V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Взгляд на молоко через призму химии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Коротких А.С. 1Сердюкова И.К. 1Волкова О.В. 1

---

1МБОУ СОШ № 92 г. Воронеж

Чурилина Е.В. 1

---

1МБОУ СОШ № 92 г. Воронеж, ФГБОУ ВО "ВГУИТ"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Молочная продукция занимает важное место в питании человека. Молоко содержит все необходимые вещества в легкоусвояемой форме. Этот товар пользуется большим спросом, но ассортимент молока в магазинах насколько разнообразен, что возникает проблема его выбора. Как не запутаться во всем этом многообразии и выбрать для семьи действительно качественный продукт?

Гипотеза исследования: молоко, продающееся в магазинах, может не всегда соответствовать заявленным стандартам и качеству.

На этикетках любого продукта можно найти информацию о его составе, которая чаще всего и определяет покупательский выбор. Но всегда ли состав, указанный производителем, соответствует действительности? Ответить на поставленный вопрос нам поможет взгляд на молоко с химической точки зрения.

Целью исследования является изучение химического состава наиболее популярных торговых марок молока производителей Воронежской области для оценки их качества.

Для решения поставленной цели выполнялись следующие задачи:

Провести изучение состава молока на основе информации производителя (по этикетке);

Экспериментально определить содержание наиболее важных химических компонентов в молоке и сравнить результаты исследования со значениями, указанными на упаковке;

Провести оценку качества образцов молока по показателям, установленных государственными стандартами;

Сделать выводы о качестве анализируемых марок молока и составить рекомендации для других потребителей.

Для эксперимента были выбраны марки молока производителей Воронежской области, чаще всего реализуемые на потребительском рынке г. Воронеж: «Иван Поддубный» - Молочный комбинат «Воронежский»; «Академия научных наук» - Лискинский район с. Щучье; «Квилли Милли» - г. Россошь; «Вкуснотеево» - Молочный комбинат «Воронежский».

2. Основная часть

Молоко известно с древних времен и давно уже изучается, и, казалось бы, ничего необычного в нем уже не обнаружишь. Мы решили посмотреть на предмет исследования с двух сторон : Молоко и химия; Химия и молоко.

2.1. Положительный взгляд : Молоко и химия

Ценность молока обусловлена его химическим составом (более 200 химических компонентов). В него входят все необходимые для жизнедеятельности организма вещества: белки, жиры, углеводы, минеральные соли, витамины. Эти компоненты молока хорошо сбалансированы, благодаря чему легко и полностью усваиваются. С химической точки зрения молоко – это полидисперсная система, включающая в себя вещества, находящиеся в разных состояниях: ионно-молекулярном (лактоза, минеральные соли), коллоидном (фосфат кальция, белки) и грубодисперсном (жир). То есть, все составляющие молока находятся в растворённом виде. Остановимся на каждом компоненте подробнее.

Белки молока — наиболее важные органические вещества и представляют особую ценность. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и т.д. По содержанию незаменимых аминокислот белки молока относят к белкам высокой биологической ценности. Одним из важнейших свойств белков молока является то, что они содержатся в растворенном состоянии, легко атакуются и перевариваются [1].Степень усвоения белков молока составляет 96—98 %. Присутствие белков в молоке подтверждали с помощью качественной – биуретовой реакции [2].

Количественный состав белков [3] определяли методом формольного титрования (см. таблицу 1).

Таблица 1

Химический состав исследуемого молока

Большое значение в питании человека имеет молочный жир. Жиры являются источником энергии и выполняют многообразные функции в организме человека (термоизоляция, защита органов и т. д.). Биологическая ценность жиров определяется, в первую очередь, наличием в них полиненасыщенных жирных кислот семейств омега-6 и омега-3. Кроме того, молочный жир, по сравнению с другими жирами, лучше усваивается организмом человека. Этому способствуют, во-первых, относительно низкая температура плавления жира (27—34 °С), во-вторых, нахождение его в молоке в эмульгированном состоянии — в виде мелких жировых шариков [1]. Содержание жира в молоке определяли кислотным методом Гербера (на оборудовании кафедры технологии продуктов животного происхождения Воронежского государственного университета инженерных технологий). Результаты представлены в таблице 1.

