Фаза истинного раствора

3. Фаза истинного раствора

1). Молоко и молочная сыворотка как истинный раствор.

2). Ионо-дисперсное состояние минеральных солей.

3). Молекулярно-дисперсное состояние лактозы.

4). Равновесные отношения.

Истинный раствор — это гомогенные смеси, состоящие из растворенных веществ и растворителя. В истинных растворах растворенные вещества находятся либо в молекулярно-дисперсном, либо в ионо-дисперсном состоянии. Именно молочная сыворотка представляет собой истинный раствор. В ней лактоза и водорастворимые витамины присутствуют в молекулярно распределении, а соли электро- чески диссоциированы и образуют гидратированные ионы. Вот такое распределение можно представить в виде схем:

Истинный раствор

Растворимые вещества Растворитель

вода

молекулярно- ионно-

дисперсные дисперсные

лактоза, водорастворимые соли в форме

витамины катионов и анионов,

лимонная кислота, дву-

окись углерода ионы водорода

Истинно растворимые составные части придают молочной сыворотке определенные свойства, которые зависят от концентрации составных частей и характерны также и для полидисперсной системы молока, причем эти свойства частично ослабляются или усиливаются в зависимости от коллоидно-дисперсного или эмульгированного состояния присутствующих составных частей. Истинно растворимые частицы обуславливают, в частности, осмотическое давление, осмотические явления снижения температуры замерзания и повышения температуры кипения, а также электропроводность молока. Они оказывают сильное влияние на рефракцию, т. е. способность к преломлению света.

Изменения этих физико-химических свойств можно объяснить колебаниями концентрации истинно растворимых составных частей. Так, в соответствии с законом Вигнера содержание истинно растворимых составных частей в течение периода лактации претерпевает самые незначительные колебания. Указанные изменения служат для распознавания фальсификации молока.

Ионно-дисперсные составные части связаны между собой за счет солевого равновесия молока. И любое изменение нормального первоначального равновесия влияет на растворимость отдельных солей и дестабилизацию белков молока. Это приводит к коагуляции при концентрировании и стерилизации.

Если ионы кальция, например, обуславливают стабильность казеина, то по существующей концентрации их можно было бы предсказать возможные дестабилизирующие воздействия их на казеин, что особенно важно для определения необходимого количества солей-стабилизаторов в производстве сгущенного молока. Однако до сих пор это невозможно, и приходится пользоваться элепсерическими величинами, т.к. не все присутствующие ионы кальция активны, а только некоторые из них, но они мало влияют на другие истинно растворимые составные части.

Молочная сыворотка — это реальный раствор, в противоположность идеальному раствору, которые практически реализуется только при бесконечном разбавлении и в котором растворенные частицы не оказывают взаимного влияния друг на друга, концентрация ионов в молочной сыворотке достигает такой величины, что они взаимно влияют друг на друга благодаря электростатическим силам.

Ионно-дисперсное состояние минеральных солей.

Все соли натрия и калия (хлориды, гидро-, дигидрофосфаты, и цитраты) диссоциированы практически нацело и содержатся в молоке в ионном состоянии, например соли натрия:

NaCl → Na + + Cl — ; Na2HPO4 → 2 Na + HPO4 2—

Na H2PO4 → Na + H3 PO4 — ; C6 H5 O7 Na3 → 3 Na + + C6 H5 O7 3 —

В ионно-молекулярном состоянии в молоке содержится часть цитратов и фосфатов кальция и магния:

CaHPO4 → Ca 2 + HPO4 2—

Ca(H2PO4)2 → Ca2 + 2 H2PO4 —

Ca3(PO)2 → 3 Ca2 + + 2 PO4 3—

(C6H5O7)2 Ca3 → 3 Ca2 + + 2 C6H5O7 3—

Фосфаты кальция обладают малой растворимостью и незначительной степенью диссоциации, лишь небольшая часть их содержится в виде истинного раствора, а большая — в виде коллоидного раствора. Между ними устанавливается равновесие, например:

n CaHPO4 → (CaHPO4

истинный раствор коллоидный раствор

n Ca3 (PO4)2 → (Ca3(PO4)2 )n

Сдвиг равновесия в ту или другую сторону зависит от рН молока, температуры и других факторов. Соотношение этих форм фосфатов Са играет важную роль в стабилизации белковых частиц молока. Так, фосфаты Са в форме истинного раствора являются источниками образования ионов кальция, от количества (активности) которых зависит размер и устойчивость мицелл казеина при тепловой обработке, а также скорость сычужной коагуляции.

