Получение молока Молоко начали получать более 6000 лет назад. Современный молочный скот произошел от диких животных, обитавших в разных природных условиях, иногда граничащих с экстремальными. Человек начал одомашнивать животных практически повсеместно. Как правило, для удовлетворения своих потребностей в молоке, мясе, одежде и т.п. Одновременно он отбирал универсальных травоядных животных. К тому же травоядные животные менее опасны и легче приручаются, чем плотоядные. Также травоядные не вели непосредственную конкуренцию с человеком за пищу, так как кормились растениями, непригодными для человека. Технология производства молочных продуктов/глава 1 1 Все травоядные относятся к жвачным животным, за исключением лошадей и ослов. Жвачные могут есть быстро и в большом количестве, с последующим пережевыванием пищи. И сегодня многих из этих животных продолжают содержать для получения молока – одного из важнейших продуктов питания человека. Наиболее распространенным в мире животным, дающим молоко, является корова, обитающая практически повсеместно. Таблица 1.1 Состав молока от разных видов млекопитающих МлекоОбщий Казеин Cывороточные Жиры Углеводы питающее белок белки % % % % % Зола Человек Лошадь Корова Буйволица Коза Овца 0,2 0,5 0,7 0,7 0,8 0,8 1,2 2,2 3,5 4,0 3,6 5,8 0,5 1,3 2,8 3,5 2,7 4,9 0,7 0,9 0,7 0,5 0,9 0,9 3,8 1,7 3,7 7,5 4,1 7,9 7,0 6,2 4,8 4,8 4,7 4,5 % Однако не надо забывать и про других животных, дающих молоко, которое крайне необходимо жителям соответствующей местности в качестве источника белка и других компонентов, обладающих повышенной питательной ценностью. Среди животных этой группы следует отметить овец как имеющих большое значение для населения стран Средиземноморья и большей части территории Африки и Азии. Число овец во всем мире превосходит миллиард, и потому они являются самыми многочисленными из домашних животных, дающих мясо и молоко. Овцы часто соседствуют с козами, вклад которых в получение молока и мяса в наиболее бедных регионах нельзя недооценивать. Как овцы, так и козы являются источником дешевого и высококачественного белка и в основном разводятся там, где климатические, топографические, экономические, технические или социологические факторы приводят к ограничению развития более сложных систем получения пищевого белка. Таблица 1.1 показывает состав молока человека и разных видов животных. Приведенные цифры, однако, являются лишь усредненными, ибо этот состав для любого животного зависит от целого ряда факторов, таких как их порода, питание, климат и т.п. • Телку покрывают (естественным путем или осеменением) до достижения ею возраста 2 лет • Продолжительность ее беременности составляет 9 месяцев. • После отела корова дает молоко в течение 10 месяцев. • Через 1–2 месяца после отела корова готова снова давать приплод. • После приблизительно 5 отелов корову обычно забивают 2 Коровье молоко Молоко является единственной пищей для млекопитающих в первый период их жизни. Компоненты молока поставляют животным как энергию, так и вещества, необходимые для их роста. Молоко также содержит антитела, защищающие молодняк млекопитающих от заболеваний. Теленок нуждается примерно в 1000 литрах молока для роста, и именно такое его количество выдает первобытная корова для каждого своего теленка. Со времени одомашнивания человеком коровы произошли огромные перемены. Селекционное улучшение пород привело к выведению коров, дающих более 6000 литров молока на теленка, т.е. приблизительно в 6 раз больше, чем у первобытных коров. Некоторые же коровы могут давать до 14 000 литров молока и даже больше. Корова начинает давать молоко после первого отела. Телки достигают половой зрелости в возрасте 7–8 месяцев, но обычно не покрываются до достижения 15–18 месяцев. Продолжительность беременности у них составляет 265–300 дней в зависимости от породы, таким образом, первый раз они телятся в возрасте 2–2,5 лет. Технология производства молочных продуктов/глава 1 Секреция молока Молоко вырабатывается в вымени коровы – полусферическом органе, разделенном складкой на левую и правую половины, каждая из которых делится на четверти более низкой поперечной складкой. Каждая четверть имеет один сосок с отдельной молочной железой, что теоретически дает возможность получать от одной коровы четыре типа качественно различного молока. Поперечное сечение вымени приведено на рис. 1.1. Молочная железа состоит из железистой, соединительной и жировой ткани. Железистая ткань содержит клетки, продуцирующие молоко. Соединительная ткань является опорой железистых клеток, обеспечивает защиту вымени от ушибов и ударов. Железистая ткань образуется из альвеол, молочных ходов и протоков. Альвеолы, молочные ходы и протоки цистерны составляют емкость вымени, достигающую у высокопродуктивных коров 18 л и более. Альвеолы – мельчайшие пузырьки, их число может достигать 2 млрд. В конце сосок имеет канал длиной 1–1,5 см, в основании которого располагается запирательный мускул-сфинктер. Секреторные клетки, непосредственно продуцирующие молоко, расположены на внутренних стенках альвеол, образующих скопления по 8–120 пузырьков. От альвеол отходят капилляры, которые сливаются в постепенно расширяющиеся молочные каналы, ведущие к полости над соском. Эта полость, называемая молочной цистерной, может удерживать до 30% всего молока вымени. Рис. 1.1 Разрез вымени. 1 Цистерна вымени или молочная цистерна 2 Цистерна соска – сосковый отдел молочной цистерны 3 Канал соска – сосковый канал 4 Альвеола Цистерна вымени имеет отросток, достигающий низа соска и называемый цистерной соска. В конце сосок имеет канал длиной 1–1,5 см. Между доениями сосковый канал закрыт сфинктером, предотвращающим вытекание молока из вымени и проникновение в него бактерий. Все вымя пронизано кровеносными и лимфатическими сосудами. Они подают кровь, обогащенную питательными веществами, от сердца к вымени, где она распределяется капиллярами, окружающими альвеолы. Таким путем клетки, которые продуцируют молоко, снабжаются питательными веществами, необходимыми для его выделения. "Истощенная" кровь отводится капиллярами к венам и возвращается в сердце. Поток крови через вымя составляет около 90 000 литров в день. Это означает, что на получение 1 литра молока необходимо 800–900 литров крови. При секреции альвеолами молока растет их внутреннее давление. Когда корова не подвергается доению, секреция молока приостанавливается при достижении давлением некоторой предельной величины. Повышение давления приводит к принудительной подаче небольшого количества молока в более крупные каналы и вниз в цистерну. Однако основная часть молока вымени продолжает оставаться в альвеолах и сопутствующих тонких капиллярах. Они настолько тонки, что молоко Технология производства молочных продуктов/глава 1 В ирландской деревне Блэквотер (Blackwater) 31 декабря 1993 г. умерла корова Большая Берта. Вероятно, она была старейшей коровой в мире, так как в день смерти ей было 49 лет. Ее хозяин, мистер Джером О’Лэри (Jerome O’Leary), заявил, что Большой Берте исполнилось бы 50 лет 15 марта 1994 г. Поток крови через вымя составляет около 90 000 л в день. Для образования одного литра молока требуется приблизительно 800–900 л крови. Рис. 1.2 Выдавливание молока из альвеол. 3 не может протекать по ним самостоятельно. Молоко должно быть выдавлено из альвеол и через капилляры в крупные каналы. Этому способствуют звездчатые клетки, располагающиеся на наружной стенке альвеол, которые обладают способностью сокращаться и выжимать молоко из полости альвеол в выводные протоки, рис. 1.2. Период лактации Секреция молока в вымени коровы начинается незадолго до ее отела, что позволяет питаться теленку непосредственно после рождения. Корова после этого продолжает давать молоко около 300 дней. Этот период называется периодом лактации. Через месяц или два после отела корова снова может быть подвергнута оплодотворению. В течение лактационного периода молокоотдача понижается и приблизительно через 300 дней может упасть до 15–25% от ее максимальной величины. На этой стадии доение прекращают, и начинается запуск продолжительностью около 60 дней перед следующим отелом. С рождением теленка наступает новый лактационный период. Молоко, которое корова дает сразу после отела, называется молозивом. Оно значительно отличается по составу и свойствам от обычного молока (см. главу 2). Корова является продуктивной в течение пяти лет. Во время первого лактационного периода выработка молока несколько снижена. Доение Рис. 1.3 Доение занимает 5–8 минут. Для того чтобы вымя начало освобождаться от молока, в кровь коровы должен поступить гормон окситоцин. Он секретируется и накапливается в гипофизе. При готовности коровы под воздействием соответствующих стимулов к доению в гипофиз подается сигнал, реализующий секрецию окситоцина в кровоток. У первобытных коров стимулом к выделению молока являются попытки теленка сосать вымя. Окситоцин же начинает выделяться тогда, когда корова ощущает сосание теленка. Современная корова молочной породы не имеет телят, но приучена реагировать на другие стимулирующие факторы, такие как звуки, запахи и ощущения, ассоциируемые с доением. Окситоцин начинает оказывать воздействие в течение первой минуты после начала подготовки к доению и вызывает сжатие альвеол звездчатыми клетками. Это приводит к возникновению давления в вымени, что может ощущаться рукой, и к последующему рефлекторному выделению молока. Давление вытесняет молоко в сосковый отдел цистерны, из которого оно засасывается в стакан доильной машины или выжимается пальцами при доении вручную. Эффективность рефлекса выделения молока постепенно снижается из-за разбавления и распада окситоцина в токе крови и падает до нуля в течение 5–8 минут. Именно поэтому доение должно быть завершено за этот период времени. Попытки продления процесса доения с целью “выдаивания” коровы приводят к нежелательной нагрузке на вымя. Корова при этом становится раздражительной, что сильно затрудняет процесс доения. Ручное доение До сих пор на многих фермах во всем мире доение осуществляют вручную тем же способом, что и тысячи лет назад. Коровы обычно подвергаются доению ежедневно одними и теми же людьми, и стимулирование у них молокоотдачи происходит под воздействием знакомых им звуков, сопровождающих подготовку к доению. Доение начинается тогда, когда корова реагирует на эту подготовку рефлекторной молокоотдачей. Первые порции молока из сосков отбрасываются, так как они часто содержат огромное количество бактерий. Тщательный визуальный осмотр этих порций может помочь доярке в выявлении изменений в молоке, свидетельствующих о заболевании коровы. При доении одновременно используются две диагонально противоположные четверти вымени: одной рукой выжимают молоко из соскового отдела молочной цистерны, после чего разжимают сосок, чтобы дать возможность дополнительному количеству молока стечь в него из молочной цистерны. В это же время молоко выжимают из другого соска, так что оба соска обрабатываются последовательно. После выдаивания обеих первых четвертей вымени доярка приступает к доению двух других его четвертей до полного его опорожнения. Молоко собирают в ведра и выливают во фляги емкостью 30–50 литров через фильтр для удаления крупных примесей. Заполненные фляги охлаждают и хранят при низкой температуре Рис. 1.4 Молоко необходимо перелить через фильтр до транспортировки на молочное предприятие. Для охлаждения обычно применяют и охладить. форсуночный или погружной охладитель. 4 Технология производства молочных продуктов/глава 1 Машинное доение На средних и крупных молочных фермах доение коров обычно осуществляют при помощи установок, подобных изображенной на рис. 1.5. Она отсасывает молоко из сосков при помощи вакуума и состоит из вакуумного насоса, доильного ведра, играющего роль емкости для сбора молока – доильных стаканов – подсоединенных шлангами к герметичному сосуду, а также коллектора и пульсатора, обеспечивающего чередование вакуума и атмосферного давления в доильных стаканах. Доильный стакан состоит из жесткой (металлической или пластмассовой) гильзы и внутренней резиновой трубки, называемой сосковым чулком (сосковой резиной). В собранном состоянии гильза и сосковый чулок образуют 2 камеры: подсосковую (внутри соскового чулка) и межстеннную (между внутренней стенкой гильзы и наружной стенкой соскового чулка). Внутри этой трубки, контактирующей с соском, при доении всегда поддерживается разрежение 0,5 бара (50%-ный вакуум). Давление в межстенной камере соскового отдела все время меняется пульсатором от 0,5 бара на стадии всасывания до атмосферного на стадии массажа. Это приводит к засасыванию молока из соскового отдела молочной цистерны на стадии всасывания. На следующей стадии сосковая резина доильного стакана сдавливается, вызывая прекращение засасывания молока и обеспечивая проведение стадии массажа соска и пополнение соскового отдела молочной цистерны молоком, стекающим из молочной цистерны. За этим следует другая стадия всасывания и так далее, как это изображено на рис. 1.6. Расслабление соска на стадии массажа необходимо во избежание скапливания крови и жидкости в соске, причиняющего боль корове, вследствие чего она прекращает молокоотдачу. Пульсатор чередует стадии всасывания и массажа со скоростью 40–60 раз в минуту. Четыре доильных стакана, подсоединенных к коллектору доильного аппарата, удерживаются на сосках за счет присасывания. При доении стадии засасывания подвергаются поочередно левые и правые или, в некоторых случаях, передние и задние соски. Молоко попадает из сосков в доильное ведро или в вакуумируемую линию транспортировки. Если при доении доильный стакан падает, автоматически срабатывает клапан, предотвращающий попадание загрязнений в систему. После завершения доильное ведро (герметичный сосуд) с молоком относят в отделение для хранения, где его опорожняют во флягу или в специальный резервуар для охлаждения. Для исключения трудоемкой и отнимающей много времени работы по переносу наполненных ведер в отделение для хранения молока может быть установлена система трубопроводов для прямой транспортировки молока в молочную под действием разрежения (рис. 1.8). Такие системы широко применяются на средних и крупных фермах и позволяют перекачивать молоко по закрытым трубопроводам непосредственно от коровы в резервуары, находящиеся в отделении хранения. Рис. 1.5 Доильный аппарат. a a Рис. 1.7 Подготовка коровы к доению протиркой, обмыванием, массажем и обтиранием вымени перед установкой на нем доильных стаканов. Данный способ имеет большое преимущество с микробиологической точки зрения доения, т.к. снижает уровень бактериального обсеменения свежевыдоенного молока. При этом важно, чтобы система трубопроводов позволяла предотвращать попадание и смешивание воздуха с молоком. Установка для машинного доения также снабжается устройствами автоматической мойки (CIP). Технология производства молочных продуктов/глава 1 Рис. 1.6 Стадии машинного доения. а Сосковая резина доильного стакана 5 Рис. 1.8 Общая схема системы доения с трубопроводами для передачи молока. 1 Вакуумный насос 2 Вакуумный трубопровод 3 Бак для охлаждения молока 4 Молокопровод Рис. 1.9 Влияние температуры на рост бактерий в сыром молоке. Рис. 1.10 Молоко сразу же после доения должно быть охлаждено до 4° С или более низкой температуры. Охлаждение молока на ферме Температура молока на выходе из вымени составляет около 37°С. Свежевыдоенное молоко здоровой коровы практически не содержит бактерий, однако оно должно быть защищено от попадания бактерий сразу после выдаивания. Микроорганизмы, способные вызвать порчу молока, могут находиться на поверхности вымени, руках доярки, частицах пыли в воздухе, каплях воды, соломе, шерстяном покрове животного и в почве. Загрязненное при этом молоко должно быть профильтровано. Для получения молока высокого бактериологического качества особое внимание должно быть уделено санитарии. Однако, несмотря на все предосторожности, невозможно предотвратить попадание в молоко микроорганизмов. Молоко само по себе является отличной средой для роста бактерий – оно содержит все необходимые для этого компоненты. Поэтому, как только бактерии попадают в молоко, они начинают в нем быстро размножаться. С другой стороны, свежевыдоенное молоко содержит бактерицидные вещества, оказывающие угнетающее воздействие на микроорганизмы в течение определенного промежутка времени. Кроме того, микроорганизмам перед началом размножения необходимо некоторое время для адаптации к новой среде. Если молоко не охладить, в нем начинается бурный рост микроорганизмов (t свежевыдоенного молока 37°С). Поэтому сразу же после выдаивания молоко необходимо охладить примерно до 4°C . При этой температуре активность микроорганизмов имеет очень низкий уровень. Однако при повышении температуры хранения бактерии начинают размножаться снова. Поэтому необходимо производить хранение молока при низких температурах. На рис. 1.9 приведены графики скорости развития бактерий при различных температурах. При определенных обстоятельствах – например, при отсутствии воды и/или электричества на фермах или небольших количествах выдаиваемого молока для оправдания инвестиций, вложенных в фермы – необходимо создать низовые заводы для сбора и первичной обработки свежевыдоенного молока. Оборудование для охлаждения молока, используемое на ферме Рис. 1.11 Резервуар для охлаждения и хранения молока. 6 На фермах, которые поставляют молоко на молочные заводы во флягах, применяют форсуночные или погружные охладители. В форсуночном охладителе циркулирующую холодную воду распыляют на внешнюю поверхность фляг для поддержания молока в охлажденном состоянии. Погружной же охладитель состоит из змеевика, опускаемого во флягу. По нему циркулирует холодная вода, поддерживая необходимую температуру молока (см. также рис. 1.19 и 1.21). При машинном доении молоко собирают в специальные резервуары (см. рис. 1.11). Подобные резервуары выпускаются разной емкости и снабжаются встроенным охлаждающим оборудованием, обеспечивающим охлаждение молока до определенной Технология производства молочных продуктов/глава 1 Рис. 1.12 Доильная установка на крупной ферме, включающая теплообменник для быстрого охлаждения молока от 37 до 4° C. температуры за определенный промежуток времени. Эти танки также часто оснащаются автоматическими устройствами для мойки, гарантирующими качественную санитарную обработку данного оборудования. На крупных фермах и низовых заводах для быстрого охлаждения большой партии молока (свыше 5 т) от 37 до 4°С использование резервуаров-охладителей является недостаточным. В этих случаях такой бак применяют в основном для поддержания температуры, необходимой для хранения молока. Само же охлаждение осуществляют в теплообменниках, установленных в системе трубопроводов на линии подачи молока. Такая система показана на рис. 1.12. Мойка и санитарная обработка Бактериальное обсеменение молока в значительной степени обусловлено оборудованием: любая поверхность, контактирующая с молоком, является потенциальным источником микроорганизмов. Поэтому так важно тщательно промывать и дезинфицировать оборудование. При ручном доении используемые принадлежности должны быть вымыты вручную с применением подходящих моющих средств и щеток. Установки для машинного доения обычно снабжены циркуляционными системами мойки (CIP) с инструкциями и рекомендациями по применению подходящих моющих средств и дезинфицирующих агентов. Периодичность отправления молока на молочный завод В прежние времена молоко отсылалось на завод дважды в день – утром и вечером. В то время заводы раcполагались недалеко от фермы. Но по мере того как заводы укрупнялись, их количество, зоны охвата расширялись, что вызывало изменение среднего расстояния между фермой и молочным заводом. Это привело к увеличению интервалов между сборами молока. Общей практикой стал сбор молока через день, и уже не является редкостью проведение этих сборов через три и даже через четыре дня. Предпочтительно молоко должно обрабатываться в закрытой системе для сведения к минимуму риска его бактериального обсеменения. Оно должно быть быстро охлаждено до 4°С (по возможности сразу же после получения), а затем храниться при этой температуре до начала обработки. Все оборудование, контактирующее с молоком, должно быть чистым и продезинфицированным. При увеличении интервалов между сборами молока возникают проблемы его качества. Некоторые виды микроорганизмов, названные психротрофными, могут расти и размножаться при температуре ниже 7°С. Они встречаются в основном в почве и воде, и потому так важно то, чтобы вода, применяемая для мойки, была Рис. 1.13 Бактериальный рост в сыром молоке при 4° С. высокого бактериологического качества. Технология производства молочных продуктов/глава 1 7 Психротрофные бактерии будут расти в сыром молоке, хранящемся при 4°С. После адаптации к этой температуре через 48–72 часа бактериальный рост переходит в интенсивную логарифмическую фазу (см. рис. 1.13). Это приводит к распаду жиров и белков и появлению у молока нежелательного привкуса, а также к риску ухудшения качества продуктов, приготовляемых из этого молока. Все это необходимо учитывать при составлении расписания сбора молока. При невозможности избежать продолжительных интервалов между его сборами рекомендуется охлаждение молока до 2–3°С. Овечье молоко Среди многочисленных пород овец нелегко определить молочные породы, и единственным ориентиром в этом вопросе может служить цель выведения этих пород. Некоторые породы выводятся для получения мяса и шерсти, но иногда также используются в качестве молочных пород. Существуют породы, считающиеся молочными, но как результат условий содержания животных их продуктивность не превышает 100 кг молока за лактацию. С другой стороны, молочная продуктивность у некоторых мясных пород может составлять 150–200 кг. Существуют, однако, породы, которые могут быть отнесены к молочным благодаря их высоким надоям и хорошему качеству молока. К таким породам относятся породы лакон из Франции, восточно-фризская из Германии, авасси с Ближнего Востока и цигайская из CНГ, Румынии, Венгрии и Болгарии. Для овец пород восточно-фризская и авасси имеются сообщения о величинах выхода молока порядка 500–650 кг. Продуктивность и период лактации Данные по выходам и лактационным периодам, опубликованные разными авторами, свидетельствуют о широком разбросе величин этих показателей как у разных, так и у одних и тех же пород. Величины от 0,4 до 2,3 кг молока от одной овцы за день для выхода молока и от 100 до 260 дней для лактационного периода должны поэтому рассматриваться лишь как грубое приближение к усредненным минимальным и максимальным значениям этих показателей. Численность стада По оценочным данным, при прочих равных условиях 8–10 молочных овец эквивалентны одной корове. Поэтому отара из 150–200 овец подходит для интенсивно работающих семейных ферм, а отара из 300–400 овец может рассматриваться как производственная единица. Крупномасштабное предприятие может содержать несколько тысяч овец, однако число животных, предназначенных для получения молока, не должно превышать 1200, так как доение овец является трудоемким. Наиболее важными факторами при получении молока от овец являются эффективность устройств для доения и их производительность, а также качество менеджмента и топографические условия. В отаре овца содержится 4–5 лет. Беременность протекает около 5 месяцев, причем большинство овец приносят в среднем 1–1,5 ягненка в год, а на бедных пастбищах – в среднем меньше одного. Ягнята могут давать потомство в возрасте 12–13 месяцев. Секреция молока Рис. 1.14 Варианты типичного расположения сосков на вымени овцы. Идеальным является их нахождение в самых низких точках половинок вымени. 8 В лактационный период овцы, так же как и другие домашние млекопитающие в этот период, выделяют молоко. Состав их молока тоже схож с составом молока других млекопитающих и отличается только по процентному содержанию его компонентов, как это обычно наблюдается у других видов домашних млекопитающих, между разными породами или внутри них, между отдельными животными одной породы или в пределах лактационного периода. Овцы образуют молозиво в течение первых нескольких дней после ягнения. Молозиво содержит до 40% сухих веществ и не менее 16% наиболее важных белков, таких как α-лактальбумин и β-лактоглобулин. Молозиво выделяется в течение 2–3 дней, причем в этот период его состав постепенно изменяется, становясь все более и более похожим на обычное молоко. Молозиво не пригодно к использованию в молочной промышленности и поэтому не должно поставляться на молочные заводы. Технология производства молочных продуктов/глава 1 Как можно видеть из таблицы 1.1, молоко овцы богаче коровьего молока по содержанию многих важных компонентов и при этом содержит сухого вещества почти на 30% больше. Молочный жир Шарики молочного жира у овец имеют размеры 0,5–25 мкм, но самая большая их фракция имеет размеры в пределах 3–8 мкм, т.е. почти в 2 раза крупнее шариков жира в молоке коров. При этом молочный жир овечьего молока содержит в несколько большем по сравнению с коровьим молоком количестве каприловую и каприновую кислоты, что является причиной специфического вкуса и аромата молочных продуктов из овечьего молока. Белки Молоко овцы является типичным «казеиновым молоком», так как содержит в среднем 4,5% казеина и только около 1% сывороточных белков. Отношение количества казеина и сывороточных белков молока овцы (82:18) несколько отличается от этого отношения (80:20) для коровьего молока. Некоторые свойства овечьего молока Удельный вес составляет 1,032–1,040 благодаря высокому относительному количеству жира, не содержащего твердых веществ. Кислотность также высока из-за повышенного процентного содержания белков и составляет 9,6–12°SH (у коровьего молока 6,5–7,2°SH). Величина же pH составляет 6,5–6,8 (у коровьего молока 6,5–6,7). 1 Доение 2 Необходимо отметить большую разницу между удоями молока у коров и овец. В то время как коровы имеют вымя из четырех четвертей, каждая из которых обладает по одному, обычно расположенному вертикально, соску, овцы обладают выменем с двумя половинками – по одному соску в каждой из них. В противоположность коровам, обычно легко поддающимся и ручному, и машинному доению, у овец доение сравнительно затруднено из-за того, что соски у многих пород или отдельных представителей имеют горизонтальную ориентацию. Идеальным для овец является вымя с сосками в самой нижней точке каждой из его половинок. На рис. 1.14 приведены примеры различных конфигураций вымени овцы. Некоторые породы овец обладают небольшими молочными цистернами (рис. 1.15), и потому эффективность их доения зависит в большой степени от того, как хорошо у них срабатывает рефлекс выделения молока. Так же, как и у коров, у овец выделение молока инициируется гормоном окситоцином, вызывающим сжатие альвеол звездчатыми клетками. Это приводит к возникновению давления в вымени – явлению, которое и называется рефлексом выделения молока. У овец он очень краток, продолжаясь не более двух минут (у коров – около 8 минут), и его длительность зависит от породы и стадии лактации овец. Поэтому соответственно короткой является и продолжительность их доения. 3 3 4 Рис. 1.15 Поперечное сечение половины вымени овцы. 1 Альвеолярная ткань 2 Молочные каналы 3 Молочная цистерна 4 Сосковый канал молочной цистерны 4 5 2 1 Технология производства молочных продуктов/глава 1 Рис. 1.16 Фляговая система доения. 1 Молочная фляга с пульсатором 2 Вакуумный трубопровод 3 Танк для охлаждения и хранения молока 4 Вакуумный насос 5 Приспособление для мытья доильных стаканов 9 5 4 6 1 2 Рис. 1.17 Трубопроводная система доения. 1 Молочный трубопровод 2 Вакуумный трубопровод 3 Конечный блок системы 4 Танк для хранения и охлаждения молока 5 Вакуумный насос 6 Моечный блок для доильных стаканов 3 Ручное доение Очевидно, что доение вручную наиболее часто применяется на небольших семейных фермах. Эффективность этого способа доения в значительной степени зависит от рефлекса выделения молока, и это подтверждается следующим примером. Хорошая доярка способна подоить за час всего лишь 20–40 овец с замедленным рефлексом выделения молока (порода лаком), и та же доярка за час может подоить вручную 40–100 овец с быстрым рефлексом выделения молока (порода манех). Машинное доение Рис. 1.18 Мобильный блок доения. 10 Молочные фермеры, содержащие более 150 овец, обычно применяют системы машинного доения, освобождающие их от трудоемкого доения вручную. Однако для овец пригодны не все доильные установки. Принципы работы установки для доения овец и коров схожи между собой. Наиболее распространенными видами доильных аппаратов являются фляжные, трубопроводные и мобильные устройства, представленные на рис. 1.16, 1.17 и 1.18 соответственно. При фляжном типе доильной машины вакуумная система зафиксирована, а фляга – сменная. Для транспортировки молока вручную в бак для его хранения применяют флягу емкостью 15–20 литров. На крышке фляги могут быть установлены пульсатор или реле пульсирования. Обратный клапан в крышке допускает засасывание воздуха из ведра. Оператор установки фляжного типа может быть снабжен 1–3 флягами. При двух флягах оператор способен обычно обслужить 70 овец за 1 час. Данный тип доильной машины пригоден для небольших стад, содержащих до 140 животных. В установке трубопроводного типа молокопровод может быть проведен в верхней или нижней части молочной установки. Производительность установки в этом случае зависит от схемы обвязки этого помещения. Мобильный блок доения пригоден для небольших стад и доения вне помещения или для случая, когда доение производится в разных местах. Он имеет ту же производительность, что и машина фляжного типа. Блок состоит из вакуумной системы, силовой установки (электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания), комплекта доильных стаканов, молочной емкости на 20–50 литров и системы пульсирования, которые смонтированы на одной тележке. При доении тележку помещают позади четырех или восьми овец, два поворотных стержня направляют в их сторону, после чего к вымени овец подсоединяют доильные стаканы. Технология производства молочных продуктов/глава 1 Охлаждение молока Эффективное охлаждение молока – это лучший способ предотвратить в нем рост бактерий. Для этого пригодны различные системы охлаждения, выбор которых зависит от объема выдаиваемого молока. Это оборудование используется как для коровьего, так и для овечьего молока. Охладитель, помещаемый во фляги и изображенный на рис. 1.19, пригоден для поставщиков небольшого количества молока, использующих для его охлаждения установки, в которых в качестве хладагента применяется вода. Также этот охладитель предпочитают производители, использующие оборудование для доения молока непосредственно во фляги. Погружной охладитель предназначен для непосредственного охлаждения молока во флягах и резервуарах. Его конденсатор укрепляют на стенке, как показано на рис. 1.20. Испаритель располагается на нижнем конце погружного блока. Погружной охладитель может быть применен для охлаждения с промежуточным хладагентом, например, для охлаждения воды в теплоизолированной емкости. Молоко затем охлаждают в транспортируемых флягах, погруженных в охлажденную воду. Рис. 1.20 Погружной охладитель помещают непосредственно во флягу для транспортировки молока. Рис. 1.19 Охладитель, помещаемый в молочную емкость, устанавливают сверху на ведро для доения или на любую другую емкость для молока. Рис. 1.21 Теплоизолированный фермерский бак может быть заполнен в полевых условиях и легко транспортируется к блоку охлаждения. Теплоизолированные фермерские танки с погружными охладителями могут быть стационарного и мобильного типов (см. рис. 1.21). Когда состояние дорог не позволяет доставлять молоко автоцистерной, мобильный танк может быть использован для подачи молока к подходящему пункту сбора. Подобные танки удобны в транспортировке и потому пригодны для доения в полевых условиях. Для охлаждения и хранения молока могут применяться и охладительные резервуары типа изображенного на рис. 1.11. Мойка и санитарная обработка Бактериальное обсеменение молока вызывается в основном загрязненным оборудованием. Любая загрязненная поверхность, контактирующая с молоком, является потенциальным источником микроорганизмов. Обычным способом мойки оборудования является мойка вручную щетками. В установках для машинного доения часто применяют циркуляционный процесс мойки. Моющий раствор циркулирует через установку под действием разрежения и/или насоса. Поставщики таких установок дают рекомендации по применению моющих и дезинфицирующих средств, а также по температуре мойки и дезинфекции. Технология производства молочных продуктов/глава 1 11 Козье молоко Коза, вероятно, была первым одомашненным жвачным животным. Козы появились сначала в Азии, а затем распространились почти по всему свету. Они являются очень выносливыми животными, преуспевая и в тех регионах, в которых другие животные испытывают определенные трудности. В отличие от овец козы не являются стадными животными. Имеется множество пород коз, причем среди них трудно определить явную молочную породу. Однако можно отметить успешно выведенные швейцарские породы (зааненская, тоггенбургская, шамуа), дающие высокие удои. Они были экспортированы по всему миру с целью повышения удоев молока у местных пород коз. Из немолочных пород коз заслуживают упоминания кашмирская и ангорская породы, хорошо известные из-за своей превосходной шерсти. Рис. 1.22 Форма вымени коз. Продуктивность и период лактации 2 На хорошо обслуживаемой ферме по получению молока козы могут давать по 400–900 кг молока за один лактационный период, составляющий 200–300 дней. Тяжелая и неприятная работа, связанная с ручным доением, облегчается доильной машиной, при этом, однако, чтобы оправдать механизацию, необходимо обеспечить определенный минимум производительности. Для масштабов семейных молочных ферм, чтобы достичь приемлемого оборота, необходимо работать с 40–120 козами. Крупная ферма требует большего числа животных, порядка 200–1000 коз. Для создания интенсивного и выгодного хозяйства (семейной или крупной фермы) необходимо, однако, не только соответствующее оборудование для машинного доения, но и эффективные программы управления, снабжения и выведения полезных пород. 3 Секреция молока 1 4 Рис. 1.23 Поперечное сечение половинки козьего вымени. 1 Альвеолярная ткань 2 Молочные каналы 3 Молочная цистерна 4 Сосковый канал молочной цистерны Козы производят молоко таким же образом, как и другие домашние молочные животные. Состав козьего молока, как и у других животных, зависит от ряда факторов. Цифры, приведенные в таблице 1.1, дают приблизительное представление об этом. На первый взгляд кажется, что козье молоко схоже с коровьим молоком. Однако количественное соотношение казеина и сывороточных белков (75:25) в козьем молоке отличается от соответствующего показателя (80:20) у коровьего молока. Более высокая доля сывороточных белков делает козье молоко более восприимчивым к нагреванию. Величина pH молока коз составляет 6,5–6,7. Доение Коза, как и овца, имеет вымя из двух половин (см. рис. 1.22), каждая из которых имеет один сосок. По сравнению с овцами у коз соски обычно несколько длиннее и расположены в самых нижних точках половин вымени, что значительно облегчает проведение доения как вручную, так и с помощью машин. Рефлекс выделения молока у коз продолжается 1–4 минуты в зависимости от породы и стадии лактации, что означает приблизительно такую же продолжительность доения. Ручное доение Этот вид доения у коз является наиболее распространенным. Машинное доение, охлаждение и хранение Машинное доение значительно облегчает работу с козами на крупных фермах. Предыдущая информация об овцах, оборудовании для доения, охлаждении, мойке и хранении в основном применима и к козам. 12 Технология производства молочных продуктов/глава 1 Биохимия молока Основными компонентами молока являются вода, жир, белки, лактоза (молочный сахар) и минеральные вещества (соли). Молоко содержит также следы таких веществ, как пигменты, ферменты, фосфолипиды (вещества с жироподобными свойствами) и газы. Остаток молока после удаления из него воды и газов называется сухими веществами, или сухим остатком молока. Молоко является очень сложным продуктом. Для описания различных компонентов молока и того, как на них воздействуют различные стадии переработки молока, необходимо обратиться к химической терминологии. Поэтому эта глава по биохимии молока начинается с кратких сведений о некоторых основных химических понятиях. Технология производства молочных продуктов/глава 2 13 Основные химические понятия Атомы Химические символы некоторых общеизвестных элементов, присутствующих в органических веществах: С Cl Н I К Углерод Хлор Водород Йод Калий N Na O P S Азот Натрий Кислород Фосфор Сера Атом является наименьшим строительным блоком всех веществ в природе и не может быть разделен химическим путем. Вещество, у которого все атомы однотипны, называется элементом. В настоящее время известно более 100 элементов. Их примерами являются кислород, углерод, медь, водород и железо. Однако большинство встречающихся в природе веществ состоит из нескольких различных элементов. Например, вода является химическим соединением элементов – водорода и кислорода. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (рис. 2.1). Протоны несут единичный положительный заряд, в то время как нейтроны электрически нейтральны. Электроны, которые вращаются по орбитам вокруг ядра, несут отрицательный заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду протонов. Атом содержит равное число протонов и электронов с равным числом положительных и отрицательных зарядов. Поэтому атом электрически нейтрален. Атом очень мал (рис. 2.2). В маленькой медной монете имеется столько же атомов, сколько секунд в миллионе миллиардов лет! Даже при этом атом состоит главным образом из пустого пространства. Если мы примем диаметр ядра за единицу, то диаметр всего атома составит около десяти тысяч. Ионы Рис. 2.1 Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Электроны вращаются по орбитам вокруг ядра. Атом может терять или приобретать один или несколько электронов. Такой атом больше не будет электрически нейтральным и будет называться ионом. Если ион содержит больше электронов, чем протонов, он будет отрицательно заряженным, а если он потеряет один или больше электронов, то он будет заряжен положительно. Положительно и отрицательно заряженные ионы всегда присутствуют одновременно; например, в растворах в виде катионов (положительный заряд) и анионов (отрицательный заряд) или в твердом состоянии в виде солей. Обычная соль состоит из ионов натрия (Na) и хлора (Cl) и имеет формулу NaCl (хлористый натрий). Молекулы Атомы одного и того же элемента или разных элементов могут объединяться в более крупные соединения, которые называются молекулами. Молекулы могут затем образовывать твердые вещества – например, железо (Fe) или кремнистый песок (SiO2); жидкости – например, воду (H2O) – и газы – например, водород (Н2). Если молекула состоит в основном из атомов углерода, водорода и кислорода, то говорят, что образуемое соединение является органическим, то есть имеет органическую природу. Примером такого соединения является молочная кислота (С3Н6О3). Рис. 2.2 Ядро настолько мало по сравнению с атомом, что если оно было бы увеличено до размера теннисного мячика, то орбита внешнего электрона находилась бы на расстоянии 325 метров от центра. 14 Рис. 2.3 Три способа изображения молекулы воды. Рис. 2.4 Три способа изображения молекулы этилового спирта. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Эта формула означает, что ее молекула образована тремя углеродными, шестью водородными и тремя кислородными атомами. Число атомов в молекуле может изменяться очень сильно. Существуют молекулы с двумя связанными атомами, в то время как другие состоят из сотен атомов. Основные физико-химические свойства коровьего молока Органические соединения состоят в основном из углерода, кислорода и водорода. Неорганические соединения состоят в основном из других атомов. Коровье молоко состоит примерно на 87% из воды и на 13% из сухих веществ. Эти вещества суспендированы или растворены в воде. Сухие вещества молока образуют различные дисперсионные системы. Таблица 2.1 Физико-химическое состояние коровьего молока Среднее содержание, % Влага Жир Белки Лактоза Зола Эмульсия “масло в воде” 87,0 4,0 3,5 4,7 0,8 Коллоидный раствор/суспензия Истинный раствор X X X X Определения Эмульсии: суспензия капель одной жидкости в другой. Молоко является эмульсией жира в воде, масло – эмульсией воды в жире. Тонко измельченную жидкость называют дисперсной фазой, а другую жидкость – дисперсионной средой. Коллоидный раствор: когда вещество имеет степень деления, промежуточную между истинным раствором (например, сахар в воде) и суспензией (например, мел в воде), то говорят, что оно находится в коллоидном растворе или в коллоидной суспензии. Типовыми характеристиками коллоида являются: • Мелкие частицы • Электрический заряд • Притяжение частиц к молекулам воды. Рис. 2.5 Когда молоко и сливки превращаются в масло, происходит инверсия фаз в эмульсии “масло в воде” с образованием эмульсии “вода в масле”. В молоке сывороточные белки образуют коллоидный раствор, а казеин – коллоидную суспензию. Такие вещества, как соли, дестабилизируют коллоидные системы, связывая воду и понижая тем самым растворимость белков, а такие факторы, как нагревание, вызывают разворачивание сывороточных белков и повышенное взаимодействие между белками. В свою очередь спирт может привести к дегидратации коллоидных частиц. Таблица 2.2 Относительные размеры частиц, содержащихся в молоке Размер (мм) Тип частиц 10–2 – 10–3 10–4 – 10–5 10–5 – 10–6 10–6 – 10–7 Жировые шарики Казеинат-кальций фосфатный комплекс Сывороточные белки Лактоза, соли и другие вещества в истинных растворах Источник: Дж. Дэвис – Словарь по молочному делу (A Dictionary of Dairying by J.G.Davis) Технология производства молочных продуктов/глава 2 Рис. 2.6 Белки молока можно наблюдать при помощи электронного микроскопа. 15 Истинные растворы могут образовываться при смешивании вещества с водой или другой жидкостью и делятся на: • Неэлектролиты (образуются, например, когда лактоза растворяется в воде без каких-либо заметных изменений в ее молекулярной структуре • Электролиты (образуются, например, когда обычная соль растворяется в воде с образованием электролита при распределении в воде катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl–). Рис. 2.7 Ионный раствор. Кислотность растворов Рис. 2.8 Нейтральный раствор с pH 7. Когда кислота (например, соляная – НСl) смешивается с водой, она выделяет ионы водорода (протоны) с положительными зарядами (Н+), которые быстро присоединяются к молекулам воды с образованием ионов гидроксония (Н3О+). Когда основание (оксид или гидроксид металла) вводят в воду, оно образует основной или щелочной раствор. При этом в растворе выделяются гидроксидные (ОН–) ионы. • Раствор, который содержит равные числа гидроксидных ионов и ионов гидроксония, является нейтральным (рис. 2.8) • Раствор, который содержит больше гидроксидных ионов, чем ионов гидроксония, является щелочью (рис. 2.9) • Раствор, который содержит больше ионов гидроксония, чем гидроксидных ионов, является кислотой (рис. 2.10). pH Кислотность раствора определяют концентрацией ионов водорода. Однако эта концентрация очень сильно меняется от раствора к раствору. Поэтому для ее обозначения применяют показатель pH. Математически он представляет собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов, то есть pH = –log[H+]. На этой основе построена следующая градация (при 25 °C) Рис. 2.9 Щелочной раствор с pH выше 7. pH > 7 – щелочной раствор pH = 7 – нейтральный раствор pH < 7 – кислотный раствор Нейтрализация Рис. 2.10 Кислотный раствор с pH ниже 7. При смешивании кислоты со щелочью гидроксидные ионы реагируют с ионами гидроксония с образованием воды. Если смешать кислоту и щелочь в определенной пропорции, можно получить нейтральную смесь без избытка ионов гидроксония или гидроксидных ионов, которая имеет pH 7. Этот процесс называется нейтрализацией, а химическая формула Н3О+ + ОН– преобразуется в Н2О + Н2О Нейтрализация приводит к образованию соли. Когда соляную кислоту (HCl) смешивают с гидроксидом натрия, она при реакции с ним образует хлористый натрий (NaCl) и воду (Н2О). Соли соляной кислоты называются хлоридами, а другие соли называются подобным же образом на основании тех кислот, из которых они образованы: лимонная кислота образует цитраты, азотная – нитраты и так далее. Диффузия Частички, присутствующие в растворах (ионы, молекулы или коллоидные частицы), испытывают воздействие сил, под влиянием которых они мигрируют (диффундируют) с участков с высокой концентрацией на участки с низкой концентрацией. Процесс диффузии протекает до тех пор, пока весь раствор не станет однородным с одной и той же концентрацией во всем своем объеме. 16 Технология производства молочных продуктов/глава 2 Растворение сахара в чашке кофе является примером диффузии. Сахар быстро растворяется в горячем напитке, и его молекулы диффундируют до однородного их распределения. Скорость диффузии определяется скоростью перемещения частиц, которая, в свою очередь, зависит от температуры, размера частиц и разности концентраций в разных частях раствора. Рис. 2.11 иллюстрирует принцип процесса диффузии. Применяемая U-образная трубка разделена на 2 половины проницаемой мембраной. Левую половину трубки заполняют водой, а правую раствором сахара, молекулы которого проходят через мембрану. Через некоторое время благодаря диффузии концентрация сахара выравнивается по обе стороны мембраны. Осмос Термин “осмос” применяют для описания спонтанного течения чистой воды в водный раствор или из менее концентрированного раствора в раствор с большей концентрацией при разделении этих растворов подходящей мембраной. Явление осмоса может быть проиллюстрировано примером, приведенным на рис. 2.12. На нем U-образная трубка разделена на 2 половины полупроницаемой мембраной. Левая половина трубки заполнена водой, а правая – раствором сахара, молекулы которого не могут пройти через мембрану. В этом случае молекулы воды будут диффундировать через мембрану в раствор сахара и разбавлять его. Этот процесс и называют осмосом. Объем раствора сахара при разбавлении растет. Уровень сахарного раствора в правой части трубки повышается, как это видно на рис. 2.12, а гидростатическое давление «а» раствора на мембрану становится больше, чем давление воды с другой ее стороны. В этом неравновесном состоянии вода начинает диффундировать обратно, в противоположном направлении, под влиянием более высокого гидростатического давления в растворе. Когда диффузия воды в обоих направлениях выравнивается, система приходит в состояние равновесия. Если же гидростатическое давление изначально приложить к раствору сахара, прохождение воды через мембрану может быть уменьшено. Гидростатическое давление, необходимое для предотвращения выравнивания концентрации за счет диффузии воды в раствор сахара, называют осмотическим давлением этого раствора. Рис. 2.11 Молекулы сахара диффундируют через проницаемую мембрану, а молекулы воды диффундируют в противоположном направлении с выравниванием концентрации раствора. Рис. 2.12 Молекулы сахара слишком велики для диффузии через полупроницаемую мембрану. Диффундировать могут только небольшие молекулы воды, выравнивая концентрацию (а – уровень жидкости, оказывающий осмотическое давление раствора). Обратный осмос При приложении к раствору сахара давления, превышающего осмотическое давление, молекулы воды смогут диффундировать из раствора в воду, вызывая повышение концентрации раствора. Этот процесс, проиллюстрированный на рис. 2.13, применяется в промышленности для повышения концентрации растворов и называется обратным осмосом. Рис. 2.13 При приложении к раствору сахара давления, превышающего осмотическое давление, молекулы воды диффундируют и раствор становится более концентрированным. Диализ Диализ является процессом применения разности концентраций в качестве движущей силы для разделения в растворе крупных и небольших частиц – например белков и солей. Обрабатываемый раствор помещают по одну сторону мембраны, а растворитель (воду) – по другую. Мембрана имеет поры с диаметром, допускающим прохождение через нее небольших молекул соли, но препятствующим прохождению крупных молекул белка (см. рис. 2.14). Скорость диффузии зависит от разности концентраций, так что диализ можно ускорить частой заменой растворителя по другую сторону мембраны. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Рис. 2.14 Разбавление раствора по одну сторону от мембраны концентрирует крупные молекулы, в то время как мелкие молекулы проходят через мембрану. 