(фиксируемый) мицелла казеина
Рис. 6. Схематическое изображение процессов,
происходящих в молочной эмульсии в момент ее гомогенизации:
I - разрушение частиц при гидромеханическом воздействии; II - самопроизвольные процессы
Кавитация - это образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн).
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения. Во время проведения процесса гомогенизации жировые шарики дробятся в результате воздействия эффекта кавитации.
Эффект кавитации сопровождается микровзрывами, ультразвуком, а также механическими срезами и соударениями при воздействии сотен режущих пар, которые движутся навстречу друг другу с высокой линейной скоростью. Величина этой скорости достигает несколько десятков метров в секунду, что позволяет разрезать диспергируемые частицы вещества на мельчайшие микрочастицы. За одну минуту происходит сотни тысяч микроимпульсов.
В момент перекрытия ротором отверстия на статоре мгновенно создается сверхдавление во внутренней камере. В следующую долю секунды ножи ротора открывают отверстия на статоре, и вектор давления резко меняет направление. Момент импульса - это мгновение, когда происходит изменение направления вектора давления - от возрастания на резкое его падение. В этот момент частицы вещества устремляются в открывшиеся проемы, и в пограничном слое происходит процесс кавитации.
Применительно к процессу гомогенизации кавитация - это отрыв крайних слоев и одновременное закрытие - срезание ножами ротора части капли, продвинувшейся в отверстие статора. В следующую долю секунды ножи ротора закрывают отверстия в статоре - это момент пульсации. В одну секунду происходят десятки тысяч пульсаций. В этот же момент внутри камеры капли не успевают заполнить пустоты, образованные стремительно вылетевшими частицами.
|
|
Процесс кавитации сопровождается выделением тепла, которое является в свою очередь катализатором и способствует образованию ультразвука. Высокочастотные ультразвуковые колебания дополнительно дробят жировые шарики.
3.4.2. Формирование адсорбционных оболочек жировых шариков
Фрагменты мицелл казеина (разрушенных под действием гидромеханических сил, в том числе отдельные субмицеллы), адсорбированные на поверхности жировых шариков, вновь образовавшихся при гомогенизации, оказываются в поле действия молекулярных сил на границе раздела «жир-плазма» молока. В результате этого происходит перестройка третичной и вторичной структур казеина. Она выражается в развертывании, как бы растекании адсорбированных фрагментов мицелл по поверхности вновь образовавшихся жировых шариков, обеспечивая этим формирование адсорбционных оболочек.
Важным фактором, определяющим свойства и структуру адсорбированных оболочек жировых шариков, является температура гомогенизации молочных эмульсий. При низких температурах адсорбция велика, а конформация адсорбированных макромолекул белков сохраняется относительно компактной, поэтому в интервале температур гомогенизации 40-50 °С будут формироваться толстые и рыхлые адсорбционные оболочки жировых шариков, способные к сцеплению между собой с образованием скоплений.
|
|
При температуре порядка 60-75 °С скорость растекания казеина на границе раздела «жир-плазма» велика, его кроющая способность повышена и формирование адсорбционных слоев ускоряется. В связи с этим в интервале температур 60-75 °С будут формироваться тонкие и прочные адсорбционные оболочки жировых шариков.
3.4.3. Факторы, влияющие на процесс гомогенизации
Рассмотрим, какие же факторы в первую очередь влияют на процесс диспергирования в гомогенизаторах клапанного типа. Эффективность гомогенизации зависит прежде всего от скорости потока при входе в гомогенизирующую щель, а следовательно, от давления гомогенизации, величину которого всегда определяет скорость.
