По богатству и разнообразию состава молоко превосходит многие другие продукты питания. Известно, что в состав коровьего молока входят более ста макро и микроэлементов. Эти элементы можно условно разделить на четыре основные группы химических веществ – белки (1—20%), в том числе и ферменты, жиры (2—55%), углеводы (лактоза 0—10%) и минералы.
С научной точки зрения молоко – это раствор, в котором вещества диспергированы, то есть, не растворены, а именно распределены в воде, которая составляет от 63 до 87% от общего состава. Именно поэтому молоко может называться «коллоидной системой». К таким веществам относятся: лактоза, органические и неорганические соли и, наконец, коллоидные частицы трех разных размеров – сывороточные белки, распределенные на молекулярном уровне; белки-казеины, находящиеся в растворе в виде достаточно больших коллоидных агрегатов (мицелл) размером от 50 до 500 нм, а также липиды, выделяемые в виде больших глобул жиров размером от 1 до 20 мкм.
В создании стабильной молочной пены основную роль играют сразу несколько компонентов – белки и жиры. Молочные белки стабилизируют пузырьки воздуха в пене. Жиры оказывают положительный эффект на вкус напитка, но при этом могут дестабилизировать пену. Поэтому для создания качественной молочной пены необходимо найти баланс между компонентами молока: отличное соотношение белков, жиров и углеводов для кофейных напитков: белок — 3.2 г / жиры — 3,0 г / углеводы — 4 г на 100 мл.
В момент образования пены белки играют роль поверхностно-активных веществ, стабилизирующих при помощи адсорбции (накоплении одного вещества на поверхности другого) пузырьки воздуха, которые поступают с паром. Белки закрепляются на поверхности пузырьков воздуха и стабилизируют их. Причем исследования показывают, что на поверхности пузырьков воздуха преимущественно находятся олигомеры и мономеры сывороточных белков, а не казеины. В составе обычного коровьего молока более чем достаточно белков для качественной стабилизации молочной пены.
Со временем стабильность пены неизбежно снижается, поскольку происходит своего рода утечка жидкости и белковой структуры, пузырьки воздуха оказываются на слишком близком расстоянии и соединяются в крупные пузыри. В итоге крупные пузырьки воздуха разрушают структуру пены.
Как жиры дестабилизируют молочную пену?
При температурах от 10 до 40С структура глобул жира начинает разрушаться, происходит своего рода «утечка» жидких жиров из глобул, что и нарушает целостность структуры пены. Однако уже при температурах от 40С и выше все молочные жиры расплавляются, что приводит к снижению негативного эффекта молочных жиров на качество молочной пены.
При 20С глобулы жиров на 20% состоят из твердых жиров, а 80% – из жидких. Тогда как при температуре в 40С все жиры становятся жидкими, что делает глобулы устойчивыми к механическим повреждениям. Качество, текстура и стабильность молочной пены гораздо выше при температурах от 50 до 60 градусов чем при более низких, поскольку в нагретой смеси молочные жиры уже не разрушают структуру пены, а адсорбция белков на поверхности пузырьков воздуха, наоборот, повышается, стабилизируя их в пене.
Тот факт, что на обезжиренном молоке также можно добиться стабильной пены говорит о том, что основную роль в пенообразовании играют молочные белки, а не жиры. Для создания молочной пены в кофейнях используют пароотводы на кофейных машинах, нагревая молоко горячим паром примерно до 65С.
При взбивании холодного молока паром в жидкости образуется турбулентность, благодаря которой при постепенном нагревании денатурированные белки относительно упорядоченно стабилизируют пузырьки воздуха в структуре пены.При температурах от 40 до 60С молочные белки наиболее эффективно адсорбируются на поверхности пузырьков воздуха, что приводит к образованию стабильной пены.