CC BY
135
УДК 664.3.033
Совершенствование техники и технологии производства сливочного масла методом непрерывного сбивания
сливок
Раттур Елена Владимировна, аспирант e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Куленко Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой технологического оборудования e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Червецов Виктор Владимирович, доктор технических наук, заведующий лабораторией молочных консервов e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности»
Галстян Арам Генрихович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности»
Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния поточного двухстадийного способа физического созревания сливок на изменения их свойств и качество сливочного масла.
Ключевые слова: сливки, физическое созревание, степень отвердевания, молочный жир, распыливание, вакуум, сливочное масло.
Выработка сливочного масла - сложный физико-химический процесс, основой которого является выделение молочного жира из сливок в виде жирового концентрата, равномерное распределение его компонентов и пластификация.
В России существует два метода производства сливочного масла - сбивание сливок (СС) и преобразование высокожирных сливок (ПВЖС). Каждый из этих методов обладает присущими ему достоинствами и недостатками.
Эталоном по органолептическим, структурно-механическим и потребительским свойствам считается масло, выработанное методом сбивания. Однако по ряду показателей (содержание воздуха, распределение влаги и др.) масло, выработанное поточным методом, превосходит масло, выработанное сбиванием. При этом метод преобразования высокожирных сливок обладает очень важным для производственников качеством - он поточен, чего нельзя сказать о методе сбивания, так как в его технологии существует такая операция, как физическое созревание сливок.
Длительная выдержка охлажденных сливок, практикуемая при подготовке их к сбиванию, усложняет и удлиняет производственный процесс получения сливочного масла из-за необходимости значительного количества емкостей и производственных площадей, повышения трудовых и энергетических затрат. Производственный цикл при этом осуществляется практически в течение суток. Наиболее рациональным оформлением процесса производства продукта является его поточность, непрерывность, позволяющая полностью механизировать и автоматизировать технологические операции [1].
О возможности сокращения процесса созревания сливок и выполнения этой технологической операции в потоке впервые было доказано в работах В.И. Сирика и М.М. Казанского [2, 3]. Производственные испытания показали, что лучшие результаты по степени отвердевания жира перед сбиванием и его использования в процессе сбивания получаются при охлаждении сливок на охладителе до 3-4 °С и обработке в сливкоподготовителе при 4-5 °С [3].
Интересные исследования по этой тематике несколько позднее были выполнены еще многими советскими учеными.
Н.И. Козин рекомендовал использовать в качестве поточного сливкоподгото-вителя коллоидную мельницу [4]. Сливки, охлажденные до температуры 0-1,5 °С, сразу подаются в коллоидную мельницу. Зазор в мельнице регулируется в зависимости от жирности сливок: при жирности 25-35 % он должен составлять 0,25-0,50 мм. После коллоидной мельницы сливки с температурой 6-7 °С направляли в мас-лоизготовитель.
Оригинальная схема решения вопроса поточного созревания сливок была предложена во ВНИИМСе (Ф.А. Вышемирский и др.) с охлаждением сливок до 2-4 °С в мелкодисперсном состоянии (размер частиц 0,15 мм) в атмосфере паров азота [1, 5, 6].
Таким образом, большинство исследователей приходят к заключению о возможности сокращения длительной выдержки сливок при созревании и осуществления этой операции в потоке. Поточный метод подготовки сливок особенно перспективен при использовании маслоизготовителей непрерывного действия. Особенностью поточного способа подготовки сливок к сбиванию является быстрое охлаждение сливок до сравнительно низкой положительной температуры, определенная механическая обработка охлажденных сливок, последующий подогрев до температуры сбивания и термостатирование при этих условиях до 30 минут.
Однако, до настоящего времени ни один из рекомендованных режимов ускоренной низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию не получил широкого распространения по различным причинам: отсутствие технического решения, сложности использования, не законченности работ и др.
Актуальность и недостаточная научная разработанность технологии ускоренного способа созревания сливок при производстве масла методом сбивания послужили причиной проведения исследований по разработке двухстадийного ускоренного способа созревания сливок с использованием вакуум-камеры.
