Концентрирование молочного сырья

Под концентрированием(сгущением) понимается частичное удаление воды из жидкого сырья, в результате чего концентрация сухих веществ в нем повышается. Сгущение можно осуществлять выпариванием, при котором сырье нагревается до перехода содержащейся в нем воды в пар, удалением водяных паров из сгущаемой жидкости продуваемым через нее воздухом, вымораживанием, при котором вода удаляется в виде кристаллов льда, или возгонкой.

В производстве молочных продуктов преимущественно распространен первый способ – выпаривание.

Массообменный процесс выпаривания - это сгущение молочного сырья при кипении. Применительно к термолабильности основных компонентов молока он должен осуществляться при температуре ниже порога денатурации сывороточных белков, т.е. на уровне 50-60 °С. В процессе выпаривания удаляют растворитель - воду.

Выпаривание молочного сырья является самостоятельной технологической операцией при производстве сгущенных молочных продуктов – цельного и обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки либо предваряет процесс сушки при получении всех видов сухих молочных продуктов. Может являться промежуточной технологической операцией при производстве молочного сахара или сывороточных сиропов.

Сущность процесса выпаривания молочного сырья сводится к частичному удалению воды из жидкого молочного сырья. В результате концентрация сухих веществ в нем повышается. Сгущение молочного сырья в настоящее время в зависимости от конечной цели процесса осуществляют от 1,5 до 100 раз в сравнении с исходным объемом. Для исключения тепловой денатурации белков и других нежелательных явлений сгущение молочного сырья осуществляют, как правило, в вакуум-аппаратах в тонком слое с автоматическим регулированием процесса.

В молочноконсервном производстве в качестве теплоносителя в вакуум-выпарных аппаратах используется только водяной пар. Выпаривать влагу из сырья (сгущать) можно при атмосферном давлении в открытых котлах и под вакуумом. Выпаривание под вакуумом имеет следующие преимущества по сравнению с первым способом:

можно сгущать такие жидкости, кипение которых при атмосферном давлении сопровождается физико-химическими изменениями и снижением физиологической и пищевой ценности готового продукта;

процесс сгущения протекает быстрее и съем пара с единицы поверхности выше;

расход пара на сгущение в целом меньше;

кипение происходит при пониженных температурах и при интенсивной циркуляции молока, поэтому на греющих поверхностях аппарата образуется меньше накипи, увеличивается продолжительность работы аппарата без чистки.

Технологические режимы сгущения подробно рассматриваются в разделе технологии молочных консервов.

В отдельных случаях используют второй способ – сгущение продуванием воздуха (в концентраторах Фиалкова, Дженсена и др.) Удаление влаги вымораживанием применяют в процессе сублимационной сушки. Теплоносителем в выпарных аппаратах могут быть газы, горячая вода, масла, пар и др., применяется также электронагрев.

 

Сушка молочного сырья

Сушка молочного сырья преследует ту же цель, что выпаривание - управляемое регулирование влаги.

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из пищевого продукта или другого материала. При испарении влаги с поверхности возникает градиент концентрации влаги, являющийся силой перемещения ее из внутренних слоев к поверхности испарения. Процесс миграции и удаления влаги нарушает ее связи с высушиваемым материалом и требует соответствующих затрат энергии.

Существуют различные методы удаления влаги из высушиваемого материала: механические, физико-химические, тепловые и др. Механические методы могут быть основаны на прессовании, фильтровании, центрифугировании и др., физико-химические – на поглощении влаги теми или иными влагоемкими веществами (хлористый кальций, серная кислота, пятиокись фосфора, силикагель и др.) тепловые - на испарении, выпаривании и конденсации. Широко распространена тепловая сушка способами: контактными, конвективным, радиационным, токами высокой частоты, в кипящем слое и др. На принципе контактной сушки при помощи теплоносителя через обогреваемую стенку производится сушка молока и других продуктов на барабанных или вальцовых сушилках (пленочный способ). Конвективная сушка протекает при непосредственном контакте нагретого сушильного агента с влажным материалом (молоко и др.)

