Modellmassa av mjölk

Kemisk bakgrund

Ordet kasein kommer från det grekiska ordet caseus som betyder ost (jfr med engelskans cheese). När du äter en ostbit är det till största delen kaseinet och fettet från mjölken du får i dig. Andra näringsämnen bl a laktos (mjölksocker) och vassleproteinerna (albumin och globulin) finns kvar i vasslan. Vill du få i dig de näringsämnena också kan du ta dig en smörgås med messmör, som tillverkas av vassla som får koka ihop. Vid osttillverkning använder man inte ättiksyra för att separera kaseinet och fettet från vasslan, det skulle ge en sur bismak till osten. Istället använder man löpe som är rikt på enzymer som ger samma resultat. Löpen tas från insidan av kalvars löpmage, därav namnet.

Mjölk är en emulsion där fettpartiklar och proteiner är finfördelade i vätska (vatten). Komjölk innehåller mellan 3-4 % proteiner varav kasein står för ca 80 % dvs 2.5-3.4 % av mjölken.

Sammansättning av mjölk i procent
(%)VattenProtein  Fett  SockerMineral
Komjölk87.13.43.94.90.7
Bröstmjölk87.41.44.07.00.2
Fårmjölk82.65.56.54.50.9

Kasein är ett komplex av olika fosforhaltiga proteiner som finns kolloidalt i mjölken i miceller från 50-600 nm i diameter. De olika stora partiklarna är samlingar av sfäriska submiceller med en diameter på 10-20 nm bestående av 25-30 kaseinmolekyler och små mängder kalciumfosfat och kalciumjoner spelar en avgörande roll i micellstrukturen [1].

Kaseinstrukturen
Kaseinstrukturen
Bild: Ó Svante Åberg, Umeå Universitet
Kasein är ett av de mest näringsrika mjölkproteinerna eftersom det innehåller alla aminosyror och är speciellt rikt på essentiella aminosyror. b-kaseinets hela aminosyresekvens är känd och består av 209 enheter och har en ungefärlig molvikt på 23 000 g [2]. För att fälla ut kasein ur mjölken har vi använt oss av ättiksyra, CH3COOH. Ättika är en karboxylsyra som framställs genom att man låter etanol, C2H5OH, oxideras. Istället för Ättika kan man använda vinäger (vinättika) som egentligen är samma syra, tillverkad av vin som fått oxidera.

Polypeptidkedjan i kasein består av fler sura än basiska grupper, därför är kasein löslig som polymerisk anjon vid pH 6 (pH-värdet i helmjölk).

Tillsätter man ättika så att pH-värdet blir 4.6-4.7 faller kaseinet ut eftersom man då nått det isoelektriska pH-värdet, dvs det värde då det är balans mellan de positiva och negativa laddningar. Smörfettet finns liksom kaseinet kolloidalt i mjölken och fälls ut tillsammans med kaseinet [3].

Vid en temperatur på 50º C drivs vassleproteinerna ut ur kaseinklumparna, men om man ökar temperaturen till ca 70º C denatureras de och löslighetsegenskaperna ändras så att de löses ut tillsammans med kaseinet vid pH 4.6.

När proteiner denatureras ändras deras tertiärstruktur och blir "lösare". Bindningarna mellan olika delar av polypeptidkedjan löses upp. Denaturering kan orsakas av värme, ändrat pH-värde, radioaktiv strålning mm. Vissa denaturerade proteiner kan återgå till sin ursprungliga form om förhållandet normaliseras igen.

Fördjupning

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.


material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Natriumvätekarbonat

Natriumvätekarbonat kallas också natriumbikarbonat, eller helt enkelt bikarbonat.

Vätekarbonatet i jämvikt med koldioxid och karbonater finns överallt i naturen

Vätekarbonat finns nästan överallt i naturen eftersom det är nära kopplat till koldioxid, som ju finns i atmosfären. Koldioxiden löser sig i vatten och bildar då kolsyra. Kolsyran står sedan i syra-basjämvikt med vätekarbonat.