С повышением давления усиливается механическое воздействие на продукт, возрастает дисперсность жира, а средний диаметр жировых шариков уменьшается. По данным ВНИКМИ, при давлении 15 МПа средний диаметр жировых шариков составляет 1,43 мкм, эффективность гомогенизации - 74 %, при давлении 20 МПа средний диаметр шариков уменьшается до 0,97 мкм, а эффективность гомогенизации возрастает до 80 %. Наиболее оптимальная величина давления находится в пределах от 10 до 20 МПа. Рекомендуемое давление гомогенизации зависит от вида и состава продукта. С повышением содержания жира и сухих веществ в продукте следует применять более низкое давление гомогенизации. Так, при гомогенизации сливок, особенно с повышенным содержанием жира, формирование новых оболочек шариков идет медленнее, чем в молоке, и часть жира может остаться незащищенной. Для образования новых оболочек необходимо иметь в сливках соотношение СОМО/жир выше 0,6-0,85. В сливках из дестабилизированных шариков выдавливается жидкий жир, с его помощью, а также при участии субмицелл казеина в процессе соударений шариков образуются агрегаты и скопления. Возможно слияние отдельных шариков с образованием вторичных шариков большего диаметра.
|
|
Исходя из ранее указанного, в зависимости от массовой доли жира в сливках гомогенизацию проводят при следующих режимах: для сметаны 10, 15 и 20%-й жирности - при давлении 8-12 МПа; 25%-й жирности - при давлении 7-11 МПа; 30%-й жирности - при давлении 7-10 МПа.
Для снижения массовой доли свободного жира в сухом цельном молоке сгущенное молоко, выпускаемое из вакуум-выпарного аппарата, гомогенизируют при температуре сгущенного молока 42-52 °С в зависимости от конструкции аппарата и давления:
- на одноступенчатом гомогенизаторе - 10-15 МПа;
- двухступенчатом гомогенизаторе;
- первой ступени - 11,5-12,5 МПа;
- второй ступени - 2,5-3,0 МПа.
Следующим фактором, оказывающим влияние на эффективность процесса гомогенизации, является температура. Интенсивность процесса гомогенизации возрастает с повышением температуры, так как при этом жир переходит полностью в жидкое состояние и уменьшается вязкость продукта. При температурах ниже 50 °С отстаивание жира усиливается, снижается термоустойчивость молока в связи с тем, что формируются очень толстые и рыхлые адсорбционные оболочки жировых шариков, способные к сцеплению между собой с образованием скоплений жировых шариков.
Высокая седиментационная устойчивость молочных эмульсий, гомогенизированных при температуре 50-60 °С, обусловлена отсутствием в них скоплений жировых шариков - высокой эффективностью структурно-механического барьера, создаваемого относительно рыхлыми и толстыми оболочками жировых шариков (оболочки обладают свойствами эластичного геля, но при высоких температурах легко взаимодействуют между собой, вызывая агрегацию жировых шариков). Термоустойчивость такого молока низкая.
В интервале температур гомогенизации 65-75 °С формируются тонкие и прочные адсорбционные оболочки жировых шариков, устойчивые к последующим высокотемпературным [Кп1] [Кп2] воздействиям; скопления жировых шариков не образуются (в случае гомогенизации сливок с повышенным содержанием жира образуются скопления небольших размеров), что обусловливает высокую седиментационную устойчивость и максимально возможную термоустойчивость.
При температурах гомогенизации выше 75 °С создаются условия для интенсивного образования скоплений жировых шариков, особенно в случае сливок с повышенным содержанием жира, что является причиной низких показателей эффективности гомогенизации. Это возможно ликвидировать с помощью добавок низкомолекулярных поверхностно-активных веществ (лецитин, твин), а также с помощью ПАВ пахты (белково-липидных комплексов). Это предопределяет высокую термоустойчивость, предотвращает загустевание при хранении сгущенных молочных консервов и улучшает растворимость сухих.
Отсюда можно сделать вывод о том, что с повышением содержания жира в молочных продуктах роль температуры гомогенизации в обеспечении требуемого качества готовой продукции возрастает. В связи с этим гомогенизацию цельного молока возможно проводить при температурах в широком интервале - от 50 до 90 °С, а сливок с массовой долей жира 25 % и более - только в интервале 65-75 °С. Эти данные расходятся с действующей нормативной документацией на производство сметаны. В технологической инструкции указано, что пастеризованные сливки гомогенизируют при температуре пастеризации 84-88 °С и допускается проведение гомогенизации до пастеризации.
Кроме этого, эффективность гомогенизации зависит от состава и свойств продукта (вязкости, плотности, кислотности, содержания жира и сухих веществ). С повышением кислотности молока и молочных продуктов эффективность гомогенизации уменьшается, так как в таком молоке понижается стабильность белков, образуются белковые агломераты, затрудняющие дробление жировых шариков. При повышении вязкости и плотности эффективность также снижается.
