Различия в отвердевании цельного молочного жира и молочного жира в жировых шариках наблюдаются при охлаждении молочного жира до 10°С. При температуре охлаждения ниже 10°С скорость и характер фазовых превращений цельного молочного жира и молочного жира в жировых шариках становятся одинаковыми.

Периферийный кристаллический слой может быть толстым (0,3-0,5 мкм) или тонким (0,1 мкм), иметь многослойную плас-тинчатую структуру, которой присущи повышенная механическая прочность, способность выдерживать сильные деформации без разрушения и выделения из шарика жидкого жира, находящегося внутри глицеридного ядра.

Чем тоньше периферийный кристаллический слой, тем боль-ше кристаллических агрегатов содержится в жировом шарике. Во внутренней области жирового шарика находится жидкий жир в количестве, зависящем от режима низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию. При любом режиме низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию в них всегда обнаруживается небольшое число жировых шариков с жидким глицеридным ядром, что является следствием различия в химическом составе молочного жира в отдельных жировых шариках.

10. Закономерности отвердевания молочного жира

Кристаллизация глицеридов в молочном жире протекает во времени ступенчато при постепенном уменьшении скорости. Постепенное уменьшение скорости отвердевания глицеридов является следствием снижения концентрации соответствующих триглицеридов и уменьшения их перенасыщенности С, частично вызываемых полиморфным превращением -форму.

Выделяют три периода отвердевания молочного жира и две зоны массовой кристаллизации глицеридов. Первый период характеризуется интенсивным образованием центров кристаллизации глицеридов. Первый период соответствует первой зоне массовой кристаллизации глицеридов, при этом образуются смешанные кристаллы, преимущественно состоящие из высокоплавких и частично среднеплавких глицеридов. При охлаждении сливок до температуры 12-22°С первая зона массовой кристаллизации глицеридов отсутствует. Второй период характеризуется резким снижением скорости отвердевания жира вследствие повышения вязкости расплава молочного жира и уменьшения степени пересыщения. В этот период возможно возникновение зародышей кристаллов низкоплавких глицеридов. Во время третьего периода увеличиваются скорость отвердевания молочного жира и количество отвердевшего жира, протекают полиморфные превращения, происходит перераспределение глицеридов между группами смешанных кристаллов. Третий период отвердевания молочного жира соответствует второй зоне массовой кристаллизации глицеридов. В конце второй зоны массовой кристаллизации глицеридов заканчивается процесс кристаллизации триглицеридов в молочном жире и устанавливается равновесное состояние между количеством отвердевшего и жидкого жира, которое не изменяется во время последующей выдержки сливок при температуре физического созревания. Время, необходимое для завершения отвердевания жира, зависит от температуры. Отвердевание жира заканчивается через 2, 3, 4 и 4,5 ч при температуре 3, 6, 9, 12°С, соответственно, при массовой доле жира в сливках 38%. Две зоны массовой кристаллизации гли-церидов четко наблюдаются при большой скорости охлаждения (2°С/с) до температуры 6-12°С.

По данным Г. В. Твердохлеб, при физическом созревании сливок происходит отвердевание жира: при температуре 2 - 4°С - 50-60%, при 8°С - 33-37%, при 13°С - 23%, при 20°С - 11%, при 23°С - 7%, соответственно. При каждой температуре охлаждения сливок достигается максимально возможная степень отвердевания жира.

При повышении скорости и снижении конечной температуры охлаждения количество отвердевшего жира увеличивается. При повышении скорости охлаждения зона плавления молочного жира смещается на 3-5°С в область более низких температур, зона массовой кристаллизации глицеридов смещается в область пониженных температур, кристаллизация глицеридов начинается при более низкой температуре.

С увеличением скорости охлаждения и понижением конечной температуры в охлажденном молочном жире уменьшается содержа-ние твердого жира, плавящегося при температуре 20-32°С. При уменьшении скорости и повышении конечной температуры охлаж-дения имеет место обратная зависимость - количество твердого жира, плавящегося при температуре в интервале 20-32°С, увеличивается в результате образования дополнительных групп смешанных кристаллов во время перекристаллизации жира, что способствует повышению термоустойчивости масла.

Содержание отвердевшего жира в охлажденном молочном жире зависит от температуры предварительного отвердевания при других температурах. С понижением температуры при последующем отвердевании содержание твердого жира увеличивается. От режимов охлаждения молочного жира зависит жирно-кислотный состав отвердевшего жира: с повышением скорости и понижением конечной температуры охлаждения увеличивается количество ненасыщенных жирных кислот (на 7,6%) и понижается количество насыщенных, особенно пальмитиновой, что приводит к снижению температуры плавления твердого жира.

При быстром охлаждении увеличивается скорость образования центров кристаллизации, что способствует сокращению времени для установления равновесного состояния: твердый - жидкий жир. При уменьшении центров кристаллизации уменьшаются размеры каждого кристаллического образования. Образование мелких смешанных кристаллов с развитой поверхностью и большой смачиваемостью жидким жиром способствует формированию пластичной консистенции масла.

При медленном охлаждении в условиях недостаточного перемешивания возникает мало центров кристаллизации и образуются крупные кристаллы. Это приводит к получению более низкоплавкого, менее термоустойчивого масла.

Влияние различных факторов на фазовые изменения молочного жира

Влияние химического состава. При одном и том же режиме охлаждения количество твердого жира и скорость отвердевания глицеридов уменьшается с повышением йодного числа, когда увеличивается содержание в составе молочного жира триглицеридов полиненасыщенных жирных кислот, в частности олеиновой, что наблюдается в весенне-летний период года, и, наоборот, увеличивается с уменьшением йодного числа в осенне-зимний период года, когда в молочном жире преобладают высокоплавкие глицериды, содержащие полинасыщенную миристиновую кислоту. При повышении йодного числа с 33 до 42 количество твердого жира уменьшается на 15% при 0°С. С увеличением в молочном жире свободных жирных кислот скорость кристаллизации глицеридов возрастает.

