Разработка системы для моделирования технологий свертывания молока Асташенко Елена Борисовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы 6

1.1. Молоко как модельная система 6

1.1.1. Химический состав молока 7

1.112. Структура и свойства белков молока 13

1.2. Моделирование индукционной стадии коагуляции 29

1.2.1. Моделирование сычужной коагуляции З 3

1.2.2. Моделирование кислотной коагуляции 43

1.2.3. Моделирование кислотно-сычужной коагуляции 49

1.3. Заключение по обзору литературы и задачи исследований

коагуляции 52

Глава 2. Методология проведения исследований 55

Глава 3. Экспериментальная часть: измерение основных параметров модели 59

Глава 4. Теоретическая часть: компьютерное моделирование первичной стадии коагуляции молока 65

4.1. Модуль расчета продолжительности кислотной коагуляции 68

4.2. Модуль расчета продолжительности сычужной коагуляции 79

4.3. Модуль расчета продолжительности кислотно-сычужной коагуляции 89

Выводы 95

Список литературы

• Химический состав молока
• Моделирование сычужной коагуляции
• Модуль расчета продолжительности кислотной коагуляции
• Модуль расчета продолжительности кислотно-сычужной коагуляции

Введение к работе

Технология молочных продуктов является одной из древнейших отраслей технологических знаний человека. Ферментированные молочные продукты, такие, например, как сыры, были изобретены человеком, скорее всего, случайно, однако их документированная история насчитывает около двух тысяч лет. Несмотря на столь солидный возраст, технология молочных продуктов становится одной из отраслей науки буквально у нас на глазах.

В настоящее время наблюдается революционное изменение технологических методов во всех отраслях промышленности. Ярким примером может служить развитие информационных технологий за последние годы. Пищевой промышленности присущи более консервативные традиции, тем не менее, здесь тоже наблюдается заметное влияние современных технологических подходов.

Заметный рост населения с высоким уровнем образования выражается в повышении требований к качеству продуктов: современный человек склонен употреблять в пищу высококачественные натуральные продукты.

Удовлетворение спроса потребителей на качественные и полезные для здоровья продукты питания может быть осуществлено лишь на основе сочетания проверенных временем традиций пищевых производств с новейшими научными и технологическими достижениями.

В настоящее время исследования в области химии и физики молока ведут коллективы Всероссийского научно - исследовательского института молочной

4 промышленности, Научно исследовательского института города Углич, Сибирского научно исследовательского института сыроделия и целого ряда других научных и высших учебных заведений России. Огромное внимание изучению физико-химических особенностей переработки молока уделяется также зарубежными учеными.

Молоко является полноценным и полезным продуктом питания, так как содержит все необходимые для жизни и развития организма питательные вещества. Возрастающее значение молока, как полноценного продукта питания привело к увеличению спроса на него. В результате этого производство молочных продуктов стало одной из важнейших отраслей промышленности.

Хорошо известно, что создание адекватной технологической модели, то есть модели, отражающей истинные связи между основными, определяющими параметрами технологического процесса, позволяет существенно снизить затраты на проведение экспериментов, необходимых для оптимизации технологий, их модернизации, введения новых технологических методов. Такая модель позволяет на основе современных вычислительных систем проводить численное моделирование процессов за время существенно меньшее, чем требует реальный эксперимент.

Процесс коагуляции молока, являющийся одним из наиболее важных этапов производства сыров, творога и некоторых других молочных продуктов, представляет в настоящее время большой интерес, как с технологической, так и с научной точки зрения. Поэтому основной целью данной работы является соз-

дание виртуальной системы, обладающей основными свойствами реального молока, необходимыми для описания процесса его коагуляции. Разработанная в диссертационной работе компьютерная программа - «Виртуальное молоко» -позволяет осуществлять расчеты для моделирования начальной стадии кислотной, сычужной и кислотно-сычужной коагуляции. Программа имеет дружественный интерфейс, проста в использовании и может применяться как в научных целях, так и в образовательном процессе. Пользователю достаточно ввести основные параметры, описывающие состав молока и технологические параметры, чтобы получить сведения о продолжительности индукционной стадии коагуляции молока.

Несомненным преимуществом разработанной программы является тот факт, что на ее основе значительная часть экспериментов, проводящихся в лабораторных условиях, может быть заменена компьютерным экспериментом. На наш взгляд, использование данной программы в образовательном процессе может способствовать более быстрому и глубокому пониманию взаимосвязи технологических параметров процесса коагуляции молока студентами-технологами.

б Глава 1. Обзор литературы

1.1. Молоко как модельная система

Молоко - полноценный и полезный продукт питания. Оно содержит все необходимые для жизни питательные вещества, нужные для построения организма.

В ходе развития человечества значение молока расширилось от продукта питания до промышленного сырья. В частности оно используется следующим образом:

продукт питания населения многих районов земного шара;

средство для вскармливания молодняка;

сырье для производства пищевых продуктов;

источник получения отдельных компонентов молока, которые в свою очередь служат сырьем для фармацевтической и других отраслей промышленности [50].

Переработка молока в настоящее время основана на традиционных классических технологиях. Вместе с тем, в последнее время появляются новые представления о структуре и свойствах пищевых продуктов. Эти знания появляются в результате изучения физико-химических характеристик материалов с помощью современных методов исследований. В результате появляются новые технологические подходы, а также средства их разработки, в том числе и с использованием информационных технологий. Такой подход дает возможность ре-

шать задачи оптимизации технологий на основе варьирования параметров и осуществлять моделирование технологических процессов. Развитие вычислительной техники в настоящее время позволяет проводить численное моделирование весьма сложных процессов за время существенно меньшее, чем требует реальный эксперимент, при, этом существенно снижаются материальные затраты. Поэтому моделирование технологических процессов является важной и актуальной задачей, в том числе, и в технологии производства молочных продуктов [31,18,21].

Данная работа посвящена разработке компьютерной модели одного из основных процессов переработки молока - его коагуляции. Коагуляция молока является основной частью технологического процесса производства кисломо-- лочных продуктов. Изучению процесса коагуляции посвящено множество работ. Экспериментально и теоретически изучены основные закономерности кислотного, сычужного и кислотно-сычужного процессов. Именно эти закономерности положены в основу разработанной модели. Основной трудностью для моделирования процесса свертывания молока является его многокомпонент-ность. Поэтому в данном разделе проведен анализ данных о составе молока и взаимодействии его составных частей. 1.1.1. Химический состав молока

С химической точки зрения молоко представляет собой раствор органических и неорганических соединений в воде. Можно выделить три основные фазы этого раствора: истинный раствор, с технологической точки зрения являющий-

8 ся молочной сывороткой, коллоидный раствор молочных белков и эмульсию молочного жира в сыворотке (рис. 1.1).

Молоко, рассматриваемое под микроскопом при низком увеличении (5Х) представляет собой однородную непрозрачную жидкость. При 500Х увеличении можно увидеть круглые шарики жира, так называемые жировые шарики. При более высоком увеличении (50 000Х) можно наблюдать казеиновые мицеллы [69].

xl Белая опалесцентная жидкость

О О

О О

хЮОО Жировая эмульсия

онжровые шарики

х10,000 Казеиновая суспензия окиравые шарики

казеиновые мицеллы

Рис. 1.1 Структура молока Более подробный химический состав молока представлен в табл. 1.1 [68].

Таблица 1.1

Составные части нормального молока и их примерное содержание

Продолжение таблицы 1.1

В состав сыворотки входит вода, молочный сахар, сывороточные белки, а

также органические о неорганические соли. Белковые вещества молока в основном представлены казеином (2,7%), сывороточными белками - альбумином (0,4%) и глобулином (0,2%). Белки молока полноценные, так как содержат все незаменимые аминокислоты. В молоке широко представлены необходимые для нормального роста живого организма макроэлементы - фосфор, калий, хлор, натрий; микроэлементы - марганец, медь, железо, кобальт, йод. Преобладают соли кальция и фосфора, которые необходимы в первую очередь для построе-

11 ния и укрепления костного скелета. Иммунные тела свежего молока предотвращают или задерживают в организме развитие болезнетворных бактерий.

Типичный углевод молока - лактоза - присутствует в молоке всех видов. Молочный сахар (лактоза) состоит из глюкозы и галактозы, имеет слегка сладковатый вкус, хорошо растворяется в воде и обуславливает питательную ценность молока. Кроме нее в молоке обнаружены только следы других углеводов. В молоке и жидких молочных продуктах лактоза вместе с другими составными частями молока находится в смешанном растворе, который в процессе обработки и переработки подвергается воздействию высоких температур и изменениям величины рН вследствие биохимических превращений. Эти воздействия могут привести к химическим реакциям с участием лактозы, в результате которых образуются соединения и продукты распада, оказывающие отрицательное воздействие на вкус и окраску молочных продуктов.

Молочный жир придает молочным продуктам мягкий и полноценный вкус, предотвращает развитие таких пороков, как крупчатость и водянистость, и положительно влияет на структуру и консистенцию молочных продуктов. В то же время такая составляющая жира как фосфолипиды могут действовать либо как прооксиданты, либо как антиоксиданты. Ценность молочного жира обусловлена содержанием в нем жирных кислот со средней длиной цепи, а также незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов A, D и Е.

Сывороточные белки содержат большое количество незаменимых аминокислот и серы, особенно важны для устранения последствий белкового голода-

ния. В то же время такой процесс как тепловая денатурация, может вызывать следующие явления: формирование привкуса кипячения, снижение способности молока к свертыванию, под действием сычужных ферментов, повышение вязкости, плохой отстой сливок.

Присутствие ферментов даже в минимальном количестве может вызывать серьезные затруднения в производстве, так как иногда становятся причиной ухудшения качества молочных продуктов [50].

Содержащиеся в молоке виды ионов имеют важное значение во многих отношениях, особенно отдельные макроэлементы. Они стабилизируют коллоидное состояние белков молока, а также оказывают важное, с точки зрения технологии, свертывающее действие, что тесно связано со стабилизацией казеинового комплекса. Кроме того, буферное действие молока по отношению к водородным ионам основано на диссоциационных равновесиях его кислых солей.

