Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ

получил название “длительной низкотемпературной пастеризации” (LTLTlow temperature,long time).

В настоящее время молоко практически всегда подвергается тепловой обработке в поточных процессах, таких как термизация, пастеризация или высокотемпературная обработка (ВТО). HTST – это сокращение от английского (high temperature, short time) “высокотемпературный кратковременный процесс”. На практике применяются различные сочетания температуры и выдержки в зависимости от качества молочного сырья, типа вырабатываемого продукта и требований к срокам хранения.

Высокотемпературная кратковременная пастеризация молока проводится при 72–75°C в течение 15–20 секунд, после чего следует охлаждение. При таком сочетании температуры и выдержки разрушается фермент фосфатаза. Таким образом, чтобы убедиться в эффективности пастеризации молока, его проверяют на наличие фосфатазы. Результат проверки должен быть отрицательным, то есть не должно быть обнаружено никакой активности фосфатазы. См. рис. 2.

Рис.2. Графики летального воздействия и комбинаций времени и температуры, разрушающих некоторые ферменты и микроорганизмы

Проверка на фосфатазу не должна проводиться в продуктах, жирность которых превышает 8%, так как спустя сравнительно небольшое время после пастеризации активность фермента восстанавливается. Тепловая обработка также должна быть более жесткой, так как жир обладает низкой теплопроводностью.

Поэтому для проверки результата пастеризации сливок используется другой фермент – пероксидаза (тест на пероксидазу по методике Шторха /Storch/). Продукт нагревается до температуры свыше 80°С и выдерживается при ней около пяти секунд. Столь мощная тепловая обработка оказывается достаточной для подавления пероксидазы. Проверка должна показать отрицательный результат, то есть в продукте не должно быть обнаружено никакой активности пероксидазы. См. рис. 2.

Поскольку с кисломолочными продуктами тоже нельзя проводить проверку на фосфатазу, при проверке качества их пастеризации также используется тест на пероксидазу. Молоко, предназначенное для

311

производства кисломолочной продукции, обычно подвергается сильному нагреву с целью сворачивания сывороточных белков и усиления их способности связывания воды (чтобы избежать образования сыворотки).

К ультрапастеризации прибегают, когда продукт нуждается в определенном сроке годности. Некоторым производителям достаточно и двух суток, в то время как другие хотят продлить традиционный для пастеризованных продуктов срок хранения с 2–16 суток до 30–40 дней. Главная цель – свести к минимуму основные источники обсеменения микроорганизмами молочной продукции во время ее производства и упаковки, а также срок ее годности. Это требует исключительно высокого уровня производственной гигиены и осуществления поставок при температуре не выше 7°С: чем ниже температура, тем дольше срок годности.

Нагрев молока до 125–138°С в течение 2–4 секунд с последующим его охлаждением до температуры ниже 7°С – залог длительного срока годности. Буквы ESL (сокр. от английского Extended Shelf Life – длительный срок хранения) проставляются на продуктах, прошедших тепловую обработку, гарантирующую длительный срок их годности. Тем не менее такие продукты тоже должны храниться при низких температурах и при транспортировке, и в магазинах до момента их реализации.

Данный вид тепловой обработки жидких пищевых продуктов проходит при сверхвысоких температурах, обычно в диапазоне 135–140°С, в течение короткого периода времени. Такая обработка убивает микроорганизмы, которые в противном случае испортили бы продукт.

ВТО представляет собой непрерывный процесс, протекающий в закрытой системе, предохраняющей продукцию от попадания в нее микроорганизмов из воздушной среды. Продукция в быстром темпе проходит стадии нагрева и последующего охлаждения. Неотъемлемой частью процесса является асептическая загрузка, предохраняющая продукцию от повторного бактериального обсеменения.

На практике применяются два метода ВТО:

•Непрямой подогрев и охлаждение в теплообменниках

•Прямой нагрев впрыскиванием пара либо подачей молока в паровую среду с последующим охлаждением при расширении в вакууме.

Нагрев и охлаждение являются наиболее важными операциями на молочном заводе.

До настоящего времени используется изначально разработанный метод стерилизации в емкостях, проводимый обычно при 115–120°С в течение 20– 30 минут.

После нормализации жирности, гомогенизации и нагрева до 80°С молоко разливается в чистую тару – обычно это стеклянные или пластмассовые бутылки для жидкого молока и консервные банки – для сгущенного. Еще не остывшая продукция, предназначенная для дальнейшей упаковки, перемещается в автоклавы, а для непрерывного производства – в гидростатическую башню, где происходит ее стерилизация.

