Технология производства масла "Крестьянского" сладкосливочного несоленого

Приемка, сортировка и первичная обработка молока. Для переработки на масло пригодно любое молоко, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13264. Предпочтение отдается молоку с высоким содержанием жира, с крупными жировыми шариками, полученному от коров, рационы которых полноценны и разнообразны по набору кормов. Особенно важным для получения высококачественного масла является соотношение жирных кислот в кормах, которые обусловливают химический состав, свойства и стойкость масла при хранении. Большое количество жирорастворимых витаминов в кормах определяет большое содержание их в масле. Такое масло лучше сохранится, так как витамин А выполняет роль антиоксиданта [19].

На основании органолептической оценки и лабораторных исследований, поступающее молоко сортируется на высший сорт, первый и второй сорт, руководствуясь ГОСТ 13264. Лаборант молоко каждого поставщика проверяет на органолептические показатели ГОСТ 22283, плотность - ГОСТ 3625, кислотность - ГОСТ 3624, жирность - ГОСТ 5869, степень чистоты - ГОСТ 8218, бактериальную обсемененность - ГОСТ 9225, содержание соматичесикх клеток - ГОСТ 23453. Все результаты записываются в журнал. Не подлежит приемке молоко, не удовлетворяющее требованиям стандарта по физико-химическим показателям, а также полученных от коров в первые и последние семь дней лактации, с добавлением нейтрализующих, консервирующих веществ, имеющее запах химикатов, с прогорклым, затхлым запахом. Молоко, подвергнутое в хозяйстве термической обработке, относят к несортовому.

Количество принимающего молока на заводе определяют взвешиванием с помощью счетчика. Перед счетчиком встроен металлический фильтр для отчистки молока от посторонних примесей. Далее молоко в зависимости от сорта направляют в танки. Принятое молоко далее направляется на переработку. В случае вынужденного хранения молоко охлаждают до температуры +10 ⁰С и хранят в танках 24 часа. При охлаждении до +5 ⁰С - 36 часов. Переработка молока включает в себя подогрев в пластинчатой пастеризационно-охладительной установке (3) и сеперирование в сепараторе-сливкоотделителе (4). (Приложение А - машинно-аппаратурная линия производства сливочного масла)

Сепарирование молока. Процесс сепарирования представляет собой механическое разделение молока на фракции под действием центробежной силы. Сепарирование применяют для разделения молока на сливки (жирность 35-40%) и обезжиренное молоко (жирность 0,05%), а также для его очистки от механических и естественных (кровь, слизь и т.п.) примесей. Кроме этого при сепарировании из сыворотки выделяют белки, получают высокожирные сливки, отделяют микроорганизмы от молока (бактериоотделение) и др. Под действием центробежной силы молоко разделяется благодаря различию плотностей фракций: плотность дисперсной фазы (жира) меньше, чем дисперсионной среды (плазмы молока), или плотность дисперсионной среды (плазмы молока) меньше, чем дисперсной фазы (частиц механических и естественных примесей).

Сепарирование молока осуществляется в специальных машинах - сепараторах (4). Сепараторы, предназначенные для разделения молока на сливки и обезжиренное молоко, называют сепараторами-сливкоотделителями, а для очистки молока - сепараторами-молокоочистителями. Сепараторы-сливкоотделители с устройствами нормализации молока называются сепараторами-нормализаторами.

При сепарировании молока соблюдаются правила эксплуатации сепаратора. Он должен быть в исправности, правильно собран.

После достижения нормальной скорости вращения барабана, через него пропускают небольшое количество воды температурой 50-60 ⁰С, а затем молоко. Сепарирование молока ведут при температуре 35-40 ⁰С, для этого его подогревают в специальной ванне. Жирность сливок регулирует поворотом сливочного винта. При повороте вправо винта жирность сливок увеличивается, при повороте влево - уменьшается. По окончании процесса сепарирования пропускают три литра обратно для полного извлечения жира из барабана. В период сепарирования лаборант постоянно определяет жирность сливок и обрата, а результаты записывать в журнал. Сливки из сепараторных отделений поступают в емкость (5) для промежуточного хранения, откуда их направляют на пластинчатую пастеризационно-охладительную установку (9) для сливок с дозатором (10).

Пастеризация. Сливки пастеризуют при температуре 90-95 °С, 2-3 секунды. При наличии в сливках кормовых и других привкусов и запахов повышает температуру пастеризацию (в осенне-зимний период 103-108 °С, а в весенне-летний 100-103 °С) с учетом кислотности сливок. Пастеризацию проводят с целью уничтожения микроорганизмов и для повышения стойкости масла при хранении. Перед пастеризацией необходимо установить кислотность в плазме. Если кислотность выше 30 °Т, то их пастеризовать нельзя они могут свернуться. Пастеризацию сливок осуществляют в пастеризаторах с вытеснительным барабаном в трубчатых и пластинчатых. При отсутствии их можно использовать водогрейную коробку.

Низкотемпературная подготовка сливок к сбиванию («физическое созревание»). После пастеризации, дезодорации и охлаждения сливки поступают в емкость (11), где они выдерживаются для физического созревания. Цель этой технологической операции - перевести часть молочного жира (не менее 30-35%) в твердое состояние. Сущность процесса заключается в следующем: первоначально (в процессе охлаждения сливок) внутри жировых шариков образуются центры кристаллизации с последующим ростом на основе глицеридного ядра, кристаллических образований (агрегатов). Размер, форма и свойства образуемых кристаллоагрегатов и степень отвердевания жира в целом зависят, главным образом, от жирнокислотного состава и его концентрации в дисперсии, режимов охлаждения сливок. При различных режимах охлаждения сливок процессы формирования твердой фазы в жировых шариках предопределяются составом и свойствами глицеридного ядра. Для формирования хорошей консистенции сливочного масла особое значение имеют термические свойства кристаллической фазы твердого жира, образующейся в глицеридном ядре жирового шарика.