17 Состав коровьего молока Содержание различных составных компонентов молока может сильно различаться у разных особей коров, как разных пород, так и одной и той же породы. Поэтому могут быть приведены лишь пределы, в которых может изменяться содержание этих компонентов. Цифры в таблице 2.3 приведены только в качестве примера. При обсуждении состава молока помимо общего сухого остатка применяют и термин “твердые вещества без жира”. Он означает обезжиренный общий сухой остаток. Средняя величина этого показателя, согласно таблице 2.3, составляет 13,0–3,9 (9,1%). У обычного молока величина pH лежит между 6,5 и 6,7 при наиболее типичном значении 6,6 (измеряется при температуре около 25°С). Таблица 2.3 Количественный состав молока Основные компоненты Рис. 2.15 Структура молока. Вода Cухой молочный остаток Жир Белки Лактоза Минеральные вещества Пределы изменений величин 85,5 10,5 2,5 2,9 3,6 0,6 – – – – – – Средняя величина 89,5 14,5 6,0 5,0 5,5 0,9 87,5 13,0 3,9 3,4 4,8 0,8 Молочный жир Рис. 2.16 Если молоку в течение некоторого времени дать отстояться в емкости, то жир поднимется и образует на поверхности слой сливок. Молоко и сливки являются примерами эмульсий “жир (масло) в воде”. Молочный жир существует в виде небольших шариков или капель, диспергированных в молочной плазме (рис. 2.15). Их диаметр составляет 0,1–20 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Средний их размер равен 3–4 мкм, и они присутствуют в количестве порядка 15 млрд в 1 мл. Данные эмульсии стабилизированы наличием очень тонкой оболочки толщиной 5–10 нм (1 нм = 10–9 м), окружающей шарики и имеющей сложный состав. Молочный жир состоит из триглицеридов (в качестве доминирующих компонентов), ди- и моноглицеридов, жирных кислот, стероидов, каротиноидов (обусловливающих желтый цвет жира), жирорастворимых витаминов (A, D, E и К) и других компонентов, являющихся второстепенными и присутствующих в незначительном количестве. Шарик молочного жира схематически представлен на рис. 2.17. Оболочка состоит из фосфолипидов, липопротеинов, цереброзидов, белков, нуклеиновых кислот, ферментов, элементов в следах (металлов) и связанной воды. Необходимо отметить, что состав и толщина оболочки не являются постоянными, так как ее компоненты находятся в постоянном обмене с окружающей молочной плазмой. Так как шарики молочного жира являются не только самыми крупными частицами, но и самыми легкими (с плотностью 0,93 г/см3 при 15,5°С), они имеют тенденцию всплывать к поверхности, если молоку дать в течение некоторого времени отстояться (рис. 2.16). Скорость подъема жировых шариков подчиняется закону Стокса, но их маленькие размеры замедляют процесс выделения сливок. Однако этот процесс может быть ускорен вследствие агрегации жировых шариков посредством белка, называемого агглютинином. Эти агломераты поднимаются значительно быстрее, чем отдельные шарики, и легко разрушаются нагреванием или механической обработкой. Агглютинин денатурируется за 10 минут при 65°С или за 2 минуты при 75°С. Химическая структура молочного жира Рис. 2.17 Состав молочного жира. Размер жировых шариков 0,1–20 мкм. Средняя величина 3–4 мкм. 18 В свежевыдоенном молоке при температуре 37°С молочный жир находится в жидком состоянии. Это означает, что шарики жира легко изменяют форму при умеренном механическом воздействии (например, при подаче молока насосом или при протекании его по трубопроводам) без разрушения их оболочек. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Все жиры относятся к группе веществ, называемых сложными эфирами, являющимися соединениями спиртов и кислот. Молочный жир является смесью разных эфиров жирных кислот, называемых триглицеридами, которые состоят из спирта, называемого глицерином, и различных жирных кислот, составляющих до 90% молочного жира. Молекулы жирных кислот состоят из углеводородной цепи и карбоксильной группы и имеют формулу RCOOH. В насыщенных жирных кислотах углеродные атомы соединены вместе в цепь простыми связями, в то время как в ненасыщенных жирных кислотах в углеводородной цепи присутствуют и двойные связи. Каждая молекула глицерина может присоединять три молекулы жирной кислоты, а присоединенные кислоты не обязательно являются одинаковыми, что приводит к очень большому разнообразию глицеридов в молочном жире. В таблице 2.4 приведены наиболее важные жирные кислоты триглицеридов молочного жира. Этот жир характеризуется относительно высоким содержанием масляной и капроновой кислот. Рис. 2.18 Сечение жирового шарика. Таблица 2.4 Основные жирные кислоты молочного жира Кислоты Общее %-ное содержание жирных кислот Температура плавления,°С Число атомов H С О Насыщенные Масляная Капроновая Каприловая 3,0 – 4,5 1,3 – 2,2 0,8 – 2,5 –7,9 –1,5 +16,5 8 12 16 Каприновая Лауриновая Миристиновая Пальмитиновая Стеариновая 1,8 2,0 7,0 25,0 7,0 – 3,8 – 5,0 – 11,0 – 29,0 – 3,0 +31,4 +43,6 +53,8 +62,6 +69,3 20 10 24 12 28 14 32 16 36 18 2 2 2 2 2 Твердые при комнатной температуре 30,0 2,0 – 40,0 – 3,0 до 1,0 до 1,0 +14,0 –5,0 –5,0 –49,5 34 18 32 18 30 18 32 20 2 2 2 2 Жидкие при комнатной температуре Ненасыщенные Олеиновая Линолевая Линоленовая Арахидоновая 4 2 6 2 8 2 Жидкие при комнатной температуре Рис. 2.19 Молочный жир является смесью различных жирных кислот и глицерина. Температура плавления жира Таблица 2.4 показывает, что наибольшее процентное содержание в молочном жире соответствует миристиновой, пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислотам. Первые три из них являются твердыми, а последняя жидкой при комнатной температуре. Как показывают приведенные данные, относительное содержание различных жирных кислот может значительно изменяться. Это изменение может влиять на твердость жира. При этом жир с высоким содержанием высокоплавких кислот, таких как пальмитиновая, будет твердым. С другой стороны, жир с высоким содержанием низкоплавкой олеиновой кислоты определяет мягкость приготовляемого масла. Определение относительного количества отдельных жирных кислот само по себе является предметом чисто научного интереса. Для практических же целей достаточно определение одного или нескольких констант или индексов, обеспечивающих определенную информацию об относительном составе жира. Рис. 2.20 Молекулярные и структурные формулы стеариновой и олеиновой кислот. Технология производства молочных продуктов/глава 2 19 Жир с высоким содержанием высокоплавких жирных кислот является твердым. Жир с высоким содержанием низкоплавких жирных кислот является мягким. Рис. 2.21 Йодное число в различные времена года. Йодное число является прямым показателем содержания олеиновой кислоты в жире. Йодное число Жирные кислоты с одним и тем же числом атомов С и Н, но с различным числом простых и двойных связей имеют совершенно различные характеристики. Наиболее важным и наиболее часто применяемым методом индикации специфических характеристик этих кислот является измерение йодного числа (IV) жира. Йодное число указывает на процент йода, который может связать жир. Йод присоединяется по двойным связям ненасыщенных жирных кислот. Так как одной из самых распространенных из ненасыщенных жирных кислот является жидкая при комнатной температуре олеиновая кислота, то йодное число, а тем самым и мягкость жира, в значительной мере характеризует содержание этой кислоты. Йодное число жировой фракции масла обычно лежит в пределах 24–46. Такой разброс его значения зависит от вида корма коров. Зеленый подножный корм летом вызывает повышение содержания олеиновой кислоты, так что летний молочный жир является мягким (с высоким йодным числом). Некоторые кормовые концентраты, такие как жмых подсолнечника или льняных семян, тоже способствуют получению мягкого жира, в то время как такие типы корма, как жмых кокосовых орехов или пальмового масла или ботва корнеплодов, дают твердый жир. Поэтому подбором подходящей диеты для коров можно влиять на консистенцию молочного жира. Масло с оптимальной консистенцией должно иметь йодное число в пределах 32–37. На рис. 2.21 приведен пример того, как йодное число молочного жира может меняться в течение года (Швеция). Показатель преломления Содержание различных жирных кислот в животном жире влияет и на то, как он преломляет свет. Поэтому получила распространение практика определения показателя преломления жира, который может быть использован для расчета йодного числа. Это является быстрым способом оценки твердости жира. Показатель преломления жира обычно меняется в пределах 40–46. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) Вместо использования значений йодного числа или показателя преломления количественное отношение насыщенного жира к ненасыщенному можно определить при помощи импульсного ЯМР. При желании полученные данные по ЯМР можно при помощи соответствующего коэффициента преобразовать в величины йодного числа. Метод с применением ЯМР может быть также использован и для определения кинетики степени кристаллизации жира. Опыты, проведенные в лаборатории SMR в Мальмё (Швеция) в 1979–1981 гг., показывают, что кристаллизация в 40%-ных сливках, охлажденных с 60оС до 5оС, протекает длительное время. Отмечается также, что в течение 2 минут после достижения 5оС закристаллизовывалось только 15–20% жира. Показания ЯМР по содержанию жировой фракции в масле обычно изменяются в пределах 30–41%. Рис. 2.22 Кристаллизация молочного жира является экзотермической, то есть идет с выделением теплоты. Кривая кристаллизации построена на основе анализа, проведенного методом ЯМР. 20 Технология производства молочных продуктов/глава 2 Кристаллизация жира Во время кристаллизации жировые шарики являются очень чувствительными и легко разрушаются даже при умеренных механических воздействиях. Исследования, проведенные с помощью электронного микроскопа, показали, что жир кристаллизуется в мономолекулярные сферы (см. рис. 2.22). В это же время происходит фракционирование жира, приводящее к образованию внешних сфер из триглицеридов с самой высокой температурой плавления. Из-за того, что кристаллический жир имеет более низкий удельный объем, чем жидкий жир, внутри шариков жира при кристаллизации возникают напряжения, которые придают им нестабильность и предрасположенность к распаду. Это приводит к выделению жидкого жира в молочную плазму с образованием комочков агломератов, в которых свободный жир склеивает распавшиеся жировые шарики вместе (такое же явление происходит и при получении масла). Кристаллизация жира идет с выделением теплоты плавления, повышающей в некоторой степени его температуру (40%-ные сливки, охлажденные с 60 до 7–8оС, в период кристаллизации становятся теплее на 3–4оС). Это важное свойство молочного жира необходимо учитывать при получении сливок различного применения. Молочные белки Белки являются существенной частью нашего рациона. Потребляемые нами белки распадаются на более простые соединения в пищеварительной системе и в печени. Эти соединения транспортируются к клеткам организма, где они используются в качестве строительного материала для собственных белков организма. В огромном большинстве химические реакции, происходящие в организме, регулируются активными белками, называемыми ферментами. Белки – это гигантские молекулы, состоящие из меньших единиц – аминокислот (см. рис. 2.23). Белковая молекула состоит из одной или нескольких цепей с внутренними связями между аминокислотами, расположенными в специфическом порядке. Белковая молекула обычно содержит около 100–200 соединенных аминокислот, хотя известны белки как с большим, так и с меньшим числом аминокислот. Аминокислоты Аминокислоты (см. рис. 2.24) являются строительными блоками, образующими белки, и характеризуются одновременным присутствием в их молекулах по одной аминогруппе (NH2) и по одной карбоксильной (СООН) группе. Белки образуются из специфических аминокислот – α-аминокислот, то есть таких, у которых карбоксильная группа и аминогруппа присоединены к одному и тому же углеродному атому – α-углероду. Аминокислоты принадлежат к группе химических соединений, которые могут выделять ионы гидроксония в щелочных растворах и присоединять эти ионы в растворах кислот. Такие соединения называются амфотерными электролитами, или амфолитами. Эти аминокислоты могут существовать в трех состояниях: 1 Отрицательно заряженными в щелочных растворах 2 Нейтральными при равных количествах положительных и отрицательных зарядов 3 Положительно заряженными в кислотных растворах. Белки конструируются приблизительно из 20 аминокислот, 18 из которых найдены в белках молока. Важным фактом с точки зрения питания является то, что восемь (для детей девять) из 20 аминокислот не могут быть синтезированы человеческим организмом. Так как они являются необходимыми для поддержания соответствующих процессов обмена веществ, то непременно должны поступать в организм вместе с пищей. Они называются незаменимыми аминокислотами и как раз все присутствуют в белках молока. Тип и порядок аминокислот в белковой молекуле определяют природу белка. Любое изменение в типе аминокислот или в местах их расположения в молекулярной белковой цепи вызывает соответствующие изменения в свойствах белков. Так как число возможных комбинаций 18 аминокислот в цепи, содержащей 100–200 аминокислот, почти неограниченно, то и число белков с различными свойствами неограниченно в такой же степени. На рис. 2.24 приведена модель аминокислоты. Характерной чертой аминокислот является то, что они содержат аминогруппу (–NH2) со слабыми основными свойствами и карбоксильную группу (–СООН) со слабыми кислотными свойствами. Эти группы присоединены к боковой цепи (R). Технология производства молочных продуктов/глава 2 Рис. 2.23 Модель цепи белковой молекулы из аминокислот, а также аминогруппы и карбоксильной группы. 21 Рис. 2.24 Структура обычной аминокислоты. R-органический радикал, присоединенный к центральному углеродному атому. Рис. 2.25 При pH 6,6 белковая молекула имеет суммарный отрицательный заряд. Рис. 2.26 Белковые молекулы в изоэлектрической точке при pH 4,7. Если боковая цепь полярна, свойство притяжения воды основной и кислотной группами, в дополнение к полярной боковой цепочке, будет преобладать, то есть вся аминокислота в этом случае будет притягивать воду и легко растворяться в ней. Такую аминокислоту называют гидрофильной (водолюбивой). С другой стороны, если боковая цепь является углеводородной и не содержит гидрофильных радикалов, то будут доминировать свойства этой цепи. Длинная углеводородная цепь отталкивает воду и делает аминокислоту менее растворимой или менее совместимой с водой. Такая аминокислота называется гидрофобной (водоотталкивающей). При наличии в углеводородной цепи некоторых радикалов, таких как гидроксильные (–ОН) или аминогруппы (–NH2), ее гидрофобные свойства могут быть изменены в сторону повышения гидрофильности. Если гидрофобные аминокислоты превалируют в одной части белковой молекулы, эта ее часть будет обладать гидрофобными свойствами. Совокупность гидрофильных аминокислот в другой части данной молекулы будет по аналогии придавать ей гидрофильные свойства. Поэтому белковая молекула может быть гидрофильной, гидрофобной, промежуточной или же локально гидрофильной или гидрофобной. Некоторые белки молока демонстрируют очень большую разницу внутри молекулы в отношении совместимости с водой, что сильно влияет на некоторые очень важные свойства этих белков. Гидроксильные группы в аминокислотных цепях у казеина могут быть эстерифицированы фосфорной кислотой. Такие группы придают способность казеину связывать ионы кальция или коллоидный гидроксифосфат кальция с образованием прочных мостиковых связей внутри белковых молекул или между ними. Рис. 2.27 Белковые молекулы при pH ≈ 1. Рис. 2.28 Белковые молекулы при pH ≈ 14. Электрическое состояние белков молока Боковые цепи некоторых аминокислот белков молока несут электрический заряд, зависимый от pH молока. Когда pH изменяется при добавлении кислоты или основания, изменяется также и распределение заряда белка. Электрическое состояние белков и связанные с ним свойства проиллюстрированы на рис. 2.25–2.28. При обычной pH молока, равном 6,6, белковая молекула имеет общий отрицательный заряд (рис. 2.25). Молекулы белка остаются разделенными из-за отталкивания идентичных зарядов. При добавлении ионов водорода (рис. 2.26) они адсорбируются белковыми молекулами. При величине pH, при которой положительный заряд белка становится равен отрицательному заряду (когда число групп NH3+ и СОО– в боковых цепях одинаково), общий заряд белка будет нулевым. Белковые молекулы больше не отталкиваются друг от друга, а положительные заряды одной молекулы притягиваются отрицательными зарядами соседних молекул, что приводит к образованию огромных белковых скоплений с последующим выпадением белка из раствора. Величина pH, при которой происходит это явление, называется изоэлектрической точкой данного белка. При наличии избытка водородных ионов белковые молекулы приобретают общий положительный заряд, как показано на рис. 2.27. Это снова приводит к взаимному отталкиванию белковых молекул, что позволяет оставаться им в растворе. С другой стороны, при добавлении раствора сильной щелочи (NaOH) все белки приобретают отрицательные заряды, остаются в растворенном состоянии. 22 Технология производства молочных продуктов/глава 2 Классификация белков молока Молоко содержит сотни видов белков, большинство из которых присутствует в очень незначительных количествах. Белки можно классифицировать разными способами на основе их химических или физических свойств и биологических функций. Старый способ разделения белков на казеины, альбумины и глобулины дает путь к более адекватной системе их классификации. В таблице 2.5 приведен сокращенный список белков молока в соответствии с современной системой. Незначительные группы белков при этом для простоты исключены. Таблица 2.5 Концентрация белков в молоке Концентрация в молоке, г/кг Казеин αs1-казеин*) αs2-казеин*) β-казеин**) κ-казеин Общее содержание казеина Вес. % от общего содержания белка 10,0 2,0 10,1 3,3 26,0 30,6 8,0 30,8 10,1 79,5 1,2 3,2 0,4 0,7 3,7 9,8 1,2 2,1 0,8 6,3 2,4 19,3 Белки оболочки жировых шариков 0,4 1,2 Общее содержание белка 32,7 100 Сывороточные белки α-лактальбумин β-лактоглобулин альбумин сыворотки крови иммуноглобулины прочие (включая протеозопептонную фракцию) Общее содержание сывороточных белков *) далее именуемые αs-казеин **) включая γ-казеин Источник: Walstra & Jennis Понятие “сывороточный белок” часто используют в качестве синонима для белков молочной плазмы, но его нужно было бы зарезервировать для белков сыворотки, получаемой в процессе приготовления сыра. В добавление к белкам молочной сыворотки сывороточный белок содержит и фрагменты молекул казеина. Некоторые белки присутствуют в меньшей концентрации, чем в исходном молоке. Это обусловлено тепловой денатурацией при пастеризации молока в процессе производства сыра. Три основные группы белков в молоке значительно различаются между собой характеристиками и свойствами. Казеины могут легко осаждаться в молоке различными способами, в то время как белки сыворотки обычно остаются в растворе. Белки оболочки жировых шариков, как и положено им по названию, прилипают к поверхности этих шариков и выделяются только при механическом воздействии – например, при сбивании сливок в масло. Казеин Казеин является групповым названием преобладающего класса белков молока. Казеины легко образуют полимеры, содержащие несколько идентичных или разных типов молекул. Благодаря большому количеству в молекуле казеина ионизируемых групп, а также гидрофильных и гидрофобных участков полимерные молекулы, образованные казеинами, являются очень специфичными. Эти полимеры построены из сотен и тысяч отдельных молекул и образуют коллоидный раствор, придающий Технология производства молочных продуктов/глава 2 Рис. 2.29 Структура казеиновой субмицеллы. 23 обезжиренному молоку его характерный беловато-голубой оттенок. Эти молекулярные комплексы известны в качестве мицелл казеина. Величина этих мицелл может достигать 0,4 мкм, и они могут быть видны только под электронным микроскопом. Рис. 2.30 Образование и стабилизация мицелл казеина. Источники: Сущность моделей Slattery & Evard (1973), Schmidt (1982) и Walstra (1990), изложенная Rollema (1992). Х.С.Роллема (1992) Объединения казеинов и образование мицелл, стр.63-111 (Rollema H.S. (1992), Casein Association and Micelle Formation, p.63-111), издательство Elsevier Sciеnce Publication Ltd. 24 Мицеллы казеина Три подгруппы казеина – αs-казеин, κ-казеин и β-казеин – все являются гетерогенными и состоят из 2–8 генетических вариантов, которые отличаются друг от друга только несколькими аминокислотами. Общим для этих подгрупп является то, что у них одна из двух аминокислот, содержащих гидроксигруппы, эстерифицирована фосфорной кислотой, присоединяющей кальций и магний и некоторые комплексные соли с образованием внутримолекулярных или межмолекулярных связей. Мицеллы казеина, изображенные на рис. 2.30, состоят из комплекса субмицелл (рис. 2.29) с диаметром 10–15 нм (нанометр = 10–9 м). Содержание α-, β- и κ-казеиновых фракций неодинаково распределено в различных мицеллах. Кальциевые соли αs и β-казеин почти нерастворимы в воде, а κ-казеин легко растворим. Благодаря доминирующей локализации последнего из казеинов на поверхности мицелл растворимость его кальциевой соли превалирует над нерастворимостью двух других казеинов, содержащихся в мицеллах, и потому вся мицелла в целом растворима с образованием коллоидного раствора. (Современные данные о химии молока. Том 1. Белки. П.Ф.Фокс – Advanced dairy chemistry. Vol.1 Proteins. P.F. Fox). Согласно Роллема (Rollema) (1992), комбинация моделей Слаттери и Эвард (Slattery & Evard) (1973), Шмидт (Schmidt) (1982) и Валстра (Walstra) (1990) дает наилучшее из имеющихся объяснений того, каким образом образуются и стабилизируются мицеллы. Фосфат кальция и гидрофобное взаимодействие между субмицеллами приводят к объединению казеиновых мицелл. Гидрофильные С-концевые части κ-казеина, содержащие углеводную группу, выступают снаружи комплексных мицелл, придавая им “волосистый” вид и, что важно, стабилизируют их. Основой этому является сильный отрицательный заряд углеводов. Размер мицелл зависит в большой степени от содержания ионов кальция (Са++). Если эти ионы покидают мицеллу – например, при диализе, то она распадается на субмицеллы. Мицелла среднего размера состоит приблизительно из 400–500 субмицелл, которые объединяются, как описано выше. При расщеплении С-окончания κ-казеина на поверхности мицелл – например, под действием сычужного фермента – мицеллы теряют растворимость и начинают агрегировать с образованием казеинового сгустка. В неповрежденных мицеллах имеется избыток отрицательных зарядов, и потому они взаимно отталкиваются. Молекулы воды, удерживаемые гидрофильными участками κ-казеина, являются важной частью этого равновесия. При удалении этих гидрофильных участков вода начинает покидать структуру, что является сигналом к началу действия сил притяжения. Образуются новые связи – например, солевого типа с активным кальцием и гидрофобного типа. Образование связи приводит к вытеснению воды, и вся структура в конце концов осаждается с образованием плотного сгустка. Низкая температура отрицательно воздействует на мицеллы, вызывая диссоциацию цепей β-казеина и удаление гидроксифосфата кальция из их структуры, в которой он присутствует в коллоидном виде, в раствор. Объяснение этого явления состоит в том, что β-казеин является наиболее гидрофобной фракцией казеина, и что гидрофобные взаимодействия ослабляются при понижении температуры. Эти изменения делают молоко Технология производства молочных продуктов/глава 2 менее подходящим для сыроделия из-за более длительного сычужного свертывания и образующегося из него мягкого сгустка. β-казеин, кроме того, после выхода из мицеллы легче подвергается гидролизу различными протеазами, содержащимися в молоке. Его гидролиз до γ-казеина и протеозопептонной фракции приводит к более низкому выходу получаемого сыра из-за того, что протеозопептонные фракции отходят в сыворотку. Распад β-казеина может также привести к образованию пептидов, вызывающих горечь и таким образом приводящих к ухудшению вкусовых качеств сыра. График на рис. 2.31 показывает приблизительное количество фракции β-казеина (в %), отщепляющейся от мицелл казеина в течение 20 часов хранения при 5°С. В этом контексте необходимо упомянуть, что когда сырое или пастеризованное и хранившееся в холоде молоко нагревают в течение 20 секунд до 62–65°С, то β-казеин и гидроксифосфат кальция возвращаются в мицеллы, вызывая при этом полное или частичное восстановление исходных свойств молока. Осаждение казеина Способность казеина к осаждению является одним из характерных его свойств. Из-за сложной природы молекул казеина и образующихся из них мицелл это осаждение может быть вызвано многими различными агентами. Необходимо помнить о том, что существует большая разница между оптимальными условиями осаждения для казеина в мицеллярной и немицеллярной форме – например, в виде казеината натрия. Последующее описание относится в основном к осаждению мицеллярного казеина. Осаждение кислотой При введении кислоты в молоко или при росте в нем бактерий, продуцирующих кислоту, происходит понижение pH молока. При этом происходит двухстадийное изменение среды, окружающей мицеллы. Ход происходящих при этом событий проиллюстрирован на рис. 2.32. Прежде всего коллоидный гидроксифосфат кальция, присутствующий в мицеллах казеина, растворяется с образованием Рис. 2.31 β -казеин в молочной сыворотке при 5 оС. Источник: Д-р Б.Линдквист (Dr B. Lindquist) (1980), Арла, Стокгольм, Швеция Примечание: При большом избытке кислоты, добавляемой к коагуляту, казеин будет растворяться с образованием соли и кислоты. При применении соляной кислоты раствор будет содержать гидрохлорид казеина, частично диссоциированный на ионы. Рис. 2.32 Три упрощенные стадии влияния на казеин кислоты и щелочи соответственно. ионов кальция, проникающих в структуру мицелл, и создает прочные внутренние кальциевые связи. Затем pH раствора достигает изоэлектрических точек отдельных видов казеина. Оба эти процесса инициируют изменения внутри мицелл, начиная с их роста через агрегацию и заканчивая более или менее плотным коагулятом. В зависимости конечной величины pH коагулят будет являться солью казеина и/или казеином в его изоэлектрическом состоянии. Технология производства молочных продуктов/глава 2 25 Величина изоэлектрических точек компонентов казеина зависит от наличия других ионов, присутствующих в растворе. Теоретические величины pH для этих точек, при определенных условиях совпадающие с реальными его значениями, составляют 5,1–5,3. В солевых растворах при условиях, схожих с теми, которые характерны для молока, интервал кислотности для оптимального осаждения составляет pH 3,9–4,5, а практическая его величина для осаждения казеина в молоке равна 4,7. При большом избытке гидроксида натрия, вводимого в осажденный казеин, вновь растворенный казеин будет превращаться в казеинат натрия, частично диссоциируемый на ионы. Кисломолочные продукты имеют обычно pH в пределах 3,9–4,5, лежащий в кислой области интервала изоэлектрических точек. При получении казеина из обезжиренного молока добавлением серной или соляной кислоты часто выбирают pH 4,6. Имеются два способа вызвать флокуляцию и коагуляцию частиц казеината: осаждение их кислотой и осаждение ферментами. Осаждение ферментами Аминокислотная цепь, образующая κ-казеин, состоит из 169 аминокислот. В этой цепи связь между аминокислотными остатками в положениях 105 (фенилаланин) и 106 (метионин) легко доступна для многих протеолитических ферментов. Некоторые из них атакуют эту связь и расщепляют полипептидную цепь. Образующийся концевой аминосодержащий фрагмент содержит аминокислоты между 106-м и 169-м положениями, среди которых преобладают полярные аминокислоты, а также углевод, придающий этой последовательности гидрофильные свойства. Эта часть молекулы κ-казеина, называемая гликомакропептидом, выделяется в сыворотку при изготовлении сыра. Остальная часть κ-казеина, состоящая из аминокислот между 1-м и 105-м положениями, нерастворима и остается в сгустке вместе с αs- и фракциями казеина. Эту часть называют пара-κ-казеином. Раньше считали, что весь сгусток состоит из пара-казеина. Образование сгустка обусловлено внезапным удалением гидрофильных макропептидов и наступающей при этом неравновесностью внутримолекулярных сил. Это приводит к развитию и усилению связи между гидрофобными участками цепи за счет кальциевых связей, образующихся, когда молекулы воды, содержащиеся в мицеллах, начинают покидать структуру. Данный процесс обычно называют стадией коагуляции и синерезисом. Расщепление связи 105–106 в молекуле κ-казеина часто называют первичной стадией действия сычужного фермента, а стадию коагуляции и синерезиса – второй стадией процесса. Имеется также третья стадия этого процесса, при которой сычужный фермент воздействует на компоненты казеина более обычным путем. Это происходит при созревании сыра. Продолжительность всех трех стадий определяется главным образом значением pH и температурой. Кроме того, вторая стадия сильно зависит от концентрации ионов кальция и от присутствия или отсутствия сывороточных белков молока на поверхности мицелл. Сывороточные белки Сывороточными белками являются: α-лактальбумин β-лактоглобулин Сывороточными белками обычно называют белки молочной сыворотки. При удалении казеина из обезжиренного молока каким-либо методом осаждения (таким, как добавление неорганической кислоты) в жидкости остается группа белков, которые и называют белками молочной сыворотки. До тех пор пока они не будут подвергнуты денатурации нагреванием, они не осаждаются при их изоэлектрических точках. Однако они обычно осаждаются полиэлектролитами, такими как карбоксиметилцеллюлоза. Технически для выделения сывороточных белков часто используют подобные вещества или комбинацию нагревания и регулирования pH. При нагревании молока некоторые сывороточные белки денатурируют и образуют комплексы с казеином, понижая способность казеина подвергаться воздействию сычужного фермента и присоединять кальций. Сгусток из молока, прошедшего высокотемпературную обработку, не выделяет сыворотку, как это происходит обычно с сырным сгустком, из-за меньшего в этом случае числа связей в виде мостиков внутри молекул казеина и между ними. Сывороточные белки вообще и α-лактальбумин, в частности, имеют очень высокую питательную ценность. Их аминокислотный состав очень близок к тому, что считается биологическим оптимумом. Производные сывороточных белков широко применяются в пищевой промышленности. α-лактальбумин Этот белок можно считать типичным сывороточным белком. Он присутствует в молоке всех млекопитающих и играет важную роль в синтезе лактозы в вымени. 26 Технология производства молочных продуктов/глава 2 β-лактоглобулин Этот белок найден только у копытных животных и является основным компонентом молока коров. При нагревании молока выше 60оС начинается его денатурация, в которой реакционная способность серосодержащей аминокислоты β-лактоглобулина играет заметную роль. Сера начинает образовывать связи в виде мостиков между молекулами β-лактоглобулина, между β-лактоглобулином и κ-казеином и между β-лактоглобулином и α-лактальбумином. При высоких температурах во время этого процесса начинают постепенно выделяться такие соединения серы, как сероводород. Эти соединения вызывают появление привкуса “кипяченого молока”. Иммуноглобулины и родственные побочные белки Эта группа белков чрезвычайно неоднородна, причем детально изучено лишь малое число ее представителей. В будущем из молочной сыворотки, возможно, будут выделены в промышленных масштабах многие полезные вещества. Лактоферрин и лактопероксидаза являются веществами, которые потенциально могут найти применение в фармацевтической и пищевой промышленности и в настоящее время выделяются из сыворотки. Способ выделения этих веществ разработан в Мальмё (Швеция) д-ром Х.Барлингом (H. Burling) с сотрудниками отдела научных исследований Шведской молочной ассоциации. Белки оболочек жировых шариков Белки оболочек – это группа белков, которые образуют защитный слой вокруг шариков жира для стабилизации его эмульсии. Их консистенция лежит в пределах от мягкой и желеобразной для некоторых из них и до довольно плотной и твердой для других. Некоторые из этих белков содержат липидные остатки и называются липопротеинами. Их липиды и гидрофобные аминокислоты направляют гидрофобные участки своих молекул к жировой поверхности, в то время как участки этих молекул с меньшей гидрофобностью ориентированы в направлении воды. Тем же путем воздействуют на соответствующие белковые слои и белки оболочек, обладающие слабой гидрофобностью, образуя градиент гидрофобности от поверхности жира к воде. Градиент гидрофобности в такой оболочке делает ее идеальным местом для адсорбции молекул со всеми степенями гидрофобности. В частности, в структуре оболочки адсорбируются фосфолипиды и липолитические ферменты. Никакие реакции между ферментами и их субстратом не идут до тех пор, пока не будет нарушена структура оболочки, но как только это происходит, ферменты получают доступ к субстрату и начинают реагировать. Примером таких реакций является липолитическое высвобождение жирных кислот, когда холодное молоко прокачивается неисправным насосом или после гомогенизации холодного сырого молока, без последующей его пастеризации. Жирные кислоты и некоторые другие продукты этой ферментной реакции придают получаемому продукту прогорклый привкус. Денатурированные белки До тех пор пока белки существуют в окружающей среде при значениях температуры и pH, толерантных для этих белков, они сохраняют свои биологические функции. Но при нагревании выше некоторой максимальной температуры их структура будет изменяться. Как говорят, они денатурируются (см. рис. 2.33). То же самое происходит, когда белки обрабатываются кислотами или основаниями, подвергаются облучению или интенсивному перемешиванию. Денатурированные белки теряют исходную растворимость. При денатурации белков исчезает их биологическая активность. Ферменты-белки, являющиеся катализаторами некоторых биохимических реакций, теряют способность ускорять реакции в результате процесса денатурации. Причина этого состоит в том, что нарушаются определенные связи в их молекулах, вызывая изменение структуры белка. После слабого денатурирования белки могут иногда возвратиться в свое исходное состояние с восстановлением их прежних биологических функций. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Рис 2.33 Часть сывороточного белка в нативном (слева) и денатурированном состояниях. 27 Однако во многих случаях денатурация является необратимой. Например, белки сваренного яйца не могут быть возвращены в исходное состояние. Молоко – буферный раствор Рис. 2.34 При добавлении щелочи к кислоте pH раствора сразу же возрастает, что говорит об отсутствии в нем какой-либо буферной системы. Рис. 2.35 При добавлении щелочи к молоку pH изменяется очень медленно – сказывается повышенное буферное действие молока. Рис. 2.36 Данный фермент расщепляет только определенные молекулы и только по определенным связям. Этот фермент соответствует по строению специфическому участку молекулярной цепи с ослабленной связью. Молоко содержит огромное число веществ, которые могут действовать либо как слабые кислоты, либо как слабые основания – например, такие как молочная, лимонная и фосфорная кислоты и их соответствующие соли – лактаты, цитраты и фосфаты. В химии подобная система называется буферным раствором, потому что в некоторых пределах при добавлении кислот или оснований кислотность (pH) в ней остается постоянной. Это явление может быть объяснено специфическими свойствами белков. При подкислении молока вводят огромное количество водородных ионов (Н+). Эти ионы присоединяются к аминогруппам в боковых цепях аминокислот с образованием ионов NH3+. При этом, однако, величина pH из-за очень незначительного повышения концентрации свободных водородных ионов почти совсем не меняется. При введении в молоко основания ионы (Н+) выделяются из карбоксильных групп СООН боковых цепей с образованием ионов СОО–. Поэтому величина pH и в этом случае остается более или менее постоянной. Чем больше основания вводится, тем большее число водородных ионов выделяется. Другие компоненты молока также обладают этой способностью связывать или выделять ионы, и потому величина pH при добавлении кислот или оснований изменяется очень медленно. Почти вся способность молока к буферизации исчерпывается, если оно уже является кислым из-за длительного хранения при высоких температурах. В этом случае для изменения pH достаточно добавления небольшого количества кислоты. Ферменты, присутствующие в молоке Ферменты являются белками, продуцируемыми живыми организмами. Они способны инициировать химические реакции и влиять на ход и скорость этих реакций. Ферменты катализируют реакции, при этом не изменяя своего количества. Поэтому иногда их называют биокатализаторами. Функционирование ферментов проиллюстрировано на рис. 2.36. Действие ферментов является специфичным: каждый тип ферментов катализирует только один определенный тип реакций. Два фактора сильно влияют на ферментные реакции – температура и pH. Как правило, ферменты наиболее активны при оптимальной температуре в интервале 25–50°С. Их активность падает при выходе температуры за верхний предел этого интервала, исчезая где-то в интервале 50–120°С. При этих температурах ферменты практически полностью денатурируются (инактивируются). Температура инактивации изменяется от одного типа фермента к другому – явление, которое широко используют для определения степени пастеризации молока. Ферменты имеют оптимальный интервал значений pH: некоторые из них лучше всего функционируют в кислых растворах, а другие – в щелочных. Ферменты, присутствующие в молоке, попадают в него или из коров, или от бактерий. Первые из них являются нормальными компонентами молока и называются нативными ферментами. Вторые, бактериальные ферменты, различаются по типу и распространенности в соответствии с природой и величиной бактериальной популяции. Ряд ферментов молока используется для тестирования его качества и контроля. Наиболее важными из этих ферментов являются пероксидаза, каталаза, фосфатаза и липаза. Пероксидаза Молекула подвергнута расщеплению. Пероксидаза переносит кислород от пероксида водорода (Н2О2) к другим легко Фермент освобождается и окисляемым веществам. Этот фермент инактивируется в молоке нагреванием расщепляет тем же путем другую до 80°С в течение нескольких секунд. Этот факт может быть использован для молекулу. 28 Технология производства молочных продуктов/глава 2 установления наличия или отсутствия пероксидазы в молоке, и таким образом – для проверки того, была ли температура пастеризации молока выше 80°С. Этот тест называют пробой Сторча (Storch) на пероксидазу. Каталаза Каталаза расщепляет пероксид водорода на воду и свободный кислород. Количественным определением кислорода, выделяемого этим ферментом, можно определить содержание каталазы в молоке и узнать: получено это молоко от животного со здоровым выменем или нет? Молоко животного с больным выменем содержит большое количество каталазы, в то время как в молоке из здорового вымени наблюдается только незначительное количество каталазы. Однако существует большое количество бактерий, продуцирующих данный фермент. Каталаза разрушается при тепловой обработке, протекающей при температуре 75°С в течение 60 секунд. Фосфатаза Фосфатаза обладает свойством расщеплять некоторые эфиры фосфорной кислоты до этой кислоты и соответствующего спирта. Присутствие фосфатазы в молоке может быть обнаружено добавлением эфира фосфорной кислоты и реагента, изменяющего окраску в результате Рис. 2.37 Схема расщепления взаимодействия с высвобождающимся спиртом. Изменение окраски жира липазой. свидетельствует о том, что молоко содержит фосфатазу. Этот фермент разрушается при обычной пастеризации (температура 72°С, выдержка 15–20 секунд), таким образом тест на фосфатазу может быть использован для определения, был ли выдержан данный режим пастеризации. Этот рутинный тест, применяемый в молочном деле, называется тестом Шарера (Scharer) на фосфатазу. Этот тест предпочтительно проводить сразу же после нагревания. В противном случае молоко должно быть охлаждено ниже 5°С и выдерживаться при этой температуре до проведения анализа, который должен быть проведен в тот же день. В противном случае может происходить процесс реактивации, при котором инактивированный фермент снова становится активным и дает положительный результат на тест. Этому, в частности, наиболее подвержены сливки. Липаза Липаза расщепляет жир на глицерин и свободные жирные кислоты. Избыток этих кислот в молоке или молочных продуктах приводит к появлению прогорклого привкуса. Действие этого фермента, по-видимому, в большинстве случаев является очень слабым, хотя молоко от некоторых коров может обладать сильной липазной активностью. Считается, что количество липазы в молоке увеличивается к концу лактационного периода. Липаза в значительной степени инактивируется пастеризацией, но для полной ее инактивации требуются более высокие температурные режимы. Липазу продуцируют многие микроорганизмы. Это может вызывать серьезные проблемы, так как этот фермент является термостабильным. Лактоза Лактоза является сахаром, находящимся только в молоке, и принадлежит к группе химических соединений, называемых углеводами. Углеводы являются наиболее важным источником энергии в нашей пище. Хлеб и картофель, например, обогащены углеводами и представляют собой питательный Рис. 2.38 Расщепление лактозы резервуар. Углеводы распадаются на соединения, обладающие высокой энергетической и сахарозы на галактозу, глюкозу ценностью. Данные соединения участвуют в биохимических реакциях, обеспечивая их и фруктозу. протекание необходимой энергией. Углеводы также поставляют материал для синтеза некоторых важных химических соединений в организме. Они присутствуют в мышцах в качестве мышечного гликогена и в печени – в качестве гликогена печени. Гликоген является примером углевода с очень большой молекулярной массой. Другими примерами подобных углеводов являются крахмал и целлюлоза. Подобные сложные углеводы называются полисахаридами и имеют гигантские молекулы, построенные из молекул глюкозы. В гликогене и крахмале эти молекулы часто разветвлены, в то время как в целлюлозе они существуют в виде прямых и длинных цепей. Технология производства молочных продуктов/глава 2 29 Рис. 2.39 Распад лактозы под действием фермента с образованием молочной кислоты. Рис. 2.38 показывает схематично некоторые дисахариды, то есть углеводы, состоящие из молекул двух типов сахаров. Молекула сахарозы (называемой ранее тростниковым или свекловичным сахаром) состоит из двух простых сахаров (моносахаридов) – фруктозы и глюкозы. Лактоза (молочный сахар) является дисахаридом, молекула которого содержит моносахариды глюкозу и галактозу. Таблица 2.3 показывает, что содержание лактозы в молоке составляет 3,6–5,5%. Рис. 2.39 дает понять, что происходит, когда лактоза подвергается воздействию молочнокислых бактерий. Эти бактерии продуцируют фермент лактозу, который расщепляет молекулы лактозы на глюкозу и галактозу. Данные моносахариды под воздействием ряда ферментов, также вырабатываемых молочнокислыми бактериями, превращаются в молочную кислоту путем сложных промежуточных реакций. Ферменты, участвующие в этих реакциях, действуют в определенном порядке. Расщепление лактозы возможно с образованием других конечных соединений. Это определяется специфическими особенностями микроорганизмов, участвующих в процессе ее брожения. При нагревании и выдерживании молока при высокой температуре оно буреет и приобретает привкус карамели. Этот процесс называется карамелизацией и является следствием реакции между лактозой и белками, называемой реакцией Майяра (Maillard). Лактоза является водорастворимой и образует ионно-молекулярный раствор в молоке. В сыроделии наблюдается большой отход лактозы в сыворотку. Испарение сыворотки при приготовлении сывороточно-альбуминного сыра дополнительно повышает концентрацию лактозы. Лактоза не обладает сладким вкусом, как другие сахара; ее сладость, например, в 30 раз меньше, чем у тростникового сахара. Витамины в молоке Витамины являются органическими веществами, присутствующими в растениях и организмах животных в очень низких концентрациях. Они совершенно необходимы для нормальной жизнедеятельности. Химический состав витаминов обычно очень сложен, но известен в настоящее время для большинства из них. Различные витамины обозначаются заглавными буквами, иногда с дополнительными численными подстрочными обозначениями – например, А, В1 и В2. Таблица 2.6 Витамины, содержащиеся в молоке, и ежедневная потребность в них Витамин A B1 B2 C D Содержание в 1 л молока, мг 0,2 – 2 0,4 1,7 5 – 20 0,002 Ежедневная потребность у взрослого человека, мг 1 – 1 – 2 – 30 – 0,01 2 2 4 100 Таблица 2.7 Витаминная недостаточность, и вызываемые ею заболевания Недостаточность витамина А Недостаточность витамина В1 Недостаточность витамина В2 Недостаточность витамина С Недостаточность витамина D 30 Куриная слепота; пониженная сопротивляемость инфекционным заболеваниям Приостановка роста Потеря аппетита; диспепсия Усталость, утомляемость, диорея, предрасположенность к инфекционным заболеваниям, цинге Деформация скелета (рахит) Технология производства молочных продуктов/глава 2 Молоко содержит много витаминов. Среди них наиболее известны А1, В1, В2, С и D. Витамины А и D растворимы в жирах и жирных растворителях, в то время как другие витамины растворимы в воде. В таблице 2.6 приведено количество различных витаминов в 1 литре питьевого молока и ежедневные потребности в них у взрослого человека. Из приведенных данных видно, что молоко является хорошим источником витаминов. Недостаток витаминов может привести к заболеваниям, перечисленным в таблице 2.7. Минеральные вещества и соли, содержащиеся в молоке Молоко содержит ряд минеральных веществ, общая концентрация которых меньше 1%. Минеральные соли присутствуют в молочной сыворотке или в соединениях казеина в растворенном виде. Наиболее важными солями являются фосфаты, хлориды, цитраты и казеинаты кальция, натрия, калия и магния. Количество солей в молоке не постоянно. К концу лактации оно более значительно, при заболевании вымени содержание хлористого натрия в молоке повышается, придавая молоку соленый привкус, в то время как количество других солей соответственно понижается. Другие компоненты молока Молоко всегда содержит соматические клетки, главным образом лейкоциты – белые кровяные клетки. Их содержание незначительно в молоке, полученном из здорового вымени, но повышается при его заболевании – обычно пропорционально тяжести заболевания. Содержание соматических клеток в молоке здоровых животных, как правило, ниже 200 000 в 1 мл, но может доходить до 400 000 клеток в 1 мл. Молоко также содержит газы – порядка 5–6% от объема свежего молока, но по прибытии молока на молочное предприятие это содержание может повыситься до 10%. Газы состоят в основном из диоксида углерода, азота и кислорода. Они находятся в молоке в трех состояниях: 1 Растворенные в молоке 2 Связанные и невыделяемые из молока 3 Диспергированные в молоке. Диспергированные и растворенные газы в случае излишнего их содержания представляют серьезную проблему при обработке молока, которое становится склонным к подгоранию на нагревающих поверхностях теплообменных аппаратов. Изменения, происходящие в молоке и его компонентах Изменения при хранении Жир и белок, содержащиеся в молоке, при хранении могут подвергаться химическим изменениям. Эти изменения обычно бывают двух видов – окисление и липолиз. В результате этих изменений возникают пороки вкуса, в основном у молока и масла. Общепризнано, что кислородные молекулы в синглетном состоянии (1О2) могут окислять группу (СН-) непосредственно со смещением двойной связи и с образованием гидропероксида согласно нижеприведенной реакции: Окисление жира 1 O2 + –CH = CH – CH2– > – CHOOH – CH = CH – Окисление жира приводит к появлению у него металлического привкуса, а у масла салистого привкуса маслянистого топленого жира низших сортов. Окисление идет по двойным связям ненасыщенных жирных кислот, среди которых лецитин наиболее подвержен этому процессу. Присутствие солей железа и меди, так же как наличие растворенного кислорода и облучение светом, особенно прямым солнечным светом или светом от люминесцентных ламп, ускоряет самоокисление и появление металлического привкуса. Окисление жира частично может быть компенсировано микроорганизмами молока, пастеризацией при температуре выше 80оС или антиоксидантными добавками (восстановителями), такими как додецилгаллат, при максимальной его концентрации 0,00005%. Микроорганизмы, например, молочнокислые бактерии, потребляют кислород и обладают восстанавливающей способностью. Пороки вкуса окислительного происхождения возникают легче при низких Технология производства молочных продуктов/глава 2 31 температурах, когда эти бактерии менее активны. Растворимость кислорода в молоке также выше при низких температурах. Высокотемпературная пастеризация помогает молоку, так как при его нагревании образуются восстановители c –SH-группами. Металлический привкус окислительного происхождения чаще наблюдается зимой, чем летом. Это обусловлено частично более низкой температурой, а частично различием в рационах коров. Летом корма богаче витаминами А и С, повышающими количество восстанавливающих веществ в молоке. При освещении и/или в присутствии ионов тяжелых металлов жирные кислоты дополнительно распадаются постадийно на альдегиды и кетоны, которые придают жирным молочным продуктам привкус прогорклости окислительного происхождения. Вышеизложенный очень упрощенный механизм окисления (в действительности – самоокисления) ненасыщенных жирных кислот взят из «Химии и физики молока» («Dairy Chemistry and Physics») П. Вастра и Р. Дженниса (P. Wastra and R. Jennis). Окисление белков При освещении аминокислота метионин распадается до метионаля при совместном участии рибофлавина (витамина В2) и аскорбиновой кислоты (витамина С). Метиональ или 3-меркаптометилпропионовый альдегид является основным фактором появления светового привкуса, как называют этот специфический привкус. Так как метионин как таковой не присутствует в молоке, а является лишь одним из компонентов белков молока, то фрагментация белков должна быть связана с появлением рассматриваемого привкуса. Факторами, связанными с появлением светового привкуса, являются: • Интенсивность освещения (солнечного и/или искусственного света, и особенно от люминесцентных ламп) • Продолжительность освещения • Некоторые свойства молока (гомогенизированное молоко более чувствительно в этом отношении, чем негомогенизированное) • Материал упаковки – непрозрачная упаковка из полимеров и бумаги является при нормальных условиях хорошей защитой. См. также главу 8, посвященную сохранению качества пастеризованного молока. Липолиз Рис. 2.40 Зависимость отстоя жира от температуры пастеризации. Отстой жира. Шкала 0÷4. 