3.4. Гомогенизация молочного сырья

При производстве молока и молочных продуктов одной из основных технологических операций является гомогенизация (эмульгирование, диспергирование).

Гомогенизация является высокоэффективным механическим способом обработки продуктов и смесей в жидком и пастообразном состоянии. Данный процесс способствует улучшению свойств и вкусовых качеств пастеризованного и сгущенного молока, питьевых сливок, кисломолочных напитков, майонеза, мороженого, обеспечивая их однородность. При производстве спредов, смесей топленых гомогенизация предотвращает расслоение продукта в результате диспергирования водной фазы масла.

Исследованием процесса раздробления занимался еще Релей и другие исследователи, изучавшие распыление жидкого топлива.

Голэн при высоком давлении пропускал жидкость с диспергированными в ней частицами через узкие отверстия. Жидкость приобретала большую скорость и раздроблялась. При этом разбивались также диспергированные частицы и эмульсия становилась однородной и стойкой.

Практическое решение вопроса подтверждало исходные соображения конструкторов о роли удара быстро движущейся струи, поэтому гомогенизирующие головки конструировали так, чтобы получить по возможности хорошо выраженные удары. Теория раздробления ударом продержалась довольно долго. Однако эта теория была поставлена под сомнение, когда было доказано, что гомогенизация может быть достигнута без удара струи. Определенную ясность в вопрос о механизме гомогенизации внес Н.В. Барановский.

3.4.1. Цель, назначение и сущность процесса гомогенизации

Молоко представляет собой полидисперную систему. Всякая полидисперсная система характеризуется содержанием диспергированных частиц различного размера. Если сравнить величину частиц главных составных частей молока, а также их распределение по размерам с величиной частиц, характерной для дисперсных систем, то можно сделать следующие выводы:

1) белки содержатся в молоке в коллоидном состоянии и образуют с плазмой молока коллоидный раствор;

2) жир присутствует в молоке в форме капель величиной несколько микрометров и образует с жидкой фазой свеженадоенного молока эмульсию, так как он находится в жировых шариках в жидком виде; лишь очень небольшая часть жира находится в коллоидном состоянии.

Жировая эмульсия молока кинетически неустойчива, поскольку плотность молочного жира ниже, чем плотность плазмы (соответственно 0,93110³ кг/ м³ и 1,03410³ кг/м³ при 20 С). Если даже учесть, что плотность жирового шарика увеличивается на 1-3 % за счет оболочки, то все равно различие между дисперсными частицами и средой по плотности остается значительным. Вследствие этого происходит всплывание жировых шариков с образованием слоя, характеризующегося их повышенной концентрацией (сливки).

При отстаивании сливок скорость всплывания жировых шариков на поверхность определяется по формуле Стокса:

(12)

где V - скорость подъема жирового шарика, м/с;

r - радиус жирового шарика, м;

p_п и p_ж - плотность плазмы и жирового шарика, кг/м³;

 - вязкость молока, Па∙с;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Так как ускорение свободного падения, плотность плазмы молока и молочного жира являются величинами постоянными, из формулы (12) следует, что на скорость отстаивания сливок влияют радиус жировых шариков и вязкость молока.

С уменьшением радиуса жировых шариков и увеличением вязкости молока скорость отстаивания сливок будет уменьшаться. Эти условия и достигаются при проведении процесса гомогенизации.

Среди различных способов термомеханического воздействия на молочные продукты с целью придания их жировым фазам необходимых свойств наиболее эффективным является гомогенизация.

Гомогенизация - это процесс раздробления (диспергирования) жировых шариков в молоке, увеличения дисперсности белковых частиц, стабилизации системы при воздействии на молоко внешних усилий, вызванных перепадом давления.

Гомогенизация молочной эмульсии (молока, сливок и других молочных продуктов) не только обеспечивает повышение дисперсности и седиментационной устойчивости жировой фазы, но и способствует улучшению вкусовых показателей продукта, повышению его усвояемости организмом и более полному использованию содержащихся в нем жира и витаминов. Гомогенизация вызвана интересами улучшения качества продуктов: внешнего вида, вкуса, консистенции - и поисками путей снижения расхода сырья при производстве белковых продуктов.

Начало промышленного применения процесса гомогенизации связано с устранением отстоя сливок в питьевом молоке. Впервые гомогенизацию в молочной промышленности применили в Англии. И в первые дни реализации гомогенизированного молока покупатели устроили бунт, потому что до этого о качестве молока они судили по величине отстоявшихся сливок в бутылке, а в гомогенизированном молоке отстоя не наблюдалось. Необходимость в улучшении качества молочных продуктов, совершенствовании технологических процессов их выработки привела к тому, что процесс гомогенизации ввели практически во все технологические схемы.

Наиболее широко гомогенизацию используют при производстве пастеризованного молока, сливок, кисломолочных напитков, сметаны, мороженого, плавленых сыров, масла коровьего, творога, вырабатываемого на поточных линиях.

Цель гомогенизации - это обеспечение такого распределения шариков жира по размерам, чтобы большинство их имело диаметр, не превышающий определенную, ранее заданную величину (d_о), что обеспечит необходимую стабильность жировой фазы в молоке.

Размер и количество жировых шариков в свежем молоке непостоянны и зависят от породы животных, стадии лактации, рационов кормления и других факторов.

