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

Если у масла структура коагуляционно-кристаллизационного характера с преобладанием коагуляционных элементов, то это обеспечивает хорошие товаоные свойства продукта.

Формирование структурно-механических свойств сливочного масла не завершается после выхода его из аппарата. (В связщ с этим важное значение приобретают кинетические закономер­ ности упрочнения структуры продукта, которые так же, как и его свойства, определяются применяемыми режимами охлаждения и механической обработки высокожирных сливок в маслообразователях и температурой структурообразования.

Впервые процессы структурообразования в сливочном масле

разования готового масла в зависимости от продолжительно­ сти и удельной мощности механической обработки высокожир­ ных сливок.

Кривые изменения предельного напряжения сдвига масла, выработанного при постоянной на обеих стадиях удельной мощ­ ности механической обработки, равной 56 Вт/кг, и различной продолжительности обработки на II стадии, приведены на рис. 41. Масло, отобранное для исследования на I стадии про­ цесса, за 20 с до того, как система достигает критической темпе­ ратуры (кривая 2), быстро упрочняется, и через 2,5 ч предельное напряжение сдвига достигает 2000 Па. Здесь скорость структу­ рообразования снижается (на кривой появляется площадка), и через 7—8 ч начинается вторичное быстрое упрочнение. Через 12—15 ч структурообразования предельное напряжение сдвига масла достигает почти предельных значений и в дальнейшем уве­ личивается всего на 200—400 Па.

Продукт, вышедший из аппарата при критической температу­

101

неравномерно упрочняется во времени. -При таком режиме в масле формируется высокопрочная структура кристаллизацион­ ного типа. Между кристалликами создаются прочные фазовые контакты. В связи с тем что отвердевание жира сопровождается уменьшением объема продукта, в структуре возникают внутрен­ ние напряжения, приводящие на определенной стадии структурообразования к местным разрушениям структурной сетки по наи­ более слабым участкам и возникновению дефектов с уменьше­ нием предельного напряжения сдвига. Саморазрушение структу­ ры проявляется на кривой структурообразования в виде двух спадов Р нт . Частицы дисперсной фазы, связанные коагуляцион­ ными контактами, могут свободно перемещаться в условиях уменьшения объема продукта. В кристаллизационной структуре частицы, жестко закрепленные контактами срастания, теряют способность к сдвигу и взаимному перемещению. Чем больше в структуре прочных фазовых контактов, тем выше внутренние напряжения.

Сравнение кинетических кривых 1 и 2 показывает, что масло* полученное на I стадии процесса, имеет более низкое предельное напряжение сдвига, хотя обладает выраженной кристаллизаци­ онной структурой. Это наблюдается и при исследовании струк­ турно-механических свойств масла (см. рис. 36) и объясняется неполной дестабилизацией и частичным сохранением оболочек жировых шариков в таком продукте. Оболочки снижают в струк­ турном каркасе количество кристаллизационных контактов.

При этих режимах обработки неоднородность структуры мас­ ла подтверждается заметным разбросом экспериментальных то­ чек предельного напряжения сдвига, определяемого в различных объемах продукта.

Кривые структурообразования масла из высокожирных сли­ вок, обработанных на II стадии в течение 20—120 с (кривые Зу 4, 5), имеют более плавный характер нарастания предельного напряжения сдвига. В первые 2—3 ч предельное напряжение сдвига увеличивается с большей скоростью, затем наступает пе­ риод медленного упрочнения структуры, которое практически заканчивается через 15—20 ч.

Следовательно, предельное напряжение сдвига масла, а так­ же характер кривых структурообразования зависят от режима механического воздействия на высокожирные сливки. Если об­ работка высокожирных сливок в маслообразователе завершает­ ся при достижении критической температуры, то последующие процессы массового отвердевания жира в состоянии покоя вы­ зывают кристаллизационное структурообразование. При этом неравномерность упрочнения структуры масла определяется по­ следовательным отвердеванием разнородных групп глицеридов. Такие кривые структурообразования во многом сходны с кри­ выми отвердевания молочного жира.

