Вязкость и поверхностное натяжение

Плотность

Плотность, или объемная масса, молока при 20°С колеблется от 1027 до 1032 кг/м³. Средняя величина плотности заготовляемого в РФ моло­ка низкая и составляет 1028,5 кг/м³(или 28,5 градусов ареометра). Плот­ность молока зависит от температуры (понижается с ее повышением) и химического состава (понижается при увеличении содержания жира и повышается при увеличении количества белков, лактозы и солей).

Плотность молока, определенная с разу 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 белков (за счет изменения коэффициентов температурного расширения) 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 подснятии сливок или разбавлении обезжиренным молоком. Поэтому по величине плотности косвенно судят о натуральности молока при подозрении на фальсификацию. Однако молоко, не удовлетворяю­щее требованиям ГОСТа по плотности, например молоко, имеющее плотность ниже 1027 кг/м³, но цельность которого подтверждена стойловой пробой, принимается как сортовое.

Плотность других молочных продуктов, как и плотность молока, зависит от химического состава. Например, плотность (в кг/м³) сы­воротки (творожной, подсырной и казеиновой) равна, соответствен­но 1019...1026, 1018...1027 и 1020...1025, обезжиренного молока — 1032...1035, пахты - 1031...1033.

Вязкость и поверхностное натяжение

Вязкость, или внутреннее трение, нормального молока при 20°С в среднем составляет 1,8 • 10~³ Па • с с колебаниями от 1,3 • 10-³ до 2,2 • 10^-3 Па • с. Она зависит главным образом от содержания белков и жира, дисперсности мицелл казеина и шариков жира, степени их гидратации и агрегирования. Сывороточные белки и лактоза незна­чительно влияют на вязкость молока.

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..

Практический интерес представляет вязкость сильноструктуриро­ванных молочных продуктов — сметаны, кисломолочных напитков и пр. Вязкость этих продуктов, обусловленная образованием внутренних структур, отличается от истинной вязкости ньютоновских жидкостей (к которым можно условно отнести цельное молоко). При течении ненью­тоновских жидкостей вязкость зависит от напряжения сдвига и гради­ента скорости. Для них введено понятие «эффективная вязкость», кото­рое характеризует равновесное состояние между процессами восстанов­ления и разрушения структуры в установившемся потоке (А. В. Горба­тов). Эффективная вязкость простокваши, ацидофилина и сметаны 30%-й жирности составляет 445,1791 и 305 Па • с • 10^-3, соответственно.

Поверхностное натяжение молока (сила, действующая на едини­цу длины границы раздела фаз молоко—воздух) ниже поверхностного натяжения воды (72,7 • 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 поверхностно-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, поверхностное натяжение снижается при нагревании мо­лока и особенно сильно при его липолизе, так как в результате гидро­лиза жира образуются ПАВ — жирные кислоты, ди- и моноацилглицерины, понижающие величину поверхностной энергии.

Натяжение в молоке возникает также на границе раздела других фаз — жир—плазма и воздух—плазма, способствуя образованию гидратных оболочек шариков жира и пены (А. П. Белоусов). Пенообразование имеет большое значение для некоторых процессов переработ­ки молока, например для процесса маслообразования, фризерования смеси при производстве мороженого и др. 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.

Осмотическое давление и температура замерзания

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 -0,54°С.

Осмотическое давление молока (и понижение температуры замер­зания по сравнению с водой) обусловливается главным образом вы­сокодисперсными веществами: лактозой (на молочный сахар прихо­дится около 50...60% всей величины давления) и ионами солей — пре­имущественно хлоридами и фосфатами калия и натрия. Белковые вещества и коллоидные соли незначительно влияют на осмотичес­кое давление молока, жир практически не влияет.

Осмотическое давление обычно рассчитывают по температуре за­мерзания молока. Согласно законам Рауля и Вант-Гоффа

где ∆ t — понижение температуры замерзания исследуемого раствора, °С; 2,269 — осмотическое давление 1 моля вещества в 1 л раствора, МПа; К— криоскопическая постоянная растворителя, для воды равна 1,86. Следовательно, при температуре замерзания молока -0,54°С (∆t = 0,54) его осмотическое давление составит

P_осм = 0,54 • 2,269/1,86 = 0,66 МПа.

Осмотическое давление молока, как и других физиологических жидкостей организма животного, поддерживается на постоянном уровне (его колебания незначительны и составляют 0,64...0,70 МПа). Поэтому повышение в молоке содержания хлоридов, влияющих на осмотическое давление молока, происходит после снижения в резуль­тате изменения физиологического состояния животного (особенно перед концом лактации или при его заболевании) количества друго­го важного компонента — лактозы.

Температура замерзания молока также довольно постоянная вели­чина и колеблется в узких пределах — от —0,505 до -0,575°С. Она зави­сит от химического состава молока, поэтому может меняться в тече­ние лактационного периода, при заболевании животных, а также при разбавлении молока водой, добавлении к нему соды и при повышении кислотности. По данным Г. С. Инихова, температура замерзания мо­лока понижается в начале лактации (—0,564°С), повышается в ее сере­дине (—0,55°С) и снова заметно снижается к концу (—0,58⁰С).

Внесение в молоко 1% воды повышает среднюю температуру за­мерзания молока (—0,54°С) немногим более чем на 0,006°С (табл. 1).

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

Таблица 1. Влияние степени разбавления молока водой на температуру замерзания

Электропроводность и теплофизические свойства

Удельная электропроводность молока в среднем составляет 46 • 10^-2 См/м с колебаниями от 40 • 10^-2 до 60 • 10^-2 См/м. Ее обус­ловливают главным образом ионы — Cl^-, Na⁺, K⁺, Н⁺, Са²⁺ и др. Элек­трически заряженный казеин, сывороточные белки и шарики жира в силу больших размеров передвигаются медленно и несколько тормо­зят подвижность ионов, то есть практически уменьшают электропро­водность молока.

Величина электропроводности молока зависит от лактационно­го периода, породы животных и других факторов. Молоко, полу­ченное от животных больных маститом и в конце лактации, имеет повышенную электропроводность, равную 1,3 и 0,65 См/м, соответ­ственно. Следовательно, по изменению удельной электропровод­ности молока можно выявить животных с воспалением молочной железы.

Электропроводность повышается при нарастании кислотности молока и снижается при разбавлении его водой. Концентрирование молока вследствие повышения вязкости и усиления межионных вза­имодействий приводит к снижению электропроводности.

Теплофизические свойства молока необходимо знать для расчетов затрат теплоты или холода на нагревание или охлаждение молока и молочных продуктов. Наиболее важными из них являются удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент температуропровод­ности, которые связаны между собой соотношением

где а — коэффициент температуропроводности, м²/с; λ — теплопро­водность, Вт/(м • К); с — удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); р — 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 цельного молока, как и удельная тепло­емкость воды и обезжиренного молока, в интервале температур 273...333°К (О...6О°С) изменяется незначительно. В указанном интер­вале температур приближенно ее можно считать величиной посто­янной, равной 3900 Дж/(кг • К), или 3,9 кДж/(кг • К).

Список использованной литературы:

1. К.К. Горбатова «Химия и физика молока»

2. Я.С. Зайковский «Химия и физика молока и молочных продуктов»