0 – отсутствие; 4 – образование устойчивого жирового слоя (отстойной жировой пробки). Выдержка при температуре пастеризации составляла около 15 сек. 32 Липолизом называют распад жиров на глицерин и свободные жирные кислоты. Жир, подвергнутый липолизу, обладает прогорклым привкусом и запахом, вызванным присутствием низкомолекулярных жирных кислот (масляной и капроновой). Липолиз вызывается действием липаз и поддерживается при высоких температурах хранения. Однако липаза не может воздействовать на жир, пока его шарики не будут повреждены со снятием с них защитного слоя. Только после этого липаза сможет атаковать и гидролизовать молекулы жира. При обычной обработке молока для повреждения шариков жира имеется множество возможностей, возникающих, например, при перекачивании, перемешивании и расплескивании молока. Поэтому необходимо избегать чрезмерного перемешивания непастеризованного молока, так как оно может спровоцировать расширение фронта деятельности липазы с высвобождением жирных кислот, вызывающих прогорклый привкус молока. Для предотвращения распада жира под действием липазы она должна быть инактивирована высокотемпературной пастеризацией. Пастеризация полностью разрушает нативные ферменты молока. Бактериальные же ферменты более устойчивы. Даже при высокотемпературной обработке (ВТО) (выдержка при 135–150°С или более в течение нескольких секунд) эти ферменты не подвергаются полному разрушению. Влияние тепловой обработки Молоко подвергают тепловой обработке на молочных заводах для уничтожения любых патогенных микроорганизмов, которые могут в нем присутствовать. Эта обработка вызывает также изменения компонентов молока. Чем выше температура и чем больше продолжительность обработки, тем глубже эти изменения. В некоторых пределах эти два фактора могут в какой-то степени взаимно уравновешиваться. Кратковременное нагревание при высоких температурах может оказывать такое же воздействие, как и продолжительное нагревание при менее высоких температурах. И поэтому при тепловой обработке молока эти факторы необходимо всегда учитывать. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Жир Как было показано (ThomО at. al., Milchwissenschaft 13, 115, 1958), когда молоко пастеризуют при 70–80°С в течение 15 секунд, отстой жира наблюдается уже при 74°С (см. рис. 2.40). Были обсуждены различные теории по этому поводу, которые свидетельствуют о том, что, вероятно, высвобожденный свободный жир склеивает шарики жира при их столкновении. Для предотвращения образования отстойной жировой пробки рекомендуется гомогенизировать молоко. Финк и Кесслер подтвердили появление свободного жира Неповрежденная оболочка. в гомогенизированных и негомогенизированных сливках с м.д.ж. 30%, Отсутствие липолиза. подвергнутых тепловой обработке при температуре 105–135°С. Авторы считают, что это объясняется дестабилизацией оболочки шариков, приводящей к повышению их проницаемости. Результатом этого является действие экстрагируемого свободного жира в качестве связующего между сталкивающимися жировыми шариками и образование стабильных Поврежденная оболочка. агломератов шариков. Липолиз жира приводит к выделению жирных кислот. При температуре выше 135°С белки, отложившиеся на оболочке шариков жира, образуют своего рода сетку, делающую оболочку более плотной и менее проницаемой. Поэтому при высокотемпературной обработке продуктов с высоким содержанием жира поток из стерилизатора рекомендуется гомогенизировать. Белки Основной белок молока, казеин, не подвергается денатурации в результате тепловой обработки при обычных значениях pH, концентрации соли и содержания белка. С другой стороны, сывороточные белки, особенно β-лактоглобулин, составляющий до 50% этих белков, является термолабильным. Его денатурация начинается при 65°С и практически заканчивается при нагревании в течение 5 минут при 90°С. Тепловая денатурация сывороточных белков является необратимым процессом. Произвольно свернутые белковые молекулы “раскрываются”, а β-лактоглобулин, в частности, присоединяется к κ-казеиновой фракции при помощи серных мостиков. Очень обобщенная трансформация представлена на рис. 2.42. Рис. 2.41 При повреждении оболочек шариков жира липолиз может приводить к выделению жирных кислот. Рис. 2.42 При денатурации κ-казеин взаимодействует с β -лактоглобулином. Блокирование большей части κ-казеина ухудшает сычужную свертываемость молока, так как сычужный фермент в сыроделии способствует расщеплению мицелл казеина на участках расположения κ-казеина. Чем выше температура пастеризации при постоянном времени выдержки, тем мягче образующийся сгусток. Это является нежелательным явлением при получении полутвердых и твердых сыров. Молоко, предназначенное для сыроделия, не должно пастеризоваться, а если все же оно и будет пастеризоваться, то в любом случае в течение лишь 15–20 секунд и при температуре не выше 72°С. Молоко, предназначенное для приготовления кисломолочных продуктов (например, йогурта), пастеризуют при температуре 90–95°С с выдержкой 3–5 минут. Данный режим тепловой обработки молока приводит к денатурации сывороточных белков, их взаимодействию с казеином, что позволяет получить более вязкий сгусток с пониженным отделением сыворотки. Технология производства молочных продуктов/глава 2 33 Молоко, нагретое при 75°С в течение 20–60 секунд, приобретает привкус и запах “кипячения”. Это обусловлено выделением соединений серы из β-лактоглобулина и других серосодержащих белков. Ферменты Ферменты могут быть инактивированы нагреванием. Температура инактивации зависит от типа фермента. Некоторые микроорганизмы (например, Pseudomonas spp.), способные вызывать порчу сырого молока, хранимого при низких температурах, и молочных продуктов, подвергнутых тепловой обработке, вырабатывают термостойкие протеолитические и липолитические ферменты. Пастеризация и высокотемпературная обработка молока вызывают только их частичную инактивацию. При температурах выше 100°С происходит реакция между лактозой и белком, сопровождающаяся появлением бурой окраски молока. Лактоза Лактоза подвергается изменениям более легко в молоке, чем в сухом состоянии. При температуре выше 100°С между лактозой и белком происходит реакция, сопровождающаяся побурением молока. Ряд реакций, происходящих между аминогруппами аминокислотных остатков и альдегидными группами углеводов молока, называются реакцией Майяра, или реакцией побурения. Она приводит к потемнению продукта, к изменению вкуса и к потере питательной ценности, в частности, к потере лизина – одной из незаменимых аминокислот. Пастеризованное, прошедшее высокотемпературную обработку и стерилизованное молоко может быть дифференцировано по содержанию лактулозы. Лактулоза является эпимером лактозы, формирующимся в молоке, подвергнутом тепловой обработке Адачи (Adachi), 1958. Cчитается, что она образуется при помощи свободных аминогрупп казеина Адачи и Паттон (Adachi & Patton), 1961, Рихард и Хандрасеккара (Richard & Chandrasekkara), 1960. Мартинес Кастро и Олано (Martinez Castro & Olano), 1982, и Гейер и Клостермейер (Geier & Klostermeyer), 1983, показали, что пастеризованные, прошедшие высокотемпературную обработку, и стерилизованные виды молока содержат разное количество лактулозы. Содержание лактулозы при этом повышается с возрастанием интенсивности тепловой обработки. Витамины Витамин С является наиболее термолабильным витамином, особенно в присутствии воздуха и некоторых металлов. Пастеризация в пластинчатом теплообменнике может, однако, осуществляться при практически полном отсутствии потерь витамина С. Другим витаминам умеренное нагревание в молоке совсем или почти совсем не приносит вреда. Минеральные вещества Из минеральных веществ в молоке только гидроксифосфат кальция в мицеллах казеина, имеющий важное значение, подвергается изменению под воздействием тепла. При нагревании выше 75оС это вещество теряет воду и образует нерастворимый ортофосфат кальция, который ухудшает сычужную свертываемость. Режимы тепловой обработки молока должны быть тщательно подобраны. Физические свойства молока Внешний вид Мутность молока обусловлена наличием в нем суспензированных частиц жира, белков и некоторых минеральных веществ. Цвет молока меняется от белого до желтого в соответствии с окраской (в зависимости от содержания каротина) жира. Обезжиренное молоко более прозрачно и имеет слабый голубоватый оттенок. Плотность Плотность коровьего молока меняется в пределах 1,028–1,038 г/см3 в зависимости от состава. Плотность (d) молока при 15,5°С может быть рассчитана по нижеприведенной формуле, в которой: d 15,5°C Ж СОМО Вода (%) 34 = – – – 100 Ж 0,93 г/см3 , + СОМО 1,608 + вода м.д. жира (%) м.д. сухого обезжиренного молока оси (%) м.д. воды = 100 – Ж – СОМО Технология производства молочных продуктов/глава 2 Для приводимого в качестве примера молока с 3,2% жира и с 8,5% обезжиренных сухих веществ имеем: 100 = 1,0306 г/см3 d 15,5°C = 3,2 8,5 + (100 – 3,2 – 8,5) + 0,93 1,608 Осмотическое давление Осмотическое давление регулируется числом молекул или частиц, а не массой растворенного вещества; так, 100 молекул с размерами частиц в 10 условных единиц будут иметь в 10 раз большее осмотическое давление, чем 10 молекул с размерами в 100 единиц. Следовательно, для данной массы чем меньше размер молекул, тем больше осмотическое давление. Таблица 2.8 Осмотическое давление в молоке Компонент Молекулярная масса Лактоза Хлориды, NaCl Другие соли и т.д. Сумма Нормальная конц-ция 342 58,5 – Осмотическое давление, атм. 4,7 ≈ 0,1 – 3,03 1,33 2,42 6,78 D °C % от общего осмотического давления 0,25 0,11 0,20 0,560 46 19 35 100 Источник: Дж.Г.Дэвис, Словарь по молочному делу (Dictionary of Daiyring, J.G.Davis) Молоко синтезируется из крови и отделяется от нее проницаемой мембраной и таким образом имеет с кровью одинаковое осмотическое давление, иными словами, является изотоническим относительно нее. Осмотическое давление крови обладает превосходным постоянством, несмотря на то что ее состав (содержание таких компонентов, как пигменты, белки и т.п.) может меняться. Это же относится и к молоку, общее осмотическое давление которого представлено в таблице 2.8. Температура замерзания Температура замерзания молока является единственным надежным параметром, при помощи которого можно определить, разбавлено оно водой или нет. Температура замерзания для коровьего молока лежит в пределах от –0,54°С до –0,59°С. В этом контексте необходимо также упомянуть, что при высокотемпературной обработке молока (например, при стерилизации) осаждение части фосфатов может вызвать повышение его температуры замерзания. Внутреннее, или осмотическое, давление также определяет разность между температурами замерзания у раствора и растворителя (воды), так что понижение температуры замерзания (D в таблице 2.8) служит мерой осмотического давления. В случае получения анормального молока, при изменении состава молока по физиологическим или патологическим причинам (например, из-за поздней лактации или мастита соответственно) осмотическое давление и, следовательно, температура замерзания остаются неизменными. Наиболее важным изменением при этом будет падение содержания лактозы и повышение содержания хлорида. Кислотность Кислотность раствора зависит от концентрации в нем ионов гидроксония [H+]. Когда концентрации ионов гидроксония и гидроксильных [OH–] ионов равны, раствор называют нейтральным. В 1 мл такого раствора содержится 1:10 000 000 (10–7)г ионов [Н+]. Величина pH характеризует концентрацию ионов гидроксония в растворе и математически может быть определена как отрицательный логарифм концентрации этих ионов: pH = – log[H+] Для вышеупомянутого нейтрального раствора значение рН будет следующим: рH = log10–7 = 7. В случае концентрации ионов водорода [Н+] 1:100 000 /л или 10–6 раствор будет кислотным. Чем ниже значение рН, тем выше кислотность. Технология производства молочных продуктов/глава 2 35 Раствор гидроксида натрия (NaOH) Концентрация N/10 (0,1 N). Количество добавленного NaOH считывают, когда образец окрашивается в розовый цвет Величина pH раствора или продукта представляет собой истинную (действительную) кислотность. Нормальное молоко является слегка подкисленным раствором с pH = 6,5–6,7, при этом наиболее типичное значение составляет pH 6,6. Температура измерения pH должна составлять около 25оС. Для измерения pH применяют pH-метры. Титруемая кислотность Кислотность может быть выражена и через титруемую кислотность. Этот вид кислотности молока представляет собой количество гидроксильных ионов (ОН–) раствора заданной концентрации, необходимое для повышения pH определенного количества молока примерно до 8,4, при котором обычно применяемый индикатор фенолфталеин изменяет окраску от бесцветной до розовой. Практически этот тест определяет количество щелочи, необходимое для изменения 10 мл образца молока pH от 6,6 до 8,4. Молоко, сквашенное в результате развития в нем 20 мл дистиллированной микроорганизмов, имеет высокую титруемую кислотность, что объясняется воды требованием повышенного количества щелочи, необходимого для 5 капель титрования такого молока. фенолфталеина (5%) В зависимости от концентрации используемого для титрования раствора гидроксида натрия (NaOH) титруемая кислотность может быть выражена Рис. 2.43 Опредeление в разных единицах. кислотности в градусах °SH – градусы Сокслета-Хенкеля, получаемые титрованием 100 мл молока Тёрнера, оTh. раствором 0,25Н NaOH в присутствии индикатора фенолфталеина. Свежевыдоенное молоко имеет 7°SH. Этот метод получил широкое распространение в Центральной Европе. °Th – градусы Тёрнера, получаемые титрованием 100 мл молока, Таблица 2.9 разбавленного 2 частями дистиллированной воды, 0,1Н раствором NaOH Кислотность часто с использованием фенолфталеина в качестве индикатора. Свежевыдоенному выражается одним из молоку соответствует 17°Th. Применяют главным образом в Швеции и СHГ. следующих способов °D – градусы Дорника, получаемые титрованием 100 мл молока раствором H/9 NaOH с использованием фенолфталеина в качестве индикатора. Нормальное °SH °Th °D % l.a. молоко дает величины около 15°D. Применяют в основном в Нидерландах и во Франции. 1 2,5 2,25 0,0225 % l.a. – проценты молочной кислоты, получаемые как градусы Дорника (°D), 0,4 1 0,9 0,009 деленные на 100. Применяют часто в Великобритании, США, Канаде, Австралии 4/9 10/9 1 0,01 и Новой Зеландии. В таблице 2.9 приведены различные выражения для титруемой кислотности. Определение кислотности в градусах Тёрнера изображено на рисунке 2.43. Пример: Для титрования 10 мл образца молока требуется 1,7 мл н/10 NaOH. Поэтому для 100 мл молока было бы необходимо 10 х 1,7 = 17 мл щелочи, то есть кислотность молока равна 17 оTh. Молозиво Рис. 2.44 Изменения состава коровьего молока после отела. 36 Первое молоко, которое дает корова после отела, называют молозивом. Оно очень отличается от нормального молока по составу и свойствам. Явной отличительной характеристикой молозива является высокое содержание в нем сывороточных белков – около 11% по сравнению с примерно 0,65% в нормальном молоке, как это отражено на рис. 2.44. Это приводит к свертыванию молозива при нагревании. Доминирующую часть его сывороточных белков составляют иммуноглобулины (в основном класса G), которые защищают теленка от инфекций до образования его собственной иммунной системы. Молозиво имеет желтовато-коричневатый цвет, специфический запах и довольно солоноватый привкус при высоком содержании каталазы и пероксидазы. Через 4–5 дней после отела корова начинает выделять молоко нормального состава, которое может быть смешано с другим молоком. Технология производства молочных продуктов/глава 2 Реология Для обеспечения соответствующего качества конечной продукции необходимо при проектировании установок для переработки пищевого сырья принимать во внимание целый ряд важных факторов. Одним из них, безусловно, является реологический аспект поведения сырья и продукции. В частности, в молочной промышленности имеются продукты, приготавливаемые из сливок и сквашенного молока, характеристики которых могут оказаться в той или иной мере ухудшенными, если не будет в достаточной степени изучена текучесть указанных продуктов. В связи с этим ниже приводится краткое изложение основ текучести некоторых типовых продуктов, выпускаемых молочной промышленностью. Технология производства молочных продуктов/глава 3 37 Определение реологии Реология определяется как наука о деформации и текучести веществ и материалов. Реология – наука о деформации и текучести веществ и материалов. Термин происходит от греческого слова “rheos” – “течение”. Реология применима к веществам и материалам, находящимся в любом физическом состоянии – от газообразного до твердого. Наука о реологии молодая – ей всего около 70 лет. Однако ее история является очень древней. В Книге судей в Ветхом Завете пророчица Девора провозглашает: “Горы текли перед Всевышним ...” В переводе на язык реологии по профессору М. Рейнеру (M. Reiner) это выражение означает, что все способно к течению, если только вы готовы ждать этого достаточно долго, что в свою очередь, безусловно, применимо и к реологии. То же было провозглашено и древнегреческим философом Гераклитом как “panta rei” – все течет. Основателем же реологии как науки в середине двадцатых годов начала века был профессор Рейнер вместе с профессором E. Бингамом (E. Bingham). Реология находит свое применение в пищевой науке для определения консистенции различных продуктов. Реологически консистенция характеризуется двумя понятиями – вязкостью (“густотой”, отсутствием скольжения) и эластичностью (“слипаемостью”, структурообразованием). Поэтому на практике реология означает измерение вязкости, описание поведения потока и определение структуры материалов. Основные знания по этим вопросам необходимы в технологии получения пищевых продуктов с улучшенными качествами. Реологическая характеристика материалов Одним из основных аспектов реологии является описание и классификация материалов и веществ. Например, нормальное стекло обычно считают твердым материалом, но при измерении толщины оконных стекол в старых церквах оказывается заметной разница в ее величинах сверху и снизу. Поэтому в действительности стекло течет, подобно жидкости, но только очень и очень медленно. Одним из характеристических показателей материала является его время релаксации, то есть время, необходимое для снятия внутренних напряжений в материалах и веществах за счет их текучести. Типовыми значениями этого времени для различных веществ являются: Газы Жидкости Твердые вещества <10–6 10–6–102 секунд секунд >102 секунд Другой способ реологического описания материалов и веществ находит свое отражение в терминах "вязкий", "упругий" и "упруго-вязкий". Газы и жидкости обычно описываются как вязкие текучие среды. Идеальная вязкая текучая среда не способна запасать какую-либо энергию деформации. И потому эта среда при приложении к ней напряжений подвергается необратимым деформациям; она течет, а энергия деформации в этом случае рассеивается в виде теплоты, вызывая повышение температуры. С другой стороны, твердые вещества в их нормальном состоянии описываются в качестве упругих тел. Идеальный упругий материал запасает всю энергию деформации с последующим полным выделением ее при снятии напряжений. В силу вышеизложенного, вязкую текучую среду можно охарактеризовать, скорее, как среду, которая сопротивляется деформационному действию, а не деформационному состоянию, в то время как упругий материал сопротивляется и деформационному действию, и состоянию, вызываемому этим действием. Рис. 3.1 Кривые, показывающие различия между вязкими, упруго-вязкими и упругими материалами и веществами, подвергаемыми деформации. Продолжительность деформирования в секундах. 38 Технология производства молочных продуктов/глава 3 Ряд материалов проявляет как вязкие, так и упругие свойства, то есть они запасают некоторую часть энергии деформации в своей структуре при потере другой ее части за счет текучести. Эти материалы называются упруго-вязкими, и именно они широко распространены среди пищевых продуктов. Сдвиг В реологии сдвиг вещества является ключом к пониманию структуры и процесса течения. Течение с поперечным градиентом скорости достигается при течении между параллельными плоскостями; ротационном течении между двумя коаксиальными цилиндрами, когда один из них неподвижен, а другой вращается; телескопическом течении между капиллярами и трубками и торсионном течении между параллельными пластинами. Чтобы иметь возможность изучить вязкость материала, сдвиг должен индуцировать его стационарное течение. Это течение происходит в виде перегруппировки и деформации частиц и с нарушением связей в структуре материала. Если мы хотим исследовать упругость (структуру) материала, то сдвиг должен быть очень мягким, не нарушающим эту структуру. Одним из способов достижения этого является приложение осцилляционного сдвига с достаточно низкой амплитудой, чтобы обеспечить возможность изучения ненарушенной структуры. Для определения таких основных понятий, как напряжение сдвига и коэффициент сдвига, которым соответствуют величина и скорость прилагаемой деформации, обычно используют сдвиг между параллельными плоскостями. Напряжение сдвига определяют следующим образом: F σyx = [Па] A F = сила, Н A = площадь, м2 Коэффициент сдвига имеет следующий вид: •γ = Рис. 3.2 Различные виды сдвига. Ньютоновские текучие среды Ньютоновские текучие среды имеют постоянную зависимость вязкости от температуры при независимости этой вязкости от коэффициента сдвига. Можно также сказать, что ньютоновские текучие среды имеют прямо пропорциональную зависимость между напряжением сдвига и коэффициентом сдвига в ламинарном потоке. Коэффициент пропорциональности при этом равняется вязкости вещества. Кривая текучести в координатах напряжения сдвига и коэффициента сдвига в этом случае является прямой линией с наклоном h. Кривая вязкости в координатах вязкости и коэффициента сдвига является прямой линией с константой, равной h. σyx = η • dv dy = h • g• Ньютоновскую текучую среду можно поэтому определять по однозначной величине вязкости при заданной температуре. Вода, минеральные и растительные масла и растворы чистой сахарозы являются примерами ньютоновских текучих сред. Вообще же текучие среды с низкой концентрацией, такие как цельное молоко и обезжиренное молоко, могут для практических целей считаться ньютоновскими текучими средами. = dv dy [1/с] Условная вязкость текучей среды имеет следующий вид: η = σ / γ• [Па•с] α dv • t A dv F dy Неньютоновские текучие среды Текучие среды, которые не обладают постоянным значением вязкости при определенной температуре, называются неньютоновскими. Вязкость этих сред всегда указывается одновременно с соответствующими значениями таких факторов, как температура и коэффициент сдвига. При изменении коэффициента Технология производства молочных продуктов/глава 3 dγ dt γ y z x Рис. 3.3 Определение напряжения и коэффициента сдвига основывается на сдвиге между параллельными плоскостями. 39 сдвига при постоянной температуре происходит изменение и вязкости. Вообще же говоря, высокая концентрация и низкая температура индуцируют или усиливают неньютоновский тип поведения текучей среды. Помимо зависимости от коэффициента сдвига вязкость текучей среды рассматриваемого типа может также зависеть и от времени. В этом случае она является функцией не только величины коэффициента сдвига, но и продолжительности, а также в большинстве случаев и частоты последовательных приложений сдвига. Стационарные неньютоновские текучие среды могут быть разжижаемыми при сдвиге, загустевающими при сдвиге или пластичными. Нестационарные неньютоновские среды можно определить как тиксотропные, реопектные или антитиксотропные. Поведение потока, разжижаемого при сдвиге Рис. 3.4 Кривые потоков ньютоновских и неньютоновских текучих сред. Вязкость текучей среды, разжижаемой при сдвиге (иногда также называемой псевдопластичной текучей средой), понижается с ростом коэффициента сдвига. К этой категории сред можно отнести большое число жидких пищевых систем. Зависимость вязкости от коэффициента сдвига может различаться между разными продуктами, а также для одной и той же жидкости в зависимости от ее температуры и концентрации. Основой поведения данного типа течения является деформация и/или перегруппировка частиц среды при повышенном коэффициенте сдвига, приводящие к понижению ее сопротивления текучести и отсюда к пониженной вязкости. Типичными примерами таких текучих сред являются сливки, концентраты соков, шампуни и заправки для салатов. Необходимо заметить, что, в то время как растворы сахарозы проявляют свойства ньютоновских жидкостей, не зависящие от концентрации, сгущенные фруктово-ягодные соки всегда обладают ярко выраженным неньютоновским поведением. Поведение потока, загустевающего при сдвиге Вязкость текучей среды, загустевающей при сдвиге, повышается с ростом коэффициента сдвига. Этим типом поведения обладают обычно суспензии с очень высокой концентрацией. Текучая среда, загустевающая при сдвигах, имеет свойства дилатантного течения, при котором растворитель действует в качестве смазки между частицами при низких коэффициентах сдвига, но выдавливается при повышенных их значениях, что приводит к более плотной укладке этих частиц. Типичными примерами таких систем являются влажный песок и концентрированные суспензии крахмала. Рис. 3.5 Кривые вязкости ньютоновских и неньютоновских текучих сред. Поведение пластичного течения Текучая среда, обладающая пределом текучести, называется пластичной средой. Практическим результатом этого типа поведения течения является то, что в данном случае необходимо приложить значительное усилие, прежде чем вещество не начнет течь, подобно жидкости (часто это явление называют эффектом кетчупа). Если прилагаемая сила меньше, чем сила, соответствующая пределу текучести, вещество запасает энергию деформирования, то есть проявляет упругие свойства и потому ведет себя как твердое тело. Но сразу же после превышения предела текучести вещество в жидком состоянии может течь, подобно ньютоновской жидкости, которую тогда называют бингамской пластичной жидкостью, или оно может течь, подобно жидкости, разжижаемой при сдвиге, которую в этом случае называют вязкопластичной жидкостью. Типичными примерами пластичных сред являются творог, томатная паста, зубная паста, крем для рук, некоторые кетчупы и топленый животный жир. Поведение тиксотропного течения Рис. 3.6 Кривые потоков нестационарных неньютоновских текучих сред. 40 Тиксотропную текучую среду можно описать как разжижаемую при сдвигах систему, у которой вязкость понижается не только с ростом коэффициента сдвига, но и со временем при постоянном коэффициенте сдвига. Свойства тиксотропного течения обычно изучают в опытах, проводимых по замкнутому циклу. В этих опытах исследуемый материал подвергают воздействиям сдвига с возрастающим его коэффициентом с последующим воздействием сдвига с теми же коэффициентами, но уже в порядке уменьшения. Зависимое от времени поведение тиксотропного течения проявляется в возникновении разности между восходящими и нисходящими кривыми вязкости и напряжения сдвига. Для восстановления структуры материал должен быть оставлен в покое в течение Технология производства молочных продуктов/глава 3 некоторого промежутка времени, который является характерным для каждого конкретного материала. Свойствами этого типа течения обладают все гелеобразующие системы. Типичными примерами тиксотропных текучих сред являются йогурт, майонез, маргарин, мороженое и некоторые краски. Типичными примерами пластичных текучих сред являются йогурт, майонез, маргарин, мороженое. Поведение реопектного течения Реопектная текучая среда является вариантом тиксотропной среды с важным для нее дополнением, состоящим в том, что свою структуру она восстанавливает полностью только при малом коэффициенте сдвига. Это означает, что реопектная среда не будет восстанавливать свою структуру при оставлении ее в покое. Поведение антитиксотропного течения Антитиксотропное течение может быть описано как система, загустевающая при сдвиге, то есть система, в которой вязкость повышается не только с повышением коэффициента сдвига, но также и со временем при постоянном коэффициенте сдвига. Так же как и для тиксотропных текучих сред, свойства данного течения проявляются в опытах, проводимых по замкнутому циклу. Этот тип течения практически не встречается среди пищевых продуктов. Модели поведения течений Имеется несколько моделей для математического описания поведения течений неньютоновских систем. Их примерами являются модели Оствальда (Ostwald), ГершелаБалкли (Herschel-Bulkley), Штейгер-Ори (Steiger-Ory), Бингама (Bingham), Эллиса (Ellis) и Эйринга (Eyring). Эти модели соотносят сдвиговое напряжение текучей среды с коэффициентом сдвига, давая возможность рассчитывать кажущуюся вязкость, как всегда, в виде отношения напряжения сдвига к коэффициенту сдвига. Рис. 3.7 Кривые вязкости для нестационарных неньютоновских текучих сред. Уравнение степенного закона Самой обобщенной моделью является модель Гершела-Балкли, называемая также обобщенным степенным уравнением, в принципе являющимся расширенной моделью Оствальда. Основным преимуществом этого уравнения является его применимость к огромному числу неньютоновских текучих сред при широком интервале коэффициентов сдвига. К тому же данное уравнение хорошо пригодно для математической обработки, например, при расчетах процессов падения давления и теплопереноса. Рассматриваемое обобщенное степенное уравнение применимо к пластичной текучей среде, так же как и к средам, загустевающим и разжижаемым при сдвиговых напряжениях, и имеет следующий вид: (σ – σ0) = K • •γ n где σ = σ0 = K = γ = n = напряжение сдвига, Па предел текучести, Па показатель консистенции, Па⋅сn коэффициент сдвига, с–1 показатель поведения течения, безразмерный Соответствующая модификация этого уравнения делает возможным преобразовать его для выражения каждого из типов поведения течения. Для ньютоновских текучих сред обобщенное уравнение выглядит следующим образом (K = h, n = 1): σ = K • γn = η •• γ Рис. 3.8 Кривые для течения и вязкости по степенному уравнению для разжижаемой текучей среды. Для пластичной текучей среды степенное уравнение применяют в его полном обобщенном виде для вязкопластичного поведения при n < 1 и для бингамского пластичного поведения при n = 1. Технология производства молочных продуктов/глава 3 41 Для текучих сред с загустеванием или разжижением при сдвиге обобщенное уравнение приобретает вид: • σ = K • γn где cоответственно n < 1 и n > 1. Для текучих сред, обладающих временной зависимостью, что на практике означает тиксотропную среду, математические модели описания их реологического поведения в общем намного сложнее, чем уже рассмотренные нами. Поэтому эти текучие среды часто описываются при помощи независимых от времени технических вязкостей, которые обычно хорошо совместимы со степенным уравнением. Типовые данные Ниже представлены типовые данные по коэффициенту сдвига, вязкости, степенным показателям (индексам n и K) и пределу текучести при комнатной температуре (за исключением расплавленных полимеров и расплава стекла). Коэффициент сдвига Вязкость Величины n и K Предел текучести Осаждение Пережевывание Перемешивание Перекачивание насосом Распыление Трение 10–6 – 10–4 101 – 102 101 – 103 с–1 с–1 с–1 102 103 104 с–1 с–1 с–1 Воздух Вода Оливковое масло Глицерин Сироп Расплавленные полимеры Расплав стекла Стекло – 103 – 104 – 105 10–5 10–3 10–1 100 102 Па⋅с Па⋅с Па⋅с Па⋅с Па⋅с 103 1012 1040 Па⋅с Па⋅с Па⋅с Концентрат сока Расплав шоколада Сквашенное молоко Обезжиренный творог Яблочное пюре Томатная паста Технический жир n=0,7 n=0,5 n=0,3 K K K = = = 2 50 3 Па⋅сn Па⋅сn Па⋅сn n=0,3 n=0,3 n=0,2 n=0,1 K K K K = 4 = 10 = 70 = 1000 Па⋅сn Па⋅сn Па⋅сn Па⋅сn Кетчуп Горчица Майонез 14 38 85 Па Па Па Единицей вязкости является Па⋅с (Паскаль-секунда), равная 1000 мПа„с или 1000 сП (сантипуаз). Пожалуйста, учтите также, что все приведенные величины вязкости должны рассматриваться только в качестве примеров (при комнатной температуре) и НЕ могут быть использованы в расчетах. Измерительное оборудование Основными типами вискозиметров являются ротационные и капиллярные вискозиметры. Первые из них могут быть шпиндельными, плоскоконическими, работающими по методу сдвига параллельных пластин и с коаксиальными цилиндрами. Примерами последнего варианта являются вискозиметры Сирля (Searle) с вращающимся внутренним цилиндром и Куэтта (Cuette) – с вращающимся внешним цилиндром. 42 Технология производства молочных продуктов/глава 3 Капиллярные вискозиметры могут быть атмосферными или работающими под давлением. Вообще говоря, с ротационными вискозиметрами легче работать, и они обладают большей технологической гибкостью по сравнению с капиллярными вискозиметрами. С другой стороны, капиллярные вискозиметры более точны при низких вязкостях и высоких коэффициентах сдвига. Измерение неньютоновских текучих сред требуют приборов с достаточно точно заданными величинами коэффициента сдвига, то есть в которых сдвиг происходит в узком зазоре и с небольшим градиентом коэффициента сдвига. Это основное требование исключает применение вискозиметров со слишком большим или даже неопределенным зазором, что характерно для вискозиметров шпиндельного типа. Необходимо строго подчеркнуть, что результаты измерений вязкости неньютоновских текучих сред, проведенных при неопределенных или выходящих за рамки некоторых пределов коэффициента сдвига, не должны использоваться в качестве основы для количественного анализа величин вязкости или реологических параметров. Ротационные вискозиметры могут быть переносными или стационарными. Переносные приборы имеют обычно противоударный корпус, снабженный всеми необходимыми принадлежностями. Они обычно приспособлены для работы вручную, хотя некоторые изготовители обеспечивают возможность их подключения к персональным компьютерам. Стационарные приборы в настоящее время обычно управляются компьютером с целью автоматизации последовательности измерений и оценки получаемых данных. Программное обеспечение предусматривает возможность ввода ряда реологических моделей, построения кривых текучести и тому подобное. Ротационного вискозиметра обычно недостаточно для проведения полного реологического анализа – например, при изучении распада структуры йогурта. Этот тип анализа требует применения более сложного прибора, называемого реометром. С этим прибором, работающим на основе крутильных колебаний или осцилляций, а не вращения, текучую среду можно анализировать реологически без нарушения ее структуры. Типичным примером применения такого реометра является исследование вязкоупругих текучих сред для раздельного определения их вязкости и упругих свойств. Обычные вискозиметры и реометры не должны применяться для исследования веществ с очень высокой вязкостью, таких как масло, сыр, растительные жиры и так далее. Вместо них возможно использование некоторых типов пенетрометров, которые, однако, не могут быть использованы для получения научных реологических данных. Пенетрометр способен предоставлять лишь эмпирическую информацию. Вискозиметр шпиндельного типа Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами Вискозиметр с двумя конусами и дисками Вискозиметр с конусом и дисками Вискозиметр с двумя параллельными пластинами Вискозиметр с двумя конусами Рис. 3.9 Принципы работы различных типов вискозиметров. Методы измерений Измерения вязкости всегда надо проводить в интервалах коэффициентов сдвига и температур, соответствующих изучаемому процессу. Поэтому до проведения измерений необходимо рассмотрение предполагаемого применения получаемых данных. Например, будут ли данные по вязкости использованы при конструировании глубокого охладителя или нагревательной секции стерилизатора. Также очень важным является точное измерение температуры и поддержание ее постоянства во время всего процесса измерений вязкости. Изменение температуры на 3оС может привести к изменению вязкости по крайней мере на 10%. Для повышения точности оценки данных измерения необходимо проводить при возможно большем разнообразии коэффициентов сдвига и температур. Кроме того, необходимо учитывать влияние тепловых воздействий на получаемые результаты. Например, вязкость состава, содержащего крахмал, набухающий при нагревании, имеет величины, значительно отличающиеся между собой при получении их до и после достижения температуры набухания крахмала. Технология производства молочных продуктов/глава 3 G' = модуль упругости G'' = коэффициент вязкости d = угол сдвига фаз h' = динамическая вязкость Рис. 3.10 Пример результатов реологического анализа. 43 Помимо этого, необходимо принимать во внимание условия и временные факторы хранения продуктов. Реологические свойства многих продуктов изменяются со временем и, если, например, получаемые данные по вязкости предполагается использовать для разработки технологического процесса, измерения вязкости необходимо проводить в условиях, близких, насколько это возможно, к реальным условиям этого процесса. Расчеты падения давления Ниже приведены некоторые полезные уравнения расчета падения давления и коэффициента сдвига в ламинарном потоке в трубопроводах с круглым и прямоугольным сечением. Все эти уравнения имеют в своей основе вышеприведенное степенное уравнение (2), так как большинство пищевых систем в технологических условиях могут быть описаны именно этим уравнением. Приводимые ниже уравнения справедливы как для ньютоновских, так и для неньютоновских текучих сред в зависимости от применяемой в расчетах величины n: для сред, разжижаемых при сдвиге (псевдопластичных) n < 1; для ньютоновских жидкостей n = 1 и для сред, загустевающих при сдвиге (дилатантных) n > 1. Трубопроводы круглого сечения Зависимости между скоростью течения и падением давления и между скоростью течения и коэффициентом сдвига у стенки трубопровода круглого сечения имеют следующий вид: Q = ∆p = γ•w = ( n 3•n+1 ) 3 • p r • ( r • ∆p 2•L•K 1/n ) или Параметры: Q – расход, м3/c r – радиус трубопровода, м ∆p – падение давления, Па L – длина трубопровода, м •γ – коэффициент сдвига w у стенки, с–1 n – показатель реологического поведения течения K – показатель консистенции, Па⋅c n n ( 3•n+1 n )( p • h3 ) ( 3•n+1 n )( Q p • r3 ) • Q • 2•L•K r и • Трубопроводы прямоугольного сечения Соответствующие уравнения для трубопроводов прямоугольного сечения имеют следующий вид: Новыми параметрами являются: w – ширина трубопровода, м h – высота трубопровода, м 44 Q = ∆p = •γ w = ( ( ( n 4•n+2 4•n+2 n 2•n+1 n 1/n ) ( ) )( ) )( ) • w • h2 • n • Q w • h2 • Q w • h2 h • ∆p 2•L•K n • 2•L•K h Технология производства молочных продуктов/глава 3 Микроорганизмы Наука о микроорганизмах называется микробиологией. Предметом микробиологии является изучение микроорганизмов. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Ph ot o: Голландец А. ван Левенгук, 1632–1723, самоучка сконструировал микроскоп, при помощи которого смог наблюдать за бактериями. Левенгук был назван “отцом микроскопии”. Л. Пастер, 1822–1895, французский химик, изобрел способ термообработки, который теперь называют пастеризацией. Р. Кох, 1843–1910, немецкий физик и лауреат Нобелевской премии по медицине за 1905 год; открыл патогенные (инициирующие заболевания) микроорганизмы, такие как туберкулезные бациллы и холерные бактерии. Кроме того, он предложил остроумные и простые методы безопасного исследования этих организмов. IBL Некоторые вехи истории развития микробиологии Луи Пастер, изобретатель пастеризации. 45 А. Флеминг, 1881–1955, британский микробиолог, профессор и лауреат Нобелевской премии по медицине за 1945 г., открыл пенициллин, который эффективен против многих микроорганизмов, за исключением некоторых – например, вызывающих туберкулез. С. Ваксман, 1888–1973, американский миколог, микробиолог и лауреат Нобелевской премии 1952 года по медицине; открыл стрептомицин, который является эффективным средством в борьбе против многих микроорганизмов, включая возбудителей туберкулеза. Рис. 4.1 Микроорганизмы могут быть обнаружены повсюду: в воздухе, в почве, и в воде. Классификация: одноклеточные Преобладающая часть живой природы делится на царство животных и царство растений. Поскольку микроорганизмы не примыкают ни к одному из них, они относятся вместе с водорослями, простейшими и вирусами к третьему царству – так называемых одноклеточных. Изучение микробиологии охватывает несколько типов микроорганизмов. Исследованием бактерий специально занимается бактериология, грибов – микология, а вирусов – вирусология. Микроорганизмы обнаруживаются повсюду – в атмосфере, в воде, на растениях, в животных и в почве. В природе микроорганизмы играют очень важную роль, поскольку они разлагают органические вещества. Некоторые микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, применяются во многих процессах пищевой промышленности при получении таких продуктов, как сыр, йогурт, пиво и вино, а также при получении кислот для сохранения продуктов. Биотехнология Понятие “биотехнология”, обозначающее технологию применения биологических процессов, появилось не так давно. В действительности же биотехнология имеет историю, которая зародилась на тысячи лет раньше современных научных дисциплин, таких как микробиология, биология и технология переработки сырья. До конца XIX века эти процессы были связаны с пищевыми продуктами, и прежде всего с сохранением этих продуктов. Микробиологические процессы до сих пор играют значительную роль в пищевой промышленности, а биотехнология в современном смысле этого слова в основном связана с промышленным использованием свойств живых клеток или их компонентов для получения различной продукции, особенно эффективных медикаментов, таких как гормоны и некоторые вакцины. Для осуществления этого необходимо использовать знание таких биологических наук, как биохимия, микробиология, биология клеток, молекулярная биология, а также технологическое оборудование, технологические процессы, сепарационную технологию, методы анализа и тому подобное. Данная глава имеет дело в основном с микроорганизмами, связанными с молоком и его переработкой, но касается также и специфических вирусов, называемых бактериофагами. Эти организмы вызывают 46 Технология производства молочных продуктов/глава 4 серьезные проблемы в процессах получения продуктов, в которых микроорганизмы необходимы для придания этим продуктам нужных вкусовых качеств, текстуры и других показателей. Морфология бактерий Слово “морфология” состоит из греческих слов “морфо” (форма) и “логия” (изучение) и потому означает изучение формы (в данном случае бактерий). Предмет морфологии составляют форма, размеры, структура клеток, подвижность (способность к перемещению в жидкости) и образование спор и капсул. • •• • •• •••• • • ••• • • • • • • ••• • • •• • • •••• • • • •• • • •• • •• • • • •••••• •• • • •• • •• •••• • • • • ••• • • • • • • ••• • • •• • • • • •• •••• • • ••• • • • • • • ••• • • •• • • •• • •• •••• • •• • • • • • • • •• ••• • • • • • ••• • • •• • • • ••• ••••• • •• •••• •• •• • • •• • • • • ••• •• •• • • • •• • • • • ••• • • •• • • •• •• •• •• • ••••••••••• ••••• Бактерии являются одноклеточными организмами, размножающимися обычно делением надвое, то есть расщеплением пополам. Самым простым методом классифицирования бактерий является классифицирование по их внешнему виду. Но для того чтобы видеть бактерии, их нужно прежде всего окрасить и затем исследовать под микроскопом приблизительно с 1000-кратным увеличением. Наиболее распространенный метод окрашивания бактерий был внедрен датским бактериологом Грамом и называется окрашиванием по Граму. Бактерии делятся на две основные группы в соответствии с характеристиками их окрашивания этим методом – грамотрицательные при окрашивании их в красный цвет и грамположительные при окрашивании в синий цвет. •• • ••••••• ••••••••••••• •• • •• •••••••••• • • •• ••••• • •• •• • •• •• •• •• • ••••••••••• ••••• Бактерии Рис. 4.2 Сферические бактерии (кокки) встречаются в различных вариациях. Форма бактерий Можно различить три характерных типа формы бактерий: сферическую, палочкообразную и спиральную. Взаимное расположение бактерий относительно друг друга тоже является важной характеристикой для их различения. Бактерии-диплококки располагаются попарно, стафилококки образуют скопления (по-гречески staphylon означает гроздь винограда), в то время как стрептококки формируют цепочки (по-гречески streptos означает цепь). См. рис. 4.2. Палочкообразные бактерии (бациллы) разнообразны по длине и толщине. Они также образуют цепи. Спиральные бактерии (spirilla) тоже имеют различную длину и толщину, а также переменное число изгибов (см. рис. 4.3). Рис. 4.3 Палочкообразные и спиральные бактерии. Размер бактерий Кокки имеют размеры в интервале 0,4–1,5 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Длина бацилл варьируется от 1 до 10 мкм, хотя некоторые их виды могут быть и более крупными, и более мелкими. Структура бактериальных клеток Подобно всем другим клеткам, бактериальная клетка, изображенная на рис. 4.4, содержит полужидкую и обогащенную белками субстанцию, называемую цитоплазмой. Цитоплазма содержит рибосомы, в которых происходит биосинтез белков, и ферменты, которые принимают участие во внутриклеточных метаболических процессах. В цитоплазме можно также обнаружить резервные компоненты, такие как жир и гликоген. Каждая клетка обладает ядерным веществом (ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислотой), несущим генетическую информацию, регулирующую ее жизнь и воспроизведение. В клетках более высокоразвитых животных и растений ядро, в отличие от бактериального нуклеоида, окружено мембраной. Ядро и основное вещество клетки вместе образуют протоплазму. Цитоплазма окружена цитоплазматической полупроницаемой мембраной, выполняющей многие жизненные функции, в том числе регулирование обмена солей, питательных веществ и продуктов метаболизма между клеткой и окружающей средой. Эта мембрана в свою очередь заключена в собственно оболочку клетки. Данная оболочка служит “скелетом” бактерии, придавая ей Технология производства молочных продуктов/глава 4 Рис 4.4 Схематическое изображение бактериальной клетки. 47 определенную форму. Она может быть окружена снаружи более или менее слизистым слоем, который при большой толщине называется капсулой. Эта слизь имеет сложный состав. Она содержит комплекс полисахаридов с ацетильными и аминогруппами, полипептидов или белков. Пили являются структурами, служащими для прикрепления к поверхностям (бактерий, эпителию кишечника, различных устройств и так далее). Некоторые бактерии способны к спорообразованию (смотрите раздел “Спорообразование и образование капсулы”). Подвижность микроорганизмов Рис. 4.5 Жгутики могут быть распределены по всей поверхности бактериальной клетки или локализованы на одном или обоих ее концах. Сапрофиты – это микроорганизмы, живущие на мертвых органических остатках. Паразиты – это микроорганизмы, живущие в живых животных и растениях. Круглые Элипсоидные Овальные Спорообразование и образование капсулы Спора является формой защиты бактерий от неблагоприятных условий, таких как нагревание и холод, присутствие дезинфектантов, отсутствие влаги или питательных веществ. Некоторые типы спорообразования проиллюстрированы на рис. 4.6. Только небольшое число видов бактерий образуют споры, наиболее известными из них являются Bacillus и Сlostridium. При неблагоприятных условиях эти микроорганизмы собирают вместе ядерное вещество и некоторые питательные резервы на одном участке клетки и образуют жесткое покрытие, защищающее ядерное вещество. В процессе спорообразования родительская клетка может сохранять свою исходную форму или претерпевать некоторые изменения. В зависимости от места расположения спора бактериальная клетка может набухать по краям или в середине. При спорообразовании вегетативная часть бактериальной клетки отмирает. Эта клетка в конце концов растворяется, и спора высвобождается. Спора прорастает в вегетативную клетку снова и начинает воспроизведение, когда условия вновь становятся благоприятными. Метаболизм в спорах не происходит. Они могут существовать годами в сухом воздухе и обладают большей по сравнению с бактериями сопротивляемостью химическим стерилизующим агентам, антибиотикам, сушке и ультрафиолетовому излучению. Они также обладают термоустойчивостью – 100%-ная уверенность в их гибели наступает лишь после нагревания спор в течение 20 минут при 120°С. Однако в вегетативном состоянии спорообразующие бактерии точно так же, как и другие бактерии, гибнут после кипячения при температуре 100°С в течение нескольких минут. Некоторые бациллы и кокки окружены капсулой из очень развитой слизи. Хотя она не защищает их в такой же степени, как споры, она может обеспечить им некоторую защиту при высушивании. “Случайное” или “направленное” распространение подобных организмов в молоке делает его вязким и слизистым. В обоих случаях это явление придает молоку “липкость”. Цилиндрические Условия для бактериального роста Почкообразные Питательные вещества Серпообразные Рис. 4.6 Различные типы спорообразования бактерий. 