Гомогенизация молочного сырья

Гомогенизация – процесс дробления (диспергирования) жировых шариков при воздействии на молоко внешних условий, вызванных перепадом давления, ультразвуком, высокочастотной обработкой.

Цель гомогенизации - исключение самопроизвольного отстаивания молочного жира, повышение его дисперсности, как следствие приобретение жировой эмульсией однородной консистенции.

Рисунок 16 – Жировые шарики до гомогенизирования и после.

 

Это необходимо при производстве стерилизованного молока, кисломолочных напитков, сметаны, молочных консервов, мороженого и других продуктов. Во всех случаях стремятся к повышению стабильности жировой эмульсии, характеристику которой необходимо рассмотреть отдельно.

Молочный жир в молоке представлен в виде жировых шариков с размерами от 0,5 до 20 мкм (500-2000 нм). Основное количество жировых шариков представлено размерами 2000 - 5000 нм, среднерасчетный диаметр - 3000 нм. Количество жировых шариков в 1 мл молока составляет от 4 до 6 млрд. штук. Поверхность жировых шариков равна 1,2 - 1,5 м². Устойчивость эмульсии жирового шарика обеспечивается оболочкой, толщина которой в нормальном свежем молоке равняется 10-15 нм и состоит из белково-липидного комплекса с включением минеральных компонентов, витаминов, лецитина. Схема строения жирового шарика по современным воззрениям приведена на рис.

Рисунок 17 – Строение жирового шарика.

 

Внешний слой оболочки жирового шарика представляет собой гидрофильные белки, внутренний - гидрофобные липидные компоненты.

Теоретические предпосылки гомогенизации в настоящее время формулируются следующим образом:

- дробление жировых шариков в результате удара о стенку (Н. В. Барановский и др.)

- разрушение жировых шариков в результате взрыва изнутри (В. Д. Суриков и др.)

- разрезание жировых шариков в результате нитеобразования (П. А. Ребиндер).

В. В. Вайткусом сформулированы общие условия гомогенизации:

1. Молочный жир должен находится в жидком состоянии (эмульсия)

2. Дробление жировых шариков может быть обеспечено только при условии приложения внешнего защитного слоя каждого жирового шарика.

3. После дробления в системе должно быть обеспечено образование нового защитного слоя каждого жирового шарика.

Теоретически считается, что для исключения самопроизвольного отстоя размер жировых шариков в молоке не должен превышать 1 мкм. На практике процесс дробления осуществляют до 2 мкм. Анализируя формулу Стокса, выяснено, что при снижении размера жировых шариков на порядок (в десять раз) скорость отстаивания должна уменьшиться в 100 раз.

В настоящие время разработано несколько способов гомогенизации молочного сырья. Каждый из них имеет специфические технологические параметры и аппаратурное оформление. Рассмотрим кратко каждый из них.

Гомогенизация в гомогенизаторах клапанного типа. Механизм дробления жирового шарика в клапанном гомогенизаторе подробно разработан Н. В. Барановским.

Рисунок 18 – Гомогенизатор

1 – главный двигатель привода;

2 – клиноременная передача;

3 - указатель давления;

4 – кривошипношатунный механизм;

5 – поршень;

6 – уплотнение поршня;

7 – литой насосный блок из нержавеющей стали;

8 – клапаны;

9 – гомогенизирующая головка;

10 – гидравлическая система.

 

 Подогретое молоко с большой скоростью проходит через узкую клапанную щель между седлом и клапаном гомогенизатора, в результате чего жировой шарик разрушается под воздействием механических и гидромеханических процессов. Главную роль играет перепад давлений Р_о и Р_1, определяющих увеличение скорости шарика от V_о до V₁ в 200 раз.

По формуле Барановского размер жировых шариков как показатель эффективности гомогенизации:

 

                              d _ср = 3,8 √ р,                                  (9)

где р – давление гомогенизации, МПа.