Некоторые микроэлементы могут быть катализаторами химических превращений в молоке и молочных продуктов, которые ведут к образованию пороков качества.

Часть витаминов оказывает влияние на окислительно-восстановительный потенциал молока и поэтому может действовать в качестве антиокислителей. Различные витамины являются стимуляторами роста полезных и вредных микроорганизмов.

Большой интерес представляют также изменения белков молока в процессе обработки и переработки молока. Процесс денатурации казеиновых белков мо-

жет привести к нежелательной флокуляции. Хотя за последние годы накоплен обширный информационный материал о поведении белков молока на отдельных стадиях производственного процесса, однако многие явления еще не изучены полностью.

Таким образом, молоко имеет многокомпонентный химический состав, который непостоянен и зависит от множества факторов. Знание содержания отдельных составляющих молока необходимо, так как отдельные компоненты взаимно влияют друг на друга и действие их связано с концентрацией этих элементов в молоке. 1.1.2. Структура и свойства белков молока

Белки являются важнейшей составной частью молока. Изучение структуры и свойств белков молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока. В результате большинства технологических операций белки молока изменяются. Производство пастеризованного и стерилизованного молока требует сохранения стойкости белков, а творога, казеина, сыра, наоборот, - быстрого нарушения устойчивости и полной коагуляции белков.

Белковые вещества молока не только определяют его питательную ценность, биологические и технологические свойства, но и являются основными носителями коллоидных его свойств, а также образуют одну из самых сложных полидисперсных коллоидных систем.

С химической точки зрения белки представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из а-аминокислот. В состав одной молекулы белка может входить несколько сотен или даже тысяч остатков аминокислот. Известно более двадцати аминокислот, остатки которых входят в состав белков молока. Число возможных комбинаций, образуемых остатками аминокислот в молекуле белка, а, следовательно, различных белковых молекул почти беспредельно.

В белках аминокислоты располагаются таким образом, что конец одной из них соединен с началом другой посредством пептидной связи. Пептидная связь образуется в результате выделения молекулы воды из карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой [2, 3].

На основании анализа результатов многолетних исследований Комитетом по Номенклатуре и методологии ассоциации американских ученых в области молочной промышленности предложена номенклатура белков молока, которая в настоящее время общепринята [2, 3, 24].

При доведении рН сырого молока до 4,6 при температуре 20 С около 78-85% его белков от общего их содержания выделяется в осадок. Эта основная фракция представляет собой фракцию казеина. Остающиеся в растворе белки названы сывороточными белками. Первоначально их рассматривали как одно вещество, однако позже было установлено, что их можно разделить на две различные фракции в полунасыщенном растворе сульфата аммония или насыщенном растворе сульфата аммония. Растворимая фракция получила название лак-тальбумин, нерастворимая - лактоглобулин [1,15,23,24,29,49].

Эти две фазы отличаются по многим характеристикам. Казеин и сывороточные белки не являются гомогенными, а состоят из различных фракций, которые можно разделить по их электрофоретической подвижности и по растворимости в различных веществах и при разной температуре. Казенны имеют рыхлую структуру, в которой каждый представлен в виде запутанной цепи, к которой прикреплены ковалентные фосфатные группировки коллоидного фосфата кальция. Эти белки легко разлагаются всеми протеолитическими ферментами. Напротив, растворимые белки имеют компактную структуру, похожую на плотный клубок. К ним подсоединяется немного неорганических ионов. Когда они денатурированы, протеазы на них почти не влияют [2, 3].

Большинство технологий переработки молока так или иначе связаны с процессами свертывания его белков. Поэтому проблема выяснения их структуры и функций представляет практический интерес.

На основании анализа результатов многолетних исследований предложена общепринятая в настоящее время номенклатура белков молока [87, 2, 5, 4]. При доведении рН сырого молока до 4,6 при температуре 20С около 78-85% его белков от общего их содержания выделяется в осадок. Эта основная фракция представляет собой фракцию казеина. Остающиеся в растворе белки названы сывороточными белками. Первоначально их рассматривали как одно вещество, однако позже было установлено, что их можно разделить на две различные фракции в полунасыщенном растворе сульфата аммония или насыщенном растворе сульфата аммония. Растворимая фракция получила название лактальбу-

16 мин, нерастворимая - лактоглобулин. Эти две фазы отличаются по многим характеристикам. Казеин и сывороточные белки не являются гомогенными, а состоят из различных фракций, которые можно разделить по их электрофоретиче-ской подвижности и по растворимости в различных веществах и при разной температуре.

Казеин содержится в молоке в виде растворимых казеинатов в сочетании с коллоидным трифосфатом кальция, - в виде казеинаткальцийфосфатного комплекса (ККФК). В настоящее время с помощью электронно-микроскопических исследований установлено, что ККФК образует мицеллы, которые имеют почти сферическую форму с диаметром 40-300 нм и являются высокоорганизованными структурными единицами [53, 62, 74, 75, 1, 14, 17].

Рис. 1.2 Фракционный состав казеина Примечание: содержание фракций казеина приведено в процентах от содер-

жания общего казеина.

Основные концепции строения казеиновых мицелл были разработаны около 40 лет назад. Эти модели можно разделить на три категории: модели покрытого ядра, модели внутренней структуры и модели субмицелл. Модели покрытого ядра могут быть представлены как частные случаи моделей внутренней структуры или субмицелл.

Модели внутренней структуры описывают специфические взаимодействия между казеинами и говорят о мицелле как о пористой сетке белков. Доказательства в поддержку моделей внутренней структуры вытекают из электронной микроскопии нейтронного рассеяния и химического анализа мицелл, когда казенны диссоциируют при удалении кальция [1,2].

Модели субмицелл включают модели, в которых субъединицы идентичны или имеют различный состав. Предполагается, что субмицеллы имеют гидрофобное ядро и гидрофильную поверхность, и что они держатся вместе либо посредством прямых взаимодействий между протеинами, либо посредством кальций-фосфатных мостиков. Внешняя поверхность мицелл является диффузной, так как протеиновые цепочки распространяются на 5-10 нм в окружающую среду, образуя «волосковый слой». Существование субмицелл подтверждается химическими и физическими измерениями казеиновых мицелл, диссоциацией мицелл на более мелкие частицы - субмицеллы и анализом субмицелл, формирующихся из казеината натрия с их последующим ростом при добавлении кальция [55].

18
Мицелла казеина Субмицелла

Гидрофобное ядро

Рис. 1.3 Обобщенная субмицеллярная модель мицеллы казеина

В настоящее время известны более десяти моделей казеина, которые предполагают сцепление в мицелле, как отдельных полипептидных цепей, так и субмицелл между собой, в основном, с помощью коллоидного фосфата кальция. В основе большинства этих моделей лежит субмицелл яр ный принцип построения мицеллы [90, 120, 12, 13, 28, 51,]. Обобщенная субмицеллярная модель мицеллы представлена схематически на рис. 1.3.

В последние годы, в связи с появлением новых и развитием традиционных методов исследований, эти модели уточнялись и развивались [42]. Так, например, в 1987 году Paquin и др. [Ill] предложили свою версию модели покрытого ядра; в 1989 году Ноте [96] и др. усовершенствовали модель внутренней структуры; новая субмицеллярная модель была предложена Walstra [119] в 1990 году.

Проверить правомерность одной из вышеперечисленных моделей пытались McMahon и McManus [108]. Они предприняли попытку уточнить внутреннюю

структуру мицелл методами современной электронной микроскопии. Авторы отмечают, что процесс приготовления образцов для электронной микроскопии влияет на полученное изображение, которое может быть неверно интерпретировано. В дополнение к известным методам электронной микроскопии авторы применили криогенную фиксацию образцов и стереофотографию. Анализ полученных изображений позволил установить, что некоторые протеины находятся в мицелле в виде небольших агрегатов, но невозможно сделать однозначного заключения о том, являются ли они субмицеллами или только случайными кластерами, сформированными в процессе синтеза мицелл. Пример микроэлектронного изображения мицеллы казеина приведен на рис. 1.4.

Хороший обзор по структуре казеиновых мицелл и особенно их поверхности представлен в работе [71] (Dalgleish). Для анализа структуры поверхности мицелл автор сравнива-Рис. 1.4 Микроэлектронная фото- ет модель суспензии, состоящей из графия мицеллы казеина сырого моло- _{стабилизи}р₀ванных адсорбирован-ка в проходящих электронных лучах.

ным казеином частиц (латексные час-
Для фиксации мицелл в молоке ис
пользован агар-агар тицы или масляные капельки) с рас
твором казеиновых мицелл. В обоих случаях стабильность системы достигается
наличием казеина на поверхности частиц. Более того, строение поверхностного
слоя однотипно в обоих случаях и представляет собой распространенную на 10-

15 нм в раствор структуру («волосковый слой»).

Однако, природа связи поверхностного казеина с внутренней областью различна. Например, согласно [76] протеины, связанные с каплей гидрофобными взаимодействиями, могут смываться с ее поверхности маленькими молекулами поверхностно-активных веществ, тогда как казеиновые мицеллы характеризуются однородностью состава поверхности и внутренней области. Кроме того, поверхностные казенны связаны с внутренней областью при участии мицел-лярного фосфата кальция [91].

