Konzepte von Säure und pH
Alle wässrigen Systeme (einschließlich des Wassers in Ihnen und in Käse) gehorchen der folgenden Beziehung (Gleichung 3) zwischen der Konzentration von Wasserstoffionen (H+) und Hydroxylionen (OH-). Beachten Sie, dass die eckigen Klammern die Konzentration in Molen pro Liter angeben. Ein Mol sind 6 x 1023 Moleküle, also die Zahl sechs mit 23 Nullen dahinter.
x = 10-14
Weil die tatsächlichen Konzentrationen in Mol pro Liter klein sind, ist es üblich, die Werte als Exponenten auszudrücken. Wenn wir z. B. wissen, dass die Konzentration der Wasserstoffionen in einer Milchprobe 0,000001 mol/l beträgt, was 10-6 mol/l entspricht, können wir die Konzentration der Hydroxylionen als 10-14/10-6 = 10-8 mol/l berechnen, was 0,00000001 mol/l entspricht.
- Wenn = die Lösung ist neutral in Bezug auf den Säuregrad.
- Wenn > ist die Lösung sauer.
- Wenn < ist die Lösung basisch oder alkalisch.
- Chemikalien, die H+ beisteuern oder OH- absorbieren, sind Säuren, während Basen OH- beisteuern oder H+ absorbieren.
Das Konzept des pH-Wertes entwickelte sich als eine Kurzhandmethode, um den Säuregrad auszudrücken. Wir haben bereits gesehen, dass eine Wasserstoffionenkonzentration von 0,000001 mol/l ausgedrückt werden kann als , ein Ausdruck, der sowohl die Maßeinheit als auch den Zahlenwert definiert. Der Begriff pH ist eine weitere Abkürzung, die die Wasserstoffionenkonzentration als den negativen Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration in Einheiten von Mol/l ausdrückt. Das hört sich kompliziert an, ist aber recht einfach zu handhaben. Zum Beispiel ist der log10 der Wasserstoffionenkonzentration von gleich -6. Der letzte Schritt besteht darin, das Negative des log zu nehmen, also -1 x -6, was 6 ergibt. Also 0,0000001 mol/l = = pH 6. Aus der in Gleichung 3 ausgedrückten Beziehung lässt sich, wenn die Konzentration von einem der beiden Elemente OH- und H+ bekannt ist, immer die Konzentration des anderen berechnen. Wenn also der pH-Wert einer Lösung 6 ist, ist der pOH-Wert 14 – 6 = 8. Da diese Beziehung verstanden wird, ist die Konvention, nur den pH-Wert anzugeben. Beachten Sie, dass, da das negative Vorzeichen durch die Konvention weggefallen ist, abnehmende pH-Werte einen zunehmenden Säuregrad bedeuten, d.h. eine zunehmende Konzentration von H+-Ionen. Obwohl also sowohl TA als auch pH ein Maß für die Azidität sind, nimmt der pH-Wert mit zunehmender Azidität ab.
All dies lässt sich durch eine Beschreibung der pH-Skala zusammenfassen. Die pH-Skala für die meisten praktischen Zwecke reicht von 1 bis 14, obwohl ein pH-Wert von weniger als eins theoretisch und praktisch möglich ist.
pH 7.0 ist neutral sauer.
pH < 7.0 = saurer Zustand >
pH > 7.0 = alkalischer Zustand <
pH Versus Titratable Acidity
TA und pH sind beide Messgrößen für den Säuregrad, aber für die meisten Zwecke ist der pH-Wert ein besseres Werkzeug zur Prozesskontrolle, weil die pH-Sonde nur die H+ misst, die frei in der Lösung und undissoziiert mit Salzen oder Proteinen sind. Dies ist wichtig, weil es freie H+ sind, die die Proteinfunktionalität verändern und zum sauren Geschmack beitragen. Außerdem ist der pH-Wert und nicht die titrierbare Säure der beste Indikator für die Konservierungs- und Sicherheitseffekte von Säure. Es muss betont werden, dass der wichtigste Faktor, der dem Käsehersteller zur Verfügung steht, um Verderb und pathogene Organismen zu kontrollieren, die pH-Kontrolle ist. Der pH-Verlauf während und nach der Käseherstellung ist die wichtigste Information zur Fehlersuche. Käsefeuchtigkeit, Mineralgehalt, Textur und Geschmack werden alle direkt von der Aktivität freier Wasserstoffionen (d.h. pH-Wert) beeinflusst.
Die titrierbare Säure (TA) misst alle titrierbaren H+-Ionen bis zum Phenolphthalein-Endpunkt (pH-Wert 8,5) und variiert daher mit Änderungen der Milchzusammensetzung und -eigenschaften. Während der Käseherstellung gibt der pH-Wert einen echten Hinweis auf die Säureentwicklung während des gesamten Prozesses, so dass der optimale pH-Wert bei jedem Schritt unabhängig von anderen Variablen wie dem Milcheiweißgehalt ist. Der optimale TA-Wert bei jedem Schritt der Käseherstellung hängt jedoch von der anfänglichen Milchzusammensetzung und der Art des verwendeten Standardisierungsverfahrens ab.
