Применение массообменных процессов в молочной промышленности.

Применительно к технологии молочных продуктов достаточно широкое промышленное воплощение нашли следующие массообменные процессы:

- удаление влаги из молочного сырья путем синерезиса, прессования, концентрирования и сушки;

- растворение (восстановление) сухих молочных продуктов;

- кристаллизация из растворов (молочный сахар) и расплавов (молочный жир).

Другие массообменные процессы, такие как адсорбция, экстракция и ректификация имеют частное значение при производстве некоторых групп молочных продуктов. Например, адсорбция используется при получении газированных напитков из молочной сыворотки; экстракция применяется при производстве сгущенных и сухих молочных продуктов с кофе и какао; ректификация использована в технологии получения алкогольных напитков из молочного сырья и проведении ряда анализов. Адсорбция и десорбция как процессы удаления из молочного сырья нежелательных, например, окрашенных соединений, были рассмотрены в теме молекулярно-ситовой фильтрации. Специфическим массообменным процессом в молочной промышленности является посолка, которая широко используется при производстве всех видов сыров и рассматривается в соответствующем разделе технологии.

Исходя из гетерогенности молочного сырья как физико-химической системы на него распространяются все общие признаки массообменных процессов, рассматриваемых в курсе «Процессы и аппараты».

Для технологии молочных продуктов важное значение имеют следующие из них:

- массообмен может привести к разделению компонентов молочного сырья;

- переход одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии;

- движущей силой массообменного процесса является разность концентраций диффундируемого компонента;

- перенос компонента из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз и завершается при достижения равновесного состояния;

- все массообменные процессы в молочном сырье являются обратимыми.

Движущей силой массообменных процессов является диффузия, что приводит к самопроизвольному выравниванию концентраций компонентов молочного сырья в системе. Молекулярная диффузия в молочном сырье описывается первым законом Фика:

d M = - D dS (dc / dn) dτ                                               (19)

где:     М - количество вещества, диффундируемого через слой, кг;

Д - коэффициент молекулярной диффузии, м²/с;

S - поверхность диффузии, м²;

t- продолжительность процесса, с;

dc/dn - градиент концентрации, кг/(м³ м).

Для молочного сырья важнейшее значение имеет процесс термодиффузии, который практически реализуется во всех тепловых процессах (охлаждение, нагрев). При этом важно подчеркнуть, что в соответствии с законами массообмена температурный градиент исправлен от периферии к центру (от поверхности нагрева в обрабатываемом сырье), а градиент концентрации - от центра к периферии.

Молочное сырье, его компоненты и получаемые из них продукты могут находиться теоретически в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Это дает возможность получения шести вариантов сочетания фаз: жидкость-жидкость; жидкость - твердое тело; газ - твердое тело; газ - жидкость; газ - газ; твердое тело - твердое тело. На практике инженер-технолог чаще всего имеет дело с первыми четырьмя фазами при смешивании молочного сырья, его сушке и кристаллизации компонентов.

 

Синерезис молочного геля

Синерезис - самопроизвольное снижение водоудерживающей способности молочного геля. На практике процесс сводится к самопроизвольному или управляемому выделению молочной сыворотки из образовавшегося молочного сгустка. Процесс имеет положительное и отрицательное значения.

Положительным является использование синерезиса для обезвоживания молочного сгустка в производстве молочных белковых продуктов - творога, сыра, казеина и молочно-белковых концентратов (копреципитатов). Заметим, что процесс при этом идет без существенных затрат энергии, а удаляется до 90 % влаги молочного сырья. Так физическая и коллоидная химия реализуется в технологии молочных продуктов.

Отрицательное действие синерезиса имеет место при хранении кисломолочных напитков, сметаны, творога и сводится к самопроизвольному выделению молочной сыворотки, что снижает товарные качества продукта и свидетельствует о нарушении технологического регламента. Этому способствует резкое снижение вязкости, при разрушении молочных сгустков (табл.13).

Таблица 13

Продукт	Эффективная вязкость. Па с 10^3
	Нарушенный	Разрушенный	После восстановления
Кефир	1368	10,2	11,8
Простокваша	445	9,5	11,7
Сметана, 30% - й жирности	216,9	61,4	85,9

Разрушение молочных гелей свидетельствует о наличии необратимо разрушающихся связей. Тиксотропия (восстановление ) структуры у напитков практически отсутствует. Это положение особенно необходимо учитывать при резервуарном способе их производства. Сметана характеризуется меньшей потерей вязкости и большим наличием тиксотропно обратимых связей.

Теоретически процесс синерезиса рассматривается как расслоение и обратное сжатие молочного геля после коагуляции белков молока физико-химическим или биологическим способом. Сжатие геля происходит равномерно от периферий к центру (рис.9) изотропно с сохранением первоначальной формы. Установлено, что изменение объема молочного геля (У) в динамике температур от 16 до 45 °С подчиняется экспоненциальному уравнению:

 

У = У_о – К (Т_к – Т_н)                                    (20)

                                                           

  где: У₀ - объем кубика молочного геля через 30 мин;

К - константа для У_о = 0,225 10^-3;

Т - температура синерезиса, Т₀ = 16 °С;

t - продолжительность синерезиса.

При температуре ниже 16 °С процесс синерезиса неуправляем. При температуре 45 °С изменяется структура геля (варка). Из этого уравнения следует, что процесс синереэиса протекает однозначно и пропорционально количеству частиц сгустка и объему сыворотки. В процессе синерезиса происходит сближение коагулированных частиц казеина и потеря ими потенциальной энергии. Скорость синерезиса определяется количеством и величиной капилляров и развиваемым давлением. Это используется в технологических процессах путем установления величины кубиков (зерно), температуры процесса и механического воздействия (отвод сыворотки). Важно учитывать связь воды (сыворотки) с коагулированным казеином (свободная, физико-химическая - капиллярная и химически связанная - гидратная вода). Управление процессом синерезиса имеет важнейшее значение при производстве белковых и белковожировых молочных продуктов. Как правило, инженер-технолог при этом использует опытные данные, заложенные в существующие инструкции по производству творога, сыров и казеина. Глубокие знания физической и коллоидной химии, обобщенные в курсе химии и физики молока позволяют управлять процессом синерезиса с научной точки зрения, обеспечивая желательный ход технологического процесса и качество готовой продукции.

 

Прессование

Прессование (обработка давлением) - специфическая технологическая операция, применяемая при производстве сыров, некоторых видов творога, белковых продуктов. При этом происходит отделение жидкости от твердого тела, уплотнение массы, ее связывание и формирование.

Сущность процесса заключается в направленном выделении влаги (молочной сыворотки) из сформированной в результате синерезиса белковой (белково-жировой) массы. Закономерности прессования рассматриваются подробно в курсе «Процессы и аппараты».

Процесс обусловлен явлением фильтрации жидкости через пористую среду (или перегородку). Поэтому в принципе в этом разделе следует рассматривать обезвоживание кристаллического осадка молочного сахара, фильтрацию сиропов сахарозы и лактозы.

Все процессы фильтрации описываются уравнением Пуазейля для течения жидкости в капиллярах:

У = Δр d n F τ / 32 µ l                                          (21)

где:     У - объем жидкости, выделившееся за время t, м^3;

Dр - потеря давления, Па;

d - диаметр капилляров, м;

n - число капилляров, шт;

F - площадь сечения капилляров, м²;

m - вязкость сыворотки, Па×с;

l - длина капилляров, м

Для каждого вида молочной продукция имеется специальный технологический регламент прессования.