книги из ГПНТБ / Гуляев-Зайцев, С. С. Физико-химические основы производства масла из высокожирных сливок

кого переходного состояния системы при охлаждении и меха­ нической обработке высокожирных сливок, которое возникает* при критической концентрации твердой фазы жира и позволяет разделить процесс маслообразования на две стадии.

Обобщенная характеристика процесса маслообразования^ дана на рис. 38.

На I стадии процесса — стадии охлаждения и разрушения эмульсии — под влиянием охлаждения и интенсивной механиче­ ской обработки высокожирных сливок происходит дополнитель­ ное эмульгирование жира и изменение степени дисперсности жировой фазы, оболочки жировых шариков утоньшаются, вяз­ кость продукта увеличивается незначительно. В мелкодиспергированной жировой фазе наблюдается начальное отвердевание' высокоплавких триглицеридов, интенсивная механическая обра­ ботка смещает его в область повышенных температур. Вслед за начавшейся кристаллизацией жира в дисперсном состоянии наступает скачкообразное разрушение эмульсии, сопровождаю­ щееся уменьшением вязкости высокожирных сливок. В процес­ се разрушения эмульсии продолжается выделение твердого жира. Когда степень дестабилизации достигает 60—85%, в не­

91

прерывной жировой фазе возникает критическая концентрация твердого жира. Это состояние является переходным ко II ста­ дии процесса и характеризуется резким перегибом кривой вяз­ кости в сторону повышения. Полученное масло имеет выражен­

жается и дестабилизация практически заканчивается. В состоя­ щий неразрушенной эмульсии сохраняется лишь незначитель­ ная часть жира (2—6%) в виде наиболее мелких жировых ша­ риков. В начальный период эта стадия характеризуется высо­ кой скоростью отвердевания жира (массовой кристаллизацией) и резким увеличением вязкости продукта. В процессе дальней­ шей обработки постепенно снижаются пересыщение раствора триглицеридов и скорость фазового превращения, вследствие чего темп нарастания вязкости уменьшается. По мере охлажде­ ния и увеличения продолжительности механической обработки высокожирных сливок во время II стадии структурно-механиче­ ские свойства получаемого масла постепенно изменяются в ши­ роких пределах. В начале II стадии формируются типичные структуры кристаллизационного типа, а в конце — продукт с преобладанием слабых коагуляционных контактов и свойст­ венной ему малой прочностью, низкой термоустойчивостью, вы­ сокой пластичностью и почти полной тиксотропной восстанав­ ливаемостью.

На II стадии процесса формируются оптимальные свойства сливочного масла.

Из изложенного следует, что маслообразование характери­ зуется несколькими переходными состояниями системы, соот­ ветствующими качественными и количественными физико-хими­ ческими изменениями: разрушение эмульсии при температуре дестабилизации /д и изменение реологических характеристик при критической температуре tK.

Температуры tjx и tK зависят от удельной мощности меха­ нической обработки продукта [12, 30] (рис. 39). При повышении

-удельной мощности механической обработки с 9 до 56 Вт/кг tj\

охлаждения продукта в маслообразователе, которые обеспечи­ вают получение масла высокого качества. Во-вторых, темпера­ тура конечного охлаждения продукта должна избираться с уче­ том удельной мощности механической обработки. В-третьих, с удельной мощности механической обработки около 60 Вт/кг

92

давца [28], экспериментально установившими, что кривая деста­ билизации сливок, охлажденных до —2н-+10°С, при концент­ рации жировой фазы 83% показывает почти предельную сте­ пень разрушения.

Экстраполяция кривой tK дает возможность предположить* что без механической обработки высокожирных сливок крити­ ческой концентрации система может достигнуть при охлаждении до температуры около 11° С. В этом случае структурно-механи­ ческие свойства продукта на II стадии процесса изменяются в результате качественного изменения состава выделяющейся твердой фазы. Чем ниже температура охлаждения продукта на этой стадрш, тем больший удельный вес в формировании твер­ дой фазы занимают низкоплавкие триглицериды, за счет кото­ рых происходит соединение кристалликов и образование про­ странственной сетки. В результате расплавления низкоплавких триглицеридов при повышенных температурах кристаллизаци­ онные контакты между отдельными твердыми частицами разру­ шаются, и структура масла приобретает более выраженный коа­ гуляционный характер.

