Гомогенизация молочного сырья
Гомогенизация – процесс дробления (диспергирования) жировых шариков при воздействии на молоко внешних условий, вызванных перепадом давления, ультразвуком, высокочастотной обработкой.
Цель гомогенизации - исключение самопроизвольного отстаивания молочного жира, повышение его дисперсности, как следствие приобретение жировой эмульсией однородной консистенции.
Рисунок 16 – Жировые шарики до гомогенизирования и после.
Это необходимо при производстве стерилизованного молока, кисломолочных напитков, сметаны, молочных консервов, мороженого и других продуктов. Во всех случаях стремятся к повышению стабильности жировой эмульсии, характеристику которой необходимо рассмотреть отдельно.
Молочный жир в молоке представлен в виде жировых шариков с размерами от 0,5 до 20 мкм (500-2000 нм). Основное количество жировых шариков представлено размерами 2000 - 5000 нм, среднерасчетный диаметр - 3000 нм. Количество жировых шариков в 1 мл молока составляет от 4 до 6 млрд. штук. Поверхность жировых шариков равна 1,2 - 1,5 м2. Устойчивость эмульсии жирового шарика обеспечивается оболочкой, толщина которой в нормальном свежем молоке равняется 10-15 нм и состоит из белково-липидного комплекса с включением минеральных компонентов, витаминов, лецитина. Схема строения жирового шарика по современным воззрениям приведена на рис.
Рисунок 17 – Строение жирового шарика.
Внешний слой оболочки жирового шарика представляет собой гидрофильные белки, внутренний - гидрофобные липидные компоненты.
Теоретические предпосылки гомогенизации в настоящее время формулируются следующим образом:
- дробление жировых шариков в результате удара о стенку (Н. В. Барановский и др.)
- разрушение жировых шариков в результате взрыва изнутри (В. Д. Суриков и др.)
- разрезание жировых шариков в результате нитеобразования (П. А. Ребиндер).
В. В. Вайткусом сформулированы общие условия гомогенизации:
1. Молочный жир должен находится в жидком состоянии (эмульсия)
2. Дробление жировых шариков может быть обеспечено только при условии приложения внешнего защитного слоя каждого жирового шарика.
3. После дробления в системе должно быть обеспечено образование нового защитного слоя каждого жирового шарика.
Теоретически считается, что для исключения самопроизвольного отстоя размер жировых шариков в молоке не должен превышать 1 мкм. На практике процесс дробления осуществляют до 2 мкм. Анализируя формулу Стокса, выяснено, что при снижении размера жировых шариков на порядок (в десять раз) скорость отстаивания должна уменьшиться в 100 раз.
В настоящие время разработано несколько способов гомогенизации молочного сырья. Каждый из них имеет специфические технологические параметры и аппаратурное оформление. Рассмотрим кратко каждый из них.
Гомогенизация в гомогенизаторах клапанного типа. Механизм дробления жирового шарика в клапанном гомогенизаторе подробно разработан Н. В. Барановским.
Рисунок 18 – Гомогенизатор
1 – главный двигатель привода;
2 – клиноременная передача;
3 - указатель давления;
4 – кривошипношатунный механизм;
5 – поршень;
6 – уплотнение поршня;
7 – литой насосный блок из нержавеющей стали;
8 – клапаны;
9 – гомогенизирующая головка;
10 – гидравлическая система.
Подогретое молоко с большой скоростью проходит через узкую клапанную щель между седлом и клапаном гомогенизатора, в результате чего жировой шарик разрушается под воздействием механических и гидромеханических процессов. Главную роль играет перепад давлений Ро и Р1, определяющих увеличение скорости шарика от Vо до V1 в 200 раз.
По формуле Барановского размер жировых шариков как показатель эффективности гомогенизации:
d ср = 3,8 √ р , (9)
где р – давление гомогенизации, МПа.
Исследования показали, что при повышении давления до 12-14 МПа dср быстро уменьшается. В интервале от 14-20 МПа этот процесс протекает уже медленно. Дальнейшее повышение давления почти не повышает степени дисперсности.
С увеличением в продукте содержания жира давление гомогенизации необходимо уменьшать, иначе может произойти дестабилизация молочного жира. В связи с этим молоко гомогенизируют обычно при давлении 15+2,5 МПа, а сливки с массовой долей жира 35% при давлении 5-7,5 МПа.
Давление гомогенизации продуктов с повышенным содержанием сухих веществ должно быть ниже, что обусловлено необходимостью снижения энергозатрат.
На процесс гомогенизации оказывает влияние также температурный режим. Молоко можно гомогенизировать при различных температурах, начиная с точки плавления молочного жира (30 0С). С увеличением температуры от 30 до 65 0С эффективность гомогенизации улучшается. Лучшие результаты получаются при 60-65 0С. Дальнейшее повышение температуры гомогенизации отрицательно сказывается на свойствах молока, наблюдается снижение его вязкости и увеличение отстаивания сливок. При температуре 85-90 0С наблюдается также частичное испарение влаги из молока, что нарушает нормальную работу плунжерных насосов. С повышением содержания сухих веществ продукта температура гомогенизации должна быть выше, что обусловлено его повышенной вязкостью.
Оптимум температуры соответствует по физической модели 60 0С, что хорошо совмещается с секцией регенерации пластинчатых пастеризационно-охладительных установок. При всей кажущейся простоте процесса, следует отметить высочайшую точность изготовления плунжерной пары (щель гомогенизирующего клапана соответствует размеру 100 мкм) и огромные энергозатраты на уровне сотен кВт, возрастающие в геометрической прогрессии по мере роста производительности. Все это ограничивает и даже исключает широкое внедрение такого способа гомогенизации.