В состав молока входит ценный углевод — лактоза (молочный сахар), используемый организмом в качестве источника энергии. Поступление лактозы в кишечник человека способствует развитию полезной микрофлоры, которая, образуя молочную кислоту, подавляет гнилостные процессы [4]. Массовую долю лактозы в молоке определяли рефрактометрическим методом (таблица 2). Поскольку массовая доля лактозы не нормируется стандартами, то производителями может не контролироваться данная величина. Так, у марок молока «Иван Поддубный» и «Академия Молочных наук» содержание лактозы существенно ниже величины, указанной на упаковке. Низкое содержание этого компонента уменьшает пищевую (энергетическую) ценность молока.

Таблица 2. Определение молочного сахара

Энергетическая ценность – это количество энергии (ккал, кДж), высвобождаемой в организм человека из пищевых веществ продуктов питания для обеспечения его физиологических функций. Энергетическую ценность молока рассчитывали по формуле:

ЭЦ= Б • 4,0 + Ж • 9,0 + У • 4,0 [5],

где ЭЦ – энергетическая ценность 100 г продукта, ккал; Б – содержание белков, г/100 г продукта; Ж – содержание жира, г/100 г продукта; У – содержание углеводов, г/100 г продукта. Для получения результатов в килоджоулях общее количество килокалорий умножается на коэффициент 4,184 (таблица 1).

Как показывают результаты исследования, состав только молока «Вкуснотеево», указанный на упаковке, полностью соответствует действительности.

Большое значение имеют минеральные компоненты молока. Прежде всего, следует отметить высокое содержание солей кальция и фосфора, которые нужны организму для формирования костной ткани, восстановления крови, деятельности мозга. Оба элемента находятся в молоке не только в прекрасно усвояемой форме, но и в хорошо сбалансированных соотношениях, что позволяет организму максимально их усваивать. Около 80 % суточной потребности человека в кальции удовлетворяется за счет молочных продуктов [1]. Содержание кальция в молоке определяли трилонометрическим [3] методом (рис. 1).

Рис.1. Содержание кальция в исследуемом молоке, мг %.

Установлено, содержание кальция в молоке исследуемых марок с одинаковой жирностью незначительно отличается друг от друга и укладывается в норму, описываемую в литературе от 100 до 140 мг % [4].

2.2. Отрицательный взгляд : Химия и молоко

Нечестные производители могут добавлять посторонние химические вещества в молоко. Фальсификация молока возможна разведением водой, добавлением соды, аммиака, мела, перекиси и т.д. Это не только снижает качество молока, но и может быть опасным для здоровья.

Чаще всего молоко разбавляют водой. Степень разбавления водой определяли методом алкогольной пробы [6]. Появление хлопьев в течение короткого промежутка времени (табл.3) указывает на то, что образцы не разбавлены водой.

Таблица 3

При фальсификации молока водой понижаются его плотность (менее 1,027 кг/м³), жирность, а также кислотность. Поэтому в работе дополнительно определяли и эти параметры (таб. 4). Образцы молока имеют плотность и кислотность, соответствующую стандарту [7].

Таблица 4. Физико-химические показатели молока

Карбонат или бикарбонат натрия часто используется для раскисления сырого молока и повышения сохранности его от скисания, так как присутствие соды вызывает смещение величины рН молока в щелочную сторону. Наличие нейтрализующих веществ в молоке приводит к возникновению целого ряда затруднений технологического характера, особенно при выработке кисломолочной продукции, что отрицательно может сказаться на органолептических показателях готового молочного продукта и привести к изменению качественных показателей [6]. Определение соды в молоке проводили с помощью индикатора бромтимолового синего. Качественная реакция показала отсутствие соды в исследуемых образцах молока.

Чтобы молоко стало более устойчивым к свертыванию при нагревании, к нему иногда добавляют перекись водорода, что считается грубой фальсификацией. Чтобы определить это, использовали раствор йодистокалиевого крахмала. Образцы исследуемых марок молока не содержат перекись водорода из-за отсутствия синего окрашивания.

3. Методики анализа молока

3.1. Определение массовой доли белков методом формольного титрования

Метод применяют для контроля массовой доли белка в молоке [4] кислотностью не более 22°Т. Метод заключается в блокировке NH₂-групп белков молока внесенным формалином с образованием метилпроизводных белков, карбоксильные группы которых могут быть нейтрализованы щелочью.

Нейтрализация формалина. К 50 см³ формалина добавляют 3-4 капли раствора фенолфталеина и затем по каплям приливают сначала 40%-ный, а в завершение 0,1 н раствор гидроксида натрия до появления слабо-розового окрашивания.