В молочноконсервном производстве наиболее широко распространена сушка в потоке нагретого воздуха, характеризующаяся зависимостью между удельным влагосодержанием продукта U( количество влаги приходящееся на единицу массы сухой части продукта) и продолжительностью процесса τ (рис 10). В начальной стадии сушки (участок АВ) влага из продукта убывает медленно, тепло расходуется главным образом на нагрев продукта от начальной температуры Ө₁ до температуры адиабатического насыщения (мокрого термометра) Ө_п (стадия прогрева продукта). На участке ВС влагосодержание продукта падает линейно, и процесс сушки характеризуется постоянной скоростью d U / dτ=const при неизменной температуре поверхности материала. В центре высушиваемого продукта эта температура будет достигнута лишь через некоторое время. Начиная с точки С, сушка протекает по кривой СD, приближаясь к равновесному состоянию U _р. Влагосодержание продукта в точке С принято называть критическим влагосодержанием U _к.

Таким образом, процесс сушки слагается из периодов постоянной и падающей скорости. Интенсивность сушки в постоянный период, когда давление P_m паров влаги на поверхности материла равно давлению P_н насыщенных паров свободной жидкости при температуре поверхности, определяется температурой., влажностью, давлением и скоростью движения сушильного агента. Во втором периоде величина Р_м является функцией влагосодержания и температуры продукта, причем Р_м < Р_н. Процесс сушки во втором периоде во многом зависит от формы связи влаги с сухим веществом продукта.

При сушке в кипящем (псевдожиженном) слое процесс удаления влаги протекает в слое взвешенных гранулированных частиц. Температура высушиваемого продукта одинакова по всему объему слоя. Интенсивность тепло- и массообмена высокая и зависит от температуры, давления и характера обтекания сушильным агентом частиц высушиваемого продукта. Имеются предложении сочетать этот способ с использованием ультразвуковых колебаний.

Радиационная сушка осуществляется облучением продукта инфракрасными (0,75-4,00 мкм) лучами, источником которых являются мощные электрические лампы, снабженные рефлекторами, направленными на высушиваемый продукт. Инфракрасными лучами влажный продукт быстро прогревается, а так как воздух в пространстве между лампами и материалом почти не нагревается, то потери тепла в окружающую среду незначительны и происходит быстрое удаление влаги. Радиационным способом можно высушивать казеин, молочный сахар, другие продукты. Недостатком этого способа сушки являются местные перегревы и высокий расход энергии (1,5 – 2,5 кВтч/кг_.

Сушка токами высокой частоты применяется для удаления влаги, прочно связанной с составными частями высушиваемого продукта. Материал размещают между двумя пластинами, к которым подводится переменный ток частотой 500 кГц. В электрическом поле, создаваемом в пространстве между пластинами, возникает интенсивное колебание молекул влажного материла. Вследствие трения выделяется тепло, под влиянием которого материал быстро нагревается и равномерно по всей толщине высушивается. Недостатком этого способа является сложность установки и высокий расход электроэнергии (до 3,5 кВтч/кг).

Ультразвук (частота колебаний порядка 10⁴ – 10⁸ Гц) заметно воздействует на процессы тепло- и массообмена. При сочетании распыления с воздействием ультразвуком частицы продукта, попадающие в акустическое поле, совершают колебательные движения, что приводит к их агломерированию. Регулированием скоростей колебания отдельных частиц в акустическом поле удается увеличить вероятность контакта и установить процесс агломерации. Для коагшуляции крупнодисперсных аэрозолей применяются колебания частотой 200-1000 Гц, более высокие частоты, исчисляемые в мегагерцах, коагуляции не вызывают.

Сублимационная сушка – процесс, основанный на непосредственном, минуя жидкую фазу, переходе веществ (влаги) из газообразного состояния в кристаллическое, являющемся, таким образом, фазовым переходом первого рода, сопровождаемым экзотермическим процессом.

Общая зависимость давления насыщенного пара и температуры описывается уравнением (22)

 

d P_пр/ d T = λ / RT²                                                                  (22)

  где Р – давление, МПа

  Т – абсолютная температура, К;

           К – газовая постоянная;

           λ – теплота перехода, Дж/кг.