Применяемый режим «физического созревания» сливок в производстве называется режим длительной подготовки сливок к сбиванию (двухступенчатый).

При использовании данного режима подготовки сливки сначала охлаждают до температуры физического созревания и термостатируют (первая выдержка). Затем сливки доохлаждают и повторно термостатируют. После второй выдержки сливки направляют на сбивание.

Режимы подготовки сливок (к сбиванию) выбирают с учетом вида вырабатываемого масла и жирнокислотного состава молочного жира. В зависимости от периода года, то есть с учетом изменения состава жира, режимы подготовки сливок дифференцируют на осенне-зимние (йодное число ниже 39) и весенне-летние (йодное число более 39).

В весенне-летний период при повышенном содержании в жире низкоплавких глицеридов сливки после пастеризации охлаждают до 13-15 °С и выдерживают в сливкосозревательных резервуарах не менее 3 ч для кристаллизации высоко- и среднеплавких глицеридов. Затем их доохлаждают (в резервуарах при перемешивании) до температуры 4-6 °С и выдерживают не менее 3 часов с периодическим перемешиванием (через каждые 1,5 часа по 3-5 мин). Этим обусловливается выкристаллизация низкоплавких групп глицеридов в виде мелких кристаллов. Затем сливки подогревают (водой 27 °С) до температуры сбивания [15].

Характерная особенность весенне-летнего режима подготовки сливок, согласно А. Д. Грищенко, это сравнительно пониженная скорость охлаждения их после пастеризации и двухразовая выдержка: первая при температуре, превышающей температуру сбивания на 2-6 °С, и вторая - на 36 °С ниже температуры сбивания. Это замедляет скорость кристаллизации глицеридов и снижает содержание низко плавких глицеридов в отвердевшем жире; повышает способность удержания жидкого жира в монолите масла.

В осенне-зимний период при повышенном содержании в жире высокоплавких глицеридов горячие сливки (после пастеризации) быстро охлаждают до 5-7 °С и выдерживают 2-3 часа с периодическим перемешиванием (2-3 раза по 3-5 мин), обусловливая этим кристаллизацию и отвердевание (до 40%) средне- и низкоплавких глицеридов. Затем сливки медленно подогревают до 13-15 °С (водой 27 °С) и выдерживают не менее 3 ч (с перемешиванием по 3-5 мин через каждые 1,0-1,5 ч). Такая обработка способствует отвердеванию средне- и высокоплавких глицеридов в виде крупных кристаллов. По окончании сливки сразу охлаждают до температуры сбивания.

Характерными особенностями осенне-зимнего режима подготовки сливок являются повышенная скорость охлаждения сливок и медленный подогрев после первой выдержки, их двухразовое термостатирование: при температуре ниже температуры сбивания на 3-7°С (первое) и второе - при превышающей температуру сбивания на 5-7°С.

Изменение свойств сливок при их «физическом созревании». Готовность сливок к сбиванию определяется комплексом показателей, характеризующих их состояние в диапазоне температур от 3 до 20 °С, при которых осуществляется физическое созревание с учетом временного фактора, в диапазоне от 0 до 20-24 ч. Основные из используемых показателей и их роль в физическом созревании сливок приведены ниже.

Степень отвердевания жира в сливках характеризует количество отвердевшего жира и является определяющим показателем готовности их к сбиванию. Зависит от скорости и глубины охлаждения сливок, продолжительности их выдержки. С понижением температуры охлаждения и увеличением продолжительности выдержки охлажденных сливок степень отвердевания жира в них увеличивается.

При охлаждении горячих сливок с массовой долей жира 38% до температуры 3, 6, 9 и 12 °С (без выдержки) в них отвердевает 33,4; 26,6; 19,5 и 15,2% жира. Следовательно, количество отвердевшего жира, необходимого для устойчивого сбивания сливок и получения масляного зерна (30-35%) при охлаждении до 3 °С, достигается сразу в процессе охлаждения сливок, а при охлаждении до температуры 6, 9 и 12 °С соответственно после 60, 90 и 180 мин выдерживания. После 15-20 мин выдержки охлажденных сливок в них

отвердевает до 50% жира, способного кристаллизоваться при данной температуре. Равновесное состояние между твердым и жидким жиром при указанных условиях охлаждения достигается при выдерживании сливок 120, 180, 240 и 270 мин соответственно.

Устойчивость дисперсии жира в сливках. В процессе низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию заметно меняются состояние и свойства жировой дисперсии; снижается электропроводность, происходит нарушение связей между жиром, заключенным в обособленных жировых шариках, и их защитными белковыми оболочками и др. Это нарушает устойчивость жировой дисперсии. С понижением температуры и увеличением длительности выдержки сливок устойчивость дисперсии снижается более значительно. Увеличивается количество свободного жира, т. е. высвобожденного из жировых шариков, и степень разрушения (дестабилизации) жировой дисперсии.

Содержание свободного (деэмульгированного) жира в сливках с массовой долей жира 32% после их выдерживания (15-20 мин) при температуре 5,10, 15 и 20°С увеличивается соответственно на 11,3; 8,4; 7,5 и 2,4% [4]. Причиной снижения устойчивости жировой дисперсии сливок, согласно В. Мору (1948 - 1959), являются кристаллизация глицеридов в обособленных жировых шариках, формирование внутри них твердых образований [15] и связанные с этим изменения структуры и состава их оболочек, а также возможные вследствие этого нарушения их целостности.