102

ние твердой фазы. Это оказывает влияние на характер кинети­ ческих кривых упрочнения структуры.

Автором исследованы процессы структурообразования сли­ вочного масла при 10—17° С. В течение 2—3 суток при постоян­ ной температуре определяли предельное напряжение сдвига масла, выработанного при различных режимах обработки высо­ кожирных сливок в аппарате. Кинетические кривые упрочнения структуры продукта при 17° С показаны на рис. 43, а. Все кри­ вые характеризуют неравномерное структурообразование. После быстрого упрочнения структуры в первые 10—20 мин скорость процесса замедляется, на кинетических кривых появляются пло­ щадки с малым углом наклона к оси абсцисс; через 5—6 ч про­ цесс практически завершается. Чем длительнее механическая обработка высокожирных сливок в аппарате, тем ниже скорость упрочнения масла при последующем термостатировании и зна­ чение предельного напряжения сдвига к концу структурообра­ зования. При температуре масла 17° С отвердевает около 21% жировой фазы, которая участвует в формировании прочностных свойств масла. Фазовые превращения заканчиваются в течение 2—3 ч, поэтому дальнейшее повышение предельного напряже­ ния сдвига может быть обусловлено тиксотропией.

Кривые структурообразования при 14° С (рис. 43,6) показы­ вают, что в данных условиях процесс упрочнения масла завер­ шается в основном за 3—4 ч. В дальнейшем предельное напря­ жение сдвига хотя и повышается, но незначительно. У масла, полученного при обработке высокожирных сливок на I! стадии в течение 40 и 70 с, Р нт возрастает в большей степени. При этом нарастание предельного напряжения сдвига при 14° С про­ исходит по более плавным кривым, на которых отсутствуют уча­ стки сравнительно быстрого повторного упрочнения. Это объ-

Рис. 43. Кинетика упрочнения свежего масла при 17° С (а) и 14° С (б) и раз­

личной продолжительности обработки продукта иа II стадии процесса (в с)

1 — 0; 2 - 20; 3 - 40; 4 - £0; 5 - 70; 6 — 120; 7 - 200.

104

яснястся одновременным выкристаллизовыванием разнородных групп глицеридов, в том числе и сравнительно низкоплавких.

Общая закономерность снижения скорости упрочнения струк­ туры и значений предельного напряжения сдвига в результате увеличения продолжительности механической обработки высокожирных сливок на II стадии маслообразования дополнительно подтверждается этими опытами.

Дилатометрические исследования показали, что степень от­ вердевания жира при 14° С на 7,5% выше, чем при 17° С, и со­ ставляет 28,5%. Такое увеличение концентрации твердой фазы повышает предельное напряжение сдвига при сопоставимых ре­ жимах механической обработки в 2—3 раза.

Было исследовано также структурообразование при 10° С. Кинетические кривые но характеру оказались подобными кри­ вым, полученным при 14° С. Содержание твердой фазы при 10°С составляет 44,5%, что обусловливает увеличение предельного напряжения сдвига масла в 5—10 раз по сравнению с Р нш при 17° С и в 2—3 раза по сравнению с Р нт при 14° С. Таким образом, снижение температуры, при которой происходит струк­ турообразование свежего масла, повышает скорость отвердева­ ния жировой фазы, упрочнения структуры и резко увеличивает предельное напряжение сдвига продукта. Охлаждение масла до 10—14°С в результате дополнительного отвердевания сравни­ тельно низкоплавких глицеридов обеспечивает более плавкое упрочнение структуры продукта во времени. Влияние режимов охлаждения и механической обработки высокожирных сливок на предельное напряжение сдвига готового масла проявляется при различных температурах последующего структурообразовання.

Предельное напряжение сдвига масла с хорошей консистен­ цией и термоустопчивостью при 20° С обычно составляет 1000— 2000 Па в весенне-летний период и возрастает до 3000—4000 Па в осенне-зимний период. У образцов с предельно высоким со­ держанием твердого жира может быть более прочная струк­

тура.