Способ подготовки сливок к сбиванию при охлаждении их в условиях вакуума предложил Ю.Н. Кузьмин [7]. Сливки жирностью 35-50 % после пастеризации подают в вакуум-камеру, где поддерживается остаточное давление 533-666 Па. Происходит бурное взрывообразное вскипание воды, что приводит к распылива-нию сливок до мелкодисперсного состояния. Последующее интенсивное испарение обуславливает практически мгновенное охлаждение частиц сливок до 1-5 °С, то есть до температуры массовой кристаллизации жира. При таком способе охлаждения образуется большое количество центров кристаллизации глицеридов, что обеспечивает высокую степень отвердевания жира в каждом жировом шарике. Процесс маслообразования при сбивании сливок, подготовленных предложенным способом, моделируется не полностью. Масло имеет сниженную оценку по консистенции, а отход жира в пахту - повышен. Следует также отметить, что указанная работа предусматривала в основном изучение устойчивости распыливания сливок и аппаратурное оформление процесса. Изменения физико-химических свойств сливок, молочного жира и особенности технологического процесса изучены недостаточно [1].
Суть усовершенствованного способа созревания сливок сводится к двухста-дийному их охлаждению путем распыливания в вакуум-камере на первой стадии, с последующим доохлаждением в скребковом теплообменнике на второй.
При подготовке сливок к сбиванию с использованием распыливания в вакууме условия их охлаждения принципиально отличаются от условий ранее известных термомеханических способов физического созревания. Вследствие того, что продукт подается на распыливание с температурой значительно превышающей температуру кипения при создаваемом разрежении, а также из-за большой поверхности испарения, полученной при диспергировании, происходит интенсивное испарение части влаги, и, как следствие, почти мгновенное охлаждение продукта до температуры, соответствующей заданному разрежению.
Мгновенное охлаждение диспергированного продукта и значительное гидродинамическое воздействие на него, создает предпосылки для интенсивного образования зародышей кристаллов молочного жира в замкнутом объёме каждой образовавшейся капли, что накладывает определённые условия на процессы кристаллизации глицеридов молочного жира, связанные, прежде всего, с ограниченным объёмом отдельно взятой капли, и, следовательно, определённым, ограниченным количеством молочного жира, регламентирующим предельно возможное количество и размер зародышей масляных зерен. Такой процесс кристаллизации позволяет получить в охлажденном до заданной температуры продукте кристаллы молочного жира с высоким коэффициентом однородности.
Работу выполняли на кафедре технологического оборудования ФГБОУ ВО Вологодская ГМХА в период с апреля 2014 по август 2015 года.
Сливки получали непосредственно при сепарировании молока на ОАО «УОМЗ»
ВГМХА». Жирность сливок - 35 %, кислотность - 15 °Т.
Для выполнения опытов использовали специальную пилотную установку, смонтированную в экспериментальном цехе учебно-опытного завода (рис. 1).
Рис. 1 Пилотная установка
В результате проведенных исследований установлено:
- при распыливании сливок через струйную форсунку в условиях вакуума происходит кристаллизация молочного жира. За промежуток времени нахождения капли в камере изменение температуры, обусловленное нестационарной теплопроводностью, практически отсутствует, а также не изменяется температура в центре и на поверхности первичного элемента и компактного участка струи в связи с малым временем их существования. Из этого следует, что охлаждение продукта происходит за счет удаления воды в процессе ее вскипания. При остаточном давлении в камере 0,002 МПа расчетная температура кипения сливок в вакууме с учетом температурной депрессии, связанной с содержанием сухих веществ, составляет 25 °С, что соответствует экспериментальным данным, и не зависит от начальной температуры сливок. При этом следует отметить, что с увеличением начальной температуры увеличивается расстояние от среза форсунки, необходимое для получения конечной температуры, что отчетливо видно на представленном графике (рис. 2). Следовательно, охлаждение обусловлено вскипанием воды, содержащейся в продукте, при заданном остаточном давлении в камере.
120
и
С
5 80
я
а.
6 60
| 20
3 о................
и ---------------------
— 0,1 02 0,3 0,4
Расстояние от среза форсунки, м Ь
» 85СС • 90°С • 95°С • 98°С
Рис. 2 Изменение температуры продукта в зависимости от расстояния до среза форсунки при распыливании
- с увеличением глубины охлаждения сливок увеличивается количество отвердевшего жира (табл. 1).