48 Некоторые кокки и большинство бацилл способны перемещаться в жидкой питательной среде. Перемещения бактерий осуществляются при помощи жгутиков, которые имеют вид отростков, выступающих из цитоплазматической мембраны (см. рис. 4.5). Длина и число жгутиков зависит от вида микроорганизмов. Обычно бактерии передвигаются на расстояние, равное 1-10 от размера бактерии за 1 секунду. Холерные бактерии двигаются с еще большей скоростью, они могут перемещаться за 1 секунду на расстояние, в 30 раз превосходящее их длину. Бактериям для роста необходимы определенные питательные вещества. Потребность в них широко меняется в зависимости от рода бактерий. Основными источниками питания бактерий являются органические соединения, такие как белки, жиры и углеводы. Кроме того, для их роста и размножения в незначительных количествах необходимы микроэлементы и витамины. Микроорганизмы, развивающиеся на мертвых органических остатках, называются сапрофитами, а те, которые существуют в живых организмах (в животных и растительных тканях), называются паразитами. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Органические вещества, играющие роль материала для создания клеток, являются также и носителями необходимой энергии. Они должны быть водорастворимыми и иметь низкую молекулярную массу, то есть должны быть расщеплены до очень маленьких молекул, чтобы быть способными проходить через цитоплазматическую мембрану и усваиваться бактериями. Следовательно, бактериям необходим доступ к воде. В связи с этим нам необходимо ввести понятие “водная активность” аw, означающая отношение давления водяных паров продукта к давлению паров чистой воды при одной и той же температуре. При равенстве давления паров продукта и паров атмосферы наступает равновесие системы. Давление пара находится в соответствии с содержанием воды, которое различно для разных пищевых продуктов в зависимости от относительных количеств свободной и связанной воды. Бактерии не могут развиваться нормально при аw < 0,9. Для дрожжей этот показатель при прекращении их роста составляет < 0,88, а для плесеней < 0,8. Однако низкая величина аw не подавляет ферментную активность микроорганизмов. При получении сухого молока максимальное водосодержание различных его видов должно быть отрегулировано так, чтобы оно могло сохраняться в течение продолжительного периода времени без порчи. Это означает, что величина аw должна быть меньше 0,8 (обычно ниже 0,2–0,3). Микроорганизмы питаются при помощи секретирования ферментов в окружающий их питательный субстрат. Ферменты вызывают распад сложных нерастворимых веществ на простые растворимые вещества, способные пройти через оболочку клеток. Количество и типы ферментов, продуцируемых данным микроорганизмом, определяют, какие компоненты сырья и до какой степени он сможет разложить. Некоторые микроорганизмы не обладают способностью выделять ферменты, вызывающие внеклеточный распад необходимых веществ. Они должны иметь дело с продуктами распада, созданными другими микроорганизмами. Такое взаимоотношение, которое обеим сторонам приносит выгоду, называется симбиозом. Процесс же, при котором один организм продуцирует вещества, оказывающие ингибирующее действие на другие организмы, называется антибиозом. Величина aw рассчитана по формуле aw = p/po где р – давление паров сырья при температуре в о С, а ро – давление паров воды при той же температуре. Симбиоз – постоянный союз организмов, каждый из которых зависит от существования другого. Антибиоз – сосуществование, при котором один из организмов продуцирует вещества, подавляющие рост другого организма. Прохождение веществ через цитоплазматическую мембрану Бактериальные клетки могут поддерживать относительное внутреннее постоянство среды при изменяющихся внешних условиях, регулируя равновесие между водой, минеральными и органическими веществами. Многие органические и неорганические ионы присутствуют при разных концентрациях внутри клеток и в окружающей среде. Клетки нуждаются в постоянной подаче органических и неорганических внешних питательных веществ для биопроцессов, а также в удалении отходов метаболических процессов, и т.д. Между клетками и окружающей средой происходит поэтому постоянный обмен веществами. Этот обмен идет через цитоплазматическую мембрану, которая является полупроницаемой, а также обладает выборочной пропускной способностью, то есть действует в обоих направлениях в качестве барьера против определенных веществ. Например, растворитель проходит через нее намного легче, чем растворенное вещество. Проход через эту мембрану может быть пассивным или активным. Клетка сама должна подавать энергию для обеспечения прохода необходимых веществ. С другой стороны, пассивные процессы активируются силами из среды, окружающей клетку. В этом контексте важны осмотические силы. В активных процессах именно метаболическая энергия клеток обеспечивает подачу энергии, необходимую для прохода веществ. Температура Температура является самым мощным общим фактором, воздействующим на рост, репродукцию и распад пищевых продуктов. Бактерии могут развиваться только в определенных интервалах температур, меняющихся в зависимости от вида бактерий. В принципе бактерии могут расти в интервале от температуры замерзания воды до температуры, при которой коагулирует белок протоплазмы. Где-то между минимальной и максимальной температурами, то есть нижним и верхним пределами выживаемости бактерий находится оптимальная температура, при которой бактериальный штамм развивается наиболее активно. Температуры ниже минимальной могут подавить рост бактерий, но не вызывать их гибель. Бактерии могут существовать в течение 10 часов при –250°С. Однако они могут быть повреждены повторяющимися процессами замораживания и оттаивания. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Рис. 4.7 Температурные условия бактериального роста. 49 Жизненные функции бактерий приостанавливаются почти полностью при температуре, близкой к температуре замерзания воды, потому что клетки обладают высоким содержанием воды, которая при этом замерзает. Когда это происходит, бактерии не могут больше впитывать питательные вещества через клеточную мембрану. При повышении температуры выше максимальной бактерии быстро погибают от нагревания. Большинство бактерий гибнут при 70°С в течение нескольких секунд, но некоторые бактерии выдерживают нагревание при 80°С в течение 5 минут, даже не образуя спор. Для подавления бактериальных спор необходимо значительно больше тепловой энергии, при этом сухое тепло эффективнее влажного. Обработка паром при 120°С в течение 30 минут вызывает распад всех спор, в то время как при сухом тепле для 100%-ного распада спор бактерии необходимо выдерживать при 160°С в течение 2 часов. Классификация бактерий по температурным зонам роста Микроорганизмы могут быть разделены по предпочтительным для них температурным интервалам на следующие категории: Психротрофные (толерантные к холоду) микроорганизмы являются психрофильными или мезофильными штаммами, которые могут размножаться при 7°С и ниже, вне зависимости от оптимальной температуры. Психрофильные (холодолюбивые) микроорганизмы имеют оптимальную температуру роста ниже 20°С. Мезофильные (любящие золотую середину) бактерии имеют оптимальную температуру роста в пределах 20–44°С. Термофильные (теплолюбивые) бактерии имеют оптимальную температуру роста в пределах 45–60°С. Строгие или облигатные термофилы выдерживают высокие температуры – выше 70°С. Они не растут и не репродуцируются при высоких температурах, но могут выдерживать их, не погибая. Психротрофные бактерии представляют особый интерес для молочного производства, так как температурные режимы хранения молока на ферме и молока, поступившего в продажу, обычно составляют около 7°С и ниже. Влага Рис. 4.8 Классификация микроорганизмов по их предпочтительным интервалам температур. Микроорганизмы не могут расти при отсутствии воды. Как было упомянуто раньше, бактериальный рост подавляется при aw < 0,9. Многие бактерии при высушивании быстро погибают, в то время как другие могут выдерживать его в течение нескольких месяцев. Бактериальные споры могут сохраняться в высушенном состоянии годами. Так как микроорганизмы нуждаются в активной форме воды, этот факт может быть использован для регулирования их роста. Примером этого является сушка, то есть удаление воды. Микроорганизмы растут очень хорошо при 20%-ном содержании активной воды. Понижение этого содержания до 10% ограничивает рост, а при содержании активной влаги менее 5% микроорганизмы (за исключением плесеней) прекращают расти. Кислород Аэробным микроорганизмам для развития необходим свободный доступ кислорода (воздуха). 50 Многие микроорганизмы нуждаются в свободном кислороде для окисления питательных веществ с целью накопления энергии и обеспечения жизненных процессов. При полном окислении органических соединений образуются углекислый газ и вода. Микроорганизмы, способные расти при доступе кислорода, называются аэробными. Другие типы микроорганизмов получают энергию от питательных веществ при полном отсутствии кислорода и потому называются анаэробными. Некоторые микроорганизмы способны расти как при доступе кислорода, так и при его отсутствии. Такие бактерии называются факультативными анаэробами. Анаэробные и факультативно анаэробные бактерии обычно получают энергию путем ферментации органических соединений. Химически это означает неполное окисление, приводящее к образованию продуктов, являющихся органическими отходами, как, например, молочная кислота из лактозы. Так как большинство микроорганизмов используют кислород из воздуха, то они являются аэробными. Поэтому удаление кислорода (воздуха) является средством регулирования или подавления их роста. Примерами этого могут быть упаковка под вакуумом, упаковка в газовой среде и применение материалов, препятствующих проникновению воздуха. Анаэробные микроорганизмы погибают при выдерживании их в течение некоторого времени в среде атмосферного кислорода (воздуха). Технология производства молочных продуктов/глава 4 Свет Свет не является необходимым условием для существования большинства бактерий, так как они не содержат хлорофилла и не синтезируют питательных веществ тем же путем, что и растения. Наоборот, свет способен вызывать гибель микроорганизмов при содержании в нем ультрафиолетовых лучей, вызывающих химические изменения в структуре ДНК и белка клеток. Многие организмы гибнут под действием прямого солнечного света, а ультрафиолетовый свет часто применяют для стерилизации атмосферы в заквасочных отделениях. Однако его не применяют для стерилизации пищевых продуктов, так как он может привести к их химическим изменениям. Осмотическое давление Микроорганизмы не выносят крепких растворов сахара или соли, так как они создают высокое осмотическое давление. Под воздействием таких растворов происходит удаление воды из микробных клеток, то есть их дегидратация. Осмотическое давление применяют в качестве средства для сохранения пищевых продуктов – например, плодово-ягодных варений (джемов), соленой рыбы и сгущенного молока с сахаром. Кислотность Микроорганизмы не переносят концентрированную кислую и щелочную среду. Микроорганизмы предпочитают pH, близкий к нейтральному (6,8–7,4). Плесени же предпочитают pH 4,5 или ниже. Свежему молоку соответствует кислотность обычно в пределах pH 6,5–6,7, а сквашенное молоко обладает pH 4,6 и ниже. Размножение микроорганизмов Бактерии обычно размножаются бесполым путем – простым делением, показанным схематически на рис. 4.9. Сначала бактериальная клетка увеличивается в размерах. Затем ядерный материал собирается в одном участке клетки и разделяется на две идентичные части. Эти части раздвигаются друг от друга, а оболочка клетки складывается и разрастается внутрь. При соприкосновении участки оболочки сливаются вместе, вызывая образование двух клеток, которые могут разъединиться или оставаться вместе с возникновением различных образований, имеющих, однако, общие свойства. Тип образования новых клеток обычно относительно постоянен для данного вида бактерий и поэтому используется для описания различных видов бактерий. Рис. 4.9 Бактерии обычно размножаются бесполым делением. Формула скорости размножения бактерий N = N0 x 2 Скорость размножения При благоприятных условиях деление бактериальных клеток может происходить с интервалами в 20–30 минут. Скорость размножения может быть рассчитана по формуле, приведенной справа. При оптимальной температуре и при времени генерации 0,5 часа единственной бактерии в 1 мл молока количество бактериальных клеток составит 1 млн в 1 мл за 10 часов. При оптимальных условиях питания число бактерий может достигать 100–1000 млн в 1 мл. На этой стадии скорость роста будет подавляться недостатком питательного субстрата и накоплением токсичных отходов метаболизма. В конце концов размножение приостанавливается, и большинство бактерий погибает. В реальности рост бактерий в пищевых продуктах ограничивают или замедляют такие неблагоприятные условия, как низкая температура хранения или низкая кислотность (рН). t g N – количество бактерий в 1 мл в момент времени t N0 – количество бактерий в 1 мл в начале отсчета t – продолжительность роста в часах g – период, в течение которого осуществляется деление клетки, в часах Кривая бактериального роста На рис. 4.10 представлена кривая роста бактерий, перенесенных на субстрат посредством инокуляции. Началу размножения предшествует некоторая задержка, так как бактерии должны сначала адаптироваться к новой среде. Эту фазу развития (а) называют лаг-фазой. Лаг-фаза также имеет место при развитии культуры микроорганизмов, которая находилась в состоянии покоя (например, сохранялась при низких температурах). Продолжительность лаг-фазы зависит от количества микроорганизмов, которые в момент инокуляции находились в заторможенном состоянии. Если применяются жизнеспособные, растущие бактерии, для которых не требуется период адаптации, они сразу начинают размножаться. Технология производства молочных продуктов/глава 4 51 После лаг-фазы бактерии быстро размножаются в течение первых нескольких часов. Фазу (b) называют логфазой, потому что размножение идет по логарифмической зависимости. В то же самое время в культуре накапливаются токсичные продукты метаболизма. Поэтому скорость размножения постепенно падает с одновременной и постоянной гибелью бактерий, так что между гибелью старых клеток и образованием новых достигается состояние равновесия. Эта фаза (с) называется стационарной фазой. На следующей фазе (d) образование новых клеток прекращается полностью, а существующие клетки Рис. 4.10 Кривая роста бактериальной популяции. постепенно гибнут. Наконец, культура практически вымирает. Эту фазу называют стадией а Лаг-фаза отмирания. b Лог-фаза Форма кривой (продолжительность различных фаз и градиент кривой в каждой фазе) изменяется с Стационарная фаза в зависимости от температуры, подачи питательных веществ и других параметров роста. d Фаза отмирания Биохимическая активность Наиболее важными биохимическими и ферментными системами в молочных продуктах являются те, которые выполняют следующие функции: • Расщепление углеводов • Расщепление белков • Расщепление жиров • Расщепление лецитина • Окрашивание • Образование слизи или шляма • Образование ароматообразующих веществ • Восстановление кислорода • Инициирование заболеваний Расщепление углеводов происходит в результате: • Гидролиза • Спиртового брожения • Молочнокислого брожения • Колиформного брожения • Маслянокислого брожения Под биохимической активностью обычно понимают различные виды разложения питательных веществ и болезней животных и растений, которые могут быть вызваны микроорганизмами. Биохимическая активность определенного микроорганизма является решающей для выбора пути его применения в пищевой промышленности – например, при получении сыра, йогурта, масла и так далее. Активность микроорганизма направляется продуцируемыми им ферментами, способными расщеплять только определенные питательные вещества до известных конечных продуктов. В микробиологии существует множество биохимических и ферментных систем. Ниже описаны виды этих систем, связанные с молоком и молочными продуктами. Они могут быть подразделены в зависимости от того, распад каких компонентов они вызывают и как на них воздействуют. Расщепление углеводов Углеводы содержат в длинных цепях атомы углерода, водорода и кислорода, и их примерами являются целлюлоза, крахмал, полисахариды и сахара. Распад углеводов протекает в несколько стадий с добавлением молекулы воды на каждом этапе. Ферменты микроорганизма определяют, какие углеводы он может расщеплять и до каких продуктов. В молоке происходит гидролиз дисахарида лактозы до составляющих его моносахаридов глюкозы и галактозы. Они могут быть подвергнуты полному распаду до углекислого газа СО2 и воды (в случае окислительного метаболизма), но все же более часто происходит их сбраживание. В результате брожения могут образоваться органические кислоты (молочная, масляная и другие), спирты (этиловый, бутиловый и другие) и газы (водород, диоксид углерода и другие). Наиболее важными видами брожения в молоке являются: • Спиртовое сбраживание лактозы до спирта и газа. Например, лактозу подвергают распаду до этилового спирта и диоксида углерода. Спиртовое брожение обычно происходит в анаэробных условиях и в основном под действием дрожжей и плесеней • Молочнокислое сбраживание лактозы до молочной кислоты. Этот процесс используют при получении сыра, йогурта и других молочнокислых продуктов • Колиформное (при совместном действии кислоты и бутандиола) сбраживание лактозы с получением широкого разнообразия конечных продуктов – например, молочной, уксусной, янтарной и муравьиной кислот, бутандиола, этилового спирта, диоксида углерода и водорода • Маслянокислое брожение в строго анаэробных условиях под действием бактерий Сlostridium. При этом брожении лактоза распадается до масляной кислоты, диоксида углерода, водорода и в некоторых случаях до бутилового спирта. Как правило, сбраживание углеводов в молоке приводит к получению кислоты (сквашивание) и иногда газа (в зависимости от применяемого микроорганизма). Расщепление белков Процесс расщепления белков называется протеолизом (proteolisis от греческого proteo – белок и lisis – расщепление). Основными ферментами, связанными с данным процессом, являются протеазы – например, ренин, пепсин и трипсин. Эти ферменты вызывают распад белков на пептиды, 52 Технология производства молочных продуктов/глава 4 которые затем расщепляются различными пептидазами на более мелкие пептиды и свободные аминокислоты. Последние в свою очередь могут быть повторно использованы клетками для биосинтеза белков или подвергнуты дальнейшему расщеплению окислительным или ферментативным путем. Белки содержат химические элементы, состоящие из С, Н, К, S, N, P. Распад белков поэтому приводит к образованию многочисленных кислот, спиртов, газов (водорода, диоксида углерода, сероводорода и аммиака) и других соединений. При этом распаде практически всегда образуется аммиак-соединение с основными свойствами, обладающее сильным запахом. Три аминокислоты – цистин, цистеин и метионин – содержат серу и при распаде выделяют соединение с резким запахом – сероводород. Распад белков в жидком молоке проходит в две основные стадии, называется пептонизацией и состоит из: • Свертывания (с образованием сладкого сгустка, в противоположность тому, что образуется при сквашивании или коагуляции молока сычужноподобными ферментами. Этот процесс является распространенным дефектом при хранении пастеризованного молока в теплом состоянии, называется сладким свертыванием) • Протеолиза белков, приводящего к выделению аммиака, обладающего щелочными свойствами. Степень содержания в сыре свободных аминокислот и аммиака является индикатором возраста и зрелости сыра по мере развития протеолиза. Голубой или созревающий с участками плесени сыр подвергается быстрому протеолизу с выделением большого количества аммиака. Протеолиз означает расщепление белков. Расщепление жиров Процесс расщепления жиров под действием ферментов называется липолизом (lipolysis) от греческих корней lipo (означающего жир) и lysis (означающего распад). Основным ферментом, связанным с этим процессом, является липаза. Во время липолиза жиры гидролизуются до глицерина и трех свободных жирных кислот. Некоторые из жирных кислот являются летучими и обладают резким запахом. Например, масляная кислота с характерным привкусом прогорклости. Чистый жир стоек к микробиологическому распаду. Молочный жир в виде масла и сливок содержит белки, углеводы, минеральные вещества и т.п. и потому более восприимчив. Многие бактерии и плесени, которые вызывают распад белков, подвергают окислительному расщеплению и жиры. Липолиз – это расщепление жиров. Расщепление лецитина Лецитин, фосфолипид, находящийся в мембранах вокруг шариков жира, является химической комбинацией глицерина, двух жирных кислот, фосфорной кислоты и холина, представляющего собой органическое основание. Штаммы Bacillus cereus продуцируют ферменты (лецитиназы), гидролизующие лецитин до глицерида и фосфорилхолина. Мембраны шариков жира разрушаются, что дестабилизирует эмульсии жира – появляются хлопья или комочки, плавающие на поверхности молока или сливок. Сливки с таким пороком называют “разбитыми” сливками. Дальнейший распад холина до триметиламина приводит к появлению характерного рыбьего запаха и привкуса. Окрашивание молока. Образование пигментов Процесс образования окраски называется хромогенезисом (chromogenesis) от греческих корней сhromo (означающего краску) и genesis (означающего рождение или происхождение), а микроорганизм, обусловливающий ее появление, хромогенным. Этот метаболический процесс характерен для некоторых микроорганизмов. Для его активного протекания необходимо наличие определенных питательных веществ. Хромогенезис проходит в аэробных условиях при пониженных температурах. Существуют следующие два типа пигментов: • Эндопигменты, которые находятся внутри микробных клеток • Экзопигменты, диффундирующие из клеток в окружающую питательную среду. Существуют три основные цветовые группы: • Каротиноиды желтого, зеленого, кремового или золотого цвета • Антроцинины красного цвета • Меланины коричневого или черного цвета. Название микроорганизма часто связано с окраской продуцируемого им пигмента. Пример: Staphylococcus aureus означает “золотой стафилококк”. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Хромогенезис означает появление окраски, вызываемое хромогенными бактериями. 53 Виды микроорганизмов часто называются по окраске продуцируемого им пигмента, например: Albus – белый Luteus – желтый Citreus – лимонножелтоватый Roseus – розовый или красный Aureus – золотой Violaceum – фиолетовый Nigra – черный или коричневый Образование слизи или шляма В некоторых кисломолочных продуктах, таких как йогурт и шведское тягучее молоко, используется ряд слизеобразующих микроорганизмов. Запахи При развитии микроорганизмов образуется резкий запах. Ниже приводятся их примеры: • Плесени, вызывающие плесневый запах • Актиномицеты, вызывающие землистый запах • Дрожжи, вызывающие фруктовый запах • Псевдомонасы, вызывающие фруктовый/рыбный запах • БГКП, вызывающие запах скотного двора или нечистот • Lactococcus lactis var. maltigenes, вызывающие солодовый запах. Восстановительная способность Все микроорганизмы обладают в некоторой степени восстанавливающей способностью по отношению к атому водорода. В молоке наиболее сильными восстановителями являются микроорганизмы родов Lactococcus, Bacillus и БГКП. В большинстве случаев окислительновосстановительные ферменты именно этих микроорганизмов восстанавливают метиленовый голубой и резазурин в тестах по определению бактериальной обсемененности сырого молока. Инициирование заболеваний (образование) Микроорганизмы, вызывающие заболевания, называются патогенными (pathogenesis) от греческих корней pathos (страдание) и genеsis (происхождение). Некоторые микроорганизмы вызывают заболевания людей, животных и растений. Они негативно воздействуют на живые клетки организма, продуцируют ядовитые вещества – токсины. Эти соединения являются более устойчивыми, чем образующие их микроорганизмы, и способны инициировать заболевания даже после гибели последних. Примерами патогенных микроорганизмов являются Staphylococcus, Salmonella и Clostridium, вызывающие пищевые отравления, Salmonella typhosa (возбудитель брюшного тифа), Clostridium tetani (возбудитель столбняка) и Сorynebacterium diphtheriae (возбудитель дифтерии). Определение количества микроорганизмов Патогенные микроорганизмы вызывают заболевания у людей, животных и растений. Изучение и идентификацию микроорганизмов лучше проводить после их первичного культивирования. Для выращивания микроорганизмов используют жидкие (бульоны) и твердые (агары – гелеобразные полутвердые вещества) среды, содержащие необходимые питательные вещества, имеющие определенную кислотность (рН), концентрацию соли и т.д. Культивирование микроорганизмов проводят при температуре, наиболее благоприятной для их развития. Для определения количества микроорганизмов проводят посев разбавленного исследуемого образца на плотную питательную среду с дальнейшим подсчетом образовавшихся колоний. Исследуемую культуру равномерно распределяют шпателем по поверхности питательного агара, на которой при развитии одной бактериальной клетки образуется колония – совокупность бактериальных клеток, насчитывающая несколько миллионов микроорганизмов. Колонии из нескольких тысяч или более бактерий видны невооруженным глазом. Форма и профиль колоний зависят от вида микроорганизма и типа используемой питательной среды. Присутствие определенных специфичных микроорганизмов может быть установлено посевом исследуемого образца на специальные среды, обеспечивающие избирательный рост микроорганизмов. Идентификация и классификация микроорганизмов С целью классификации многих существующих типов бактерий их предварительно разделили на семейства, роды и виды тем же путем, что и высшие растения и животных. В зоологии и ботанике основой классификации являются внешние характеристики (внешний вид) отдельного представителя родственных особей. Этот же принцип вначале был использован и для классификации бактерий, но вскоре стало ясно, что группирования бактерий только по размерам, форме, внешнему виду и подвижности недостаточно. Помимо этих, чисто внешних характеристик, для классификации микроорганизмов необходимо учитывать особенности их 54 Технология производства молочных продуктов/глава 4 метаболизма (отношение к различным углеводам, белкам, жирам и т.п.) и характеристики их штаммов. Информация об этих показателях дала возможность сгруппировать подобные микроорганизмы в систему их таксономии. Латинские названия микроорганизмов в соответствии с этой системой применяются в настоящее время повсеместно. Каждый микроорганизм имеет два имени. Первое из них представляет его род, а второе описывает его вид, часто указывая на определенные свойства или происхождение данного микроба. Смотрите также приведенный выше раздел “Получение пигментов и окраски”. Идентификация бактерий на уровне рода осуществляется по их морфологическим, культуральным свойствам, по результатам многих биохимических тестов. Классификационная система микроорганизмов содержит 10 порядков, 47 семейств, 199 родов и около 1800 видов. Эндогенное обсеменение молока При эндогенном пути молоко обсеменяется микроорганизмами непосредственно в вымени животного. Но даже перед тем, как покинуть вымя, оно уже инфицируется бактериями, поступающими в него через сосковый канал. Эти бактерии обычно безвредны и малочисленны, находясь в количестве всего лишь нескольких тысяч или даже сотен в 1 мл. Однако в случаях бактериального воспаления вымени (мастита) молоко оказывается серьезно заражено бактериями и может даже оказаться непригодным для потребления, не говоря уже об угрозе здоровью коровы. Микроорганизмы всегда концентрируются в каналах сосков, но почти все из них вымываются в начале доения. Поэтому желательно первые струи молока из каждого соска, содержащие большое количество бактерий, собирать в отдельный сосуд с черным покрытием. На черном фоне будут быстро выявлены хлопьевидные образования в молоке заболевших животных. Экзогенное обсеменение молока Экзогенное обсеменение молока происходит от внешних источников. Во время обработки молока на ферме оно подвержено инфицированию различными микроорганизмами, в основном бактериями. Степень обсеменения инфекции и состав бактериальной популяции зависят от чистоты окружающей корову среды и от чистоты поверхностей, с которыми контактирует молоко,– например, ведер, аппаратуры для доения, цедильников, фляг и цистерн для транспортировки или танков и мешалок. Поверхности, смоченные молоком, обычно являются значительно более серьезным источником бактериального обсеменения, чем вымя коровы. В случае ручного доения микроорганизмы попадают в молоко через руки доярок, кожу животного, подстилочные материалы, корм, воздух. При доении коров вручную бактерии могут попасть в молоко через доярку, корову, мусор и атмосферный воздух. Степень бактериального загрязнения в большой степени зависит от профессионализма доярки и ее представления о гигиене труда, а также от условий содержания коровы. Бактериальное обсеменение через некоторые вышеупомянутые источники исключается при машинном доении коровы, но добавляются другие, связанные непосредственно с доильной аппаратурой (например, в случае ее недостаточно качественной мойки). Рис. 4.11 Бактерии попадают в молоко через сосковый канал. Рис. 4.12 При воспалении вымени молоко серьезно инфицировано бактериями. Количество бактерий в молоке Молоко на ферме может содержать до нескольких тысяч бактерий в 1 мл при поступлении от ферм с высшим уровнем гигиены и до нескольких миллионов в 1 мл при низких стандартах мойки, дезинфекции оборудования и недостаточной температуре охлаждения. Ежедневная мойка и дезинфекция всего молочного оборудования являются поэтому самым решающим фактором бактериологического качества молока. Для молока с высокой степенью качества количество бактерий в КОЕ (колониеобразующие единицы) должно быть меньше 100 000 в 1 мл. Быстрое охлаждение молока до температуры ниже 4°С приводит к значительному повышению качества фермерского молока. Эта обработка затормаживает развитие микроорганизмов в молоке и тем самым сильно повышает его сохраняемость. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Рис. 4.13 Собирайте первые струи молока из каждого соска, содержащие повышенное количество микроорганизмов, в отдельную емкость с черным покрытием. 55 Влияние температуры на развитие бактерий в сыром молоке представлено графически на рис. 4.14. При исходной величине 300 000 КОЕ/мл можно наблюдать ускорение роста бактерий при увеличении температуры. Охлаждение до 4°С или даже еще ниже, до 2°С, одновременно с доением позволяет поставлять молоко с двухдневными интервалами при условии, что перевозка осуществляется в изотермической таре. Микрофлора молока Многие бактерии оказываются в молоке случайно. Они могут жить и, возможно, даже размножаться в нем, однако молоко часто является неподходящей средой для их развития. Некоторые из этих бактерий погибают из-за конкуренции с другими микроорганизмами, для которых молочная среда является более подходящей. Виды бактерий, которые развиваются в молоке, можно подразделить на молочнокислые бактерии; бактерии группы кишечной палочки; маслянокислые, пропионовокислые и гнилостные бактерии. Рис. 4.14 Влияние температуры на развитие микроорганизмов в сыром молоке. Микрофлора молока: • Молочнокислые бактерии • Бактерии группы кишечной палочки • Маслянокислые бактерии • Пропионовокислые бактерии • Гнилостные бактерии Молочнокислые бактерии Молочнокислые бактерии можно найти на растениях. Некоторые их виды встречаются действительно в больших количествах в местах нахождения молока, другие же рассматриваемые бактерии встречаются в кишечнике животных. Эта группа содержит как шаровидные и палочковидные микробы, которые могут образовывать цепи различной длины, но никогда не образуют спор. Молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами. Большинство из них гибнет при нагревании до температуры 70°С, хотя “летальная” температура для некоторых из них превышает 80°С. Молочнокислые бактерии используют в качестве источника углерода лактозу. Они сбраживают ее до молочной кислоты. Сбраживание может быть типичным и не типичным. В первом случае конечный продукт брожения является практически исключительно молочной кислотой (так называемое гомоферментативное брожение). В то время как во втором случае могут продуцироваться также и другие вещества, такие как уксусная кислота, диоксид углерода и этанол (так называемое гетероферментативное брожение). Таблица 4.1 Молочнокислые бактерии, имеющие важное значение для молочной промышленности Виды Оптимальная темп. °С Сбраживание лимонной кислоты Ферменты, Применение расщепляющие белки Str thermophilus Lc lactis Lc cremoris Lc diacetilactis 40 – 45 25 – 30 25 – 30 25 – 30 0,7 – 0,8 0,5 – 0,7 0,5 – 0,7 0,3 – 0,6 – – – – – – – CO2,летучие вещества, диацетил Имеются Имеются Имеются Имеются КМП, сыр КМП КМП КМП,cыр, масло Leuc cremoris 25 – 30 0,2 – 0,4 CO2 CO2,летучие вещества, диацетил Имеются КМП Lb acidophilus Lb casei Lb lactis Lb helveticus Lb bulgaricus Bifidobacterium 37 30 40 – 45 40 – 45 40 – 45 37 0,6 – 0,9 1,2 – 1,5 1,2 – 1,5 2,0 – 2,7 1,5 – 2,0 0,4 – 0,9 – – – – – Уксусная кислота – – – – – – – Имеются Имеются Имеются Имеются – КМП Cыр Cыр КМП,сыр КМП КМП Str – Streptococcus Lc – Lactococcus 56 Сбраживание лактозы до молочной до других кислоты, % веществ Leuc – Leuconostoc Lb – Lactobacillus Технология производства молочных продуктов/глава 4 Ферментационная активность молочнокислых бактерий зависит от их вида. Большинство этих бактерий имеет 0,5–1,5%-ный выход молочной кислоты, но есть виды, для которых эта величина доходит до 3%. Молочнокислые бактерии для роста нуждаются в органическом азоте. Они получают его из находящегося в молоке казеина, который разлагают при помощи ферментов, расщепляющих белки. Однако способность расщеплять казеин у данных бактерий зависит от принадлежности к тому или иному виду. Наиболее важные виды молочнокислых бактерий, применяемых в молочной промышленности, перечислены в таблице 4.1, в которой также приведены основные данные по этим типам бактерий. Некоторые обычные виды мезофильных молочнокислых бактерий недавно были переименованы заменой названия рода Streptococcus (Sc.) на название рода Lactococcus (Lc.). Тем самым виды Sc. lactis, cremoris и diacetilactis преобразовались в виды Lc. lactis, cremoris и diacetilactis соответственно. Из таблицы видно, что Lactococcus diacetilactis и Leuconostoc cremoris расщепляют лимонную кислоту, сбраживаемую до диоксида углерода и диацетила. Диоксид углерода, выделяющийся при молочнокислом сбраживании лимонной кислоты и лактозы (а также лактатов), является основной причиной появления отверстий (глазков) в сыре. Смотрите также в главе 14 под названием “Обработка сырного сгустка”. Диоксид углерода придает умеренный запах заквасочным молочным культурам (маточной и производственной закваскам) и КМП. Диацетил, образующийся при сбраживании лимонной кислоты, придает характерный запах заквасочной молочной культуре, кисломолочным продуктам и маслу. Str. thermophilus, как указывает их название, являются термофильными бактериями. Они часто присутствуют в молоке, пастеризованном нагреванием при высокой температуре в течение короткого периода времени (режим: температура 65°С, выдержка 30 минут), растут лучше всего при 40–50°С. Оптимальная температура для развития Str. thermophilus составляет 40–50°С. Бактерии Lactobacillus helveticus и Lb. bulgaricus являются бациллами, участвующими в созревании эмментальского сыра. В состав головки сыра входят чистые культуры этих микроорганизмов и Str. thermophilus. Кисломолочные продукты в настоящее время приготовляют при помощи совместного или раздельного действия культур L. acidophilus и Bifidobacteria. Обе эти культуры способны выживать при прохождении через желудок человека, в котором pH понижен до 2. Эти микроорганизмы приживаются в кишечнике, способствуя тем самым понижению роста E. coli и других нежелательных бактерий, что предотвращает возникновение диареи. Рис. 4.15 Диоксид углерода, выделяющийся при сбраживании молочнокислыми бактериями цитратов и лактозы, собирается в пустотах в сырной головке. Это приводит к образованию характерных круглых дырок в сыре с круглыми глазками. Бактерии группы кишечных палочек Эти бактерии являются факультативно анаэробными с оптимальной температурой 30–37°С. Они обнаруживаются в кишечнике, навозе, почве, загрязненной воде и на растениях. Эти микроорганизмы сбраживают лактозу до молочной кислоты и других органических кислот, диоксида углерода и водорода и разлагают белки молока, вызывая появление запаха. Некоторые из этих бактерий инициируют возникновение мастита. Эти микроорганизмы могут вызывать серьезные проблемы в сыроделии. Помимо появления запаха, относительно активное образование газа в этом случае на ранней стадии приводит к нежелательной текстуре сыра, к раннему вспучиванию (см. рис. 4.16). Метаболизм этих бактерий подавляется, как только pH становится ниже 6. Это объясняет их активность на ранней стадии сбраживания лактозы. Бактерии группы кишечных палочек гибнут при пастеризации нагреванием при высокой температуре в течение короткого периода времени. Существуют тесты на наличие этих микроорганизмов, используемые для обычного бактериального контроля качества производства в молочных хозяйствах. Если эти бактерии обнаруживаются в молоке и трубопроводах после пастеризации, это свидетельствует о повторном бактериальном инфицировании и указывает на необходимость улучшения применяемых способов промывания и дезинфекции. Если же бактерии рассматриваемой группы не обнаружены, методы очистки оборудования можно считать удовлетворительными. Лучшими тестовыми организмами является полностью вся группа грамотрицательных бактерий, включая Pseudomonas и бактерии группы кишечных палочек. Рис. 4.16 Бактерии группы кишечной палочки могут явиться источником больших проблем в сыроделии. Эти микроорганизмы выделяют большое количество газов, приводящих к вспучиванию сыра и придающих продукту плохие вкусовые качества. Маслянокислые бактерии Эти бактерии широко распространены в природе. Их обнаруживают в почве, на растениях, в навозе т. п. и они легко попадают в молоко. Плохо хранимые силос и фураж, загрязненные Технология производства молочных продуктов/глава 4 57 Маслянокислые бактерии, являющиеся “грозой для сыра”: • Сlostridium tyrobutiricum • Clostridium butiricum почвой, могут содержать большое количество спор маслянокислых бактерий. Это приводит к повышенному обсеменению молока этими микроорганизмами. Маслянокислые бактерии являются анаэробными спорообразующими микроорганизмами с оптимальной температурой 37°С. Они очень плохо растут в молоке в присутствии кислорода, но превосходно развиваются в сыре (анаэробные условия). Свойства сыра в качестве бактериологического субстрата изменяются в течение первых дней после его изготовления. Выполняя сначала функции главным образом углеводного субстрата, сыр затем постепенно трансформируется в лактатный субстрат. Углевод (лактоза) сбраживается в молочную кислоту, которая при взаимодействии с кальцием и другими минеральными веществами превращается в лактат кальция. Маслянокислое брожение может протекать в течение первых недель после производства сыра, вызывается маслянокислыми бактериями, сбраживающими лактозу. Во время процесса сбраживания в больших количествах выделяются диоксид углерода, водород и масляная кислота. При этом сыр приобретает сброженную и скрошенную структуру и прогоркло-сладковатый привкус масляной кислоты. Существует различие между подвижными бактериями Clostridium butiricum, сбраживающими лактозу и лактат, и Сlostridium tyrobutiricum, которые сбраживают лактаты (соли молочной кислоты) Cl. butiricum могут вызывать раннее и позднее маслянокислое брожение, Cl. tyrobutiricum только позднее брожение. Маслянокислое брожение в сырах – одна из основных проблем в сыроделии. Термоустойчивые споры бактерий, вызывающих этот тип брожения, не погибают при пастеризации. Таким образом, одной из главных задач в сыроделии является разработка технологических способов предотвращения маслянокислого брожения. Примером такого способа является введение в молоко, предназначенное для производства сыра, селитры (нитрата калия), так как она оказывает ингибирующее действие на маслянокислые бактерии. Однако применение этой соли было в ряде стран запрещено из-за ее предполагаемого канцерогенного действия, и потому необходимо рассмотреть возможность применения других средств, предотвращающих этот вид брожения. Обычная соль (хлорид натрия) оказывает сильное воздействие на маслянокислые бактерии. При этом важным является то, что данная соль влияет на эти бактерии на самой ранней стадии их развития. Этим и объясняется, почему сыры, посолка которых была произведена в сырном зерне, обладают очень низкой тенденцией к маслянокислому брожению. Посолка должна быть достаточно умеренна, чтобы не привести к подавлению молочнокислых бактерий, входящих в состав закваски. Споры маслянокислых бактерий являются относительно тяжелыми, что позволило разработать способ их выделения при помощи центрифугирования. Этот способ, называемый бактофугированием, будет описан позже. Данная технология приобретает широкое распространение в странах, в которых запрещено применение в сырах селитры. Другим способом, недавно принятым на вооружение для снижения численности микроорганизмов в молоке, является микрофильтрация, о которой речь пойдет в главах 6.4 и 8. Пропионовокислые бактерии Гнилостные бактерии: Brevibacterium linens (полезные) Pseudomonas fluorescens (вредные) Сlostridium sporogenes (вредные) Некоторые разновидности пропионовокислых бактерий имеют достаточно сильные отличия внешнего проявления. Эти микроорганизмы не имеют спор. Оптимальная температура роста составляет 30°С. Отдельные виды способны выдерживать высокомолекулярную кратковременную пастеризацию. Данные бактерии сбраживают лактаты до пропионовой кислоты, диоксида углерода и др. веществ. Чистые культуры пропионовокислых бактерий используются в составе заквасок вместе с молочнокислыми бактериями для производства эмментальского, ярлсбергского, маасдамского сыров, а также сыров грюйер и грево. Пропионовокислые бактерии участвуют в формировании глазков в этих сырах, а также придают им своеобразный аромат и вкус. Гнилостные бактерии Эти бактерии продуцируют ферменты, расщепляющие белки. Поэтому они могут вызывать распад белков до аммиака. Этот тип распада известен как гниение. Некоторые из гнилостных бактерий применяются в молочной промышленности, но большинство из них являются источником определенных проблем. Гнилостные бактерии включают в себя большое количество видов, как шаровидных, так и палочковидных, спорообразующих и бесспоровых форм, некоторые из которых растут в аэробных условиях, а другие – в анаэробных. Они попадают в молоко из навоза, кормов 58 Технология производства молочных продуктов/глава 4 и воды. Многие из них продуцируют также фермент липазу, что указывает на их способность расщеплять и жиры. Brevibacterium linens является гнилостной бактерией, образующей красно-желтое покрытие на сыре. На поверхности сыра порт-салют этот микроорганизм вызывает распад белков в период созревания сыра, придавая ему аромат. В противоположность многим другим микроорганизмам эти бактерии обладают большой резистентностью к соли. Некоторые нежелательные гнилостные бактерии могут быть обнаружены в молоке и молочных продуктах. Одна из них, а именно Pseudomonas fluorescens, обычно присутствует в загрязненной воде и почве. Эта бактерия продуцирует термоустойчивые ферменты липазу и протеазу и особенно нежелательна для масла, в которое этот микроорганизм попадает через промывающую воду низкого качества. Бактерии класса Pseudomonas в основном являются грамотрицательными микроорганизмами. Могут попасть в пастеризованное молоко в результате вторичного обсеменения. Развиваются при низких температурах. Некоторые нежелательные гнилостные бактерии продуцируют, помимо липазы, фермент типа сычужного, и таким образом они могут вызывать свертывание молока без повышения титруемой кислотности (“сладкое” свертывание). Летом и осенью бывают случаи сильного обсеменения этими бактериями молока от случайных поставщиков. Типичным представителем микроорганизмов, образующих газы, является подвижная и спорообразующая анаэробная палочка Clostridium sporogenes. Она может быть обнаружена в сброженных кормах, воде, почве, а также в кишечнике. Молоко легко инфицируется этим микроорганизмом или его спорами. Она может расти в анаэробных условиях в сыре, в частности, в плавленом сыре, вызывая в нем очень сильное гнилостное брожение. Представителями царства грибов являются: • дрожжи • плесени Грибы Представителями грибов являются дрожжи и плесень. Эти микроорганизмы часто встречаются в природе среди растений, животных и людей. Они значительно различаются по структуре и способам размножения. Эти грибы могут быть круглыми, овальными (дрожжи) и нитеобразными (плесени). Нити могут образовывать сетку, различимую невооруженным глазом. Дрожжи Дрожжи являются одноклеточными организмами сферической, эллипсоидной или цилиндрической формы. Размеры дрожжевых клеток изменяются в широких пределах. Пивные дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, имеют диаметр порядка 2–8 мкм и длину 3–15 мкм. Некоторые клетки других видов дрожжей могут достигать 100 мкм. Дрожжевая клетка содержит цитоплазму и отчетливо различимое ядро, окруженное ядерной мембраной (рис. 4.17). Клетка окружена оболочкой и клеточной мембраной, которые проницаемы для внешних питательных веществ и внутренних отходов. Клетка содержит вакуоль, являющуюся местом хранения питательных веществ, а также отходов перед их удалением из клетки. Жировые шарики и углеводные частички вкраплены в цитоплазму, где находятся также и митохондрии, в которых накапливается энергия для роста клетки, и рибосомы. Рис. 4.17 Структура дрожжевой клетки. Размножение дрожжей Дрожжевые клетки размножаются обычно почкованием, как это показано на рис. 4.18, хотя существуют и другие способы их размножения. Почкование является бесполым процессом, при котором в оболочке родительской клетки развивается небольшая почка. Цитоплазма некоторое время является еще общей для материнской клетки и молодой почки. Но в конце концов почка отгораживается от клетки двойной оболочкой. Не всегда новая клетка отделяется от материнской. В этом случае она остается присоединенной к ней, а материнская клетка может продолжать образовывать новые почки. Отпочковавшаяся клетка, в свою очередь, может тоже образовывать собственные почки. Это приводит к возникновению крупных скоплений клеток, присоединенных друг к другу. Некоторые типы дрожжей размножаются половым путем, как это отражено на рис. 4.19, при помощи образования спор, аскоспор и базидиоспор (не путайте их с бактериальными Технология производства молочных продуктов/глава 4 Рис. 4.18 Почкование дрожжевых клеток. 59 Важные факторы дрожжевого роста: • Питательные вещества • Влага • Кислотность • Температура • Кислород Рис. 4.19 Половое размножение дрожжей. спорами). В этом случае происходит слияние двух клеток вместе с одновременным слиянием их двух ядер. После деления ядерного вещества внутри клеток образуются восемь аскоспор, каждая из которых содержит по одинаковому набору ДНК. Созрев, дрожжевые споры выделяются и прорастают с образованием новых клеток, размножающихся затем неполовым путем при помощи почкования. Условия для роста дрожжей Питательные вещества Дрожжи нуждаются в тех же самых питательных веществах, что и другие живые организмы. Подобно бактериям, они имеют систему внутриклеточных и внеклеточных ферментов, способных осуществлять распад крупных молекул субстратов до молекул с размерами, приемлемыми для метаболических процессов клетки. Влага Дрожжи лучше всего растут в кислой среде. Так же, как и бактерии, дрожжи должны иметь доступ к воде для поддержания жизнедеятельности, но они нуждаются в ней в меньшей степени, чем бактерии. Некоторые виды дрожжей могут развиваться в среде с очень низким содержанием воды, такой как мед или джем, что говорит об их способности выдерживать относительно высокое осмотическое давление. Кислотность Дрожжи могут расти в среде, активная кислотность которой составляет pH в пределах 3–7,5, а оптимальная величина pH для них составляет обычно 4,5–5,0. Температура Дрожжевые клетки обычно не растут при температуре ниже температуры замерзания воды и выше 47°С. Оптимальная температура дрожжей обычно лежит между 20°С и 30°С. Растущие дрожжевые клетки обычно гибнут от нагревания в течение 5–10 минут при 52–58°С. Споры (аскоспоры) обладают большей стойкостью, но все же и они погибают за несколько минут при 60–62°С. Кислород Дрожжи способны расти как в присутствии, так и в отсутствие атмосферного кислорода, то есть являются факультативными анаэробами. В отсутствие кислорода дрожжи вызывают распад сахара до спирта и воды, в его присутствии – до диоксида углерода и воды. В присутствии кислорода дрожжевые клетки растут быстрее. Классификация дрожжей Дрожжи делятся на три класса в соответствии с их способностью к образованию спор (аскоспор и базидиоспор). Спорообразующие штаммы принадлежат к классам аскомицетов и базидиомицетов. Те разновидности дрожжей, которые не образуют спор, размножаются в основном почкованием, относятся к классу Fungi imperfecti. Значение дрожжей Дрожжи могут вызывать пороки у сыра и масла. 60 Как правило, дрожжи являются нежелательными моментами в молочной промышленности, за редким исключением. Например, для производства кефира, русского кисломолочного продукта, исключается симбиотическая закваска (кефирные грибки), в состав которой входят молочнокислые бактерии, дрожжи и др. В остальных случаях в молочной промышленности стараются исключить попадание клеток дрожжей в продукт на каких-либо этапах его производства. Дрожжи могут вызвать большие проблемы при попадании в кисломолочный продукт, сыр, масло. В других отраслях пищевой промышленности в процессе производства пива, вина, хлеба, спирта дрожжи являются ценными составляющими. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Плесени Категория плесеней охватывает достаточно разнообразную группу многоклеточных нитевидных грибов. На первый взгляд эти микроорганизмы имеют большое сходство, но в действительности все они принадлежат к различным группам. Плесени состоят из нитевидных прядей клеток, называемых гифами. Гифы образуют мицелий, который может быть виден невооруженным глазом. Гифы могут иметь поперечные стенки между клетками и обычно являются разветвленными, у одноклеточных грибов поперечные перегородки у гифов могут отсутствовать. Гифы являются вегетативной частью плесени, часто бесцветной, и секретируют ферменты, расщепляющие питательные вещества (см. рис. 4.20). По мере роста плесневых колоний гифы отходят от центра наружу в радиальном направлении. Размножение плесеней Плесени размножаются при помощи спор различного типа. У одних и тех же видов плесеней могут наблюдаться как половой, так и бесполовой способы размножения. Споры обычно имеют толстые стенки и относительно устойчивы к высушиванию и нагреванию. Споровые формы плесени могут сохранять жизнеспособность в течение довольно длительного времени. Бесполые споры, конидии, обеспечивают вегетативный способ размножения плесени, их количество может достигать нескольких тысяч (рис. 4.21). Конидии очень малы и легки, могут разноситься ветром. Рис. 4.20 Плесени в зависимости от группы, к которой они принадлежат, имеют гифы с поперечными стенками или без них. Метаболизм плесеней Метаболизм плесневых грибов протекает так же, как и у бактерий и дрожжей. Они обладают широким кругом ферментов, которые производят распад различных органических веществ. С точки зрения молочного дела практический интерес представляет действие плесеней на жиры и белки. Рост мицелия плесени проиллюстрирован на рис. 4.22. Внешние факторы, влияющие на рост плесеней Влага Плесени могут расти на субстратах с очень низким содержанием воды и могут извлекать воду из влажного воздуха. Рис. 4.21 Плодовое тело плесени Penicillium sp. mycelium Активность воды (аw ) Плесени являются более терпимыми к низкой активности воды, чем бактерии. Некоторые плесени выдерживают высококонцентрированные растворы сахара и соли с высоким осмотическим давлением. Примеры: плодово-ягодное варенье и сгущенное молоко с сахаром. Кислород Плесени обычно растут в аэробных условиях. При этом кислород необходим для образования конидий и для роста мицелия. Температура Температура, оптимальная для роста большинства плесеней, лежит в пределах 20–30°С. Кислотность Плесени могут расти в средах, активная кислотность которых составляет pH 3–8,5. Многие виды плесеней, однако, предпочитают кислотный раствор. Примеры: сыр, йогурт, плоды цитрусовых и плодово-ягодные соки. Технология производства молочных продуктов/глава 4 Рис. 4.22 Рост на солодовом агаре плесневого мицелия, полученного из единственной споры S за один день при 20°С. 61 Значение плесеней в молочном хозяйстве Как и дрожжи, плесени не выдерживают обычную пастеризацию, проводимую в течение 10–15 секунд при 72–74оС. Поэтому нежелательное присутствие этих микроорганизмов является свидетельством повторного обсеменения. Существует множество различных семейств плесеней. Некоторые из них, такие как Penicillium и молочная плесень (Geotrichum candidum), являются важными для молочной промышленности. Penicillium Рис. 4.23 Строение плесеней Geotrichum candidum. Род Penicillium является одним из самых распространенных типов плесени. Спорообразующие гифы этого семейства имеют разветвления на кончиках, напоминая чем-то щеточки. К этому семейству относится зеленая плесень, часто встречающаяся в природе. Некоторые виды Penicillium играют важную роль в процессах переработки молока. Их свойства, обеспечивающие активное расщепление белков и жиров, делают их главными агентами созревания голубого сыра, сыра камамбера и других сыров. Плесень голубого сыра называется Penicilllium roqueforti, а плесень сыра камамбера – Penicillium camemberti (см. рис. 4.21). Молочная плесень Молочная плесень Geotrichum candidum находится на стыке между дрожжами и плесенями. Она размножается так же, как дрожжи – внешняя часть ее гифов подвергается как бы перевязыванию – процессу, напоминающему почкование дрожжевых клеток. Строение этой плесени представлено на рис. 4.23. Данная плесень встречается на поверхности сквашенного молока в виде тонкой и бархатистой белой пленки и участвует в процессах созревания полумягких и мягких сыров. Она может вызывать прогорклость масла. Плесени на поверхности сыров и масла могут вызывать их обесцвечивание и не свойственный им привкус. Для предотвращения нежелательных воздействий плесеней на молочные продукты в процессе их приготовления необходимо тщательное соблюдение соответствующих санитарных норм. Например, стены и потолки рабочих помещений должны содержатся в чистоте, исключающей появление на них плесеней. Бактериофаги Рис. 4.24 Схематическое изображение фага. В 1915 г. английский ученый Творт (Twort) обнаружил, что клетки некоторых культур стафилококков разрываются и разрушаются. Двумя годами позже канадский исследователь Дэрель (d’Herelle) после наблюдения подобного факта постулировал, что это явление может быть связано с поеданием бактерий невидимыми организмами. Он назвал их “бактериофагами” (последняя часть этого слова по-гречески означает “поедать”). Бактериофаги являются вирусами, то есть паразитами бактерий. Они существуют и сами по себе, но расти и размножаться они могут только внутри бактериальных клеток. Бактериофаги обладают специфичностью, т.е. способны размножаться в определенных видах бактерий. Рис. 4.25 Схема размножения бактериофагов. 62 Технология производства молочных продуктов/глава 4 Структура бактериофагов Бактериофаги или фаги видны только под электронным микроскопом. Фаги имеют “головку” и “хвост” и обладают величиной 0,03–0,3 мкм. Схематическое их изображение представлено на рис. 4.24. Размножение фагов Фаги атакуют только молодые активные бактерии, внутри которых эти фаги могут размножаться. Атакованные бактерии подвергаются дезинтеграции с выделением новых фагов в количестве 10–200 на одну бактериальную клетку, которые атакуют новые бактерии. Сценарий этого процесса представлен на рис. 4.25. Фаг прикрепляется к поверхности хозяина (1) и вводит свою ДНК в бактериальную клетку. Клеточный “механизм” синтезирует новые фаговые ДНК и белки (2; 3). Новые фаги объединяются внутри бактериальной клетки (4), которая затем подвергается лизису (5) с последующим выделением созревших фагов. Заключительные замечания Огромное разнообразие бактерий, дрожжей и плесеней и широкий диапазон их активности чрезвычайно важны для жизни на Земле вообще и для человечества в частности. Микроорганизмы, находящиеся в почве и воде, напрямую связаны с распадом имеющихся в них источников органических питательных веществ до тех форм, которые могут быть ассимилированы растениями. Этим самым данные микроорганизмы косвенно оказывают услугу всему животному миру, включая человека. В то же самое время человек непосредственно извлекает большую пользу, используя некоторые виды микроорганизмов. Например, молочнокислые микроорганизмы могут применяться для консервирования силоса корма (силоса) для домашнего скота. Этот же принцип используется и в процессах приготовления некоторых пищевых продуктов, таких как квашеная капуста, зеленые маслины и огурцы. Микроорганизмы имеют первостепенное значение в производстве многих молочных продуктов, примерами которых являются йогурт, сыр и кислосливочное масло. Подбор правильных типов микроорганизмов в этом случае представляет собой важный фактор повышения качества этих продуктов. Микроорганизмы, применяемые в производстве молочных продуктов, обычно поставляются компаниями, которые специализируются на селекции микроорганизмов, составлении и производстве заквасок в строго контролируемых санитарных условиях. Используемые в молочной промышленности микроорганизмы называются заквасочными культурами. Они могут включать в себя различные микроорганизмы, образующие молочную кислоту при сбраживании лактозы в молоке. При этом важным является то, чтобы качество заквасочных культур сохранялось после доставки их на молочное предприятие, что обеспечивается поддержанием высоких стандартов санитарии на всех стадиях технологической цепочки. В рассматриваемом контексте необходимо упомянуть, что молоко может содержать остатки антибиотиков, используемых для лечения коров. Наиболее часто встречающимся из этих антибиотиков является пенициллин. Несмотря на то что различного рода предписания не рекомендуют поставлять на молочные предприятия молоко коров, для лечения которых использовались антибиотики, в сборном молоке можно обнаружить антибиотики в количествах, Рис. 4.26 Влияние пенициллина на образование кислоты в молоке. Технология производства молочных продуктов/глава 4 63 Рис. 4.27 Рост заквасочной культуры и фагов, и влияние фагов на инфицированную заквасочную культуру. достаточных для приостановки или замедления роста применяемых заквасочных культур. Еще более серьезным является то, что дети, потребляющие молоко, содержащее антибиотики, могут стать гиперчувствительными к вводимым в случае необходимости антибиотикам. Кроме того, антибиотики способны спровоцировать у детей различные заболевания пищеварительной системы. На рис. 4.26 отражено влияние даже малых количеств остатков пенициллина на наиболее часто применяемые заквасочные культуры. Сырое цельное или в большинстве случаев обезжиренное молоко, предназначенное для приготовления закваски, пастеризуют при температуре 90°С в течение 30 мин. Использование ужесточенных режимов пастеризации в данном случае объясняется необходимостью уничтожения бактериофагов, обычно присутствующих в сыром молоке. Рис. 4.27 показывает, что произойдет, если этого не будет сделано или если данное молоко затем будет повторно загрязнено фагами. За определенный промежуток времени одна “неинфицированная” бактерия за две генерации с делением клеток дает четыре новые бактерии, в то время как один бактериофаг образует в общей сложности 22 500 новых фагов (рис. 4.28). Этот факт легко объясняет то, что кривая роста заквасочной культуры, инфицированной фагом, через некоторое время неожиданно обрывается (рис. 4.27). Рис. 4.28 Сравнение между скоростями размножения микроорганизма заквасочной культуры и фагов. Нельзя не упомянуть о патогенных микроорганизмах – одних из наиболее жестоких врагов человечества. Несмотря на то что патогенные микроорганизмы составляют лишь малую часть от общей численности микробов, наносимый ими вред является более чем очевидным. Практически во всем мире правительствами приняты постановления, требующие проведения пастеризации молока, поступающего в реализацию. Типичный режим пастеризации – выдержка 15–20 сек. при температуре 72°С – позволяет уничтожить в молоке все патогенные микроорганизмы. Необходимым условием является также и то, чтобы работники, непосредственно участвующие в производственном процессе, не являлись носителями каких-либо заболеваний, в противном случае возможен перенос инфекции в уже пастеризованное молоко перед его упаковыванием. 64 Технология производства молочных продуктов/глава 4 Сбор и приемка молока Молоко с фермы или низового завода поступает на молочный завод для переработки. Во всем мире использовались и продолжают использоваться самые различные виды контейнеров для молока – от бутылок и крынок емкостью 2–3 литра до современных промышленных резервуаров-холодильников на тысячи литров молока. Раньше, когда молочные заводы были небольшими, сбор молока осуществлялся с близлежащих ферм. Содержание микроорганизмов в молоке можно было контролировать посредством минимального охлаждения, поскольку расстояния были короткими, а молоко собиралось ежедневно. В настоящее время сохраняется тенденция к созданию все более крупных молочных заводов. Существует потребность в расширении производства без снижения качества конечной продукции. Необходимо перевозить Технология производства молочных продуктов/глава 5 65 Рис. 5.1 По замкнутой системе молоко поступает от коровы в охлаждаемый резурвуар. молоко на дальние расстояния, а это означает, что не может быть и речи о ежедневном сборе молока. Сегодня сбор молока производится через день, но эти интервалы могут составлять три, а иногда даже четыре дня. Хранение охлажденного молока Молоко должно охлаждаться до температуры ниже 4°С сразу после дойки и сохраняться при этой температуре во время транспортировки на молочный завод. Если процесс охлаждения прерывается на каком-либо этапе пути, например, во время транспортировки, микроорганизмы в молоке начинают размножаться. Это приводит к образованию различных продуктов метаболизма и ферментов. Последующее охлаждение остановит этот процесс, но останутся его негативные последствия. Содержание бактерий будет повышенным, при этом молоко будет содержать вещества, которые повлияют на качество конечной продукции. + 4°C Рис. 5.2 Охлаждаемый резервуар с мешалкой и устройством для охлаждения. Проектирование оборудования для молочных ферм Первые шаги к сохранению качества молока должны предприниматься на ферме. Условия дойки должны быть максимально гигиеничными, системы дойки должны предотвращать попадание воздуха, а мощности холодильного оборудования необходимо правильно соизмерять с объемами молока. Для выполнения гигиенических требований на молочных фермах должны существовать специальные помещения для хранения при низких температурах. Все более привычными становятся промышленные охлаждающие резервуары. Эти танки (рис. 5.2) емкостью от 250 до 10 000 литров снабжены мешалками и холодильным оборудованием с целью соответствия определенным требованиям – например, чтобы все молоко в резервуаре было охлаждено до температуры ниже 4°С в течение 2 часов после дойки. Крупные фермы, производящие большие объемы молока, зачастую устанавливают отдельные охладители для охлаждения молока до того, как оно поступит в танк (рис. 5.1). Это предотвращает смешивание теплого парного молока с уже охлажденным содержимым резервуара. Прифермская молочная должна быть оснащена также оборудованием для мойки и дезинфекции инвентаря, трубопроводов и охлаждаемых резервуаров. Доставка на молочный завод Сырое молоко поступает на молочный завод во флягах или изолированных цистернах, причем последние используются только совместно с охлаждаемыми резервуарами на фермах. Требования для обоих способов идентичны: молоко должно храниться хорошо охлажденным в закрытых емкостях, предотвращающих свободный доступ воздуха; обработка должна оказывать на молоко минимально возможное воздействие. Например, фляги и баки должны быть заполнены до определенного уровня – с целью предупреждения разлива молока вокруг контейнера. Рис. 5.3 Изолирующее покрытие предохраняет молоко от жары и холода. 66 Сбор во фляги Молоко транспортируется во флягах различного размера, причем наиболее распространенными являются фляги емкостью от 30 до 50 литров. Фляги с ферм выставляются на обочине дороги. Это должно происходить непосредственно перед прибытием Технология производства молочных продуктов/глава 5 грузовика-сборщика. Фляги должны быть защищены от солнца брезентом или укрытием (рис. 5.4) или, что еще лучше, рыхлым изолирующим покрытием из полистирола (рис. 5.3). Низовые заводы, осуществляющие сбор молока, должны размещаться в определенных регионах, не имеющих дорог, связывающих молочные фермы и молочные заводы, где нет воды и/или электричества на фермах, а также там, где объемы производимого молока слишком малы, чтобы оправдать покупку холодильного оборудования. Организация доставки молока на низовые заводы может быть осуществлена различными способами в зависимости от сложившейся ситуации. У фермеров есть несколько возможностей. Неохлажденное молоко во флягах или охлажденное молоко в изолированных емкостях может поставляться к перекресткам дорог или прямо к цистернам. Неохлажденное молоко может поставляться во флягах на станции охлаждения (рис. 5.5). Еще одним из возможных решений может быть поставка неохлажденного молока на соседние крупные фермы. Грузовики для сбора молока во флягах перемещаются в соответствии с тщательно разработанным графиком и всегда прибывают к пунктам сбора в одно и то же время. После погрузки на платформу грузовика фляги должны быть покрыты брезентом для защиты от солнца и пыли. Грузовик возвращается на молочный завод, как только собраны фляги со всех ферм на его маршруте. Каждая ферма обычно имеет свой кодовый номер, указанный на флягах. Он используется молочным заводом для расчетов денежных сумм, которые следует выплатить ферме. Молоко, полученное от больных животных, которым был прописан курс лечения антибиотиками, не должно поставляться на завод вместе с молоком от нормальных животных. Молоко со склада после обработки антибиотиками должно храниться отдельно от другого молока. Это молоко не может использоваться для производства продукции с применением закваски, так как антибиотики оказывают затормаживающее и дезактивирующее воздействие на микроорганизмы. Это относится к ферментированным молочным продуктам, сыру, маслу и т.п. Добавление незначительного количества молока, содержащего антибиотики, может сделать непригодным к использованию большие объемы молока высокого качества. Сбор в цистерны После окончания сбора молока в автомолцистерну она должна быть доставлена на завод как можно быстрее. Шланг для заливки в цистерну подключается к выходному штуцеру охлаждающего танка фермы. Цистерна обычно оборудована расходомером и насосом, так что объем молока автоматически записывается. В иных случаях объем молока измеряется по записи разницы уровней, которая для данного размера цистерны соответствует определенному объему. Во многих случаях автоцистерна оснащается устройством для отделения воздуха. Перекачивание прекращается, как только охлаждающий резервуар опустошается. Это предотвращает попадание воздуха в молоко. Цистерна для сбора больших объемов молока разделена на несколько отсеков с целью предотвращения разлива молока во время транспортировки. Отсеки заполняются по очереди, и когда в соответствии с графиком маршрута цистерна собирает все молоко, она отвозит его на молочный завод. Технология производства молочных продуктов/глава 5 Рис. 5.4 Сбор во флягах. Рис. 5.5 Фермеры сдают неохлажденное молоко на централизованные пункты охлаждения. Рис. 5.6 Сбор молока в цистерны на ферме. 67 Проверка качества молока t Antibio Молоко от больных животных и молоко, содержащее антибиотики или осадок, не должно приниматься на молочный завод. Даже следы антибиотиков в молоке могут сделать его непригодным для выработки продуктов, производимых с использованием бактериальных культур – например, йогурта и сыра. На ферме обычно производится лишь общее определение качества молока. Его состав и гигиеническое качество, как правило, определяются после прибытия на молочный завод с помощью нескольких тестов. Результаты некоторых из этих тестов прямо влияют на денежные выплаты фермерам. Следующие тесты являются наиболее распространенными при приемке молока. Органолептические показатели Рис. 5.7 Молоко, полученное от больных животных, которым был прописан курс лечения антибиотиками, должно храниться отдельно. В случае сбора молока автоцистернами водитель отбирает образец молока на каждой ферме для тестирования на заводе. Молоко из фляг тестируется в отделе приемки молока во флягах. Молоко, отличающееся по вкусу и запаху от нормального молока, получает более низкую оценку качества. Это влияет на выплаты производителю. Молоко со значительными отклонениями по вкусу и запаху не подлежит приемке молочным заводом. Санитарное состояние резервуаров для транспортировки молока Внутренние поверхности цистерн и фляг тщательно осматриваются. Наличие остатка молока, осадка свидетельствует о недостаточно качественной мойке резервуаров и приводит к снижению оплаты в соответствии с расценками за качество. Степень чистоты Применяется только к молоку из фляг. Образец отбирается с помощью пипетки со дна фляги и пропускается через фильтр. Оценка качества снижается, если на фильтре остаются видимые загрязнения. Бактериальная обсемененность (проба на редуктозу) Рис. 5.8 Анализ образцов молока. Обычно проводятся следующие испытания партий молока: • Органолептические показатели • Степень чистоты • Гигиена • Количество соматических клеток • Содержание белка • Содержание жира • Точка замерзания • Бактериальная обсемененность (проба на редуктозу) • Бактериальная обсемененность (метод Лисмента) • Санитарное состояние резервуаров для транспортировки 68 Содержание микроорганизмов в молоке отражает его гигиеническое качество. Наиболее часто бактериальную обсемененность определяют по редуктозной пробе с использованием резазурина (синего красителя). Последний восстанавливается окислительно-восстановительными ферментами, выделяемыми в молоко микроорганизмами. По продолжительности изменения окраски резазурина оценивают бактериальную обсемененность сырого молока. Этот принцип используется в двух гигиенических тестах. Один из них является быстрым тестом, который служит основой для отказа в приемке фляг с молоком, имеющим повышенную бактериальную загрязненность. Если образец сразу начинает изменять оттенок, молоко считается непригодным для потребления человеком. Другой тест является серийным тестом и включает хранение образца в холодильнике в течение суток с последующим добавлением раствора резазурина. Затем образец выдерживается на водяной бане при температуре 37,5°С в течение двух часов. Содержание соматических клеток Большое число (более 500 000 на мл молока) соматических клеток в молоке указывает на заболевание вымени коровы. Содержание клеток определяется специальными счетчиками частиц (счетчик Каултера и т.п.). Бактериальная обсемененность (метод Лисмента) Упрощенный способ подсчета микроорганизмов также может быть использован для определения бактериальной обсемененности. По методу Лисмента бактерии культивируются при 30°С в течение 72 часов в образце молока объемом 0,001 мл, содержащем питательный субстрат. Бактерии подсчитываются с помощью специального экрана. Содержание белка Многие молочные заводы платят фермам в зависимости от содержания белка в молоке. Этот показатель анализируется с помощью приборов, использующих для определения Технология производства молочных продуктов/глава 5 инфракрасные лучи. Такой прибор позволяет производить до 300 анализов в час. 33 18 1 4 Содержание жира 17 6 Для определения содержания молочного жира можно использовать разнообразные методы. Метод Гербера является наиболее распространенным для цельного молока. 5 27 Температура замерзания 331 342 Многие молочные заводы проверяют температуру замерзания молока с целью выявления разбавления молока водой. Температура точки замерзания молока составляет от 0,54 до 0,59°С. При добавлении воды к молоку температура замерзания повышается. Для этого испытания используются специальные приборы. Приемка молока На молочных заводах имеются специальные отделения приемки для молока, привезенного с ферм. Первое, что делается при приемке, – это определение количества молока. Объем принятого на завод молока регистрируется и сравнивается с количеством молока, отправленного с фермы. Объем партии оценивается по объему или по массе. Рис. 5.9. Приемка из фляг. Взвешивание и регистрация веса молока. Приемка из фляг Молоко во флягах взвешивается. Фляги с грузовика поступают на конвейер. По пути следования крышки автоматически снимаются. На пункте взвешивания молоко выливается во взвешивающую чашу. Оператор весовой машины сравнивает количество взвешенного молока с записями производителя. Система взвешивания часто проектируется таким образом, что перед взвешиванием всех фляг, поступивших от производителя, оператор вводит с клавиатуры идентификационный код данного производителя (рис. 5.9). Далее полученные значения автоматически складываются и общий объем записывается вместе с идентификационным кодом. Затем оператор вводит идентификационный код следующего поставщика и процесс повторяется до тех пор, пока не будет взвешено все молоко. Техническое обслуживание и проверка точности показаний весового оборудования должны проводиться ежедневно. После взвешивания сырое молоко перекачивается в танки для промежуточного хранения до начала переработки. Пустые фляги транспортируются на моечный пункт, где они промываются водой и моющим средством для удаления всех следов молока. В некоторых случаях чистые фляги передаются на другой пункт, где они заполняются полуфабрикатами, которыми могут быть обезжиренное молоко, пахта или сыворотка. В конечном итоге фляги поступают в отделение загрузки, где они хранятся до возвращения на ферму. Рис. 5.10 Измерение партии молока в зале приема цистерн. Технология производства молочных продуктов/глава 5 69 Рис. 5.11 Измерение по объему. 1 Воздухоотделитель 2 Насос 3 Фильтр 4 Измерительное устройство 4 3 1 2 Приемка из цистерн Цистерны прибывают на молочный завод непосредственно в зал приемки, который способен принять несколько автоцистерн одновременно. Молоко измеряется либо по объему, либо по массе. Измерение объема Определение объема проводят с помощью расходомера. Показания данного прибора не всегда являются точными, т.к. он регистрирует и молоко, и растворенный в нем воздух. Таким образом, необходимо предотвратить попадание воздуха в молоко. Точность измерений может быть улучшена при установлении воздухоотделителя перед расходомером (рис. 5.11). Выходной клапан цистерны подключается к устройству для отделения воздуха. Далее освобожденное от растворенного воздуха молоко перекачивается через расходомер, который непрерывно показывает суммарный расход. После перекачивания молока в расходомер помещается карточка, на которую записывается суммарный объем. Насос запускается с панели управления, которая дает сигнал о том, что молоко в воздухоотделителе достигло необходимого уровня, предотвращающего обратный подсос воздуха в линию. Насос останавливается, как только уровень молока падает ниже заданного уровня. После измерения молоко перекачивается в резервуар для хранения. II I I I I I II II I I I I I I I I I I II I I I I I I I II I I I I I II I Рис. 5.12 Цистерна на платформенных весах. ABC 123 Рис. 5.13 Приемка молока через танк с тензодатчиком. 70 Технология производства молочных продуктов/глава 5 Измерение веса Измерение массы молока может быть проведено двумя способами: • Взвешиванием цистерны до и после разгрузки с последующим вычитанием одной величины из другой (рис. 5.12) • В использованием специальных взвешивающих цистерн с тензодатчиками (рис. 5.13). В первом случае цистерна заезжает на платформенные весы молочного завода. Взвешивание может производиться вручную или автоматически. При ручном способе оператор записывает вес и идентификационный код водителя. Если эта операция автоматизирована, необходимые данные записываются после того, как водитель вставляет свою карточку в сканер для карт. Перед взвешиванием до опорожнения цистерна обычно проходит через пункт мойки автомобилей. Это особенно важно в плохую погоду. После записи веса брутто цистерны молоко поступает на молочный завод. На линии приемки может быть установлен воздухоотделитель без расходомера. После освобождения цистерна вновь взвешивается, и вес тары вычитается из предварительно измеренного веса брутто. При втором способе молоко перекачивается из автомолцистерны в специальный резервуар с тензодатчиками. Тензодатчики выдают электрический сигнал, который всегда пропорционален весу резервуара. Сила сигнала возрастает в зависимости от массы поступающего молока в резервуар. Масса содержимого резервуара может быть записана по окончании приемки всей партии молока. Затем молоко перекачивается в резервуар для хранения. Мойка цистерн Цистерны промываются ежедневно, как правило, по окончании поездки для сбора молока. Если цистерна совершает несколько рейсов в день, мойка производится после каждого рейса. Мойка может производиться в приемном отделении путем подключения цистерны к моечному оборудованию или на специальном моечном пункте. Многие молочные заводы также осуществляют и ежедневную мойку внешней поверхности цистерн, чтобы они имели опрятный вид. Охлаждение поступающего молока Во время транспортировки невозможно избежать повышения температуры немного выше 4°С. Поэтому молоко обычно охлаждают до температур ниже 4°С в пластинчатых теплообменниках, прежде чем оно поступит в резервуары на промежуточное хранение. Хранение сырого молока Необработанное сырое молоко (цельное молоко) хранится в вертикальных резервуарах (бункерных танках), имеющих емкость от 25 000 до 150 000 литров. Наиболее распространенными являются танки, емкость которых составляет от 50 000 до 100 000 литров. Меньшие резервуары часто размещаются внутри завода, тогда как большие резервуары с целью снижения строительных расходов располагаются вне молочного завода. Внешние резервуары имеют двойные стенки с изоляцией между ними. Внутренние резервуары изготавливаются из нержавеющей стали, полированной изнутри, а внешняя стенка изготавливается из сварных стальных листов. Перемешивание в бункерных танках Описанные выше большие резервуары должны быть оборудованы специальными перемешивающими устройствами для предотвращения всплывания сливок. Перемешивание должно быть исключительно осторожным. Слишком сильное перемешивание может привести к насыщению молока воздухом и разрушению жировых шариков. Это подвергает жиры воздействию липазных ферментов, присутствующих в молоке. Поэтому при переработке молока осторожное перемешивание является одним из основных правил. Резервуар, показанный на рис. 5.14, оборудован пропеллерной мешалкой, которая часто используется в бункерных танках. В очень высоких резервуарах для достижения желаемого эффекта может потребоваться установка двух мешалок на различных уровнях. Внешние резервуары имеют панель для вспомогательного оборудования. Панели всех резервуаров устанавливаются внутри помещения, в некоторых случаях на посту центрального управления. Технология производства молочных продуктов/глава 5 Рис. 5.14 Резервуар для хранения с пропеллерной мешалкой. 71 Индикация температуры в резервуарах Температура в резервуаре указывается на панели управления резервуаром. В большинстве случаев используется обычный термометр, но все более распространенным становится применение электрических датчиков, передающих сигнал на центральный пост управления. Индикация уровня Имеется множество методов измерения уровня молока в резервуарах. Пневматический указатель уровня измеряет статическое давление столба жидкости в резервуаре. Чем больше давление, тем выше уровень в емкости. Датчик передает показания соответствующему прибору. Блокировка по нижнему уровню Перемешивание молока должно выполняться осторожно. Поэтому мешалка должна включаться только после того, как полностью будет погружена в молоко. В стенке бака на уровне, необходимом для включения мешалки, обычно устанавливают электрод. Если уровень в баке падает ниже электрода, мешалка выключается. Указанный электрод обычно называют датчиком нижнего уровня (LL). Блокировка по переполнению Во избежание переполнения в верхней части бака устанавливают электрод максимального уровня (HL). Этот электрод обеспечивает закрытие впускного клапана в момент наполнения бака, при этом подача молока переключается на следующий танк. 6 Индикация пустого танка Во время операции опустошения важно знать, когда танк полностью опорожнен. В противном случае молоко, оставшееся в баке после закрытия выпускного клапана, будет смыто и утеряно во время последующей процедуры очистки. Еще одна опасность состоит в засасывании воздуха в систему в том случае, если опорожнение будет продолжаться уже после того, как танк полностью осушен. Попавший в систему воздух будет мешать последующей обработке. По этим причинам в линии слива часто устанавливают электрод низшего уровня (LLL), сигнализирующий о том, когда все молоко вышло из танка. Сигнал от данного электрода используется для переключения на другой танк или для прекращения опорожнения. 2 1 72 3 4 5 Рис. 5.15 Бункерный танк с нишей для смотрового люка, индикаторами и т.д. 1 Мешалка 2 Смотровой люк 3 Индикатор температуры 4 Электрод нижнего уровня 5 Пневматический индикатор уровня 6 Электрод максимального уровня Технология производства молочных продуктов/глава 5 Узлы и системы молочного завода В этой главе описывается процессное оборудование, используемое в молочной промышленности. Речь идет только о тех узлах и системах, которые применяются для переработки жидкого молока. О сыродельном и маслодельном оборудовании рассказывается в других главах, посвященных соответствующим производствам. Технология производства молочных продуктов/глава 6 73 74 Технология производства молочных продуктов/глава 6 Теплообменники Назначение тепловой обработки К концу XIX века тепловая обработка молока получила столь широкое применение, что стала использоваться для разнообразных целей на большинстве молокозаводов – например, для обработки молока при изготовлении сыра и масла. До внедрения тепловой обработки молоко представляло собой постоянный источник инфекций, так как оно является идеальной средой для развития микроорганизмов. Через молоко зачастую распространялись такие болезни, как туберкулез и брюшной тиф. В термине “пастеризация” запечатлено имя Луи Пастера, который в середине XIX века провел фундаментальные исследования воздействия тепла на микроорганизмы, приводящего к их гибели, и возможности применения температурной обработки для консервирования пищевых продуктов. Пастеризация молока – это особый вид тепловой обработки, который можно определить как “любую тепловую обработку молока, обеспечивающую безусловное уничтожение микроорганизмов – возбудителей туберкулеза, не вызывая при этом значительных изменений физических и химических качеств молока”. Изучая историю пастеризации, следует заметить, что, хотя ученые повсеместно сошлись на том, при какой температуре следует проводить тепловую обработку молока, в производственной практике в течение длительного времени серьезного контроля над этим процессом не осуществлялось. В результате молоко то перегревалось, что придавало ему соответствующий привкус, то недостаточно нагревалось, и тогда в нем сохранялись жизнеспособные возбудители туберкулеза. В середине 30-х годов XX века (JDR:6/191) Кэй (Kay) и Грэхэм (Graham) объявили об открытии фермента фосфатазы. Данный фермент всегда присутствует в сыром молоке и разрушается под воздействием повышенной температуры в течение определенного времени, необходимого для эффективной пастеризации. Кроме того, его присутствие или отсутствие легко подтверждается (проверка на фосфатазу по методу Шерера /Scharer/). Отсутствие фосфатазы свидетельствует о том, что молоко прошло необходимую тепловую обработку. К счастью, все обычные патогенные организмы, встречающиеся в молоке, погибают при сравнительно небольшом нагреве, который лишь незначительно отражается на физико-химических качествах молока. Самый устойчивый микроорганизм – возбудитель туберкулеза погибает уже при нагреве молока до 63°C в течение 10 минут. Полная безопасность обеспечивается выдержкой молока при этой температуре в течение 30 минут. Таким образом, этот микроорганизм является своего рода индикатором эффективности процесса пастеризации: любая тепловая обработка, вызывающая его гибель, надежно уничтожает все остальные патогенные микроорганизмы в молоке. Помимо патогенных микроорганизмов, молоко содержит другие микроорганизмы и вещества, которые портят вкусовые качества и сокращают сроки хранения различных молочных продуктов. Поэтому следующей целью тепловой обработки является уничтожение как можно большего числа этих организмов и ферментных систем, что требует более интенсивной тепловой обработки, чем для уничтожения патогенных микроорганизмов. Второе предназначение тепловой обработки приобретало все большее значение по мере укрупнения молочных заводов и сокращения их количества. Увеличившиеся интервалы времени между поставками означают, что, несмотря на современные методы охлаждения, микроорганизмы имеют больше времени для размножения и образования ферментов. Кроме того, разрушаются составляющие характеристики молока, снижается активная кислотность (рН) и т.д. Чтобы избежать этих проблем, молоко должно подвергаться тепловой обработке сразу же после поступления на молокозавод. Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Большая удача, что ни один из основных патогенных организмов, присутствующих в молоке, не образует спор. 75 Сочетание температуры и времени Сочетание степени нагрева и его продолжительности – очень важный фактор, определяющий интенсивность тепловой обработки. На рис. 6.1.1 графически показано, при каких сочетаниях этих двух характеристик погибают бактерии группы кишечной палочки, возбудители брюшного тифа и туберкулеза. В соответствии с этими графиками группы кишечных палочек погибают при выдерживании в течение 1 секунды при температуре 70°С. При температуре 65°С для уничтожения этих бактерий молоко надо выдерживать в течение десяти секунд. Эти комбинации – 70°С/1 с и 65°С/10 с – оказывают одинаковое летальное воздействие на бактерии. Возбудитель туберкулеза более устойчив к тепловой обработке, и для его гарантированного уничтожения требуется выдержка в 20 секунд при 70°С или около двух минут при 65°С. В молоке также могут находиться теплоустойчивые микрококки. Как правило, они абсолютно безвредны. Ограничения при тепловой обработке Интенсивная тепловая обработка молока желательна с точки зрения борьбы с микроорганизмами. Но такая обработка предполагает риск отрицательного воздействия на внешний вид, вкус и питательную ценность молока. При высоких температурах белки в молоке денатурируют. Это означает, что интенсивная тепловая обработка существенно ухудшает пригодность молока для изготовления сыра. Рис. 6.1.1 Летальное воздействие Сильный нагрев приводит к изменению вкуса: сначала возникает привкус кипяченого, температуры на микроорганизмы. а далее – пригоревшего молока. Таким образом, следует подбирать оптимальный режим тепловой обработки, при котором гарантированно уничтожались бы болезнетворные микроорганизмы и не ухудшались бы качественные показатели. В связи с тем, что тепловая обработка стала важнейшей составляющей молочного производства и ее значение получило всеобщее признание, были разработаны различные виды тепловой обработки, которые перечислены в таблице 6.1.1. Таблица 6.1.1 Основные виды тепловой обработки, применяемые в молочном производстве Название процесса Термизация Низкотемпературная длительная пастеризация молока Высокотемпературная кратковременная пастеризация молока Высокотемпературная кратковременная пастеризация сливок Ультрапастеризация Высокотемпературная обработка (ВТО) (стерилизация в потоке) Стерилизация в таре Температура Продолжительность 63–65°C 15 сек 63°C 30 мин 72–75°C 15–20 сек >80°C 125–138°C 1–5 сек 2–4 сек 135–140°C 115–120°C несколько секунд 20–30 мин Термизация На многих крупных молокозаводах нет возможности подвергнуть пастеризации и переработке все молоко сразу после его поступления. Часть молока приходится хранить в танках в течение нескольких часов или дней. В таких условиях даже глубокое охлаждение не является достаточным для предотвращения серьезного ухудшения качества молока. Поэтому на многих молокозаводах молоко подвергают предварительному нагреву до температур ниже, чем при пастеризации, с целью подавления микрофлоры, находящейся в молоке. Этот процесс называется “термизация”. Молоко выдерживают при температуре 63–65°С в течение 15 секунд. При этом режиме не подавляется активность фосфатазы. Во многих странах запрещена двойная пастеризация молока, поэтому термизация прекращается до возникновения условий, необходимых для пастеризации. 76 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Для того чтобы не допустить размножения аэробных спорообразующих бактерий после термизации, молоко следует быстро охладить до 4°С или ниже и не допускать его смешивания с необработанным молоком. Многие эксперты придерживаются мнения, что термизация оказывает положительное воздействие на некоторые спорообразующие бактерии. Тепловая обработка вызывает прорастание спор, а это означает, что они будут разрушены при последующей пастеризации молока. К термизации следует прибегать только в исключительных случаях. Главная цель – подвергнуть пастеризации все молоко в течение 24 часов после его поступления на обработку. Низкотемпературная длительная пастеризация молока (LTLT) Первоначальный способ тепловой обработки представлял собой процесс, при котором молоко нагревалось до 63°С в открытых емкостях и выдерживалось при этой температуре в течение 30 минут. Этот способ получил название “длительной низкотемпературной пастеризации” (LTLT-low temperature, long time). Высокотемпературная кратковременная пастеризация (HTST) В настоящее время молоко практически всегда подвергается тепловой обработке в поточных процессах, таких как термизация, пастеризация или высокотемпературная обработка (ВТО). HTST – это сокращение от английского (high temperature, short time) “высокотемпературный кратковременный процесс”. На практике применяются различные сочетания температуры и выдержки в зависимости от качества молочного сырья, типа вырабатываемого продукта и требований к срокам хранения. Молоко Высокотемпературная кратковременная пастеризация молока проводится при 72–75°C в течение 15–20 секунд, после чего следует охлаждение. При таком сочетании температуры и выдержки разрушается фермент фосфатаза. Таким образом, чтобы убедиться в эффективности пастеризации молока, его проверяют на наличие фосфатазы. Результат проверки должен быть отрицательным, то есть не должно быть обнаружено никакой активности фосфатазы. См. рис. 6.1.2. Рис. 6.1.2 Графики летального воздействия и комбинаций времени и температуры, разрушающих некоторые ферменты и микроорганизмы. Сливки и кисломолочные продукты Проверка на фосфатазу не должна проводиться в продуктах, жирность которых превышает 8%, так как спустя сравнительно небольшое время после пастеризации активность фермента восстанавливается. Тепловая обработка также должна быть более жесткой, так как жир обладает низкой теплопроводностью. Поэтому для проверки результата пастеризации сливок используется другой фермент – пероксидаза (тест на пероксидазу по методике Шторха /Storch/). Продукт нагревается до температуры свыше 80°С и выдерживается при ней около пяти секунд. Столь мощная тепловая обработка оказывается достаточной для подавления пероксидазы. Проверка должна показать отрицательный результат, то есть в продукте не должно быть обнаружено никакой активности пероксидазы. См. рис. 6.1.2. Поскольку с кисломолочными продуктами тоже нельзя проводить проверку на фосфатазу, при проверке качества их пастеризации также используется тест на пероксидазу. Молоко, предназначенное для производства кисломолочной продукции, обычно подвергается сильному нагреву с целью сворачивания сывороточных белков и усиления их способности связывания воды (чтобы избежать образования сыворотки). Ультрапастеризация К ультрапастеризации прибегают, когда продукт нуждается в определенном сроке годности. Некоторым производителям достаточно и двух суток, в то время как другие хотят продлить традиционный для пастеризованных продуктов срок хранения с 2–16 суток до 30–40 дней. Главная цель – свести к минимуму основные источники обсеменения микроорганизмами Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 77 молочной продукции во время ее производства и упаковки, а также срок ее годности. Это требует исключительно высокого уровня производственной гигиены и осуществления поставок при температуре не выше 7°С: чем ниже температура, тем дольше срок годности. Нагрев молока до 125–138°С в течение 2–4 секунд с последующим его охлаждением до температуры ниже 7°С – залог длительного срока годности. Буквы ESL (сокр. от английского Extended Shelf Life – длительный срок хранения) проставляются на продуктах, прошедших тепловую обработку, гарантирующую длительный срок их годности. Тем не менее такие продукты тоже должны храниться при низких температурах и при транспортировке, и в магазинах до момента их реализации. Высокотемпературная обработка (ВТО). Стерилизация в потоке Данный вид тепловой обработки жидких пищевых продуктов проходит при сверхвысоких температурах, обычно в диапазоне 135–140°С, в течение короткого периода времени. Такая обработка убивает микроорганизмы, которые в противном случае испортили бы продукт. ВТО представляет собой непрерывный процесс, протекающий в закрытой системе, предохраняющей продукцию от попадания в нее микроорганизмов из воздушной среды. Продукция в быстром темпе проходит стадии нагрева и последующего охлаждения. Неотъемлемой частью процесса является асептическая загрузка, предохраняющая продукцию от повторного бактериального обсеменения. На практике применяются два метода ВТО: • Непрямой подогрев и охлаждение в теплообменниках • Прямой нагрев впрыскиванием пара либо подачей молока в паровую среду с последующим охлаждением при расширении в вакууме. Стерилизация в таре Нагрев и охлаждение являются наиболее важными операциями на молочном заводе. До настоящего времени используется изначально разработанный метод стерилизации в емкостях, проводимый обычно при 115–120°С в течение 20–30 минут. После нормализации жирности, гомогенизации и нагрева до 80°С молоко разливается в чистую тару – обычно это стеклянные или пластмассовые бутылки для жидкого молока и консервные банки – для сгущенного. Еще не остывшая продукция, предназначенная для дальнейшей упаковки, перемещается в автоклавы, а для непрерывного производства – в гидростатическую башню, где происходит ее стерилизация. Предварительный нагрев Обычно необходимые для дальнейшего производственного процесса температуры обеспечиваются сразу после пастеризации, но иногда требуется временно охладить и выдержать молоко в таком состоянии перед его окончательной обработкой. Приводим несколько примеров. Молоко, предназначенное для производства сыра, предварительно нагревается до 30–35°С перед отправкой в ванны, где перед добавлением сычужного фермента производится окончательная регулировка температуры. В качестве нагревающей среды используется горячая вода. С целью снижения производственных расходов в качестве первичного теплоносителя может быть использована и сыворотка, остающаяся от предыдущей партии. Молоко для производства йогурта предварительно нагревается до 40–45°С, после чего направляется на ферментацию. В качестве теплоносителя используется горячая вода. Молоко может также подвергаться предварительному нагреву перед добавлением в него, помимо ферментов, шоколадной пудры, сахара, жиров и других добавок, необходимых для производства различных молочных продуктов. Процессы теплопередачи на молочном заводе Одним из важнейших требований современного молочного производства является возможность обеспечивать необходимую температуру на каждом этапе производственного процесса. Нагрев и охлаждение, таким образом, являются основными операциями на молокозаводе. Нагрев Молоко нагревается теплоносителем, таким как пар низкого давления (к нему в настоящее время прибегают очень редко), или горячей водой. Определенное количество тепла передается от нагревающей среды к молоку, вследствие чего его температура повышается, а температура теплоносителя соответственно снижается. 78 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Охлаждение Непосредственно после поступления на молокозавод молоко чаще всего охлаждается до низкой температуры – порядка 5°С или еще ниже, для того чтобы временно приостановить рост микроорганизмов. После пастеризации молоко также охлаждается до низкой температуры – около 4°С. При наличии обычной холодной воды ее можно использовать для первичного охлаждения после пастеризации и регенеративного теплообмена. Во всех случаях тепло переходит от молока к охлаждающей среде. Температура молока снижается до необходимого уровня, а температура охлаждающей среды соответственно возрастает. В качестве охлаждающей среды может использоваться холодная вода, ледяная вода, солевой или спиртовой раствор – например, гликоль. Регенеративный нагрев и охлаждение Во многих случаях перед определенной обработкой продукт должен быть нагрет, а затем охлажден. Пастеризация молока – один из таких случаев. Охлажденное молоко нагревается от 4°С до температуры пастеризации – 72°С, выдерживается при этой температуре 15 секунд, а затем снова охлаждается до 4°С. Тепло пастеризованного молока используется для нагрева холодного молока. Поступающее холодное молоко нагревается от выходящего горячего молока, которое, в свою очередь, охлаждается. Это позволяет экономить энергию нагрева и охлаждения. Процесс протекает в теплообменнике и носит название “регенеративный теплообмен”. Таким образом, удается возвращать в замкнутый цикл до 94–95% тепла, которое несет пастеризованное молоко. Рис. 6.1.3 Передача тепла посредством теплопроводности. Пример: тепло передается от нижней части ложки на ее ручку. Теория теплообмена Для передачи тепла от одного вещества к другому они должны иметь разные температуры. Тепло всегда перетекает от более теплого объекта к более холодному. Чем больше разница температур, тем быстротечнее тепловой поток. В процессе теплопередачи разность температур постепенно уменьшается и скорость теплового потока снижается, а когда температура выравнивается, она падает до нуля. Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Рис. 6.1.4 Конвективная • Теплопроводностью называется процесс переноса тепловой энергии от более нагретых передача тепла. Пример: участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия ложка ополаскивается микрочастиц. В результате теплопроводности температура тела выравнивается. На рис. 6.1.3 в холодной воде из-под показана передача тепла посредством теплопроводности на примере чайной ложки, крана. Вода поглощает погруженной в кружку с горячим кофе. Ручка ложки нагревается, тепло передается при помощи тепло, и ложка становится теплопроводности. холоднее, до тех пор пока ее температура • При конвективном теплообмене (теплоотдаче) теплота распространяется в потоке не сравняется с жидкости или газе от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно температурой воды. конвекцией и теплопроводностью. От поверхности твердого тела к потоку жидкости она распространяется через пограничный слой за счет теплопроводности, от пограничного слоя в ядро потока жидкости или газа – в основном конвекцией (см. рис. 6.1.4). Конвекция, таким образом, включает перемешивание. Если чайную ложку прополоскать в холодной воде, идущей из-под крана, тепло от ложки будет передаваться воде, которая в процессе прополаскивания будет нагреваться. Нагретая вода заменяется холодной, которая также отбирает тепло от ложки. Теплопередача конвективным способом продолжается до тех пор, пока температура ложки и воды, бегущей из-под крана, не уравняется. • Излучение – это испускание тепла телом, в котором сконцентрирована тепловая энергия (см. рис. 6.1.5). Тепловая энергия превращается в энергию излучения, исходящего от тела и поглощаемого другими телами, которые она встречает на своем пути. Почти все вещества способны Рис. 6.1.5 Теплопередача излучением. Пример: днем испускать энергию излучения. Виды теплопередачи крыша поглощает солнечное тепло, а ночью излучает его. На молокозаводах вся теплопередача осуществляется посредством теплопроводности и конвекции. При этом используются два вида нагрева: прямой и непрямой. Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 79 Прямой нагрев Прямой нагрев предполагает перемешивание нагревающей среды с продуктом. Этот способ применяется в следующих случаях: • Для нагревания воды. Пар впрыскивается прямо в воду и передает ей свое тепло как посредством теплопередачи, так и конвекции • Для нагревания продуктов, таких как сырное зерно, при изготовлении некоторых видов сыра (смешивая горячую воду с сырным зерном) и для стерилизации молока прямым способом (направляя струю пара в молоко или молоко в пар). Прямой способ теплопередачи эффективен при необходимости быстрого нагрева. У него имеется ряд преимуществ, которые будут рассмотрены в главе 9, рассказывающей о производстве молока с длительным сроком хранения. Однако он предполагает перемешивание продукта с нагревательной средой, а это принуждает к выполнению некоторых дополнительных операций в дальнейшем. Данный способ также сопровождается повышенными требованиями к нагревающей среде. В некоторых странах прямой нагрев запрещен законодательством на том основании, что существует опасность попадания посторонних веществ в продукт. Косвенный нагрев Рис. 6.1.6 Тепло переходит от нагревающей среды к холодному продукту через установленную теплопередающую поверхность. Непрямая теплопередача, таким образом, наиболее часто встречающийся способ нагрева продукта на молокозаводах. При этом методе между продуктом и нагревающей или охлаждающей средой устанавливается стенка. Тепло от нагревающей среды переносится на продукт через теплопередающую поверхность (см. рис. 6.1.6). Допустим, что теплоноситель – горячая вода, текущая по одну сторону от преграды, а холодное молоко – по другую. Перегородка соответственно нагревается со стороны, где находится нагревающая среда, и охлаждается с той стороны, где молоко. В пластинчатом теплообменнике роль перегородки играет пластина. С каждой стороны перегородки имеется пограничный слой. Там, где пограничный слой соприкасается с перегородкой, скорость движения жидкости снижается почти до нуля по причине трения о перегородку. Скорость движения слоя жидкости, непосредственно примыкающего к пограничному слою, снижается трением о пограничный слой и, следовательно, невысока. Скорость движения жидкости возрастает по мере удаления от пограничного слоя и достигает максимального значения в центральной части канала. Подобным же образом и температура горячей воды максимальна в средней части канала. Чем ближе находится вода к перегородке, тем больше она охлаждается холодным молоком, находящимся по другую сторону. Тепло передается пограничному слою посредством теплопроводности или конвекции. Теплопередача от пограничного слоя через перегородку на другой пограничный слой осуществляется почти полностью теплопроводностью, а дальнейшая передача тепла от пограничного слоя молока в центральную зону происходит посредством теплопроводности и конвекции. Теплообменник Рис. 6.1.7 Изменение температуры теплопередачи в теплообменнике. Теплообменник предназначен для передачи тепла косвенным способом. Ниже описываются несколько различных типов теплообменников. Чтобы облегчить понимание того, как происходит теплопередача в теплообменнике, его нужно символически представить себе в виде двух каналов, разделенных трубчатой перегородкой. Горячая вода (обозначенная красным цветом) протекает в одном канале, а молоко (синим) – в другом. Тепло передается через перегородку. Горячая вода поступает в канал при температуре ti2 и охлаждается там до t02 на выходе. Молоко поступает в теплообменник охлажденным до температуры ti1 и нагревается там до температуры t01 на выходе. Изменения температуры в процессе прохождения жидкости через теплообменник показаны графически на рис. 6.1.7. Размеры теплообменника Необходимые размеры и форма теплообменника зависят от многих факторов. Их расчет весьма сложен, и в настоящее время он выполняется с помощью компьютера. При этом учитываются следующие факторы: • Расход продукта • Физические характеристики жидкостей 80 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 • Допустимые перепады давления • Конструкция теплообменника • Требования к чистоте • Продолжительность технологического цикла. Общая формула расчета необходимых размеров (площади теплопередачи) теплообменника такова: A = V x ρ x cp x ∆ t ∆ tm x k A – необходимая площадь теплопередачи V – расход продукта ρ – удельная плотность продукта cp – удельная теплоемкость продукта ∆t – изменение температуры продукта • Температурная программа ∆tm – средняя логарифмическая разность температур k – общий коэффициент теплопередачи Расход продукта Расход продукта (V) определяется планируемой мощностью молокозавода. Чем выше расход продукта, тем крупнее должен быть теплообменник. Например, если расход продукта на предприятии должен быть увеличен с 10 000 л/ч до 20 000 л/ч, размеры теплообменника также нужно будет увеличить вдвое при условии, что удваиваются и расходы рабочих жидкостей, а все остальные параметры остаются неизменными. Физические характеристики жидкостей Плотность (r) определяется продуктом. Удельная теплоемкость (сp) также определяется продуктом. Эта характеристика соответствует количеству тепла, которое должно быть сообщено продукту для увеличения его температуры на 1°С. Другая важная физическая характеристика – вязкость. О ней будет рассказано в разделе, посвященном общему коэффициенту теплопередачи. Температурная программа Цель теплопередачи – нагрев или охлаждение определенного количества продукта – например, молока от определенной температуры на входе до требуемой температуры на выходе. Это достигается в теплообменнике с помощью рабочей жидкости – например, воды. Молоко обогревается горячей водой, температура которой соответственно снижается. Необходимо рассмотреть следующие аспекты температурной программы: изменение температур, разницу в температурах взаимодействующих жидкостей и направление потоков жидкостей. Изменение температур Температура продукта на входе и на выходе из теплообменника определяется предшествующими и последующими этапами технологического процесса. Изменение температуры продукта обозначено в вышеприведенной формуле символом Dt. Оно может быть определено как Dt1= t01 – ti1. См. также рис. 6.1.7. Температура рабочей жидкости на входе определяется условиями технологического процесса. Температура рабочей жидкости на выходе может быть определена расчетом энергетического баланса. Для современного теплообменника потери энергии в окружающую атмосферу настолько малы, что их можно не принимать в расчет. Таким образом, тепловая энергия, отдаваемая горячей жидкостью, равна тепловой энергии, поглощаемой холодной жидкостью, то есть обеспечивается энергетический баланс. Это может быть отражено в следующей формуле: V1 x ρ1 x cp1 x ∆t1 = V2 x ρ2 x cp2 x ∆t2 Пример: для изготовления сыра требуется нагреть 20 000 л/ч сырного молока (V1) с 4°С до 34°С с помощью 30 000 л/ч горячей воды (V2), температура которой = 50°С. Плотность (r) и удельная теплоемкость (Cp) составляют для молока около 1020 кг/м3 и 3,95 кДж/кг, а для воды соответственно 990 (при 50°С) и 4,18. Теперь, пользуясь вышеприведенной формулой, можно рассчитать изменение температуры горячей воды: 20 000 х 1 020 х 3,95 (34–4) = 30 000 x 990 x 4,18 x ∆t2 ∆t2 = 19,5°С. Таким образом, температура горячей воды снизится на 19,5° – с 50 до 30,5°С. Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 81 Средняя логарифмическая разность температур (СЛРТ) Уже отмечалось: чтобы произошла теплопередача от одной среды к другой, у них должна быть разная температура. Движущая сила в этом процессе – разность температур. Чем больше разница в температурах, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник. Однако для деликатной продукции разница в температурах не должна превышать определенного предела. Разность температур в пределах одного теплообменника может изменяться. Для расчетов принимается определенное среднее значение – СЛРТ. В вышеприведенной общей формуле оно обозначено как ∆tm. Используя обозначения, приведенные на рис. 6.1.8, его можно рассчитать по следующей формуле: ∆ tm = (ti2 – to1) – (to2 – ti1) ln (ti2 – to1) (to2 – ti1) В примере при нагреве молока, идущего на изготовление сыра, средняя логарифмическая разность температур Dtm, вычисленная по этой формуле, составляет 20,8°С. Важным фактором, который учитывается при определении средней логарифмической разности температур, является направление потоков жидкостей в теплообменнике. Существуют два основных варианта: прямоточный и противоточный. Противоточная схема Разность температур взаимодействующих потоков наиболее эффективно используется при их движении через теплообменник в противоположных направлениях (см. рис. 6.1.8). По мере прохождения по своему каналу продукт постепенно нагревается до температуры, которая всего лишь на несколько градусов ниже, чем у нагревающей среды. Такая схема называется противоточной. Рис. 6.1.8 Схема изменения температуры теплоносителей при противотоке. Прямоточная схема Данный вариант предусматривает такое устройство, в котором оба потока жидкости поступают в теплообменник с одного конца и текут в одном и том же направлении (рис. 6.1.9). При такой схеме невозможно нагреть продукт до температуры, превышающей получаемую при смешивании продукта и нагревающей среды. Это ограничение не распространяется на вариант с противотоком, при котором продукт нагревается до температуры всего лишь на два-три градуса ниже температуры нагревающей среды на входе в теплообменник. Общий коэффициент теплопередачи Этот коэффициент (k) определяет степень эффективности теплообменника. Он показывает, сколько тепла, проходящего через 1 м2 перегородки, приходится на 1°С разности температур. Этот же коэффициент используется при расчете теплоизоляции зданий, хотя в таком случае цель строителей прямо противоположна, а именно – добиться минимально возможного значения k, в то время как для теплообменников этот показатель должен быть как можно выше. Коэффициент зависит от следующих факторов: • Допустимых перепадов давления жидкостей • Вязкости жидкостей • Формы и толщины перегородки • Материала перегородки • Наличия пригорания молока на поверхности теплообменных аппаратов. Рис. 6.1.9 Схема изменения температур теплоносителей при прямотоке. 82 Допустимые перепады давления Для увеличения значения коэффициента k и улучшения теплопередачи можно уменьшить диаметр канала, по которому течет продукт. В результате сокращается расстояние, которое должно пройти передаваемое тепло от перегородки до середины канала. При этом, однако, сужается и сам поток. Это приводит к двум последствиям: Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 а) возрастает скорость потока в канале, что, в свою очередь, б) увеличивает турбулентность потока. Чем больше перепад давления продукта и нагревающей среды, тем больше передается тепла и тем меньших размеров требуется теплообменник. Однако продукты, чувствительные к механическим воздействиям (например, молочный жир), могут пострадать от агрессивной обработки. По мере движения потока в теплообменнике давление постепенно снижается, и поэтому давление продукта перед поступлением в теплообменник должно быть увеличено, чтобы компенсировать это снижение и принудить поток продвигаться по суженному каналу. С этой целью может возникнуть необходимость установки подкачивающего насоса. В некоторых странах установка подкачивающего насоса обусловлена требованием законодательства, чтобы обеспечить более высокое давление со стороны продукта и таким образом избежать попадания непастеризованного продукта в пастеризованный. Вязкость Вязкость продукта и теплоносителя является важным фактором, который учитывается при определении размеров теплообменника. Жидкость, отличающаяся высокой вязкостью, развивает меньшую турбулентность при движении в теплообменнике по сравнению с жидкостью с более низкой вязкостью. Это означает потребность в более крупном теплообменнике при всех прочих одинаковых параметрах. Например, для сливок требуется более крупный теплообменник, чем для молока, при аналогичной расчетной производительности и температуре. Особое внимание следует уделять продуктам с поведением потока, типичным для неньютоновских жидкостей. У этих продуктов очевидная вязкость зависит не только от температуры, но и от коэффициента сдвига. Продукт, который кажется довольно плотным, когда он находится в открытой емкости, может двигаться под действием насоса по трубам или в теплообменнике с неожиданно высокой скоростью. Поведение таких продуктов в потоке может быть измерено с помощью специальных приборов с целью выполнения точных расчетов в дальнейшем (см. также главу 3 – “Реология”). Форма и толщина пластины Пластина часто выполняется гофрированной, чтобы придать потоку повышенную турбулентность, которая, в свою очередь, улучшает теплопередачу. На рис. 6.1.10 показаны три различные конструкции. Толщина также играет важную роль. Чем тоньше пластина, тем лучше теплопередача. Но при этом необходимо соблюсти чувство меры, обеспечив достаточную прочность перегородки, чтобы она могла противостоять давлению потоков жидкостей. Современные конструкции и производственные технологии позволяют изготовлять более тонкие перегородки, чем несколько лет назад. Материал пластин В пищевой промышленности традиционно используется нержавеющая сталь, обладающая довольно хорошей теплопроводностью. Пригорание Большинство молочных продуктов чувствительны к нагреву, который поэтому необходимо выполнять очень аккуратно во избежание изменений в продуктах. При кипячении молока в кастрюле белки будут коагулировать и пригорать. То же произойдет в теплообменнике, если теплопередающая поверхность будет чрезмерно горячей. Температура нагревающей среды должна быть поэтому как можно ближе к температуре продукта и составляет обычно значение, на 2–3 градуса превышающее температуру пастеризации. Если поверхность слишком горяча по отношению к продукту, его белки свернутся и осядут на перегородках в виде тонкого слоя. Тепло должно будет в таком случае преодолевать и этот слой, что приведет к уменьшению общего коэффициента теплопередачи. Разность температур между теплоносителем и продуктом в таком случае уже не будет достаточной для передачи того же количества тепла, что и раньше, и температура продукта на выходе снизится. Это может быть компенсировано повышением температуры нагревающей среды, но тогда также поднимется температура Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Рис. 6.1.10 Форма пластины в теплообменнике пластинчатого типа может различаться в зависимости от того, какой продукт должен проходить обработку, и от требований к коэффициенту теплопередачи. 83 теплопередающей поверхности, что приведет к коагуляции и оседанию на поверхности дополнительного количества белков, увеличению толщины пригара и дальнейшему уменьшению коэффициента k. На этот коэффициент также влияют уменьшение или увеличение скорости прохождения жидкости через теплообменник, поскольку это отражается на характеристиках потока. Повышение мощности потока приводит к его большей турбулентности и повышает значение k. Замедление потока делает его более ламинарным и снижает значение k. Поэтому обычно желательно избегать изменений расхода в пределах теплообменника, но в целях повышения экономичности может оказаться необходимым практиковать определенные вариации в некоторых видах производства. Пример: Для выше рассмотренного варианта с теплообменником для молока, из которого делают сыр, предположим, что коэффициент теплопередачи составляет около 5000 Вт/м2, если используется теплообменник пластинчатого типа из нержавеющей стали и его листы не слишком загрязнены. Другие параметры для решения задачи, приведенной на стр. 81, таковы: – расход = 20 000 л/ч – плотность = 1020 кг/м3 – удельная теплоемкость = 3,95 кДж/кг K – изменение температуры = 30°С – разность температур = 20,8°С – коэффициент теплопередачи = 5000 Вт/м2 K Размер теплопередающей поверхности рассчитывается следующим образом: A= 20 000 x 1 020 x 3,95 x 30 = 6,5 м2 3 600 x 20,8 x 5 000 Таков теоретический расчет. На практике же следует учитывать и чувствительную природу продукта, и требования технологии. Двумя такими факторами, не учтенными формулой, являются чистота теплообменника и время его беспрерывной работы. Mойка По окончании производственного цикла теплообменник должен быть очищен. Mойка выполняется с помощью моющих средств, циркулирующих там, где прошло молоко. О процессе мойки специально рассказывается в главе 21. Для обеспечения эффективной мойки теплообменник должен конструироваться с учетом не только необходимых тепловых режимов, но и технологии мойки. Если в некоторых участках теплообменника сосредоточено несколько параллельных каналов, то там в процессе мойки возникает недостаточная турбулентность и промывка загрязненных поверхностей оказывается недостаточно эффективной. С другой стороны, там, где таких параллельных каналов слишком мало, возникает чрезмерная турбулентность, что ведет к значительному снижению давления. Такое снижение может привести к падению расхода моющего раствора и уменьшению таким образом эффективности мойки. Следовательно, необходимо конструировать такой теплообменник, который позволил бы осуществлять эффективную мойку его рабочих поверхностей. Продолжительность технологического цикла При нагреве молочных продуктов до температуры, превышающей 65°С, неизбежно имеет место некоторое загрязнение теплообменника. Это означает, что через определенное время непрерывной эксплуатации пастеризатор приходится останавливать для очистки. Предсказать, через какой период времени такая остановка потребуется, трудно – все зависит от степени загрязнения. Скорость оседания загрязнений на рабочих поверхностях зависит от многих факторов, в том числе: • Разности температур между продуктом и нагревающей средой • Качества молока • Содержания воздуха в продукте • Давления в нагревательной секции теплообменника. Особенно важно поддерживать на предельно низком уровне содержание воздуха. Избыточный воздух в продукте сильно ускоряет процесс пригорания. При определенных условиях время непрерывной эксплуатации может быть сокращено ростом микроорганизмов в конечной части секции регенерации теплообменника пластинчатого типа. Это, впрочем, случается довольно редко. Обычно такие вещи происходят из-за недостаточно качественной предварительной подготовки молока. Все это свидетельствует о необходимости включать в планы эксплуатации пастеризаторов мероприятия по их очистке через определенные промежутки времени. 84 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Регенерация Использование тепла горячей жидкости – например, пастеризованного молока – для первичного нагрева поступающего в пастеризатор холодного молока называется регенерацией. Холодное же молоко используется для охлаждения горячего. Таким образом, экономится вода и энергия. В современных высокоэффективных пастеризационных установках коэффициент полезного действия систем регенерации может достигать 94–95%. Возьмем для примера такую простейшую операцию, как нагрев холодного молока. Используя формулу: R = (tr – ti) x 100 (tp – ti) R = кпд регенерации, % tr = температура молока после регенерации (здесь 68°С) ti = температура поступающего сырого молока (здесь 4°С) tp = температура пастеризации (здесь 72°С) получаем: (68 – 4) x 100 R= = 94,1% (72 – 4) Выдержка Правильно выполняемая тепловая обработка молока требует его выдержки при температуре пастеризации в течение определенного времени. Это происходит во внешней выдерживающей секции. Эта камера выполнена в форме спиральной или зигзагообразной трубы, которая часто заключается в металлический кожух, защищающий людей от ожогов, неизбежных при случайном касании. Длина трубы и скорость потока рассчитаны таким образом, чтобы время прохождения молока по трубе оказалось равным времени необходимой выдержки. Необходимо тщательно контролировать скорость потока, потому что размеры камеры специально рассчитаны на выдержку при строго определенной скорости прохождения продукта. Время выдержки изменяется обратно пропорционально расходу через камеру. В прежние времена молоко выдерживалось в специальных отсеках, встроенных в теплообменник пластинчатого типа, а в настоящее время для этого применяются почти исключительно выносные выдерживающие секции. Расчет времени выдержки Необходимая длина трубы для требуемой выдержки может быть рассчитана, если известны расход (литров в час) и внутренний диаметр трубы. Поскольку скоростной профиль трубы не вполне однороден, скорость движения некоторых молекул молока будет превышать среднюю. Чтобы обеспечить пастеризацию даже самых быстрых молекул, при расчете трубы должен учитываться ее кпд. Этот коэффициент зависит от конструкции трубы, но обычно он находится в пределах 0,8–0,9. Рис. 6.1.11 Заключенная в корпус труба предназначена для продолжительной выдержки молока. Формула: 1. V = Q x HT 3 600 x η 2. L = Vx4 π x D2 дм3 дм3 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Рис. 6.1.12 Зигзагообразная труба для выдержки молока. 85 Рис. 6.1.13 Этот тип пастеризатора с турбинным приводом мешалки производился и продавался фирмой AB Separator с 1896 по 1931 год. Данные, необходимые для расчета: Q – расход при пастеризации, л/ч HT – время выдержки, сек L – длина трубы, где выдерживается продукт в соответствии с параметрами Q и HT, дм D – внутр. диаметр трубы, дм, известен или адаптирован к остальным трубопроводам V – объем молока в литрах или дм3, в соответствии с параметрами Q и HT η – коэффициент полезного действия Пример: На пастеризационной установке производительностью (Q) в 10 000 л/час требуется обеспечить выдержку (HT) в 15 с. Внутренний диаметр (D) трубы, предназначенной для этой цели, – 48,5 мм или 0,485 дм. Требуется рассчитать длину (L) трубы при кпд, равном 0,85. 1. V = 10 000 x 15 3 600 x 0,85 = 49,0 дм3 2. L = 49,0 x 4 p x 0,4852 = 265,5 дм или 26,5 м Длина трубы должна составить около 26,5 м. Различные типы теплообменников Рис. 6.1.14 Теплообменник пластинчатого типа был запатентован в 1890 году немецкими изобретателями Лангеном (Langen) и Хундхаузеном (Hundhausen). Наиболее распространенным типом этого оборудования в конце XIX века был нагреватель, одна из разновидностей которого показана на рис.6.1.13. Несмотря на ряд недостатков, этот вид теплообменников использовался на некоторых предприятиях еще в 50-е годы ХХ столетия. В 1878 году немец Альберт Драке (Albert Dracke) получил патент на аппарат, в котором одна жидкость нагревала другую, протекая в виде слоя, прилегающего к противоположной стороне каждой из набора пластин, входящих в это устройство. Нам неизвестно, ушел ли дальше конструкторского кульмана какой-либо из запатентованных в те времена теплообменников, один из которых показан на рис. 6.1.14. Тем не менее в начале 20-х годов ХХ века старые немецкие разработки были по достоинству оценены, и появился регенеративный теплообменник, созданный на основе этих концепций. С тех пор пластинчатые теплообменники играют основную роль в молочной промышленности, когда речь идет о нагреве и охлаждении. В настоящее время наиболее широко распространены следующие типы теплообменников: • Пластинчатый теплообменник • Трубчатый теплообменник • Шнековый теплообменник. Пластинчатые теплообменники Основная часть тепловой обработки молочной продукции выполняется в теплообменниках пластинчатого типа (ТПТ). Такой теплообменник состоит из набора пластин из нержавеющей стали, стянутых в одну конструкцию. Такая конструкция может состоять из нескольких пакетов пластин, составляющих отдельные секции, в которых осуществляются различные этапы обработки – например, первичный нагрев, основной нагрев и охлаждение. Функцию обогревающей среды выполняет горячая вода, а охлаждающей среды – холодная вода, ледяная вода или пропилгликоль, в зависимости от требуемой температуры продукта на выходе. Рис. 6.1.15 Принципы движения потоков и теплопередачи в пластинчатом теплообменнике. 86 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Пластинам придана гофрированная форма для обеспечения оптимальной теплопередачи. Пакет пластин сжат в конструкции. Точки опоры на гофрах не позволяют листам сомкнуться, и, таким образом между ними образуются тонкие каналы. Жидкости проникают в каналы и покидают их через отверстия в углах пластин. Различные сочетания сквозных и глухих отверстий направляют жидкости из одного канала в другой. Прокладки на стыках пластин и отверстий ограничивают каналы и предотвращают утечку из теплообменника и смешивание жидкостей внутри его. Схемы потоков Продукт поступает внутрь теплообменника через угловое отверстие в первый канал секции и течет по каналу в вертикальном направлении. Пройдя весь канал, продукт покидает его с другого конца через угловое отверстие, снабженное прокладкой. Расположение угловых проходов таково, что продукт попадает в каналы через один в пределах “своего” пакета пластин. Обогревающая или охлаждающая жидкость поступает с противоположного конца секции и протекает аналогичным образом – через канал. Значит, каждый канал, по которому движется продукт, с обеих сторон соседствует с каналами, наполненными рабочей жидкостью. Для эффективной теплопередачи каналы между пластинами должны быть предельно узкими, но в случае необходимости пропускания больших объемов продукта по этим каналам неизбежно происходит значительное увеличение скорости и давления. Поскольку такие вещи весьма нежелательны, их стараются избежать, разбивая поток продукта в теплообменнике на несколько параллельных потоков. Отмеченный синим цветом на рис. 6.1.16 поток продукта делится на два параллельных потока, которые четыре раза меняют направление своего движения в пределах своего отсека. Поток рабочей жидкости, отмеченный красным, делится на четыре параллельных потока, которые дважды меняют направление своего движения. Рис. 6.1.16 Система каналов, по которым параллельно движутся потоки продукта и нагревающей/охлаждающей среды. В данном варианте применяется схема 4 х 20 / 2 х 4. Трубчатые теплообменники В некоторых случаях для пастеризации, а также для стерилизации молочных продуктов применяются теплообменники трубчатого типа (ТТТ). В отличие от пластинчатых, эти теплообменники не имеют точек соприкосновения в продуктовом канале и поэтому могут быть использованы для работы с продуктами, частицы которого ограничены определенным размером. Максимальный размер частиц зависит от диаметра трубы. При работе в режиме стерилизации трубчатый теплообменник реже приходится останавливать для очистки, чем пластинчатый. С точки зрения теплопередачи трубчатый теплообменник менее эффективен, чем пластинчатый. Имеются два принципиально различных типа трубчатых теплообменников: много/одноканальный и много/однотрубный. Многоканальный и одноканальный Теплопередающая поверхность многоканального трубчатого теплообменника, показанного на рис. 6.1.18, состоит из прямых трубок различного диаметра, концентрически размещенных на общей оси и с обоих концов примыкающих к коллекторам (1). Стыки труб с коллекторами уплотнены двойными уплотнительными кольцами (2), и весь узел фиксируется осевым стяжным болтом (3). Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Рис. 6.1.17 Трубы в теплообменнике трубчатого типа смонтированы в компактный блок. 87 2 Рис. 6.1.18 Концевая часть многоканального трубчатого теплообменника 1 Коллектор 1 2 Уплотнительные кольца 3 Торцевая гайка Оба взаимодействующих потока текут во встречных направлениях по кольцевым каналам между концентрическими трубками, через один. Рабочая жидкость всегда поступает в самый крайний канал. Коллекторы на обоих концах собирают и направляют жидкость в одни каналы и выпускают ее из других. Гофрированная структура труб обеспечивает высокую турбулентность обеих жидкостей с целью улучшения теплопередачи. Данный тип теплообменника можно также использовать для прямой регенерации путем воздействия одного продукта на другой. Одноканальный теплообменник представляет собой вариант с одним продуктопроводящим каналом, заключенным между двумя концентрическими каналами 3 с рабочей жидкостью. Многотрубный и однотрубный 1 2 Рис. 6.1.19 Концевая часть многотрубного теплообменника. 1 Продуктовые трубы, окруженные охлаждающей средой 2 Сдвоенное уплотнительное кольцо Многотрубный теплообменник работает по классической схеме трубы в кожухе, при которой продукт течет по набору параллельных труб, а рабочая жидкость – между ними и вокруг них. Спирально-гофрированная конфигурация труб и кожуха создает турбулентность, которая обеспечивает эффективную теплопередачу. Теплопередающая поверхность состоит их набора прямых гофрированных или гладких труб (1), вваренных в пластины с обоих концов (рис. 6.1.19). Пластины, в свою очередь, крепятся к наружному кожуху с использованием двойных уплотнительных колец (2). Такая “плавающая” конструкция позволяет при необходимости извлекать трубы продуктопровода, отвернув торцевые болты. Таким образом, узел можно разбирать для осмотра. “Плавающая” конструкция поглощает тепловое расширение и позволяет заменять наборы труб в кожухе, устанавливая различные их сочетания в зависимости от назначения. Однотрубный вариант представляет собой теплообменник с одной внутренней трубой, способной пропускать частицы диаметром до 50 мм. И многотрубный и однотрубный варианты эффективно используются для процессов, требующих высоких давлений и высоких температур. Шнековый теплообменник Рис. 6.1.20 Вертикальный вариант шнекового теплообменника. 1 Цилиндр 2 Ротор 3 Лопасть Продукт Нагревающая или охлаждающая среда 88 1 2 3 Шнековый теплообменник (см. рис. 6.1.20) предназначен для нагрева и охлаждения вязких, клейких и комковатых продуктов и для их кристаллизации. Рабочие давления в среде продукта очень высоки, нередко они достигают 40 бар. Поэтому все продукты, поддающиеся перекачке, могут быть подвергнуты необходимой обработке. Шнековый теплообменник состоит из цилиндра (1), через который перекачивается продукт в направлении, противоположном движению рабочей жидкости в окружающем цилиндр кожухе. Заменяемые роторы (2) различных диаметров, от 50,8 до 127 мм, и с изменяемыми конфигурациями пальцев и лопастей (3) позволяют адаптировать конструкцию под выполнение различных операций. Роторы меньших диаметров позволяют проходить через цилиндр более крупным (до 25 мм) частицам, в то время как у цилиндров, оснащенных роторами более крупного диаметра, выше пропускная способность и лучше тепловые характеристики. Продукт поступает в вертикально стоящий цилиндр через отверстие в его нижнем конце и безостановочно движется вверх по цилиндру. В начале процесса весь воздух перед продуктом откачивается, и тем самым обеспечивается полное и ровное покрытие продуктом нагревающей или охлаждающей поверхности. Вращающиеся лопасти безостановочно удаляют продукт со стенок цилиндра (рис. 6.1.21), обеспечивая равномерную теплопередачу на продукт. Кроме того, на стенках не остается осадка. Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Продукт покидает цилиндр через отверстие в верхнем его конце. Расход продукта и скорость вращения ротора регулируются в зависимости от характеристик продукта, проходящего через цилиндр. По завершении процесса продукт может быть вытеснен из цилиндра водой при минимальном с ней перемешивании благодаря вертикальному положению цилиндра. Это позволяет полностью извлекать продукт после каждого производственного цикла. Последующая промывка облегчает безразборную очистку и смену продукта. Как уже было сказано, ротор и лопасти могут заменяться. Эта операция выполняется с помощью автоматического гидроподъемника, который облегчает подъем и опускание этого узла (см. рис. 6.1.22). Шнековые теплообменники используются в производстве джемов, конфет, шоколада, арахисового масла, соусов. Он также используется для работы с животными жирами и растительными маслами при изготовлении маргарина, кулинарного жира и др. Выпускаются также модификации шнековых теплообменников, предназначенные для асептического процесса производства продуктов. Два или более теплообменников вертикального типа могут быть соединены в параллельные блоки для образования больших теплопередающих поверхностей в зависимости от того, какая производительность требуется в данном конкретном случае. 1 3 2 Рис. 6.1.21 Шнековый теплообменник в разрезе. 1 Ротор 2 Лопасть 3 Цилиндр Рис. 6.1.22 Снятие лопастей при опущенном положении ротора. Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 89 90 Технология производства молочных продуктов/глава 6.1 Центробежные сепараторы и нормализация молока по содержанию молочного жира Центробежные сепараторы Историческая справка В немецком коммерческом издании Milch-Zeitung от 18 апреля 1877 г. было дано описание только что изобретенного приспособления, предназначенного для отделения сливок от молока. Оно представляло собой “барабан, благодаря вращению которого в течение некоторого времени на поверхности молока образовывается слой сливок, который можно снимать обычным способом”. Прочитав эту статью, молодой шведский инженер Густав де Лаваль заявил: “Я докажу, что центробежная сила действует в Швеции не хуже, чем в Германии”. 15 января 1878 г. в ежедневной газете Stockolms Dagblad появилось сообщение: “Со вчерашнего дня началась демонстрация центробежной машины для снятия сливок. Этот показ будет продолжаться ежедневно с 11 до 12 ч. утра на ул. Регерингсгатан, в доме №41 на первом этаже. Эта машина соединена с барабаном, который приводится в движение с помощью ременного блока. Будучи легче молока, сливки вытесняются центробежной силой на его поверхность, откуда по желобку стекают в отдельный сосуд. Молоко, оказавшееся под сливками, направляется на периферию барабана, откуда по другому желобу течет в другой сосуд”. С 1890 г. разработанные Густавом де Лавалем сепараторы стали оснащаться специально сконструированными коническими тарелками, патент на которые был выдан в 1888 г. немцу Фрехерру фон Бехтольшайму (Freiherr von Bechtolsheim) и куплен в 1889 г. шведской фирмой AB Separator, одним из акционеров которой был Густав де Лаваль. Сегодня большинство моделей подобных машин оборудованы пакетами конических тарелок. Рис. 6.2.1 Густав де Лаваль, изобретатель первого центробежного сепаратора непрерывного действия. Рис. 6.2.2 Один из самых первых сепараторов, Альфа А 1, выпускавшийся с 1882 г. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 91 Осаждение под действием силы тяжести В историческом масштабе центробежный сепаратор – изобретение недавнее. Немногим более ста лет назад единственным способом отделения одного вещества от другого было использование естественного процесса осаждения под воздействием силы тяжести. Осаждение – непрерывный процесс. Частички глины во взбаламученной луже постепенно оседают, и вода становится прозрачной. То же самое происходит с тучами песка, перемешанными с водой в волнах прибоя или поднятыми ногами купальщиков. Нефть, вытекшая в море, легче воды, и поэтому она постепенно поднимается и формирует пятна на поверхности воды. Осаждение под воздействием силы тяжести также изначально использовалось в молочном производстве для отделения сливок от молока. Парное молоко оставлялось в сосуде. Через некоторое время жировые шарики агрегировались и всплывали на поверхности, где образовывали слой сливок. Последний затем снимался вручную. Требования к осаждению Рис. 6.2.3 Подмешиваемый в воду песок тонет, а нефть всплывает. Растворенные в жидкости вещества не могут быть разделены при помощи осаждения. Рис. 6.2.4 Пробка легче воды, поэтому она не тонет. Камень тонет, потому что он тяжелее. 92 Жидкость должна представлять собой дисперсию, то есть смесь из двух или более фракций, одна из которых сплошная. Сплошная фаза молока может фигурировать как плазма молока или обезжиренное молоко. Жир содержится в плазме молока в форме круглых шариков различного диаметра – до 15 микрон. В молоке также содержится третья фракция, состоящая из разрозненных твердых частичек, в том числе клеток вымени, измельченной соломы, шерсти и т.д. Фракции, которые нужно отделить, не должны растворяться друг в друге. Растворенные вещества не могут быть разделены методом осаждения. Растворенная лактоза не может быть отделена центрифугированием. Тем не менее она может кристаллизоваться. А кристаллы лактозы можно разделить с помощью осаждения. Фракции, которые нужно разделить, должны также иметь различную плотность. Фракции молока удовлетворяют этому требованию: у твердых примесей плотность больше, чем у обезжиренного молока, а у жировых шариков – меньше. Как происходит осаждение? Мы знаем, что камень, брошенный в воду, утонет, а пробка всплывет на ее поверхность, потому что камень “тяжелее”, а пробка “легче” воды. Вероятно, у некоторых вызовет затруднение вопрос о том, что случится с камнем или куском железа, если вместо воды их опустить в сосуд с ртутью. Опыт достаточно простой. Ртуть – жидкий металл, имеющий высокую плотность, поэтому и железо, и камень останутся на ее поверхности. Плотность Каждое вещество обладает характеристикой, называемой плотностью. Плотность является мерой тяжести вещества и может быть выражена в кг/м3. Если мы положим на весы один кубический метр железа, то они покажут 7860 кг (плотность железа 7860 кг). Плотность воды при комнатной температуре составляет 1000 кг/м3, а камня (гранита), пробки и ртути при комнатной температуре – 2700, 180 и 13 550 кг/м3 соответственно. Когда в воду опускают какой-либо предмет, утонет он или останется на ее поверхности, зависит от того, какова его плотность по сравнению с плотностью воды. Если плотность предмета выше плотности воды, он утонет, в противном случае предмет останется на поверхности воды. Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ. При плотности какой-либо частицы, равной ρp, и плотности жидкости, равной ρl, разницу в их плотности можно обозначить как (ρp – ρl). Например, разница плотностей камня и воды составляет (2700 – 1000) = 1700 кг/см3, что является положительным числом, т.к. плотность камня больше плотности воды. Поэтому, если мы опустим в воду камень, он утонет. Что касается пробки, то здесь разность получается с отрицательным результатом, т.к. плотность пробки ниже плотности воды. Следовательно, брошенная в воду пробка не утонет, а останется на ее поверхности. Пробка будет двигаться в направлении, противоположном силе притяжения. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Скорость осаждения и всплытия Твердая частичка или жидкая капелька, движущаяся под действием силы тяжести сквозь вязкую жидкость, в конечном счете приобретает постоянную скорость. Она называется скоростью осаждения. Если плотность частицы ниже, чем плотность жидкости, она будет двигаться вверх со скоростью всплытия. Эти скорости обозначаются буквами vg (g – сила тяжести). Величина скорости осаждения/всплытия определяется следующими физическими параметрами: • Диаметром частицы d, м • Плотностью частицы ρp, кг/м3 • Плотностью непрерывной фазы, ρl, кг/м3 • Вязкостью непрерывной фазы η, кг/м,с • Ускорением силы тяжести g = 9,81 м/с2. Если известны значения всех вышеперечисленных параметров, то можно рассчитать скорость осаждения/всплытия частицы или капли при помощи следующей формулы, выведенной из закона Стокса: 1. vg = d2 (ρρp – ρl) 18 η Рис. 6.2.5 И железо, и камень, и пробка имеют меньшую плотность, чем ртуть, поэтому они в ней не тонут. g Эта формула (уравнение 1) показывает, что скорость осаждения/всплытия частицы или капли: • Возрастает пропорционально квадрату диаметра частицы; это означает, что частица диаметром 2 2 см будет опускаться или всплывать в четыре раза быстрее (2 = 4), чем частица диаметром 1 см • Возрастает с увеличением разницы плотностей между фазами • Возрастает с уменьшением вязкости непрерывной фазы. Скорость всплытия жирового шарика Жировые шарики в молоке, помещенном в сосуд, поднимаются к поверхности молока. Скорость их всплытия может быть рассчитана с помощью вышеприведенной формулы. Используемые в решении нижеследующего уравнения средние показатели справедливы при температуре окружающего воздуха около 35°С: d = 3 мкм = 3 x 10–6 м (ρp – ρl) = (980 – 1 028) = –48 кг/м3 η = 1,42 cП (сантипуаз) = 1,42 x 10–3 кг/м,с Подставляем эти значения в формулу: 1. vg = (3 x 10–6) x 48 18 x 1,42 x 10–3 x 9,81 = 9 x 10–12 x 48 18 x 1,42 x 10–3 x 9,81 = = 0,166 x 9,81 = 10–6 м/с = 0,166–3 мм/с = 0,597 мм/ч Как видим из полученного результата, жировые шарики поднимаются очень медленно. Комочек диаметром в три микрона движется вверх со скоростью 0,6 мм/ч. Скорость всплытия шарика вдвое большего диаметра составит 22 x 0,6 = 2,4 мм/ч. На практике шарики жира образуют крупные скопления и их всплытие происходит гораздо быстрее. На рис. 6.2.6 схематически показано, как жировые шарики различного диаметра движутся под воздействием силы тяжести через молочную сыворотку. В момент времени 0 жировые шарики находятся на дне сосуда. По истечении t минут произошло некоторое осаждение, а через 3 t минут самый крупный жировой комочек достиг поверхности. К этому моменту жировой шарик средних размеров поднялся до средней отметки на полпути к поверхности, а самый маленький преодолел только четверть пути. Жировой шарик средних размеров достигнет поверхности через 6 t минут, а самый маленький – через 12 t минут. Периодическое сепарирование под действием силы тяжести В сосуде А, показанном на рис. 6.2.7, содержится жидкость, в которой во взвешенном состоянии находятся твердые частицы одинаковых размеров и более плотные, чем жидкость. Для того чтобы находящиеся на поверхности жидкости частицы опустились на дно, должно пройти довольно много времени. Расстояние, которое они должны преодолеть в этом случае, составляет h1 м. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 93 Рис. 6.2.6 Скорости всплытия жировых шариков различных диаметров. Время осаждения может быть сокращено при условии сокращения этой дистанции. Высоту сосуда (В) уменьшили, а площадь увеличили с тем, чтобы объем остался неизменным. Дистанция осаждения (h2) уменьшилась до 1/5 от первого варианта (h), и время, требуемое для полного разделения фракций, A B Рис. 6.2.7 Осадительные емкости, имеющие одинаковые объемы, но с разными дистанциями осаждения (h1 и h2 , h1 >h2 ). также сократилось до 1/5. Но следует помнить, что чем больше сокращается дистанция и время осаждения, тем больше становится площадь сосуда, в котором происходит осаждение. Непрерывное сепарирование под действием силы тяжести Рис. 6.2.8 В этом сосуде происходит непрерывное отделение твердых фракций от жидкости. Рис. 6.2.9 Горизонтальные экраны, которыми оснащен разделительный сосуд, значительно увеличивают площадь, на которой происходит осаждение. 94 Простейший сосуд, в котором может осуществляться непрерывное отделение частичек разного диаметра от жидкости, показан на рис. 6.2.8. Жидкость, содержащая частички в виде шлама, поступает в сосуд с одного его конца и движется в направлении выхода на другом конце под определенным напором. При движении частички оседают с различной скоростью в зависимости от их диаметров. Экраны увеличивают производительность Пропускная способность разделительного сосуда повышена при увеличении его площади, но при этом сусуд станет слишком громоздким и неудобным в работе. Вместо этого можно увеличить зону под осаждения, установив в сосуде горизонтальные экраны (см. рис. 6.2.9). Теперь имеется ряд “разделительных каналов”, в которых осаждение частиц может происходить с той же скоростью, что и в сосуде, показанном на рис. 6.2.8. Общая пропускная способность сосуда умножается на число таких каналов. Общая площадь (то есть суммарная площадь всех экранов) для осаждения, помноженная на число осадительных каналов, определяет максимальную пропускную способность сосуда при сохранении качества очистки, то есть при недопущении ухода частиц ограниченного или более крупного размера вместе с очищенной жидкостью. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 При непрерывном отделении взвеси от жидкости в сосуде с горизонтальными экранами осадительные каналы будут постоянно забиваться собирающимися в них частицами. В конце концов процесс остановится. В сосуде с наклонными экранами, показанном на рис. 6.2.10, частицы, оседающие на экранах, соскальзывают под действием силы тяжести с экранов и скапливаются на дне сосуда. Почему частицы, оседающие на экранах, не захватываются жидкостью, текущей вверх между экранами? Объяснение дано на рис. 6.2.11, на котором показан разрез части осадительного канала. Когда жидкость течет между экранами, ее пограничный слой, ближайший к экранам, тормозится трением, и поэтому скорость его падает до нуля. Стационарный пограничный слой оказывает тормозящее воздействие на соседний слой, и так далее в направлении к центру канала, где скорость максимальная. Получается профиль скоростей, как показано на рисунке, – ламинарный поток в канале. Частицы, осевшие в стационарной пограничной зоне, таким образом, находятся под воздействием только силы тяжести. Поверхность для осаждения, используемая при прохождении через сосуд с наклонными вставками максимального потока, должна быть предварительно рассчитана. Для полного использования пропускной способности разделительного сосуда необходимо предоставить оседающим частицам как можно большую поверхность. Расстояние, в пределах которого происходит осаждение, не оказывает непосредственного влияния на пропускную способность сосуда, но какую-то минимальную ширину канала необходимо выдерживать, чтобы не допустить забивания каналов оседающими частицами. Рис. 6.2.10 В осадительном сосуде с наклонными экранами поток рассекается на слои, а частички соскальзывают вниз. Рис. 6.2.11 Скорости частиц в разных точках разделительного канала. Длина стрелки соответствует скорости частицы. Непрерывное разделение одной твердой и двух жидких фаз Для разделения двух смешанных жидкостей под действием силы тяжести и одновременно для отделения от этой смеси перемешанных с ней твердых частичек можно использовать устройство, подобное изображенному на рис. 6.2.12. Смесь поступает сверху вниз через входное отверстие B. Затем она движется в горизонтальном направлении на уровне В. На этом уровне твердые частицы, имеющие большую плотность, чем обе жидкости, оседают на дно сосуда. Та из двух жидких фаз, чья плотность меньше, поднимается к поверхности и переливается через верхнее выходное отверстие B1. Более плотная жидкая фаза стекает вниз, проходит под экраном В2 и выливается наружу через нижнее отверстие. Экран В2 предотвращает течение жидкости с меньшей плотностью в неверном направлении. Рис. 6.2.12 Сосуд, предназначенный для непрерывного разделения двух жидких фаз и одновременного осаждения твердых фракций. В Входное отверстие. В1 Выходное отверстие для жидкости, имеющей меньшую плотность. В2 Экран, предотвращающий течение жидкости с меньшей плотностью через выходное отверстие для жидкости с большей плотностью. Разделение под действием центробежной силы Скорость осаждения Если сосуд наполнили жидкостью и начали вращать, как показано на рис. 6.2.13, возникает поле центробежной силы. Оно создает центробежное ускорение a. В отличие от силы тяжести g в стационарном сосуде, центробежное ускорение не есть постоянная величина. С увеличением расстояния от оси вращения (радиус r) и скорости вращения, обозначенной как угловая скорость w, центробежное ускорение возрастает (см. рис. 6.2.14). Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Рис. 6.2.13 Во вращающемся сосуде возникает центробежная сила. 95 Ускорение можно рассчитать с помощью нижеследующей формулы 2. a = r ω2 2. r rω 2 ω Следующую формулу 3 получаем, если центробежное ускорение a, выраженное как rw2, подставить вместо ускорения силы тяжести g в ранее приведенной формуле 1, выведенной из закона Стокса. Уравнением 3 можно воспользоваться для расчета скорости осаждения, v, каждой частицы, находящейся в центрифуге. 3. d2 (ρp – ρl) vc = Рис. 6.2.14 Простой сепаратор. 