Влияние содержания жира. При охлаждении сливок с более высоким содержанием жира количество в них твердого жира и скорость отвердевания уменьшаются в связи с уменьшением скорости кристаллизации глицеридов, так как сливки с большим содержанием жира охлаждаются медленнее, в жировых шариках образуется меньше центров кристаллизации. Сливки с большим количеством жира охлаждаются медленнее по сравнению с менее жирными сливками ввиду их меньшей тепло- и температуропроводности. Влияние массовой доли жира в сливках особенно заметно при низких температурах вследствие быстрого повышения вязкости сливок.

Влияние дисперсности жира. При увеличении степени дис-персности жира количество твердого жира в сливках и скорость отвердевания уменьшаются. С повышением массовой доли жира в сливках влияние степени дисперсности жира на процесс кристал-лизации глицеридов усиливается.

Влияние перемешивания. При перемешивании кристаллизация глицеридов в охлажденном молочном жире начинается при меньшей степени переохлаждения, сокращается продолжитель-ность нахождения жира в переохлажденном состоянии, увеличи-вается количество центров кристаллизации, ускоряются полиморф-ные превращения в молочном жире, раньше наступает равновесное состояние твердый - жидкий жир, увеличивается количество твердого жира и сокращается продолжительность отвердевания. Такое же влияние оказывает перемешивание сливок на процессы кристаллизации глицеридов в молочном жире, в жировом шарике - на скорость отвердевания жирового шарика. При перемешивании, благодаря более интенсивному теплообмену между сливками и окружающей средой (хладоносителем), происходит ускорение отвердевания жировых шариков, чему способствует отвод теплоты, выделяемой при кристаллизации глицеридов.

Ускорению образования центров кристаллизации способствуют различные удельные объемы глицеридов, которые перемещаются с различной скоростью при вращательном движении жировых шариков в потоке сливок при перемешивании до момента образования кристаллической структуры внутри жировых шариков. Чем ниже температура сливок при охлаждении, тем в большей степени перемешивание оказывает влияние на кристаллизацию глицеридов, на количество отвердевшего жира. Особенно эффективное влияние оказывает перемешивание сливок во время массовой кристаллизации глицеридов. При перемешивании более низкоплавкие глицериды могут кристаллизоваться при более высокой температуре благодаря увеличению скорости кристаллизации, что приводит к совмещению зон массовой кристаллизации глицеридов. Установлено совмещение двух зон массовой кристаллизации глицеридов с температурными границами 20-23°С и 12-14,7°С в одну зону при удельной мощности порядка 45-50 Вт.

Совмещение зон означает, что при интенсивном механическом воздействии одновременно отвердевают триглицериды различных групп, при этом сохраняется принцип их группового отвердевания. При механическом воздействии наблюдается более значительная дифференциация триглицеридов при образовании смешанных кристаллов. Перемешивание используют для ускорения физического созревания сливок. В. Н. Сирин впервые использовал с этой целью перемешивание охлажденных сливок при создании аппарата для низкотемпературной подготовки сливок, названного им сливкоподготовителем.

Влияние других факторов. Процесс кристаллизации триглицеридов ускоряется при понижении атмосферного давления, а также в момент соприкосновения жирового шарика, содержащего переохлажденный жир, с пограничной поверхностью воздух - сливки под влиянием молекулярных сил, действующих на пограничной поверхности.

11. Режимы физического созревания сливок

Различают одноступенчатые и двухступенчатые режимы физического созревания сливок для летнего и зимнего периодов года. При одноступенчатых режимах затрудняется регулирование глицеридного состава отвердевшего жира. Двухступенчатые режимы используются для регулирования структуры и консистенции сливочного масла при различном химическом составе молочного жира. При использовании ступенчатых режимов можно компенсировать неблагоприятное влияние, которое оказывают на свойства твердого жира сезонные изменения глицеридного состава молочного жира, так как при использовании ступенчатых режимов имеется возможность осуществить раздельное отвердевание низко- и высо-коплавких глицеридов во время физического созревания сливок.

Одноступенчатые режимы физического созревания сливок можно характеризовать тремя параметрами: скоростью охлаждения, температурой и продолжительностью выдержки при конечной температуре. Каждый из этих параметров оказывает влияние на глицеридный состав отвердевшего жира, а, следовательно, на структуру и консистенцию сливочного масла. Двухсту-пенчатые режимы характеризуются наличием двух ступеней подготовки сливок к сбиванию с различными температурами, что и позволяет обеспечить при термостатировании раздельное выкрис-таллизовывание из молочного жира низко- и высокоплавких глицеридов. При выборе режимов физического созревания сливок учитывают следующее: 1) содействие успешному протеканию про-цесса маслообразования при сбивании сливок; 2) предотвращение высоких потерь жира с пахтой; 3) выработка масла с твердой пластичной термоустойчивой консистенцией, преимущественно с коагуляционно-кристаллизационной структурой, способное к на-мазыванию. С помощью выбранных режимов должно быть обеспечено достаточное количество отвердевшего жира в сливках до начала сбивания, желаемое соотношение между низко- и высокоплавкими группами смешанных кристаллов в отвердевшем жире.

При использовании двухступенчатого режима регулирование консистенции сливочного масла осуществляется посредством ва-рьирования температур сливок и скорости охлаждения или нагревания на каждой ступени их физического созревания. Изменяя скорость охлаждения или нагревания и температуру сливок, можно обеспечить желаемое соотношение между низко- и высокоплавкими группами смешанных кристаллов и необходимое количество отвердевшего жира.

Путем варьирования температур на отдельных стадиях подготовки сливок к сбиванию можно регулировать выделение молочного жира из жировых шариков при сбивании сливок для завершения агрегации жировых шариков и формирования масляного зерна. Режимы физического созревания сливок выбирают с учетом вида вырабатываемого масла и сезона года.

