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

триглицеридов с более низкими точками плавления. Такие три­ глицериды при —40° С находятся в структуре смешанных кри­ сталлов. По кривым скорости плавления видно, что молочный жир имеет три основные зоны плавления. Первая с максимумом при —20° С; вторая и третья соответственно около 16—18 и 30° С. Температурные границы этих зон и количество расплав­ ляющихся глицеридов определяются режимами охлаждения жира.

При предварительном охлаждении до 0° С группы глицери­ дов, расплавляющиеся в зоне положительных температур, хо­ рошо дифференцируются от группы, которая характеризуется максимумом плавления при —20° С. Таким способом удается получить максимальное содержание твердой фазы в области положительных температур и максимальную скорость плавле­ ния глицеридов в этой области, соответствующую 2,4% на 1° С.

Предварительное охлаждение при 0° С—>-25° С обеспечивает раздельное отвердевание сравнительно небольшой высокоплав­ кой группы триглицеридов. Поэтому последующее охлаждение жира до —40° С расширяет температурную границу плавления

в составе этой группы низкоплавких компонентов. При данном способе предварительного охлаждения (0° С-^25° С) в жире при положительных температурах содержание твердой фазы и ско­ рость ее плавления были наименьшими, так как уже при отрица­ тельных температурах значительное количество низкоплавких триглицеридов выплавляется из твердой фазы.

Режимы предварительного охлаждения при 0° С и 0° С->25° С обеспечивают соответственно максимальное и минимальное отвердевание жира при положительных температурах. Промежу­ точное положение занимает режим с предварительным охлаж­ дением 15°С->0°С. Содержание твердой фазы в области темпе­ ратур выше 20° С мало зависит от режима предварительной обработки [50]. Хотя при предварительном охлаждении до 0°С содержание твердой фазы при 20° С было немного выше по сравнению с другими режимами. Содержание твердых глице­ ридов при температурах ниже —10° С также почти не зависит от способа предварительной температурной обработки. Молоч­ ный жир наиболее чувствителен к режиму предварительного охлаждения при —10ч-+20°С, т. е. в том температурном ин­ тервале, в котором происходят основные процессы маслообразования.

Автором исследовано влияние предварительного охлаждения жира на содержание твердой фазы при последующем, более глубоком охлаждении (рис. 10 и 11). Термостатирование при температуре предварительного и последующего охлаждения проводили в течение нескольких часов до установления состоя­ ния равновесия между жидкой и твердой фазами. Максимальное

16° С-М2° С; 20° С-М6° С и 24° С-^20° С.

Чтобы снизить концентрацию твердой фазы в жире при температурах 0—16° С, следует использовать ступенчатые ре­ жимы охлаждения. Чем ниже температура конечного охлажде­ ния жира, тем ниже должна быть и температура его предвари­ тельного термостатирования. При 0—4; 8 и 12—16° С жир пред­ варительно охлаждают соответственно до 12; 16 и 24° С.

В процессе предварительного ох­ лаждения жира проходит кристал­ лизация .высокоплаеких триглицери­ дов, поэтому кривые последующего отвердевания жира при 12° С имеют плавный характер (см. рис. 11). Кривая одноступенчатого охлажде­ ния жира при 12° С характеризует групповое отвердевание.

Одинаковую степень отвердевания глицеридов можно полу­ чить, применяя различные варианты охлаждения. При 0° С сте­ пень отвердевания, равную 66%, можно получить при режимах

4° С->0° С и 20°С-^0° С.

Используя способность триглицеридов образовывать смешан­ ные кристаллы и в зависимости от условий охлаждения отвер­ девать в составе той или иной группы или оставаться в жидком состоянии, можно управлять процессом кристаллизации. Созда­ вая условия для сокристаллизации триглицеридов с различны­ ми точками плавления или дифференцируя твердую фазу на различные группы смешанных кристаллов, удается в определен­ ных пределах варьировать не только количеством твердого жира, но и физико-химическими свойствами этой твердой фазы.

52

ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ МОЛОЧНОГО ЖИРА С РАЗЛИЧНЫМ ТРИГЛИЦЕРИДНЫМ СОСТАВОМ

Содержание твердой фазы, состав формирующихся смешан­ ных кристаллов и зоны их интенсивного плавления и отверде­ вания, скорость этих процессов и температура окончательного расплавления зависят от триглицеридного состава, что под­ тверждено данными табл. 11. В первой высокоплавкой фракции содержание насыщенных жирных кислот составляет 82,3%. Это обусловливает максимальные температуры плавления и отвер­ девания— 51,6 и 48,7° С. В следующих фракциях концентрация насыщенных кислот постепенно уменьшается. В связи с этим снижаются точки плавления и отвердевания. Пятая фракция при комнатной температуре остается жидкой, отвердевая лишь при 5° С.