Величина λ является мерой энергии связи между атомами (молекулами) твердого тела.

В сублимационных сушилках влага удаляется из замороженного материала под глубоким вакуумом, когда остаточное давление в сублиматоре составляет 1,33 – 0,133 Па. Тепло к высушиваемому материалу может подводиться конвекцией, радиоционным излучением, диэлектрическим, кондуктивным нагревом.

Процесс сублимационной сушки слагается из замораживания продукта, сублимации льда, когда происходит испарение льда без плавления его, и испарения остаточной влаги из продукта.

На интенсивность или скорость сушки оказывают влияние формы связи влаги с высушиваемым материалом. Различают следующие виды связи влаги: химические, физико-механические и механические Химически связанная или кристаллизационная вода, которая адсорбируется поверхностью капилляров материала, мигрирует внутрь материала за счет диффузии и осмотического давления (осмотическая влага) или, например, захватывается при образовании белкового сгустка в сквашенных молочных продуктах. Адсорбционно и осмотически связанная влага удерживается силовым полем на внешней (первая) и внутренней (вторая) поверхности молекул белка, обладающего (как высосомолекулярное вещество) коллоидными свойствами. Удаление адсорбционной влаги требует затрат энергии на перемещение влаги к поверхности и на последующее превращение ее в пар. Осмотически связанная влага диффундирует внутри материла в виде жидкости через стенки вследствие разности концентраций.

Механически, наименее прочно связанная вода является в известной мере свободной и более легко поддается удалению из материала. Свободная влага перемещается в высушиваемом материале в виде жидкости (из внутренних слоев до зоны испарения) или пара (из зоны испарения через сухой слой материала в окружающую среду). К этой группе относится поверхностная влага, заполняющая при смачивании макро- и микрокапилляры, сорбируемая влага из воздуха.

В сушильной технике влагу по поведению ее в процессе сушки разделяют на удаляемую и не удаляемую при сушке, на свободную и гигроскопическую.

Принимая понятия «удаляемая» и «неудаляемая» влага, следует иметь в виду, что всякий материал может быть высушен только до равновесной влажности, зависящей от влажности и температуры сушильного агента. Удаляемой называется влага, обуславливающая влажность материала выше его равновесной влажности, а неудаляемой – влага, обуславливающая влажность ниже его равновесной влажности.

  Свободная влага характеризуется тем, что при бесконечно малой скорости сушки материала скорость испарения ее равна скорости испарения воды со свободной поверхности или что давление водяного пара над материалом равно давлению насыщенного пара при соответствующей температуре. Гигроскопическая влага характеризуется тем, что при бесконечной малой скорости сушки материала скорость испарения ее меньше, чем у свободной поверхности, и давление водяного пара над материалом меньше, чем при свободной влаге.

  Под свободной В_св понимается влага, удаляемая при сушке; количество ее определяется количеством всей влаги В_общ материала за вычетом влаги равновесной В_равн для данного режима сушки:

В_св = В_общ - В_равн                                                                                        (23)

  В области гигроскопического состояния материала давление пара у поверхности материала меньше давления насыщенного пара Р_м < Р_н или φ < 1, т.е. влажность материла В_м меньше влажности гигроскопической: В_м<В_г.

  В области влажного состояния материала давление пара над его поверхностью не зависит от влажности и равно Р_н : Р_м = Р_н или φ = 1, т.е. влажность материала больше гигроскопической влажности: В_м > В_г.

Таким образом, общая влажность материала равна гигроскопической влажности плюс влага внешняя, т.е.

                 В_общ = В_г + В_{вн                                                                                     (}24)

 

  В процессе сушки тепло горячего воздуха расходуется на ис­парение влаги, а образующийся пар насыщает сушильную камеру и увеличивает парциальное давление пара в увлажненном воздухе, находящемся в камере или над поверхностью высушиваемого мате­риала. В силу этого интенсивность испарения влаги из материала снижается. Для поддержания правильного режима и интенсивности процесса сушки необходимо постоянно и своевременно удалять вы­деленный из материала пар и подводить в сушилку новые порции ненасыщенного паром воздуха или обеспечивать постоянный отвод влажного воздуха.