Eine gute praktische Veranschaulichung des Unterschieds zwischen TA und pH-Wert ist der Effekt des Schneidens. Bis zum Zeitpunkt des Schneidens steigt die TA der Milch mit der Entwicklung des Säuregehalts durch die Kultur. Nach dem Schneiden ist die TA der Molke viel niedriger. Dies bedeutet nicht, dass die Säureentwicklung aufgehört hat. Es bedeutet lediglich, dass titrierbare H+-Ionen, die mit den Milchproteinen assoziiert sind, nicht mehr in der Molke vorhanden sind. Dies führt zu dem Konzept der Pufferkapazität, das ein wichtiges Prinzip bei der Käseherstellung ist. Der Effekt der Proteinentfernung auf die TA der Molke hängt mit der Fähigkeit des Proteins zusammen, die Milch gegen Änderungen des pH-Wertes zu „puffern“. Die gleiche Puffereigenschaft ist der Grund, warum es hilfreich ist, säurehaltige Medikamente wie Aspirin mit Milch einzunehmen.
Die Pufferkapazität kann als die Fähigkeit eines wässrigen Systems, wie z. B. Milch, beschrieben werden, pH-Änderungen durch Zugabe von Säuren (zugesetztes H+) oder Basen (zugesetztes OH-) zu widerstehen. Genauer gesagt ist die Pufferkapazität die Menge an Säure oder Base, die erforderlich ist, um eine Einheitsänderung des pH-Wertes zu bewirken. Zum Beispiel bewirkt eine kleine Säurezugabe zu destilliertem Wasser eine große Reduzierung des pH-Wertes. Die gleiche Menge an Säure würde einen kleinen Effekt auf den pH-Wert der Milch haben, da Milchproteine und Salze die Säure neutralisieren.
Die beiden wichtigsten Pufferkomponenten der Milch sind Kaseine (Puffermaximum bei pH 4,6) und Phosphat (Puffermaximum bei pH 7,0). Das Puffermaximum in der Nähe von pH 5,0 ist für die Käseherstellung äußerst wichtig, da der optimale pH-Wert für die meisten Käse im Bereich von 5,0 – 5,2 liegt. Während der pH-Wert des Käses durch die Milchsäuregärung in Richtung pH 5,0 gesenkt wird, nimmt die Pufferkapazität zu (d.h. jede schrittweise Senkung des pH-Wertes erfordert mehr Milchsäure). Der Effekt ist, dass der Käser einen beträchtlichen Spielraum für Variationen in der Rate und Menge der Säureproduktion hat. Ohne die in der Milch eingebauten Puffer wäre es unmöglich, Käse im optimalen pH-Bereich herzustellen.
Eine andere Möglichkeit, den Unterschied zwischen TA und pH zu verdeutlichen, ist die Betrachtung typischer Bereiche von pH und TA für normale Milch. TA ist ein Maß für die Gesamtpufferkapazität der Milch für den pH-Bereich zwischen dem pH-Wert der Milch und dem Phenolphthalein-Endpunkt (etwa pH 8,3). Der pH-Wert von Milch bei 25°C schwankt normalerweise innerhalb eines relativ engen Bereichs von 6,5 bis 6,7. Der normale Bereich für die titrierbare Säure von Herdenmilch liegt bei 0,12 bis 0,18% Milchsäure. Mit anderen Worten, der pH-Wert ist ein guter Indikator für die anfängliche Milchqualität, während die traditionelle Messung der TA zur Anzeige des Bakterienwachstums in der Milch weniger präzise ist.
pH-Messung
Der pH-Wert von Käsemilch, Molke und Weichkäse kann direkt gemessen werden. Fest- und Hartkäse müssen vor der Analyse zerkleinert werden. Messen Sie den pH-Wert von Käse immer im Doppelpack und gehen Sie bei der Handhabung der Elektrode äußerst vorsichtig vor. Geben Sie den zerkleinerten Käse in ein 30-ml-Fläschchen oder ein kleines Becherglas und drücken Sie die Elektrode vorsichtig in den Käse … bei zu großer Eile kann die Elektrode am Boden des Becherglases brechen. Um einen guten Kontakt zu gewährleisten, drücken Sie den Käse mit Ihren Fingern um die Elektrode herum. Es ist nicht notwendig, die Elektrode zwischen den Käseproben zu spülen. Wenn die Elektrode jedoch in Puffer gelagert wird, sollte sie vor der Messung des Käse-pH mit destilliertem Wasser gespült werden. Lagern Sie die Elektrode immer in pH 4-Puffer oder wie vom Hersteller angegeben. Reiben Sie die Elektrode nicht. Die Elektrode sollte mit Reinigungsmittel gewaschen und gelegentlich mit Aceton gespült werden, um Fett- und Proteinablagerungen zu entfernen.