Одноступенчатый режим физического созревания сливок для весенне-летнего периода года - летний режим (йодное число более 39): сливки после пастеризации быстро (2°С/с) охлаждают до температуры 4-6°С (температурная зона массовой кристаллизации глицеридов). При быстром охлаждении исключается развитие остаточной микрофлоры, сохраняются вкус, приобретенный при пастеризации, и запах. Высокая скорость охлаждения сливок способствует образованию большого количества центров кристаллизации глицеридов в молочном жире, последующему более интенсивному отвердеванию и получению масла с хорошими упругопластическими свойствами, мелкокристаллической структурой, с развитой поверхностью, поэтому масло, выработанное из быстро охлажденных сливок, способно лучше удерживать жидкий жир. После охлаждения сливки выдерживают не менее 3 ч. Сокращение выдержки охлажденных сливок не допускается. Сокращение выдержки сливок до 2 ч приводит к увеличению механической проч-ности масла и ухудшению его консистенции в результате допол-нительной кристаллизации глицеридов в переохлажденном жире в процессе отвердевания. Во время выдержки сливки переме-шивают 12-18 мин. Во время выдержки сливок, охлажденных до низких положительных температур, массовая кристаллизация гли-церидов в молочном жире наблюдается в течение 1-2 ч, в основном с образованием низкоплавких смешанных кристаллов ₂ и ₃ поли-морфных форм. Полиморфные превращения при охлаждении и последующем нагревании сливок до температуры, необходимой для сбивания и в процессе сбивания, протекают в основном в низ-коплавкой группе глицеридов.

Одноступенчатый режим физического созревания сливок для осенне-зимнего периода года - зимний режим (йодное число менее 39): сливки после пастеризации быстро охлаждают до температуры 5-7°С в потоке и при этой температуре выдерживают не менее 7 ч. Допускается выдержка сливок до 16-17 ч, при этом во избежание нарастания кислотности сливки пастеризуют при температуре 105-115°С, и физическое созревание сливок осуществляется при 6-8°С. Характерной особенностью одноступенчатых режимов является наличие пропорциональной зависимости между продолжительностью выдержки охлажденных сливок и конечной температурой охлажденных сливок: на каждый градус температуры требуется около одного часа времени для выдержки сливок.

В масле, выработанном из сливок, подготовленных по одноступенчатому режиму, увеличивается содержание твердого жира, плавящегося при температуре выше 24°С, что способствует повышению термоустойчивости масла. Одноступенчатый режим подготовки сливок к сбиванию прост и менее трудоемок по сравнению со ступенчатыми режимами. Однако при одноступен-чатом режиме твердый жир при кристаллизации глицеридов в жировых шариках обладает свойствами, неблагоприятными для консистенции масла (узкая зона плавления, минимальное количество жира, не расплавляющегося при 20°С).

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для весенне-летнего периода года применяется при повышенном содержании в жире низкоплавких глицеридов (йодное число более 39). Сливки после пастеризации охлаждают в потоке до температуры 13-15°С и выдерживают при этой же температуре не менее 3 ч для кристаллизации высокоплавких и среднеплавких глицеридов. Затем сливки охлаждают в ваннах при перемешивании до температуры 4-6°С и вторично выдерживают при этой же температуре не менее 6 ч с перемешиванием через каждые 1,5 ч по 3-5 мин. Скорость охлаждения сливок не должна превышать 2-5°С/мин. Для повышения термоустойчивости летнего масла можно повысить температуру сливок на первой ступени их созревания до 16-20°С. Однако при этом появляется опасность порчи масла в результате активизации микробиологических процессов, протекающих в сливках во время физического созревания, количество отвердевшего жира по сравнению с количеством отвердевшего жира при одноступенчатом режиме охлаждения уменьшается до 15%. На второй ступени выкристаллизовываются низкоплавкие группы глицеридов в виде смешанных мелких кристаллов. С понижением температуры на первой ступени на второй ступени увеличивается содержание отвердевшего жира и быстрее достигается равновесное состояние твердый - жидкий жир, что является результатом влияния на отвердевание молочного жира предварительного отвердевания при других температурах. После окончания второй выдержки сливки подогревают водой температурой 27°С до температуры, необходимой для сбивания, и направляют их на сбивание.

Характерными особенностями летнего ступенчатого режима являются пониженная скорость охлаждения сливок после пастеризации, а также двукратная выдержка сливок: первая при температуре, превышающей температуру сбивания сливок на 3-8°С, вторая - при температуре ниже температуры сбивания на 3-5°С.

В результате снижения скорости охлаждения сливок уменьшаются скорость кристаллизации глицеридов и содержание низко-плавких глицеридов в отвердевшем жире, что приводит к увели-чению способности масла к удерживанию жидкого жира. Выдерж-ка сливок при повышенной температуре (13-15°С) способствует увеличению содержания в твердом жире глицеридов высокоплавких групп, расплавляющихся при температуре 20-32°С, что приводит к увеличению твердости масла и повышению его термо-устойчивости. При снижении количества низкоплавких глицеридов и увеличении количества высокоплавких глицеридов в твердом жире повышается температура его плавления.

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для осенне-зимнего периода года применяется при повышенном коли-честве высокоплавких глицеридов в жире (йодное число менее 39). Сливки после пастеризации охлаждают в потоке до температуры 5-7°С, выдерживают 2-3 ч. Во время выдержки сливки перемешивают 2-3 раза по 5 мин, затем медленно, в течение 40-60 мин, подогревают до 13-15°С водой температурой 27°С и при этой же температуре вторично выдерживают не менее 3 ч с перемешива-нием по 3-5 мин через каждые 1,0-1,5 ч. После окончания выдерж-ки сливки охлаждают до температуры, при которой их подвергают сбиванию.

В результате быстрого охлаждения сливок на первой ступени в отвердевшем жире увеличивается содержание глицеридов низкоплавких групп. Это приводит к снижению прочности структуры и твердости масла.

Термоустойчивость масла повышается вследствие выкристал-лизовывания глицеридов в виде мелких кристаллов при повыше-нии скорости охлаждения.

