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乳的物理化学性质
第三章 乳的成分及性质
第一节乳汁的性质
一、乳汁组成及含量
乳品行业中一般将牛乳成分分为水分和乳干物质两大部分,而乳干物质又分为脂质和无脂干物质;另一种分类方法是将牛乳分为有机物和无机物,有机物又分为含氮化合物和无氮化合物。
图2-1 牛乳组成
二、乳的胶体性质
1.真溶液:
乳中的乳糖、水溶性盐类、水溶性维生素等呈分子或离子态分散于乳中,形成真溶液,其微粒直径小于或接近1nm。
2.高分子溶液:
乳白蛋白及乳球蛋白呈大分子态分散于乳中,形成典型的高分子溶液,其微粒直径约为15~50nm。
3.胶体悬浮液:
酪蛋白在乳中形成酪蛋白酸钙–磷酸钙复合体胶粒。
胶粒直径约为30~800nm,平均为100nm。
4.乳浊液:
乳脂肪是以脂肪球的形式分散于乳中,形成乳浊液。
脂肪球直径约为100~10000nm。
此外,乳中含有的少量气体部分以分子态溶于乳中,部分经搅动后在乳中呈泡沫状态。
三、乳的物理性质
(一)乳的光学性质
新鲜正常的乳呈不透明的白色并稍呈淡黄色,称之为乳白色,这是乳的基本色调。
乳的色泽是由于乳中酪蛋白胶粒及脂肪球对光的不规则反射的结果。
脂溶性胡萝卜素和叶黄素使乳略带淡黄色,水溶性的核黄素使乳清呈萤光性黄绿色。
(二)乳的热学性质
1.冰点:
牛乳冰点的平均值为﹣0.525~﹣0.565℃,平均为﹣0.542℃。
作为溶质的乳糖与盐类是冰点下降的主要因素。
如果在牛乳中掺水,可导致冰点回升。
掺水10%,冰点约上升0.054℃。
2.沸点:
在101.33kPa(1个大气压)下约为100.55℃。
3.比热:
牛乳的比热一般约为3.89kJ/(kg·℃)。
(三)乳的电学性质
1.电导率
由于乳中含有盐类,因此具有导电性,可以传导电流。
正常牛乳的电导率25℃时为0.004~0.005S。
因此乳中的盐类受到任何破坏,都会影响电导。
乳房炎乳中Na+、Cl–等增多,电导率上升。
一般电导率超过0.006S,即可认为是病牛乳,故可通过电导仪进行乳房炎乳的快速检测。
2.氧化还原电势
一般牛乳的氧化还原电势Eh为+0.23~+0.25V。
乳经过加热,则产生还原性强的硫基化合物,而使Eh降低;铜离子存在可使Eh上升;而微生物污染后随着氧的消耗和产生还原性代谢产物,使Eh降低。
若与甲基蓝、刃天青等氧化还原指示剂共存时,可使其褪色,此原理被应用于微生物污染程度的检验。
(四)乳的滋味与气味
特殊的香味:
挥发性脂肪酸及其它挥发性物质。
另外:
很容易吸收外界的各种气味。
稍带甜味:
乳糖。
稍带咸味:
氯离子。
(五)乳的密度与比重
乳的比重(相对密度)指乳在15℃时的重量与同容积水在15℃时的重量之比。
正常乳的比重以15℃为标准,平均为
=1.032。
乳的密度系指乳在20℃时的质量与同容积水在4℃时的质量之比。
正常乳的密度平均为
=1.030。
我国乳品厂都采用这一标准。
换算及校正:
在同等温度下,比重和密度的绝对值相差甚微,乳的密度较比重小0.0019。
乳品生产中常以0.002的差数进行换算。
乳的密度随温度而变化,温度降低,乳密度增高;温度升高,乳密度降低。
在10~25℃范围内,温度每变化1℃,乳的密度就相差0.0002(牛乳乳汁计读数为0.2)。
乳品生产中换算密度时即以20℃为标准,乳的温度每高出1℃,密度值就要加上0.0002(即牛乳乳汁计读数加上0.2);乳温度每低1℃,密度值就要减去0.0002(即牛乳乳汁计读数减去0.2)。
刚挤出来的乳在放置2~3h后,其密度升高0.001左右,这是由于气体的逸散及脂肪的凝固使容积发生变化的结果。
(六)乳的酸度与pH值
乳蛋白分子中含有较多的酸性氨基酸和自由的羧基,而且受磷酸盐等酸性物质的影响,所以乳是偏酸性的。
新鲜乳的酸度称为固有酸度或自然酸度,这种酸度与贮存过程中因微生物繁殖所产生的酸无关。