В 1 мм молока содержится 1,5-4,0 млрд шариков жира, их средний диаметр равен 2,0-3,5 мкм с колебаниями от 0,5 до 18 мкм. Размеры шариков жира имеют практическое значение, так как определяют степень перехода жира в продукт при производстве сыра, творога и других продуктов. В обычном молоке заметный отстой сливок в результате всплывания наиболее крупных жировых шариков наблюдается уже через 2-3 часа. Молоко становится неоднородным.

При гомогенизации образуются однородные по величине шарики жира, в среднем до 1,0 мкм, что говорит об их уменьшении примерно в 10 раз, при этом скорость всплывания шариков жира уменьшается примерно в 100 раз. На рис. 4 представлены шарики жира под микроскопом в натуральном (а) и гомогенизированном (б) молоке.

Наибольшие трудности при гомогенизации представляет деструкция оболочки, адсорбированной на поверхности жировой сферы. Это становится очевидным рассматривая следующие данные: при осуществлении процесса гомогенизации с давлением 10 МПа необходимо увеличить в каждой тонне молока поверхность раздела фаз на 500 тыс. м².

В процессе дробления жирового шарика происходит перераспределение его оболочечного вещества. На построение оболочек образовавшихся мелких шариков мобилизуются плазменные белки, а часть фосфатидов переходит с поверхности жировых шариков в плазму молока. Восстановление адсорбционного слоя вокруг новых жировых капель, а также формирование диффузного пограничного слоя происходит самопроизвольно. Этот процесс способствует стабилизациии высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока. Поэтому при высокой дисперсности жировых шариков гомогенизированное молоко, а также сливки практически не отстаиваются.

а) б)

Рис. 4. Жировые шарики под микроскопом:

а) негомогенизированное молоко; б) гомогенизированное молоко

В настоящее время достаточно развитой теории гомогенизации не имеется. Существует целый ряд гипотез, объясняющих механизм дробления жировых шариков. По гипотезе Н.В. Барановского диспергирование жировых шариков происходит в результате резкого изменения скорости молока при входе в клапанную щель. Механизм дробления жировых шариков, схематично представленный на рис. 5, заключается в следующем.

Рис. 5. Схема диспергирования жирового шарика в клапанной щели гомогенизатора:

V_o, p_o - скорость жирового шарика и давление молока в подводящем канале; V ₁, p₁ - скорость движения

и давление в щели клапана; h - высота клапанной щели; d - диаметр подводящего канала в седле клапана

В гомогенизирующем клапане на границе раздела седла гомогенизатора и клапанной щели имеется порог резкого изменения сечения потока и, следовательно, изменения скорости движения.

При переходе из зоны малых скоростей Vo, равной несколько метров в секунду, в зону высоких скоростей V₁, превышающей сотни метров в секунду, происходит деформация жирового шарика: его передняя часть, включаясь в поток, проходящий через гомогенизирующую щель с большой скоростью, вытягивается в нить и дробится на мелкие капельки.

Исследователями Всероссийского научно-исследовательского конструкторского молочного института (ВНИКМИ) предложена следующая трактовка процессов, происходящих в молочных продуктах в момент гомогенизации. Под действием гидромеханических сил, возникающих в клапанной щели гомогенизатора, разрушаются как натуральные (исходные) жировые шарики (наибольшое количество более мелких - первичных), так и мицеллы казеина (наиболее мелкие, вплоть до отдельных субмицелл). Образовавшиеся первичные жировые шарики и фрагменты разрушенных мицелл находятся в нестабильном активизированном состоянии.

Стремление молекулярных сил на границах раздела «жир-плазма» к насыщению и является причиной протекания в гомогенизируемых продуктах трех самопроизвольных процессов: 1) коалесценции первичных жировых шариков, 2) адсорбции на них активизированных фрагментов разрушенных мицелл казеина и 3) ассоциации последних с восстановлением мицелл (рис. 6).

На границу раздела «жир-плазма», возникающую при гомогенизации, наряду с фрагментами разрушенных наиболее крупных мицелл казеина адсорбируются фосфолипиды, казеин в молекулярно-растворенном состоянии и другие поверхностно-активные вещества (ПАВ) молока. Эти самопроизвольные процессы протекают в гомогенизированной молочной эмульсии одновременно и являются конкурирующими.

В результате столкновений еще не покрытых адсорбционными оболочками первичных жировых шариков в процессе теплового движения и их коалесценции образуются вторичные жировые шарики больших размеров. Вероятность коалесценции первичных жировых шариков повышается с ростом их концентрации, что обеспечивается повышением содержания жира и увеличением давления и температуры гомогенизации. Из трех рассмотренных самопроизвольных процессов, протекающих в молочной эмульсии, только адсорбция способствует достижению цели гомогенизации - повышению дисперсности и седиментационной устойчивости эмульсии, так как на этом этапе формируются адсорбционные оболочки жировых шариков.

Исходя из ранее указанного, очевидно, что при данном механизме диспергирования происходит изменение не только жировой фазы молока, но и белковой.

Но не всегда такое воздействие целесообразно. В этом случае следует использовать эффект кавитации, который приводит к моментальному разделению жировых шариков на более мелкие.