Изучение состава мицелл различных размеров показало, что почти весь к-казеин находится на ее поверхности, однако, он занимает лишь треть поверхности мицелл [73]. Остальная поверхность должна быть занята другими казеина-ми, наиболее вероятно, as-казеином, хотя Р-казеин также может присутствовать на поверхности мицелл. Из экспериментов по сычужному свертыванию установлено, что пептиды, выступающие с поверхности мицелл и образующие «волосковый слой», представляют собой гликомакропептидную часть к-казеина, при этом в среднем одна молекула занимает площадь 40-50 нм , тогда как при плотной упаковке на поверхности латексных частиц молекула к-казеина зани-мает в среднем 13 нм . Также вероятно, что к-казеин распределен по поверхности мицелл неравномерно [71]. Скорее всего, поверхность мицелл содержит небольшие «островки» к-казеина, окруженные другими казеинами, так что «волосковый слой» оказывается гидродинамически проницаемым. Вероятно, другие казенны тоже распределены по поверхности неравномерно, и, хотя экспе-

риментально это не подтверждено из-за недостаточного разрешения, неоднородность может влиять на поведение мицелл. Такая структура поверхности может объяснить многие свойства казеиновых мицелл. Во-первых, этим можно объяснить недостаточное уменьшение их гидродинамического диаметра (около 5 нм), наблюдаемое непосредственно [94] (Ноте и Davidson) на начальной стадии сычужной коагуляции, по сравнению с длиной гликомакропептидных остатков (10-12 нм). Ноте и Davidson показали также, что уменьшение диаметра казеиновых мицелл происходит при добавлении этанола или понижении рН из-за прилегания «волосков» к поверхности мицеллы [95]. Во-вторых, становится понятной способность относительно небольших молекул, имеющих размеры порядка протеина и меньше (например, химозин), проникать внутрь «волоско-вого слоя» через неоднородности к-казеинового покрытия, в то время как для крупных молекул (других мицелл казеина) этот слой является непроницаемым, обеспечивая стерическую стабильность системы. В-третьих, такая структура наружного слоя допускает образование дисульфидных связей между мицелляр-ным к-казеином и сывороточным р-лактоглобулином при термической обработке молока. И наконец, эта модель дает объяснение обратимому высвобождению (3-казеина из мицеллы при охлаждении.

Holt [90] исследовал возможную структуру казеиновых мицелл хроматогра-фическим методом. Было изучено распределение по размерам частиц, получившихся в результате диссоциации казеиновых мицелл при диализе. Установлено, что начальная стадия диссоциации сопровождается выделением белков,

сравнимых по размерам с сывороточными. В дальнейшем устанавливается непрерывное распределение по размерам белков. Такое распределение противоречит субмицеллярным моделям, в которых субмицеллы связаны между собой коллоидным фосфатом кальция. Изучалось также влияние добавления к-казеина на способность восстановления' мицелл из субмицелл. Некоторые исследователи считают, что субмицеллы представляют собой казеиновые частицы не полностью покрытые к-казеином из-за их большей удельной поверхности. Объединение субмицелл происходит за счет гидрофобных взаимодействий между непокрытыми к-казеином участками субмицелл. В этом случае добавление к-казеина должно препятствовать их объединению. Однако, как показал эксперимент, этого не происходит. На основании этих результатов Holt делает вывод о том, что субмицеллярная модель должна быть модифицирована.

Как следует из вышеизложенного, стабильность казеиновых мицелл зависит от наличия к-казеина на их поверхности, поэтому изучение его свойств является важной задачей. Creamer и др. [66] изучали структуру к-казеина, используя спектроскопию кругового дихроизма (КД) совместно с ядерным магнитным резонансом (Ш ЯМР). Исследования проводились для отдельных участков макромолекулы. В результате им удалось получить следующую информацию о возможной структуре к-казеина. Гликомакропептидная область: на участке 106 Мет-131 Тре белок существует, в основном, в случайно свернутой форме; на участке 130 Про-153 Иле, вероятно, в виде спирали, хотя может быть достаточно подвижным и принимать другие формы, так как, в отличие от большинства

протеинов, остатки к-казеинового гликомакропептида доступны для растворителей; участок 151 Глу-169 Вал авторам не удалось синтезировать, однако, по их оценкам, он должен быть на 60% р-складчатым и на 40% случайно свернутым. Сычужно-расщепляемая область: критическая область 98 Гис-111 Лиз является р-складчатой, когда находится в активной области химозина, и может принимать развернутые формы в свободном- состоянии. Область пара-к-казеина: к сожалению, авторам не удалось получить достоверной информации об этой области.

Farrell и др., используя метод гелевого электрофореза, рассмотрели процесс образования полимеров к-казеина при различных внешних условиях [88]. Авторы исследовали влияние температурной обработки, кислотности и поверхностно-активных веществ на формирование полимерных цепочек к-казеина. Показано, что тепловая обработка в присутствии поверхностно-активных веществ (додециловый сульфат натрия) вызывает существенное уменьшение количества длинных цепочек, с другой стороны, такая же обработка без поверхностно-активных веществ увеличивает средний молекулярный вес полимеров. Спонтанный переход к более высокой полимерной фракции происходит преимущественно при низких значениях рН (5,15). Была подтверждена роль дисульфид-ных связей в образовании полимеров к-казеина.

Curley и др. [67] изучали вторичную структуру казеинов молока и ее изменение в зависимости от температуры и концентрации ионов К⁺, Na⁺ и Са²⁺. Авторами впервые получены ИК-спектры казеинов в водном растворе с использо-

ванием преобразования Фурье для второй производной интенсивности. Структура казеинов определялась подгонкой теоретического спектра к экспериментальному варьированием параметров линий, соответствующих спиральным, складчатым, кольцевым, циклическим и неупорядоченным конформациям белковых молекул. Предложенный авторами метод позволил установить качественные закономерности влияния внешних условий на структуру казеинов, что в дальнейшем может быть использовано для количественного анализа.

С помощью метода многофакторного регрессионного анализа Aoki и др. [56] изучили совместное влияние концентрации кальция и фосфата на содержание мицеллярного казеина, коллоидного кальция, коллоидного фосфата, связанных молекулярным фосфатом кальция казеиновых агрегатов и казеинов, попадающих в сыворотку при охлаждении, при формировании искусственных мицелл в растворе казеината натрия с добавлением кальция, фосфата и цитрата. Добавление фосфата и цитрата позволяет получить искусственные мицеллы, имеющие тот же состав и поведение, что и нативные мицеллы казеина. Были получены регрессионные модели второго порядка, адекватно отражающие поведение экспериментальных зависимостей. Показано, что основную роль в формировании мицелл казеина играет кальций, при содержании которого от 30 до 40 мМоль, концентрация фосфата практически не оказывает влияния на содержание мицеллярного казеина. С другой стороны, концентрация фосфата при тех же концентрациях кальция существенно снижает выход казеинов в сыворотку при охлаждении.

Влияние положительного заряда аргининовых групп а₃і-казеина и к-казеина на формирование казеиновых мицелл было изучено Azuma и др. [60]. Положительно заряженная аргининовая группа а₅і-казеина с помощью фермента (про-теин-аргининовая деиминаза) модифицировалась незаряженной цитрилловой группой. Затем из деиминированного а₈і-казеина и нативного к-казеина формировались искусственные мицеллы. Результаты электронной микроскопии показали, что получились частицы, похожие на субмицеллы, но в мицеллы они не интегрировали даже в присутствии кальция. Авторы предположили, что положительный заряд аргининовых групп a_si-казеина не является необходимым для формирования комплекса между а₅і-казеином и к-казеином; даже если полученные комплексы не образуют в последствии казеиновые мицеллы. Деими-нация к-казеина послужила препятствием взаимодействию между а₃і-казеином и к-казеином, и, следовательно, ослабила способность к-казеина стабилизировать мицеллы [59]. В работе [58] Azuma и др. изучали влияние деиминации на форму и размер казеиновых мицелл методами электронной микроскопии. В результате было установлено, что этот метод, также, как и методы, предложенные в работах [59, 60], подтверждает важную роль положительного заряда аргининовых групп в формировании и поддержании структуры мицелл казеина.

Anema и Klostermeyer' [54] изучали влияние рН (6,3 -7,1) и температуры (20 - 90С) на диссоциацию казеина из мицелл в восстановленном обезжиренном молоке с применением методов гелевого электрофореза, ультрацентрифугирования и лазерной денситометрии. Коэффициент рассеяния коллоидной

суспензии связан с размерами и рассеивающими свойствами дисперсных частиц. Полученные результаты могут быть объяснены температурно-зависимой диссоциацией протеинов из казеиновых мицелл. Это предположение подтверждается электрофорезом и ультрацентрифугированием, которые показывают увеличение уровня диссоциированного казеина в сыворотке с ростом рН. В этой работе была также проведена денситометрическая оценка содержания в сыворотке различных групп белков (общего казеина, а₈-казеина, р-казеина, к-казеина, {З-лактоглобулина и а-лактальбумина).

Возможным объяснением диссоциационного поведения казеиновых мицелл можно считать зависящее от рН и температуры превращение мицеллярного фосфата кальция из нативной в измененную форму, которая менее способна обеспечивать целостность мицеллы. Aoki и др. [57] сообщили, что связь казеина с мицеллярным фосфатом кальция ослабляется после термической обработки, и предположили, что термическое изменение фосфата кальция может объяснить такое поведение. Кроме того, температура, при которой аморфный фосфат кальция осаждается при нагревании сыворотки, является зависящей от рН так, что чем выше рН, тем ниже температура осаждения. Дополнительные механизмы, описывающие возможные изменения структуры нативного мицеллярного фосфата кальция, наблюдающиеся при нагревании, особенно выше 80С, приводит Dalgleish в работе [72].

Метод определения размеров и формы мицелл казеина по результатам седи-ментационного анализа аналитического ультрацентрифугирования предложен

Morris и др. [ПО]. Авторы определили функцию g(0, представляющую собой производную по времени от скорости осаждения. Эта функция определяется распределением мицелл по размерам. Анализ скорости осаждения в совокупности с измерением вязкости позволили установить с большой точностью сферичность мицелл казеина. Кроме того, метод позволяет определять молекулярный вес осаждаемых частиц. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными другими методами, например, светового рассеяния.

Изучение вторичной и третичной структур казеинов различными методами позволило определить наличие в них лишь незначительного количества участков упорядоченной структуры (а-спиральных участков). Количество таких участков по одним данным составляет 1-2%, по другим - 6% и более, что обусловлено высоким содержанием пролина (8-17%) и его беспорядочным расположением вдоль полипептидных цепей. На основании этого делается вывод, что молекулы казеинов имеют мало упорядоченную структуру.