Гомогенизация в кларификсаторах (специальных сепараторах со вставкой диска). Принцип дробления основан на ударе жирового шарика, имеющем ускорение Кориолиса, за счет сил кавитации о неподвижный диск, вставленный на выходе сливок из сепаратора-сливкоотделителя-нормализатора. Давление, развиваемое при этом, составляет 20 - 25 МПа, диаметр жировых шариков после выхода из камеры с неподвижным диском находится на уровне 1,5 мкм. При всей компактности и достаточной эффективности процесса он не нашел распространения на практике в связи со сложностью конструкции и дефицитом кларификсаторов, хотя идея подкупает совмещением процесса нормализации, очистки и гомогенизации молока в потоке.
Гомогенизация в эмульсорах. Имеется несколько конструкций эмульсоров, сущность которых сводится к механическому дроблению жировых шариков за счет перекачивания в специализированных насосах (ВНИКМИ), методом вспрыска (институт теплофизики АН УССР), струйно-вихревых (форсуночных) эмульсорах (Сибирский филиал ВНИКМИ), дезинтеграторах. Эти устройства обеспечивают достаточную эффективность эмульгирования при производстве ЗЦМ.
Гомогенизация в гидродинамических вибраторах (конструкция В. М. Степанова) основана на протекании молока через систему самоколеблющихся пластин (принцип свистка). Давление 0,4-0,5 МПа, температура 55 – 65 0С. Средний диаметр после процесса 2 мкм. Кроме дробления отмечен факт бактерицидного воздействия.
Эффективность гомогенизации оценивают различными способами:
по размеру жировых шариков;
по оптической плотности;
по степени отстаивания жировой фазы в поле силы тяжести.
В последнем случае – эффективность К (%) равна:
А · 100
К = (10)
А+В
где А – массовая доля жира в тяжелой фракции, %;
В – массовая доля жира в легкой фракции, %.
Анализируя процесс гомогенизации, остановимся прежде всего на его влиянии на состав и свойства молока. Количество жировых шариков после гомогенизации возрастает в 125 - 1000 раз. Безусловно, дробление жировых шариков приводит к существенным изменениям системы молока. Так, например, поверхность оболочек жировых шариков возрастает почти в 10 раз (до 15 м2 в 1 мл), что требует формирования оболочечного комплекса за счет компонентов молока (белков, ПАВ и др. компонентов). Сывороточные белки частично переходят на оболочку жировых шариков, а некоторые фракции, например, эвглобулин, денатурирует. Изменяется соотношение фракций казеина. Увеличивается количество не свертываемого сычужным ферментом каппа-казеина. В целом стабильность коллоидной фазы уменьшается, что достаточно четко фиксирует алкогольная проба. Получаемый из гомогенизированного молока сгусток характеризуется как «слабый», мелкодисперсный. Недостаточно отделяется сыворотка, увеличивается количество небелкового азота в сыворотке. Резко возрастает возможность липолиза. Происходит некоторое перераспределение минеральных солей (увеличение растворимого Са). Снижается рН, увеличивается титруемая кислотность. Незначительно изменяются оптические свойства, плотность, вязкость и поверхностное натяжение.
В то же время относительно гигиены питания гомогенизация является исключительно положительным фактором, т. к. улучшает (облегчает) усвоение липидного комплекса молока.
В настоящее время процесс гомогенизации молочного сырья сводится к гомогенизации молока с целью исключения самопроизвольного отстаивания жировых шариков. Хотя В. В. Вайткус и др. более широко трактуют этот процесс как в технологическом плане, так и с точки зрения качества молочных продуктов, обращая внимание на диетические свойства гомогенизированных продуктов. Кроме того, данный процесс рассматривается совместно с эмульгированием. И, хотя с процессовой точки зрения эмульгирование относится к смешиванию (перемешиванию), в технологическом плане такое совмещение рассмотрения процессов вполне допустимо.
Эмульгирование (смешение, совмещение) - распределение молочного или немолочного жира в молочном сырье и его диспергирование. Технологический процесс довольно широко используется и исследуется в последнее время практически при производстве всех групп молочных продуктов, особенно ЗЦМ, ЦДП, сливочного масла, сыров и цельномолочных продуктов. При этом экономические вопросы замены более дорогого молочного жира на растительные и животные жиры хорошо совмещаются с теорией диетического и сбалансированного питания.
В. В. Вайткусом разработан альтернативный вариант - раздельная, двухступенчатая гомогенизация молочного сырья. Сущность ее заключается в гомогенизации не молока, а сливок с последующим смешением их с обезжиренным молоком. Подогретое молоко вначале подают в сепаратор сливкоотделитель для получения сливок с массовой долей жира 16-20 %. Полученные сливки поступают в двухступенчатый гомогенизатор, где обрабатываются в первой ступени под давлением 8-10 МПа, а во второй ступени под давлением 2,0 - 2,5 МПа.
Рисунок 19 – Двухступенчатая гомогенизация.
1 – первая ступень;
2 – вторая ступень.
Обезжиренное молоко после сепаратора смешивается с гомогенизированными сливками и отправляется на переработку.
Положительной стороной раздельной гомогенизации является исключение воздействия на плазму молока и снижении энергозатрат за счет сокращения объема, что позволяет получить экономический эффект.
Вопросы для контроля изучения материала лекции
1. Фильтрация. Способы фильтрации. Фильтры для молока?
2. Преимущества и недостатки фильтрации?
3. Сепарирование. Сущность процесса, преимущества и недостатки?
4. Разновидности сепарирования?
5. Гомогенизация. Теоретические предпосылки процесса. Условия гомогенизации?
6. Способы гомогенизации. Краткая характеристика?
7. Сущность 2-х ступенчатой гомогенизации?
ЛЕКЦИЯ № 5. Мембранные методы обработки молочного сырья
ПЛАН