  Подвод тепла в сушилку осуществляется разными способами в зависимости от применяемого сушильного оборудования. Если жидкость высушивается на горячих металлических вальцах, тепло подводится в полость вальцов и через стенки передается к молоку. Если для сушки применяют воздух, то его предварительно нагревают, в результате чего он изменяет свойства как сушильный агент.

  Характерными показателями воздуха и его физического состояния являются влажность, давление, объем и влагоемкость.

По степени насыщенности воздуха водяными парами он бывает ненасыщенным, насыщенным и перенасыщенным. Обычно воздух не насыщен, что позволяет использовать его для сушки в естественном состоянии или после подогрева его. При нагревании воздуха влагосодержание его остается неизменным, а степень насыщения понижа­ется; влагоемкость, т. е. способность к поглощению влаги, заметно возрастает. Это является важным свойством воздуха как сушильного агента.

  В процессе сушки с поверхности материала удаляется находящаяся на ней в виде тонкой пленки влага; на ее место диффундирует влага из внутренних, слоев. В зависимости от быстроты восполнения испаряющейся поверхностной влаги меняется продолжительность сушки. По мере уменьшения влаги в продукте прочнее за счет увеличения сил сцепления удерживается в нем остальная влага. Это требует повышения температуры сушки или большего диспергирования высушиваемых материалов. Интенсивное испарение обеспечивается при условии, что давление водяного пара у поверхности испаряющейся жидкости выше парциального давления пара в воздухе.

  Во влажных телах влага является свободной и может быть полностью удалена высушиванием. В гигроскопических телах добиться полного обезвоживания. практически не удается: при контакте, например, высушенного порошка с воздухом влажность его приходит в равновесие с влажностью атмосферной.

  Зависимость между относительной влажностью воздуха и содержанием влаги в сухом молоке, воспроизведенная в графической форме, является кривой равновесной влажности или изотермой сорбции и десорбции. Кривые равновесной влажности молочных порошков над парами серной кислоты представлены на рис. 11. Кривые показывают, что изотермы сорбции и десорбции влаги в сухом молоке вследствие денатурирования белков не совпадают и подлинные их значения находятся в центре этих кривых; линии изотерм сорбции и десорбции постоянно приближаются к кривой равновесия и при В_м = 10-15 % сливаются. По характеру кривых можно заключить, что с повышением температуры область сушки расширяется, т.е. молоко становится менее гигроскопичным: так, при относительной влажности воздуха 85 % сухое обезжиренное молоко в равновесном состоянии при 65 - 70°С будет содержать 16, а при 20 ºС – около 21 % влаги.

  Для нахождения равновесной влажности молочного порошка получено (ЛИИМП) эмпирическое уравнение

lg W = 0.01445φ + lg (1.423 – 0.00543t)                     (25)

  Андреевым была найдена эмпирическая зависимость влажности вырабатываемого порошка В_пор от содержания в нем белка Б_пор в пересчете на сухое вещество

В_пор = 0,12Б_пор  - 0,22                                  (26)

  Таким образом, гигроскопические свойства продукта влияют на установление конечной его влажности при сушке.

  Для получения сухого молока влажностью 2—3%, φ выходящего из сушилки воздуха не должна превышать 24—28% (см. рис. 10). Требуется некоторое время, чтобы влажность выходящего из сушилки сухого молока пришла в равновесие с влажностью окружающего воздуха. Поэтому при выборе относительной влажности выходящего из сушилки воздуха требуется принимать ее с запасом. Запас этот, как показывает эксплуатация сушилок распылительного типа, колеблется в пределах 40—60%; при запасе 40% для получения влажности порошка в 2,5% следует принимать относительную влажность отходящего воздуха φ = 24,0 • 0,40 = 9,6%.