Устойчивость жировой дисперсии в сливках зависит от режимов низкотемпературной подготовки их к сбиванию. В осенне-зимний период года при использовании соответствующих ему режимов подготовки сливок к сбиванию имеет место более высокая степень разрушения жировых шариков и соответственно более значительное снижение устойчивости жировой дисперсии в сливках, нежели при использовании весенне-летних режимов подготовки. По данным Д. Качераускиса и др., содержание свободного жира в сливках с массовой долей жира 35,1 и 37,6% при осенне-зимнем режиме подготовки составило 6,0 и 9,2%, а при весенне-летнем - 4,8 и 4,73% соответственно [20].

При ускоренной подготовке сливок к сбиванию с применением интенсивного механического воздействия степень разрушения жировой дисперсии увеличивается на 12-15% [21].

Вязкость сливок в процессе низкотемпературной подготовки к сбиванию (физического созревания) повышается. Изменение вязкости сливок зависит от температуры охлаждения и продолжительности выдерживания сливок. При снижении конечной температуры охлаждения сливок с 12 до 3°С их вязкость повышается с 19,6 до 35,1 *10^-3 Па*с, то есть почти в 2 раза.

При снижении температуры охлаждения сливок и увеличении продолжительности их выдерживания средний объем частиц жира в сливках увеличивался, а дисперсность частиц снижалась. Укрупнение жировых частиц естественно снижает устойчивость жировой дисперсии в сливках и облегчает разделение фаз при их сбивании.

Размер жировых частиц в сливках существенно изменяется в зависимости от продолжительности их термостатирования (выдерживания при температуре охлаждения). Так, в случае термостатирования сливок, охлажденных до 12 °С в диапазоне 0 и 5 ч, средний размер жировых частиц увеличился с 5,06 до 5,52 мкм. Аналогичную зависимость наблюдали в других вариантах опытов. Изменялись только абсолютные показатели.

Следует отметить, что с понижением температуры охлаждения сливок степень агрегации жировых частиц в них значительно увеличивается. Продолжительность термостатирования сливок при этом оказывается тем более, чем ниже температура их охлаждения.

Перемешивание сливок в процессе их физического созревания значительно интенсифицирует кристаллизацию глицеридов. В практике это очень актуально, так как влияет на устойчивость процесса маслообразования и формирования структуры масла [22, 23].

Влияние перемешивания сливок на степень агрегации жировых частиц в них и жирность пахты. (Сливки, охлажденные до 6 °С, перемешивали в интервале от 0 до 30 мин.) С увеличением продолжительности перемешивания количество жировых шариков размером до 5 мкм уменьшалось, а крупных (размером до 10 мкм и более) - увеличивалось. Наиболее заметная агрегация жировых шариков имела место при продолжительности перемешивания 6-8 мин. Однако более значимое влияние на агрегацию жировых шариков оказала продолжительность термостатирования сливок.

Влияние подогрева «созревших» сливок перед сбиванием. Температура сбивания сливок, как правило, на 2-5 °С выше той, при которой они созревали. Поэтому сливки перед сбиванием подогревают. Во избежание локального расплавления низко- и среднеплавких глицеридов в качестве теплоагента следует использовать воду с температурой, не более чем на 3-5 °С превышающей ту, до которой сливки нагревают. Определенное влияние при этом может оказать продолжительность выдержки подогретых сливок при температуре сбивания. Мнения различных исследователей по этому вопросу неоднозначны. Как результат этого продолжительность выдержки подогретых до температуры сбивания сливок колеблется 0 до 3 ч, а иногда и больше.

Анализ факторов готовности сливок к сбиванию. Влияние продолжительности термостатирования сливок в процессе их созревания на готовность к сбиванию, по экспериментальным данным автора, значительнее, чем их перемешивание в течение 15 мин (затраченная работа 1450 Дж/кг) при такой же температуре сразу после охлаждения.

Механическая обработка (перемешиванием) охлажденных сливок (в течение 18-12 мин) интенсифицирует кристаллизацию глицеридов и формирование твердой фазы жира, однако в течение указанного времени этот процесс не завершается [14]. Это является следствием устранения «эффекта» переохлаждения молочного жира и повышения вероятности возникновения дополнительных центров кристаллизации, а также ускорения диффузии триглицеридов к поверхности зародыша (рост кристаллов). При интенсификации механического воздействия эффект переохлаждения ослабляется. Влияние

механического воздействия, по данным А. П. Белоусова, выражается в более значительном дифференцировании триглицеридов при образовании смешанных кристаллов, что аналогично медленному охлаждению [11].

Подготовка сливок к сбиванию осуществляется эффективнее, если перед перемешиванием охлажденные сливки выдержать около 60 мин. При температуре 4-6 °С в этом случае в сливках отвердевает 35-37% глицеридов. Наряду с изменениями в белковой фазе и защитных оболочках жировых шариков при этом достигается необходимая для устойчивого образования масляного зерна степень отвердевания жира.

Установленная выдержка (60 мин) приемлема только в случае охлаждения сливок до температуры 4-6 °С. При ее изменении необходимая продолжительность выдержки сливок, обеспечивающая отвердевание в них 35% глицеридов, будет изменяться. С повышением температуры охлаждения сливок продолжительность их термостатирования увеличивается, при понижении, соответственно, уменьшится. Это следует учитывать при выработке различных видов масла, когда температура «созревания» сливок изменяется в диапазоне от 5 до 12 °С.

Обобщения, сделанные с учетом полученных экспериментальных данных, изложены ниже.

Степень отвердевания жира в сливках зависит от скорости и режимов их охлаждения. При охлаждении сливок до температуры 3, 6, 9 и 12 °С в их жировой фазе соответственно отвердевает 33,4; 26,6; 19,5 и 15,2% глицеридов.