Таблица 1. Влияние глубины охлаждения сливок на степень отвердевания в них жира
№ варианта Интервал температур, °С Среднее количество твердого жира в сливках, %
1 (25-12) 44,2 ± 2,37
2 (25-10) 50,9 ± 2,74
3 (25-8) 57,7 ± 3,25
4 (25-6) 64,5 ± 3,45
5 (25-4) 71,3 ± 2,47
К (традиционное созревание) (98-4) 42,7 ± 3,53
Разница по этому показателю в вариантах 1 и 5 достигает значительной величины 27,1 %. При охлаждении сливок до температуры 12 °С степень отвердевания жира составляет 44,2 %. По данным Г.В. Твердохлеб [8] устойчивый процесс сбивания сливок осуществляется при содержании отвердевшего жира в них не менее 35 %. Следовательно, предлагаемый способ подготовки сливок является эффективным (степень отвердевания жира в сливках, подготовленных новым способом, составляет от 44,2 % до 71,3 %, а контрольных, подготовленных традиционным способом - 42,7 %), и позволяет исключить подогрев сливок до температуры сбивания 11-14 °С.
Увеличение степени отвердевания жира в сливках при охлаждении их в диапазоне температур 10-4 °С можно объяснить тем, что при этих условиях в кристаллизацию вовлекаются низкоплавкие группы триглицеридов.
Перемешивание сливок обусловливает некоторое увеличение степени отвердевания жира (9,0-11,0 %) (рис. 3) и с понижением температуры интенсификация обработки сливок максимально увеличивает степень отвердевания молочного жира. Объясняется это быстрым наступлением теплового равновесия между составными частями сливок и образованием стабильных в' и в модификаций молочного жира, что и подтверждается проведенным рентгеноструктурным анализом (рис 4).
На рис. 4 представлен рентгеновский спектр образца сливок в области малых межплоскостных расстояний, на котором видно два максимума, отвечающих межплоскостным расстояниям 0,38 нм и 0,42 (0,43) нм, с преобладанием интенсивности второго максимума. Такое сочетание максимумов (согласно системе Е. Латтона) характеризует в' модификацию, а уступ и ассиметричное расширение в области 0,46 нм может свидетельствовать о наличии мельчайших центров кристаллизации в модификации.
Рис. 3 Изменение степени отвердевания молочного жира в зависимости от частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата
Угол скольжения, град
Рис. 4 Рентгеновский спектр сливок с температурой 12 °С в области малых межплоскостных расстояний
Сливочное масло, исследованное методом дифференциальной сканирующей калориметрии, экзотермических пиков, соответствующих протеканию процессов с выделением теплоты, не имеет. На термограмме (рис. 5) присутствует четкий эндотермический пик с максимумом при температуре минус 1,5 °С, обусловленный плавлением плазмы. По интенсивности данный пик сопоставим с аналогичным пиком термограммы сливочного масла, полученного при сбивании сливок, созревание которых проводили традиционным способом (рис. 6), однако имеет место более выраженный, «узкий» характер: в контрольном образце началу данного пика соответствует температура порядка минус 12,9 °С и пик более размыт, тогда как для экспериментального образца начало плавления отмечено температурой около минус 3,9 °С.
Temp [С]
Рис. 5 ДСК-термограмма экспериментального образца
Temp [С]
Рис. 6 ДСК-термограмма контрольного образца
Также характерным отличием экспериментального образца является более выраженный пик, соответствующий легкоплавким глицеридам (максимум приходится на температуру около 11,3 °С). Аналогично контрольному образцу на термограмме присутствуют незначительные по интенсивности и весьма размытые пики, соответствующие глицеридам с температурой плавления около 22,3 °С и 28,2 °С.
В экспериментальном образце преобладают также высокоплавкие глицериды, идентифицированные наиболее интенсивным пиком с максимумом при температуре 38,8 °С (начало пика около 34,0 °С). Содержание данной тугоплавкой группы глицеридов выше, чем в контрольном образце, что подтверждается большей интенсивностью пика (-0,35 мВт/мг против -0,27мВт/мг).
