС при температуре (1-2) °С показана на диаграмме (рис. 8.1).

Приведенные на рис. 8.1 данные коррелируют с относительной молекулярной массой казеинов. Увеличение относительной молекулярной массы генетических вариантов казеина является фактором стимулирования пенообразующей активности молока. Данные особенности связаны с комплексом коллоидных и физико-химических особенностей формирования молочных межфазных пленок под воздействием белковых веществ молочного сырья. Различная степень их участия обусловлена следующими факторами: поверхностной активностью белковых молекул, присутствием в составе полярных и неполярных групп, размерами, гидрофильными свойствами и конкурентоспособностью на межфазной пленке.
Процессы формирования молочных ПДС связаны с образованием адсорбционных слоев и влекут за собой изменение структуры поверхностных свойств белков, обуславливая, тем самым, специфику пенообразования. Воздействуя на белковую фазу молочного сырья, можно направленно изменять ее физико-химические свойства, регулируя пенообразующую активность молочной сыворотки.
В частности, принцип механического вспенивания был реализован творческим коллективом КемТИПП при разработке технологии аэрированных напитков на основе альбуминного молока с брэндом «Альбуминка», а также пенообразных молочно-растительных продуктов.
Липидный комплекс молочной сыворотки в плане пенообразования носит прикладной характер. На рис. 8.2 показано влияние молочного жира на пенообразующую способность молочного сырья.

Приведенные на рисунке 8.2 результаты свидетельствуют о том, что с увеличением массовой доли жировой фазы происходит повышение пенообразующей активности молочного сырья. Можно предположить, что во многом процесс формирования ПДС обусловливают фосфолипиды (фосфотидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин (кефалин), сфингомиэлин), которые содержатся в оболочке жировых шариков. В таблице 8.1 рассмотрено участие фосфолипидов в формировании межфазных пленок ПДС.

В результате разрушения дисперсных структур отмечено перераспределение лецитина, кефалина и сфингомиэлина — межфазные пленки содержат повышенное количество этих веществ. Остаточные концентрации фосфолипидов в молочной подпенной жидкости после частичного синерезиса можно рассчитать, поскольку известны их концентрация в пене и молоке, не подвергнутом взбиванию (данная концентрация аналогична содержанию фосфолипидов в неразрушенной ПДС).
Таким образом, важным критерием в производстве молочных продуктов на основе ПДС, в т.ч. на основе молочной сыворотки, являются дисперсное и агрегатное состояние молочного жира.
Также исследована возможность замены молочного жира на растительные аналоги при получении пенообразных продуктов. Установлено положительное влияние пальмового и подсолнечного жиров на пенообразующие свойства получаемых ПДС. Результаты исследований позволили разработать технологии новых видов комбинированных десертов на основе восстановленного обезжиренного молока.
Углеводы молочной сыворотки, прежде всего аномеры лактозы, играют основную роль в формировании молочных ПДС. В результате проведенных исследований было установлено, что лактоза снижает значения пенообразующей способности молочной сыворотки (табл. 8.2).