312

Обычно необходимые для дальнейшего производственного процесса температуры обеспечиваются сразу после пастеризации, но иногда требуется временно охладить и выдержать молоко в таком состоянии перед его окончательной обработкой. Приводим несколько примеров.

Молоко, предназначенное для производства сыра, предварительно нагревается до 30–35°С перед отправкой в ванны, где перед добавлением сычужного фермента производится окончательная регулировка температуры. В качестве нагревающей среды используется горячая вода. С целью снижения производственных расходов в качестве первичного теплоносителя может быть использована и сыворотка, остающаяся от предыдущей партии.

Молоко для производства йогурта предварительно нагревается до 40– 45°С, после чего направляется на ферментацию. В качестве теплоносителя используется горячая вода. Молоко может также подвергаться предварительному нагреву перед добавлением в него, помимо ферментов, шоколадной пудры, сахара, жиров и других добавок, необходимых для производства различных молочных продуктов.

Основная цель пастеризации— уничтожение вегетативных форм микроорганизмов, находящихся в молоке (возбудителей кишечных заболеваний, бруцеллеза, туберкулеза, ящура и др.), сохраняя при этом его биологическую, питательную ценность и качество. На рис. 3 приведены графические зависимости температуры пастеризации молока от продолжительности выдержки, полученные Г. А. Куком. Зона А характеризует режимные параметры, при которых происходят биохимические, физико-механические изменения и видоизменения состава молока. Зона Б определяет режимные параметры подавления жизнедеятельности микроорганизмов молока. Между зонами А и Б расположена область кривых (нейтральная зона), где любая точка соответствует режиму пастеризации, при котором жизнедеятельность микроорганизмов подавляется, а молоко сохраняет свое первоначальное качество. Для оценки меры завершенности пастеризации Г. А. Куком был введен критерий Пастера:

Для завершения процесса пастеризации необходимо, чтобы сумма тепловых воздействий в секциях аппарата привела к полному уничтожению микроорганизмов. Это значит, что для завершенного процесса пастеризации критерий Пастера должен быть равен или больше 1.

Эффективность действия пастеризации зависит от двух основных параметров: температуры, до которой нагревают молоко, и выдержки его при данной температуре. В зависимости от этого различают пастеризацию молока с выдержкой и без выдержки.

313

Продолжительность выдержки и температура пастеризации связаны между собой зависимостью, при которой продолжительность выдержки уменьшается с повышением температуры пастеризации. Для цельного питьевого молока

Техническая реализация процесса выдержки осуществляется в специальных устройствах (выдерживателях) в пастеризационноохладительных установках. По конструкции выдерживатель представляет собой камеру, через которую непрерывным потоком проходит молоко в практически изотермических условиях. Камера выдерживателя может быть выполнена в виде трубы большого диаметра определенной длины, цилиндрической емкости с рубашкой, трубчатого змеевика и др. Кроме температуры и продолжительности выдержки на эффективность пастеризации существенно влияют степень очистки, кислотность, общая обсемененность микроорганизмами, вспениваемость молока и другие факторы.

Рис. 3. Зависимость температуры пастеризации от продолжительности выдержки

Пастеризуемое молоко должно быть предварительно очищено на фильтрах или сепараторах-молокоочистителях. При пастеризации

314

неочищенного молока загрязняется теплопередающая поверхность аппаратов (особенно пластинчатых) и снижается эффективность действия температуры.

Для пастеризации можно использовать молоко кислотностью не более 22 °Т, так как при большей кислотности белки молока при нагревании свертываются и их часть осаждается на теплопередающей поверхности аппаратов, образуя слой пригара. Молоко кислотностью более 27 °Т не подлежит пастеризации, поскольку оно полностью свертывается под действием высокой температуры. В молоке с высокой начальной бактериальной обсемененностью и после пастеризации остается большое количество микроорганизмов. Обсемененность молока перед пастеризацией должна быть ≤ 106 клеток в 1 см3.

Наличие пены в молоке также отрицательно влияет на эффективность пастеризации. Это связано с тем, что теплопроводность пены значительно ниже теплопроводности молока. Поэтому при организации подачи молока на пастеризацию необходимо исключить возможность вспенивания.

В зависимости от схемы организации процесса пастеризации, особенностей технологии молочных продуктов и аппаратурного оформления в молочной отрасли применяют следующие виды пастеризации: длительную пастеризацию при температуре 74— 7К °С с выдержкой 30 мин, при температуре 90—99 °С с выдержкой от 2—15 мин до 5 ч; кратковременную пастеризацию при температуре 80, 85—87 или 90—95 °С без выдержки; высокотемпературную пастеризацию при температуре 105—107 °С без выдержки.