Состав фракций определяет степень отвердевания их при различных температурах. При 30° С все триглицериды первой фракции находятся в твердом состоянии; во второй и третьей фракциях содержание твердой фазы составляет соответственно 84 и 38%; в четвертой и пятой — при этой температуре тригли­ цериды находятся в жидком состоянии.

Автором изучены закономерности отвердевания и плавления жира, йодные числа которого колебались от 29,2 до 48,1. В пе­ ресчете на содержание ненасыщенных жирных кислот эти коле­ бания приблизительно составляют 20%•

Кривые отвердевания молочного жира при 0° С показаны на рис. 12. Максимальной степени отвердевания достигает жир, в котором содержится меньшее количество ненасыщенных жир­ ных кислот (йодное число 29,2). Более низкой скоростью кри­ сталлизации и меньшим значением . .^рдого жира характери­ зуется проба с йодным числом 41,7, а минимальным содержа­ нием твердой фазы и скоростью ее выделения — жир с йодным числом 48,1. Последние два образца отвердевают неравномерно, на кривых имеются участки с большой и малой скоростью про­ цесса. Отвердевание жира с йодным числом 29,2 проходит с большой скоростью и более равномерно. Вследствие малого со­ держания непредельных жирных кислот в этом жире на кривой его отвердевания отсутствует участок с малой скоростью про­ цесса, разделяющий две зоны массовой кристаллизации.

Химический состав жира определяет содержание твердой фазы во всем диапазоне температур: с увеличением концент­ рации непредельных жирных кислот снижается количество твердого жира. Содержание твердого жира в исследованных образцах при 10° С (температура, при которой проводится орга­ нолептическая оценка консистенции масла) находится в преде­ лах 40—74%, а при 20° С — 15—40%.

Такие колебания в степени отвердевания молочного жира необходимо учитывать при разработке технологии производства масла и оегулировать консистенцию путем применения диффе­

53

ренцированных режимов охлаждения и механической обработки продукта.

Высокое содержание в жире триглицеридов ненасыщенных жирных кислот вызывает формирование смешанных кристаллов с пониженными температурами плавления [3, 16]. Это под­ тверждается термограммами нагревания [16] (рис. 13). Жир

с йодным числом 39 плавится в двух температурных зонах с

цериды низкомолекулярных жирных кислот включаются в со­ став обеих групп смешанных кристаллов. Данные дилатометри­ ческих измерений (см. рис. 8) показывают, что в твердой фазе жиров с низкими йодными числами количественно преобладает

в жирах обоих составов содержание твердой фазы зависит от* температуры предварительного охлаждения — чем она ниже*.

54

тем больше твердого жира содержится при повышенной темпе­ ратуре. Разница в содержании твердой фазы этих образцов при одинаковых способах охлаждения составляет 9—13%. Исполь­ зуя различные режимы охлаждения, можно значительно снизить количество твердых'глицеридов в жире с низким йодным числом и повысить — в жире с высоким йодным числом. В ряде случаев, варьируя режимами охлаждения, можно достичь близкой степе­ ни отвердевания в жирах различного состава.

В табл. 13 обобщены данные по йодным числам, степени отвердевания и температурам плавления образцов молочного

55

Рис. 14. Зависимость степени отвердевания молочного жира при 0° С от содержания жирных кислот:

жира, полученных из республик Прибалтики, РСФСР и Украин­ ской ССР. Содержание твердой фазы определяли после охлаж­ дения жира до 0° С и последующего нагревания до 12 и 20° С с выдержкой при каждой температуре до равновесного состояния.

Важной физической константой молочного жира является температура плавления, которая зависит от содержания наибо­ лее высокоплавких триглицеридов. С увеличением йодных чисел существует тенденция к снижению точек плавления, хотя корре­ ляция между йодными числами жира и его температурами плавления недостаточно высокая. Общий диапазон температур плавления жира при колебаниях йодных чисел 43—32 состав­ ляет 27,7—32,6° С.

Исследование физико-химических свойств различных образ­ цов молочного жира, проведенное в УкрНИИММПе, показало, что более строгая зависимость существует между степенью отвердевания жира при 0°С и содержанием в нем отдельных кислот или групп кислот (рис. 14).

Одной из основных высокомолекулярных кислот молочного жира является пальмитиновая, имеющая температуру плавления 61,1° С. Увеличение концентрации ее значительно повышает сте­ пень отвердевания жира.

Низкомолекулярные насыщенные кислоты и ненасыщенные кислоты имеют низкие точки плавления и при комнатных темпе­ ратурах находятся в жидком состоянии. Повышенная концен­ трация их в жире снижает содержание твердой фазы.

