The effect of selected factors on rheological properties and microstructure of acid caseine gel

Abstract

Gel is defined as "firm" colloid system with coherent structure formed by particles in which water phase is incorporated. According to modern terminology, gel is a high elastic solid system; depending on circumstances these systems flow as viscous liquid, or behave as an elastic solid. Acid casein gel is a particle gel formed from cluster aggregates. These aggregates then interact with each other and form a continual network. As a result of acidification, the charge neutralization occurs and the casein micelles aggregate into clusters and chains incorporated in gel network. Knowing the mechanism of aggregation is very important for understanding effects of factors which influence textural properties of final product. The structure of acid milk gel is dependent upon factors like protein concentration, heat treatment of milk, temperature of incubation or acidification and medium of acidification. Acid casein gel is high elastic material. Due to this fact dynamic and stress relaxation are applied as rheological characteristics measurements. Dynamic measurements and stress relaxation are measured by viscosimeter while the rheometer with constant density is used for creep measurements. Dynamic test is defined with modulus of elasticity (G’) modulus of viscosity (G"), dynamic vicosity (Pas) and complex modulus (G*). The ratio G"/G’ is tan δ. In the case of ideal elastic solid this parameter is 0, and applied density is in phase with deformation. In the case of ideal fluid δ is π/2 and density is completely out of the phase of deformation, but in the phase with the deformation velocity. The increase of viscosity causes an increase of tan δ, while the increase of elasticity reduces this parameter. Also, it could be concluded that tan δ is ideal parameter for fluid (milk)/solid (gel) transformation observing. The gel firmness increases with the increase of protein content, heat treatment and the temperature used during acidification, as well with the decrease of pH.

Gel se definiše kao "čvrsti" kolodni sistem u kojem koloidne čestice učestvuju u koherentnoj strukturi u koju je ukomponovana vodena faza. Prema modernoj terminologiji, gel se definiše kao viskoelastični čvrsti sistem koji u zavisnosti od okolnosti teče kao viskozna tečnost ili se ponaša kao elastično čvrsto telo. Kiseli kazeinski gel se ubraja u čestične (partikularne) gelove, koji su izgrađeni od grozdova agregiranog materijala koji zatim formiraju kontinuiranu mrežnu strukturu. Nakon acidifikacije micele kazeina agregiraju usled neutralizacije naelektrisanja pri čemu dolazi do formiranja lanaca i grozdova u mreži. Poznavanje mehanizma agregacije je važno za razumevanje faktora koji utiču na finalnu teksturu konačnog proizvoda. Na strukturu kiselih mlečnih gelova utiču mnogi faktori, među kojima su koncentracija proteina, termički tretmani mleka, temperatura inkubacije ili acidifikacije i izbor sredstva za acidifikaciju. Osnovni gradivni materijal kiselog kazeinskog gela su agregati različitih veličina koji se sastoje od povezanih kazeinskih micela (čestica). Tokom formiranja gela, ovi agregati se spajaju u manjem ili većem stepenu, formirajući na početku kratke grozdove. Ovi grozdovi zatim rastu u dužinu formirajući mrežu. Kiseli kazeinski gel se ponaša kao viskoelastični materijal, pa se za merenje reoloških osobina primenjuju dinamička merenja, merenja napona relaksacije i merenje puženja. Dinamička merenja i merenje napona relaksacije, izvode se pomoću viskozimetra, dok se merenje funkcije puženja vrše na reometru sa konstantnim naponom. Dinamički test je definisan sledećim karakteristikama modul elastičnosti - G’ modul viskoznosti - G" dinamički viskozitet (Pas) kompleksni modul - G*Tan δ je odnos modula viskoznosti i modula elastičnosti (tan δ=G"/G’). U slučaju idealno elastičnog tela, δ je jednak nuli, a primenjeni napon je u fazi sa deformacijom. Za idealno viskoznu tečnost δ=π/2 i napon je potpuno van faze sa deformacijom, ali je u fazi sa brzinom deformacije. Sa povećanjem viskoznih svojstava povećava tan δ, dok se povećanjem elastičnih svojstava smanjuje tan δ. Takođe, može se zaključiti da je tan δ idealan parametar za praćenje promene iz viskoznog tečnog (mleko) u čvrsto (gel) stanje. Primena malog napona na kiseli kazeinski gel, rezultira izduživanjem proteinskog matriksa (koje ima povratnu reakciju); ukoliko se napon poveća iznad napona popuštanja (slamanja strukture), veze u matriksu se lome. Čvrstoća gela se povećava sa povećanjem sadržaja proteina, termičkim predtretmanom mleka, povećanjem temperature pri kojoj se dodaju kiseline ili sredstva za acidifikaciju, i sniženjem pH vrednosti.