При хорошей консистенции и термоустопчивости твердость масла колеблется от 1,6 до 2 Н/см зимой и от 0,65 до 0,95 Н/см

летом [2].

Вязкость масла, выработанного из высокожирпых сливок, также зависит от его структуры [26]. У образцов с излишне твердой, крошливой и ломкой консистенцией вязкость при 0—

зуют такие образцы масла,, когда жир перерабатываемого сырья содержит максимальную и минимальную концентрацию высокоплавких глицеридов и со­ ответственно наибольшую и наименьшую степень отвердевания жира при различных температурах. У образцов сливочного масла, выработанных при оптимальных технологических режи­ мах из сливок промежуточного состава, коэффициент термоус­ тойчивости находится в области, ограниченной кривыми 1 и

Нарушение технологического режима выработки масла в сто­ рону увеличения продолжительности механического воздействия на II стадии процесса вызывает не только снижение Р кте масла, но и резкое ухудшение термоустойчивости (кривая 3). Особен­ но резко уменьшается Кт при 28—30° С. При 29° С термоустой­ чивость оценивается как удовлетворительная, а при 30° С — как неудовлетворительная. Таким образом, при низкоплавком молоч­ ном жире для выработки масла с хорошей термоустойчивостью особо важно поддерживать оптимальный технологический ре­ жим [14].

А. Д. Грищенко и М. В. Залашко [10] впервые исследовали влияние продолжительности механической обработки высоко­ жирных сливок в аппарате на вязко-пластические свойства масла.

Из данных табл. 20 видно, что с увеличением длительности механической обработки продукта в аппарате уменьшаются зна­ чения начального модуля сдвига Е ь модуля эластичности Е2у вязкости пластического течения щ и условной вязкости эластиче­ ской деформации ц2. При этом понижается предел текучести Рк и увеличивается эластичность системы X.

Способность структуры масла удерживать жидкую фракцию триглицеридов также зависит от типа пространственной структу­ ры и концентрации в масле твердого жира (табл. 21).

Вследствие снижения содержания твердой фазы уменьшает- • ся количество кристаллов и поверхность смачивания, частично

106

л

■■V

разрушаются структурные связи между твердыми частицами, увеличивается концентрация жидкой фракции.

Из масла с хорошей консистенцией при 25° С выделяется око­ ло 38—49% жидкой фракции [15]. Если в продукте при 25° С со­ держится менее 15% твердого жира, то количество выделяющей­ ся жидкой фракции возрастает. У такого масла обычно излишне мягкая консистенция и пониженная термоустойчивость. Если содержание твердых глицеридов в масле повышается, то раз­ ница в количестве выделяющейся жидкой фракции для иссле­ дованных структур уменьшается. При концентрации твердого жира выше 55% жидкая фракция из масла не выделяется. Та­ ким образом, колебания температуры окружающей среды из­ меняют концентрацию диспергированной твердой жировой фазы в сливочном масле. Поэтому прочностные и деформационные свойства масла зависят от температуры.

Чтобы оценить кристаллизационно-коагуляционные структу­ ры масла, используют степень разрушения структуры, которая определяется как отношение разности прочности неразрушенной и разрушенной структур к прочности первой [31, 32]. Опыты, проведенные автором, показали, что степень разрушения струк­ туры масла, выработанного из высокожирных сливок, зависит со температуры. У масла с пластичной* консистенцией и хоро­ шей термоустойчивостыо степень разрушения структуры равна

70—75% при 12—18° С и 60—65% при 20° С.

Связность масла характеризует эластические свойства струк­ туры. Чем выше показатель связности структуры масла, тем луч­ ше оно намазывается на хлеб. Связность структуры масла, вы-

W ?0 30 40 N, Вт/кг

работанного в трехцилиндровых маелообразователях, колеблется от 0,2 до 0,35— зимой, а максимальные значения ее летом дости­ гают 0,55 [2]. Связность структуры масла, полученного в пла­ стинчатых маелообразователях, по данным В. Г. Добронос (УкрНИИММП), зависит от технологического режима и у масла с хорошей консистенцией и термоустойчивостью при 10° С колеб­ лется от 0,26 до 0,46.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА МАСЛООБРАЗОВАНИЯ

Технологическими параметрами, которыми определяют про­ цесс маслообразовання и позволяют управлять им, являются удельная мощность механической обработки, температура и ско­ рость охлаждения (1 стадия), удельная мощность и продолжи­ тельность механической обработки, а также температура охлаж­ дения (II стадия).

