關鍵概念
化學
食品科學
蛋白質
酶
引言
你是否曾經倒一杯牛奶，結果出來的不是光滑的液體，而是一團團的凝塊？這通常是牛奶變質的跡象。如果它聞起來有酸味，那可能就是變質了。但是牛奶發生變化的物理過程稱為凝固，它是牛奶中的蛋白質結塊時發生的機制。儘管你可能不希望牛奶中出現這種情況，但是如果沒有凝固（或凝結），就不會有乳酪或酸奶，這就是為什麼它是食品工業中一個非常重要的過程。想知道如何在牛奶不腐敗的情況下使其凝結嗎？試試這個活動來找出答案！
背景
人類已經將牛奶變成了一種多用途的液體。牛奶本身是一種營養豐富的飲料。但是，當你開始對牛奶進行各種處理時，就可以創造出各種其他產品，例如黃油、酸奶、酪乳和乳酪。牛奶主要由脂肪、蛋白質、乳糖（一種糖）和水組成。牛奶脂肪以細小液滴的形式懸浮在水中，使其成為乳濁液。牛奶還包含許多蛋白質，在這種情況下，主要是乳清和酪蛋白。由於酪蛋白在水中溶解度很低，因此其蛋白質會形成稱為膠束的球形結構，使其能夠像溶解一樣保持懸浮狀態。
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由於脂肪和蛋白質都處於懸浮狀態，牛奶呈現出我們所知道的白色液體。但是，膠束結構很容易被破壞或改變，一旦改變就無法重組。由於膠束將酪蛋白蛋白質保持在懸浮狀態，因此，如果沒有膠束，酪蛋白會結塊，並從溶液中析出。牛奶凝固或凝結的過程結果是一種稱為凝乳的凝膠狀物質。
製作許多其他乳製品（如干酪、里科塔乳酪、印度乳酪和奶油乳酪）的過程都始於牛奶凝結。這就是為什麼乳酪生產商希望牛奶凝結。有多種方法可以開始牛奶凝固。你可以使用酸或熱，也可以讓牛奶老化足夠長的時間，或者使用特定的酶（這些酶是執行特定化學反應的蛋白質）。例如，凝乳酶是一種可以改變酪蛋白膠束結構以使牛奶凝結的酶。蛋白酶是另一種透過分解蛋白質來破壞酪蛋白膠束結構，從而導致牛奶凝結的酶。在此活動中，你將嘗試兩種不同的牛奶凝結方法——併產生一些有趣的結果！
材料
牛奶
檸檬（新鮮）
菠蘿（新鮮）
檸檬榨汁器
食物刨絲器、榨汁機或攪拌機
茶匙
湯匙
刀
砧板
兩塊粗棉布或棉布
10 個小的透明微波爐適用杯子（每個杯子可容納約兩盎司）
紙巾
微波爐
記號筆
成人幫手
可以承受溢位的工作空間
定時器（可選）
準備
在四個小杯子上分別標記“菠蘿汁”、“菠蘿汁（加熱）”、“檸檬汁”和“檸檬汁（加熱）”。
取一個新鮮菠蘿，在成人的幫助下，在砧板上切掉菠蘿皮。僅使用約五分之一的菠蘿。將果肉切成小塊並磨碎。或者，你可以使用榨汁機或攪拌機。然後，將磨碎的水果放在一塊粗棉布中，並擠出至少一茶匙的汁液到每個標有“菠蘿汁”的杯子中。
將標有“菠蘿汁（加熱）”的杯子放入微波爐中，加熱足夠長的時間使其沸騰（約 10 到 20 秒）。當它開始沸騰時，小心地將其從微波爐中取出並使其冷卻。
取一個新鮮檸檬，然後使用檸檬榨汁器榨出檸檬汁。在每個標有“檸檬汁”的杯子中加入至少一茶匙的果汁。
再次將標有“檸檬汁（加熱）”的杯子放入微波爐中，加熱 10 至 20 秒。一旦它開始沸騰，小心地將其取出並使其冷卻。
在其餘四個杯子上標記“1”到“4”。在每個杯子中倒入約一湯匙的牛奶。
在最後兩個杯子上標記“凝乳”和“乳清”。
步驟
將標有“1”的杯子放在你面前。它應該包含一湯匙的牛奶。牛奶看起來怎麼樣？如果在杯子中輕輕搖晃牛奶會發生什麼？你注意到什麼異常情況嗎？
使用乾淨的茶匙，將一茶匙新鮮榨出的檸檬汁新增到杯子 1 中的牛奶中。輕輕搖晃杯子。當你新增檸檬汁時，牛奶會發生變化嗎？如果是，變化是立即發生還是過一段時間發生？當你稍微搖晃杯子時，在杯壁上觀察到了什麼？
取你的第二杯牛奶，這次加入一茶匙加熱的檸檬汁。你看到發生和之前相同的反應了嗎？牛奶如何變化？反應速度和之前的反應一樣快嗎？
使用你的第三杯牛奶，用乾淨的茶匙向牛奶中加入一茶匙菠蘿汁。觀察大約五分鐘。菠蘿汁能使牛奶凝結嗎？與檸檬汁相比，反應是快還是慢？