На эффективность процесса диспергирования в роторно-кавитационных гомогенизаторах оказывает влияние диаметр, количество отверстий и профилей ротора и статора, скорость вращения ротора.
На эффективность гомогенизации оказывает влияние последовательность технологических операций «гомогенизация-хранение» и «хранение-гомогениза-ция». Необходимо учитывать: если сливки или многокомпонентные смеси подлежат высокотемпературной обработке, необходимо проводить гомогенизацию свежеполученных сливок, не подвергнутых воздействию низких температур в интервале от 2 до 6 °С. Хранению подлежат (если в этом есть необходимость) лишь гомогенизированные и пастеризованные сливки.
Эффективность гомогенизации (К) определяется следующими методами: методом отстаивания жира, методом центрифугирования и по размерам жировых шариков, определяемых с помощью микроскопа. При использовании первых двух методов оценивают эффективность, замеривмассовые доли жира в полученных фракциях, по следующей формуле:
(13)
где Жт.ф. - массовая доля жира в тяжелой фракции, %,
Жл.ф. - массовая доля жира в легкой фракции, %.
3.4.4. Изменение состава и свойств молока в результате гомогенизации
В процессе гомогенизации изменяются структура и свойства белков. Диаметр мицелл казеина уменьшается, часть их распадается на субмицеллы, которые адсорбируются поверхностью шариков жира. Меняются структурно-механические, а также синеретические свойства кислотного и сычужного сгустков: повышается прочность сгустков и замедляется синерезис.
Изменяется и солевой состав молока: в плазме увеличивается количество кальция в ионно-молекулярном состоянии, а часть коллоидного фосфата и цитрата кальция адсорбируется поверхностью шариков жира.
После гомогенизации наблюдается активация ферментов молока: ксантиноксидазы, липазы и др., - что может сопровождаться образованием свободных жирных кислот, повышением титруемой кислотности и даже прогорканием молока.
Процесс гомогенизации изменяет физико-химические свойства молока. Возрастает вязкость вследствие увеличения общей площади поверхности жировой фазы и адсорбции белковых компонентов на их оболочках. Следует подчеркнуть, что нарастание кислотности происходит в том случае, когда гомогенизации подвергается сырое молоко (ферменты воздействуют на молочный жир), в случае гомогенизации пастеризованного молока (ферменты инактивированы), такой рост наблюдается только после определенного срока хранения. Стабильность жировой фазы повышается, белковой - снижается.
Процесс гомогенизации понижает термоустойчивость молочных смесей. Степень влияния гомогенизации зависит от температуры и давления, при которых она проводится. Установлено, что термоустойчивость гомогенизированного молока зависит от значения рН в меньшей степени, чем термоустойчивость негомогенизированного молока. В гомогенизированных молочных эмульсиях термоустойчивость определяется агрегативной устойчивостью жировых шариков, которая зависит от их качественного состава и величины общей поверхности, структуры адсорбционных оболочек. Вследствие этого при тепловой коагуляции гомогенизированных молочных эмульсий в роли коагулирующих частиц выступают жировые шарики, покрытые адсорбционными оболочками, основным компонентом которых является казеин. Если скопления жировых шариков, образовавшиеся в процессе гомогенизации эмульсий с повышенным содержанием жира, разрушаются на второй ступени гомогенизации, то это способствует повышению термоустойчивости эмульсии. У гомогенизированных эмульсий другой механизм коагуляции, чем у негомогенизированных.
Гомогенизация повышает дисперсность жировой фазы молока, что способствует уменьшению содержания жира в сыворотке благодаря отсутствию отстоя жира в процессе свертывания и более равномерному распределению его в сгустке. Однако в процессе гомогенизации изменяются свойства молочных белков, что ухудшает технологические свойства молока: при свертывании образуется непрочный, менее связанный сгусток, замедляется выделение сыворотки, затрудняется образование сгустка.