挤出后的乳在微生物的作用下产生乳酸发酵,导致乳的酸度逐渐升高。
由于发酵产酸而升高的这部分酸度称为发酵酸度。
自然酸度和发酵酸度之和称为总酸度。
一般条件下,乳品生产中所测定的酸度就是总酸度。
乳品工业中酸度,是指以标准碱液用滴定法测定的滴定酸度。
我国《乳、乳制品及其检验方法》中就规定酸度检验以滴定酸度为标准。
滴定酸度亦有多种测定方法及其表示形式。
我国滴定酸度用吉尔涅尔度简称“ºT”或乳酸百分率(乳酸%)来表示。
1.吉尔涅尔度(ºT)
定义:
取10ml牛乳,用20ml蒸馏水稀释,加入0.5%的酚酞指示剂0.5ml,以0.1mol/L溶液滴定,将所消耗的NaOH毫升数乘以10,即为中和100ml牛乳所需的0.1mol/LNaOH毫升数,每毫升为1ºT,也称1度(乳品生产中以滴定所消耗的NaOH毫升数直接读数:
每消耗1ml为10ºT)。
正常乳的自然酸度为16~18ºT。
自然酸度主要由乳中的蛋白质、柠檬酸盐、磷酸盐及CO2等酸性物质所构成,其中3~4ºT来源于蛋白质,2ºT来源于CO2,10~12ºT来源于磷酸盐和柠檬酸盐。
2.乳酸度(乳酸%)
用乳酸量表示的酸度。
按上述方法测定后用下列公式计算:
此法为日本、美国所采用的方法,美国用9g牛乳代替10ml牛乳。
3.苏克斯列特–格恩克尔度(ºSH)
苏克斯列特–格恩克尔度(ºSH)度的滴定方法与ºT度法相同,只是所用的NaOH浓度不一样,ºSH度所用的NaOH溶液为0.25mol/L。
乳酸度(乳酸%)可与苏克斯列特–格恩克尔度(ºSH)度换算:
乳酸(%)=0.0225׺SH。
除以上几种表示法外,世界各国还有其它几种表示法。
法国用道尔尼克度(ºD)表示:
取10ml牛乳不稀释,加1滴1%酚酞的酒精溶液指示剂,用1/9mol/L氢氧化钠液滴定,其毫升数的1/10为1ºD。
荷兰用荷兰标准法(ºN)表示:
取10ml牛乳,不稀释,用0.1mol/L氢氧化钠溶液滴定,其毫升数的1/10为1ºN。
4.乳的pH
若从酸的含义出发,酸度可用氢离子浓度(pH)表示。
pH为离子酸度或活性酸度。
正常新鲜牛乳的pH为6.4~6.8,一般酸败乳或初乳的pH在6.4以下,乳房炎乳或低酸度乳pH在6.8以上。
(七)乳的粘度与表面张力
正常乳的粘度为0.0015~0.002Pa·s。
牛乳表面张力在20℃时为0.04~0.06N/cm(牛顿/厘米)。
第二节乳中各成分的性质
一、水分
水分是乳中的主要组成部分,约占87%~89%。
乳中水分又可分为自由水、结合水、膨胀水和结晶水,自由水是乳中主要水分,即一般的常水,具有常水的性质,而结合水、膨胀水和结晶水则不同,在乳中具有特别的性质和作用。
(一)结合水
结合水约占2%~3%,以氢键和蛋白质的亲水基或与乳糖及某些盐类结合存在,无溶解其它物质的特性,在通常水结冰的温度下并不结冰。
在奶粉生产中任何时候也不能得到绝对无水的产品,总要保留一部分结合水。
(二)膨胀水
膨胀水存在于凝胶粒结构的亲水性胶体内,由于胶粒膨胀程度不同,膨胀水的含量也就各异,而影响膨胀程度的主要因素为中性盐类、酸度、温度以及凝胶的挤压程度。
(三)结晶水
结晶水存在于结晶性化合物中。
当生产奶粉、炼乳以及乳糖等产品而使乳糖结晶时,我们就可以发现含结晶水的乳制品,即乳糖中含有1分子的结晶水(C12H22O11·H2O)。
二、气体
生乳中含有一定量气体,其中主要为二氧化碳、氧及氮等。
细菌繁殖后,其它的气体如氢气、甲烷等也都在乳中产生。
刚挤出的牛乳含气量较高,其中以二氧化碳为最多,氮次之,氧最少,所以乳品生产中的原料乳不能用刚挤出的乳检测其密度和酸度。
三、乳干物质
概念:
将乳干燥到恒重时所得到的残余物。
含量:
正常乳中11%~13%。
除干燥时的水及随水蒸气挥发的物质以外,干物质中含有乳的全部成分。
乳中干物质的数量随乳成分的百分含量而异,尤其是乳脂肪,在乳成分中是一个不太稳定的成分,对干物质数值有很大的影响。