  Для сушки молока и молочных продуктов на современных предприятиях применяются в основном следующие способы:

  контактная или пленочная сушка — осуществляется непосредственным контактом высушиваемого материала с нагретой поверхностью (сушильные металлические вальцы);

  распылительная сушка в струе нагретого воздуха, приходящего в контакт с распыленным молоком;

  сублимационная сушка (возгонка) при низких температурах, в условиях глубокого вакуума.

  Известны и другие способы сушки молока, но они, равно как и сублимационная сушка, не получили пока широкого промышленного применения.

  При контактном (пленочном) способе температура греющей металлической поверхности колеблется от 50 (для вакуумных сушилок) до 130° С (для атмосферных). На наших заводах эксплуатируются главным образом для сушки обезжиренного молока и пахты пленочные сушилки нескольких типов, работающие при атмосферном давлении. В зарубежной практике применяются вакуумные сушилки; более низкие температуры высушивания под вакуумом (50—60° С) способствуют сохранению ценных свойств исходного молока, получению сухого продукта с высокой растворимостью.

  В двухвальцовой (двухцилиндровой) сушилке на чугунной станине горизонтально и параллельно один другому расположены два шлифованных цилиндра (вальцы). Скорость вращения вальцов у отдельных конструкций и модификаций их колеблется от 12 до 24 об/мин. В движение вальцы приводятся электроприводом через понижающий редуктор. Предварительно сгущенное цельное или чаще обезжиренное молоко подается в распределительный желоб, через отверстия которого жидкость поступаете пространство между вальцами; расстояние между последними регулируют прижимными болтами. Высушиваемая жидкость (молоко, пахта) омывает поверхность вращающихся нагретых до 105—130° С вальцов и при прохождении ¾ оборота превращается в пленку. При помощи ножей-скребков пленка снимается или отделяется от поверхности вальцов, шнековым механизмом отводится в растирочное устройство (молотково-дробильного или растирочного типа), с помощью которых преобразуется в порошок после охлаждения расфасовывают и направляют в склад на хранение.

  При пленочном способе сушки поверхность, с которой приходит в контакт высушиваемое молоко, имеет высокую температуру. Высокая температура вызывает изменения в молоке, сопровождаемые снижением растворимости сухого продукта, поэтому стремятся понизить температуру обогреваемой поверхности, а это приводит к снижению производительности установки.

  Интенсификация процесса пленочной сушки (при одновремённом понижении температуры поверхности вальцов) достигается обдувкой пленки подогретым воздухом.

  При распылительной сушке высушиваемая жидкость (молоко) с помощью диска или форсунки распыляется на мельчайшие капли; распыленное молоко приходит в контакт с нагретым воздухом, поглощающим водяные пары, и превращается в порошок.

  Сушилки для получения сухого молока по способу распыления делятся на форсуночные и дисковые.

  Эксплуатационные расходы и первоначальные капитальные затраты при распылительном способе сушки несколько выше, чем при пленочном. Эксплуатационно-энергетические затраты на воздушную сушку заметно сокращаются, если предварительное сгущение ведется в многоступенчатых вакуум-выпарных аппаратах с термокомпрессией вторичных паров. Однако, распылительный способ сушки обеспечивает высокое качество сухого молока.

      

Растворение

Растворение сухих молочных продуктов на практике называют процессом восстановления. Это специфический процесс, который рассматривается в технологии молочных консервов. Он включает знания объекта растворения, процесса и аппаратурного оформления. Особый интерес при производстве продуктов детского питания имеет операция солюбилизации - растворения молочного сахара

 

Кристаллизация из растворов

В технологии молочных продуктов достаточно широко используется процесс кристаллизации (выделения) лактозы (молочного сахара) из молочного сырья (растворов) при производстве сгущенных молочных консервов и молочного сахара.

Кристаллизация лактозы осуществляется в условиях перенасыщения раствора и в настоящее время объясняется молекулярно-кинетической теорией. Всесторонние исследования процесса кристаллизации в нашей стране проводятся школой проф. Полянского К.К.

В общем виде процесс кристаллизации лактозы включает обра­зование зародышей и их рост. Кинетика кристаллизации может быть выражена изменением концентрации лактозы (С) во времени (t):

С = f (τ)                                             (27)

Процесс кристаллизации включает три периода: I — индукционный (латентный) период, когда концентрация лактозы остается постоянной и происходит спонтанное или управляемое (внесение) зарождение кристаллов (центра кристаллизации), П и Ш Периоды - рост кристаллов.