Vätekarbonatet ingår i kolets kretslopp på grund av jämvikten med kolsyra. Vid matsmältningen bryts maten ned till bland annat koldioxid och vatten. Koldioxiden förs bort med blodet till lungorna. Vi andas sedan ut koldioxiden.

Växterna gör tvärtom. De tar upp koldioxid via sina klyvöppningar och koldioxiden löser sig i cellvätskorna. Där står koldioxiden också i jämvikt med vätekarbonat. I fotosyntesen binds koldioxiden/vätekarbonatet och tillsammans med vatten och solenergi bildas sockerarter som bygger upp växterna.

Kalksten är en bergart av mineralen kalciumkarbonat. Kalciumkarbonat är svårlöslig, men kan reagera med surt vatten. Surt regn får kalkstenen att lösas upp. Då bildas vätekarbonat. I havet finns stora mängder koksalt, som ju innehåller natriumjoner. Man kan därför säga att upplöst kalksten som hamnar i havet finns där i form av natriumvätekarbonat.

Vätekarbonat bildar koldioxid tillsammans med syra

Om man har karbonat i någon form, vare sig det är vätekarbonat eller karbonat, så får man koldioxidutveckling om man tillsätter syra. Följande reaktion sker:

H+ + HCO3 → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från vätekarbonat, respektive

2 H+ + CO32– → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från karbonat.

Detta är ett sätt att testa om ett salt innehåller vätekarbonat eller karbonat.

Vätekarbonat sönderfaller vid 200 C

Förutom att reaktionen med syra kan ge koldioxidutveckling, så kan även vätekarbonat sönderdelas av hög värme. Vid temperaturer över 200 C sker följande:

2 NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

Man får även här koldioxidutveckling. Eftersom natriumkarbonat är ett stabilt ämne, så avges bara en koldioxid av två molekyler vätekarbonat.

Men om temperaturen skulle vara så hög som över 850 C, så fortsätter sönderfallet till natriumoxid, det vill säga även den andra koldioxiden avges:

Na2CO3 → Na2O(s) + CO2(g)

Bikarbonat används vid bakning

Bikarbonat (= natriumvätekarbonat) används som hävningsmedel vid bakning. Bikarbonat ingår också i bakpulver tillsammans med sura ämnen som kan få vätekarbonatet att avge koldioxid. Det är koldioxidgasen som får bakverket att bli poröst.

I recept där bikarbonat används behövs något surt som gör att vätekarbonatet kan bilda koldioxid, till exempel fil. Restprodukten natriumkarbonat är också lite bitter och tvålaktig i smaken. Därför behövs sura ingredienser i bakverket.

Övrig användning av vätekarbonat

Natriumvätekarbonat finns i brustabletter, oftast tillsammans med citronsyra. När tabletten läggs i vatten löses vätekarbonat och syra upp, så att de kan komma i kontakt med varandra och reagera. Resultatet blir kraftig koldioxidutveckling.

En bisarr och rätt grym metod att bli kvitt kackerlackor är att mata dem med bikarbonat. I kackerlackans mage utvecklas koldioxid som får insekten att svälla upp och spricka.

Natriumvätekarbonat sägs också kunna används för att bekämpa svamptillväxt.

Allmänt gäller att ämnen som används för rengöring av icke-feta fläckar är basiska. Även natriumvätekarbonat kan användas för fläckborttagning, till exempel av rostfläckar.


Salt med både sura och basiska egenskaper

Natriumvätekarbonat är ett salt med övervägande basiska egenskaper. Saltet är amfotert, dvs. kan fungera både som syra och som bas. Vätekarbonatet fungerar som bas genom att ta upp en vätejon kring pH 6,35 övergår då till kolsyra. Det kan också fungera som syra genom att avge en vätejon kring pH 10,33 och övergå till karbonat.

kolsyra pKa1,app = 6,35 vätekarbonat pKa2 = 10,33 karbonat
H2CO3(aq) H+ + HCO3 2 H+ + CO32–

Notera: Värdet pKa1,app =6,35 ovan är ett apparent pKa-värde för kolsyra som egentligen avser summan av kolsyra H2CO3(aq) och löst koldioxid CO2(aq) i jämvikt med varandra i lösningen. Mängden löst koldioxid är betydligt större än den faktiska mängden kolsyra.