3.4.4. Оборудование для дробления жировых шариков
Для гомогенизации молока и жидких молочных продуктов используются в основном гомогенизаторы клапанного типа, несмотря на их громоздкость и вибрацию при работе, а для вязких продуктов (плавленый сыр, масло) - гомогенизаторы-пластификаторы клапанного типа. Гомогенизация молока и жидких молочных продуктов может осуществляться также в сепараторах-диспергато-рах. В молочной промышленности проводятся работы по использованию для гомогенизации ультразвуковых и центробежных гомогенизаторов с целью снижения энергоемкости процесса.
В настоящее время применяют следующие виды гомогенизации: одно-, двух- и трехступенчатую. При одноступенчатой гомогенизации могут образовываться агрегаты мелких жировых шариков и даже их слияние. Для предотвращения этого процесса предусматривается двух- и трехступенчатая гомогенизация, обеспечивающая разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков.
При эксплуатации клапанных гомогенизаторов основным способом снижения энергоемкости процесса является применение раздельной гомогенизации. Этот способ основан на предварительном выделении сепарированием низкожирных сливок, гомогенизации их при температуре 70 °С и давлении 10-15 МПа и последующей нормализацией сливок обезжиренным молоком. Раздельная гомогенизация предназначена для получения гомогенизированного молока с требуемым содержанием жира, повышенной стабильностью жировой дисперсной фазы и белков. При производстве раздельно гомогенизированного молока с использованием двухступенчатой гомогенизации массовая доля жира в сливках не должна превышать 25 %, а при одноступенчатой - 16 %.
Способ раздельной гомогенизации применяют для того, чтобы увеличить производительность и ограничить нежелательное механическое воздействие на молочный белок при выработке молока пастеризованного, кисломолочных продуктов и сыров. Полученное при раздельной гомогенизации молоко по своим физико-химическим свойствам не отличается от обычного гомогенизированного молока, если содержание жира в сливках, используемых при гомогенизации, не превышает 12 %.
При производстве сметаны 10, 15 и 20%-й жирности гомогенизации подвергают всю массу нормализованных сливок.
Для сметаны 25%-й жирности объемная доля сливок, направляемых на гомогенизацию, по отношению к их общему объему составляет 70-80 %, а для сметаны 30%-й жирности - 50-70 %.
При производстве кисломолочных напитков также применяют раздельную гомогенизацию.
Раздельная гомогенизация используется в основном при производстве мягких сыров и некоторых видов твердых сыров.
С одной стороны, гомогенизация повышает дисперсность жировой фазы молока, что способствует уменьшению содержания жира в сыворотке благодаря отсутствию отстоя жира в процессе свертывания и более равномерному распределению его в сгустке. Однако, с другой стороны, в процессе гомогенизации изменяются свойства молочных белков, что ухудшает технологические свойства молока: при свертывании образуется непрочный, менее связанный сгусток, замедляется выделение сыворотки, затрудняется обработка сгустка. В связи с этим гомогенизацию в производстве твердых сыров проводить нежелательно, так как в этом случае получается рыхлое сырное тесто, а в процессе созревания может образовываться самокол. Для избежания указанных пороков, а также с целью снижения потерь жира в сыворотку, увеличение выхода, улучшения консистенции в производстве сыров рекомендуется проводить раздельную гомогенизацию. В сырах, выработанных с применением раздельной гомогенизации сливок, меняется характер гидратации. В них до конца созревания остается влага, в то время как в сырах, выработанных из негомогенизированного сырья, она отсутствует уже после одного месяца созревания. Наличие этой формы влаги и увеличение содержания общей влаги в сырах влияют на получение нежной и маслянистой консистенции. Гомогенизация сливок также интенсифицирует процесс гидролиза жира и белка, что ведет к ускорению созревания сыра на 10–15 дней. Раздельная гомогенизация при производстве сыра «Рокфор» способствует увеличению выхода сыра на 8-9 % при значительном улучшении консистенции продукта за счет лучшего использования жира, белка, снижения содержания жира в сыворотке на 0,1-0,15 %, уменьшения усушки сыра при созревании на 1,5-2,5 %.
В настоящее время отмечается определенный прогресс в области совершенствования гомогенизаторов. Наряду с усовершенствованием традиционных гомогенизаторов ведутся работы по созданию нового класса менее энергоемких бесклапанных гомогенизаторов. Созданы машины, обеспечивающие производство эмульсионных продуктов, - это роторно-пульсационные аппараты (РПА).