向第四杯牛奶中加入一茶匙加熱的菠蘿汁，然後輕輕搖晃杯子。同樣，觀察杯子約五分鐘。你得到了相似的結果還是不同的結果？如果是，有什麼不同？你認為發生了什麼？你能解釋你的觀察結果嗎？
選擇產出最大量凝乳的牛奶杯。然後，將你的第二塊粗棉布覆蓋在標有“乳清”的杯子上，然後小心地將凝固的牛奶混合物倒入布上。將布摺疊在凝固的牛奶上，然後將混合物中的液體擠入杯子中。你看到從粗棉布中流出很多液體嗎？液體看起來是什麼樣的？它是透明的，有顏色，還是仍然像牛奶？你認為液體是什麼？
擠出所有液體後，開啟粗棉布，然後將凝乳舀入標有“凝乳”的杯子中。你得到了多少凝乳，它看起來是什麼樣的？它讓你想起乳酪產品嗎？如果你用手指觸控它，感覺如何？你認為牛奶的哪些部分在凝乳內部？
如果你願意（並且僅在你使用了乾淨的材料時！），你可以嘗一點乳清和凝乳。它的味道和牛奶相似嗎？它是甜的、酸的、奶油味的還是鹹的？它讓你想起某種特定的食物嗎？
額外內容：還有什麼其他溶液可以使牛奶凝結？嘗試你廚房中找到的不同果汁或其他可食用液體，並測試牛奶對它們的反應。請記住，酸度（某種物質的酸味程度）和酶是使牛奶凝結的好方法！
額外內容：需要多少菠蘿汁或檸檬汁才能使牛奶凝結？要找出答案，你可以重複此活動，但是這次更改你新增到牛奶中的果汁量。一滴就足夠了嗎？還是需要 10 滴？需要多少滴才能使牛奶開始凝結？
額外內容：在此活動中，你測試了一種牛奶。你認為其他牛奶，例如脫脂牛奶和無乳糖牛奶，或椰奶和杏仁奶，會給你相同或相似的結果嗎？只有一種方法可以找出答案：測試它！
額外內容：你想要更多有趣的結果嗎？然後使用此活動來製作一些真正的乾酪。下面的“更多探索”部分給出了一個示例食譜。
觀察和結果
你在牛奶中看到了明顯的團塊形成嗎？普通的牛奶看起來光滑而白色，當你新增一茶匙檸檬汁時，它會很快發生變化。它幾乎立即變得更濃稠，你會看到白色的團塊形成，當你輕輕搖晃牛奶時，這些團塊會粘在杯壁上。團塊或凝乳由酪蛋白組成，酪蛋白通常在溶液中形成膠束結構。這些結構非常脆弱，當你改變溶液的條件時，它們很容易分解並形成酪蛋白團塊。如果改變牛奶的 pH 值或酸度，也就是使其更酸，就會發生這種情況。檸檬汁酸性很強，這就是為什麼新增檸檬汁後你會看到酪蛋白凝結的原因。加熱檸檬汁不會影響其酸度，這意味著當你將加熱的檸檬汁新增到牛奶中時，應該發生完全相同的反應。
另一方面，菠蘿汁的酸度不足以破壞酪蛋白的膠束結構。但是，當您新增它時，牛奶仍然會凝結。這一次，不是酸度，而是菠蘿中的特殊酶使牛奶凝結。菠蘿包含一種稱為菠蘿蛋白酶的酶提取物，該提取物包含一種蛋白酶，可分解酪蛋白，從而破壞其膠束結構。你可能已經注意到，與檸檬汁相比，菠蘿汁的凝結速度沒有那麼快，酶需要一些時間才能啟用，但是在五分鐘內，牛奶應該看起來非常結塊。許多酶在加熱時會失活。當你將菠蘿汁放入微波爐中時，酶將不再起作用。這就是為什麼當你新增加熱的菠蘿汁時不會發生牛奶凝結的原因。
透過粗棉布過濾凝乳後，會得到一種呈淡黃白色的溶液，稱為乳清。乳清大約由94%的水和4%至5%的乳糖和乳清蛋白組成。固體部分，即凝乳，看起來像鄉村乳酪——實際上它就是！如果你想讓它更美味，請檢視“更多探索”部分中給出的食譜。
清理
將包括凝乳在內的所有溶液倒入水槽。你可以丟棄/回收你的杯子，或者如果你想重複使用，可以用肥皂水清洗它們。用溼紙巾擦拭你的工作區域。
更多探索 牛奶化學，來自乳酪科學工具包
雕塑科學：將牛奶變成塑膠！，來自《大眾科學》鄉村乳酪食譜，來自The Weekend Artisan
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適合所有年齡段的科學活動！，來自Science Buddies
此活動由Science Buddies合作推出