Syra-basegenskaperna gör vätekarbonat till en pH-buffert

En pH-buffert fungerar så att den förbrukar tillsatt syra eller bas och stabiliserar på så vis pH-värdet. Syra-basreaktionerna för vätekarbonatet sker kring pKa-värdena pH 6,35±1 och pH 10,33±1. Det är kring dessa värden som den buffrande förmågan finns.

Vätekarbonat finns till exempel i blodet, där pH ligger mellan 7,35 och 7,45, det vill säga aningen åt det basiska hållet. Vid pH 7,4 är jämvikten 92 % vätekarbonat och 8 % kolsyra (och 0 % karbonat).

Vätekarbonat buffrar också naturliga vatten. Koldioxid som finns i atmosfären och som bildas vid nedbrytning av organiskt material kan lösa sig i vattnet. Kolsyran står då i kemisk jämvikt med vätekarbonat. Dessutom finns mineraler som är karbonater, främst kalksten. Kalkstenen kan lösas upp av syror och bilda vätekarbonat. Allt detta tillsammans ger an blandning av kolsyra, vätekarbonat och karbonat där vätekarbonatet är den viktigaste lösta jonen som buffrar pH.

Vätekarbonat finns i tabletter mot sur mage. Den pH-buffrande förmågan gör att en alltför sur mage motverkas.

Man använder också vätekarbonat i pH-buffertar på kemilab. Då används den oftast tillsammans med andra amfotera salter för att utöka den buffrande förmågan över ett större pH-intervall, inte bara kring pH 6,35 och 10,33.

Ättiksyra

Ättiksyra är en organisk syra med två kolatomer och har formeln CH3COOH. Ibland skrivs på en förkortad form HAc, där Ac representerar acetatjonen CH3COO. Ättiksyran kallas också etansyra. Som alla organiska syror har molekylen den karaktäristiska gruppen –COOH.

Syran är svag med pKa = 4,76, vilket är det pH då syran har avgett 50 % av sina vätejoner. Även ganska koncentrerade lösningar av ättiksyra har därför ett pH-värde som måttligt lågt.

Ättiksyra bildas när etanol oxideras, till exempel om vin får stå öppet och utsättas för luftens syre. Vinäger bildas på detta sätt och är en gammal ingrediens i smaksättning av rätter.

Ättiksyra tillverkas vanligen syntetiskt genom reaktion mellan metanol och kolmonoxid, men kan också tillverkas med bakteriell fermentering, dvs. på biologisk väg.

En hel del ättiksyra används i hemmen för inläggningar och smaksättning, men större delen av ättiksyran som produceras används i den kemiska industrin för att tillverka estrar, speciellt vinylacetat-monomerer som sedan polymeriseras till plasten polyvinylacetat (PVA).

Ättiksyra i olika koncentrationer för olika ändamål

Ättika som säljs har olika koncentration beroende på vad den ska användas till. För olika recept kan man också späda ättikan till lämplig koncentration.

Isättika

Isättika är 100 % ättiksyra, i varje fall över 90 %. Isättika är frätande och luktar starkt. Den ska hanteras med försiktighet.

Namnet isättika kommer av att smältpunkten (= fryspunkten) för ren ättiksyra är 16,6 C, alltså strax under rumstemperatur.

Isättika fungerar som lösningsmedel för en del plaster. Till exempel brukade man skarva filmer på den tiden som filmerna byggde på ljuskänsliga silversalter på en celluloidbas. Celluloiden löstes upp av isättikan. Filmändarna lades samman och fick torka. Celluloiden smälte samman i en kemiskt homogen skarv.

Vanlig ättika

Vanlig ättika av märket Perstorp är 24 %-ig. Det finns dock andra fabrikat som säljer 12 % ättika. Ättikan hanteras med viss försiktighet. Den har en stark lukt. Ofta späder man ättika enligt anvisningarna i matrecepten.