А. Д. Грищенко [И] охарактеризовал процесс преобразова­ ния высокожирных сливок в одноцилиндровом маслообразователе по кривым изменения температуры, степени разрушения эмульсии и вязкости готового масла, которые имели характер­ ные точки перегиба. Максимальные значения вязкости были

93.

у масла, полученного охлаждением высокожирных сливок до 18° С. По П. В. Никуличеву [24] (для трехцилиндрового масло-

•образователя) кривые твердости масла и скорости отвердева­ ния также имеют максимум при 17° С; при этой температуре

умасла плохая консистенция. Сопоставляя данные этих авторов

сданными, изложенными выше, можно убедиться, что макси­ мальные значения структурно-механических показателей масла

соответствуют критической температуре и характеризуют пере­ ходное состояние от I ко II стадии процесса. Таким образом, данные А. Д. Грищенко и П. В. Никуличева [11, 24], послу­ жившие основой для разработки режимов охлаждения и меха­ нической обработки высокожирных сливок в цилиндрических маслообразователях, объективно отражают процесс при посто­ янной удельной мощности механической обработки.

В связи с тем что на II стадии процесса формируются опти­ мальные свойства масла, в УкрНИИММПе автооом были ис­ следованы различные варианты охлаждения и механической обработки высокожирных сливок на этой стадии; проверена воз­ можность проведения процесса маслообразования при ступен­ чатых режимах механического воздействия, когда высокожир­ ные сливки на I стадии обрабатываются с высокой удельной мощностью (56 Вт/кг), а на II — удельная мощность механиче­ ской обработки снижается до 9 и 1 Вт/кг; изучена возможность обработки высокожирных сливок на II стадии при критической температуре структурообразования без дополнительного охлаж­ дения.

Структурно-механические свойства масла зависят от продол­ жительности механической обработки высокожирных сливок на II стадии с постоянной интенсивностью воздействия |рис. 40) [12]. В течение первых 20 с обработки коэффициент термоустойчивости изменяется незначительно, а в дальнейшем резко уменьшается и через 40—50 с достигает 0,7—0,75. Такая термоустойчивость оценивается как удовлетворительная [4]. Затем термоустойчивость снижается медленнее. Выделение жидкой дисперсионной среды из продукта подчиняется обратной зави­ симости и хорошо коррелирует с термоустойчивостью. В первые же 20 с предельное напряжение сдвига резко уменьшается с 2900 до 1100—1200 Па, снижаясь в последующем более плав­ но. В результате увеличения продолжительности обработки вы­ сокожирных сливок консистенция масла последовательно изме­ няется — от грубокристаллической и крошливой до пластичной, легко деформирующейся при повышенных температурах и ма­ лых нагрузках.

Продолжительность механического воздействия на II стадии процесса, которая обеспечивает оптимальные структурно-меха­ нические свойства масла, является предельной продолжитель­ ностью механической обработки тп. В рассматриваемом случае она составляет около 40 с.

94

Рис. 40. Зависимость структурно-механических показателей масла от про­ должительности обработки высокожирных сливок на II стадии при постоян­ ной удельной мощности механического воздействия 56 Вт/кг и непрерывном охлаждении (а); переменной мощности (56 Вт/кг на I стадии и 9 Вт/кг на II стадии) и температуре 19,7° С (б):

1 - Я т, 2 — Ж] 5 - р “ ; 4 - В .

Если высокожирные сливки на II стадии процесса обраба­ тывают при критической температуре без дополнительного охлаждения и при меньшей удельной мощности механического воздействия (см. рис. 40), то в зависимости от продолжитель­ ности механической обработки скорость изменения структурно­ механических свойств масла значительно уменьшается. Замет­ ное снижение коэффициента термоустойчивости начинается лишь через 60 с обработки и через 100—120 с он достигает 0,77. С увеличением продолжительности обработки количество выде­

В вариантах с охлаждением высокожирных сливок на II ста­ дии процесса температура его за время тп снижалась на 2—3°С..

При обработке высокожирных сливок с постоянной на обеих стадиях удельной мощностью и непрерывным охлаждением пре­

механического воздействия. Если при удельной мощности меха­ нической обработки 56 Вт/кг структура и консистенция масла приобретают оптимальные свойства через 40 с, то снижение удельной мощности примерно в два раза (до 26 Вт/кг) вызы­ вает необходимость увеличения предельной продолжительности механического воздействия на II стадии обработки в три раза,

95

\

т. е. до 120 с. При минимальной удельной мощности механиче­ ской обработки высокожирных сливок (9 Вт/кг) коэффициент термоустойчивости масла снижается до 0,77 через 180 с пере­ мешивания. Однако при данном режиме трудно получить масло с хорошей консистенцией. Из-за недостаточной связности струк­ туры в большинстве случаев оно имеет удовлетворительную консистенцию.