Приготовление эталона окраски. В колбочку для титрования или химический стакан отмеривают 20 мл молока и добавляют 0,5 мл 2,5%-ного сульфата кобальта.

Техника анализа. В химический стакан или колбу для титрования пипеткой отмеривают 20 см³ молока и добавляют 0,25 см³ (10-12 капель) раствора фенолфталеина, а затем оттитровывают 0,1 н раствором гидроксида натрия из бюретки до появления слабо-розовой окраски, соответствующей контрольному эталону. Затем вносят 4 см³ нейтрализованного формалина, перемешивают круговыми движениями и через 1 мин вторично титруют до такой же окраски, как и при первом титровании (Приложение 1).

Массовая доля (%) общего количества белков в молоке равна количеству 0,1 н раствора щелочи, израсходованного на титрование в присутствии формалина, умноженному на коэффициент 0,959 : Б = 0,959 · V, где V– объем щелочи, пошедший на второе титрование.

3.2. Определение массовой доли жира

Кислотный метод Гербера – является наиболее распространенным методом определения жира в молоке и молочных продуктах. Анализ выполняют в специальном приборе – жиромере. Жир выделяется в виде сплошного слоя, и объем его измеряют в градуированной части жиромера.

Сущность метода заключается в выделении молочного жира в чистом виде путем освобождения жировых шариков от белковых оболочек. В качестве растворителя белков используют концентрированную серную кислоту (Н₂SО₄). Избыток кислоты образует с изоамиловым спиртом (С₅Н₁₁ОН) изоамилово-серный эфир, который способствует агрегации жира вследствие уменьшения поверхностного натяжения на границе разделения жира и нежировой фазы. В результате лишенные оболочек капельки жира быстрее и легче слипаются (агрегируются). Реакция ускоряется центрифугированием и нагреванием.

Проведение анализа. Испытания проводят параллельно в двух жиромерах, предварительно их, пометив карандашом на специальном шлифе. В чистые жиромеры, не смачивая горловины, наливают дозатором по 10 см³ серной кислоты. Пипеткой вместимостью 10,77 см³ осторожно, чтобы жидкости не смешались, приливают исследуемое молоко, приложив под углом к горловине жиромера кончик пипетки. Молоко из пипетки должно вытекать медленно. Дозатором прибавляют в жиромеры по 1 см³ изоамилового спирта. Жиромеры плотно закрывают сухими пробками (для предотвращения самопроизвольного выталкивания пробок рекомендуется наносить мел на их поверхность), чтобы они касались уровня жидкости и, предварительно обернув салфеткой, интенсивно встряхивают до полного растворения белковых веществ. После чего переворачивают не менее 5 раз, чтобы жидкости в них полностью перемешались. Устанавливают жиромеры пробкой вниз в водяную баню с температурой (65 ± 2)°С на 5 мин. Вынув из бани, жиромеры вставляют в стаканы центрифуги градуированной частью к центру. Жиромеры располагают симметрично, один против другого. При нечетном числе жиромеров в центрифугу помещают жиромер, наполненный водой вместо молока, серной кислотой и изоамиловым спиртом в том же соотношении, что и для анализа. Продолжительность центрифугирования – 5 мин. В извлеченных из центрифуги жиромерах движением пробки регулируют столбик жира так, чтобы он находился в градуированной части. После чего их ставят на 5 мин. пробками вниз в ту же водяную баню с температурой (65 ± 2)°С, при этом уровень воды в бане должен быть несколько выше уровня жира в жиромере. По истечении времени по одному извлекают жиромеры из бани и производят отсчет жира (приложение 2).

3.3. Рефрактометрический метод определения лактозы

Метод основан на способности безбелковой сыворотки, преломлять проходящий через нее свет в зависимости от концентрации лактозы [3].

Подготовка к анализу. Подготовка к анализу заключается в получении безбелковой сыворотки из исследуемого молока. В медицинский флакончик отмеривают 5 см³ молока и добавляют 5 капель 4%-ного хлорида кальция. Флакончик закрывают пробкой и перемешивают. Затем для полного осаждения белков флаконы ставят в кипящую водяную баню (с завинченной крышкой) на 10 мин. После чего воду из бани сливают через отверстия в крышке и флаконы охлаждают под проточной водой. Затем стеклянной трубкой или пипеткой с ватным тампоном в нижней части отбирают немного сыворотки, фильтруя ее через вату. Призмы рефрактометра насухо вытирают и на поверхность нижней призмы наносят 2 капли прозрачной сыворотки. Наблюдая в окуляр, вращением рукоятки устанавливают поле зрения на фокус (ясную видимость), устраняют расплывчатость и радужность окраски границы светотени. Передвижением окуляра добиваются полного совпадения граничной линии с визирным указателем и отсчитывают показатель преломления сыворотки по левой шкале рефрактометра (приложение 3). Затем по таблице [1] устанавливают массовую долю молочного сахара.