Количество твердого жира в сливках, необходимое для их устойчивого сбивания и получения масляного зерна, в случае их охлаждения до температуры 3-12 °С достигается сразу в процессе охлаждения (3 °С) и, соответственно, после выдержки 45-60, 90-120 и

80-220 мин - для температур охлаждения 6, 9 и 12° С, а равновесное состояние между твердым и жидким жиром достигается через 2, 3, 4 и 5 ч, соответственно. Содержание твердого жира в сливках при достижении равновесного состояния составляет 51,0; 45,5; 36,6 и 32,8%, соответственно. С понижением температуры охлаждения сливок необходимая выдержка их для достижения равновесного состояния сокращается.

Однозначного влияния степени отвердевания жира в сливках на агрегацию в них жировых шариков и их вязкость не установлено.

Дисперсность жировой фазы в сливках и их вязкость зависят от температуры охлаждения, продолжительности выдержки и других факторов.

Четкой взаимосвязи и зависимости между степенью дестабилизации жировой дисперсии сливок, параметрами их сбивания и качеством масла не установлено.

Механическое перемешивание недостаточно охлажденных сливок с недостаточной степенью отвердевания жира или недостаточно выдержанных, в которых не достигнуто равновесное состояние между отвердевшим и жидким жиром, не обеспечивает завершения процесса «созревания» и достаточной готовности сливок к сбиванию.

Продолжительность термостатирования сливок для отвердевания в них более 30% жира зависит от температуры их охлаждения. При охлаждении сливок до температуры 3, 6, 9 и 12 °С целесообразная продолжительность их выдерживания составляет, соответственно, 0-15, 45-60, 90-120, 180-220 мин.

Увеличение продолжительности выдержки подогретых сливок перед сбиванием более 30 мин не оправдано, так как не оказывает заметного влияния на их состояние и улучшение процесса маслообразования (сбивания сливок) и образования масляного зерна [11].

Сбивание сливок и образование масляного зерна. Сливки после физического созревания винтовым насосом (12) направляются в маслоизготовитель периодического действия (13), где осуществляется сбивание сливок. Сливки в маслоизготовитель периодического действия (13) подаются под вакуумом или с помощью насосов и сбиваются для получения масляного зерна размером 3-5 мм.

Сущность «процесса сбивания» посредством перемешивания сливок (молока) заключается в агрегации (объединении) содержащихся в них жировых шариков. Процесс этот сопровождается постепенным уменьшением количества жировых шариков в дисперсии, вследствие их объединения при одновременном образовании жировых агрегатов, которые являются основой формирования масляного зерна. В конечном счете это приводит к полному разрушению жировой дисперсии и выделению из нее жировой фазы. Оболочки жировых шариков при этом полностью или частично разрушаются, а 50- 70% их компонентов уходит в пахту. Основу структурного каркаса образующегося масляного зерна составляют твердые (кристаллические) образования жира, сформировавшиеся на основе отдельных жировых шариков. Жидкий жир, выделяющийся при этом из жировых шариков, связывает твердые частицы, в результате взаимодействия сил когезии (слипания) взаимодействующие между частицами [11].

Агрегация жировых частиц происходит на основе сближения жировых шариков под действием внешних сил - в результате преодоления их энергетического и структурно-механических барьеров.

Физико-химическая сущность процесса сбивания жировых дисперсий (сливок, молока) была предметом исследования многих поколений ученых разных стран мира. Существует множество теорий «сбивания», объясняющих механизм агрегации жировых шариков и образование масляного зерна. Это свидетельствует о сложности и многофакторности процесса [2], различной их трактовке. Имеющиеся расхождения обусловлены тем, что механизм этих процессов зависит от множества факторов - метода и условий производства масла, состава и качества используемых сливок, метода их физического созревания и др.

Общим элементом всех существующих теорий сбивания сливок являются процессы нарушения стабилизирующей способности липопротеиновых оболочек жировых шариков и агрегация жировых частиц. По этим признакам все существующие теории (сбивания сливок в процессе маслообразования) можно разделить на три группы:

- характеризующие агрегацию жировых шариков как процесс, протекающий в водной фазе (внутри объема) сливок; под влиянием внешних воздействий;

- считающие, что процесс агрегации жировых шариков при сбивании сливок осуществляется на пограничной поверхности при участии раздела воздух--сливки;

- примиряющие эти крайние точки зрения.

Рассмотрим влияние некоторых отдельных факторов более подробно.

Изменение свойств сливок и их отдельных компонентов в процессе сбивания происходит вследствие интенсивного механического воздействия и пенообразования. Наиболее значимые изменения происходят в структуре оболочек жировых шариков - основного стабилизатора жировой дисперсии в сливках. Значительные разрушения нативных оболочек жировых шариков, а также процессы их флотации и агрегации в процессе сбивания сливок являются основной причиной потери ими устойчивости свойств жировой дисперсии.

Одним из основных изменений жировой дисперсии сливок при их сбивании является разрушение недостаточно устойчивых жировых шариков под влиянием механического воздействия. Это жировые шарики с жидким глицеридным ядром и тонким периферийным кристаллическим (жировым) слоем или не имеющие его. Разрушение неустойчивых жировых шариков, по-видимому, является основным источником высвобождения жидкого жира в процессе сбивания сливок.

На наличие изменений в структуре сбиваемых сливок, в первую очередь, указывает их внешний вид: разрушение однородной гомогенной массы жировой дисперсии и образование смеси пахты с масляным зерном - «коагулированной» жировой фазой. Каждая из полученных субстанций является сложной многофазной системой, предопределяющей в конечном счете физическую структуру масла и его свойства [2].

Роль воздушной дисперсии в сбивании сливок. Условием нормального образования масляного зерна при сбивании сливок в маслоизготовителях существующих конструкций является диспергирование в них воздушной фазы и образование пены.