Температуру сливок при второй выдержке подбирают с таким расчетом, чтобы она находилась в пределах температурной зоны плавления глицеридов высокоплавких групп. Во время выдержки сливок при температурах в пределах температурной зоны плавления глицеридов высокоплавких групп создаются благоприятные условия для перераспределения глицеридов этой группы, в результате чего уменьшается содержание твердого жира, плавящегося при низких температурах (0-20°С). Это приводит к снижению твердости масла и формированию его пластичной консистенции. Применение зимнего ступенчатого режима наиболее эффективно при производстве масла методом периодического сбивания сливок. Применяя ступенчатые режимы физического созревания сливок, можно обеспечить низкое содержание жира в пахте и выработать термоустойчивое масло со структурой преимущественно коагуляционного типа как в осенне-зимний, так и в весенне-летний периоды года. К особенностям ступенчатых режимов следует отнести наблюдаемое уменьшение количества твердого жира при дли-тельной выдержке сливок при каждой промежуточной темпе-ратуре.

Ускоренная низкотемпературная подготовка сливок к сбиванию

Применение перемешивания с целью сокращения продолжительности физического созревания сливок впервые предложили советские ученые. В 1936 г. В. И. Сирин создал для этой цели аппарат, названный им сливкоподготовителем. Для ускоренной низкотемпературной подготовки сливок в ЛТИХП разработаны аппараты с диском. Ускоренная низкотемпературная подготовка сливок в сливкоподготовителе осуществляется посредством их перемешивания мешалкой или диском в течение 2-5 мин со скоростью 2,3-4,5 м/с, в периферии - 3,5 м/с. Чтобы избежать повышенного отхода жира в пахту и получения масла пониженной формо- и термоустойчивости, ЛТИХП рекомендует после сливкообработ-ника выдержать сливки при температуре 3-5°С в весенне-летнее время 1,2-2 ч; в осенне-зимнее - 45-50 мин. ВНИИМС рекомендует после сливкообработника выдержку до 2,5 ч при 7-8°С. Затем сливки нагревают в потоке до температуры 8-12°С, дополнительно выдерживают 20-30 мин, после чего сбивают в маслоподготовителе непрерывного действия.

Во ВНИИМС разработан оригинальный метод ускоренной подготовки сливок к сбиванию в дисперсном состоянии в среде (атмосфере) азота. Сливки после пастеризации охлаждают до тем-пературы 18-20°С, затем распыляют и охлаждают в атмосфере паров жидкого азота при 2-4°С. Охлажденные сливки поступают в резервирующую емкость, где их выдерживают в течение 6 мин при перемешивании при удельной затрате мощности 1,6 Вт/кг. Затем сливки подогревают до температуры, предусмотренной для сби-вания, выдерживают 20-30 мин, после чего подают в маслоизго-товитель. При использовании маслоизготовителя периодического действия выдержка сливок не нужна.

12. Влияние низкотемпературной подготовки сливок на физические свойства сливок

В результате отвердевания жировых шариков сливки из эмульсии превращаются в суспензию. Появление кристаллических агрегатов в жировом шарике существенно влияет на состояние оболочки жирового шарика и физические свойства сливок. Это влияние усиливается выдержкой сливок, т. е. "старением суспензии жира". На поверхности жирового шарика между плазмой и жиром расположен липопротеиновый слой, гидрофобные цепи которого связаны с прилегающей к оболочке поверхностью жира - глицеридным ядром, а гидрофильные цепи ориентированы к плазме сливок. С появлением твердого жира внутри жировых шариков уменьшается прочность связи оболочки с нижележащим слоем жира, сольватация внутренней поверхности оболочки нарушается компонентами глицеридного ядра (по-видимому, высокоплавкими триглицеридами), что влечет за собой десорбцию (переход) липопротеиновых комплексов в молочную плазму некоторой части веществ оболочки. По данным А. П. Белоусова, количество белка, связанного с оболочкой жирового шарика, в результате отвердевания глицеридов уменьшается на 15-20%, что обеспечивает разрушение оболочки при сбивании сливок. Оболоч-ные вещества, как более поверхностно-активные, располагаются на границе воздух - сливки. В результате перераспределения поверх-ностно-активных веществ (ПАВ) удельная поверхностная энергия на границе жир - плазма повышается, а на границе воздух - сливки снижается, уменьшаются толщина и механическая прочность оболочки, а также ее стабилизирующая способность. Поэтому снижается устойчивость суспензии жира в сливках (дестабилизация жировой дисперсии), что имеет большое значение для маслообразования при сбивании сливок. При снижении механической прочности оболочки периферийный слой глицеридного ядра сохраняет высокую пластичность. При отвердевании жировые шарики становятся гидрофобизированными, что приводит к возникновению структурных связей между ними. Степень дестабилизации жировой дисперсии в сливках зависит от температуры охлаждения и последующей выдержки. Она повышается с увеличением времени выдержки и понижением температуры. Наибольшая степень дестабилизации жировой дисперсии наблюдается при ступенчатом режиме физического созревания сливок.

При ускоренной подготовке сливок к сбиванию с применением интенсивного механического воздействия степень дестабилизации жировой дисперсии сливок увеличивается на 12-15%. В сливках с отвердевшим жиром образуются флокуляты (скопления, кучки жировых шариков). При достаточной их концентрации возможно образование локальных пространственных структур с преобладанием элементов коагуляционной структуры.

Образованию кучек жировых шариков способствует значительное снижение электрического заряда жировых шариков во время физического созревания сливок. Их способность к отталкиванию как одноименно заряженных частиц уменьшается. Образование структурных связей между жировыми шариками и гидратация белков влекут за собой повышение эффективной вязкости сливок.

При увеличении содержания жира в сливках возможно обра-зование агрегатов (жировых частиц), состоящих из слипшихся отвердевших жировых шариков. На агрегацию жировых частиц влияют метод и режимы охлаждения сливок, продолжительность термостатирования. При снижении температуры охлаждения сливок и увеличении продолжительности их выдержки дисперсность частиц снижается, что также снижает устойчивость жировой дисперсии сливок. Продолжительность выдержки сливок оказывает влияние тем больше, чем ниже температура охлаждения. Агрегация жировых частиц также влечет за собой повышение вязкости сливок при их низкотемпературной подготовке. Однозначной зависимости вязкости сливок от степени отвердевания молочного жира не установлено.