Увеличение массовой доли лактозы в сыворотке на 8,3 % уменьшает значения пенообразующей способности на 12,3%. При этом с повышением массовой доли лактозы увеличиваются значения показателя устойчивости. Для ПДС, полученной из сыворотки, максимальное увеличение устойчивости составляет 27,9%. Подобная роль лактозы в пенообразовании связана с ее гидрофильными и поверхностными свойствами, которые обусловливают ее взаимодействие с другими компонентами молочных жидкостей, а также особенностью ее влияния на формирование межфазных пенных пленок. В целом влияние лактозы на ценообразование необходимо оценивать в совокупности с температурой, поскольку эти два фактора оказывают противоположное влияние на поверхностное натяжение, которое, в свою очередь, играет важную роль в поверхностных явлениях на границе жидкость-газ.
Результаты исследований использованы творческим коллективом КемТИПП при разработке технологии пенообразных масс на основе творожной сыворотки и обезжиренного молока.
Дисперсионная среда молочной сыворотки, как сложной полидисперсной системы, в теоретическом плане применительно к процессу формирования ПДС, в совокупности с другими факторами практически еще не изучена. Поэтому до сих пор остается открытым вопрос о механизме формирования пенных пленок и физико-химическая сущность этого явления. В этой связи А.Ю. Просековым предложена модель по оценке роли дисперсионной среды в пенообразовании молочного сырья, которую можно адаптировать к молочной сыворотке.
При этом предполагается, что функции дисперсионной среды обусловлены не только тем, что она является лишь растворителем некоторых веществ, которые при взаимодействии с водой образуют дополнительное количество структурных элементов в молоке (межфазных поверхностей). Дисперсионная среда влияет на протекание процессов фазовых превращений в молочных ПДС, которые отличаются рядом особенностей, обусловленных достижением равновесия из-за сложного строения каналов Плато-Гиббса, поскольку их структурными элементами являются как белковая, так и жировая фаза со специфическим коллоидным строением.
Для оценки роли плазмы в формировании межфазных поверхностей на основе поверхностного потенциала диполей воды, исходя из анализа имеющихся данных, можно принять следующие допущения:
— ориентированные диполи воды создают сильное поверхностное ноле;
— вода имеет мультиплетную модель строения, основанную на жестких дипольных и квадрупольных моментах;
— молекулы воды преимущественно ориентируются атомами кислорода в сторону газовой фазы, что приводит к положительному значению поверхностного потенциала (правило Стиллинджера и Бен-Наима);
— поверхностный потенциал воды составляет 0,1 В; электрокинетический потенциал мицелл казеина составляет минус 47,6 мВ, пара-К-казеина около минус 3,5 мВ; электрокинетический потенциал жировых шариков в среднем около 14 мВ;
— поверхностный потенциал в водно-органических растворах, начиная с определенной величины, является величиной постоянной.
На основе обобщений предложено модель стабилизирующих межфазные пленки ПАВ считать квазикапельной моделью с жидкоподобным ядром, образованным гидрофобными участками межфазной пленки. В случае стабилизации пенных пленок жировой фазой гидрофобными являются глобулы триглицеридов, а при мицеллярном участии гидрофобными являются взаимодействия ассоциированных казеиновых частиц. При этом в силу поверхностного потенциала и мультиплетной модели строения воды возможно максимальное (в соответствии с правилами упаковки) проникновение в чередующиеся слои молекул растворителя (дисперсионной среды), сопровождающееся появлением молекулярных агрегатов из двух, трех и более молекул, участвующих в стабилизации структуры. По мере увеличения числа стабилизирующих молекул дисперсионная среда вытесняется из адсорбционных слоев каналов Плато-Гиббса, повышая тем самым устойчивость дисперсий.
Вода вступает во взаимодействия с компонентами дисперсионной среды, поскольку является сильным полярным растворителем и ослабляет силы взаимного притяжения между противоположно заряженными ионами. Степень участия воды в физико-химических реакциях зависит от показателя ее активности. Взаимосвязь показателя активности воды с пенообразующими характеристиками молока (для примера в плане адаптации к молочной сыворотке) приведена на рис. 8.3.

Показатель активности воды представляет собой универсальный параметр, необходимый для контроля качества продукции и позволяющий прогнозировать возможность образования пенообразных структур из молочных объектов, в т. ч. молочной сыворотки, с последующей оценкой их устойчивости.
Активная и титруемая кислотности. С повышением титруемой кислотности отмечено увеличение устойчивости межфазных пленок ПДС, несмотря на то, что значения межфазной поверхности в силу насыщения молока воздухом увеличиваются. Данный фактор устойчивости усиливается образованием мелкодисперсных ПДС, полученных при повышении кислотности молочного сырья (рис. 8.4).

С повышением значений титруемой кислотности и увеличением концентрации ионов водорода пенообразующие свойства сыворотки, полученной из молока, усиливаются. Это, вероятно, обусловлено снижением массовой доли лактозы, а также увеличением в системе концентрации органических кислот. С увеличением титруемой кислотности значения устойчивости ПДС на основе сыворотки снижаются (табл. 8.3).

Данный факт можно объяснить тем, что с повышением титруемой кислотности возрастает пенообразующая способность и увеличивается площадь межфазной поверхности раздела дисперсионная среда — дисперсная фаза. При этом стабилизирующие свойства межфазных структур, образованных дисперсионной средой и гидратированными сывороточными белками недостаточны для обеспечения высоких показателей устойчивости ПДС.
Значения активной кислотности 4,6-4,8 в максимальной степени стабилизируют меж-фазные пленки, несмотря на высокие значения поверхности раздела фаз, которая образуется благодаря максимальной пенообразуюшей способности. Это явление также можно объяснить существованием поверхностного потенциала на границе вода — газовая фаза (+0,1 мВ), который обеспечивает формирование прочных межфазных структур за счет сил электростатического отталкивания.