Содержание к диссертации
Введение 6
Глава I. Анализ современных представлений о методах теоре- 11
тического и экспериментального исследования коагуляции мо
лока, как полидисперсной физико-химической системы
1.1. Состав и физико-химические свойства молока 11
Истинный раствор 12
Молочный жир 16
Белки молока 18
Основные физико-химические свойства молока 35
1.2. Современные представления о коагуляции молока и методы ее 37
теоретического описания
Сычужная коагуляция молока 38
Кислотная коагуляция молока 44
Кислотно-сычужная коагуляция молока 48
Термокислотная коагуляция молока 49
Термокальциевая коагуляция молока 50
Модель липких твердых сфер 51
Полимеризационная модель 59
Описание формирования структуры сгустка 62
1.3. Экспериментальные методы изучения коагуляции молока 67
Реологические методы 67
Оптические методы 72
Другие методы мониторинга гелеобразования в молоке 88
Новейшие результаты экспериментального исследования про- 90
цесса коагуляции
Заключение к первой главе 93
Глава II. Методология проведения исследований 95
Глава III. Развитие экспериментальных методов исследования 99
процесса коагуляции молока
Ш.1. Вискозиметр для измерения относительной вязкости молока 99
Определение объемной доли коллоидных частиц 102
Ш.2. Термографический метод мониторинга коагуляции молока 104
Принцип действия термографа 104
Прибор для точного определения момента гелеобразования 108
Автоматизированное устройство для комплексного монито- 110
ринга процесса свертывания молока
Ш.З. Исследование возмолшости изучения коагуляции молока с ис- 113
пользованием электромагнитного излучения СВЧ
Заключение к третьей главе 116
Глава IV. Математическое моделирование индукционной ста- 117
дии коагуляции молока
Модель поверхностного заряда 117
IV. 1. Кислотная коагуляция 120
IV.2. Сычужная коагуляция 131
IV.3. Кислотно-сычужная коагуляция 145
Заключение к четвертой главе 153
Глава V. Исследование роли ионов кальция в коагуляции мо- 154
л ока
V.I. Экспериментальное обоснование гипотезы о дополнительной 154
электростатической стабилизации мицелл казеина при недостатке
ионов кальция в молоке
V.2. Количественная физико-химическая модель возможного меха- 159
низма возникновения дополнительного заряда мицелл
V.3. Исследование технологически обоснованных способов измене- 165
ния концентрации ионов кальция в молоке
Заключение к пятой главе 168
Глава VI. Развитие методов численного моделирования процес- 170
сов, протекающих при переработке молока
VI.1. Исследование особенностей диффузии в неоднородных средах 170
Диффузионное уравнение для неоднородной среды 170
Возможный механизм набухания полимеров 176
Численное моделирование диффузии в среде с резко меняю- 180
щимися диффузионными свойствами
Диффузионный подход к задаче о возможном механизме пер- 184
винной стадии сычужного процесса
VI.2. Численное моделирование процесса обогащения термокислот- 188
ного сгустка биологически активными добавками
VI.3. Развитие численных методов моделирования структуры мо- 192
лочных сгустков
Моделирование функции распределения первичных контактов 192
мицелл казеина
Исследование возможности использования комбинированного 199
метода на основе метода молекулярной динамики и метода
Монте-Карло для моделирования структуры сгустков
VI.3. Численное моделирование процесса отстаивания жира в 202
молоке
Приближение стоксовой скорости 202
Модель слипания 206
Фрактальная модель 213
Центробежное отстаивание 221
Заключение к шестой главе 225
Глава VII. Анализ возможности развития новых технологий 227
производства белковых молочных продуктов
VII.1. Разработка новых технологий, основанных на кислотно- 227
сычужном свертывании молока
Оптимизация технологии кислотно-сычужных сыров 229
Применение гравитационного отстаивания при изготовлении 232
кислотно-сычужных сыров
VII.2. Концепция создания нового технологического подхода к про- 238
изводству молочных белковых продуктов на основе управления сы
чужной коагуляцией
Заключение к седьмой главе 248
Выводы 250
Библиографический список 254
Приложения 285
Введение к работе
Молоко является полноценным и полезным продуктом питания, так как содержит все необходимые для жизни и развития организма питательные вещества. Естественное назначение молока в природе заключается в обеспечении питанием молодого организма после рождения. Возрастающее значение молока, как полноценного продукта питания и как сырьевого материала, привело к увеличению спроса на него. В результате этого производство молочных продуктов стало одной из важнейших отраслей промышленности.
Технология молочных продуктов - одна из древнейших пищевых технологий, известных человеку. Можно сказать, что она почти такая же древняя, как и сам человек. Считается, что человек одомашнил животных с целью получения молока примерно в 6000-8000 г.г. до нашей эры. Ферментированные молочные продукты, такие как сыры, были, по-видимому, впервые открыты случайно, но и их документированная история насчитывает много веков. Несмотря на это, превращение молочных технологий из искусства в науку началось совсем недавно и происходит буквально на наших глазах.
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 наблюдается революционное изменение технологических методов во всех отраслях промышленности. Ярким примером может служить развитие информационных технологий за последние годы. Быстрый прогресс в области технологических знаний основан на понимании природы и механизма функционирования фундаментальных законов, определяющих протекание технологических процессов. Пищевой промышленности присущи более консервативные традиции, тем не менее, здесь тоже наблюдается заметное влияние со-
глубокого изучения и понимания физико-химических закономерностей, лежащих в основе процессов пищевых производств.