ВОПРОС 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАГРЕВА И ПАСТЕРИЗАЦИИ

Теплообменник предназначен для передачи тепла косвенным способом. Ниже описываются несколько различных типов теплообменников. Чтобы облегчить понимание того, как происходит теплопередача в теплообменнике, его нужно символически представить себе в виде двух каналов, разделенных трубчатой перегородкой.

Горячая вода протекает в одном канале, а молоко – в другом. Тепло передается через перегородку. Горячая вода поступает в канал при температуре ti2 и охлаждается там до t02 на выходе. Молоко поступает в теплообменник охлажденным до температуры ti1 и нагревается там до температуры t01 на выходе. Изменения температуры в процессе прохождения жидкости через теплообменник показаны графически на рис.4.

315

Например, если расход продукта на предприятии должен быть увеличен с 10 000 л/ч до 20 000 л/ч, размеры теплообменника также нужно будет увеличить вдвое при условии, что удваиваются и расходы рабочих жидкостей, а все остальные параметры остаются неизменными.

Физические характеристики жидкостей

Плотность (r) определяется продуктом. Удельная теплоемкость (ρ) также определяется продуктом. Эта характеристика соответствует количеству тепла, которое должно быть сообщено продукту для увеличения его температуры на 1°С.

Этот коэффициент (k) определяет степень эффективности теплообменника. Он показывает, сколько тепла, проходящего через 1 м2 перегородки, приходится на 1°С разности температур. Этот же коэффициент используется при расчете теплоизоляции зданий, хотя в таком случае цель строителей прямо противоположна, а именно –добиться минимально возможного значения k, в то время как для теплообменников этот показатель должен быть как можно выше.

Коэффициент зависит от следующих факторов:

•Допустимых перепадов давления жидкостей

•Вязкости жидкостей

•Формы и толщины перегородки

•Материала перегородки

•Наличия пригорания молока на поверхности теплообменных аппаратов.

Для увеличения значения коэффициента k и улучшения теплопередачи можно уменьшить диаметр канала, по которому течет продукт. В результате сокращается расстояние, которое должно пройти передаваемое тепло от перегородки до середины канала. При этом, однако, сужается и сам поток. Это приводит к двум последствиям:

а) возрастает скорость потока в канале, что, в свою очередь, б) увеличивает турбулентность потока.

Чем больше перепад давления продукта и нагревающей среды, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник.

Однако продукты, чувствительные к механическим воздействиям (например, молочный жир), могут пострадать от агрессивной обработки. По мере движения потока в теплообменнике давление постепенно снижается, и поэтому давление продукта перед поступлением в теплообменник должно быть увеличено, чтобы компенсировать это снижение и принудить поток продвигаться по суженному каналу. С этой целью может возникнуть необходимость установки подкачивающего насоса. В некоторых странах установка подкачивающего насоса обусловлена требованием законодательства, чтобы обеспечить более высокое давление со стороны продукта и таким образом избежать попадания не пастеризованного продукта

впастеризованный.

317

Вязкость продукта и теплоносителя является важным фактором, который учитывается при определении размеров теплообменника. Жидкость, отличающаяся высокой вязкостью, развивает меньшую турбулентность при движении в теплообменнике по сравнению с жидкостью с более низкой вязкостью. Это означает потребность в более крупном теплообменнике при всех прочих одинаковых параметрах. Например, для сливок требуется более крупный теплообменник, чем для молока, при аналогичной расчетной производительности и температуре.

Особое внимание следует уделять продуктам с поведением потока, типичным для неньютоновских жидкостей. У этих продуктов очевидная вязкость зависит не только от температуры, но и от коэффициента сдвига. Продукт, который кажется довольно плотным, когда он находится в открытой емкости, может двигаться под действием насоса по трубам или в теплообменнике с неожиданно высокой скоростью. Поведение таких продуктов в потоке может быть измерено с помощью специальных приборов с целью выполнения точных расчетов в дальнейшем (см. также главу 3 – “Реология”).

Пластина часто выполняется гофрированной , чтобы придать потоку повышенную турбулентность, которая, в свою очередь, улучшает теплопередачу. На рис. 5 показаны три различные конструкции. Толщина также играет важную роль. Чем тоньше пластина, тем лучше теплопередача. Но при этом необходимо соблюсти чувство меры, обеспечив достаточную прочность перегородки, чтобы она могла противостоять давлению потоков жидкостей. Современные конструкции и производственные технологии позволяют изготовлять более тонкие перегородки, чем несколько лет назад.