Образование пены осуществляется за счет кинетической энергии, сообщаемой сливкам вращающейся мешалкой либо емкостью. Подтверждением активной роли воздушной дисперсии в процессах образования масляного зерна при сбивании сливок является резкое возрастание продолжительности сбивания в случае заполнения маслоизготовителя (периодического действия) более чем на 60% (оптимально 30-50%), так как это препятствует ценообразованию [2].

При сбивании сливок объем пены сравнительно быстро (в первые 8-10 мин) достигает максимума, а затем постепенно снижается Максимальный объем пены и положение максимума во времени зависит от температуры сбивания, массовой доли жира и кислотности сливок, продолжительности низкотемпературной подготовки.

Таким образом, структура сбиваемых сливок на протяжении большей части процесса представляет собой вспененную массу - систему мельчайших (50-100 мкм) воздушных пузырьков, занимающих до 45% объема, разделенных между собой тонкими прослойками сливок (15-20 мкм), которые лишь в несколько раз превышают средний диаметр жирового шарика.

Агрегация жировых шариков в процессе сбивания сливок. Процессы маслообразования при сбивании сливок заключаются в объединении разрозненных жировых шариков в мельчайшие агрегаты толщиной 3-6 средних диаметров жировых

шариков. Этот процесс можно рассматривать как частный случай коагуляции жировых частиц в дисперсных системах. При сбивании сливок в маслоизготовителях периодического действия существующих конструкций агрегация жировых шариков происходит как в поверхности раздела плазма--воздух, так и в объеме молочной плазмы. Начальной стадией агрегации в поверхности является вовлечение в нее жирового шарика (флотация). Агрегация жировых шариков в объемной фазе (молочной плазме) происходит не вследствие простых столкновений их друг с другом, а в основном при активном содействии пены и флотированных на воздушных пузырьках жировых шариков.

Процесс агрегации жировых шариков в молочной плазме состоит из двух последовательных операций:

- флокуляции жировых шариков с сохранившимися на них защитными оболочками - хотя и несколько измененными;

- агрегации глицеридных ядер жировых шариков, сопровождающейся разрушением их защитных оболочек.

Величина энергетического барьера, возникающего при сближении жировых шариков, определяется эта величина степенью разрушения нативной структуры оболочки жировых шариков, происходящего в предшествующих процессах. Частичное удаление из оболочек ряда компонентов (фосфолипидов, липопротеиновых комплексов и др.) оказывает влияние на их структуру и целостность. Это проявляется в частичной утрате оболочками жировых шариков стабилизирующей способности и в дестабилизации жировой дисперсии.

Для описания процесса агрегации жировых шариков в сбиваемых сливках под влиянием механического воздействия предложен ряд кинетических уравнений, полученных теоретически при различных принципиальных подходах: слипание шариков в потоке жидкости при наличии градиента скорости; уменьшение поверхности раздела жир--плазма

Основной предпосылкой осуществления процесса флотации (вовлечения) жирового шарика в поверхность раздела плазма--воздух в момент ее образования является гидрофобность его поверхности. Гидрофобизация поверхности жировых шариков (т. е. их оболочек) происходит на всех стадиях производственного процесса от получения сливок и их подготовки к сбиванию до образования масляного зерна и масла. Она является результатом потери оболочками жировых шариков наиболее гидрофильных компонентов, т.е. липопротеиновых комплексов ее наружного слоя. По мере их удаления поверхность оболочек (поверхность жировых шариков) приобретает все более выраженные гидрофобные свойства. Соответственно изменяется структура прилегающего к ней модифицированного поверхностного слоя водной фазы.

Зависимость продолжительности сбивания сливок от температуры многие исследователи связывают с соотношением в жировых шариках жидкого и твердого жира (Ж/Т) и с минимально необходимым для нормального сбивания количеством твердой жировой фазы. С повышением температуры сбиваемых сливок соотношение жидкого и твердого жира в них увеличивается. Из процессов, происходящих в сливках во время сбивания, главным является выделение из жировых шариков жидкого жира. При равнозначных условиях увеличение этого соотношения обусловит увеличение количества жидкого жира в результате разрушения неустойчивых жировых шариков при сбивании сливок под влиянием механического воздействия.

Технологические стадии сбивания сливок, условно выделяемые в процессе маслообразования, связаны с образованием и разрушением воздушных пузырьков пены. Выделяют три стадии: образование воздушных пузырьков, разрушение пены, формирование агрегатов масляного зерна.

На первой стадии в процессе сбивания сливок в результате их интенсивного перемешивания образуется дисперсия воздушных пузырьков (пена). Образуемые в поверхностном слое сливок пузырьки воздуха увлекаются потоками жидкости вовнутрь объема. И так многократно, пока они не разрушатся. Случается это, когда продолжительность пребывания их в поверхностном слое достаточна для «растягивания» оболочки воздушного пузырька до критической толщины. С учетом этого рассчитывается степень заполнения маслоизготовителя (периодического действия) сливками в процессе сбивания; она должна быть такова, чтобы продолжительность контакта пузырьков с воздухом соответствовала их скорости разрушения.

Процесс образования воздушных пузырьков на первой стадии должен превалировать над их разрушением. С учетом этого характерными признаками первой стадии являются: общее количество пузырьков, объем воздушной дисперсии (пены) и поверхность контакта воздух--сливки. В результате образуется структурированная подвижная пена вследствие

превращения некоторого количества или всего объема сливок в тонкие прослойки. Дисперсию воздушных пузырьков в сливках рассматривают как воздушно-жировую дисперсию или подвижную пену, которая не имеет (не может иметь) строго ячеистого строения, так как сливки в процессе сбивания в результате перемешивания находятся в непрерывном движении.

