Капиллярный метод исследования реологических свойств молочно-белкового сгустка

При производстве кисломолочных продуктов, творога, сыров значительное влияние на егс качество оказывает процесс формирования молочно-белкового сгустка. На сыродельных комбинатах для контроля технологического процесса свертывания молока применяют визуальный метод. Оценка степени готовности сычужного сгустка определяется следующим образом. Штапелем разрезают сгусток, приподнимают сгусток и по расколу судят о его свойствах. Сгусток должен иметь раскол с острыми краями, без образования хлопьев белка и с хорошо выделяющейся сывороткой светло-зеленого цвета. Неровный излом с мелкими кусочками сгустка и мутная беловатая сыворотка указывает на недостаточную прочность сгустка.

Этот способ не дает надежных результатов, так как зависит от квалификации мастера-сыродела. Инструментальные методы и устройства, предлагаемые исследователями, являются более точными и объективными, но в ряде случаях конструктивно сложны, и в силу своих некоторых недостатков, серийно не выпускаются.

Так, например, Буткус Р. предлагает метод изучения свойств молочного сгустка на основе оптического принципа на приборе ОСС-76 позволяющий определять динамику свертывания молока и устанавливать момент готовности молочно-белкового сгустка к дальнейшей обработке при производстве сыра, кефира и творога [1]. Для исследования процесса коагуляции молока широкое распространение получили методы, основанные на измерении вязкости при агрегации. Капиллярные вискозиметры используют в основном для исследования ранних стадий коагуляции [2,3,5]. Оноприйко и др. на основе капиллярного вискозиметра разработали прибор для исследования активности фермента и определения момента образования сгустка [4]. Табачников В.П. и Дудник П.Н. разработали реологический метод, позволяющий наблюдать за кинетикой свертывания молока. Метод основан на непрерывном измерении эффективной вязкости молока, при помощи ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами [6]. В настоящее время в промышленности используются поточные вискозиметры Brookfield, работа которых основана на измерении сопротивления поступательному или крутильному колебательному движению датчика.

Разработка метода, позволяющего исследовать процесс образования молочно-белкового сгустка, без нарушения его пространственной структуры, а также осуществлять контроль реологических свойств и в настоящее время является актуальной задачей.

Предлагаем для исследования упруго-пластических свойств сычужного сгустка использовать капиллярный метод, сущность которого заключается в периодическом продавливании воздушного пузырька через капилляр в сгусток. По изменяющейся величине воздушного давления в капилляре судят о степени готовности сгустка к следующей технологической операции - разрезке сычужного сгустка.

Функциональная схема прибора для определения упруго-пластических свойств, представлена на рисунке. Прибор включает сифон 1, состоящий из негерметичного сосуда 2, наполненного водой, и герметичного сосуда 3. Сосуды 2 и 3 соединены между собой соединительной трубкой, один конец которой опущен под уровень воды в сосуде 2, а второй помещен в сосуд 3.
На соединительной трубке установлен регулирующий клапан 4. В негерметичный сосуд 7 с исследуемой жидкостью установлен капилляр 6, соединенный при помощи соединительной трубки с герметичным сосудом 3 сифона 1. Другой конец трубки соединяет полость капилляра 6 с микроманометром 10.

Прибор работает следующим образом. Воздух, поступающий из сифона 1, через соединительную трубку в капилляр 6, повышают давление в капилляре до величины - Р и станет больше атмосферного Ра™. Мениск жидкости в капилляре начинает прогибаться, т.е. радиус кривизны уменьшается и возрастает лапласово давление со стороны исследуемой жидкости в сосуде 7, вызванное поверхностным натяжением исследуемой жидкости, а значения показаний микроманометра постепенно увеличивается. Повышенное давление в капилляре вытолкнет из него в сосуд с гелем пузырек воздуха. В геле на этот пузырек, кроме атмосферного давления Ра™, действует добавочное -лапласово давление Рп, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости. Сумма давлений Рат+ Рл уравновешивается давлением Р, т.е. Р = Ра™+ Рл

Учитывая, что добавочное давление определяется уравнением Лапласа Р*=~]Г ,

ПОЛУЧИМ:     Р ~ Ратм ~ ~7Г (1)

Рис. Схема установки по определению упруго-пластических свойств молочно-белкового сгустка:
/-сифон; ^-негерметичный сосуд; 3- герметический сосуд; 4- регулирующий клапан; 5- воздуховоды; 6-капилляр; 7-сосуд с исследуемым продуктом; 5-электромагнит; 9- терморегулятор; 10- многопредельный
микроманометр; //-миллиамперметр

Так как вода продолжает поступать из сосуда 2 в сосуд 3 (см. рис.), давление Р, а также разность давлений Р-Ра™ в системе возрастает. При этом радиус пузырька, выдавливаемый из капилляра в сгусток, будет уменьшаться. Когда радиус пузырька станет наименьшим (равным радиусу капилляра), разность давлений Р-Р„™ будет максимальной, в этот момент, согласно формуле (1).,
получим:
 
             Р-Р
а=- «w.w'max   р_  П т К  (2)
            2    
                         
где а - поверхностное натяжение; R - радиус выделившегося пузырька; (P-Pa™)max= H - максимальный уровень подъема жидкости в многопредельном микроманометре. Когда радиус кривизны мениска жидкости в капилляре станет равный радиусу капилляра, пузырек воздуха, преодолев поверхностное натяжения жидкости, выдавится в жидкость в сосуде 7 и значения показания микроманометра 10 в этот момент является максимальным и прямо пропорционально величине поверхностного натяжения и давлению столба жидкости в микроманометре.

Предлагаемый капиллярный метод позволяет исследовать динамику свертывания белка, а также устанавливать влияние температурного и магнитного поля на упруго-пластические свойства молочно-белкового сгустка.
Максимальное давление столба жидкости в микроманометре (Па), предельное напряжение сдвига, определяется по формуле:

P=Hgk, (3)

где: Н - максимальная высота подъёма жидкости в микроманометре, кгс/м2(1 кгс/м2=1 мм. вод. ст. = 9,81 Па = 9,81 Ю"6 МПа = 9,81 -10"3 кПа = 9,81 -10+3 мПа.); g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2); к - постоянная микроманометра.

Метрологическая характеристика предлагаемого способа приведена в таблице. Относительная погрешность метода составит не более 3,5 %, при уровне значимости Р = 0,99.

Метрологическая характеристика капиллярного метода исследования реологических свойств молочно-белкового сгустка

Список литературы:
1.  Буткус Р. Метод изучения свойств молочно-белкового сгустка / Р. Буткус, К. Буткус // Труды Литовского филиала ВНИИМС. т. XVI. 1982. - С.26-32.
2. Доня Д.В. Разработка и исследование реометров для контроля процесса производства сыров: автореф. дис. канд. техн. наук. - Кемерово, 2005. -19 с.
3. Лисин П.А. Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных продуктов: монография / П.А. 4. Лисин. - Омск. Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. -135 с.

5. Оноприйко А.В. Прибор и метод определения сычужной свертываемости молока и активности фермента/А.В. Оноприйко, В.А. Оноприйко/У Сыроделие. - 1998. - №2-3. -С.29.
6. Осинцев A.M. Развитие фундаментального подхода к технологии молочных продуктов: монография / A.M. Осинцев. - Кемерово, 2004. -152 с.
7. Табачников В.П. Влияние титруемой кислотности на кинетику сычужного свертывания молока / В.П. Табачников, П.Н. Дудник // Труды ВНИИМС. - М. Пищевая промышленность, 1975. - №18. - С. 15-19.

Лисин П.А
Омский государственный аграрный университет, г. Омск