Применение гомогенизаторов позволяет добиться не только однородности по размерам жировых шариков в молоке. С помощью гомогенизаторов добиваются однородной пластичной консистенции, с высокой степенью дисперсности влаги и равномерным ее распределением в монолите, масле и плавленых сырах. Устройство и принцип действия гомогенизаторов-пластификаторов аналогичен устройству и принципу действия гомогенизаторов для жидких молочных продуктов.
При производстве творога раздельным способом, плавленых сыров, смесей для мороженого и других многокомпонентных смесей применяют гомогенизаторы-дезинтеграторы, в которых процесс гомогенизации совмещен с процессом перемешивания.
Заслуживают внимания также ультразвуковые гомогенизаторы, разработанные на базе пьезоэлектрических преобразователей. С помощью ультразвуковых гомогенизаторов удается создать в жидкости звуковое поле с контролируемыми параметрами, что позволяет эффективно проводить процесс диспергирования, поскольку при фиксированной частоте ультразвуковых колебаний существуют оптимальные для данного вида эмульсии интенсивность звуковой волны и постоянное давление.
На рынке молочного оборудования ультразвуковые гомогенизаторы представлены единичными моделями, например, ультразвуковой гомогенизатор проточного типа марки РУЗ-3.
Сравнивая основные технические характеристики гомогенизаторов, можно отметить малые энергоемкость, массу и габариты РУЗ-3, эффективность гомогенизациии также существенно выше.
Кроме высокой эффективности, отмечен ряд преимуществ ультразвуковой обработки молока:
- при ультразвуковой обработке молока снижается уровень его микробиологической обсемененности;
- сухое молоко, выработанное с использованием ультразвуковой технологии, хранится дольше, чем полученное по традиционным технологиям, после восстановления по вкусу и составу не отличается от натурального;
- обработанное на ультразвуковом гомогенизаторе и замороженное для длительного хранения молоко после размораживания полностью восстанавливает вкус и питательную ценность.
Производительность гомогенизаторов колеблется от 250 до 50 000 л/час.
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
1. Гомогенизация имеет большое практическое значение в производстве молочных продуктов.
2. Гомогенизация молока положительно влияет на характер сгустка, получаемого при кислотной и сычужной коагуляции. Сгусток получается более нежным, однородным, отделение сыворотки замедляется, что является положительным фактором для кисломолочных продуктов.
3. Соблюдение режимов гомогенизации, выполнение последовательности технологических операций является залогом гарантированного качества молочной продукции. Особенно это важно при производстве кисломолочных напитков для получения более однородной и плотной консистенции, а в перемешанном состоянии (при резервуарном способе производства) - более вязкой консистенции, без отстоя сливок и с лучшей способностью удерживать сыворотку. Процесс гомогенизации в технологической схеме необходимо проводить на последней стадии дестабилизации жира. При производстве кисломолочных продуктов таким участком является выдержка смеси в течение (15±2) мин при температуре (90±5) °С.
4. Обычно гомогенизацию проводят после секции регенерации при температуре (55±5) °С. В этом случае есть свои преимущества, поскольку на формирование оболочки раздробленных жировых шариков используются плазменные белки, а после выдержки они переходят частично в денатурированное состояние и уже в полной мере не могут быть эффективными в процессе создания оболочек. В то же время возможно неполное обволакивание пленкой белка жирового шарика, слияние их, образование кучек жира и прогоркание готового продукта.
5. Давление гомогенизации устанавливают в зависимости от массовой доли жира и сухих веществ в смеси: чем выше жирность и концентрация сухих веществ в смеси, тем ниже давление в гомогенизирующей головке. Наиболее часто применяемое давление в гомогенизаторах клапанного типа от 9,0 до 17,0 МПа.
6. Температуру гомогенизации устанавливают от 55 до 95 °С в зависимости от возможностей технологической схемы.
7. В производстве молочных продуктов следует более широко использовать раздельную гомогенизацию только цельного молока или только сливок, а затем проводить нормализацию обезжиренным молоком.
8. При выработке молочной продукции, в рецептурах которой используются сухие молочные смеси, сахар, масло, наполнители, следует обязательно производить двойную очистку смеси перед гомогенизацией.