Используя эти зависимости, по кислотному составу можно, оценить одну из важнейших физических характеристик молочно­ го жира— содержание твердых глицеридов.

Фазовые превращения молочного жира, находящегося в со-, стоянии эмульсии, протекают по тем же закономерностям, что- и из непрерывной жировой фазы. Однако началькая стадия

отвердевания жира, находящегося в дисперсном состоянии, за­ метно изменяется.

Ван Дам и Мульдер [48] нашли, что кристаллизация жира в деэмульгированном состоянии начинается при более высоких температурах, чем в жировых шариках сливок. Гомогенизация сливок еще более снижает температуру отвердевания. Таким образом, жир в состоянии эмульсии способен к большему переохлаждению.

Установлено, что после охлаждения эмульсии жира до 20° С триглицериды продолжительное время остаются в жидком со­ стоянии и лишь незначительная доля их переходит в твердое состояние [51, 52]. Эмульсия, предварительно охлажденная до 10° С, после нагревания до 20° С показывает высокую степень отвердевания. Ваушкун и Кооп [52] подтвердили это методом определения скорости прохождения ультразвуковых волн. По их

температуре отвердевание продолжается до 2 ч. Скорость про­ цесса увеличивается со снижением температуры. После выдерж­ ки продукта при постоянной температуре степень отвердевания жира в жировых шариках оказывается такой же, как и в деста­ билизированном состоянии.

Принято считать, что отвердевание молочного жира в деста­ билизированном состоянии инициируется за счет различных примесей, в том числе и веществ, содержащихся в молоке. Эти вещества играют роль затравки, ускоряя возникновение и рост кристаллов и таким путем снижая переохлаждение.

На основе микроскопических наблюдений Вальстра [51] пришел к выводу, что в начальной стадии кристаллизации три­ глицеридов в жировых шариках возникают мельчайшие иголь­ чатые кристаллики, которые впоследствии флоккулируют. При этом образуется жесткий каркас. Во внешних слоях жировых шариков игольчатые кристаллы располагаются упорядоченно, тангенциально ориентируясь по отношению к поверхности.

С помощью электронного микроскопа Бухгейм [45] показал, что при медленном охлаждении кристаллизация высокоплавких триглицеридов начинается преимущественно на внутренней по­ верхности оболочки жировых шариков. Вероятно компоненты оболочки обладают зародышеобразующей способностью. Триглицеридные молекулы, ориентируясь радиально, образуют сфери­ ческие мономолекулярные слои толщиной около 5 нм, проходя­ щие параллельно оболочке. Внутренняя область жирового шари­ ка не имеет предпочтительного расположения слоев. Между внешним кристаллическим слоем и оболочкой шарика возникает сравнительно прочная связь. После длительной выдержки при 7° С жировые шарики теряют круглую форму, некоторые из них сильно деформируются.

57

ОТВЕРДЕВАНИЕ МОЛОЧНОГО ЖИРА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Интенсификация кристаллизации с помощью механических воздействий и образования пространственных структур с желае­ мыми свойствами давно привлекает внимание исследователей. Много работ в этой области посвящено изучению влияния ультразвуковых колебаний на процессы кристаллизации различ­ ных веществ, несколько меньше — влиянию перемешивания.

образовавшейся твердой фазы кристаллы становятся более плот­ ными и однородными; их размер резко уменьшается и количе­ ство в объеме увеличивается. Скорость возникновения центров кристаллизации значительно повышается в результате облегче­ ния ориентации молекул, а также диспергирования образовав­ шихся кристаллов и линейного роста их вследствие ускорения диффузии. Латентный (индукционный) период сокращается, а скорость образования твердой фазы возрастает. С увеличени­ ем интенсивности обработки скорость кристаллизации повы­ шается. При этом заметный эффект наблюдается, когда интен­

впервые показали, что с помощью механической обработки мож­ но ускорить отвердевание жира в сливках и осуществить непре­ рывную подготовку их к сбиванию.

А. Д. Грищенко [9] установил возможность сокращения дли­ тельности выдержки сливок перед сбиванием в результате пере­

на 2—6% и способствует более быстрому установлению состоя­ ния равновесия.

Маслообразование представляет собой комплекс быстро про­ текающих процессов (отвердевание молочного жира, обращение фаз и структурообразование). Они проходят при механической обработке различной интенсивности.

Общепринятые методы исследования не позволяют модели­ ровать процессы, проходящие в производственных аппаратах.

В связи с этим в УкрНИИММПе Г. А. Ересько созданы экс­ периментальные установки М-1 и М-3 [15, 20, 22].