Согласно А. П. Белоусову (1958), подвижная пена является гетерогенной, полидисперсной системой, так как состоит из плазмы, воздуха и жира; она может быть крупно- или мелкоячеистой [16]. Максимальное количество пены, образуемой в сливках, выдержанных длительное время при температуре 2 °С, составляет (6-7) * 10⁹ в 1 л. Наблюдаемое постепенное снижение интенсивности ценообразования к концу первой стадии сбивания сливок можно объяснить уменьшением нативных жировых шариков, способных стабилизировать вновь образующиеся воздушные пузырьки пены. Процесс включения новых объемов воздуха в сбиваемые сливки на первой стадии завершается полностью.

На второй стадии количество невспененных сливок быстро уменьшается, что, соответственно, резко снижает скорость ценообразования и объем воздушной дисперсии. Из сливок при этом воздуха удаляется больше, чем включается.

Образуемая на второй стадии структурированная ячеистая система представляет собой агрегатную пену. Ее объем увеличивается, в основном, не в результате захвата сливками воздуха, а за счет плазмы сливок, которая расходуется на создание новой поверхности, образуемой в результате дробления крупных воздушных пузырьков на мелкие. Часть плазмы механически удерживается агрегатной пеной, состоящей из мелких воздушных пузырьков, разделенных толстыми прослойками жидкости, которые становятся неподвижными в результате образования дополнительных кристаллизационных связей между кристаллами глицеридов при слипании жировых шариков, флотированных воздушными пузырьками. Под влиянием механического воздействия они необратимо разрушаются.

Заканчивается вторая стадия сбивания сливок разрушением агрегатной пены и образованием масляного зерна - мелких комочков жира из слипшихся жировых шариков. Степень агрегации жировых шариков к моменту разрушения агрегатной пены, согласно данным А. Д. Грищенко и А. П. Белоусова, составляет 78-85%. Общая продолжительность периода существования пены при сбивании сливок составляет 72-80% от общей продолжительности процесса сбивания [2, 15]. Формирование масляного зерна наступает при одинаковой степени агрегации жировых шариков - <80%.

Изменение структуры сливок в процессе сбивания обнаруживается по затрате мощности, которая в начале процесса сбивания сливок возрастает. Затем продолжительное время она остается неизменной, снова увеличивается и после достижения максимума резко снижается до величины, ниже первоначальной. Первое увеличение затрат мощности на сбивание сливок связано с образованием воздушной дисперсии. Резкое повышение затрат мощности в конце процесса вызвано образованием агрегатной пены, а резкий спад затрат мощности - ее разрушением.

На третьей стадии формирование масляного зерна завершается. В процессе сбивания сливок из жировых шариков происходит частичное выпрессовывание жидкого жира и его перераспределение, агрегация и диспергирование кристаллообразований и агрегатов жировых шариков, образование микрозерен.

Температурные зоны сбивания сливок. Температура - один из основных факторов получения масляного зерна и устойчивости процесса маслообразования. Выделяют три температурные зоны сбивания сливок: 12-16, 17-26 и 27-31,5°С. В первой и второй зонах между температурой и продолжительностью сбивания сливок (вторым по значимости фактором процесса) существует обратная зависимость, в третьей - прямая [2].

В производственных условиях сбивание сливок осуществляют в диапазоне температур первой зоны (12-16 °С). Для этой зоны характерна сравнительно более высокая энергия активации процесса агрегации жировых шариков (330 кДж), чем во второй (39 кДж).

Изменение скорости агрегации жировых шариков в сравниваемых условиях обусловливается разным соотношением между твердым и жидким жиром. При температуре ниже 12-16 °С (первая зона) в связи с увеличением количества твердого, а выше 26 °С (третья зона) с повышением жидкого жира соответственно между жировыми шариками в образующихся агрегатах масляного зерна снижается прочность сил слипания. Скорость агрегации в результате этого снижается, а продолжительность сбивания сливок максимально увеличивается при минимальных значениях между количеством твердого и жидкого жира.

Требуемое содержание твердого жира в сливках для их устойчивого сбивания составляет 30-35% [6]; оптимальной температурой является 12-15 °С [15].

В практических условиях температуру сбиваемых сливок устанавливают с учетом массовой доли жира в них и периода года, опыта предыдущих выработок. При этом маложирные и длительно созревавшие при пониженной температуре сливки сбивают при сравнительно повышенной температуре, а сливки повышенной жирности и недостаточно созревшие, наоборот, при пониженной.

Температура сбиваемых сливок влияет на продолжительность процесса (сбивания), жирность пахты и консистенцию масла. При пониженной температуре продолжительность сбивания сливок увеличивается, что может послужить причиной получения масла с засаленной консистенцией. Завышение температуры сбиваемых сливок обусловливает повышение жирности пахты и получение масла с мягкой мажущейся консистенцией.

Отделение пахты, промывка масляного зерна. После формирования масляного зерна необходимо выпустить пахту, промыть масляное зерно. Промывка масляного зерна - операция многоцелевая, оказывающая влияние на вкус и запах масла, его консистенцию и сохраняемость качества. В процессе промывки с водой удаляется часть молочной плазмы, а вместе с ней вещества, участвующие в формировании вкуса и запаха масла, а также обусловливающие жизнедеятельность микрофлоры. Применяемая промывная вода (количество, температура) оказывает влияние на упруговязкие свойства и слипаемость масляного зерна, эффективность его последующей механической обработки и консистенцию масла.

При самой тщательной промывке из масла можно удалить не более 50% лактозы и 15-27% белков. Вымываются только водорастворимые вещества, содержащиеся в поверхностных каплях плазмы масла. Высоко диспергированная плазма, находящаяся внутри масляных зерен (ее около 26% от общего содержания плазмы в масляном зерне), в процессе промывки не вымывается, но она недоступна и для микроорганизмов. Степень удаления плазмы при промывке масляного зерна зависит от его размеров и свойств. Из крупного мягкого масляного зерна плазма удаляется труднее, чем из мелкого, твердого.