По концентрации отдельных ионов в молоке нельзя судить об их активности, что объясняется действием ионов друг на друга, а также их взаимодействием с дисперсионной средой (водой) и дисперсными фазами других дисперсных систем молока.

В растворе электролитов между ионами действуют силы притяжения и отталкивания. В концентрированных растворах сильные межионные взаимодействия приводят к взаимному связыванию ионов, что влияет на величину осмотического давления, температуру замерзания и электропроводность раствора. Для оценки состояния ионов в растворе электролитов пользуются величинами активности ионов и ионной силы раствора.

Под активностью иона понимают ту условную концентрацию его, в которой он участвует в химических реакциях. Ее можно определить с помощью чувствительных к данному иону электродов или рассчитать по формуле а = fC, где f — коэффициент активности иона; С — концентрация иона. В молоке активность иона определить нельзя, т. к. в нем находится большое количество растворенных веществ и поэтому их рассчитывают по величине ионной силы молока.

Ионную силу раствора вычисляют по формуле, понимая под ней полусумму произведений концентрации всех ионов (катионов и анионов) в растворе Сi на квадрат из заряда.

= 1/2 ∑ Сi 2 ei

Рассчитать точно ионную силу молока трудно, так как неизвестен состав фосфатов и цитратов кальция, а также степень их диссоциации. Ее рассчитывают условно, принимая, что все анионы фосфатов и цитратов находятся в форме одновалентных ионов Н2РО4— и С6Н7О7—. Ионная сила молока составляет: 0,079-0,089. Сгущение (концентрирование), вызывает снижение активности ионов. При повышенных концентрациях ионов энергия межионного взаимодействия сравнима с тепловой энергией, затем наступают обратные реакции. На основании того, что активность, а не концентрация истинно растворимых составных частей молока оказывает основное влияние на его свойства и что коэффициент активности для молока еще не установлены, можно сделать следующие выводы:

осмотичное давление или снижение температуры замерзания, зная концентрацию истинно растворимых составных частей, можно рассчитать лишь приблизительно;
константы диссоциации солей молока также зависят от активности, поэтому в такой смеси, как молоко, они имеют лишь условную силу;
результаты, полученные при расчетах с учетом констант, как, например, распределение фосфата, на отдельные виды ионов, представляют собой приближенные величины;
предположения относительно свойств молока по отношению к определенным технологическим воздействиям все еще остаются элитерическими и не могут служить основой тонких математических расчетов;
от взаимодействия истинно растворимых составных частей молока во многом зависят свойства молочной сыворотки и тем самым они влияют на стабильность других фаз системы.

Молочный сахар, растворяясь в плазме молока, образует молекулярный раствор. Он содержится в виде гидратных и β-форм, находящихся в равновесии: -лактоза → β-лактоза. Равновесие между ними зависит от температуры и сдвинуто обычно в сторону β-формы, т. к. последняя более растворима в молоке (Н2О), чем -форма. Так, при 20°С содержание β-формы в молоке составляет около 60%, а -формы — около 40%. Константа равновесия между ними β-формы

К = 11,8/ 7,4 = 1,59

11,8 - растворимость β-формы в г/100 мл воды, ;

7,4 - растворимость - формы.

Насыщение раствора лактозой и выпадение ее в кристаллической форме наблюдается при сгущении молока и последующем охлаждении сгущенного молока с сахаром, а также при сгущении молочной сыворотки в процессе получения молочного сахара.

Таким образом, в молоке содержится несколько взаимно влияющих друг на друга дисперсных систем с различными физико-химическими видами равновесий, которые обуславливают сложную структуру молока и его чувствительность к физическим, химическим и биологическим воздействиям. Наиболее ясно выражены равновесные отношения между коллоидной системой и истинным раствором, например, равновесие между:

— устойчивостью коллоидных белков → ионной силой молочной сыворотки;

— коллоидно-растворимым фосфатом Са → ионизируемым Са

( Са3(РО4)2) → Са3(РО4)2 → 3Са++ + 2НРО43 —

Между другими фазами тоже существует определенная зависимость.

Поэтому перед инженером-технологом стоит задача: выбрать такой щадящий режим отработки молока, чтобы влияние на равновесные отношения в нем было по возможности незначительным.

В то же время нужно с помощью физических методов проводить разделение полидисперсной системы молока на ее главные составные части, не оказывая при этом существенного влияния на свойства компонентов молока. Чем лучше удается разделение на отдельные фазы, тем выше выход готового продукта.

Значительную роль при этом играют свойства отдельных дисперсных систем в молоке.