Влияние компонентов молочной сыворотки на растворимость лактозы и вязкость насыщенных растворов

В настоящее время увеличиваются объемы производства сгущенных молочных консервов с сахаром, с различным компонентным составом. Известен способ производства молочного концентрированного продукта с сахаром, в котором в качестве сухого молочного сырья наряду с сухим обезжиренным молоком используют сухую деминерализованную молочную сыворотку (СДМС) /1/. Изменение компонентного состава этих продуктов может привести к изменению растворимости лактозы и, следовательно, к изменению параметров кристаллизации.

Целью работы является выявление закономерностей и механизма влияния сывороточных белков на растворимость лактозы. Объектами исследования были модельные трехкомпонентные системы - насыщенные растворы лактозы, а предметом исследования - растворимость лактозы и вязкость этих растворов. Растворимость лактозы и вязкость насыщенных растворов определялась согласно методике, представленной в работе /2/. Опыты проводились при температурах t=20 ºC и t=35 °C, так как эти температуры соответствуют технологическому режиму проведения промышленной кристаллизации лактозы в сгущенных молочных консервах с сахаром /3/. Экспериментальные данные о составе насыщенных растворов в трехкомпонентных системах представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные о составе насыщенных растворов лактозы в трехкомпонентных системах при 20 и 35 ºС в зависимости от массовой доли СДМС

Температура, t, ºС	Массовая доля, % лактозы	Массовая доля, % СДМС	Массовая доля, % воды
20	15,13	5,57	79,30
20	16,10	7,52	76,38
20	17,20	9,81	72,99
20	20,33	12,37	67,30
35	20,76	5,19	74,05
35	20,82	7,60	71,56
35	20,95	9,23	69,82
35	23,68	11,88	64,64

Для оценки растворимости лактозы по экспериментальным данным (таблица 1) была рассчитана растворимость лактозы Нл и представлена в зависимости от концентрации СДМС (Нс) на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние СДМС на растворимость лактозы

Для математического описания растворимости лактозы в пределах Нс от 0

до 0,2 кг/кг Н2О было использовано уравнение вида:

где Нл, Нло – растворимость лактозы в присутствии СДМС и в чистой воде соответственно, кг/кг Н2О;

Нс. – содержание СДМС в растворителе, кг/кг Н2О;

R – газовая постоянная, Дж /(моль К);

Т – температура, К;

а1 ,а2, а3 – коэффициенты.

Значения коэффициентов а1 ,а2 ,а3 и Нло в уравнении (1) представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Значение коэффициентов в уравнении (1)

Коэффициент             Т=293 К                 Т=308

Нло	0,191	0,286
а1	-912	64
а2	13879	-7763
а3	-5130	73072

С учетом коэффициентов, по уравнению (1) было рассчитано значение Нл. Результаты расчетов показывают удовлетворительное согласование с экспериментом. Среднее относительное отклонение расчетных значений от опытных данных составило ± 0,54 %.

Увеличение растворимости лактозы в присутствии СДМС обусловлено растворяющим действием сывороточных белков, составляющих основную часть СДМС. Механизм действия может быть объяснен гидратационными явлениями /2, 4, 5, 6/. Согласно существующим в настоящее время представлениям часть молекул воды, присутствующих в насыщенном растворе, находится в гидратированном состоянии. Другая часть, так называемая свободная вода, располагается между гидратированными молекулами лактозы. Соотношение между гидратированной и свободной частью молекул воды находится в динамическом равновесии и зависит от температуры и примесей.

Насыщенный раствор состоит из гидратированных молекул лактозы диаметром 0,46 нм /7/. Сывороточные белки представлены в основном (на 70 %) лактальбумином (размер частиц 15-20нм) и β-глобулином (размер частиц 25–50 нм), которые гидратируются в растворе и имеют отрицательный заряд /8/. Механизм повышения растворимости лактозы в присутствии сывороточных белков при увеличении их концентрации, по-видимому, обусловлен тем, что происходит агрегация глобул с образованием общей гидратной оболочки. В результате часть гидратной воды переходит в свободную. Эта вода участвует в растворении лактозы. Появление ассоциатов вызывает изменение структуры раствора и образуется новая, более прочная структура, что подтверждается увеличением вязкости растворов. Экспериментальные данные о вязкости приведены на рисунке 2.

Концентрация СДМС, Нс, кг/кг Н2О

♦ Температура 20ºС            _____ ■ Температура 35ºС

Рисунок 2. Влияние СДМС на вязкость насыщенных растворов лактозы

При исследовании вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии исследуемых добавок следует выделить две концентрационные области. В первой области при низких значениях Нс. =0–0,1 кг/кг вязкость возрастает незначительно и обусловлена в основном увеличением содержания сухих веществ. Во второй концентрационной области наблюдается более интенсивное увеличение вязкости. Экспоненциальный характер изменения вязкости в этой области обусловлен, по-видимому, ростом содержания белков в растворе и увеличением за счет этого межмолекулярного взаимодействия. При увеличении Нс более 0,1 кг/кг Н2О количество воды, необходимое для гидратации, снижается, и, как считает автор /9/, это приводит к снижению ее активности. Происходит структурная перестройка всей системы: вода-СДМС-лактоза и, как следствие, увеличение ее вязкости. Экспериментальные данные по вязкости μ в изученном диапазоне Нс=0 – 0,2 кг/кг Н2О были аппроксимированы с помощью уравнения:

μ = μ0 + а1 Нс./ RT + а2 Нс ² /RT+а3 Нс ³,           (2)

где μ0, μ – динамический коэффициент вязкости насыщенных растворов лактозы в воде и в присутствии СДМС соответственно, Па·с;

а1, а2, а3 – коэффициенты;

Нс. – содержание СДМС в растворителе, кг/кг Н2О;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К);

T – температура, К.

Значения коэффициентов в уравнении (2) представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Значения коэффициентов μ0 и а в уравнении (2)

Температура, Т, К	μ0 * 10³ , Па·с	а1, Дж/моль	а2 , Дж/моль	а3 , Дж/моль
293	1,611	5,583	65,628	1042
308	1,705	-13,294	260,711	140,279

По уравнению (2) были рассчитаны значения вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии СДМС, среднее относительное отклонение расчетных значений от экспериментальных составило 1,24 %. Таким образом, уравнение (2), может быть использовано для расчета вязкости насыщенных растворов лактозы в присутствии СДМС в изученном диапазоне концентраций Нс. =0–0,2 кг/кг.

Выводы:

• 1.    Сывороточные белки не влияют на растворимость лактозы при их концентрации в растворе до 0,1 кг/кг. При более высокой концентрации они повышают растворимость, а, следовательно, будут влиять и на процессы кристаллизации, что следует учитывать при выработке сгущенных молочных консервов с сахаром.

• 2.    Сывороточные белки изменяют структуру насыщенных растворов лактозы и, следовательно, консистенцию вырабатываемых продуктов, что может быть использовано при управлении качеством этих продуктов.