Принципиальных различий в характере кристаллизации глицеридов как в случае после быстрого охлаждения сливок путем распыливания их в вакууме, с дальнейшим доохлаждением в скребковом теплообменнике, так и при обычном
способе их физического созревания и образовании ими полиморфных модификаций с различным характером построения кристаллической структуры нет.
В результате рентгеновских исследований масла в экспериментальном образце (рис. 7). в отличие от контрольного (рис. 8) наряду с в'-модификацией, отчетливо проявилась и в-модификация, о чем свидетельствует четкий максимум 0,46 нм.
В области больших интервалов у обоих образцов зафиксированы рефлексы (различного порядка п), соответствующие одному межплоскостному расстоянию 4,1 (4,2 нм), что свидетельствует о наличии в образцах кристаллической структуры с двойной длиной цепи (ДДЦ).
«
о и ■о
Ч £
О
ч
о «
:г
3000
6000
4000
2000
/Ч ОампмДОиц
......V
1 V
10
15
20
25
30 35 40
Пки -2 1Ъе1а (¿е;*)
Угол скольжения, град
Рис.7 Рентгеновский спектр экспериментального образца сливочного масла при температурах 4±2 °С (красная линия) и 15 °С (синяя линия)
«
о с
и ло
с и
¡Г
Угол скольжения, град
Рис. 8 Рентгеновский спектр контрольного образца сливочного масла при температурах 4±2 °С
(красная линия) и 15 °С (синяя линия)
Таким образом, полученные данные подтверждают целесообразность использования поточного двухстадийного физического созревания сливок перед сбиванием с применением распыливания сливок через струйную форсунку в условиях вакуума на первой стадии и доохлаждением их в скребковом теплообменнике на второй стадии.
Список литературных источников:
1. Жага, М. М. Интенсификация физического созревания сливок жидким азотом в производстве масла : дис. ... канд. техн. наук / М. М. Жага. - Углич, 1977. - 167 с.
2. Сирик, В. И. Непрерывный метод производства масла / В. И. Сирик, М. М. Казанский. - М. : Пищепромиздат, 1936. - 34 с.
3. Сирик, В. И. Производство масла / В. И. Сирик. - М. : Пищевая промышленность, 1969. - 199 с.
4. Козин, Н. И. Пищевые эмульсии / Н. И. Козин. - М. : Пищепромиздат, 1950. - 115 с.
5. Вышемирский, Ф. А. Изменение дисперсности жировой фазы сливок при быстром охлаждении их в атмосфере паров азота / Ф. А. Вышемирский, М. М. Жага // Сборник научных трудов ВНИИМС. - Выпуск XXII. - 1978. - С. 41-45.
6. Вышемирский, Ф. А. Влияние режимов охлаждения на состояние жировой эмульсии сливок и их сбивание / Ф. А. Вышемирский, М. М. Жага // Сборник научных трудов ВНИИМС. - Выпуск XIX. - 1975. - С. 35-39.
7. А.с. 163885 СССР, МПК А23с. Способ созревания сливок / Кузьмин Ю. Н., Гисин И. Б., Страхов В. В. - № 869946/28-13; заявл. 11.12.63; опубл. 22.07.64, бюл. № 13.
8. Твердохлеб, Г. В. Фазовые изменения молочного жира в формировании консистенции сливочного масла : автореферат дис. . д-ра техн. наук / Г. В. Твердохлеб - М. : МИНХ, 1962. - 30 с.
Improving the methods and technology of cream-butter production by the continues cream stirring
Rattur Elena Vladimirovna, a post-graduate student e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kulenko Vladimir Georgievich, Candidate of Science (Technics), the head of the Dairy Processing Equipment Chair e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Chervetsov Viktor Vladimirovich, Doctor of Science (Technics), the head of the Caned Milks Laboratory
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Research Institution "Russian Research Institute of Dairy Industry"
Galstyan Aram Genrihovich, Doctor of Science (Technics), a senior research officer e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Research Institution " Russian Research Institute of Dairy Industry"
Abstract: the article presents the results of the research on the two-staged flowing method of the physical cream ripening influence on their properties' changes and cream-butter quality.
Keywords: cream, physical ripening, firmness degree, milk fat, spraying, vacuum, cream-butter.