Вода, используемая для промывки масляного зерна, должна соответствовать требованиям действующего ГОСТа на питьевую воду: быть прозрачной, без механических примесей, бактериально чистой. Воду, не соответствующую установленным требованиям, подвергают специальной обработке.

В соответствии с действующей технологической инструкцией промывка масляного зерна в нашей стране не является обязательной операцией. При выработке сладкосливочного масла из высококачественных сливок и строгом соблюдении санитарных норм и технологических режимов масляное зерно не промывают. В непромытом масле лучше сохраняются компоненты плазмы, обладающие антиокислительными свойствами: сульфгидрильные соединения типа SH-групп, токоферолы (витамин Е), (в-каротин, фосфолипиды и др. Непромытое масло вследствие этого характеризуется более выраженным вкусом и запахом по сравнению с промытым.

Затем проводят механическую обработку масла для отделения влаги и образования пласта масла. Для улучшения консистенции и распределения влаги масло обрабатывают в гомогенизаторе-пластификаторе.

Фасование и упаковывание сливочного масла. Готовое масло выгружается в машину (14) для фасовки масла в коробку (15). Далее транспортером направляется на машину для фасования в пачки. Действующим в стране Государственным стандартом предусмотрена фасовка сливочного масла в потребительскую тару - брикетами массой от 10 до 50 г, упаковочный материал - алюминиевая кашированная фольга; брикетами массой от 100 до 250 г с упаковкой в алюминиевую кашированную фольгу, пергамент марки А и другие разрешенные материалы; батончики из разрешенных полимерных материалов массой от 200 до 500 г; жесткая тара - стаканчики и коробочки массой от 10 до 500 г из разрешенных полимерных материалов.



2.2 Расчет сепаратора-сливкоотделителя

Исходные данные:

- количество тарелок Z = 12 шт.,

- частота вращения барабана W = 1256 с ^-1 ,

- максимальный R_max = 0,045 м. и минимальный R_min = 0,012 м. расчётные радиусы тарелок,

- температура молока t= 30 єС,

- расстояние R₀ = 0,014 м.,

- наружный радиус барабана R_б = 0,052 м.

Расчет действительной объёмой производительности сепаратора-сливкоотделителя V_g (м³ /с)

V_g=[0,116* в*w²*z*tgб*(R³max-R³min) *(( с_c- с_ч)/ м] *d² (3.1)

в - технологический КПД сепаратора, показывающий отношение действительной производительности к теоретической, примем в = 0,5;

W - частота вращения барабана сепаратора, с ^-1;

Z- число тарелок в барабане;

б - угол подъёма образующей конуса тарелки, (б=56°, следовательно, согласно таблиц В.М.Брадиса tgб=1,4826);

R_max ,R_min - максимальный и минимальный расчётные радиусы тарелок, м;

с_с , с_ч - плотность дисперсионной среды (плазмы) и жировых частиц, кг/м³, при 30 єС

с_с = 1030,6 кг/м³ , с_ч = 911,9 кг/м³ ;

м - вязкость дисперсионной среды (плазмы молока), Па·с,

при 30 єС м = 0,00133 Па·с;

d_ч - минимальные диаметры жировых частиц, выделяемых из молока, м; примем d_ч = 1,4 · 10^-6 м.

V_g=[0,116*0,5*1256²*12*1,4826*(0,045³-0,012³) *((10306-9119)/0,00133] *(1,4*10^-6)

V_g=2545, 60 (м³/с)

По рисунку 2 определяем жирность обрата С_об (%)

Рисунок 2 - Зависимость между максимально предельным диаметром жировых частиц в обрате и его жирностью

С_об=0,05 %

Построим график зависимости действительной объёмной производительности сепаратора V_g от жирности обрата С_об (Рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимость действительной объёмной производительности сепаратора от жирности обрата



Рассчитаем объемное количество сливок V_сл (м³ /с), выделенных сепаратором, используя формулу

V_сл=V_g*[(C_м-С_об)/(С_сл-С_об)] (3.2)

где C_м - жирность молока, примем C_м = 4,2 %;

С_об - жирность обрата, примем C_об = 0,05 %;

С_сл - жирность сливок, примем C_сл = 20 %;

V_g - действительная объёмная производительность сепаратора при жирности обрата

C_об = 0,05 %.

V_сл=2545,60*[(4,2-0,05)/(20-0,05)]=529,54 (м³/с)

Рассчитаем количество обрата V_об (м³ /с), выделенного сепаратором

V_об=V_g-V_сл=2545,60-529,54=2016,06 (м³/с) (3.3)

Рассчитаем степень обезжиривания молока у(%) сепаратором-сливкоотделителем:

у= 100* =100=99,06% (3.4)

Рассчитаем мощность, затрачиваемую на привод барабана открытого сепаратора N_б (кВт), используя формулу

N_б=N₁₊N₂+N₃+N₄ (3.5)

N₁ - мощность на придание кинетической энергии выводимым фракциям молока, кВт



N₁=5*10^-4*ц*V_g*с_в*W²*R₀² (3.6)

где ц- экспериментальный коэффициент, примем 1,1;

R₀ - расстояние от оси барабана до торца отверстия, через которое фракции молока покидают барабан, м.

N₁=5*10^-4*1,1*2545,60*1030,60*(0,014)²=446147,37 (кВт)

N₂ - мощность на преодоление аэродинамического сопротивления барабана о воздух, кВт:

N₂=6,25* в*с_в*W³*R_б⁵ (3.7)

где в - экспериментальный коэффициент, примем в=0,15;

с_в - плотность воздуха, кг/м³ , примем с_в = 1,23 кг/м³;

R_б - наружный радиус барабана, м.