Таким образом, удельная мощность механической обработки и продолжительность обработки масла на II стадии процесса связаны между собой. При удельной мощности механической обработки высокожирных сливок 56 Вт/кг твердая фаза в усло­ виях охлаждения выделяется с большой скоростью. В сравни­ тельно короткий промежуток времени система достигает опти­ мального состояния, и дальнейшая обработка высокожирных сливок отрицательно влияет на реологические свойства масла. Кроме того, такая удельная мощность воздействия на систему, находящуюся в состоянии фазового превращения, за меньший промежуток времени обеспечивает тонкое диспергирование вы­ деляющейся твердой фазы.

При малой удельной мощности механической обработки кри­ сталлы молочного жира выделяются медленнее, и механическая обработка высокожирных сливок на II стадии процесса должна проводиться дольше. Сокращение продолжительности механиче­ ского воздействия приводит к отвердеванию глицеридов в усло­ виях покоя и излишнему развитию кристаллизационных струк­ тур. При пониженной удельной мощности механической обра­ ботки требуется также больше времени для получения опти­ мальной степени дисперсности твердой фазы.

Как показывают исследования, механическая обработка вы­ сокожирных сливок с удельной мощностью 9 Вт/кг не обеспечи­ вает высокого качества готового масла при оценке его по всем показателям. В условиях массовой кристаллизации на II стадии

:96

М

образуются крупные кристаллические агрегаты. С повышением длительности механической обработки высокожирных сливок ,в получаемом продукте постепенно снижается коэффициент тер­ моустойчивости, по масло не приобретает достаточных пласти­ ческих свойств. Термоустойчивость обусловливается структурой, образуемой кристалликами высокоплавких глицеридов с тем­ пературами плавления выше 30° С, а консистенция — структурой, сформированной кристаллами более широкой группы глицери­ дов. Высокоплавкие глицериды отвердевают преимущественно в аппарате при механическом воздействии на высокожирные сливки. Продолжительная механическая обработка с малой удельной мощностью снижает коэффициент термоустойчивости масла. Твердая фаза, обусловливающая свойства консистенции масла, формируется как при охлаждении и механической обра­ ботке, так и в состоянии покоя при последующем охлаждении масла. Поэтому в случае недостаточного диспергирования от­ вердевающего жира на II стадии процесса снижается количе­ ство твердых частиц в единице объема свежего масла и про­ исходит их дальнейшее укрупнение во время последующего охлаждения и хранения с излишним развитием кристаллизаци­ онной структурной сетки. Такое масло приобретает повышен­ ную прочность (см. табл. 19).

Исследования показывают, что можно применять ступенча­ тые режимы механического воздействия на высокожирные слив­ ки, когда механическая обработка продукта на I и II стадиях проводится с различной удельной мощностью воздействия Ni и ЛТь Обработка высокожирных сливок с высокой удельной мощностью механического воздействия на I стадии влияет на процессы, протекающие па II стадии, а также на свойства гото­

II стадии. Высокожирные сливки, которые на стадии охлажде­ ния и разрушения эмульсии обрабатывают с высокой удельной мощностью механического воздействия, при критической тем­ пературе приобретают качественно иные свойства по сравнению со сливками, обработанными на I стадии с низкой удельной мощностью механического воздействия.

При обработке высокожирных сливок на II стадии без охла­ ждения увеличивается предельная продолжительность механи­ ческого воздействия по сравнению с режимом, включающим охлаждение (см. табл. 19). Это вызвано более медленным от­ вердеванием глицеридов жира в условиях постоянной темпера­ туры и обусловливает необходимость удлинения тп. Без охлаж­ дения высокожирных сливок на II стадии маслообразования можно получить приемлемую консистенцию только применяя одинаковую удельную мощность механической обработки {56 Вт/кг) на обеих стадиях, которая обеспечивает высокую

97

степень дисперсности твердой фазы в аппарате, что предот­ вращает развитие кристаллизационных структур. Снижение интенсивности обработки на II стадии до 9 и 1 Вт/кг приводит

кформированию в масле крошливой консистенции. Описанные закономерности разрушения высококонцентриро­

ванных эмульсий и структурообразования в условиях .охлажде­ ния и механической обработки являются достаточно общими и распространяются на разнообразные жировые эмульсии, в том числе и на эмульсии, применяемые при производстве марга­ рина [18].