На I стадии процесса более предпочтительна удельная мощ­ ность механической обработки 20—60 Вт/кг. При обработке с такой удельной мощностью снижается переохлаждение жира, увеличивается скорость отвердевания и разрушения эмульсии, уменьшается отрицательное влияние вторичных эффектов отвер­ девания, проходящих в масле после выхода его из маслообразователя, а также обеспечивается высокая степень дисперсности выделяющейся твердой фазы и создаются предпосылки для фор­ мирования оптимальных структурно-механических свойств на следующих этапах технологического процесса.

Дальнейшее увеличение удельной мощности механической об­ работки не влияет на маслообразование.

Критическая температура структурообразования зависит от удельной мощности механической обработки высокожирных сли­ вок, и ее необходимо выбирать в соответствии с удельной мощ­ ностью механической обработки продукта (рис. 45). При меха­ нической обработке высокожирных сливок с удельной мощно­ стью 20—60 Вт/кг и скорости охлаждения до 10° С/мин темпера­ тура их па I стадии должна быть соответственно снижена до 17—20° С, а при скорости охлаждения выше 10° С мин — до 15—

18° С.

Особенно значительно влияние скорости охлаждения на про­ цессы кристаллизации и маслообразовання в области скоростей ниже 2— С!мни. Приведенная зависимость критической темпе­ ратуры структурообразования от удельной мощности механпче-

108

туру их необходимо снизить на 2—3° С по сравнению с крити­

ческой.

Если обработка высокожирных сливок на II стадии процесса осуществляется без дополнительного охлаждения, то продолжи­ тельность зоны формирования оптимальных свойств увеличива­ ется, что целесообразно только при высокой и постоянной удель­ ной мощности механического воздействия.

Характеризуя процесс по технологическим параметрам (ско­ рость и температура охлаждения, удельная мощность и продол­ жительность механической обработки, а также удельная рабо­ та), можно смоделировать его в маслообразователе различной производительности.

В связи с непостоянством химического состава и физико-хи­ мических свойств молочного жира оптимальные температуры ох­ лаждения продукта — к концу I стадии tK и на II стадии tn— м о г у т изменяться в пределах ±1°С . Важным способом управле­ ния процессом является обработка продукта на II стадии с раз­ личной удельной мощностью механического воздействия. При этом чтобы получить масло хорошей консистенции, необходимо на II стадии при переработке высокоплавкого молочного жира (что характерно для зимнего периода) повысить удельную ра­ боту, при пониженном содержании твердой фазы (что наблюда­ ется летом) требуется снизить энергию механического воздей­ ствия и тем самым избежать излишнего разрушения структуры.

ГЛАВА VI. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ВЫРАБОТКИ

МАСЛА НА УСТАНОВКЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ

1000 кг/ч

На основе исследований, проведенных коллективом авторов, в УкрНИИММПе разработана установка для выработки масла

из высокожирных сливок производительностью 1000 кг/ч [1, 2,

9].

Установка (рис. 46) состоит из маслообразователя 4, плун­ жерного насоса-дозатора 5, системы автоматического регулиро­ вания режима работы 3, щита управления 2, стола для напол­ нения и взвешивания ящиков с маслом 6 и транспортера подачи их в холодильную камеру 1.

В состав маслообразователя входят пластинчатый охлади­ тель скребкового типа, обработчик и привод, расположенные на одной станине. Высокожирные сливки охлаждаются в про­ дуктовых пластинах, которые последовательно чередуются с ох­ лаждающими пластинами. На приводном валу установлены дис- ки-турбулизаторы. Они обеспечивают механическую обработку продукта и срезают слой с поверхности рассольных пластин. Об­ работчик состоит из цилиндрической камеры, в которой разме-

110