д.т.н., профессор Лисин П.А.,

к.т.н., доцент Мусина О.Н.

ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», Омск, Россия

ГНУ Сибирский НИИ сыроделия Россельхозакадемии, Барнаул, Россия

Молочные продукты как биотермодинамическая система

 

Биотермодинамические параметры молочных продуктов характеризуют состояние продукта, его активной фазы развития или  фазы затухания, степень устойчивости биосистем к внешним воздействиям и определяют уровень хранимоспособности продукта [3]. Согласно положениям метода избыточных величин практически вся поверхностная энергия сосредоточена в поверхностном слое толщиной в несколько молекул. Избыток внутренней (полной) энергии поверхностной системы – US  равен [1]:

                             US = GS + T·SS                                                         (1)

где GS – энергия поверхностного слоя; Т – термодинамическая температура;  S – энтропия.

Для расчета полной поверхностной энергии используют уравнение [1]:

                                                                                    (2)

Для определения полной поверхностной энергии необходимо знать зависимость поверхностного натяжения от температуры. Данную зависимость можно получить экспериментальным путем. Линейная зависимость поверхностного натяжения от температуры позволяет определить энтропийную составляющую энергии  TS и внутреннюю (полную) поверхностную энергию – US.

Прибор  для определения поверхностного показан на рис.1. Производительность насоса отрегулирована на подачу воздуха для выделения из капилляра примерно 10 пузырьков в минуту. Пузырьки воздуха, поступающие из насоса 1, через соединительную трубку 8 в капилляр 7, повышают давление в капилляре,  и мениск жидкости в нем начинает прогибаться, т.е. радиус кривизны уменьшается и возрастает лапласовское давление со стороны исследуемой жидкости в сосуде 6, вызванное поверхностным натяжением исследуемой жидкости, а значения показаний микроманометра 9 постепенно увеличивается. Когда радиус кривизны мениска жидкости в капилляре станет равный радиусу капилляра, пузырек воздуха, преодолев поверхностное натяжения жидкости, выдавится в жидкость в сосуде 6 и значения показания микроманометра 9 в этот момент является максимальным и прямо пропорционально величине поверхностного натяжения.

Рис.1  Схема прибора: 1 - нагнетательный насос; 2 - негерметичный сосуд; 3 - герметичный сосуд; 4, 8 - соединительные трубки; 5 - регулирующий клапан; 6 - сосуд с исследуемой жидкостью; 7 – капилляр; 9 – многопредельный микроманометр.

 

Расчет величины поверхностного натяжения производится по формуле:

                                                        (4)

где: σ – поверхностное натяжение, мДж/м2;        R- радиус капилляра, мм; H- высота максимального подъёма жидкости в микроманометре, кГ/м2; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; k – постоянная микроманометра.

 

Для расчета полной поверхностной энергии необходимо экспериментально определить температурный коэффициент молочный продуктов, который равен тангенсу угла наклона регрессионной прямой изменения поверхностного натяжения от температуры. В табл. 1 приведены расчетные значения полной поверхностной энергии (uS), поверхностной энергии Гиббса (s) и энтропийного множителя (т·sS) при  температуре  293 К.

Таблица 2.  Биотермодинамические параметры молока и молочных продуктов

Продукты

uS, мДж/м2

т·sS , мДж/м2

Сливки с массовой долей жира 20 %

75,86

31,06

Сливки с массовой долей жира 10 %

84,19

37,79

Сыворотка творожная с м.д. сухих веществ 40 %

102,65

56,25

Сыворотка подсырная

103,06

55,96

Сыворотка подсырная, К=54 °Т

118,84

65,34

Сыворотка подсырная, К=17 °Т

126,08

68,27

Сгущенное обезжиренное молоко, м.д. СВ 42%

115,27

63,87

Молоко пастеризованное с м.д. жира 2,5 %

121,33

65,63

Молоко пастеризованное с м.д. жира 3,2 %

142,31

88,31

Молоко обезжиренное

133,30

76,18

Пахта

118,81

75,81

Сыворотка творожная

179,54

121,88

Поверхностная энергия молочных продуктов имеют относительно близкие значения. Это объясняется тем, что их поверхности имеют одинаковую природу. Для обеспечения минимальной поверхностной энергии молекулы на поверхности ориентируются таким образом, что радикалы находятся на поверхности, а функциональные группы – внутри жидкой фазы. Ориентирование поверхностных молекул снижает энтропийную составляющую внутренней энергии поверхностного слоя, так как достигается определенная упорядоченность молекул на поверхности. Т.о. структура поверхностного слоя формируется в результате самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии [2]. 

Литература

1.     Вильсон А.Д. Энтропийные методы моделирования сложных систем / А.Д. Вильсон. – М.: Мир, 1978. – 248 с.

2.     Лисин П.А. Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных продуктов / П.А. Лисин. – Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, Омск. 2008. – 145 с.

3.        Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций / И. Пригожин, П. Гленсдорф. – М.: Мир, 2003. – 280 с.