13. Сбивание сливок

Сбивание сливок представляет собой одну из операций тех-нологического процесса производства масла, при выполнении которой осуществляется одна из стадий процесса маслообразо-вания, включающая в себя объединение частично отвердевших разрозненных жировых шариков в комочки жира. Комочки жира образуются в результате сложных физико-химических и гидродина-мических процессов, происходящих в сливках во время сбивания. Образовавшиеся комочки жира выделяют из плазмы сливок в виде масляного зерна. После выделения масляного зерна из плазмы остается обезжиренная часть сливок, именуемая пахтой, содержащая некоторое количество жира. Сбивание сливок сопровождается образованием пены. Пена представляет собой дисперсию воздушных пузырьков. Сливки сбивают в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия. Для сбивания сливок может применяться и другое оборудование.

Сбивание сливок осуществляется в результате их гравитаци-онного перемешивания в маслоизготовителях периодического действия и с помощью мешалки в маслоизготовителях непрерывного действия.

14. Современные представления о процессе маслообразования при сбивании сливок

Современные представления о сущности и механизме про-цесса маслообразования при сбивании сливок даны в так назы-ваемых теориях сбивания. Авторы этих теорий изложили свои представления о процессе сбивания сливок с учетом сложных физико-химических, микро- и макропроцессов, протекающих в сливках во время сбивания, и гидродинамических условий сбивания. В каждой теории рассматривается некоторая часть физико-химических и гидродинамических процессов. В общем эти теории отражают совокупность реальных процессов маслообразования при сбивании сливок и их роль в агрегации жировых шариков во время сбивания сливок.

Флотационная теория. Данную теорию впервые предложили за рубежом В. Ван-Дам, Б. Хольверд, Н. Мульдер. В нашей стране флотационную теорию предложил и развил А. П. Белоусов. Авторы этой теории описывают процесс агрегации жировых шариков при их взаимодействии с воздушными пузырьками и поверхностью раздела воздух - сливки, образующегося при сбивании сливок.

А. П. Белоусов выделяет две стадии процесса агрегации жиро-вых шариков в поверхности раздела сливки - воздух. Во время первой стадии жировые шарики с частично отвердевшим жиром и с частично разрушенной оболочкой во время физического созревания сливок флотируются воздушными пузырьками, количество которых в процессе сбивания увеличивается, происходит их сближение до взаимодействия и последующее соединение друг с другом в результате слипания. При этом образуются первичные поверхностные агрегаты. Агрегация жировых шариков становится возможной благодаря их сжатию под воздействием поверхностного давления флотированных жировых шариков при деформации воздушных пузырьков во время перемещения в сливках под воздействием градиента скорости. Дальнейший рост агрегатов в большей степени происходит путем агрегации в объеме сливок по принципу ортокинетической коагуляции. Начиная с некоторого предельного размера, агрегаты перестают стабилизировать воздушные пузырьки, что влечет за собой разрушение пены.

Способность флотироваться жировые шарики приобретают в результате потери некоторой части оболочных веществ наиболее гидрофильных липопротеиновых комплексов во время физического созревания сливок. Причиной флотации является различная поверхностная активность липопротеинового комплекса оболочки жирового шарика и белков молока. Липопротеиновый комплекс оболочки жирового шарика более поверхностно-активен как на пограничной поверхности плазма - жир, так и на пограничной поверхности плазма - воздух по сравнению с любым другим веществом плазмы. При соприкосновении жирового шарика с воздушным пузырьком наиболее поверхностно-активные компоненты оболочки жирового шарика перемещаются на пограничную поверхность сливки - воздух, вытесняя из нее белки плазмы в плазму сливок. В результате такого перераспределения оболочного вещества происходит разрыв оболочки жирового шарика в точке его контакта с пограничной поверхностью; жировой шарик вовлекается (флотируется) на пограничную поверхность плазма - воздух. Часть жидкого жира выделяется из жирового шарика и растекается в виде очень тонкого (моно-молекулярного) слоя по внутренней поверхности пузырька, образуя первичный флотационный слой, состоящий из флотированных жировых шариков, слипшихся друг с другом посредством жидкой фракции жира. Растекание жидкого жира обусловлено более низкой удельной поверхностью энергии жира на границе с воздухом - 34,5 Н/м (34,5 дин/см) при температуре 20°С по сравнению с поверхностной энергией жира на границе с плазмой - 49 Н/м (49 дин/см). На второй стадии происходит рост агрегатов жировых шариков. При столкновении воздушных пузырьков с гидрофобизированными жировыми шариками или агрегатами, находящимися в плазме, происходит их прилипание к поверхности флотационного слоя воздушных пузырьков, а также агрегация воздушных пузырьков с флотированными отвердевшими жировыми шариками. В конце второй стадии образуется структурированная агрегатная пена. Агрегатная пена состоит из мелких пузырьков, отделенных друг от друга неподвижными прослойками жидкости (плазмы). Неподвижные связи в прослойках необратимо разрушаются под влиянием механических воздействий. Вторая стадия заканчивается разрушением агрегатной пены с образованием мелких комочков жира из слипшихся жировых шариков, именуемых маковым зерном.

А. П. Белоусов делит весь процесс сбивания сливок с учетом формирования агрегатной пены на три стадии:

1) до начала формирования агрегатной пены;

2) формирование агрегатной пены;

3) заключительная стадия формирования масляного зерна.