Установка М-1 (рис. 15) состоит из термостата /, стеклянного сосуда с рубашкой 12, устройства для механической обработки жира, универсального источника питания 2, строботахометра 13, потенциометра 14 и термопары 11.

Движение от коллекторного двигателя 3 через муфту 4, ведущий вал 5, упругий элемент 6 и ведомый вал 8 передается рабочему органу 10. Ведомый вал расположен внутри ведущего и связан с ним упругим элементом. При работе установки оба валика вращаются одновременно. Однако ведомый валик, жестко связанный с мешалкой, смещается относительно ведущего на

58

Рис. 15. Опытная установка М-1.

некоторый угол ср, определяемый величиной сопротивления обрабатываемой среды. Величина смещения показывается стрелкой 9 на шкале “диска 7. По углу (р определяют крутящий момент М, затрачиваемый на обработку. При этом погрешности, связанные с затратами энергии на вращение привода, исключаются. Конструкция прибора предусматривает установление кулисного механизма и эксцентрика на приводной вал, что позволяет рабочему органу помимо вращения сообщать колебательное движение и тем самым проводить два вида обработки.

Точность измерения момента М зависит от угла ф. Поэтому упругий эле­ мент должен обеспечивать достаточно большой угол закручивания, но в пре­

бора, изменяемой величиной остается только d. Поскольку d определяет не только ф, но и максимальную мощность, которую можно передать обра­ батываемой среде, для соблюдения требований точности измерений и проч­ ности системы необходимо применять упругие элементы, состоящие из не­

скольких нитей.

Сопротивление перемешиванию пропорционально вязкости т|, следова­ тельно величина М характеризует вязкость ц обрабатываемой жидкости. Для получения абсолютных значений rj требуется предварительная градуировка прибора на жидкостях с известной вязкостью. Для этого используют раство­

59

ры сахара различной концентрации. Жир термостатировали в сосуде 12 (см. рис. 15), затем начинали обработку продукта. Частоту вращения или частоту колебаний рабочего органа устанавливали постоянными путем изме­ нения напряжения источника питания 2. Частоту вращения и величину М, а следовательно, и мощность, затрачиваемую на обработку, определяли во

время опыта строботахометром 13. После установления определенных пара­ метров механической обработки жир охлаждали. В течение опыта скорость охлаждения постоянна. При этом температуру жира t, измеряемую потенцио­ метром 14, записывали на ленте прибора.

На установке М-1 исследовали влияние перемешивания и вибрации на процессы отвердевания. В опытах с вибрационной обработкой частоту колеба­ ний изменяли от 20 до 70 Гц, амплитуда составляла 0,12; 0,42 и 0,66 мм. Частоту вращения мешалки варьировали от 8,3 до 75 с-1. В результате при­ менения мешалок различных размеров и форм можно оценить их влияние на процессы отвердевания жира. Мощность, затрачиваемая на механическую обработку продукта, зависит не только от частоты вращения мешалки, но и от ее размеров и геометрии.

Установка позволяет моделировать всевозможные ступенчатые режимы термомеханической обработки: изменять интенсивность обработки на различ­ ных стадиях процесса вплоть до состояния покоя, проводить его в условиях охлаждения или термостатирования. Интенсивность механической обработки выражается в виде удельной мощностью механической обработки в Вт на 1 кг продукта.

Установка М-1 проста и удобна в эксплуатации. Для оценки процесса отвердевания пользуются температурами массовой кристаллизации и кривы­ ми изменения мощности. На любой стадии процесса можно отобрать продукт и комплексно его исследовать с применением существующих физико-химиче­ ских и структурно-механических методов.

Эффекты массовой кристаллизации проявляются на температурной кривой охлаждения в виде перегибов, горизонтальных площадок или экзотермиче­ ского повышения температуры (рис. 16).

Установка М-3 выполняет функции опытного охладителя-маслообразо- вателя, вискозиметра, прибора для определения мощности механического воздействия и записи кривых охлаждения. Установка обеспечивает измерение мощности обработки, скорости и температуры конечного охлаждения иссле­ дуемого объекта, а также изменение в широких пределах всех технологиче­ ских параметров, которые определяют кинетику процессов кристаллизации, структурообразования и свойства конечного продукта. В процессе охлаждения определяется вязкость продукта, а по кривым охлаждения рассчитывают тем­ пературы массовой кристаллизации, величину и продолжительность экзотер­ мических эффектов фазового превращения.

Установка М-3 (рис. 17) состоит из фреоновой холодильной машины 1, емкости с антифризом 2 (смесь этиленгликоля с дистиллированной водой), испарителя 3, погружного центробежного насоса 4, ультратермостата 6 с по­

s

Рис. 16. Кривые охлаждения молоч­ ного жира при различной удельной мощности механической обработки.

60