В 1996 году Holt [93] предложил модель, согласно которой казеин выступает в качестве ингибитора роста кальций-фосфатных комплексов. Эта модель позволяет по-новому взглянуть на основные свойства молочного казеина [80].

^;',' t* *

Основная идея новых представлений заключается в том, что молочный казеин не является случайно (хаотически) упорядоченным протеиновым комплексом, основной функцией которого является питание потомства. Напротив,

позволяющей ему, подобно белковым ферментам, выпол-

Рис. 1.5 Реоморфная структура мицеллы ка- казеин обладает структурой,
зеина: более или менее гомогенная белковая
матрица, содержащая кальций-фосфатные на-
нокластерные частицы, среднее расстояние
между которыми составляет около 18 нм. нять вполне определенные

биологические функции. Согласно этим новым представлениям, молочный казеин имеет идеальную структуру (рис. 1.5) для быстрого изолирования кальций-фосфатных нанокластеров в выделительных везикулах молочных желез млекопитающих. Такая структура получила название реоморфной (от греч. rheos - поток и morphe - форма) [92].

Пористая структура мицелл позволяет проникать внутрь их гЬО, ферментам. Мицеллерный казеин, сильно гидратирован — содержит 2-3,7 г. и более воды на 1 г. белка, и поэтому вода не только окружает мицеллу казеина в виде гид-ратной оболочки, но и заполняет большую часть ее объема, т. е. иммобилизуется мицеллой.

1.2. Моделирование индукционной стадии коагуляции

Исследованием механизма коагуляции занимались такие ученые как Дила-нян З.Х., Липатов Н.Н., Крашенинин П.Ф., Храмцов А.Г., Раманаускас P.M., Уманский М.С., Майоров А.А., Остроумов Л.А. и другие [26, 30, 41, 45, 16, 25, 33,31,44,32,].

dc_k(t) ₌ dc₀(t)
dt dt

Традиционным модельным подходом к задаче о кинетике первичной стадии коагуляции является различные варианты полимеризационной модели [61, 64, 70, 74, 85, 89, 98, 99, 114], которые основываются на решении полимеризацион-ных уравнений Смолуховского. Hyslop [98] модифицировал это уравнение для применения к процессу роста казеиновых агрегатов с учетом кинетики сычужного протеолиза. В этом случае оно имеет следующий вид:

где Ck(t) - концентрация агрегатов, состоящих из к мицелл (&-меров), к моменту времени t после внесения сычужного фермента; АГ_у- - константа скорости агрегации /'-мера су'-мером; c₀(t) - концентрация «неостриженных» к моменту времени t мицелл. Коагуляционное уравнение состоит из трех членов: первый -создание реакционно-способных мицелл, второй - образование -меров из меньших агрегатов и третий - исчезновение &-меров в результате их агрегации с другими частицами.

Интересным с научной точки зрения является подход к описанию первичной стадии, основанный на использовании модели «липких» жестких сфер, кото-

зо рый, применительно к молоку, разработал De Kruif [77, 78, 79, 82]. Принято считать, что ферментация казеиновых мицелл на начальной стадии описывается кинетикой Смолуховского при наличии активационного барьера, высота которого медленно понижается в результате протеолиза. Как следует из этой модели, в случае внезапной остановки протеолиза, вязкость и прозрачность молока должны продолжать изменяться с постоянной скоростью. Однако, как показал эксперимент автора,* после введения пепстатина, останавливающего протеолиз, в момент времени, соответствующий примерно половине продолжительности свертывания, вязкость и прозрачность молока оставались постоянными более двух часов, как и предсказывается моделью «липких» сфер. На основании этих результатов автор делает вывод о большей физической корректности данной модели.

Согласно этой модели, мицелла может быть представлена в виде твердой сферической частицы с поверхностью, покрытой стабилизирующим слоем гидрофильных волосков к-казеина. Разрушение защитного слоя сычужным ферментом приводит к возникновению взаимодействия между мицеллами. Cichocki и Felderhof показали, что при небольших интенсивностях взаимодействия, характерных для начальной стадии дестабилизации коллоида, взаимодействие между частицами проявляется как липкость твердых частиц [65].

Основным достоинством модели является ее физичность, т.е. предсказание результата на основе структуры и свойств системы. В этом случае модель достаточно просто может быть модифицирована или расширена за счет уточнения

или замены отдельных механизмов процесса в рамках данной модели.

Коллоидный раствор мицелл в молоке можно приближенно считать разбавленным раствором, в котором вероятность тройных (и более) встреч частиц достаточно мала по сравнению с парными встречами. В этом случае взаимодействие между мицеллами можно с хорошей степенью точности описывать парным потенциалом. Парный потенциал V(r) представляет собой бесконечную стенку на расстоянии г, равном диаметру ядра мицеллы 8, что означает невозможность проникновения мицелл друг в друга, или их абсолютную твердость (рис. 1.6). На расстоянии 8<г<8+Д стенка переходит в прямоугольную яму глубиной є и шириной А, что в предельной форме описывает притяжение двух мицелл. При этом А определяет расстояние, на котором возникает притяжение, а е характеризует его среднюю энергию. На расстоянии г>8+А потенциал равен О, что означает отсутствие взаимодействия между мицеллами. В силу того, что ширина ямы мала по сравнению с размерами мицелл, такое притяжение проявляется как своеобразная «липкость» практически невзаимодействующих частиц.

Выражение для потенциала парного взаимодействия имеет следующий вид:

со, г < 8

-є, 8<г <8 + А

О, 8 + А<г

где / - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура.

32 Казеиновые мицеллы

Рис. 1.6 Схематическое представление потенциала взаимодействия двух казеиновых мицелл.

С точки зрения еще одной - зарядовой модели, устойчивость коллоидного раствора казеина обеспечивается как за счет кулоновского отталкивания, так и за счет стерической стабилизации в результате образования плотной гидратной оболочки при взаимодействии воды с гидрофильными гликомакропептидными волосками к-казеина, а основной причиной обоих стабилизирующих факторов является возникновение отрицательного заряда мицеллы в результате диссоциации функциональных групп различных казеинов. Поэтому, естественным представляется выбрать в качестве основного параметра, описывающего коагу-ляционную устойчивость мицелл, величину их заряда [35, 36, 37]. Это позволяет, с единых позиций описать коагуляцию молока, вызванную различными причинами.

Уменьшить заряд мицелл можно различными способами. Например, в случае сычужного свертывания молока, отщепление ферментом заряженных гидрофильных гликомакропептидных частей к-казеина снижает величину поверхностного заряда. В результате, постепенно уменьшатся кулоновское отталкивание, и, кроме того, мицеллы теряют свою гидратную оболочку, обеспечивающую стерическую стабильность. При кислотной коагуляции дополнительные ионы водорода, вследствие особого механизма передвижения, легко проникают в гидратную оболочку и неподвижный слой противоионов и связываются с диссоциированными зарядообразующими группами, что также приводит к уменьшению поверхностного заряда мицелл. Этиловый спирт, снижая диэлектрическую проницаемость растворителя, существенно уменьшает электролитическое действие воды на зарядообразующие группы к-казеина и, обладая очень высокой гидрофильностью, связывает воду, истощая гидратные оболочки мицелл. Похожее действие на мицеллы могут оказывать и ионы солей при высоких концентрациях, которые, кроме того, заметно уменьшают толщину дебаев-ского слоя противоионов.

1.2.1. Моделирование сычужной коагуляции

Коагуляция казеина под действием протеолитических ферментов получила название сычужной. Для свертывания молока в сыроделии применяют, главным образом, сычужный фермент. ₍Он содержит два компонента — химозин (рен-нин) и пепсин (А и В), оба фермента свертывают молоко, но химозин более активен. Молокосвертывающая активность сычужного фермента зависит не толь-

ко от соотношения компонентов, но и от свойств молока: кислотности, температуры и содержания в нем ионов кальция. Фермент стабилен при рН 5,3-6,3; имеет оптимальную активность прирЯ 6,2 и температуре 40С [6].

Процесс свертывания молока принято делить на две стадии: индукционную и коагуляционную. Первая часто характеризуется постепенным уменьшением коллоидной стабильности казеиновых мицелл под действием различных внешних факторов, например кислоты или сычужного фермента [15, 19, 46, 47]. Вторая - непосредственным образованием сгустка. Механизм этих стадий до конца не установлен.

На практике продолжительность сычужной коагуляции часто определяется в рамках эмпирической модели Сторча-Сегелке:

' = — + с₂,

[Е] ²' где: / - время коагуляции; [Е] - концентрация ферментов; Сі и Сг - постоянные, зависящие от типа используемого молока и типа сычужного фермента. Однако, рассчитанные в этой модели продолжительности свертывания совпадают с экспериментальными данными лишь в ограниченном диапазоне концентраций. Кроме того, используемые константы не имеют в рамках данной модели физико-химического обоснования.

В настоящее время существует ряд моделей сычужной коагуляции, которые описывают этот процесс с точки зрения элементарных физико-химических актов, происходящих в молоке при его свертывании.

В рамках полимеризационной модели важной задачей при моделировании сычужного процесса является выбор конкретной формы для константы скорости агрегации К^. В самых первых работах Payens и др. [114] считали ее не зависящей ни от каких параметров ATipconst. Позднее Payens и Brinkhuis [113] предположили, что скорость агрегации должна возрастать с увеличением размеров частиц:

Hyslop и Qvist [99] использовали модель, в которой константа скорости агрегации определяется числом свободных реакционно-способных мест / на поверхности мицелл, возникающих в процессе протеолиза.

Darling и van Hooydonk [74] ввели в константу скорости агрегации зависимость от высоты потенциального барьера, препятствующего сближению частиц. Согласно этой модели высота потенциального барьера, связанного с электростатическим отталкиванием или стерической стабилизацией мицелл, является функцией степени протеолиза к-казеина.

/(g(Q)

К -К е ^квТ

Sk т где K_D = —— - диффузионный предел константы скорости агрегации, U - вы-

сота потенциального барьера, к_в - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, г) - вязкость сыворотки.