Рис.5. Форма пластины в теплообменнике пластинчатого типа может различаться в зависимости от того, какой продукт должен проходитьобработку, и то требований к коэффициенту теплопередачи

318

В пищевой промышленности традиционно используется нержавеющая сталь, обладающая довольно хорошей теплопроводностью.

Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреву, который поэтому необходимо выполнять очень аккуратно во избежание изменений в продуктах. При кипячении молока в кастрюле белки будут коагулировать и пригорать. То же произойдет в теплообменнике, если теплопередающая поверхность будет чрезмерно горячей.

Температура нагревающей среды должна быть поэтому как можно ближе к температуре продукта и составляет обычно значение, на 2–3 градуса превышающее температуру пастеризации. Если поверхность слишком горяча по отношению к продукту, его белки свернутся и осядут на перегородках в виде тонкого слоя. Тепло должно будет в таком случае преодолевать и этот слой, что приведет к уменьшению общего коэффициента теплопередачи.

Разность температур между теплоносителем и продуктом в таком случае уже не будет достаточной для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура продукта на выходе снизится. Это может быть компенсировано повышением температуры нагревающей среды, но тогда также поднимется температура теплопередающей поверхности, что приведет к коагуляции и оседанию на поверхности дополнительного количества белков, увеличению толщины пригара и дальнейшему уменьшению коэффициента k.

На этот коэффициент также влияют уменьшение или увеличение скорости прохождения жидкости через теплообменник, поскольку это отражается на характеристиках потока. Повышение мощности потока приводит к его большей турбулентности и повышает значение k. Замедление потока делает его более ламинарным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать изменений расхода в пределах теплообменника, но в целях повышения экономичности может оказаться необходимым практиковать определенные вариации в некоторых видах производства.

При нагреве молочных продуктов до температуры, превышающей 65°С, неизбежно имеет место некоторое загрязнение теплообменника. Это означает, что через определенное время непрерывной эксплуатации пастеризатор приходится останавливать для очистки. Предсказать, через какой период времени такая остановка потребуется, трудно – все зависит от степени загрязнения.

Скорость оседания загрязнений на рабочих поверхностях зависит от многих факторов, в том числе:

•Разности температур между продуктом и нагревающей средой

•Качества молока

•Содержания воздуха в продукте

•Давления в нагревательной секции теплообменника.

Особенно важно поддерживать на предельно низком уровне содержание воздуха. Избыточный воздух в продукте сильно ускоряет процесс пригорания. При определенных условиях время непрерывной эксплуатации может быть сокращено ростом микроорганизмов в конечной части секции

319

регенерации теплообменника пластинчатого типа. Это, впрочем, случается довольно редко. Обычно такие вещи происходят из-за недостаточно качественной предварительной подготовки молока. Все это свидетельствует о необходимости включать в планы эксплуатации пастеризаторов мероприятия по их очистке через определенные промежутки времени.

Использование тепла горячей жидкости – например, пастеризованного молока для первичного нагрева поступающего в пастеризатор холодного молока называется регенерацией. Холодное же молоко используется для охлаждения горячего. Таким образом, экономится вода и энергия. В современных высокоэффективных пастеризационных установках коэффициент полезного действия систем регенерации может достигать 94– 95%.

Возьмем для примера такую простейшую операцию, как нагрев холодного молока. Используя формулу:

R = ( tr – ti )×100 / (tp – ti )

R = кпд регенерации, %

tr = температура молока после регенерации (здесь 68°С) ti = температура поступающего сырого молока (здесь 4°С) tp = температура пастеризации (здесь 72°С)

получаем:

R = (68 - 4) × 100 / (72 – 4 ) = 94,1 %

Выдержка

Правильно выполняемая тепловая обработка молока требует его выдержки при температуре пастеризации в течение определенного времени. Это происходит во внешней выдерживающей секции.

Эта камера выполнена в форме спиральной или зигзагообразной трубы, которая часто заключается в металлический кожух, защищающий людей от ожогов, неизбежных при случайном касании. Длина трубы и скорость потока рассчитаны таким образом, чтобы время прохождения молока по трубе оказалось равным времени необходимой выдержки.

Необходимо тщательно контролировать скорость потока, потому что размеры камеры специально рассчитаны на выдержку при строго определенной скорости прохождения продукта. Время выдержки изменяется обратно пропорционально расходу через камеру.

В прежние времена молоко выдерживалось в специальных отсеках, встроенных в теплообменник пластинчатого типа, а в настоящее время для этого применяются почти исключительно выносные выдерживающие секции.

Для нагрева (подогрева) и охлаждения молока применяют теплообменные аппараты поверхностного типа. В зависимости от конструктивного исполнения эти аппараты подразделяют на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой, с оребренной

320