Ättika är bakteriedödande. Till exempel kan man i samband med avfrostning av kylskåpet passa på att skölja av det invändigt med en lösning av lika delar ättika och vatten. Men se till att skölja efter med rent vatten så att resterna av ättika inte finns kvar och kanske påverkar plasten.

Ättika kan också användas för att ta bort kalkavlagringar på diskbänken eller i kaffebryggaren.

Ett recept för att avkalka kaffebryggaren är att blanda 1 dl 24 % ättika med 6 dl vatten i kaffebryggaren. Sätt på bryggaren så att hälften av lösningen passerar. Stäng av bryggaren i 10 minuter för att ättiksyran ska få verka. Sätt på den igen och låt resten av lösningen passera. Brygg därefter 3-4 omgångar med rent vatten.


Ättiksyra ger snabbt ärg av kopparacetat på en kopparslant.
Bild: Svante Åberg

Ättiksyra har en förmåga att snabbt ge grön ärg på koppar. Det räcker med ångorna från ättikan för att kopparen ska ärga inom några timmar. Föreningen som bildas är kopparacetat.

Ättiksyrans förmåga att korrodera koppar, men även andra metaller, gör att den bör användas med försiktighet i kontakt med till exempel elektronisk utrustning. Glöm inte att även ångorna av ättiksyra kan vara korrosiva.

Ättiksprit

Ättiksprit är 12 %. Den fungerar som vanlig ättika, men är hälften så koncentrerad.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ogräsättika

Ogräsättika är ofta 12 %.

Om du inte vill köpa särskild ogräsättika, så kan du själv blanda till ogräsättika av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ättika dödar växter och kan användas som ogräsmedel. Spruta ättiklösningen på ogräset eller vattna med den, så dör ogräset inom 2-3 dagar. Eftersom ättiksyra avdunstar, så ska man inte använda det i växthus eftersom ångorna sprider sig även till växter man vill ha kvar.

Använd inte ogräsättika till matlagning eftersom du inte kan vara säker på att den inte innehåller andra tillsatser som ska döda ogräset.

Inläggningsättika

Inläggningsättika är vanligtvis 6 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 3 delar vatten.

Matättika

Matättika är vanligtvis 3 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 7 delar vatten.

Vinäger

Vinäger innehåller ättiksyra, men är inte bara ättika. Vinägern innehåller dessutom smakämnen från det vin eller den cider som den är framställd av.


Ättiksyra som lösningsmedel

Sammantaget har ättiksyran både polära och opolära egenskaper. Den kan därför lösa polära ämnen, såsom alkoholer, sockerarter och salter, men är även löslig i opolära lösningsmedel såsom kloroform och hexan.

Polära egenskaper

Ättiksyrans karboxylgrupp –COOH ger polära egenskaper, särskilt när syran dissocieras till acetat, Ac. Ättiksyran är en svag syra och i vattenlösning har vi följande jämvikt:

HAc + H2O ⇄ H3O+ + Ac

Jämvikten i vattenlösning förskjuts åt höger när ättiksyralösningen är utspädd. Då förekommer mera av syran i form av den korresponderande basen acetat, som är en negativ jon.

Opolära egenskaper

I en koncentrerad lösning är jämvikten förskjuten åt vänster, det vill säga syraformen, som är en oladdad molekyl. I sin syraform är de polära egenskaperna mindre framträdande. Till det bidrar kolvätegruppen –CH3.

För ättiksyra gäller att Ka = 1,75·10–5 M. Med lite räknande kan man få fram att för en lösning av 0,1 M ättiksyra så är bara 1,3% av ättiksyramolekylerna protolyserade.

Tunnskiktskromatografi

I tunnskiktskromatografi är det viktigt att hitta en eluent med rätt polaritet för att kunna ge rätt löslighet åt de provfläckar som ska vandra på tunnskiktsplattan. Ofta väljer man en blandning av kolväte + ester + organiskt syra. Ett typiskt recept kan innehålla hexan + etylacetat + ättiksyra + vatten.