Продолжительность первого периода зависит от вида вещества, его концентрации и порядка зародышеобразования, диапазон колеблется от нескольких секунд (молочные консервы) до нескольких часов (молочный сахар). В молочной промышленности при кристаллизации лактозы применяют все три типа зародышеобразования: гомогенное (спонтанное) и первичное гетерогенное (на стенках кристаллизаторов и поверхности примесей), а также вторичное гетерогенное (внесение кристаллов лактозы). Основным условием образования зародышей и их дальнейшего роста является пересыщение раствора, которое создается путем сгущения молочного сырья и его последующего охлаждения. Растворимость лактозы приведена в табл. 14

Таблица 14

Температура, ^0С	Растворимость, %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100	10,6 13,1 16,1 19,9 24,6 30,4 37,0 43,9 51,0 59,0 61,2

 

Во всех видах молочного сырья лактоза при принятых тепловых режимах обработки находится в растворенном состоянии (молекулы). До кристаллизации должно быть создано пересыщение. Скорость образования зародышей в зависимости от величины пересыщения аппроксимируется степенной функцией

dn / dτ = K S                                               (28)

где:     n - число зародышей;

t- скорость образования зародышей;

S - перенасыщение;

К и Р - коэффициенты.

На вероятность зародышеобразования кроме пересыщения влияет перемешивание и электрофизическое воздействие ультразвуком, магнитным полем. Учитывая значительные затраты энергии и неуправляемость спонтанного зародышеобразования при производстве молочных продуктов рекомендуется внесение в виде мелкокристаллической пудры размолотых кристаллов молочного сахара. Эта операция является обязательной при производстве всех видов сгушенных молочных консервов с сахаром по четко определенному технологическому регламенту. При производстве молочного сахара операция носит рекомендательный характер.

Рост кристаллов лактозы с точки зрения молекулярно - кинетической теории рассматривается как ряд элементарных актов присоединения к поверхности растущей грани молекулярных комплексов, образующихся в массе исходной фазы. В это же время происходит процесс массопередачи молекул лактозы к поверхности пограничного слоя, диффузия их вдоль поверхности кристалла и включение в кристаллическую решетку. Происходит отвод тепла кристаллизации и освободившейся гидратационной воды. Перенос молекул лактозы из раствора ускоряется за счет перемешивания, уменьшения толщины диффузионного слоя. Рост кристаллов лактозы сопровождается снижением запаса свободной поверхностной энергии за счет адсорбции ее молекул гранями растущих кристаллов.

Результаты кристаллизации оценивают по количеству выкристализовавшейся лактозы (массовость) и однородности кристаллов (количество и размер). При производстве молочных консервов стремятся получить максимум кристаллов (массовость) при минимально возможном размере (как правило, не выше 10 мкм). При получении молочного сахара, наоборот, стремятся получить однородные кристал­лы максимального размера (50-500 мкм).

Для обеспечения этих положений разработаны оптимальные тех­нологические параметры проведения процесса, которые будут изучены в соответствующих разделах технологии молочных продуктов.

Аппаратурное оформление на современном уровне позволяет осуществить процесс при полной механизации с элементами автоматизации и программирования. С использованием микропроцессорной техники возможная алгоритмизация и моделирование кристаллизации лактозы.

 

 

Кристаллизация из расплавов

Кристаллизация из расплавов является специфической технологической операцией при производстве молочных продуктов на основе молочного жира (липидов): масла, сметаны. В практике работы и учебной литературе этот процесс рассматривается как отвердевание молочного жира с учетом его полиморфизма. Значительный вклад в рассмотрение данного явления внесла проф. Г.В. Твердохлеб.

Молочный жир как смесь насыщенных и ненасыщенных три-, ди- и моноглицеридов, обладая способностью отвердевать, образуют самые различные кристаллические формы с переходом из одной формы в другую (рис.12)

На рис.12 показаны возможные варианты структур двойной и тройной длины цепи из триглицеридов различной конфигурации: 1 – вилки, 2 – кресла, 3 – стержня.