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И КОНСИСТЕНЦИЯ МАСЛА

Сливочное масло имеет сложнейшую дисперсную структуру, образованную твердой и жидкой фазами триглицеридов молоч­ ного жира, плазмой — водной фазой, с растворенными и дис­ пергированными компонентами молока (белок, сахар, фосфо­ липиды, минеральные и органические соли, витамины и другие составные части), а также включающую газовую фазу в виде пузырьков.

Свойства структуры масла зависят от содержания и харак­ тера взаимосвязей отдельных компонентов, находящихся в раз­ личном физическом состоянии, а также от степени дисперсности. Основная роль в создании дисперсной структуры масла принад­ лежит жировой фазе.

В непрерывной жидкой жировой фазе масла диспергированы отдельные кристаллики молочного жира, которые за счет сил взаимодействия образуют пространственную структуру. В про­ цессе маслообразования жировая эмульсия разрушается не пол­ ностью, поэтому часть жира переходит в масло в виде жировых шариков, полностью или частично сохранивших свои адсорбци­ онные оболочки. Такие жировые глобулы сферической формы, с частично отвердевшим жиром, также диспергированы в не­ прерывной фазе жидкого жира.

В зависимости от режима и способа производства в масле

масла и плавления жира количество индивидуальных жировых шариков постепенно уменьшается в результате их слияния и об­ разования более крупных вторичных жировых шариков с диа­ метром выше 15 мкм и выделения жидкой фракции в непре­

турой.

Зернистая структура создается отдельными зернами, или гранулами твердого жира, диспергированными в жидкой фрак­ ции. Такие зерна представляют собой крупные агрегаты жиро­

98

и твердым телам, а при температурах, близких к точке плавле­ ния жира,— к жидкообразным.

Важнейшими структурно-механическими показателями, опре­ деляющими консистенцию сливочного масла, являются проч­ ность (на сдвиг, растяжение, изгиб), вязкость, эластичность, пластичность, упругость, связность и термоустойчивость.

Прочность характеризуется предельным напряжением, при котором струк­ тура продукта начинает разрушаться.

Вязкость масла характеризует внутреннее сопротивление дисперсной структуры, возникающее в ней при деформации течения.

Сливочное масло обладает не только пластично-вязкими, но и упруго-эла­ стичными свойствами [10, 17, 23]. Эластичность по П. А. Ребиндеру опреде­ ляют из отношения величины высокоэластичной деформации к общей упруго­ эластичной деформации, а пластичность рассчитывают как отношение остаточной пластической деформации к общей максимальной деформации, до­ стигнутой под нагрузкой.

Хайгтон [32] предлагает о пластичности масла судить по степени .разру­ шения структуры, которую определяют из уравнения

Ян-Яр

W = ----р---- 100% , •*н

где W — степень разрушения структуры;

Р н и Р р — прочность неразрушенной структуры масла и структуры после

механического разрушения.

По данным автора, у продукта при степени разрушения структуры, рав­ ной 80% и более, излишне твердая и крошливая консистенция, в его струк­ туре преобладают кристаллизационные элементы, а при степени разрушения 70—75%— оптимальная твердость и пластичная консистенция. Такая струк­ тура носит выраженный коагуляционный характер.

Упругость определяют из отношения общей упруго-эластичной деформа­ ции к общей максимальной деформации. Упругость наиболее свойственна кристаллизационным элементам пространственной структуры, а ее коагуля­ ционные элементы обеспечивают эластичность продукта [23].

Связность структуры является безразмерным показателем, характеризую­ щим деформационные свойства масла в области напряжений, не превышаю­

Термоустойчивость сливочного масла по А. П. Белоусову [4] характе­ ризуется способностью его сохранять форму при 30° С и определяется как отношение диаметров цилиндрика до и после деформации.

Сливочное масло должно обладать гомогенностью структу­ ры, т. е. иметь однородное высокодисперсное распределение всех компонентов. Продукт высокого качества не должен расслаи­ ваться и выделять в большом количестве жидкую фракцию три­ глицеридов.

Важным свойством масла является способность его длитель­ но сохранять приданную форму при комнатных и повышенных температурах и в отсутствии внешних воздействий, т. е. быть формоустойчивым в широком диапазоне температур.

100