Исследования показали, что при повышении давления до 12-14 МПа d_ср быстро уменьшается. В интервале от 14-20 МПа этот процесс протекает уже медленно. Дальнейшее повышение давления почти не повышает степени дисперсности.

С увеличением в продукте содержания жира давление гомогенизации необходимо уменьшать, иначе может произойти дестабилизация молочного жира. В связи с этим молоко гомогенизируют обычно при давлении 15 + 2,5 МПа, а сливки с массовой долей жира 35% при давлении 5-7,5 МПа.

Давление гомогенизации продуктов с повышенным содержанием сухих веществ должно быть ниже, что обусловлено необходимостью снижения энергозатрат.

На процесс гомогенизации оказывает влияние также температурный режим. Молоко можно гомогенизировать при различных температурах, начиная с точки плавления молочного жира (30 ⁰С). С увеличением температуры от 30 до 65 ⁰С эффективность гомогенизации улучшается. Лучшие результаты получаются при 60-65 ⁰С. Дальнейшее повышение температуры гомогенизации отрицательно сказывается на свойствах молока, наблюдается снижение его вязкости и увеличение отстаивания сливок. При температуре 85-90 ⁰С наблюдается также частичное испарение влаги из молока, что нарушает нормальную работу плунжерных насосов. С повышением содержания сухих веществ продукта температура гомогенизации должна быть выше, что обусловлено его повышенной вязкостью.

Оптимум температуры соответствует по физической модели 60 ⁰С, что хорошо совмещается с секцией регенерации пластинчатых пастеризационно-охладительных установок. При всей кажущейся простоте процесса, следует отметить высочайшую точность изготовления плунжерной пары (щель гомогенизирующего клапана соответствует размеру 100 мкм) и огромные энергозатраты на уровне сотен кВт, возрастающие в геометрической прогрессии по мере роста производительности. Все это ограничивает и даже исключает широкое внедрение такого способа гомогенизации.

Гомогенизация в кларификсаторах (специальных сепараторах со вставкой диска). Принцип дробления основан на ударе жирового шарика, имеющем ускорение Кориолиса, за счет сил кавитации о неподвижный диск, вставленный на выходе сливок из сепаратора-сливкоотделителя-нормализатора. Давление, развиваемое при этом, составляет 20 - 25 МПа, диаметр жировых шариков после выхода из камеры с неподвижным диском находится на уровне 1,5 мкм. При всей компактности и достаточной эффективности процесса он не нашел распространения на практике в связи со сложностью конструкции и дефицитом кларификсаторов, хотя идея подкупает совмещением процесса нормализации, очистки и гомогенизации молока в потоке.

Гомогенизация в эмульсорах. Имеется несколько конструкций эмульсоров, сущность которых сводится к механическому дроблению жировых шариков за счет перекачивания в специализированных насосах (ВНИКМИ), методом вспрыска (институт теплофизики АН УССР), струйно-вихревых (форсуночных) эмульсорах (Сибирский филиал ВНИКМИ), дезинтеграторах. Эти устройства обеспечивают достаточную эффективность эмульгирования при производстве ЗЦМ. 

Гомогенизация в гидродинамических вибраторах (конструкция В. М. Степанова) основана на протекании молока через систему самоколеблющихся пластин (принцип свистка). Давление 0,4-0,5 МПа, температура 55 – 65 ⁰С. Средний диаметр после процесса 2 мкм. Кроме дробления отмечен факт бактерицидного воздействия.

Эффективность гомогенизации оценивают различными способами:

- по размеру жировых шариков;

- по оптической плотности;

- по степени отстаивания жировой фазы в поле силы тяжести.

В последнем случае – эффективность К (%) равна:

                                           

                                     

                                   А · 100

        К =                                              (10)

А+В

 

где А – массовая доля жира в тяжелой фракции, %;

    В – массовая доля жира в легкой фракции, %.