В результате охлаждения происходит смешанная кристаллизация триглицеридов с образованием кристаллических структур. Отвердевший молочный жир всегда является кристаллическим. Задача инженера-технолога заключается в том, чтобы провести технологический процесс для обеспечения получения качественного жирового продукта.

Твердая фаза молочного жира формируется в результате происходящих одновременно процессов формирования первичной кристаллической структуры и образования вторичной пространственной структуры. Процесс происходит во времени и зависит от глубины охлаждения, скорости процесса и последующей выдержки. Отвердевание молочного жира рассматривается как сумма процессов в отдельных триглицеридах и характеризуется групповым показателем.

Имеется прямая зависимость отвердевания (Д) триглицеридов от температуры охлаждения. Для описания количественных закономерностей процесса изотермической кристаллизации, глицеридов молочного жира А.Д. Грищенко предложил использовать уравнение А.Н. Колмогорова:?

(29)

где:

Ж_тв - количество твердого жира к моменту времени t;|

К и в - константы.

Изучение и расчеты процесса кристаллизации триглицеридов молочного жира позволили установить наличие четырех полиморфных модификаций: g, a, b, b^¢ отличающихся различными температу­рами плавления. g - форма образуется при мгновенном, тонкослой­ном охлаждении. Это самая нестабильная, легкоплавкая и некристаллическая стеклоподобная форма. Имеет под микроскопом аморфный вид растрескавшегося стекла. a -форма образуется при быстром охлаждении до 0-8 °С в твердой фазе, имеет структуры ДДЦ и ТДЦ. Кристаллы имеют игольчатую форму. a -форма неустойчива и легко превращается при 8-10 °С в b -форму. b^¢ -форма выкристаллизовывается только в виде структур ДДЦ, преобладает в высокоплавкой структуре глицеридов и обеспечивает хорошую термоустойчивость сливочного масла. Температура плавления b - формы колеблется от 17,1 до 33 °С. b - форма также имеет структуру ДДЦ, кристаллизуется при температуре выше 21 °С, а плавится при 33 - 37 °С, что придает сливочному маслу высокоплавкость.

Для получения масла с хорошей пластичной консистенцией оптимальное соотношение легкоплавких и высокоплавких триглицеридов должно составлять 2:1. Степень отвердевания жира зависит от температуры охлаждения сливок и продолжительности выдержки их при этой температуре. При 2-15 °С необходимое время составляет 3-4 ч. При температуре 2-8 °С и жирности сливок 32-35 % оптимальная степень отвердевания молочного жира достигается через 30-60 мин без перемешивания и 4-10 мин при перемешивании. Быстрое и глубокое охлаждение сливок позволяет получить массу мелких кристаллов молочного жира. Такие кристаллы с развитой адсорбционной поверхностью и большей смачиваемостью жидким жиром способствуют формированию пластических свойств сливочного масла и нормальной консистенции сметаны. Инженер-технолог должен обеспечить проведение именно таких режимов кристаллизации молочного жира из расплава эмульсии липидов после тепловой обработки сливок.

 

Ионный обмен

Сущность ионного обмена заключается в том, что при определенных условиях между твердым телом (ионообменная смола) и раствором, содержащим нежелательные примеси, происходит обмен ионов, в результате которого твердое тело сорбирует ион из раствора, отдавая в него также ион, менее вредный для основного производства.

Гетерогенный обмен на ионите R с зарядом Z_R противоиона А с зарядом Z_А на ион В с зарядом Z_В можно записать в виде следующего уравнения:

Z_B R_ZA A^ZA + Z B^ZB = Z_A R_ZB B^ZB  + Z_B A^ZA                               (30)

где Z_i  (i = А,В) – заряд обменивающегося иона i-того компонента.