Характеризуя процесс маслообразования при сбивании сливок в маслоизготовителях непрерывного действия, А. П. Белоусов отмечает, что в маслоизготовителе непрерывного действия процесс маслообразования в принципе не отличается от процесса, происходящего в маслоизготовителе периодического действия. Особенностью процесса маслообразования в маслоизготовителях непрерывного действия является то, что он протекает в условиях большей интенсивности механического воздействия на сливки. В этих условиях преобладающей является агрегация жировых шариков в свободной поверхности сливок, увеличивается роль свободной поверхности сливок, граничащей с воздухом. Поверхность раздела воздух - сливки образуется при разрыве потока сливок (кавитации) в результате интенсивного вращения мешалки. Эта свободная поверхность сливок выполняет ту же функцию, что и в маслоизготовителе периодического действия. В свободной поверхности воздушные пузырьки после столкновений с поверхностью коалесцируют (разрушаются). В маслоизготовителе непрерывного действия возрастают скорость образования новых поверхностей раздела сливки - воздух и скорость перемещения воздушных пузырьков в направлении свободной поверхности, что приводит к ускорению процесса вовлечения жировых шариков на поверхность раздела, а также к ускорению их агрегации. Разрушение воздушной дисперсии начинается, когда число единичных (дискретных) жировых шариков становится недостаточным для стабилизации вновь образующихся воздушных пузырьков.

В маслоизготовителях непрерывного действия вследствие резкого возрастания интенсивности механического воздействия увеличивается роль агрегации жировых шариков при их столкновении с участием жидкого жира в объеме сливок.

Теория Н. Кинга и Р. Фритца. Механизм агрегации жировых шариков с участием воздушных пузырьков был рассмотрен Н. Кингом и Р. Фритцем. Авторы теории считают, что слипание жировых шариков происходит при внезапном разрыве оболочки воздушного пузырька; при этом жировые шарики, находящиеся внутри оболочки, сдвигаются и прижимаются друг к другу так, что часть из них слипается. Для агрегации жировых шариков необходимы следующие условия: выделение из жировых шариков свободного жира; близкое расположение жировых шариков внутри оболочки; энергия, сближающая жировые шарики при разрыве оболочки воздушного пузырька, должна превышать сопротивление оболочки жировых шариков разрушению.

Физико-химическая теория М. М. Казанского. Автором показана роль физического созревания сливок в процессе масло-образования при сбивании сливок. Согласно теории, объединение жировых шариков происходит вследствие частичного отвердевания жира и одновременного снижения отрицательного электрического заряда адсорбционных оболочек жировых шариков. При отвердевании жира вследствие перехода части оболочных веществ с поверхности жировых шариков в плазму снижаются стабильность и прочность оболочки; образование пены в сливках во время сбивания способствует переходу оболочного вещества в плазму, а затем во вновь образующуюся поверхность раздела сливки - воздух. Во время физического созревания происходит деформация жировых шариков, вследствие чего оболочка подвергается действию напряжений, способных вызвать появление трещин на оболочке, через которые просачивается жидкий жир, вызывая фобизацию и комкование жировых шариков. Жировые шарики, на которых оболочка сохранилась, не участвуют в образовании комочков и переходят в пахту.

Кавитационная теория. Данная теория была предложена В. Д. Сурковым. При перемешивании сливок при определенных скоростях движения в объеме сливок создаются условия, благоприятные для образования пустот - каверн, в результате разрыва

потока при критической скорости в местах пониженного давления. При этом появляются новые поверхности раздела внутри объема сливок.

Различают два цикла агрегации жировых шариков в кавитационной полости. В течение первого цикла жировые шарики выделяются на вновь образующуюся поверхность раздела. Во втором цикле происходит обрушение полости потоками жидкости повышенного давления. При этом конденсируются пары и растворяются газы. Обрушение полости имеет характер гидравлического удара. В течение второго цикла жировые шарики сдавливаются и соединяются оплавленными поверхностями, образуя комочки жира. По мнению А. П. Белоусова, физико-химические процессы на поверхности кавитационных полостей и на поверхности воздушных пузырьков протекают аналогично.

Гидродинамическая теория. Согласно гидродинамической теории, жировые шарики могут слипаться в жидкостных вихрях, образующихся в объеме сливок. На роль вихреобразований в сливках при получении масляного зерна впервые указал Р. Асейкин в 1935 году. Процесс вихреобразования в сливках впервые был изучен Г. А. Куком, предложившим гидродинамическую теорию маслообразования, основанную на том, что в процессе сбивания сливок возникают микро- и макровихри. Микровихри, характерные для ламинарного режима, вызывают вращение жировых шариков. Температура поверхности вращающегося жирового шарика заметно повышается в результате затраты работы на трение. Тепло от места его возникновения распространяется в окружающую жидкость и внутрь жирового шарика, вызывая плавление наиболее низкоплавких триглицеридов. Вследствие стремительного вращения жирового шарика его диффузный слой разрушается. Жировой шарик, подвергнувшийся такой обработке, выбрасывается в турбулентный поток сливок и попадает в сферу действия макро-вихрей, представляющих собой маленькую центрифугу. Сепари-рующая способность макровихря достаточна для сближения жировых шариков вплоть до контакта их поверхностей. На оси вихря жировые шарики концентрируются, и благодаря высокому давлению происходит их спрессовывание между собой, которое и приводит к агрегации жировых шариков с образованием первичных комочков жира.

Сбивание сливок в маслоизготовителях периодического действия

В настоящее время в промышленности используются безвальцовые металлические маслоизготовители с емкостями из нержавеющей стали цилиндрической, конической и других форм. В емкостях размещены лопасти для интенсивного перемешивания сбиваемой массы и сбрасывания пласта масла в период обработки.

Сливки в емкость подаются насосом или засасываются при создании соответствующего разрежения. Масло выгружается через люк.

Стадии сбивания сливок. Различают три стадии сбивания сливок:

образование дисперсии воздушных пузырьков;

разрушение дисперсии воздушных пузырьков, включая стадии образования и разрушения агрегатной пены;

заключительная стадия формирования масляного зерна.