Löslighet

När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.

Exempel på lösningar är:

En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.

Begränsad löslighet

Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.

Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.


Obegränsad blandbarhet

Ibland är lösligheten obegränsad och det lösta ämnet och lösningsmedlet är fullständigt blandbara i alla koncentrationer. Exempel på detta är etanol i vatten. Vilken proportion av etanol och vatten du än blandar, så kommer du att få en homogen lösning, dvs. en enda fas. Du kommer inte att se någon fasgräns mellan ämnena.

Lösning av gasformiga partiklar i en annan gas har alltid obegränsad blandbarhet. Det beror på att i en gas så är partiklarna så långt ifrån varandra att de inte påverkas av några attraktionskrafter som tenderar att klumpa samman ämnena i aggregat. Alla atomer/molekyler rör sig helt fritt i gaslösningen.

Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"

När det finns ett löst ämne och ett lösningsmedel, så finns det tre alternativa bindningar som kan uppstå mellan partiklarna (atomerna/molekylerna/jonerna):

Man brukar använda en tumregel: "Lika löser lika". Det syftar på polariteten, dvs. laddningen hos partiklarna. Ämnen löser sig lättast i varandra om de är ungefär lika polära. Vi ska förklara hur detta kommer sig.

Vatten är en starkt polärt ämne. Visserligen är molekylen som helhet oladdad, men det finns en laddningsförskjutning så att syreatomen är negativ och väteatomerna positiva. Två vattenmolekyler binder varandra ganska starkt genom att syret i den ena molekylen lägger sig nära vätet i den andra vattenmolekylen. Den negativa och positiva laddningen attraherar varandra. Vatten binder alltså varandra ganska starkt.

Kolvätena i bensin är ett mycket opolära. Kolvätena är oladdade molekyler som inte heller har någon laddningsförskjutning inom sig i molekylen. Det gör att kolväten bara binder varandra svagt med hjälp av Londonkrafter (Van der Waals-krafter).

Ju starkare bindningen är, desto större chans är det att partiklarna ska klumpa sig samman. Vatten i blandning med bensin ger mycket dålig löslighet. Vattenmolekylerna klumpar samman sig med sina starka krafter och bildar en egen fas. Kolvätemolekylerna blir över och bildar en annan fas. Kolvätena bildar inte en egen fas på grund av attraktion mellan kolvätena, utan därför att de inte få vara tillsammans med vattnet. De blir så att säga ratade av vattenmolekylerna.

Om två ämnen inte har samma polaritet, men ändå inte skiljer sig åt alltför mycket, så får de en god löslighet även om den är begränsad. En möjlighet att lösa ett ämne är därför att använda lösningsmedel i flera steg. Om du till exempel har fått smutsig motorolja på händerna, så är det svårt att tvätta bort med tvål. Motoroljan är alltför opolär för att tvålen riktigt ska kunna lösa den. I ett första steg kan du då smörja händerna med margarin, som är opolärt. Oljan löser sig i margarinet. I nästa steg tvättar du bort margarinet med hjälp av tvål och vatten. Oljan som är löst i margarinet följer då med margarinet när det tvättas bort med vatten.

Utfällning

Utfällning är den process som gör att ett löst ämne övergår till fast form och bildar en egen, fast fas. Det ämne som bildar fast form kallas helt enkelt fällning. Vätskan som blir kvar kallas med ett finare ord för supernat.

Orsaken till att fällning bildas är alltid att lösligheten för ämnet överskrids. Men vad som gör att lösligheten överskrids kan bero på flera saker:

Det händer att de utfällda partiklarna är så små att de inte sjunker till botten inom rimlig tid. Då får man en suspension som känns igen på att den är grumlig. Men om man centrifugerar suspensionen, så kan man få fällningen att sjunka till botten. Ovanför finns då den klara lösningen.

material på grundnivå kommer att läggas in här


material på avancerad nivå kommer att läggas in här