Иониты - это природные или синтетические многовалентные электролиты. Структурно они состоят из жесткого каркаса (матрицы) и функциональных групп, достаточно прочно связанных с матрицей химическими связями. В зависимости от заряда иониты классифицируют на катиониты (отрицательный заряд), аниониты - положительный заряд и амфолиты, содержащие в составе катионы (Н⁺) и анионы (ОН^-).

Ионный обмен широко используется в пищевой промышленности. В молочной промышленности ионный обмен применяется при получении ионитного молока, молочной кислоты, извлечения радиоактивных элементов, производстве молочных консервов, повышении термостойкости молока, снижения кислотности и микробиологической обсемененности молока.

Обессоливание предварительно очищенной от белков молочной сыворотки с использованием ионного обмена достаточно полно изучено применительно к производству молочного сахара. Деминерализация натуральной молочной сыворотки изучена пока недостаточно.

 

Электродиализ

Электродиализ применяют для обессоливания раствора через ионитовые мембраны с совмещением осмоса, диализа и электродиализа.

Сущность процесса электродиализа заключается в том, что ионитовая мембрана (перегородка), находясь в контакте с раствором электролита, под влиянием электрического поля пропускает ионы одного заряда и служит барьером для ионов противоположного заряда.

Ионитовая мембрана представляет собой тонкий лист, состоящий из нерастворимого полимерного состава и включенных в него ионогенных групп, которые обуславливают высокую электрохимическую активность мембран, что отличает их от обычных коллодиевых, пергаментных, керамических и др. Известны в основном два вида ионитовых мембран: (гомогенные и гетерогенные), изготовленных разными способами. Гомогенные ионитовые мембраны получают формованием неконденсированных ионообменных смол с последующей их активацией в тонком слое. Гетерогенные ионитовые мембраны изготавливают из тонкоизмельченного порошка ионнообменннх смол путем впрессовывания или смешения смолы с инертным материалом (полистиролом, полиметилметакрилом и др.).

В молочной промышленности электродиализ, как и гиперфильтрация, получает все более широкое распространение. В частности, его используют для обессоливания сыворотки, удаления радиоактивных элементов, направленного регулирования солевого состава молока и молочных продуктов.

Молочная сыворотка о точки зрения состава и свойств является идеальным объектом для осуществления деминерализации с целью регулирования солевого состава готового продукта. Направленное обессолевание молочной сыворотки является предметом многочисленных исследований как в нашей стране, так и за рубежом. Найдены оптимальные конструктивные решения и накоплен определенный промышленный опыт.

Значительно улучшаются органолептические показатели деминерализованной сыворотки в сравнений с исходной, уменьшается кислотность, повышается растворимость. Деминерализованная сыворотка, ее концентраты особенно с направленным составом (белковые, лактозные) и в сочетании с биологическим обогащением (сквашивание, глюкозо-галактозные сиропы) может быть широко использована в детском, диетическом и лечебном питании.

 

Сорбция – десорбция

Для извлечения из молочной сыворотки белковых веществ, небелковых азотосодержащих и красящих соединений возможно использование принципов сорбционных процессов. В качестве сорбентов используются активированные угли, синтетические смолы природные сорбенты. Процесс сорбции включает адсорбцию и хемосорбцию. Применительно к обработке молочной сыворотки, с целью направленного извлечения компонентов, необходимо осуществление процесса адсорбции и последующей десорбции с поверхности сорбента. Адсорбционные процессы используются в молочной промышленности для очистки воды, при производстве рафинированного молочного сахара и проведению некоторых химических анализов молочных продуктов. В последние годы появились сообщения о реализации принципов сорбции для получения чистых сывороточных белков, которые рассматриваются более подробно.

Процесс "Вистек" разработан английской фирмой Kosh – dight dab. Limited. Для осуществления процесса используются специальная ионообменная целлюлоза, известная под названием "среда Вистек". Процесс осуществляется в динамике включает следующие операция:

- поступление молочной сыворотки в реактор и перемешивание со средой при низких рН;

- отделение депротеинизированной сыворотки (элюата) через фильтрующую сетку;

- промывка сорбента с белком водой;

- заполнение реактора раствором с высоким рН и перемешивание;

- отделение белкового раствора от сорбента с последующим его извлечением.