На стадии образования дисперсии воздушных пузырьков в период сбивания сливок происходят образование и разрушение пузырьков. Пузырьки образуются в результате диспергирования воздуха в сливках во время их перемешивания, а разрушаются в поверхностном слое сливок, граничащем с воздухом. Пузырьки воздуха появляются в поверхностном слое сливок и вновь увлекаются потоками жидкости внутрь объема сливок до тех пор, пока не разрушаются в результате коалесценции со свободной поверхностью. Пузырек разрушится в том случае, если продолжительность пребывания пузырька в поверхностном слое сливок достаточна для растягивания оболочки пузырька до критической толщины. Степень заполнения маслоизготовителя сливками должна быть такой, чтобы продолжительность контакта пузырьков с воздухом соответствовала необходимой скорости их разрушения.

Продолжительность пребывания воздушных пузырьков в свободной поверхности сливок при сбивании в маслоизготовителе может быть недостаточной для их разрушения при значительном заполнении емкости маслоизготовителя (55%) сливками или обильном их вспенивании. В этом случае принимают специальные меры для разрушения пены. В первые 5-10 мин сбивания объем воздуха, заключенного в воздушных пузырьках, достигает 90% от объема сливок, и поверхность воздушных пузырьков в 1 л смеси составляет 80.

На первой стадии сбивания разрушается меньше пузырьков, чем образуется. В результате: увеличиваются общее число пузырьков, объем воздушной дисперсии и поверхность контакта воздух - сливки; образуется структурированная подвижная пена вследствие превращения некоторого количества или всего объема сливок в тонкие прослойки между пузырьками пены. На первой стадии завершается процесс включения новых объемов воздуха в сбиваемые сливки. Первая стадия заканчивается, когда число образующихся воздушных пузырьков равно числу разрушенных.

На второй стадии происходит разрушение дисперсии воздушных пузырьков вследствие уменьшения свободных жировых шариков, стабилизирующих воздушные пузырьки. При этом резко уменьшается скорость образования воздушных пузырьков, что приводит к резкому снижению количества воздушных пузырьков в сбиваемых сливках после достижения максимальной величины. При этом в сливки включается меньше воздуха, чем удаляется, а объем воздушной дисперсии уменьшается.

В конце второй стадии образуется структурированная система, представляющая собой агрегатную пену. Стадией агрегатной пены завершается период сбивания, в течение которого в сливках продолжает существовать воздушная дисперсия. Агрегатная пена представляет собой структурированную дисперсную систему, обла-дающую механической прочностью. Объем агрегатной пены увеличивается, главным образом, в результате включения в нее не воздуха, а плазмы сливок. Плазма сливок расходуется на создание новой поверхности, образующейся в результате раздробления крупных пузырьков на мелкие. Часть плазмы сливок механически удерживается агрегатной пеной.

Вторая стадия заканчивается разрушением агрегатной пены и образованием мелких комочков жира из слипшихся жировых шариков, именуемых маковым зерном.

На третьей стадии завершается образование масляного зерна путем соединения первичных агрегатов жировых шариков, обра-зовавшихся на предыдущих стадиях сбивания сливок, и в результате распада структуры агрегатной пены.

Характеристика процесса сбивания сливок. Основными показателями, характеризующими процесс сбивания сливок, являются: продолжительность сбивания; содержание жира в пахте; изменение температуры сливок; размеры и консистенция масляного зерна, образовавшегося при сбивании сливок; затраты мощности. Эти показатели служат для оценки степени завершенности процесса сбивания сливок в маслоизготовителях как периодического, так и непрерывного действия и влияния условий сбивания на процесс сбивания.

Продолжительность сбивания сливок. При выработке масла с массовой долей влаги 16, 20 и 25% продолжительность сбивания сливок в безвальцовых маслоизготовителях допускается от 45 до 60 мин независимо от формы рабочей емкости маслоизготовителя.

Содержание жира в пахте. По действующим нормативам массовая доля жира в пахте не должна превышать 0,4% при сбивании сливок в маслоизготовителе периодического действия и 0,7% при сбивании сливок в маслоизготовителях непрерывного действия.

Изменение температуры сливок. При сбивании температура сливок постепенно возрастает. Главным источником теплоты является превращение механической энергии в тепловую. Повышение температуры сливок в процессе их сбивания связано также с теплообменом между сливками и окружающим воздухом помещения через стенку маслоизготовителя, с изменением агрегатного состояния молочного жира и поверхностными явлениями при сбивании сливок.

Повышение температуры в результате изменений агрегатного состояния молочного жира имеет место в том случае, когда сбиваются сливки, содержащие молочный жир, который частично отвердевает в процессе сбивания. Количество выделяемой при этом скрытой теплоты плавления возрастает с увеличением содержания жира и более низкой начальной степени отвердевания жира. Скрытая теплота плавления молочного жира составляет 7,0 кДж/кг. Во время сбивания сливок возможно расплавление некоторых наиболее низкоплавких триглицеридов с поглощением теплоты. Влияние этого фактора незначительно. Прирост температуры сливок за весь период сбивания не должен превышать 1,5-2°С.