Коагуляция молочного казеина является одним из наиболее важных этапов производства сыров, творога и некоторых других молочных продуктов. Изучению этого процесса посвящено достаточно большое число работ. Экспериментально изучены основные закономерности кислотной, сычужной и кислотно-сычужной коагуляции молока (Королев С.А., Липатов Н.Н., Ди-ланян З.Х, Крашенинин П.Ф., Белоусов А.П., Раманаускас P.M., Табачников В.П., Dalgleish D.G., Walstra P., Lomholt S.B., Lucey J.A. и др.). Некоторыми исследователями (Климовский И.И., Дьяченко П.Ф., Крусь Г.Н., van Нооу-donk А.С.М. и др.) предлагался ряд моделей, описывающих биохимические процессы в молоке, протекающие на некоторых стадиях кислотной и сычужной коагуляции. Совсем недавно de Kruif C.G. предложил модель описания индукционной стадии сычужного процесса, основанную на представлении о молоке, как коллоидном растворе липких твердых сфер мицелл казеина, сте-рическая стабильность которых обусловлена механической жесткостью «полиэлектролитической щетки», образованной гидрофильными макропептид-ными остатками к-казеина.
Несмотря на несомненный прогресс в понимании фундаментальных законов, лежащих в основе процесса коагуляции молочного казеина, в настоящее время не существует достаточно полной общепринятой физико-химической модели, адекватно описывающей процесс свертывания молока под действием различных факторов. Поэтому диссертационные исследования посвящены дальнейшей разработке теоретического подхода к созданию физико-химической модели процесса коагуляции молока на основе результатов комплексных экспериментальных исследований. Кроме того, в данной диссертации разрабатывается концепция управляемой коагуляции для создания нового технологического подхода к производству молочных белковых продуктов.
Коагуляционная устойчивость молока и ее изменение в процессе обработки, безусловно, является проявлением особенностей строения и функциональных свойств мицелл казеина, но, вместе с тем, она подвержена существенному влиянию со стороны других составных частей молока. Поэтому первая глава диссертации посвящена анализу современных взглядов на молоко, как комплексную систему. В ней рассмотрен состав и физико-химические свойства молока в целом, а также структура, поведение и взаимодействие основных подсистем молока, таких как жировая эмульсия, коллоидный раствор белков и истинный раствор солей и углеводов. Значительное внимание уделено также анализу методов теоретического и экспериментального исследования коагуляции молока.
Во второй главе представлен методологический анализ поставленных в диссертации задач, намечены основные этапы исследований, описана структура работы и основные исследовательские методы.
Анализ такой сложной физико-химической системы, как молоко, необходимо проводить на основе объективных и достоверных экспериментальных данных, что требует особого внимания к разработке методик точных и воспроизводимых измерений. Развитию экспериментальных методов исследования процесса коагуляции посвящена третья глава диссертации.
Хорошо известно, что создание адекватной физико-химической 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. В четвертой главе рассматривается задача о моделировании первичной стадии коагуляции молока на основе представления о поверхностном заряде мицелл. Такой подход позволяет с единых позиций описать коагуляцию молока, вызванную различными причинами, например, действием кислот, мо-локосвертывающих ферментов, солей, этилового спирта или при совместном действии этих факторов.
Большинство исследователей, занимающихся изучением процесса коагуляции, несмотря на существующие разногласия, сходятся во мнении, что этот процесс состоит из нескольких стадий: индукционной стадии, стадии флокуляции, стадии метастабильного равновесия и стадии синерезиса. По мнению некоторых из них, это разделение носит условный характер, так как эти стадии накладываются одна на другую. Описанные в пятой главе исследования подтвердили возможность явного разделения процесса сычужного свертывания на две стадии: скрытую (индукционную) и стадию флокуляции путем понижения концентрации ионов кальция в молоке. Такое разделение возможно из-за дополнительной электростатической стабилизацией за счет частичной диссоциации мицеллярного казеината кальция, приводящей к появлению дополнительного отрицательного заряда мицелл.
Свертывание молока - не обособленный процесс. Он протекает на фоне других явлений, многие из которых представляют собой важные этапы технологической обработки молочных продуктов. Шестая глава диссертации посвящена развитию методов численного моделирования процессов, протекающих при переработке молока. В ней рассмотрен, например, диффузионный подход к описанию кинетики протеолитической стадии сычужного процесса и обогащению сгустка биологически активными наполнителями; рассмотрены особенности численного моделирования процесса формирования молочного сгустка; а также разработана численная модель отстаивания молочного жира.
Седьмая глава представляет практические результаты проведенных исследований, реализованных в виде проекта новых технологий производства продуктов, основанных на свертывании молока.
В целом приведенные в диссертации результаты позволяют более глубоко понять сущность фундаментальных явлений, лежащих в основе свертывания молока и сопровождающих этот процесс и создают принципиальную возможность совершенствования и развития технологий переработки молока.
По результатам работы над диссертацией изданы две монографии: «Теоретическое и экспериментальное исследование процессов, лежащих в основе свертывания молока» и «Развитие фундаментального подхода к технологии молочных продуктов». Полученные в работе данные опубликованы в 43 печатных изданиях: в журналах «Хранение и переработка сельхозсырья», «Сыроделие и маслоделие», «Коллоидный журнал», в научных трудах института и других изданиях. Обсуждение работы проводилось на международных и региональных научно-технических конференциях, совещаниях и симпозиумах: Барнаул, 2002 г.; Ереван, 2003 г.; Кемерово, 2000-2004 г.г.; Кострома, 2004 г.; Лингби (Дания), 2004 г.; Прага, 2004 г.; Ростов-на-Дону, 2004 г.; Ставрополь, 2004 г.; а также на заседаниях научно-технического совета Кем-ТИПП. По результатам работы подано пять заявок, получен 1 патент и 1 положительное решение на выдачу патента РФ.