Hyslop [98] использовал также более сложную модель,

K=i-j.K_De ^кт ,

в которой учитывается возможная зависимость константы скорости агрегации от размеров частиц.

Lomholt и др. [104] проверили результаты всех вышеописанных моделей на совместимость с экспериментальными данными. Зависимости средневзвешенной степени полимеризации от времени, прошедшего после добавления сычужного фермента, полученные в результате турбидиметрических измерений, сравнивались с численными расчетами.

Важно отметить, что лишь модели, в которых константа К_ц зависит от величины энергетического барьера, показали результаты, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.

Согласно модели «липких» сфер в случае сычужной коагуляции [78] глубина ямы є связана с плотностью гликомакропептидных остатков на мицелле, которая уменьшается в результате протеолиза. В результате отщепления ферментом гликомакропептиднои части мицеллы становятся меньше, следовательно, уменьшается объемная доля фракции мицелл, что описывается следующим уравнением

<Р = %$-«), где a=3a/R(P/Po), а - длина гликомакропептида, R - радиус мицеллы, Pq - начальное число гликомакропептидов на поверхности мицеллы, Р - число «отстриженных» волосков, P/Pq - доля к-казеина, обработанного сычужным ферментом (доля отстриженных волосков). Из-за того, что мицеллы постепенно теряют свою стерическую стабильность, появляется притяжение.

Интенсивность притяжения в зависимости от времени / определяется плотностью щетки к-казеина, изменение которой может быть представлено следующей кинетикой:

-№, Р₀-Р = Р₀е ^[Е]

где Ро - Р - число волосков на поверхности мицеллы, к - константа реакции, []/[7?о] - доля фермента относительно, стандартного добавления [о]- Глубина прямоугольной потенциальной ямы тогда

к_вТ [Е₀]

Результаты расчета временной зависимости вязкости молока в процессе коагуляции хорошо совпадают с экспериментом.

Другой точки зрения на причину возрастания вязкости после ее частичного снижения придерживаются Lomliolt и Qvist [232]. По их мнению, увеличение вязкости связано с началом агрегации мицелл, сопровождающимся ростом эффективного гидродинамического радиуса частиц и, соответственно, их объемной доли. В этом случае модель остается справедливой вплоть до начала струк-турообразования (гель-точки).

На основе описанной выше модели Mellema и др. [109] разработали новейший молекулярно обоснованный механизм сычужного свертывания. По мнению авторов Ван-дер-Ваальсового притяжения недостаточно для преодоления межмолекулярного отталкивания даже при практически полном протеолизе. Для решения этой проблемы в работе предлагается модель сополимеров, в ко-

торой казеин представляется как диблок, пара-к-казеин как диблок с укороченным растворимым блоком, Osi-казеин как триблок. Используя модель самосогласованного поля, они подтвердили, что диблок сополимеров и диблок сополимеров с укороченным растворимым блоком дают отталкивание, триблок сополимеров обуславливает притяжение. Сычужный процесс вызывается повышением отношения пара-к-казеина к к-казеину при фиксированной концентрации a_si казеина. В результате, потенциал сдвигается от отталкивания к притяжению. Как следует из результатов работы, а₅і-казеин играет важнейшую роль в процессе ферментативной коагуляции.

В настоящее время существует достаточно много противоречивых данных о зависимости скорости сычужного процесса в молоке от различных факторов. Тем не менее, значительное число публикаций показывает, что при постоянном значении кислотности молока (/?Я~6,7) ферментативная стадия сычужного процесса достаточно хорошо описывается кинетикой первого порядка с константой скорости к пропорциональной концентрации фермента-катализатора [78, 109, 117]. Кроме того, при постоянных значениях концентраций ионов кальция и фермента константа скорости уменьшается с ростом концентрации мицелл казеина в молоке [97,103, 116, 118].

В то время как зависимость скорости протеолитической реакции от концентрации фермента вполне объяснима на основе представлений* о ферменте как катализаторе реакции, причины влияния на нее концентрации мицелл менее ясны. Payens [112], предполагая, что реакция является диффузионно-

контролируемой попытался объяснить уменьшение скорости реакции тем, что увеличение концентрации мицелл приводит к увеличению вязкости молока. Однако в этом случае можно говорить лишь об увеличении макроскопической вязкости, тогда как для молекул фермента, размеры которых существенно меньше размеров мицелл казеина, под вязкостью следует понимать, очевидно, вязкость молочной плазмы, которая остается постоянной.

С другой стороны гидродинамические взаимодействия молекулы фермента с мицеллами могут усиливаться при уменьшении расстояния между ними. Действительно при некоторых условиях наблюдается уменьшение коэффициента диффузии в полимерных гелях с увеличением объемной доли полимера. Основываясь на этом, van Hooyonk и др. [117] предположил, что скорость сычужной реакции уменьшается линейно с ростом объемной доли молочных протеинов. Важно отметить, что эта модель предсказывает одинаковую зависимость константы скорости сычужного протеолиза при любых концентрациях казеина в молоке, но результаты работы [61] (Bauer и др.) показывают, что при сильном разбавлении молока зависимость константы скорости протеолиза от концентрации мицелл отсутствует.

Saputra и др. [115] предположил обратную зависимость константы скорости сычужного процесса от концентрации мицелл, объясняя это тем, что отношение концентраций фермента и субстрата (к-казеина) обратно пропорционально концентрации мицелл.

В работе [40] представлен один из возможных механизмов реализации ферментативной стадии сычужного процесса с целью объяснения наблюдаемой зависимости константы скорости протеолиза к-казеина от концентрации мицелл в молоке.

При сычужном свертывании молока большое значение имеет содержание кальция в молоке. Кальций и фосфор - это наиболее важные макроэлементы молока. Они содержатся в легко усвояемой форме и хорошо сбалансированных соотношениях. Кальций, косвенно, ответственен за окраску молока. Содержа-

"74-

ние катионов Са в 1 литре молока примерно 1,25 г. Около 22 % кальция молока связано с казеином, остальное количество составляют соли-фосфаты, цитраты и другие. Поэтому изменение концентрации кальция влияет на величину казеиновых мицелл.

В сыроделии почти всегда необходимо ускорить процесс гелеобразования. Для этого в молоко вносят хлористый кальций. В противном случае возникает перерасход сычужного фермента и ухудшается качество сгустка. Дело в том, что для хорошего свертывания необходим баланс между ионизированным кальцием и солями фосфата кальция (его нерастворимой и растворимой формами).

Изучение структурно-механических свойств белкового сгустка показало, что вязкость и прочность его находятся в прямой зависимости от содержания в сгустке кальция. Наибольшая вязкость и прочность сгустка наблюдаются при внесении хлористого кальция из расчета 40 г на 100 кг молока [30].

Растворимость солей фосфата кальция чувствительна к температуре. Повышение температуры ведет к понижению рН и образованию нерастворимых форм фосфата кальция. Чтобы понизить рН на 1 единицу надо повысить температуру до 150С. Свежее нормальное молоко с рН 6,6 свертывается при температуре 150С за несколько секунд [50]. Поэтому некоторые исследователи считают, что механизмы тепловой и кислотной коагуляция похожи, и вызываемая теплом коагуляция, является частным случаем кислотной [7].

При тепловой обработке, например пастеризации, баланс между растворимыми и нерастворимыми формами сдвигается в сторону нерастворимых солей фосфата кальция, что ведет к недостатку ионизированного кальция и растворимых форм фосфата кальция. Сывороточные белки превращаются в очень мелкие, невидимые простым глазом хлопья, которые в пастеризаторе осаждаются вместе с Саз(РС>4)2 в виде молочного камня или оседают на казеиновых мицеллах и тем самым изменяют их поверхность [50]. Для восстановления нормального баланса между растворимыми и нерастворимыми солями при хранении молока в холоде необходимо примерно от 24 до 48 часов.

Ионизированный кальций может выполнять роль дестабилизатора белков без нагревания, когда независимо от внешних причин выпадает казеин. Необходимая концентрация СаСІ2 составляет около 4,65 ммоль/л для молока, для ка-зеинат натриевых растворов от 7 до 16 ммоль/л. Наиболее подвержены действию СаСЬ Osi- и Р-казеины, а это около 75% казеина молока к-казеин (около 15%), наоборот, проявляет стабильность. Дополнительное внесение ионов

кальция может способствовать осаждению неадсорбированного казеина из водной фазы. Low и Leaver в работах [105, 106] установили, что увеличение концентрации ионов кальция приводит к увеличению, как скорости денатурации, так и агрегации сывороточных белков.

Механизм воздействия ионов кальция до конца не известен. Исследователи склонны предполагать комбинированное воздействие (рис. 1.7) нескольких специфических механизмов:

1. зарядовая дестабилизация - связанные ионы кальция сокращают суммарный отрицательный заряд на адсорбированных белках мицелл;

2. стерическая дестабилизация - связанные ионы кальция сглаживают поверхность слоя адсорбированной воды;

3. флокуляция - ионы кальция связывают фосфосериновые остатки белковых молекул различных мицелл;

4. электростатическое отталкивание - не связанные ионы кальция в двойном электрическом слое маскируют взаимодействия типа заряд-заряд.

Многие исследователи отмечают, что фактический интерес представляет активность ионов кальция, так как характер изменений в молоке определяется лить активной частью присутствующих в истинном растворе ионов. К тому же концентрация истинно растворимых составных частей молока очень велика и поэтому при равновесном состоянии концентрация не являться определяющим фактором. Определение активности ионов кальция в молоке с помощью чувст-

вительных к кальцию электродов показало, что она составляет лишь около 3% от общего содержания кальция.