3.4. Определение массовой доли кальция

Наиболее быстрым и простым способом определения концентрации металлов (кальция) в растворах является комплексонометрический, или трилонометрический, метод (по А. Я. Дуденкову) [4].

Принцип метода. Определение массовой доли кальция основано на образовании устойчивого комплекса трилона Б (динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты) с двухвалентным кальцием.

В качестве металлоиндикатора в методе А. Я. Дуденкова применяют мурексид, который в щелочной среде при отсутствии ионов кальция окрашивается в сине-фиолетовый цвет, а при их наличии — в розовый. В методике используется способ обратного титрования: в молоко вносят избыток трилона Б, связываемый затем раствором хлорида кальция.

Последовательность определения. В коническую колбу вместимостью 250—300 см³ отмеривают 5 см³ молока, приливают 90—95 см³ дистиллированной воды, 5 см³ 2 н. раствора гидроксида натрия, 3,5 см³ 0,1 н. раствора трилона Б, перемешивают и оставляют на 2 мин. Вносят на кончике шпателя смесь индикатора мурексида с хлоридом натрия (соотношение 1 : 50), раствор тщательно перемешивают (он окрашивается в сиреневый цвет) и титруют 0,1 н. раствором хлорида кальция до устойчивого розового окрашивания (приложение 4). Далее вновь добавляют по каплям 0,1 н. раствор трилона Б до появления сиреневой окраски (заметного синеватого оттенка). Массовую долю кальция х (мг%) рассчитывают по формуле:

где V₁ — общий объем 0,1 н. раствора трилона Б, добавленного к молоку (3,5 см³ плюс количество, израсходованное на второе титрование), см³; V₂ — объем 0,1 н. раствора хлорида кальция (СаС1₂), израсходованного на обратное титрование трилона Б, см³; V — объем исследуемого молока, см³; 2 — количество кальция, соответствующее 1 см³ 0,1 н. раствора трилона Б, мг; 0,97 — поправка на объем белков и жира.

3.5. Определение кислотности молока

Титруемая кислотность обусловлена содержанием в молоке белков, кислых солей и растворенные газы. Титруемая кислотность определяется в градусах Тернера (°Т). Под градусами Тернера понимают количество миллилитров 0,1 н раствора гидроксида натрия, которое расходуется на нейтрализацию (титрование) 100 см³ молока, разбавленного водой. Один градус Тернера соответствует 0,009 % молочной кислоты. Кислотность свежего молока равна 16-18°Т. На белки приходится 4-5°Т, на кислые соли – 11-13°Т, на СО₂ и органические кислоты – 1-3°Т.

Техника анализа. В коническую колбу вместимостью 150-200 см³ отмеривают пипеткой 10 см³ молока, 20 см³ воды, 3 капли фенолфталеина, смесь тщательно перемешивают и титруют 0,1 н раствором гидроксида натрия до появления слабо-розового окрашивания, не исчезающего в течение 1 мин, соответствующую эталону.

Для приготовления эталона окраски в колбу для титрования отмеривают пипеткой 10 см³ молока, 20 см³ воды и 1 см³ 2,5 %-ного раствора сульфата кобальта. Эталон пригоден для работы в течение 8 ч при комнатной температуре.

Кислотность молока в °Т равна количеству (в см³) гидроксида натрия, пошедшего на титрование, умноженному на 10. Расхождение между параллельными определениями должно быть не более 1°Т.

3.6. Определение плотности молока

Пробу молока с температурой 20 ºС осторожно наливают в цилиндр по стенке во избежания образования пены. Чистый и сухой ареометр осторожно погружают в молоко и оставляют свободно плавать в нем. Показания плотности снимают через 1 минуту после остановки ареометра по верхнему краю мениска (приложение 5).