N₂=6,25*0,15*1,23*1256³*(0,052)⁵=868,68 (кВт)

N₃ - мощность на преодоление трения в уплотнительных манжетах и опорных узлах (подшипниках), кВт; для расчетов примем N₃=0,020 кВт.

N₄ - мощность на встроенные насос и напорный диск, кВт. Так как в рассчитываемом сепараторе нет встроенных насосов и напорного диска, то N₄ = 0 кВт.

В итоге, мощность, затрачиваемая на привод барабана открытого сепаратора равна

N_б=446147,37+868,68+0,020+0=447016,07 (кВт)

Рассчитаем мощность, потребляемую сепаратором N (кВт)

N= N_б/ з (3.8)

где з - механический КПД привода барабана, примем з=0,90

N=447016,07/0,90=496684,52 (кВт)

Рассчитаем мощность электродвигателя с учетом пускового момента N₀ (кВт):

N₀=1,1*N=1,1*496684,52=546352,97 (кВт) (3.9)

Итого удельные затраты электроэнергии на сепарирование молокаN_уд (кВт·ч/м³) составляют

N_уд=N_д/(3600*V_д)=546352,97/(3600*2545,60)=0,06 (кВт · ч/м³) (3.10)



Выводы

1. В ходе выполнения бакалаврской работы были изучены и рассмотрены биохимические процессы, происходящие при производстве сливочного масла.

2. Был проведен анализ методов производства сливочного масла, таких как: метод сбивания сливок и метод преобразования высокожирных сливок. В качестве оптимального был выбран первый из перечисленных.

3. Разработана технологическая линия производства сливочного масла на основе анализа литературных данных выбрана оптимальная технология.

4. Проведен расчет сепаратора-сливкоотделителя по производительности.



Список литературы

1. ГОСТ 37-91 Масло коровье. Технические условия. - М.: Госкомиздат, 1991. - 16 с.

2. Грищенко А.Д. Сливочное масло. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. -293 с.

3. Производство сливочного масла. Справочник/Под ред.Ф.А. Вышемирского. -М.:Агропромиздат, 1988. - 303 с.

4. Вышемирский Ф.А. Маслоделие в России (история, состояние, перспектива). - Рыбинский Дом Печати, 1988. - 591 с.

5. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - 3-е изд. - СПб.:ГИОРД, 2003. - 320 с.

6. Вышемирский Д.А.и др. Ароматизация сладкосливочного масла // Сб. научн. трудов ВНИИМС. - 1997, вып. №60. - С. 35-42

7. Вышемирский Ф.А., Василисин С.В. Влияние тепловой обработки сливок на изменение их состава и выраженность привкуса пастеризации // Сб. научн. трудов ВНИИМС. Вып 9. - Ярославль. 1972. - С. 77-103.

8. Гринене Э.К. Технологические аспекты по повышению качества сливочного масла на основе улучшения его вкусовых и ароматических свойств: Автореф. Докт. Диссертации. - М.: МТИММП, 1984. - 34с.

9. Изучение кинетики вкусовых и ароматических веществ при производстве сливочного масла с целью разработки теоретических основ создания новых разновидностей сливочного масла // Вышемирский Ф.А.и др. Отчет ВНИИМС по теме № 703, 1994 и 1997 гг. - 94 с.

10. Вышемирский Ф.А. Масло из коровьего молока и комбинированное. - Сб.:ГИОРД, 2004. - 720 с.

11. Белоусов А.П. Физико-химические процессы в производстве масла сбиванием сливок. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 263 с.

12. Тепел А. Химия и физика молока. - М.: Пищевая промышленность. 1979. - 323 с.

13. Петровский К.С. Сливки и пахта. - М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1976. - 75 с.

14. Твердохлеб Г.В. Закономерности отвердевания молочного жира // Научно-техническая информация. Серия: Молочная промышленность. - М.: ЦНИИТЭИмясмолпром, 1971, вып 11. - С. 23-33.

15. Сборник инструкций по производству сливочного и топленого масла // Вышемирский Ф.А. и др. - ВНИИМС. - Углич, 1994. - 364 с.

16. Барабанщиков Н.В. Молочное дело. - М.: Колос, 1983. - 412 с.

17. Белоусов А.П. Исследования физико-химических процессов в производстве сливочного масла: Диссертация на соиск. ученой степени докт. техн. Наук в форме научного доклада . - М.: МТИИММП, 1972. - 82 с.

18. Ересько Г.А. и др. Исследование физических свойств молочного жира и сливок // Труды ВНИИМС, 1973, с 13-26.

19. Смирнов М.И. Витамины. - М.: Медицина, 1979. - 495 с.

20. Бронюкайтене Н. и др. Исследование стабильности жировой фазы сливок при их подготовке к сбиванию // Труды Лит. Филиала ВНИИМС. - Вильнюс, 1973, т. 8. - С. 75-84.

21. Качераускис Д.В. и др. Новые технологические способы подготовки сливок к сбиванию. - М.:ЦНИИТЭИмясомолпром, 1975, №4. - С. 3-6.

22. Вышемирский Ф.А., Качераускис Д.В. и др. Производство масла методом непрерывного сбивания. - М.:ЦИНТИпищепром, 1968. - 87с.

23. Вышемирский Ф.А. Влияние перемешивания сливок при «созревании» и режима подогрева до температуры сбивания на устойчивость процесса маслообразования // Сб. научн. Трудов ВНИИМС. - М.: Пищевая промышленность. 1978. Вып. 25. - С. 34-42.

24. Гуляев - Зайцев С.С. Физико-химические основы производства масла из высокожирных сливок. - М.: пищевая промышленность , 1974. - 135 с.

Размещено на Allbest.ru

...