Сгущение (кон-

центрирование), как

и следовало ожидать, вызывает снижение

активности ионов. В

Рис. 1.7 Иллюстрация воздействия Са²⁺ на казеино-

разбавленных до

вую мицеллу при электростатической или стерической

дестабилизации первоначальной кон-

центрации пробах сгущенного молока активность ионов кальция не достигает ее величины в свежем обезжиренном и восстановленном молоке. Способы тепловой обработки оказывают влияние на ионы кальция, как и соли стабилизаторы [50]. Тридцатиминутное нагревание молока при 50С понижает концентрацию ионизированного кальция примерно на 11%. По мере повышения температуры потеря ионизированного кальция возрастает и при 90С достигает 20%, затем сохраняется на этом уровне вплоть до 120С. 1.2.2. Моделирование кислотной коагуляции

Наиболее распространенным видом кислотной коагуляции казеина является свертывание молока под действием молочной кислоты, образующейся в результате молочнокислого брожения. Этот процесс широко используется в технологии производства кисломолочных продуктов и технического казеина.

При описании кислотной коагуляции в терминах модели «липких» твердых сфер глубина ямы є в зависимости от рН среды может быть приближенно описана в виде [77]

є 1

к_вТ~ рС-рН

Здесь рС - критическое значение рН, при котором щетка из волосков глико-

макропептида к-казеина на поверхности мицелл полностью сжимается.

1.50

Рис. 1.8. Зависимость вязкости молока от рН. Пунктирная кривая - результат расчета

Несмотря на достаточно хорошее описание изменения глубины потенциальной ямы, рассчитанные зависимости вязкости молока, как видно из рис. 1.8, слегка отличаются от экспериментальных. По всей видимости, небольшой провал на начальном этапе окисления связан с «прилеганием» волосков к поверхности мицеллы при повышении кислотности.

Исследованиями с применением кинетико-реологического метода установлено, что процесс структурообразования при кислотной коагуляции белков молока аналогичен процессу структурообразования при сычужном свертывании и

состоит из четырех стадий. Эти стадии следующие: индукционный период, стадия флокуляции (массовой или явной коагуляции), стадия метастабильного равновесия (уплотнения сгустка) и стадия синерезиса.

По мнению П.Ф. Дьяченко индукционная стадия кислотной коагуляции осуществляется в два этапа: на первом - от казеинаткальцийфосфатного комплекса отщепляется кальций, а на втором - подавляется буферная емкость молока и рН доводится до изоэлектрической точки, в которой происходит коагуляция казеина [20].

Сущность кислотной коагуляции казеина заключается в потере заряда его частицами при приближении рН к изоэлектрической точке казеина и снижении потенциала отталкивания между частицами [72, 22, 23].

Механизм действия ионов водорода при кислотной коагуляции заключается в том, что они сдвигают диссоциационное равновесие между диссоциированными карбоксильными группами и кислотными группами фосфорной кислоты казеина и ионами водорода в сторону недиссоциированных карбоксильных и фосфатных групп:

R-COOH<-»R-COO- + H⁺

R - Р0₃Н₂ <г» R - РОз"² + 2Н*".

То есть ионы водорода вследствие особого механизма передвижения легко проникают в гидратную оболочку и неподвижный слой противоионов. Они связываются, при уменьшении заряда, с карбоксильными и фосфатными остатками. При таких условиях происходит дестабилизация коллоидного состояния зо-

ля мицелл казеина за счет изменения соотношения сил межмолекулярного притяжения и электростатического отталкивания. Под действием сил притяжения, преобладающих в данном случае, сталкивающиеся между собой частицы соединяются друг с другом, образуя более крупные агломераты. При определенной концентрации ионов водорода в среде число отрицательных зарядов на коллоидных частицах становится равным числу положительных, то есть наступает изоэлектрическое состояние, происходят конформационные изменения макромолекул белка и они теряют свою растворимость и устойчивость.

С повышением концентрации ионов водорода нарушается структура казеи-наткальцийфосфатного комплекса за счет отщепления от него фосфата кальция и органического кальция — структурных элементов комплекса — и их перехода в растворимую форму [15, 19]. Кроме того, под действием молочной кислоты происходит переход фосфатов и цитратов кальция, содержащихся в плазме, в более растворимые лактаты кальция.

СаНР0₄ + 2С₃НбОз -> (С₃Н₅0₃)2Са + Н₃Р0₄;

Са₃(С_б Н₅0з + бСзНбОз -» 3(С₃Н₅0₃)2Са + 2СбН₈0₇.

Следствием этих процессов являются дестабилизация мицелл казеина, изменения их дисперсности и подавление буферной емкости молока.

Н.Н. Липатов [30] предлагает схематично представлять кислотную коагуляцию казеина следующим образом:

КазеинатСа

ФосфатСа

+ HR -н> [казеин] + Са(Н₂Р0₄) + CaR

Он подчеркивает, что одним из факторов, обуславливающих стойкость коллоидной системы, является солевое равновесие, которое, в свою очередь, зависит от концентрации ионов водорода.

В процессе кислотной коагуляции изменяется дисперсность казеинового комплекса. Доказано, что по мере увеличения активной кислотности путем добавления в молоко молочной кислоты дисперсность частиц казеинового комплекса изменяется в две стадии [27].

Сначала до рН 5,85 наблюдается увеличение дисперсности частиц. Затем, при дальнейшем повышении кислотности дисперсность уменьшается. Величина рН, характеризующая разделение этих стадий, значительно отличается от изоэлектрической точки и характеризует начало появления крупных частиц казеинового комплекса, из которых при последующем нарастании кислотности образуется пространственная гелевая структура молочного сгустка. Заметное образование гелевой структуры молочного сгустка наблюдается при рН 5,2 [30]. По характеру связи между частицами казеина кислотные сгустки относятся к структурам смешенного типа - коагуляционно-конденсационным [23].

По данным электронно-микроскопический исследований, проведенных Л.А. Забодаловой, установлено, что распределение частиц по размерам меняется с изменением кислотности. На протяжении всей стадии скрытой коагуляции, вплоть до начала гелеобразования, можно видеть как отдельные сферические мицеллы, так и агломераты, состоящие из различного количества мицелл (от двух-трех до нескольких десятков). На стадии скрытой коагуляции наблюда-

лось увеличение фракций белковых частиц молока со средним диаметром около 0,07 мкм [23].

Процесс гелеобразования при кислотном свертывании молока, а также структурно-механические и синеретические свойства получаемых сгустков зависят от состава и свойств молока, состава и свойств бактериальных заквасок, температуры свертывания, режимов обработки сгустка, продолжительности процессов и ряда других факторов. На скорость свертывания и плотность сгустка влияет содержание сухих веществ и казеина в молоке. Чем их больше, тем активнее происходит свертывание молока, с уменьшением содержания казеина в молоке уменьшается вязкость и прочность сгустка, вследствие чего ухудшается отделение от него сыворотки [26].

Процесс кислотной коагуляции белков молока зависит от температуры. При обычных условиях проведения процесса, то есть при температуре молока от 20 до 40С, казеин очень чувствителен к изменению активной кислотности среды. Он начинает осаждаться при подкислении до рН 5,2-5,3.

Введение в состав бактериальных заквасок энергичных кислотообразовате-лей способствует получению плотного сгустка с интенсивным отделением сыворотки, а малоэнергичных кислотообразователей - более нежного сгустка.

В работах [101, 102] Lucey и др. установили, что кислотные гели, подвергшиеся предварительной термической обработке, являются более прочными, вероятно, из-за участия в связях сывороточных белков.

1.2.3. Моделирование кислотно-сычужной коагуляции

Если сычужная и кислотная коагуляция достаточно хорошо изучены, этим вопросам посвящено достаточно много научных трудов и исследовательских работ, то исследованию процессов связанных с кислотно-сычужным свертыванием исследователи уделили свое внимание сравнительно недавно причем они касаются, в основном, исследований кислотно-сычужного способа производства творога [83,107, 9,10, 41, 43,45, 48].

Характер сгустка при кислотно-сычужном свертывании обусловлен степенью воздействия кислотного и ферментативного факторов на мицеллы казеина, что в свою очередь определяет физико-химические, биохимические и структурно-механические свойства продукта.

При выработке мягких кислотно-сычужных сыров на начальном этапе свертывания рН молока не опускается ниже 6,0. В этот период происходит начальный гидролиз отдельных агрегированных белковых частиц с нарушением функций защитного коллоида и гидратной оболочки, что приводит к нарушению сил электростатического отталкивания между ними [41, 43].

На следующей стадии процесса из-за сдвига рН среды в кислую сторону действие фермента замедляется, и все активнее проявляется участие молочной кислоты в свертывании молока.

В итоге наступает состояние, когда происходят конформационные изменения белков и они теряют устойчивость образуя гель. Это происходит в интервале рН от 5,2 до 4,7. Степень выраженности каждой из этих двух фаз образова-

ния сгустка в основном зависит от применяемых доз фермента и закваски [9, 10].

При увеличении температуры пастеризации молока увеличивается выход продукта, так как сывороточные белки осаждаются на казеиновые мицеллы [107]. Также следует отметить, что при кислотно-сычужном способе коагуляции к-казеин под действием сычужного фермента превращается в пара-к-казеин, имеющий изоэлектрическую точку в менее кислой среде (при рН 5,0-5,2). При рН молока 5,4 шарообразные частицы почти полностью теряют свою сферическую форму, они связываются во всех направлениях и превращают золь молока в гель.

В работе [107] Lucey и др. установили, что увеличение сычужного фермента при сычужном свертывании, либо глюконо-5-лактона при кислотном свертывании уменьшает время коагуляции. При кислотно-сычужном процессе зависимость неоднозначна. Авторы объясняют такую зависимость тем, что активность сычужного фермента зависит от рН среды и достигает максимального значения при величине рН равной 6,0. В работе показано, что самыми прочными являются комбинированные гели из предварительно нагретого молока, полученные при низкой концентрации сычужного фермента и при высокой концентрации кислоты. Кроме влияния концентраций кислоты и сычужного фермента кислотно-сычужные гели являются более прочными, вероятно, из-за участия в связях сывороточных белков.

Сгустки, полученные при кислотно-сычужном свертывании, по дисперсно-

51 сти белковых частиц занимают промежуточное положение между кислотными и сычужными: в них мелкие частицы (до 10 нм) составляют 23%, а крупные (размером 30-50 нм) - 45,8%.