Определение степени разбавленности молока водой [6]

Проведение эксперимента:В пробирку наливают одну объёмную часть молока и две части чистого этилового спирта, и полученную смесь взбалтывают в течение 30 секунд, после чего быстро выливают на стеклянное прозрачное блюдечко, поставленное на тёмном фоне (Приложение 6). Если молоко не разбавлено водой, то по истечении 5 –7 секунд, иногда даже раньше, в жидкости вылитой на блюдечко, появятся хлопья (выделившийся из спиртовой сыворотки казеин). Если же хлопья появятся спустя значительно больший промежуток времени, значит, молоко разбавлено водой, притом тем в большем количестве, чем более требуется времени для появления хлопьев.

Молоко разбавлено:

на 15 - 20 % (по объёму) – хлопья появляются спустя 30 секунд;

на 40 % - хлопья появляются спустя 30 минут;

на 50 % - хлопья появляются 40 минут.

3.8. Методы обнаружения соды в молоке

Качественный метод. Метод основан на изменении окраски раствора индикатора бромтимолового синего при добавлении его в молоко, содержащего соду (карбонат или бикарбонат натрия).

Техника анализа. В пробирку, помещенную в штатив, наливают 5 см³ исследуемого молока и осторожно по стенке добавляют 7-8 капель 0,04%-ный спиртовой раствор индикатора бромтимолового синего. Через 10 мин наблюдают за изменением окраски кольцевого слоя, не допуская встряхивания пробирки (приложение 7).

Желтая окраска указывает на отсутствие соды в молоке. Появление зеленой окраски различных оттенков (от светло-зеленого до темно-зеленого) свидетельствует о присутствии соды в молоке.

3.9. Определение перекиси водорода

Приготовление крахмального раствора йодистого калия: 3 г крахмала растворяют в 20 см³ воды и приливают к 80 см³ кипящей воды. После охлаждения к крахмальному раствору добавляют 3 г йодида калия, растворенного в 5-10 см³ воды.

Техника анализа. В пробирку помещают 1 см³ молока, добавляют 2 капли раствора серной кислоты и 0,2 см³ крахмального раствора йодида калия. По истечении 10 мин наблюдают окраску раствора (приложение 8). Появление в пробирке синего окрашивания свидетельствует о наличии в молоке перекиси водорода.

Выводы:

Молоко, пастеризованное с содержанием жира 2,5%, исследуемых марок производителей Воронежской области по органолептическим и физико-химическим показателям отвечает требованиям стандарта (ГОСТ 32922 – 2014), но только состав молока «Вкуснотеево», указанный на упаковке полностью соответствует действительности и данная продукция может быть рекомендована населению.

Работа имеет практическую значимость, так как результаты проведенного нами исследования могут быть использованы другими покупателями, которых тоже волнует вопрос качества потребляемой пищи.

Список использованной литературы:

Горбатова, К.К. Химия и физика молока и молочных продуктов / К.К. Горбатова, П. И. Гунькова . - СПб.:ГИОРД, 2012 – 336 с.

Химия. 10 класс. Профильный уровень: учебник для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян [и др.]. – М.: Дрофа, 2009. – 318 с.

Крусь, Г.Н. Методы исследования молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.М. Шалыгина, З.В. Волокитина; Под общ. ред. А.М. Шалыгиной. - М. : Колос, 2012. - 367 с.

Горбатова, К.К. Биохимия молока и молочных продуктов / К.К. Горбатова, П. И. Гунькова .- СПб.:ГИОРД, 2010 – 336 с.

Типсина, Н.Н. Расчет пищевой ценности хлебобулочных и кондитерских изделий: методические указания / Н.Н. Типсина, Т.Ф Варфоломеева; Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, 2016. – 41 с.

Сычева, О.В. Экспертиза молочного сырья: учебное пособие / О.В. Сычева, И.А. Трубина. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2013. – 103 с.

ГОСТ 32922 - 2014. Молоко коровье пастеризованное – сырье. Технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2014. — 7 с.

Приложения

Приложение 1: Определение белка в молоке методом формольного титрования

Приложение 2.Определение жира в молоке кислотным методом Гербера

Приложение 3. Определение лактозы в молоке рефрактометрическим методом

Приложение 4:Определение кальция в молоке комплексонометрическим методом

Приложение 5: Определение плотности молока

Приложение 6 : Результаты алкогольной пробы

Приложение 7 : Определение наличия соды в молоке

Приложение 8: Определение наличия перекиси водорода в молоке