因此,在实际生产中常不用干物质而用无脂干物质作为指标。
干物质实际上说明乳的营养价值,在生产中计算制品的生产率时,都需要用干物质(或无脂干物质)这一数值。
乳的比重、含脂率和干物质含量之间存在着一定的对应关系。
根据这三个数值之间的关系,即可以计算出干物质和无脂干物质的含量。
设F为脂肪重量,(S-F)为无脂干物质的重量,(100-S)为水分,S为乳的干物质量。
因为100g乳的重量等于脂肪重量、无脂干物质重量及水分重量之和。
三者之间的关系可用下式表示:
F+(S–F)+(100–S)=100
如果已知乳的比重(D)、脂肪比重(b)、无脂干物质比重(n)和水的比重(d)时,那么代入上述方程式即可求出100g乳的容积:
化简后得:
因为乳的脂肪含量和乳的比重可以用简单的方法测得,同时根据弗莱希曼的多次试验得出:
脂肪比重15℃/15℃为0.93;无脂干物质的比重为1.6007。
确定了这些数值之后,乳的干物质(S)可用下列方程式求得:
S=1.2F+2.665
系数1.2和2.665是取决于脂肪和无脂干物质的比重,也就是当脂肪的比重等于0.93和无脂干物质比重为1.6007时的系数。
但是,由于地区以及其它因素的影响,脂肪和无脂干物质的比重会发生差异,因此上式中的系数也需进行校正。
此外,上列公式中所采用的都是比重,而目前我国在乳品检验方面多采用密度(20℃/4℃),而不是用比重(15℃/15℃)。
当用密度计算时,必须加上校正数字0.5。
即弗莱希曼的公式应改为:
S=1.2F+2.665
+0.5
除了测定乳的干物质可按公式计算以外,还可以计算出无脂干物质的含量(SNF)。
在生产冰淇淋等一些产品进行标准化时,常常利用这个数值。
无脂干物质可以根据计算出来的干物质数量减去脂肪重量求得,或按下列简化的公式求得:
其中,a为乳比重计的读数,如用密度计的读数时需加上校正数字0.5。
四、乳脂肪(fat)
乳脂质中约有97%~99%的成分是乳脂肪,还含有约1%的磷脂和少量的甾醇、游离脂肪酸、脂溶性维生素等。
乳脂肪是中性脂肪,在牛乳中的含量平均为3.5%~4.5%,是牛乳的主要成分之一。
乳脂肪是由一个分子的甘油和三个分子相同或不同的脂肪酸所组成,形成甘油三酸酯的混合物。
典型的乳脂肪组成为:
(一)乳脂肪球及脂肪球膜
乳中脂肪是以微小脂肪球的状态分散于乳中。
呈一种水包油型的乳浊液。
脂肪球表面被脂肪球膜包裹着,使脂肪在乳中保持稳定的乳浊液状态,并使各个脂肪球独立地分散于乳中。
脂肪球的直径在0.1~22µm范围,平均为3µm,大部分在4µm以下,10µm以上的很少。
1ml牛乳中含有2×109~4×109个脂肪球,形状呈球形或椭球形。
每一个乳脂肪球外包有一层薄膜,厚度约5~10nm(1nm=10﹣9m)。
脂肪球被膜完整包住。
膜的构成相当复杂。
乳脂肪组成包括:
三酸甘油酯(主要组份)、甘油酸二酯、单酸甘油酯、脂肪酸、固醇、胡萝卜素(脂肪中的黄色物质)、维生素(A、D、E、K)和其余一些痕量物质。
脂肪球膜由蛋白质、磷脂、高熔点甘油三酸酯、甾醇、维生素、金属离子、酶类及结合水等复杂的化合物所构成,其中起主导作用的是卵磷脂—蛋白质络合物,有层次地定向排列在脂肪球与乳浆的界面上。
由于脂肪的相对密度为0.93,乳在静置时,脂肪球将逐渐上浮而形成稀奶油层。
脂肪球的上浮速度与脂肪球半径的平方成正比。
(二)乳脂肪的脂肪酸组成和含量
乳脂肪的脂肪酸组成受饲料、营养、环境等因素的影响而变动,尤其是饲料会影响乳中脂肪酸的组成。
当不给乳牛充分的饲料时,则其为了产乳而降低了自身脂肪量,结果会使牛乳中挥发性脂肪酸含量降低,而增高不挥发性脂肪酸的含量,并且增加了脂肪酸的不饱和度。
一般来说,夏季放牧期时所产牛乳不饱和脂肪酸含量升
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