Наиболее перспективной, на наш взгляд, подходом к описанию индукционного периода коагуляции молока является «зарядовая» модель [35, 36, 37, 38]. Известно, что основным фактором стабильности большинства коллоидных растворов является наличие на поверхности мицелл поверхностного заряда, который препятствует их сближению. Уменьшить заряд частиц можно различными способами. В случае сычужного свертывания молока, отщепление ферментом гидрофильных гликомакропептидных частей к-казеина снижает величину поверхностного заряда. В результате, постепенно уменьшается кулоновское отталкивание, и, кроме того, мицеллы теряют свою гидратную оболочку, обеспечивающую стерическую стабильность. При кислотной коагуляции дополнительные ионы водорода, вследствие особого механизма передвижения, легко проникают в гидратную оболочку и неподвижный слой противоионов и связываются с диссоциированными зарядообразующими группами, что также приводит к уменьшению поверхностного заряда мицелл [38].

1.3. Заключение по обзору литературы и задачи исследований

На основании всего вышесказанного, моделирование процессов, происходящих в молоке, является весьма сложной задачей, зависящей от очень большого количества факторов.

В настоящее время разработано два основных- подхода для моделирования индукционного периода: полимеризационная модель и модель липких твердых сфер. Оба подхода описывают снижение стабильности коллоидного раствора казеиновых мицелл, задавая изменение потенциальной энергии взаимодействия между частицами.

Полимеризационная модель рассматривает уменьшение стабильности коллоидного раствора мицелл казеина, как результат снижения- потенциального барьера отталкивающего взаимодействия между частицами в течение индукционного периода коагуляции, приводящего, в конце концов, к возможности достаточного сближения мицелл и их агрегации за счет короткодействующих ван-дер-ваальсовых сил. В модели липких твердых сфер тенденция к агрегации на первом этапе коагуляционного процесса задается посредством увеличения глубины узкой потенциальной ямы, расположенной в непосредственной близости от поверхности твердой сферы. Различия в подходах к описанию взаимодействия в этих случаях обусловлены, прежде всего, неодинаковым выбором основного фактора, отвечающего за коагуляционную стабильность мицеллярной системы. Сторонники полимеризационной модели считают основной причиной стабильности коллоидной системы электростатическое отталкивание мицелл, а

53 в модели липких твердых сфер принимается предположение о стерическом ограничении сближения мицелл, за счет полиэлектролитической щетки, состоящей из волоскового слоя к-казеина на их поверхности [81, 82]. В то же время трудно построить такую модель, которая объединила бы различные типы свертывания.

Модель липких твердых сфер может быть использована для моделирования как сычужного [79], так и кислотного [77] свертывания. С помощью этой модели можно рассчитать с достаточной для технологических приложений точностью продолжительность индукционного периода процесса коагуляции и временную зависимость вязкости продукта в течение этого периода на основе данных о концентрации казеина, протеолитического фермента или бактериальной закваски (и/или кислоты) с учетом влияния температурных условий. Вместе с тем, она имеет ряд недостатков. Например, ширина и глубина ямы являются, по сути, подбираемыми параметрами и не отражают физической сущности эффекта стабилизации коллоидного раствора мицелл казеина. В принципе, на основе этой модели может быть учтено и совместное действие сычужного фермента и закваски при учете их аддитивного вклада в глубину потенциальной ямы, но, как будет показано в одном из следующих разделов, такая модель не может описать реальных результатов, так как вклады обоих механизмов не являются аддитивными и оказывают взаимное влияние.

В принципе, полимеризационная модель может быть использована и для моделирования кислотной коагуляции. В этом случае высота барьера должна,

очевидно, зависеть от значениея рН молока. Однако, как и в случае сычужной коагуляции, выбор такой зависимости остается слишком произвольным, не имеющим адекватного физического объяснения.

На наш взгляд, устойчивость коллоидного раствора казеина обеспечивается как за счет кулоновского отталкивания, так и за счет стерической стабилизации в результате образования плотной гидратной оболочки при взаимодействии воды с гидрофильными гликомакропептидными волосками к-казеина, а основной причиной обоих стабилизирующих факторов является возникновение отрицательного заряда на мицелле в результате диссоциации функциональных групп различных казеинов [8, 36].

Поэтому при разработке универсальной компьютерной модели молока, естественным представляется выбрать в качестве основного параметра, описывающего коагуляционную устойчивость мицелл, величину их заряда [35, 36, 37]. Это позволяет, с единых позиций описать коагуляцию молока, вызванную различными причинами, например, под действием кислот, молокосвертывающих ферментов, солей, этилового спирта или при совместном действии этих факторов.

Химический состав молока

Молоко - полноценный и полезный продукт питания. Оно содержит все необходимые для жизни питательные вещества, нужные для построения организма.

В ходе развития человечества значение молока расширилось от продукта питания до промышленного сырья. В частности оно используется следующим образом: - продукт питания населения многих районов земного шара; - средство для вскармливания молодняка; - сырье для производства пищевых продуктов; - источник получения отдельных компонентов молока, которые в свою очередь служат сырьем для фармацевтической и других отраслей промышленности [50].

Переработка молока в настоящее время основана на традиционных классических технологиях. Вместе с тем, в последнее время появляются новые представления о структуре и свойствах пищевых продуктов. Эти знания появляются в результате изучения физико-химических характеристик материалов с помощью современных методов исследований. В результате появляются новые технологические подходы, а также средства их разработки, в том числе и с использованием информационных технологий. Такой подход дает возможность ре шать задачи оптимизации технологий на основе варьирования параметров и осуществлять моделирование технологических процессов. Развитие вычислительной техники в настоящее время позволяет проводить численное моделирование весьма сложных процессов за время существенно меньшее, чем требует реальный эксперимент, при, этом существенно снижаются материальные затраты. Поэтому моделирование технологических процессов является важной и актуальной задачей, в том числе, и в технологии производства молочных продуктов [31,18,21].

Данная работа посвящена разработке компьютерной модели одного из основных процессов переработки молока - его коагуляции. Коагуляция молока является основной частью технологического процесса производства кисломо-- лочных продуктов. Изучению процесса коагуляции посвящено множество работ. Экспериментально и теоретически изучены основные закономерности кислотного, сычужного и кислотно-сычужного процессов. Именно эти закономерности положены в основу разработанной модели. Основной трудностью для моделирования процесса свертывания молока является его многокомпонент-ность. Поэтому в данном разделе проведен анализ данных о составе молока и взаимодействии его составных частей. 1.1.1. Химический состав молока

С химической точки зрения молоко представляет собой раствор органических и неорганических соединений в воде. Можно выделить три основные фазы этого раствора: истинный раствор, с технологической точки зрения являющий ся молочной сывороткой, коллоидный раствор молочных белков и эмульсию молочного жира в сыворотке (рис. 1.1).

Молоко, рассматриваемое под микроскопом при низком увеличении (5Х) представляет собой однородную непрозрачную жидкость. При 500Х увеличении можно увидеть круглые шарики жира, так называемые жировые шарики. При более высоком увеличении (50 000Х) можно наблюдать казеиновые мицеллы [69].

В состав сыворотки входит вода, молочный сахар, сывороточные белки, а также органические о неорганические соли. Белковые вещества молока в основном представлены казеином (2,7%), сывороточными белками - альбумином (0,4%) и глобулином (0,2%). Белки молока полноценные, так как содержат все незаменимые аминокислоты. В молоке широко представлены необходимые для нормального роста живого организма макроэлементы - фосфор, калий, хлор, натрий; микроэлементы - марганец, медь, железо, кобальт, йод. Преобладают соли кальция и фосфора, которые необходимы в первую очередь для построения и укрепления костного скелета. Иммунные тела свежего молока предотвращают или задерживают в организме развитие болезнетворных бактерий.

Типичный углевод молока - лактоза - присутствует в молоке всех видов. Молочный сахар (лактоза) состоит из глюкозы и галактозы, имеет слегка сладковатый вкус, хорошо растворяется в воде и обуславливает питательную ценность молока. Кроме нее в молоке обнаружены только следы других углеводов. В молоке и жидких молочных продуктах лактоза вместе с другими составными частями молока находится в смешанном растворе, который в процессе обработки и переработки подвергается воздействию высоких температур и изменениям величины рН вследствие биохимических превращений. Эти воздействия могут привести к химическим реакциям с участием лактозы, в результате которых образуются соединения и продукты распада, оказывающие отрицательное воздействие на вкус и окраску молочных продуктов.

Молочный жир придает молочным продуктам мягкий и полноценный вкус, предотвращает развитие таких пороков, как крупчатость и водянистость, и положительно влияет на структуру и консистенцию молочных продуктов. В то же время такая составляющая жира как фосфолипиды могут действовать либо как прооксиданты, либо как антиоксиданты. Ценность молочного жира обусловлена содержанием в нем жирных кислот со средней длиной цепи, а также незаменимых жирных кислот и жирорастворимых витаминов A, D и Е.

Моделирование сычужной коагуляции

Коагуляция казеина под действием протеолитических ферментов получила название сычужной. Для свертывания молока в сыроделии применяют, главным образом, сычужный фермент. (Он содержит два компонента — химозин (рен-нин) и пепсин (А и В), оба фермента свертывают молоко, но химозин более активен. Молокосвертывающая активность сычужного фермента зависит не только от соотношения компонентов, но и от свойств молока: кислотности, температуры и содержания в нем ионов кальция. Фермент стабилен при рН 5,3-6,3; имеет оптимальную активность прирЯ 6,2 и температуре 40С [6].

Процесс свертывания молока принято делить на две стадии: индукционную и коагуляционную. Первая часто характеризуется постепенным уменьшением коллоидной стабильности казеиновых мицелл под действием различных внешних факторов, например кислоты или сычужного фермента [15, 19, 46, 47]. Вторая - непосредственным образованием сгустка. Механизм этих стадий до конца не установлен.

На практике продолжительность сычужной коагуляции часто определяется в рамках эмпирической модели Сторча-Сегелке: = — + с2, [Е] 2 где: / - время коагуляции; [Е] - концентрация ферментов; Сі и Сг - постоянные, зависящие от типа используемого молока и типа сычужного фермента. Однако, рассчитанные в этой модели продолжительности свертывания совпадают с экспериментальными данными лишь в ограниченном диапазоне концентраций. Кроме того, используемые константы не имеют в рамках данной модели физико-химического обоснования.