 

Анализируя процесс гомогенизации, остановимся прежде всего на его влиянии на состав и свойства молока. Количество жировых шариков после гомогенизации возрастает в 125 - 1000 раз. Безусловно, дробление жировых шариков приводит к существенным изменениям системы молока. Так, например, поверхность оболочек жировых шариков возрастает почти в 10 раз (до 15 м² в 1 мл), что требует формирования оболочечного комплекса за счет компонентов молока (белков, ПАВ и др. компонентов). Сывороточные белки частично переходят на оболочку жировых шариков, а некоторые фракции, например, эвглобулин, денатурирует. Изменяется соотношение фракций казеина. Увеличивается количество не свертываемого сычужным ферментом каппа-казеина. В целом стабильность коллоидной фазы уменьшается, что достаточно четко фиксирует алкогольная проба. Получаемый из гомогенизированного молока сгусток характеризуется как «слабый», мелкодисперсный. Недостаточно отделяется сыворотка, увеличивается количество небелкового азота в сыворотке. Резко возрастает возможность липолиза. Происходит некоторое перераспределение минеральных солей (увеличение растворимого Са). Снижается рН, увеличивается титруемая кислотность. Незначительно изменяются оптические свойства, плотность, вязкость и поверхностное натяжение.

В то же время относительно гигиены питания гомогенизация является исключительно положительным фактором, т. к. улучшает (облегчает) усвоение липидного комплекса молока.

В настоящее время процесс гомогенизации молочного сырья сводится к гомогенизации молока с целью исключения самопроизвольного отстаивания жировых шариков. Хотя В. В. Вайткус и др. более широко трактуют этот процесс как в технологическом плане, так и с точки зрения качества молочных продуктов, обращая внимание на диетические свойства гомогенизированных продуктов. Кроме того, данный процесс рассматривается совместно с эмульгированием. И, хотя с процессовой точки зрения эмульгирование относится к смешиванию (перемешиванию), в технологическом плане такое совмещение рассмотрения процессов вполне допустимо.

Эмульгирование (смешение, совмещение) - распределение молочного или немолочного жира в молочном сырье и его диспергирование. Технологический процесс довольно широко используется и исследуется в последнее время практически при производстве всех групп молочных продуктов, особенно ЗЦМ, ЦДП, сливочного масла, сыров и цельномолочных продуктов. При этом экономические вопросы замены более дорогого молочного жира на растительные и животные жиры хорошо совмещаются с теорией диетического и сбалансированного питания.

В. В. Вайткусом разработан альтернативный вариант - раздельная, двухступенчатая гомогенизация молочного сырья. Сущность ее заключается в гомогенизации не молока, а сливок с последующим смешением их с обезжиренным молоком. Подогретое молоко вначале подают в сепаратор сливкоотделитель для получения сливок с массовой долей жира 16-20 %. Полученные сливки поступают в двухступенчатый гомогенизатор, где обрабатываются в первой ступени под давлением 8-10 МПа, а во второй ступени под давлением 2,0 - 2,5 МПа.

Рисунок 19 – Двухступенчатая гомогенизация.

1 – первая ступень;

2 – вторая ступень.

 

 Обезжиренное молоко после сепаратора смешивается с гомогенизированными сливками и отправляется на переработку.

Положительной стороной раздельной гомогенизации является исключение воздействия на плазму молока и снижении энергозатрат за счет сокращения объема, что позволяет получить экономический эффект.

 

Вопросы для контроля изучения материала лекции

1. Фильтрация. Способы фильтрации. Фильтры для молока?

2. Преимущества и недостатки фильтрации?

3. Сепарирование. Сущность процесса, преимущества и недостатки?

4. Разновидности сепарирования?

5. Гомогенизация. Теоретические предпосылки процесса. Условия гомогенизации?

6. Способы гомогенизации. Краткая характеристика?

7. Сущность 2-х ступенчатой гомогенизации?