Размеры и консистенция масляного зерна. Размеры и консистенция масляного зерна оказывают существенное влияние на формирование структуры и консистенции сливочного масла. От размера и консистенции масляного зерна зависят влагоудерживающая способность пласта масла, образующегося при механической обработке масляных зерен, и содержание влаги в готовом продукте. Масляные зерна образуются при разрушении агрегатной пены. Масляное зерно представляет собой слипшиеся друг с другом частично или полностью отвердевшие жировые шарики, содержит плазму сливок, которая удерживается в капиллярах, состоит из агрегатов кристаллов триглицеридов молочного жира, объединенных в комочки со сложной структурой, характерной для эмульго-суспензий. Из кристаллов триглицеридов образуется кристалличе-ский каркас, благодаря чему масляное зерно сохраняет форму. Жидкий молочный жир в масляном зерне является основной непрерывной фазой. Основой жесткого каркаса образующихся масляных зерен являются связи между частицами твердого жира кристаллизационного типа. В капиллярах жидкого жира содержатся капли диспергированной плазмы, внутри которых возможно наличие отдельных жировых шариков. Внутри зерна содержится небольшое количество влаги, смачивающей неразрушенные участки оболочки жировых шариков, включенных в агрегаты. Поверхность масляного зерна в значительной степени покрыта жидким жиром. Масляное зерно должно быть получено определенных размеров с желаемой структурой и консистенцией. Оптимальный размер масляного зерна при сбивании сливок в маслоизготовителе периодического действия находится в пределах 3-5 мм, но возможно отклонение в сторону увеличения в зависимости от конструкции маслоизготовителя, химического состава молочного жира, режима подготовки сливок к сбиванию. При выработке масла с повышенным содержанием влаги увеличивают размер масляного зерна с целью повышения влагоудерживающей способности. При правильно выбранных условиях и режиме сбивания в маслоизготовителях периодического действия образуется масляное зерно с компактной структурой правильной округлой формы с гладкой поверхностью; в маслоизготовителях непрерывного действия - рыхлое с неровной поверхностью. При недостаточной степени отвердевания молочного жира образуется мягкое масляное зерно с повышенной способностью к смачиванию и слипанию, что затрудняет механическую обработку масла. При избыточном отвердевании молочного жира получается излишне твердое масляное зерно. С повышением твердости масляного зерна уменьшается его способность к смачиванию.

Масляное зерно отделяется от пахты путем стекания пахты из смеси, при этом формируется масса масляных зерен. Масляные зерна являются средой, через которую фильтруется пахта при стекании. Содержание влаги в масляных зернах иногда именуют влагоемкостью массы масляных зерен, содержание влаги в готовом масле - конечной влагоемкостью масляных зерен после механической обработки. Основное количество влаги, удерживаемой массой масляных зерен, находится вне зерен в виде влаги, связанной с поверхностью масляных зерен в результате прилипания (адгезии). В массе масляных зерен содержится больше капиллярной влаги, чем влаги, связанной с поверхностью зерен. При образовании капилляров поверхностная влага входит в состав капиллярной влаги.

В соответствии с классификацией форм связи жидкой фазы в пористых телах, предложенной П. Ребиндером, влага смачивания и капиллярная влага относятся к механически связанной влаге. Некоторое количество влаги, удерживаемой массой масляных зерен, находится внутри единичных масляных зерен в виде диспергированной влаги, изолированной в жидком жире. Количество диспергированной влаги увеличивается внутри масляного зерна с увеличением его размера. Содержание влаги в массе масляных зерен колеблется в широких пределах (от 15 до 50%) и зависит от размера масляного зерна и степени отвердевания молочного жира.

При уменьшении размера зерна увеличивается массовая доля влаги, заполняющей промежутки между масляными зернами, поэтому при мелком масляном зерне в пласт масла врабатывается больше поверхностной влаги. С увеличением размера масляных зерен общее содержание влаги уменьшается.

Условия, влияющие на сбивание сливок

Наиболее важными условиями, влияющими на сбивание сливок, являются: начальная температура сливок, степень наполнения емкости маслоизготовителя, число оборотов емкости маслоизготовителя, степень отвердевания жира, содержание жира в сливках, химический состав и свойства молочного жира. Влияние условий на результаты сбивания необходимо учитывать при выборе начальной температуры сливок.

Температура сливок. Начальная температура сливок является одним из основных условий получения масляного зерна желаемой консистенции и эффективности процесса маслообразования. Температура сбиваемых сливок оказывает влияние на продолжительность сбивания и содержание жира в пахте. Путем изменения начальной температуры сливок можно регулировать процесс сбивания. При повышенной начальной температуре сливок во время сбивания образуется крупнодисперсная пена, малоустойчивая при механическом воздействии; понижается количество отвердевшего жира в результате расплавления некоторых низкоплавких триглицеридов; увеличивается количество жидкой фракции молочного жира. Под избытком жидкого жира понимается устойчивость образующихся пузырьков пены. Жидкий жир может перейти в плазму, где диспергируется, повышая содержание жира в пахте. Поэтому при повышенной начальной температуре сливок продолжительность сбивания сокращается, содержание жира в пахте увеличивается, масляное зерно получается излишне мягким.

Чем выше температура сбиваемых сливок, тем больше жира переходит в пахту. В случае сбивания сливок при температуре ниже рекомендуемой образуется устойчивая пена, содержащая мелкие воздушные пузырьки, вследствие чего затрудняется ее разрушение и увеличивается продолжительность процесса сбивания.

Степени наполнения емкости маслоизготовителя. Рекомендуются следующие степени наполнения емкости маслоизготовителя при сбивании сливок: минимальная 25%, максимальная 50%. Степень наполнения емкости маслоизготовителя снижают с увеличением содержания жира и повышают с понижением содержания жира. При заполнении емкости маслоизготовителя на 40% достигается максимальная поверхность воздушных пузырьков, что способствует снижению содержания жира в пахте. При наполнении емкости маслоизготовителя более чем на 50% уменьшается высота падения сливок, вследствие чего замедляется образование пены, и процесс сбивания сливок удлиняется. Если при вспенивании сливки заполняют емкость маслоизготовителя полностью, то сбивания не происходит. В таком случае часть сливок удаляют, и продолжают сбивание.

В случае недостаточного наполнения емкости маслоизгото-вителя сливками процесс образования масляного зерна протекает ускоренно, в силу чего часть жировых шариков не успевает агрегировать и остается в пахте, понижая степень использования жира. Однако при минимальном наполнении емкости маслоизготовителя продолжительность сбивания не сокращается, а увеличивается в результате растекания сливок по стенкам и медленного их перемещения по поверхности. Минимальная степень наполнения емкости маслоизготовителя составляет 25%. При степени наполнения емкости маслоизготовителя менее 25% центробежная сила прижимает сливки к стенке маслоизготовителя тонким слоем. Прекращается перемешивание сливок, вследствие чего сбивания сливок не происходит. При излишнем и недостаточном наполнении емкости маслоизготовителя затрудняется механическая обработка масла.