В настоящее время существует ряд моделей сычужной коагуляции, которые описывают этот процесс с точки зрения элементарных физико-химических актов, происходящих в молоке при его свертывании.

В рамках полимеризационной модели важной задачей при моделировании сычужного процесса является выбор конкретной формы для константы скорости агрегации К . В самых первых работах Payens и др. [114] считали ее не зависящей ни от каких параметров ATipconst. Позднее Payens и Brinkhuis [113] предположили, что скорость агрегации должна возрастать с увеличением размеров частиц:

Hyslop и Qvist [99] использовали модель, в которой константа скорости агрегации определяется числом свободных реакционно-способных мест / на поверхности мицелл, возникающих в процессе протеолиза.

Darling и van Hooydonk [74] ввели в константу скорости агрегации зависимость от высоты потенциального барьера, препятствующего сближению частиц. Согласно этой модели высота потенциального барьера, связанного с электростатическим отталкиванием или стерической стабилизацией мицелл, является функцией степени протеолиза к-казеина. /(g(Q) К -К е квТ Sk т где KD = —— - диффузионный предел константы скорости агрегации, U - вы сота потенциального барьера, кв - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, г) - вязкость сыворотки. Hyslop [98] использовал также более сложную модель, K=i-j.KDe кт , в которой учитывается возможная зависимость константы скорости агрегации от размеров частиц.

Lomholt и др. [104] проверили результаты всех вышеописанных моделей на совместимость с экспериментальными данными. Зависимости средневзвешенной степени полимеризации от времени, прошедшего после добавления сычужного фермента, полученные в результате турбидиметрических измерений, сравнивались с численными расчетами.

Важно отметить, что лишь модели, в которых константа Кц зависит от величины энергетического барьера, показали результаты, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.

Модуль расчета продолжительности кислотной коагуляции

Модуль программы, позволяющий осуществлять моделирование начальной стадии процесса кислотной коагуляции молока рассчитывает кинетику нарастания кислотности в результате введения в молоко глюконо-8-лактона или молочнокислых бактерий. Эти процессы описываются дифференциальными уравнениями. Их численное решение позволяет определить зависимость кислотности молока от времени, а, следовательно, и продолжительность индукционного периода процесса коагуляции.

В первом случае глюконо-5-лактон, попадая в молоко, гидролизуется, образуя глюконовую кислоту. GDL + H20 GH, (4.1) 2 к где к\ и &2 - константы прямой и обратной реакции [77]. Для нахождения основных параметров модели использовались экспериментальные данные, приведенные в работе [107].

Изменение концентрации глюконовой кислоты и GDL, в соответствии со схемой (4.1), описывается следующей системой дифференциальных уравнений: d([G]) = -kx[GDL\ + k2[Gm dt . (4.2) d([Gi/]) = -kJGH] + kx[GDL\ dt

Решение этих уравнений позволяет найти функцию зависимости [GH] от времени. Она имеет следующий вид: [Gtf (01 = [GDL]0 Д . (4.3) /q + к2

Учитывая, что в соответствии с [77] обратной реакцией в схеме (4.1) можно пренебречь, выражение (4.3) можно записать в виде: [GH(t)] = [GDL]0(l-e-k") (4.4) Тогда зависимость концентрации ионов водорода от времени имеет вид: [H+(t)] = [H+]0+aG[GDL]0(l-e-k"), (4.5) где [Я о и [GDL]o - начальные концентрации ионов водорода и глюконо-5-лактона соответственно.

Зависимость активной кислотности молока от времени определяется согласно следующему выражению: РЩ)=-igdtf т (4.6)

При моделировании учитывалась зависимость процесса от температуры, поэтому степень диссоциации кислоты считалась зависящей от температуры по активационному типу: aG - aGca exp f Wa Л aa (4.7)

Для небольшого диапазона изменений температуры, вблизи технологической температуры То (температура, определяемая оптимальным протеканием процесса, например, То 2 5 С), когда представление скорости реакции в экспоненциальной форме имеет смысл, выражение (4.7) может быть записано в несколько более удобной форме: LA aG = aG0 exp %-у = In Goo \aG0j «&»=! (4.8) где ctco - значение ос при T— То.

Результаты расчетов продолжительности кислотной коагуляции молока (от момента внесения глюконо-8-лактона до образования сгустка) при помощи глюконо-5-лактона в рамках принятой модели и сравнение полученных резуль татов с данными эксперимента [107] представлены в табл. 4.1.

В данном случае принималось, что сгусток образуется при рН=А,7. Несовпадение результатов, представленных в табл. 4.1 может быть объяснено следующим образом. Гелеобразование начинается при значениях рН выше изоэлек-трической точки казеина. Также, согласно данным работы [107] свертывание молока добавлением относительно небольших доз глюконо-8-лактона приводит к формированию очень слабых гелей.

Модуль расчета продолжительности кислотно-сычужной коагуляции

Исследования комплексного воздействия кислотного и ферментативного факторов на мицеллу казеина и возможностей их регулирования при кислотно-сычужном способе коагуляции представляют особый интерес из-за возможности получения молочных продуктов с самыми разнообразными свойствами.

Целью настоящей работы является исследование возможности использования зарядовой модели для создания виртуальной системы, адекватно описывающей кислотно-сычужное свертывание молока.

Отметим, что описание совместного действия кислоты и сычужного фермента на мицеллу казеина, приводящее к изменению величины ее заряда, осложняется необходимостью учета взаимного влияния двух процессов. Прежде всего, следует учесть существенную зависимость активности сычужного фермента от кислотности молока [48, 15].

Для описания процесса коагуляции использовалась следующая модель. Пусть уменьшение коагуляционной стабильности мицелл происходит как из-за уменьшения поверхностного заряда при остриганий волосков макропептидной части к-казеина, так и за счет уменьшения заряда дополнительными протонами при увеличении их концентрации. Тогда заряд, остающийся на мицелле после действия фермента в течение времени t определяется выражением: ls(t) = qso exp(-kSQ[EKl]t), (4.26) где #so - начальный заряд мицеллы (в единицах элементарного заряда); kso -константа скорости протеолиза к-казеина, [Етс\] - относительная концентрация сычужного фермента ([Ете\] = 1 для нормальной дозы фермента).

Дополнительный положительный заряд, обеспечиваемый протонами при повышении кислотности среды (также в единицах элементарного заряда) можно оценить следующим образом: qH=eNAVH([H+]-[H;]), (4.27) где е - величина элементарного заряда; NA - число Авогадро; Ун - объем слоя гликомакропептидных остатков к-казеина на поверхности мицеллы. Концентрация протонов определяется значением рН: [Н+] = \0-рН =охр(-Л-рН), А = 10. (4.28) Изменение величины дополнительного заряда qcas, возникающего при диссоциации казеинатов кальция, может быть представлено выражениями (4.21) и (4.23).

Тогда заряд, остающийся на мицелле к моменту времени t, будет определяться следующим выражением: q(f) = qs + q s - qH.

Обычно влияние кислотности на активность фермента формально учитывается в виде зависимости константы скорости протеолиза kso от рН. Однако нам удалось установить, что, по крайней мере частично, уменьшение времени свертывания молока с понижением значения его рН можно объяснить снижением дополнительного заряда мицелл за счет возрастания степени диссоциации ми-целлярного фосфата кальция при увеличении кислотности. Рассмотрим очень упрощенную схему, описывающую диссоциации мицел-лярного фосфата кальция (ССР): ССР + 2Н+ ф=»ССР + Са2+, (4.29) где ССР «молекула» казеинат-кальций-фосфатного комплекса после того, как она потеряет ион кальция. Запишем выражение для константы равновесия реакции (4.29): K=7ZJ » +2 ,гдеК = . (4.30) [ССР ]-[Са2+] „ к+ + , , где К = — [ССР]-[Н+]2 к_ Сделаем очевидное предположение о концентрациях реагентов: [ССР ] = [Са2+], [ССР ] = [ССР]о - [ССР], (4.31) где [ССР]о - концентрация ССР при очень высоких значениях рН. Подставим (4.31) в (4.30): [Са2+]2 + [Н+]2[Са2+] - К[Я+]2[ССР]0 = 0. Это квадратное уравнение для концентрации ионов кальция имеет следующее положительное решение: [Са2+] = Щ ук2\И+]2 + 4К[СС?]0 - ЦК+]) (4.32)

Дополнительные ионы кальция могут учитываться добавлением значения, рассчитанного по формуле (4.32) в формулу (4.21). Таким способом решается задача об учете влияния кислотности на скорость сычужного свертывания.

Похожие диссертации на Разработка системы для моделирования технологий свертывания молока

Исследование и разработка технологии сыров с термокислотным свертыванием молока и ферментацией сырной массыРафалович, Сергей Романович

Исследование технологического процесса кислотно-сычужного свертывания молока реологическими методами и разработка прибора для его контроляЛеонов Алексей Александрович

Исследование физико-химических особенностей коагуляции молока и разработка системы для ее многофакторного контроляЛапшакова Оксана Юрьевна

Разработка системы для моделирования структурно-реологических свойств молочных сгустковШабарчина, Елена Юрьевна

Исследование процессов ферментации и созревания сыров с термокислотным свертыванием молокаСеменова, Татьяна Борисовна

Математическое моделирование физико-химических процессов при кислотно-сычужном свертывании молокаБоровая Екатерина Александровна

Исследование процесса коагуляции белков концентрированного молока и разработка технологии производства творожного продукта на его основеВальтер, Геннадий Фридрихович

Исследование особенностей коагуляции молока и разработка новой технологии белковых продуктов Надеина Мария Петровна

Разработка технологии молока пастеризованного повышенной хранимоспособностиПономарев Аркадий Николаевич

Исследование жировой фазы молока и разработка технологии сливочно-белкового продуктаКошелева Елена Алексеевна