18η rω 2 Скорость всплытия жирового шарика Ранее примененное уравнение 1 показало, что скорость всплытия одного жирового шарика диаметром 3 мкм под воздействием силы тяжести равняется 0,6 мм/ч или 0,166 х 10–6 м/сек. Теперь можно прибегнуть к уравнению 3, чтобы вычислить скорость всплытия жирового шарика того же диаметра, находящегося на радиальном удалении 0,2 м, при вращении центрифуги со скоростью n = 5400 об/мин. Угловая скорость рассчитывается следующим образом: w = 2πxn 60 рад/сек (радиан в секунду) Если 2 π = 1 обороту и n – обороты в минуту, при скорости вращения (n) = 5400 об/мин угловая скорость (w) составит 564,49 рад/сек. Скорость осаждения (v) в таком случае будет: v= Рис. 6.2.15 Если повернуть на 90 градусов и начать вращать снабженный перегородками (экранами) сосуд, то мы получим барабан центрифуги для непрерывного отделения твердых частиц от жидкости. Кларификация – это отделение твердых частиц от жидкости. 96 (3 x 10–6)2 x 48 18 x 1,42 x 10–3 x 0,2 x 564,49 2 = 0,108 x 10–2 м/сек то есть 1,08 мм/сек или 3896 мм/ч. Разделив скорость осаждения в зоне действия центробежной силы на скорость осаждения под воздействием силы тяжести, получаем представление об эффективности сепарации в центрифуге по сравнению с осаждением под действием силы тяжести. Скорость осаждения в центрифуге в 6500 раз выше (3896,0/0,6 = 6500). Непрерывное центробежное отделение твердых частиц (кларификация, или очистка) На рис. 6.2.15 показана центрифуга для непрерывного отделения твердой фракции от жидкой. Эта операция называется кларификацией (осветлением или очисткой). Представим себе, что сосуд для осаждения, изображенный на рис. 6.2.10, повернули на 90 градусов и запустили, как волчок вокруг оси вращения. То, что мы увидим при этом, будет выглядеть как центробежный сепаратор в разрезе. Разделительные каналы На рис. 6.2.15 также видно, что у барабана центрифуги имеются вставки в виде конических тарелок. Это увеличивает площадь для осаждения. Тарелки опираются друг на друга и создают конструкцию, известную под названием “пакет тарелок”. К тарелкам приварены радиальные полосы, которые создают между ними необходимые зазоры. Так формируются каналы. Их ширина определяется толщиной радиальных полос. На рис. 6.2.16 показано, как жидкость поступает в канал по наружному краю (радиус r1), стекает по внутреннему краю (радиус r2) и движется к выходу. Во время Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 движения по каналу частички стремятся наружу, оседая в направлении тарелки, которая играет роль внешней границы канала. Скорость движения жидкости w не одинакова в каждой точке канала. Она изменяется от почти нулевой в непосредственной близости к тарелкам до максимальной в центре канала. Центробежная сила действует на все частички, выталкивая их на периферию сепаратора со скоростью осаждения v. В результате частичка движется одновременно и со скоростью всего потока w, и со скоростью осаждения v в радиальном направлении – на периферию. Результирующая скорость vp является суммой двух этих движений. Частичка движется в направлении, указанном вектором vp. (Для упрощения схемы предполагается, что частичка движется по прямой, как показано на иллюстрации пунктирной линией.) Для того чтобы отделиться от жидкости, частичка должна осесть на верхнем экране до прихода к точке ВI, то есть на радиусе, равном или большем, чем r2. После того как частичка осела, ее уже не может унести с собой поток жидкости, поскольку его скорость у поверхности тарелки очень мала. Поэтому она выскальзывает наружу по нижней поверхности диска под воздействием центробежной силы, попадает на внешний край у точки В и оседает на стенке барабана центрифуги. Микрочастица A' vp w α r2 v B r1 A Рис. 6.2.16 Упрощенная схема разделительного канала и движения твердой частицы в жидкости во время разделения. ω r2 Микрочастица – это частица такого размера, что если она начнет двигаться от наиболее неблагоприятного места, а именно от точки А (см. рис. 6.2.17), то она только дойдет до верхней тарелки в точке ВI. Все более крупные частички будут уже отделены. На рисунке видно, что и некоторые более мелкие, чем предельная, частички тоже будут отделены, если они попадут в канал в точке С, где-то между А и В. Чем мельче частичка, тем ближе С должно быть к В, чтобы произошло отделение. B' A' Непрерывное центробежное сепарирование молока B Кларификация (очистка) C В центробежном очистителе молоко попадает в разделительные каналы со стороны внешнего края тарелочного пакета, течет внутрь по каналам в радиальном направлении в сторону оси вращения и вытекает наружу через выпускное отверстие в верхней части, как показано на рис. 6.2.18. В процессе движения потока через тарелочный пакет твердые примеси отделяются и направляются в обратную сторону вдоль нижних поверхностей тарелок – на периферию барабана очистителя. Там они скапливаются в отстойнике. По мере прохождения молока по всей радиальной ширине тарелок от него отделяются и очень мелкие частицы. Наиболее типичным различием между центробежным очистителем и сепаратором является конструкция пакета тарелок: у очистителя отсутствуют распределительные отверстия и имеется всего одно выходное отверстие, в то время как у сепаратора их два. ω B' A r1 Рис. 6.2.17 Частицы более крупные, чем микрочастица, будут отделены, если они находятся в выделенной зоне. Сепарирование Пакет тарелок центробежного сепаратора снабжен вертикально совмещенными распределительными отверстиями. На рис. 6.2.19 схематично показано, как жировые шарики отделяются от молока в дисковом пакете центробежного сепаратора. Более подробно этот процесс проиллюстрирован на рис. 6.2.20. Молоко подается через вертикально совмещенные распределительные отверстия в тарелках на определенном расстоянии от края пакета тарелок. Под воздействием центробежных сил в межтарелочном пространстве траектория движения механических примесей и жировых шариков изменяется в зависимости от соотношения плотности данных фракций и плазмы молока. Как и в кларификаторе, более плотные твердые примеси будут быстро выноситься в направлении периферии сепаратора и собираться в отстойнике. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Рис. 6.2.18 В барабане центробежного очистителя молоко попадает на периферию тарелочного пакета, откуда по каналам устремляется внутрь. 97 Осаждению твердой фракции также способствует то обстоятельство, что в этом случае обезжиренное молоко в каналах движется в направлении периферии пакета тарелок. Сливки, т.е. жировые шарики, имеют меньшую плотность, чем обезжиренное молоко, и поэтому движутся в каналах по направлению внутрь, к оси вращения и далее к осевому выходному отверстию. Обезжиренное молоко движется к периферии, за пределы пакета тарелок, проходит по каналу, образованному поверхностями барабана сепаратора и разделительной тарелкой, к концентрическому выходу для обезжиренного молока. Степень обезжиривания Рис. 6.2.19 В барабане центробежного сепаратора молоко через распределительные отверстия попадает в пакет тарелок. Размер жировых шариков различается в зависимости от стадии лактации коровы. Сразу же после отела в молоке превалируют крупные шарики. В дальнейшем, чем ближе к концу лактации, тем больше в молоке мелких шариков. Степень обезжиривания молока зависит от конструкции сепаратора, скорости прохождения через него молока и размеров жировых шариков. Самые мелкие жировые шарики (диаметр <1 мкн) не успевают всплыть при данной скорости потока и уносятся из сепаратора вместе с обезжиренным молоком. Обычно содержание жира в таком молоке составляет от 0,04 до 0,07%, и говорят, что установка обеспечивает степень обезжиривания молока от 0,04 до 0,07. Если уменьшить скорость потока молока через сепаратор, уменьшится скорость его прохождения по разделительным каналам. Это предоставит жировым шарикам больше времени для всплытия и выхода наружу через отверстие для сливок. Соответственно с уменьшением производительности сепаратора степень обезжиривания молока будет увеличиваться, и наоборот. Жирность сливок Цельное молоко, направляемое в сепаратор, выходит из него в виде двух потоков – обезжиренного молока и сливок. Сливки обычно составляют около 10% от всего объема. Жирность сливок определяет их количественное соотношение с молоком. Если жирность цельного молока составляет 4%, а пропускная способность сепаратора равна 20 000 л/ч, общее количество жира, проходящего через сепаратор, будет: 4 x 20 000 = 800 л/ч 100 Допустим, требуется получить сливки жирностью 40%. Это количество жира должно быть растворено в определенном объеме молока. Общее количество жидкости, которое для этого потребуется, в этом случае будет: 800 x 100 = 2000 л/ч 40 800 л/ч – это чистый молочный жир, а остальные 1200 л – обезжиренное молоко. Установка дроссельных заслонок на патрубках выхода сливок и обезжиренного молока позволяет регулировать относительные объемы двух потоков с тем, чтобы получить требуемую жирность сливок. Выгрузка осадка в шламовое пространство В твердую фракцию, которая скапливается в барабане сепаратора, входят солома, шерсть, клетки вымени, белые кровяные тельца (лейкоциты), красные кровяные тельца (эритроциты), микроорганизмы и т.п. Общее содержание осадка в молоке в разных случаях может быть различным, но обычно Рис. 6.2.20 Вид части тарелочного пакета в разрезе. Здесь показано, как молоко поступает через распределительные отверстия и как от него отделяются жировые шарики. 98 Рис. 6.2.21 Тарелочный пакет с распределительными отверстиями и дистанционными наклепками. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 составляет около 1 кг на 10 000 литров. Объем отсека для накопления осадка зависит от размеров сепаратора, обычно он составляет 10–20 л. В молочных сепараторах с ручной выгрузкой осадка довольно часто приходится вручную разбирать барабаны и очищать эти отстойники, что требует немалых затрат ручного труда. Современные самоочищающиеся барабаны сепараторов оснащены приспособлениями для автоматического освобождения от накопившегося осадка через установленные интервалы. Это устраняет необходимость ручной очистки. Система выброса твердой фракции описана в конце этой главы, в разделе “Система выгрузки”. Обычно выброс твердой фракции происходит через 30- или 60-минутные интервалы в процессе сепарации молока. Устройство центробежного сепаратора На рис. 6.2.25 и 6.2.26, показывающих самоочищающийся сепаратор в разрезе, видно, что его барабан состоит из двух основных деталей – корпуса и колпака, которые соединяются с помощью резьбового запорного кольца. Пакет тарелок закреплен в центре барабана между крышкой барабана и тарелкодержателем. Существуют два типа современных сепараторов – полугерметичные и герметичные. Полугерметичная конструкция Центробежные сепараторы с напорными дисками у выходного отверстия (рис. 6.2.23) называются герметичными (в отличие от более старых сепараторов открытого типа со сливом через край). Молоко подается в барабан герметичного сепаратора через входное отверстие, обычно находящееся наверху, по неподвижной осевой впускной трубе. Поступив в тарелкодержатель (1), молоко разгоняется до скорости вращения барабана, после чего попадает внутрь разделительных каналов пакета тарелок (2). Под действием центробежных сил молоко отбрасывается на периферию и образует вращающееся кольцо с цилиндрической внутренней поверхностью. Происходит это в контакте с воздухом при атмосферном давлении, а это значит, что давление молока на поверхности также равно атмосферному. Давление постоянно нарастает по мере удаления от оси вращения и достигает максимального значения на периферии барабана. Более тяжелые твердые частицы стремятся в направлении внешней границы и оседают в камере для накопления осадка. А сливки направляются в сторону оси вращения и проходят по каналам, ведущим к камере отделения сливок (3). Обезжиренное молоко покидает пакет тарелок у наружного края и проходит между верхней тарелкой и колпаком барабана в напорную камеру обезжиренного молока (4). Напорный диск В полугерметичном сепараторе выпускные отверстия под сливки и обезжиренное молоко оснащены так называемыми напорными дисками, один из которых показан на рис. 6.2.24. Благодаря такому устройству выходных отверстий полугерметичные сепараторы обычно называются сепараторами с напорными дисками. Рис. 6.2.22 Для выброса твердой фракции осадительная камера для накопления осадка на периферии барабана на короткое время открывается. 4 3 2 1 Рис. 6.2.23 Полугерметичный самоочищающийся сепаратор. 1 Тарелкодержатель 2 Пакет тарелок 3 Напорная камера сливок 4 Напорная камера отделения обезжиренного молока Рис. 6.2.24 Выход напорного диска в верхней части полугерметичного барабана. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 99 Цельное молоко Обезжиренное молоко Сливки 1 1 2 3 4 10 5 6 7 8 9 11 Рис. 6.2.25 Вид в разрезе барабана и выходных патрубков современного герметичного сепаратора. 1 Насосы на выходе 2 Крышка барабана 3 Распределительное отверстие 4 Пакет тарелок 5 Большое затяжное кольцо 6 Тарелкодержатель 7 Подвижное днище барабана 8 Корпус барабана 9 Полое веретено Рис. 6.2.26 Современный герметичный сепаратор. Вид в разрезе. 10 Станина 11 Циклон 12 Двигатель 13 Тормоз 14 Зубчатая передача 15 Рабочая гидросистема 16 Полое веретено барабана 16 12 15 13 14 Края стационарных напорных дисков погружены во вращающийся столб жидкости, обеспечивая выход жидкости под напором. Кинетическая энергия вращающейся жидкости преобразуется в давление внутри напорного диска, и это давление всегда равно падению давления в стекающей вниз струе. Увеличение давления в спускающемся потоке означает, что уровень жидкости в барабане снижается. Так автоматически компенсируется работа дросселя на выходе. Для предотвращения аэрации продукта необходимо, чтобы напорные тарелки были полностью погружены в жидкость. Герметичная конструкция В герметичном сепараторе молоко подается в барабан через полое веретено. Оно приобретает ту же скорость, с которой вращается барабан, а затем направляется к распределительным отверстиям пакета тарелок. 100 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Во время работы барабан герметичного сепаратора полностью заполнен молоком. В его центре отсутствует воздух. Герметичный сепаратор, таким образом, может считаться закрытой трубопроводной системой. Давление, создаваемое находящимся снаружи нагнетающим продукт насосом, достаточно для преодоления сопротивления потока, идущего через сепаратор к выпускному насосу, у выходных отверстий для сливок и обезжиренного молока. Диаметр крыльчатки насоса можно регулировать для создания необходимого давления на выходе. Контроль жирности сливок 3 2 1 Сепаратор с напорными дисками Количество сливок, выходящих из сепаратора с напорными дисками, зависит от положения дроссельного клапана у выходного патрубка для сливок. При постоянно открытом клапане из этого патрубка будет выходить большее количество сливок с меньшим содержанием жира. Объем выходящих сливок жестко увязан с их жирностью. Если жирность цельного молока составляет 4% и стоит задача получить сливки жирностью в 40%, производительность на выходе должна быть установлена в 2000 л/ч (в соответствии с произведенным выше расчетом). С помощью регулировочного клапана на выходе обезжиренного молока (поз. 1 на рис. 6.2.27) задается определенное давление в соответствии с типом данного сепаратора и его пропускной способностью. Затем производится регулировка дроссельного клапана (2) на выходном патрубке для сливок, чтобы получить такой объем потока, который будет обеспечивать заданную жирность сливок. Каждое изменение потока сливок на выходе будет отражаться в обратно пропорциональной зависимости на выходе обезжиренного молока. На выходном патрубке обезжиренного молока установлено автоматическое устройство, поддерживающее в этом месте постоянное противодавление, независимо от изменений параметров потока сливок. Расходомер сливок Объем сливок, выходящих из сепаратора с напорными дисками, контролируется клапаном (2) со встроенным расходомером (3). Размер отверстия в клапане можно изменять с помощью регулировочного винта, при этом отрегулированный поток движется по градуированной стеклянной трубке. В трубке находится цилиндрический поплавок, который поднимается потоком сливок и указывает уровень его расхода по градуированной шкале, изменяющийся в зависимости от скорости потока и вязкости сливок. Анализируя жирность поступающего в сепаратор молока и просчитывая количество сливок с необходимым содержанием жира, которое должно быть из него получено, можно предварительно оценить расход и соответственно отрегулировать дроссельный клапан. Окончательная регулировка выполняется после проведения анализа жирности сливок. Эта операция определяет, где должен находиться поплавок при правильной жирности сливок. На жирность сливок влияют: жирность цельного молока, поступающего в сепаратор и изменение потока в линии. Для измерения жирности сливок также применяются автоматические системы, встроенные в трубопровод, в комбинации со специальными регулировочными системами, поддерживающими этот показатель на постоянном уровне. Рис. 6.2.27 Сепаратор с напорными дисками, оснащенный устройствами для ручного управления на выходных патрубках. 1 Выхоной патрубок для обезжиренного молока с клапаном для регулировки давления 2 Дроссельный клапан на выходном патрубке для сливок 3 Расходомер сливок Герметичный сепаратор На рис. 6.2.28 показан автоматический регулятор, поддерживающий постоянное давление в герметичном сепараторе. Изображенный там клапан является клапаном диафрагменного типа, а требуемое давление продукта регулируется подачей сжатого воздуха на диафрагму. В процессе разделения на диафрагму постоянно оказывают давление сверху – сжатый воздух, а снизу – обезжиренное молоко. Если давление обезжиренного Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Рис. 6.2.28 Барабан герметичного сепаратора с автоматическим клапаном постоянного давления на выходе обезжиренного молока. 101 1 2 3 4 Столб воздуха Внешний уровень сливок Внутренний уровень сливок Уровень необходимой жирности сливок с требуемой долей жира Рис. 6.2.29 Выходные устройства для сливок у сепараторов полугерметичного и герметичного типа и соответствующие показатели концентрации жира сливок на различных дистанциях. молока снизится, установленное давление воздуха будет смещать диафрагму вниз. Исток клапана, закрепленный на диафрагме, в этом случае сдвинется вниз и уменьшит отверстие. В результате давление обезжиренного молока возрастет до заданного уровня. Противоположным образом клапан отреагирует при чрезмерном росте давления обезжиренного молока, в результате чего оно снизится до установленного уровня. Различия в работе выходных устройств герметичных и полугерметичных сепараторов На рис. 6.2.29 представлены в упрощенном виде выпускные устройства для сливок, используемые в конструкции герметичного сепаратора и сепаратора с напорными дисками, а также продемонстрировано существенное различие между этими машинами. В полугерметичном сепараторе напорные диски должны быть погружены во вращающийся столб жидкости по внешнему диаметру. Глубина погружения определяется жирностью сливок. Наибольшая жирность сосредоточена во внутреннем, незахваченном слое сливок в сепараторе. При уменьшении содержания жира в сливках необходимо увеличить диаметр. Чем выше жирность сливок, тем больше расстояние от их внутреннего, незахваченного слоя до внешней периферии напорного диска. Чем жирнее сливки, тем больше они стремятся к центру. Соответственно, если установлено, что на выходе должны быть сливки жирностью в 40%, то та их часть, что находится ближе к центру, заведомо жирнее. Сливки будут иметь большую долю жира по сравнению с теми, которые должны быть на выходе из сепаратора. Это может привести к разрушению жировых шариков по причине повышенного трения в зоне, наиболее близкой к центру, в непосредственной близости от воздушного столба. Разрушение жировых шариков приведет к их склеиванию и повышенной чувствительности к окислению и гидролизу. В герметичном сепараторе сливки подаются из центра, где их жирность максимальна. Поэтому в данной конструкции такая чрезмерная концентрация исключается. При выработке сливок с высоким содержанием жира еще большее значение имеет разница в конструкциях выходных устройств. При жирности в 72% концентрация настолько высока, что жировые шарики практически касаются друг друга. В сепараторах с напорными дисками получить сливки такой жирности невозможно, поскольку там они были бы чрезмерно концентрированны. В этих сепараторах нельзя создать необходимое давление. В герметичных сепараторах можно создавать высокие давления, позволяющие отделять сливки с долей жира выше 72%. Система выгрузки Производство и безразборная мойка Во время сепарирования внутреннее, подвижное днище барабана под воздействием гидравлического давления со стороны находящейся под ним воды прижимается к уплотнительному кольцу в крышке барабана. Положение подвижного днища барабана определяется разностью 102 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 давлений, оказываемых на него с двух сторон: сверху, со стороны продукта, и снизу – со стороны воды. Осадок от продукта и растворов системы безразборной очистки собирается в шламовом пространстве в нижней части периферии барабана до того момента, когда он выбрасывается наружу. Из барабана более крупных центрифуг осадок и жидкость выводятся наружу водяной промывкой в цикле очистки. Выгрузка Команда на выгрузку осадка может быть дана автоматически таймером или какимлибо датчиком, а также вручную – нажатием кнопки. Процедура выгрузки осадка может в каких-то деталях варьироваться в зависимости от типа центрифуги, но ее основной принцип заключается в подаче в барабан центрифуги определенного объема воды для инициирования вытеснения “компенсационной воды”. После того как вода сбрасывается из-под подвижного днища барабана, оно мгновенно опускается, и осадок удаляется с периферии барабана. Для закрытия барабана из вспомогательной системы автоматически поступает новая “компенсационная вода”, которая поднимает подвижное днище барабана вверх, создавая плотный стык между этим днищем и уплотнительным кольцом. За десятые доли секунды произошел выброс осадка. Станина поглощает энергию осадка, покидающего вращающийся барабан. Осадок выгружается из сепаратора под воздействием силы тяжести в канализацию, специальную емкость или насос. Приводы Барабан сепаратора установлен на вертикальном веретене, опирающeмся на несколько верхних и нижних подшипников. В большинстве центрифуг вертикальное веретено приводится от двигателя через червячную передачу, обеспечивающую необходимую скорость и сцепление. Существуют также различные виды фрикционных соединений, но трение – это вещь довольно непостоянная, поэтому предпочтение обычно отдается непосредственным соединениям. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 2 1 1 Подвижное днище барабана 2 Отверстие для выгрузки осадка Технологическая вода Сжатый воздух Рис. 6.2.30 Клапанная система, подающая технологическую воду в сепаратор для надлежащего обеспечения выгрузки осадка. 103 Нормализация молока и сливок по массовой доле жира Основные методики расчетов для периодического способа нормализации A 40% C–B 3–0,05% C 3% B 0,05 A–C 40–3% Рис. 6.2.31 Расчет жирности смеси С. Нормализация жирности подразумевает регулирование содержания жира в молоке и молочных продуктах добавлением сливок или обезжиренного молока в пропорциях, необходимых для достижения требуемой доли жира. Существуют различные методики расчетов количества продуктов с различным содержанием жира, которые нужно смешать для получения необходимого результата. Они распространяются на смеси цельного молока с обезжиренным молоком, сливок с цельным молоком, сливок с обезжиренным молоком и обезжиренного молока с обезвоженным молочным жиром. Один из часто используемых методов иллюстрируется следующим примером, взятым из Словаря по молоководству Дж. Дэвиса ( Dictionary of Dairying, J. Davis). Какое количество сливок с массовой долей жира А% необходимо смешать с обезжиренным молоком, имеющим массовую долю жира В% для получения нормализованного молока с массовой долей жира С%? Ответ получаем с помощью прямоугольника, изображенного на рис. 6.2.31 – с помещенными на нем данными жирности. А Массовая доля жира в сливках 40% В Массовая доля жира в обезжиренном молоке 0,05% С Массовая доля жира в конечном продукте 3% Подсчитываем разность по диагоналям между большей и меньшей величинами: С – B = 2,95 и А – С = 37. Таким образом, для получения 39,95 кг нормализованного продукта жирностью 3% нужно смешать 2,95 кг сливок жирностью 40% и 37 кг обезжиренного молока с жирностью 0,05%. С помощью следующего уравнения можно рассчитать количество составляющих ингредиентов с содержанием жира А и В%, необходимых для получения требуемого количества нормализованной смеси, имеющей массовую долю жира С%. 1. X x (C – B) (C – B) + (A – C) кг A и 2. X x (A – C) (C – B) + (A – C) кг B [также (Х – уравнение 1)] Рис. 6.2.32 Принцип нормализации по массовой доле жира. 104 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 5 Принцип нормализации Массовая доля жира в сливках и обезжиренном молоке при выходе из сепаратора постоянна в случае отсутствия изменений остальных составляющих этих продуктов. В основе процессов нормализации с ручным и автоматическим управлением лежит один принцип, проиллюстрированный на рис. 6.2.32. В данном примере исходным сырьем являлось цельное молоко с массовой долей жира 4%, взятое в количестве 100 кг. Необходимо определить количество полученного нормализованного молока с массовой долей жира 3% и остаточное количество сливок с массовой долей жира 40%. При сепарировании 100 кг цельного молока выход обезжиренного молока с массовой долей жира 0,05% составил 90,35 кг, выход сливок с массовой долей жира 40% – 9,65 кг. Для получения нормализованного молока с массовой долей жира 3% к обезжиренному молоку необходимо добавить 7,2 кг сливок с массовой долей жира 40%. Таким образом, нормализованное молоко будет получено в количестве 97,55 кг, выход сливок (массовая доля жира 40%) составит 9,65 – 7,2 = 2,45 кг (см. рис. 6.2.32). 3 2 Te tr aA lf a st 1 4 Непрерывный способ нормализации молока в потоке В современных молочных производствах, выпускающих широкий ассортимент молочной продукции, нормализация обычно выполняется одновременно с сепарированием. Раньше использовался периодический способ нормализации, но с увеличением объемов обрабатываемого сырья возникла потребность в разработке новых способов быстрой, непрерывной и точной нормализации, не зависящей от сезонных колебаний жирности сырого молока. Для регулирования жирности молока с целью обеспечения необходимых параметров используются управляющие клапаны, измерители расхода и плотности и система компьютеризированного контроля. Обычно это оборудование собирается в блоки (см. рис. 6.2.33). На выходе потока обезжиренного молока должно поддерживаться постоянное давление для обеспечения необходимой точности нормализации. Давление должно оставаться постоянным независимо от изменений параметров потока или от падения давления в линии после сепаратора. Это обеспечивается клапаном постоянного давления, расположенным в непосредственной близости от выходного отверстия, через которое обезжиренное молоко покидает сепаратор. Для обеспечения точности процесса необходимо замерять различные параметры, в том числе: • Изменения массовой доли жира поступающего молока • Изменения объема молока, проходящего за единицу времени • Изменения температуры предварительного нагрева. Большинство параметров взаимозависимы: любое отклонение на одном этапе процесса приводит к изменениям на всех остальных этапах. Жирность сливок может быть Рис. 6.2.33 Системы для непрерывной нормализации в потоке скомпонованы в блоки. 1 Датчик плотности 2 Расходомер 3 Регулирующий клапан 4 Пульт управления 5 Запорный клапан Обезжиренное молоко Нормализованное молоко Сливки Рис. 6.2.34 Основная схема нормализации сливок и молока в потоке. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 105 5 2 4 3 1 2 Рис. 6.2.35 Система обеспечения постоянной массовой доли жира сливок. 1 Датчик плотности 2 Расходомер 3 Регулирующий клапан 4 Пульт управления 5 Клапан постоянного давления отрегулирована до любого уровня в пределах возможностей сепаратора при стандартной точности повторения в 0,2–0,3%. Для нормализованного молока такое отклонение будет менее 0,03%. Обычно цельное молоко перед сепарированием нагревается в пастеризаторе до 55–65°С. После сепарирования устанавливается стандартная жидкость сливок и затем расчетное количество сливок, необходимое для нормализации молока (питьевого, для производства сыра), добавляется к соответствующему количеству обезжиренного молока. Остаток сливок направляется в пастеризатор сливок. Последовательность этих операций проиллюстрирована на рис. 6.2.34. При определенных обстоятельствах для нормализации можно использовать центробежный сепаратор для холодного сепарирования молока, снабдив его системой для нормализации. Но в таком случае очень важно будет выдержать молоко при низкой температуре достаточно долгое время (10–12 часов), за которое все фракции молочного жира полностью кристаллизуются. Дело в том, что плотность изменяется в зависимости от степени кристаллизации и может, таким образом, поставить под вопрос точность показаний датчика плотности, который при установке всегда калибруется с учетом преобладающих условий. Система контроля жира в сливках Массовая доля жира в сливках на выходе из сепаратора определяется скоростью потока. Массовая доля жира в сливках обратно пропорциональна скорости потока. Поэтому в некоторых системах нормализации для контроля жирности сливок применяются расходомеры. Это самый быстрый метод, а также и точный, поскольку температура и жирность цельного молока перед сепарированием сохраняются без изменений. Если эти параметры изменятся, то массовая доля жира в сливках не будет отвечать заданному уровню. Для постоянного отслеживания жирности сливок можно использовать различные приборы. Сигнал, выходящий из прибора, изменяет скорость потока сливок таким образом, чтобы произвести корректирование массовой доли жира в сливках. Этот метод точен и чувствителен к изменениям температуры и жирности молока. Однако его недостаток заключается в запаздывании, т.е. проходит немало времени, пока система отреагирует на какое-либо нарушение и восстановит правильное содержание жира. На рис. 6.2.35 показаны два датчика, измеряющих расход нормализованных сливок и обезжиренного молока. Система контроля (4) просчитывает расход цельного молока, поступающего в сепаратор. Датчик плотности (1) измеряет плотность сливок и преобразовывает эту характеристику в показатель жирности. Совместив показатели жирности и скорости потока, система контроля приводит в действие регулирующий клапан (3) для получения необходимой массовой доли жира сливок. Рис. 6.2.36 Разница в быстроте реагирования различных систем контроля. 106 Каскадный контроль Система каскадного контроля, сочетающая точное измерение содержания жира и быстрое измерение расхода, дает большие преимущества (см. рис. 6.2.36). Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 При возникновении возмущения, вызванного, например, периодическими выгрузками осадка самоочищающихся центрифуг, изменением температуры сливок или содержания жира в поступающем молоке, график показывает: • Система контроля содержания жира срабатывает довольно быстро, но после восстановления стабильности массовой доли жира сливок отличается от заданного уровня • Система измерения плотности реагирует с задержкой, но содержание жира возвращается к заданному уровню • При совмещении двух систем в каскадный контроль достигается быстрое возвращение к заданным характеристикам. Таким образом, система каскадного контроля гарантирует меньшие потери продукта и более точный результат. Компьютер отслеживает жирность сливок, скорость потока сливок и положение регулировочного клапана, стоящего на выходном патрубке сливок. Датчик плотности (п. 1 на рис. 6.2.35) постоянно измеряет плотность сливок (масса на единицу объема – например, кг/м3), которая обратно пропорциональна массовой доли жира, так как плотность молочного жира меньше плотности плазмы молока. Датчик плотности непрерывно посылает показания плотности в форме электрического сигнала в компьютер. Мощность сигнала пропорциональна плотности сливок. Увеличение плотности означает, что содержание жира в сливках уменьшилось, мощность сигнала возрастет. Каждое изменение плотности модифицирует сигнал, идущий от датчика к компьютеру. На этот сигнал компьютер отреагирует изменением выходного сигнала, идущего на регулирующий клапан. Величина изменения выходного сигнала будет соответствовать отклонению измеренного значения плотности от заданного. В результате положение регулировочного клапана изменится, что скорректирует плотность массовой доли жира и приведет ее к установленному значению. Расходомер (п. 2 на рис. 6.2.35), установленный в цепи управления, постоянно измеряет расход сливок и посылает сигнал в микрокомпьютер. Датчики в цепи управления (рис. 6.2.35) проводят непрерывные измерения расхода и жирности сливок и посылают сигналы в микрокомпьютер. Каскадный контроль применяется для выполнения необходимых корректировок в связи с изменениями жирности поступающего цельного молока. Каскадный контроль работает путем сравнения: • Потока, проходящего через расходомер (этот показатель прямо пропорционален жирности сливок) Рис. 6.2.37 Датчик плотности. • Плотности, измеряемой датчиком плотности (этот показатель обратно пропорционален жирности сливок). Микрокомпьютер, установленный в блоке управления (4), имея эти данные, рассчитывает истинную жирность цельного молока и посылает команду управляющим клапанам на выполнение необходимых корректировок. Жирность нормализованного молока находится под непрерывным контролем. Контроль жирности посредством измерения плотности Измерение жирности сливок основано на жесткой взаимосвязи между жирностью и плотностью. Содержание жира изменяется в обратно пропорциональной зависимости от плотности, потому что сливки легче, чем плазма молока. В этой связи важно иметь в виду, что на плотность сливок также влияют температура и содержание газа. Значительное количество газа, содержащегося в молоке, последует за фракцией сливок, снижая их плотность. Поэтому необходимо следить, чтобы содержание газа в молоке оставалось на постоянном уровне. В молоке всегда содержатся газы. В среднем они составляют около 6% от всего объема. Большее содержание воздуха в молоке может привести к различным проблемам, а именно: неточности в замерах объемов молока, увеличению тенденции пригорания при нагревании и т.д. Подробнее о воздухе в молоке рассказывается в главе 6.6 (“Деаэраторы”). Самый простой и общепринятый способ снижения содержания воздуха – дать сырому молоку отстояться в танке в течение хотя бы одного часа перед началом его переработки. В ином случае его придется подавать сначала в деаэратор, а затем уже в сепаратор. При повышенной температуре сепарирования плотность сливок снижается, и наоборот. Для отслеживания умеренных изменений температуры сепарирования Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 D Ue B v Рис. 6.2.38 Расходомер. Ue = K x B x v x D, где Ue = Напряжение на электроде K = Константа прибора B = Сила магнитного поля v = Средняя скорость D = Диаметр трубы 107 датчик плотности также оснащен термометром, посылающим соответствующую информацию в блок управления. Датчик плотности непрерывно замеряет плотность и температуру жидкости. Принцип его действия можно уподобить камертону. При изменении плотности контролируемого продукта у него, в свою очередь, изменяется вибромасса и, следовательно, резонансная частота. В блок управления посылаются сигналы о плотности продукта. Датчик плотности состоит из одной прямой трубы, по которой пропускается жидкость. Трубе сообщаются колебания от катушек возбуждения, размещенных по внешней стороне трубы. Датчик плотности встраивается в систему трубопровода, не требуя специальной опоры, поскольку он очень легкий. Расходомер 4 6 Для контроля потока используются различные измерительные приборы. Электромагнитные измерители (рис. 6.2.38) не имеют движущихся и, следовательно, изнашивающихся деталей. Они нашли широкое применение благодаря тому, что не нуждаются в уходе и периодическом обслуживании. В отношении точности показаний все измерительные приборы одинаковы. 2 Головка датчика состоит из мерной трубки и двух магнитных катушек. Магнитное поле вырабатывается под прямыми углами по отношению к мерной 7 трубке, когда к катушкам подводится ток. Индуцируется электрическое напряжение, которое измеряется двумя 2 электродами, установленными на мерной трубке, когда по ней течет проводящая жидкость. Напряжение прямо пропорционально средней скорости потока продукта в трубке и, следовательно, пропорционально объемному расходу. 3 В датчике расхода имеется микропроцессор, контролирующий трансформатор тока, который поддерживает постоянное магнитное поле. Через усилитель и преобразователь сигнала напряжение измерительных электродов передается на микропроцессор, установленный в пульте управления. Рис. 6.2.39 Схема регулирования подмешивания сливок в обезжиренное молоко. 2 Датчики расхода 3 Регулирующий клапан 4 Пульт управления 6 Отсечной клапан 7 Обратный клапан Клапаны регулировки расхода сливок и обезжиренного молока Микрокомпьютер сравнивает сигнал от датчика плотности об измеренном параметре с установленной величиной. Если фактический показатель отличается от заданного, компьютер корректирует сигнал, который он посылает регулирующему клапану (поз. 3 на рис. 6.2.35), находящемуся в линии после датчика плотности, и корректирует положение клапана таким образом, чтобы жирность проходящих сквозь него сливок вернулась к заданному уровню. Схема регулирования подмешивания сливок Эта схема (см. рис. 6.2.39) предназначена для контроля количества сливок, которые должны непрерывно подмешиваться в обезжиренное молоко для получения необходимой жирности нормализованного молока. В цепь входят два расходомера (2), один из которых установлен на линии сливок, а другой – на линии нормализованного молока, после места смешивания сливок и обезжиренного молока. 5 2 7 4 2 1 2 3 4 5 Датчики плотности Расходомер Регулирующие клапаны Пульт управления Клапан постоянного давления 6 Отсечной клапан 7 Обратный клапан 108 6 1 3 2 3 Рис. 6.2.40 Весь процесс автоматической непрерывной нормализации молока и сливок в потоке. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 5 7 1 2 3 4 5 Датчики плотности Расходомер Управляющие клапаны Пульт управления Клапан постоянного давления 6 Отсечной клапан 7 Обратный клапан 2 4 1 2 6 3 3 1 2 Рис. 6.2.41 Система нормализации отношения жира к обезжиренному сухому остатку (казеину) с дополнительным измерителем плотности, установленным в линии обезжиренного молока. Сигналы от датчиков расхода поступают в микрокомпьютер, который просчитывает соотношение между двумя сигналами. Компьютер сравнивает полученный показатель с заданным параметром и посылает корректировочную команду регулирующему клапану, установленному в линии сливок. Слишком низкий уровень жирности нормализованного молока означает, что обезжиренное молоко смешивается с недостаточным количеством сливок. Соотношение между сигналами от датчиков расхода будет, следовательно, ниже, чем заданная величина. В таком случае сигнал, идущий от компьютера на регулировочный клапан, изменяется. Клапан закрывается, создавая больший перепад давлений, в результате чего большее количество сливок начинает поступать для смешивания. Это изменяет сигнал, идущий на компьютер. Такая регулировка идет в непрерывном режиме, обеспечивая поступление сливок для смешивания в правильных пропорциях. Электрический выходной сигнал от компьютера преобразовывается в пневматический сигнал для пневматически управляемого клапана. Подмешивание основано на известных постоянных значениях содержания жира в сливках и обезжиренном молоке. Содержание жира обычно регулируется до постоянного значения между 35 и 40%, а содержание жира в обезжиренном молоке определяется эффективностью обезжиривания сепаратора. Точность контроля плотности в сочетании с постоянным контролем давления на выходе обезжиренного молока является необходимым условием удовлетворительного управления смешиванием сливок с обезжиренным молоком. Сливки и обезжиренное молоко будут смешиваться в точной пропорции, в результате чего будет получено заданное содержание жира в нормализованном молоке даже при изменении потока через сепаратор или изменении жирности исходного цельного молока. Расходомер и регулировочный клапан, установленные в линии подмешивания сливок, являются приборами того же типа, что и установленные в схеме регулирования содержания жира. Линия для непрерывной нормализации молока в потоке На рис. 6.2.40 показана линия непосредственной нормализации в сборе. Система контроля давления, установленная на выходе обезжиренного молока (5), поддерживает постоянное давление независимо от колебаний перепадов давлений в последующем оборудовании. Система регулировки параметров сливок 5 3 6 2 7 2 4 2 6 3 1 2 3 4 5 Датчик плотности Расходомеры Управляющие клапаны Пульт управления Клапан постоянного давления 6 Отсечные клапаны 7 Обратный клапан 3 1 2 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Рис. 6.2.42 Нормализация молока до более высокого содержания жира по сравнению с исходным молоком. 109 поддерживает постоянное содержание жира в сливках, выходящих из сепаратора, посредством регулировки потока сливок на выходе. Данная регулировка выполняется независимо от пропускной способности и содержания жира в исходном цельном молоке. Наконец, регулятор соотношения в необходимой пропорции смешивает сливки, имеющие постоянное содержание жира, с обезжиренным молоком, в результате чего получается нормализованное молоко с заданным содержанием жира. Стандартное отклонение, оцениваемое по повторяемости, должно быть менее 0,03% для молока и 0,2–0,3% для сливок. Некоторые дополнительные устройства для нормализации жирности Рис. 6.2.43 Барабан двухфазной установки Bactofuge с непрерывной выгрузкой бактофугата. В сыроделии иногда возникает необходимость нормализации жирности по содержанию сухого обезжиренного остатка. Это требование удовлетворяется установкой второго датчика плотности на соединенную с сепаратором трубу для обезжиренного молока. Эта схема, при которой датчики плотности выполняют две задачи, проиллюстрирована на рис. 6.2.41. Вот эти две функции: 1 Повышение точности нормализации жирности 2 Расчет содержания сухого обезжиренного остатка на основании показателя плотности. Система контроля преобразовывает плотность обезжиренного молока в содержание сухого обезжиренного остатка, и этот параметр впоследствии используется для регулирования отношения жирности к сухому обезжиренному остатку. Если, с другой стороны, жирность поступающего молока окажется ниже показателя, необходимого для нормализованного молока, приборы устанавливаются, как показано на рис. 6.2.42. Рассчитанный объем обезжиренного молока отводится из потока, покидающего сепаратор, а остающийся объем смешивается со сливками. При этом надо помнить, что излишек теплого обезжиренного молока должен быть собран, охлажден и пастеризован как можно быстрее. Возможны и некоторые другие варианты, как, например, добавление сливок известной жирности (сывороточные сливки), которые иногда нужны для нормализации молока, применяемого в сыроделии. Для того чтобы использовать сливки, получаемые при сепарировании сыворотки, “добавляется” соответствующее количество обычных сливок. Это позволяет использовать сливки улучшенного качества в производстве высококачественного масла и различных видов сливок – например, взбитых сливок. Установка бактофуги Рис.6.2.44 Барабан однофазной установки Bactofuge с периодической выгрузкой бактофугата. 110 Бактофугирование – это процесс, при котором для отделения микроорганизмов от молока применяется специально сконструированная центрифуга, получившая название “бактофуга”. Первоначально бактофуга была предназначена для увеличения сроков хранения питьевого молока. В настоящее время бактофугирование также применяется для улучшения бактериологических качеств молока, предназначенного для производства других молочных продуктов – сыра, сухого молока и сыворотки для детского питания. Плотность микроорганизмов и особенно термоустойчивых спор значительно выше, чем у молока. Поэтому бактофуга является высокоэффективным средством очистки от них молока. Так как споры весьма устойчивы к тепловой обработке, установка Bactofuge представляет собой очень удачное дополнение к термизации, пастеризации и стерилизации. Первоначальный вариант бактофуги представлял собой сепаратор с непрерывной выгрузкой осадка через выпускные отверстия, расположенные по периферии барабана. В течение длительного времени считалось, что для эффективного разделения фракций в установке Bactofuge необходимо, чтобы твердая фракция выходила непрерывным потоком либо сквозь отверстия на периферии, либо через выход для тяжелой фракции. Возможно, это было справедливо в отношении старых конструкций с непрерывной выгрузкой осадка, но в современных самоочищающихся сепараторах с пространством для сбора осадка, находящимся за тарелочными пакетами, бактерии и споры могут собираться в течение какого-то времени и периодически, через определенные промежутки времени, выводиться. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Имеются два типа современных установок Bactofuge: • Двухфазная установка Bactofuge с двумя выходами в верхней части, один из которых предназначен для непрерывного выброса концентрата бактерий (бактофугата) через специальный напорный диск, а другой – для молока с уменьшенным содержанием бактерий • Однофазная установка Bactofuge с одним выходом в верхней части барабана для молока, очищенного от микроорганизмов. Бактофугат в данном случае скапливается в пространстве для сбора осадка, откуда выводится через определенные промежутки времени. Количество образующегося бактофугата при использовании двухфазной бактофуги составляет 3% от исходного продукта, однофазной бактофуги – около 0,15%. Содержание сухого вещества в бактофугате всегда выше, чем в исходном молоке. Причина в том, что вместе с бактериями и спорами в него включаются и более крупные казеиновые частицы. Более высокая температура бактофугирования приводит к увеличению количества протеина в бактофугате. Оптимальная температура бактофугирования 55–60°С. Эффективность снижения содержания бактерий в молоке выражается в процентах. Анаэробные спорообразующие бактерии, относящиеся к роду Clostridium, наиболее опасны для сыроделия, потому что они могут вызвать позднее вспучивание сыра, даже присутствуя в малых количествах. Вот почему молоко, предназначенное для сыроделия, подвергается бактофугированию. В главе 14 (“Сыр”) рассказывается об организации этого процесса при пастеризации молока, предназначенного для производства сыра. Декантаторные центрифуги (непрерывнодействующие отстойные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка) Декантаторная центрифуга – это машина, предназначенная для непрерывного осаждения взвешенных в жидкости твердых частиц под действием центробежной силы в горизонтально расположенном, удлиненном, вращающемся барабане. Центрифуги применяются в молочной промышленности для выделения особых продуктов – например, осажденного казеина или кристаллизованной лактозы. Вышеописанные центробежные сепараторы тарелочного типа не подходят для этой работы из-за высокого содержания твердых фракций в молоке. Наиболее часто применяются для этой цели гигиенические барабанные центрифуги и декантаторные центрифуги (рис. 6.2.45). У декантаторов, работающих в непрерывном режиме, много различных назначений. Например, они применяются на предприятиях, производящих соевое молоко из соевых бобов, а специально модифицированные модели широко используются для обезвоживания осадка на водоочистных установках. Декантаторная центрифуга – это машина для непрерывного осаждения взвешенных в жидкостях твердых фракций под действием центробежной силы в удлиненном вращающемся барабане. Центрифугу этого типа отличает от всех других то, что она оснащена осевым шнековым конвейером для непрерывной выгрузки из ротора отделенных твердых фракций. Направление вращения конвейера – то же, что и у барабана, но его скорость несколько отличается с целью обеспечения эффекта “наворачивания”. В число других характерных черт декантаторной центрифуги входят также: 1 Узкий коноцилиндрический барабан, вращающийся вокруг горизонтальной оси 2 Встречные потоки, выносящие твердый осадок через узкое отверстие, а жидкую фракцию – через широкое. Рис. 6.2.45 Декантаторная центрифуга. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 111 Принцип работы декантаторной центрифуги Исходная суспензия подается через впускную трубу на конвейер, где она ускоряется и направляется внутрь вращающегося ротора (рис. 6.2.46). Твердые фракции, удельный вес которых превосходит удельный вес жидкости, оседают на внутренней стенке барабана практически мгновенно благодаря мощному центробежному ускорению (обычно в пределах 2000–4000 g), оставляя внутри чистое кольцо жидкости. Выведение твердых фракций Твердый осадок транспортируется вдоль оси центрифуги в направлении сужающейся конической части ротора шнековым конвейером, который отрегулирован на скорость вращения, несколько отличную от скорости вращения барабана. По пути к выгрузным отверстиям твердые фракции поднимаются шнеками из жидкости на сухие края, откуда остатки жидкости стекают вниз, возвращаясь в жидкую фракцию. Осушенные твердые фракции выбрасываются из барабана через отверстия выгрузки в сборную камеру сосуда, в который заключен барабан. Далее твердый осадок под действием собственной тяжести высыпается из агрегата через выводную воронку. Вывод жидкости (самотеком) Жидкая фракция, образовавшая полый цилиндр под действием центробежной силы, течет по винтовому каналу между шнеками конвейера из конической в цилиндрическую часть ротора. Там жидкость перетекает через регулируемые водосливы и оказывается в центральной камере сборного сосуда, из которой уходит самотеком. Вывод жидкости (под давлением) Некоторые декантаторные центрифуги оборудованы напорными дисками (поз. 4 на рис. 6.2.46) для удаления жидкой фракции под давлением. Жидкость, переливающаяся через водосливы, попадает в напорную камеру, где ей снова придается форма полого вращающегося цилиндра. Каналы неподвижного напорного диска погружены во вращающуюся жидкость, что создает перепад давлений. Жидкость направляется вниз по каналам, преобразовывая энергию вращения в напор, достаточный для переключения жидкости из установки на дальнейшую переработку. Непрерывный процесс В декантаторной центрифуге все три этапа – приток, осаждение и раздельный вывод жидкой и твердой фракций – объединены в один непрерывный процесс. Внутренние стенки секций корпуса обычно снабжены ребрами или пазами для удержания твердого осадка от соскальзывания во время вращения конвейера. 6 2 4 1 5 Рис. 6.2.46 Разрез ротора декантаторной центрифуги с выгрузкой осадка под давлением. 1 Суспензия 2 Выход жидкой фракции 3 Выход твердой фракции (под действием силы тяжести) 4 Напорные диск и камера 5 Барабан 6 Шнековый конвейер 112 3 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Коническая секция заканчивается цилиндрическим выступом с одним или двумя рядами выгрузных отверстий (в зависимости от типа машины). Во избежание истирания эти отверстия в большинстве случаев оснащены сменными подшипниками из стеллита или керамических материалов. Цилиндрическая часть заканчивается наконечником с четырьмя (или более) переливными отверстиями, определяющими радиальный уровень жидкости в роторе. Этот уровень можно легко изменить регулировкой водосливных колец. В тех случаях, когда очищенная жидкая фракция удаляется с помощью напорного диска (4), регулируемые водосливы выводятся в сборную камеру. Ротор приводится в движение электродвигателем через клиноременную передачу. Основные узлы Основными узлами декантаторной центрифуги являются барабан, конвейер и редуктор (вместе составляющие ротор), а также рама с кожухом, сборные сосуды, приводной двигатель и ременная передача. Барабан Обычно барабан состоит из одной конической секции и одной или нескольких цилиндрических секций, соединенных с помощью фланцев. Цилиндрическая часть служит резервуаром для жидкой фракции в конической – собирается твердая фракция. Шнековый конвейер Шнековый конвейер подвешен в барабане на подшипниках и, вращаясь медленнее или быстрее, чем барабан, проталкивает осадок к местам его выгрузки в конической секции центрифуги. Конфигурация шнеков конвейера различается в зависимости от назначения. Шаг конвейера (расстояние между шнеками) может быть большим или малым, и шнеки могут быть перпендикулярны оси вращения или перпендикулярны по отношению к конической части барабана. Большинство моделей оборудовано одношнековыми конвейерами, но у некоторых – двойные шнеки. Редуктор Назначение редуктора – обеспечить эффект скручивания за счет разности скоростей вращения барабана и конвейера. Он закреплен на пустотелом валу барабана и приводит во вращение шнековый конвейер через соосный шлицевый вал. Из противоположного конца редуктора выступает насадка на его центральный вал. Эта насадка может приводиться в движение вспомогательным двигателем, позволяющим поддерживать иную, чем у барабана, скорость вращения конвейера. Редуктор может быть планетарного или циклоидального типа. Первый обеспечивает отрицательную скорость перемещения (конвейер вращается медленнее, чем барабан), а второй, оснащенный валом эксцентрика, обеспечивает положительную скорость перемещения. Рама и корпус Существуют различные конструкции рам и корпусов, но в принципе рама – это жесткая конструкция из мягкой стали, несущая части ротора и опирающаяся на виброизоляторы. Корпус представляет собой сварную конструкцию из нержавеющей стали с навесным кожухом, в котором заключен барабан. Он разделен на отсеки для сбора и удаления разделенных твердой и жидкой фракций. Жидкость может выводиться либо самотеком, либо под давлением с помощью напорного диска (поз. 4 на рис. 6.2.46). Твердый осадок сбрасывается под действием собственного веса (при необходимости этому помогает вибратор) в сборную емкость либо на транспортную конвейерную ленту. Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 113 114 Технология производства молочных продуктов/глава 6.2 Гомогенизаторы 6.3 Технология разрушения жировых шариков Гомогенизация стала стандартным производственным процессом, повсеместно практикуемым в качестве средства удерживания жировой эмульсии от разделения под действием силы тяжести. Голен (Gaulin), который разработал этот процесс в 1899 г., дал ему следующее определение на французском языке: “Fixer la composition des liquides”. Сначала гомогенизация приводит к расщеплению жировых шариков на гораздо более мелкие (см. рис. 6.3.1). В результате уменьшается образование сливок и может также быть снижена тенденция шариков к слипанию или образованию крупных агломератов. В основном гомогенизированное молоко производится механическим способом. Оно на высокой скорости прогоняется сквозь узкий канал. Разрушение жировых шариков достигается сочетанием таких факторов, как турбулентность и кавитация. В результате диаметр шариков уменьшается до 1 мкм, и это сопровождается четырех-шестикратным увеличением площади промежуточной поверхности между жиром и плазмой. В результате перераспределения оболочечного вещества, полностью покрывавшего жировые шарики до их разрушения, вновь образованные шарики имеют недостаточно прочные и толстые оболочки. В состав этих оболочек также входят адсорбированные белки плазмы молока. Фокс вместе со своими коллегами *исследовал жиропротеиновый комплекс, полученный в результате гомогенизации молока. Он доказал, что казеин является протеиновым слагаемым комплекса и что он, возможно, связан с жировой фракцией через полярные силы притяжения. Он также установил, что казеиновые мицеллы активизируются в момент прохождения сквозь клапан гомогенизатора, вызывая предрасположенность к взаимодействию с жировой фазой. Рис. 6.3.1 В процессе гомогенизации шарики жира разбиваются на гораздо более мелкие. Требования к процессу Физическое состояние и концентрация жировой фракции во время гомогенизации влияют на размеры жировых шариков. Гомогенизация холодного молока, в котором жир в основном присутствует в затвердевшем состоянии, практически неосуществима. Обработка молока при температуре 30–35°С приводит к неполной дисперсии жировой фракции. Гомогенизация по-настоящему эффективна, когда вся жировая фаза находится в жидком состоянии, причем в концентрациях, нормальных для молока. Продукты с повышенной массовой долей жира имеют тенденцию к образованию крупных скоплений жировых шариков, особенно при низкой концентрации протеинов сыворотки на фоне высокого содержания жира. Сливки с жирностью выше 12% не могут быть успешно гомогенизированы при стандартном повышенном давлении, потому что из-за недостатка мембранного материала (казеина) шарики жира слипаются в гроздья. Для достаточно эффективной гомогенизации на один грамм жира должно приходиться 0,2 грамма казеина. Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 *К.К. Фокс, Холингер, Вирджиния, Каха, Джин и Паллаш, журнал "“Dairy Sci”, 43, 1396 (1960). (Fox, K.K., Holsinger, Virginia, Caha, Jeanne and Pallasch. M.J., “Dairy Sci”, 43, 1396 (1960)). 115 Процессы гомогенизации, проводящиеся под высоким давлением, приводят к образованию маленьких жировых шариков. С ростом температуры гомогенизации возрастает дисперсность жировой фазы – соразмерно с уменьшением вязкости молока при повышенных температурах. Обычно гомогенизацию проводят при температуре от 55 до 80°С, под давлением от 10 до 25 МПа (100–250 бар), в зависимости от типа обрабатываемого продукта. Характеристики потока При прохождении потока по узкому каналу его скорость возрастает (см. рис. 6.3.2). Скорость будет расти до тех пор, пока статическое давление не снизится до такого уровня, при котором жидкость закипает. Максимальная скорость главным образом зависит от давления на входе. Когда жидкость покидает щель, скорость снижается, а давление начинает расти. Кипение жидкости прекращается, и паровые пузырьки взрываются. Теории гомогенизации Рис. 6.3.2 В процессе гомогенизации молоко проталкивается через узкую щель, в которой происходит разрушение жировых шариков. 1 2 Рис. 6.3.3 Разрушение жировых шариков на первой и второй ступенях гомогенизации. 1 После первой ступени 2 После второй ступени 116 За годы применения процесса гомогенизации возникло много теорий, объясняющих механизм гомогенизации при высоком давлении. Две теории, объяснящие дисперсную систему нефть – вода по аналогии с молоком, где диаметр большинства капель составляет меньше 1 мкм, не устарели до настоящего момента. Они дают объяснение влияния различных параметров на эффективность гомогенизации. Теория разрушения шариков турбулентными водоворотами (“микровихрями”) основана на том, что в жидкости, движущейся с высокой скоростью, возникает большое количество турбулентных микропотоков. Если турбулентный микропоток сталкивается с соразмерной ему каплей, последняя разрушается. Данная теория позволяет предвидеть изменения результатов гомогенизации при изменении применяемого давления. Эта связь была обнаружена во многих исследованиях. С другой стороны, теория кавитации гласит, что капельки жира разрушаются ударными волнами, возникающими при взрывах паровых пузырьков. Согласно этой теории, гомогенизация происходит при покидании жидкостью щели. Таким образом, противодавление, необходимое для кавитации, имеет в этом случае большую значимость. Это было подтверждено на практике. Однако гомогенизация возможна и без кавитации, но в таком случае она менее эффективна. Одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация Гомогенизаторы могут быть оснащены одной гомогенизирующей головкой или двумя, последовательно соединенными. Отсюда название: одноступенчатая гомогенизация и двухступенчатая гомогенизация. Обе системы показаны на рис. 6.3.5 и 6.3.6. При одноступенчатой гомогенизации весь перепад давления используется в единственной ступени. При двухступенчатой гомогенизации суммарное давление замеряется перед первой ступенью Р1 , и перед второй ступеньюР2 . Для достижения оптимальной эффективности гомогенизации обычно используется двухступенчатый вариант. Но желаемые результаты удается получить, если соотношение Р2 : Р1 равняется примерно 0,2. Одноступенчатый вариант используется для гомогенизации – продукции с низкой жирностью, – продукции, требующей высокой вязкости (образования определенных агломератов). Двухступенчатая гомогенизация используется прежде всего для разрушения скоплений жировых шариков: – в продуктах с высоким содержанием жира – в продуктах с высоким содержанием сухих веществ Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 – в продуктах, для которых требуется низкая вязкость – для достижения максимальной эффективности гомогенизации (микронизации). На рис. 6.3.3 показано образование и разрушение скоплений жировых шариков на второй ступени гомогенизации. Влияние гомогенизации на структуру и свойства молока Эффект гомогенизации оказывает положительное воздействие на физическую структуру и свойства молока и проявляется в следующем: • Уменьшение размеров жировых шариков, что предотвращает отстой сливок • Более белый и аппетитный цвет • Повышенная сопротивляемость окислению жира • Улучшенные аромат и вкус • Повышенная сохранность кисломолочных продуктов, изготовленных из гомогенизированного молока. Однако гомогенизации свойственны и определенные недостатки. В их числе: • Невозможность сепарирования гомогенизированного молока • Несколько повышенная чувствительность к воздействию света – как солнечного, так и от люминесцентных ламп – может привести к возникновению так называемого солнечного привкуса (см. также главу 8 “Пастеризованные молочные подукты”) • Пониженная термоустойчивость – особенно выражена при испытании первой ступени гомогенизации, гомогенизации обезжиренного молока и в других случаях, способствующих образованию скоплений жировых шариков • Непригодность молока для производства полутвердых и твердых сыров, так как сгусток будет плохо отделять сыворотку. Гомогенизатор Для обеспечения максимальной эффективности гомогенизации обычно требуются гомогенизаторы высокого давления. Продукт поступает в насосный блок, где его давление повышается поршневым насосом. Уровень возникшего давления зависит от противодавления, определяемого расстоянием между поршнем и седлом в гомогенизирующей головке. Давление Р1 всегда означает давление гомогенизации. Р2 – это противодавление первой ступени гомогенизации или давление на входе во вторую ступень. 2 1 3 10 4 5 9 6 8 7 Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 Рис. 6.3.4 Гомогенизатор – это большой насос высокого давления с устройством противодавления. 1 Главный двигатель привода 2 Клиноременная передача 3 Указатель давления 4 Кривошипношатунный механизм 5 Поршень 6 Уплотнение поршня 7 Литой насосный блок из нержавеющей стали 8 Клапаны 9 Гомогенизирующая головка 10 Гидравлическая система 117 1 2 3 4 Рис. 6.3.5 Одноступенчатая гомогенизация. Схема гомогенизирующей головки: 1 Клапан 2 Ударное кольцо 3 Седло 4 Гидравлический привод 5˚ Насос высокого давления Поршневой насос приводится в движение мощным электродвигателем (поз.1 на рис. 6.3.4) через коленчатый вал и шатуны – эта передача преобразует вращение двигателя в возвратно-поступательное движение поршней насоса. Поршни (поз. 5) перемещаются в блоке цилиндров высокого давления. Они изготовлены из высокопрочного материала. Поршни оснащены двойными уплотнениями. В пространство между уплотнениями подается вода для охлаждения поршней. Туда же может подаваться горячий конденсат для предотвращения повторного обсеменения микроорганизмами продукта при работе гомогенизатора. Также возможно использование горячего конденсата для сохранения условий асептического производства продукта при работе гомогенизатора. Гомогенизирующая головка 1 2 Рис. 6.3.6 Двухступенчатая гомогенизация. 1 Первая ступень 2 Вторая ступень Обратите внимание, что давление гомогенизации – это давление перед первой ступенью, а не перепад давлений. 118 На рис. 6.3.5 и 6.3.6 показаны гомогенизирующая головка и ее гидравлическая система. Поршневой насос поднимает давление молока с 300 кПа (3 бара) на входе до давления гомогенизации 10–15 МПа (100–240 бар), в зависимости от вида продукции. Давление на входе в первую ступень перед механизмом (давление гомогенизации) автоматически поддерживается неизменным. Давление масла на гидравлический поршень и давление гомогенизации на клапан уравновешивают друг друга. Гомогенизатор оборудован одним общим масляным баком, независимо от того, одноступенчатый это вариант или двухступенчатый. Однако в двухступенчатом гомогенизаторе есть две гидросистемы, и у каждой свой насос. Новое давление гомогенизации устанавливается изменением давления масла. Давление гомогенизации указывается на манометре высокого давления. Процесс гомогенизации происходит на первой ступени. Вторая главным образом служит двум целям: • Созданию постоянного и управляемого противодавления в направлении первой ступени, обеспечивая тем самым оптимальные условия гомогенизации • Разрушению слипшихся гроздьев жировых шариков, образующихся сразу после гомогенизации (см. рис. 6.3.3). Детали гомогенизирующей головки обработаны на прецизионном шлифовальном станке. Ударное кольцо посажено на свое место таким образом, что его внутренняя поверхность перпендикулярна выходу из щели. Седло скошено под углом 5 градусов, чтобы продукт получал контролируемое ускорение, предотвращая таким образом ускоренный износ, неизбежный в ином случае. Молоко под высоким давлением проникает между седлом и клапаном. Ширина щели составляет примерно 0,1 мм, что в 100 раз превышает диаметр жировых шариков в гомогенизированном молоке. Скорость прохождения жидкости сквозь узкий кольцевой зазор обычно находится в пределах 100–400 м/с, и ее гомогенизация происходит за 10–15 микросекунд. За это время вся энергия Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 давления, произведенного поршневым насосом, преобразуется в кинетическую энергию. Часть этой энергии после прохождения через механизм снова преобразуется в давление. Другая часть высвобождается в виде тепла; каждые 40 бар падения давления после прохождения через механизм поднимают температуру на 1°С. На гомогенизацию затрачивается менее 1% всей этой энергии, и все же гомогенизация с помощью высокого давления пока остается наиболее эффективным методом из всех имеющихся на сегодняшний день. Эффективность гомогенизации Цель гомогенизации зависит от способа ее применения. Соответственно меняются и методы оценки эффективности. В соответствии с законом Стокса, растущая скорость частицы определяется по следующей формуле, где: v – скорость g – ускорение свободного падения p – размер частицы ηhp – плотность жидкости ηlp – плотность частицы t – вязкость v = p2 x (ηhp – ηlp) 18 x t x g Или v = константа х p2 Из формулы следует, что уменьшение размера частицы является эффективным способом уменьшения возрастания скорости. Следовательно, уменьшение размера частиц в молоке приводит к замедлению скорости отстаивания сливок. Аналитические методы Аналитические методы определения эффективности гомогенизации можно разделить на две группы: Рис. 6.3.7 Анализ частиц методом лазерной дифракции. I. Определение скорости отстаивания сливок Самый старый способ определения времени отстаивания сливок – это взять образец, выдержать его определенное время и затем проанализировать содержание жира в различных его слоях. На этом принципе построен метод USPH. Например, образец объемом в один литр выдерживается 48 часов, после чего определяется содержание жира в верхнем слое (100 мл), а также и во всем остальном молоке. Гомогенизация считается удовлетворительной, если массовой доли жира в нижнем слое в 0,9 раза меньше, чем в верхнем слое. На этом же принципе построен метод NIZO. В соответствии с этим методом образец объемом, скажем, в 25 мл подвергается центрифугированию в течение 30 минут Рис. 6.3.8 График гранулометрического состава. Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 119 на скорости 1000 об/мин при температуре 40°С и радиусе 250 мм. После этого жирность 20 мл нижнего слоя делится на жирность всего образца и полученный результат умножается на 100. Это соотношение называется значением NIZO. Для пастеризованного молока оно обычно составляет 50–80%. II. Фракционный анализ Распределение размеров частиц или капель в образце можно определить хорошо разработанным методом с применением установки лазерной дифракции (см. рис. 6.3.7), которая посылает лазерный луч в образец, находящийся в кювете. Степень рассеивания света будет находиться в зависимости от размеров и количества частиц, содержащихся в исследуемом молоке. Результат приведен в виде графиков гранулометрического состава. Процент массовой доли жира представлен как функция размера частицы (размер жирового шарика). На рис. 6.3.8 показаны три типовых графика распределения размеров жировых шариков. Обратите внимание на то, что при повышении давления гомогенизации график смещается влево. Рис. 6.3.9 Пример параметров гомогенизации (энергия, температура, давление). Расход энергии и его влияние на температуру Подводимая электрическая мощность, необходимая для гомогенизации, выражается следующей формулой: Пример: Е – потребляемая энергия Qвх – пропускная способность, л/ч 18 000 л/ч Р1 – давление гомогенизации, бар 20 МПа (200 бар) Рвх – давление насоса, бар 200 кПа (2 бара) ηн – кпд насоса 0,85 ηдв – кпд электродвигателя 0,95 E = Qвх x (P1 – Pвх) 36 000 x ηн x ηдв кВт При условиях, приведенных сверху справа, необходимая электрическая мощность составит 123 кВт. Как уже было отмечено, часть вырабатываемой энергии давления преобразуется в тепло. Если температура поступающего молока – Твх, давление гомогенизации – Р1, давление после гомогенизации – Pвых, и если каждое снижение давления на 4 МПа (40 бар) повышает температуру на один градус, можно применить следующую формулу: Tвых = P1 – Pвых 40 + Tвх Расход энергии, рост температуры и снижение давления проиллюстрированы на рис. 6.3.9. Tвх = 65°С P1 = 20 МПа (200 бар) Pвых = 400 кПа (4 бара) получается Tвых = 70°С 120 Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 Гомогенизатор в технологической линии Обычно гомогенизатор устанавливается в начале линии, то есть до секции окончательного нагрева в теплообменнике. В большинстве пастеризационных установок по производству питьевого молока для потребительского рынка гомогенизатор стоит после первой регенеративной секции. При производстве стерилизованного молока гомогенизатор обычно помещается в начале процесса высокотемпературной обработки, протекающей в системе с косвенным нагревом продукта, и всегда в конце процесса, проходящего в системе с прямым нагревом продукта, т.е. в асептической части установки после участка стерилизации продукта. В таком случае используется асептический вариант гомогенизатора, оснащенный специальными поршневыми уплотнениями, прокладками, стерильным конденсатором и специальными асептическими демпферами. Асептический гомогенизатор устанавливается после секции стерилизации установок с прямым обогревом продукта в случаях производства молочных продуктов с массовой долей жира более 6–10% и/или с повышенным содержанием белка. Дело в том, что при очень высоких температурах обработки в молоке с высоким содержанием жира и/или протеинов образуются скопления жировых шариков и мицелл казеина. Расположенный после секции стерилизации асептический гомогенизатор разрушает эти агломерированные частицы. 3 1 2 4 Рис. 6.3.10 Прохождение продукта при частичной гомогенизации. 1 Теплообменник 2 Центробежный сепаратор 3 Устройство автоматической нормализации жира в потоке 4 Гомогенизатор Сырое молоко с массовой долей жира 4% Сливки с массовой долей жира 35% Обезжиренное молоко с массовой долей жира 0,05% Сливки с жирностью 10% Нормализованное молоко с массовой долей жира 3% Хладагент Теплоноситель Полная гомогенизация Полная гомогенизация – наиболее распространенный способ гомогенизации питьевого молока и молока, предназначенного для производства кисломолочных продуктов. Жирность молока, а иногда и содержание сухого обезжиренного остатка (при производстве йогурта, например) нормализуются до гомогенизации. Раздельная гомогенизация Раздельная гомогенизация означает, что основная часть обезжиренного молока ей не подвергается. Гомогенизируются сливки и небольшое количество обезжиренного молока. Этот способ гомогенизации обычно используется для пастеризованного питьевого молока. Основное достоинство раздельной гомогенизации – ее относительная экономичность. Общий расход энергии снижается примерно до 65% вследствие меньшего количества молока, проходящего через гомогенизатор. Поскольку наибольшая эффективность гомогенизации может быть достигнута в случае, если в молоке содержится не менее 0,2 г казеина на 1 г жира, рекомендуемая максимальная жирность составляет 12%. Часовая производительность установки, в которой проводится раздельная гомогенизация, может быть определена по далее приведенной формуле. Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 121 Формулы расчета: 1. Qsm = 2. Qh = Qp x (fcs – frm) fcs – fsm Qsm x fsm Пример: Qp = производительность установки, л/ч Qsm = производство нормализованного молока, л/ч Qh = производительность гомогенизатора, л/ч frm = жирность цельного молока, % fsm = жирность нормализованного молока, % fcs = жирность сливок на выходе из сепаратора, % fch = жирность сливок, подготовленных для гомогенизации, % 10 000 4% 3% 35% 10% fch Производство пастеризованного нормализованного молока (Qsm) в час составит приблизительно 9690 л. Если мы подставим эту цифру в формулу 2, то получим, что часовая производительность гомогенизатора равняется примерно 2900 л, то есть около трети его полной производительности. Схема потоков в установке для частично гомогенизированного молока приведена на рис. 6.3.10. Влияние гомогенизированных молочных продуктов на организм человека В начале 1970-х годов американский ученый К. Остер (K. Oster) выступил с гипотезой о том, что гомогенизация молока позволяет ферменту ксантиноксидаза проникать через кишечник в кровеносную систему. (Оксидаза – это фермент, который катализирует присоединение кислорода к субстрату вещества или отщепление от него водорода.) По утверждению Остера, оксидаза ксантина способствует процессу повреждения кровеносных сосудов и ведет к атеросклерозу. Эта гипотеза была отвергнута учеными на том основании, что человеческий организм сам вырабатывает в тысячи раз большие количества этого фермента, чем теоретически могло бы привнести в него гомогенизированное молоко. Итак, никакого вреда от гомогенизации молока быть не может. С точки зрения питательности гомогенизация никаких особых изменений не привносит, за исключением, пожалуй, того, что в гомогенизированных продуктах жир и протеин расщепляются быстрее и легче. Тем не менее Остер прав в том, что процессы окисления могут приносить вред человеческому организму и что диета важна для здоровья. 122 Технология производства молочных продуктов/глава 6.3 Мембранные фильтры 4 . 6 Мембранная технология – это испытанный метод разделения, осуществляемого на молекулярном и ионном уровнях. За тридцать лет, прошедших с начала 70-х годов, эта технология была адаптирована применительно для молочной промышленности. Определения Объяснения некоторых часто употребляемых терминов: Загрузка (исходный продукт) – раствор, предназначенный для концентрирования или разделения. Интенсивность потока – скорость получения отфильтрованной через мембрану жидкости, измеряемая в литрах на квадратный метр поверхности мембраны в час (л/м2/ч). Загрязнение мембраны – осаждение твердых фракций на поверхности, которые нельзя удалить в процессе обработки. Фильтрат (пермеат) – жидкость, прошедшая через мембрану. Концентрат (ретентат) – жидкость, не прошедшая сквозь мембрану. Коэффициент концентрации – уменьшение объема путем концентрации,т.е. отношение первоначального объема исходного продукта к конечному объему концентрата. Диафильтрация – модификация ультрафильтрации, при которой к загружаемой жидкости добавляется вода для вымывания компонентов, которые проникнут через мембраны (в основном это лактоза и минеральные вещества). Мембранная технология В молочной промышленности мембранная технология главным образом ассоциируется со следующими технологическими процессами: • Обратный осмос (ОО) – концентрирование растворов посредством удаления воды • Нанофильтрация (НФ) – концентрация органических компонентов посредством удаления части моновалентных ионов, например, натрия и хлора (частичная деминерализация) • Ультрафильтрация (УФ) – концентрация крупных молекул и макромолекул • Микрофильтрация (МФ) – удаление бактерий разделением макромолекул О диапазоне применения процессов мембранного разделения дает представление рис. 6.4.1. Во всех вышеназванных методах используется поперечная мембранная фильтрация потока, при которой загружаемый раствор пропускается сквозь мембрану под давлением. Раствор проходит через мембрану, а твердая фракция (ретентат) задерживается, в то время как фильтрат (пермеат) удаляется. Мембраны классифицируются по предельному молекулярному весу пропускаемого вещества, то есть по молекулярному весу самой маленькой молекулы, которая не проникнет сквозь мембрану. Однако подбор мембраны осуществляется не только на основе этой ее характеристики. Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 123 Размер частиц, мкм 0,0001 0,001 0,01 0,1 1,0 Молекулярный вес, D 100 1 000 10 000 100 000 500 000 Характеристика частицы Ионная Молекулярная Ионы Компоненты молока Сывороточные белки Соли ОО 100 Клеточная + микрокорпускулярная Жировые шарики Казеиновые мицеллы Лактоза/производные Процесс разделения Макромолекулярная 10 Дрожжи, плесень Бактерии Агрегированные сывороточные белки, сырные частицы Витамины УФ НФ Традиционная фильтрация МФ Рис. 6.4.1 Сферы применения технологии мембранного разделения в молочной промышленности. Здесь следует отметить, что традиционная (общепринятая) фильтрация используется, как правило, для отделения взвешенных частиц крупнее 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация отделяет частицы молекулярных размеров – меньше 10–4 мкм. Основная разница между обычной и мембранной фильтрацией проиллюстрирована на рис. 6.4.2. (ретентат) (пермеат) Рис. 6.4.2 Основные различия между обычной (слева) и мембранной фильтрацией. Назовем здесь некоторые из различий между двумя упомянутыми видами фильтрации. • Применяемые фильтрующие средства: Традиционные фильтры имеют большую толщину и открытую конструкцию. Материал – обычная бумага Мембранные фильтры тонкие с возможностью контроля размером пор. Материал: полимеры или керамика, а также реже применяемый в настоящее время ацетат целлюлозы • При традиционной фильтрации основным фактором, влияющим на отделение частиц, является сила тяжести. Давление применяется лишь с целью ускорения процесса. Поток разделяемой жидкости поступает перпендикулярно материалу фильтра.Фильтрацию можно проводить в открытых системах. 124 Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 Основы мембранного разделения Методы мембранного разделения в молочной промышленности предназначены для выполнения различных задач: • ОО – применяется для дегидратации сыворотки, фильтрата УФ и конденсата УФ • НФ – применяется, когда требуется частичное обессоливание сыворотки, фильтрата УФ или концентрата УФ • УФ – обычно применяется для концентрации молочных протеинов в молоке и сыворотке и для нормализации по содержанию белка при производстве сыров, йогуртов и некоторых других продуктов • МФ – в основном применяется для уменьшения количества бактерий в обезжиренном молоке, сыворотке и рассоле, а также для обезжиривания сыворотки, предназначенной для приготовления концентрата сывороточного белка (КСБ) и для фракционирования белков. Принципиальные схемы потоков различных систем мембранного разделения приведены на рис. 6.4.3. Рис. 6.4.3 Принципы мембранной фильтрации. Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 125 Фильтрационные модули Фильтрационные модули, применяемые при мембранной фильтрации, могут различаться по конструкции, а именно: Конструкция Спиральная Пластинчато-рамная Трубчатая, основанная на полимерах Трубчатая, основанная на керамике Полое волокно Типичное применение ОО, НФ, УФ УФ, ОО УФ, ОО МФ, УФ УФ Пластинчато-рамная конструкция Рис. 6.4.4 Пример пластинчаторамной системы для работы в режиме УФ. Эти системы состоят из мембран, закрепленных между пластинами, собранными в пакеты, подобно тому, как это сделано в обычных теплообменниках пластинчатого типа. Загружаемый материал прогоняется через очень узкие каналы, которые могут быть организованы под параллельные потоки или под перемежающиеся параллельные и последовательные потоки. Типовое устройство показано на рис. 6.4.4. Обычно модуль поделен на отсеки, в каждом из которых поток движется параллельно между парами мембран. Отсеки отделены специальной опорной пластиной, в которой одно отверстие закрыто запорным диском, направляющим поток в противоположную сторону и обеспечивающим его последовательное продвижение по секторам. Существуют модули различных размеров. Обычно мембраны изготавливают из полимеров. Трубчатая конструкция – полимеры Рис. 6.4.5 Пример трубчатого модуля, предназначенного для включения в систему УФ (или ОО). Разработан фирмой PCI. Рис. 6.4.6 Фильтрация поперечного потока в многоканальном элементе (19 каналов). 126 Типовым примером трубчатых систем, применяемых в молочной промышленности, является система, разработанная компанией Paterson and Candy International Ltd. (PCI). На рис. 6.4.5 показан предназначенный для ультрафильтрации модуль фирмы PCI. В этот модуль входят перфорированные трубы размером 18 х 12,5 мм. Все 18 труб последовательно соединены и заключены в общий корпус. Внутри каждой перфорированной трубы, выполненной из нержавеющей стали и выдерживающей необходимое давление, находится сменная трубчатая вставкамембрана. Фильтрат скапливается снаружи пучка труб – в кожухе из нержавеющей стали. Модуль может быть легко переоборудован для работы в режиме ОО из режима УФ. Трубчатая конструкция – керамика В молочной промышленности постепенно завоевывает позиции трубчатый вариант с керамическими мембранами, особенно в системах, предназначенных для уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке, концентрате сывороточного белка и рассоле. Фильтрующий элемент, показанный на рис. 6.4.6, изготовлен из керамического материала французской фирмой SCT (Société des Céramiques Techniques/ Ceraver). Тонкие стенки каналов выполнены из мелкозернистой керамики и представляют собой мембрану. Опорный материал – крупнозернистая керамика. При микрофильтрации с целью удаления бактерий в систему подается обезжиренное молоко (или цельное молоко для концентрирования жира, Рис. 6.4.7 В модуле из нержавеющей но это нежелательно в случае снижения содержания микроорганизмов). стали параллельно устанавливаются 1,7 или 19 (как на этом рисунке) Большая часть подаваемого в систему фильтрующих элементов. Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 Рис. 6.4.8 Падение давления при традиционной поперечно-поточной фильтрации. Рис. 6.4.9 Падение давления в системе с равномерным трансмембранным давлением. продукта (около 95%) проникает через мембрану, как фильтрат, являясь в данном случае обезжиренным и освобожденным от большей части бактерий молоком. А оставшийся ретентат (5%) – это “насыщенное” бактериями обезжиренное молоко. Фильтрующие элементы (1, 7 или 19 параллельно собранных элементов) смонтированы в одном модуле. На рис. 6.4.7 показан такой модуль с 19 фильтрующими элементами, каждый из которых открыт с левой стороны модуля. Для производственных целей последовательно соединяются два модуля, образуя фильтрующую систему с одним насосом для циркуляции концентрата и одним – для циркуляции фильтрата (см. рис. 6.4.10). В зависимости от производственной необходимости могут параллельно устанавливаться несколько фильтрующих систем. Жидкость на высокой скорости закачивается в модули снизу. Очень высокое трансмембранное давление (ТМД) на входе быстро приводит к закупорке мембраны. Это явление проиллюстрировано на рис. 6.4.8, где показана обычная поперечно-поточная микрофильтрация. Опыт свидетельствует о том, что низкое трансмембранное давление приводит к гораздо лучшим результатам, но при обычной поперечно-поточной микрофильтрации низкое трансмембранное давление бывает только на выходе, то есть на очень незначительной части площади мембраны. Для достижения оптимальных условий по всей площади мембраны была внедрена уникальная Система равномерного трансмембранного давления (СРТД), показанная на рис. 6.4.9. Эта запатентованная система обеспечивает высокоскоростную циркуляцию фильтрата одновременно с концентратом внутри модуля, но вне элемента. Это обеспечивает равномерное трансмембранное давление на всей площади мембраны и, таким образом, ее оптимальное использование. Применение данной системы позволяет достичь наилучшего результата, так как пространство между элементами внутри модуля, т.е. со стороны фильтрата, обычно пустует, а в СРТД оно заполнено пластмассовым зерном. Высокоскоростная циркуляция фильтрата приводит к падению давления внутри каналов. Снижение давления со стороны фильтрата регулируется фильтратным насосом и остается постоянным на протяжении всей работы установки. Рис. 6.4.10 Промышленный контур мембранной фильтрации состоит из: – двух последовательно соединенных фильтрующих модулей – одного циркуляционного насоса для концентрата – одного циркуляционного насоса для фильтрата Спиральная конструкция Поскольку спиральная конструкция отличается от всех остальных вариантов мембранной фильтрации, применяемых в молочной промышленности, она требует более детального рассмотрения. Спиральный элемент состоит из одного или более мембранных “конвертов”, в каждый из которых входят два слоя мембраны, разделенных пористым материалом, способным пропускать фильтрат. Этот материал, являющийся прокладкой канала фильтрата, позволяет свободно течь фильтрату, просочившемуся сквозь мембрану. Два слоя мембраны, между Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 Рис. 6.4.11 Формирование “конверта” в спиральной конструкции. 127 которыми находится прокладка канала, герметизированы с двух краев и с одного конца и образуют таким образом мембранный “конверт”. Открытый конец конверта герметично присоединен к перфорированной трубе для сбора фильтрата. Внешний вид “конверта” показан на рис. 6.4.11. Пластмассовый сетчатый материал, служащий прокладкой в канале для потока, прокачиваемого сквозь систему раствора, помещается вплотную к одной из сторон каждого мембранного конверта. Благодаря сетчатому устройству прокладки также выступают в качестве генераторов турбулентности, необходимой для сохранения мембраны в чистом виде при относительно низких скоростях. Затем весь узел навинчивается на перфорированную трубу для сбора фильтрата с целью формирования спиральной мембраны. Спиральные мембраны оборудованы противосдвиговым Рис. 6.4.12 Спиральная мембрана с противосдвиговым устройством. Корпус X X Y Y Рис. 6.4.13 Детали спирального модуля. Каждая или обе пары соединительных патрубков (Х и Y) могут использоваться с корпусами, собираемыми в пакет, особенно для работы в режиме УФ. устройством, расположенным между нижними концами элементов мембраны с целью не допустить выскальзывания слоев под воздействием напора обрабатываемой жидкости. На рис. 6.4.12 показан спиральный узел с противосдвиговым устройством. Внутри одной стальной трубы соединяются последовательно несколько элементов (обычно три), как показано на рис. 6.4.13. И мембрана, и прокладка для фильтрата изготавливаются из полимерных материалов. Конструкция с полым волокном Модули полого волокна представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волокна – от 45 до 3000 шт. в каждом патроне. Волокна уложены параллельно друг другу, их концы A B C Рис. 6.4.14 Патрон УФ в режиме фильтрации (А), промывки (В) и очистки (С). 128 Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 зафиксированы в полимерном материале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы. Внутренний диаметр мембраны может быть от 0,5 до 2,7 мм, а активная поверхность мембраны находится на внутренней стороне полого волокна. Наружная сторона полого волокна, в отличие от внутренней, имеет грубую структуру и служит в качестве опоры. Поток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, а фильтрат собирается снаружи и удаляется через верхний отдел трубы. Специфическое свойство этой конструкции – в ее способности самопромывки противотоком, что используется для очистки системы направленным в обратную сторону фильтратом для удаления осадка с поверхности мембраны. На рис. 6.4.14 показаны различные варианты применения модуля полых волокон. Материал мембраны: полимеры. Предел разделения мембран Предел разделения мембран определяется минимальным весом молекулы, которая может быть отфильтрована. Мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения, как это проиллюстрировано на рис. 6.4.15 для двух УФ мембран. Аналогичный феномен наблюдается и в мембранных разделителях других типов, отличаясь лишь наклоном кривой. Мембраны с определенным пределом фильтрации отделяют все, что имеет определенно меньший молекулярный вес, тогда как мембраны с размытым пределом пропускают некоторые материалы с более высоким молекулярным весом и задерживают некоторые материалы с более низким молекулярным весом. Точность фильтрации мембраны определяется размером пор и распределением размеров пор. Поскольку невозможно выполнить точное разделение по молекулярному весу или диаметру молекулы, порог фильтрации более или менее размыт. Утверждение, что молекулярный вес определяет предел фильтрации, должно приниматься с некоторым допуском, поскольку имеет также значение и форма отделяемой частицы. Молекулу сферической формы отделить легче, чем частицу, имеющую вид цепочки. Кроме того, макромолекулы – например, протеины – образуют “вторичную мембрану”, которая может реально влиять на размер задерживаемых молекул. Рис. 6.4.15 Типовые характеристики задержки частиц мембранами, используемыми для ультрафильтрации, иллюстрирующие идеальный, точный и размытый порог разделения по молекулярному весу. Прохождение материала сквозь мембрану Скорость разделения зависит от следующих факторов: • Сопротивление мембраны, которое является постоянной характеристикой каждой мембраны и определяется – толщиной мембраны – площадью поверхности – диаметром пор. • Сопротивление прохождению, т.е. поляризация или эффект загрязнения. Поляризация представляет собой эффект загрязнения (или связывания), который возникает на поверхности мембраны в процессе фильтрации. Образование слоя осадка можно объяснить следующим образом: • Крупные молекулы (т.е. протеин или жир) конвекционным путем наносятся на мембрану под прямым углом к направлению потока • Градиент концентрации приводит к обратной диффузии в противоположном направлении • Параллельно мембране протеины, присутствующие в примыкающем к ней слое, перемещаются со скоростями, меняющимися с ростом продольной скорости потока • Эффект поляризации не распространяется равномерно по мембране, в особенности когда снижение давления порождает разные трансмембранные давления (ТМД) на поверхности мембраны. Поэтому первым начинает закупориваться начальный отрезок мембраны. Поляризация постепенно распространяется по всей поверхности мембраны, Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 129 снижая ее пропускную способность и в конечном счете вынуждая останавливать установку и производить мойку • Главный итог поляризации состоит в том, что по мере фильтрации скорость получения фильтрата снижается • Воздействие поляризации может быть снижено применением обратной промывки, направлением потока в обратном направлении или методом равномерного ТМД (применимого в варианте с керамическими мембранами). Значения давления Давление – это движущая сила фильтрации, причем следует подчеркнуть принципиальную разницу между: 1 Падением гидравлического давления вдоль модуля Р = Р1 – Р2. Чем больше величина Р, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие, направленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше воздействие поляризации. Однако существуют ограничения, в том числе сопротивление мембраны давлению и стоимость насосов, способных обеспечивать как высокий расход, так и высокое давление. 2 Трансмембранное давление (ТМД) – это перепад давлений между двумя сторонами мембраны в какой-то конкретной точке. Основной критерий эффективности мембранной системы (интенсивность потока в л/м2/ч) является функцией ТМД. ТМД, т.е. сила, проталкивающая фильтрат через мембрану, достигает своих максимальных значений на входе в модуль и минимальных – на выходе из него. Поскольку уменьшение ТМД носит линейный характер, среднее ТМД определяется следующей формулой: Перепад гидравлического давления при прохождении сквозь мембрану (А) и профиль трансмембранного давления (В) показаны на рис. 6.4.16. TMД = P1+ P2 2 – P3 P = P1 – P2 TMД = P1+ P2 2 – P3 Рис. 6.4.16 Перепады гидравлического (А) и трансмембранного (В) давлений на мембране. Конструктивные особенности Успешное функционирование установок мембранной фильтрации в основном зависит от давления, создаваемого применяемыми насосами. В этой связи следует учитывать следующие рекомендации: 1. Производительность насоса (насосов) должна соответствовать требуемой скорости потока и характеристикам модуля (модулей), которые могут быть абсолютно различными – в зависимости от конструкции и размеров модуля. 2. Насос должен быть нечувствительным к изменениям в ограничениях модуля в отношении 130 Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 Рис. 6.4.17 Установка мембранной фильтрации производства периодического типа. Загружаемый продукт Концентрат Фильтрат Хладагент 6 1 5 4 2 3 вязкости. Он также должен эффективно работать в интервале температур, применяемых для производства и мойки. 3. Насос должен полностью отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к оборудованию, предназначенному для использования на молочных заводах. Применяются насосы нескольких типов, в том числе центробежные насосы и объемные насосы. Пищевые центробежные насосы обычно применяются как подающие и циркуляционные насосы, а пищевые объемные насосы используются, как правило, в качестве подающих и циркуляционных насосов высокого давления для работы с жидкостями повышенной вязкости, то есть на конечных стадиях ультрафильтрации молочного сгустка. Разделительные установки мембранного типа могут применяться и для периодического, и для непрерывного производства. Подаваемый раствор не должен содержать крупных частиц, которые могут повредить самый первый тонкий слой фильтрующей поверхности. Поэтому зачастую в питающую систему включается фильтр тонкой очистки (мелкоячеистое сито). Периодическое производство Установки для периодического производства (рис. 6.4.17) в основном применяются для фильтрации небольших объемов продукта – например, в лабораториях и на экспериментальных заводах. Определенное количество продукта, предназначенного для обработки, заливается в буферный бак. Продукт циркулирует через мембранный сепаратор до тех пор, пока не будет получена необходимая концентрация. 1 2 3 4 5 6 Емкость для продукта Нагнетающий насос Циркуляционный насос Фильтр Мембранный модуль Охладитель Принцип ОО 1 2 3 Принцип НФ 1 2 3 Принцип УФ 1 Непрерывное производство На рис. 6.4.18 и 6.4.19 показаны схемы конструкций установок, работающих в непрерывном цикле. Конструкции спирального типа, показанные на рис. 6.4.18, предназначены для функционирования в режимах ОО, НФ и УФ. Они оснащены полимерными мембранами с порами различного размера. Установка, показанная на рис. 6.4.19, оснащена керамическими мембранами и предназначена для микрофильтрации. Поскольку мембраны, предназначенные для обратного осмоса, гораздо менее проницаемы, чем мембраны двух других систем, установки, которыми они оборудованы, требуют более высокого давления на входе. Оно обеспечивается тремя последовательно установленными пищевыми нагнетающими насосами центробежного типа и одним центробежным циркуляционным насосом. Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 2 3 Рис. 6.4.18 Принципиальные схемы устройства различных фильтрующих контуров. 1 Мембрана 2 Охладитель 3 Фильтр 131 Загружаемый продукт Концентрат Фильтрат 1 Патроны мембран для МФ 2 Циркуляционный насос для фильтрата 3 Циркуляционный насос для концентрата 1 1 2 3 Рис. 6.4.19 Принципиальная схема устройства контура микрофильтрации. У двух других фильтрационных установок – для нанофильтрации и ультрафильтрации проницаемость выше, и поэтому они могут обходиться двумя нагнетающими и одним циркуляционным насосами. Как уже было сказано выше, в основу концепции микрофильтрации заложена последовательная работа двух элементов, составляющих один фильтрационный контур. В нее входит один центробежный насос для циркуляции концентрата и другой – для циркуляции фильтрата. Загружаемый раствор может поступать из разделительной установки с системой обеспечения постоянного давления на выходе или из уравнительного бака, оборудованного насосом и системой управления производительностью. Температура производственного процесса для мембранной фильтрации В большинстве случаев рабочая температура при обработке продукта в молочных производствах составляет около 50°С. Обычно фильтрационные установки оборудуются простыми системами охлаждения. Такая система встраивается во внутренний циркуляционный контур для компенсации небольшого увеличения температуры, которое проходит во время работы установки, и для поддержания постоянной температуры обработки продукта. Рис. 6.4.20 Производственный модуль для работы в режиме ультрафильтрации. 132 Технология производства молочных продуктов/глава 6.4 Вакуум-выпарные аппараты 6.5 Удаление воды Под концентрированием жидкости понимают удаление растворителя, которым в большинстве случаев является вода. Концентрация отличается от высушивания тем, что конечный продукт, концентрат, остается в жидком виде. Пищевые продукты концентрируют по ряду причин, в том числе чтобы: • Снизить стоимость высушивания • Вызвать кристаллизацию • Снизить стоимость хранения и транспортировки • Снизить активность воды для повышения микробиологической и химической устойчивости • Извлечь побочные продукты из отходов производства. Технология концентрирования жидкости с помощью выпаривания в вакууме была внедрена в производственную практику в 1913 г. Этот процесс был разработан на основе английского патента, выданного Е.С. Ховарду (E.C.Howard), описавшему нагреваемую паром вакуумную плоскую емкость с двойным дном, конденсатором и воздушным насосом. Выпаривание В молочной промышленности выпаривание применяется для сгущения сыворотки цельного и обезжиренного молока. К нему также прибегают как к предварительному этапу перед высушиванием. Перед подачей в сушильную камеру содержание сухих веществ в молочных продуктах, из которых готовят порошок, обычно увеличивают с 9–13% до 40–50%. В молочной промышленности выпаривание представляет собой удаление воды из кипящего раствора в виде пара. Для того чтобы это осуществить, необходимо обеспечить подогрев. Продукты, с которыми приходится при этом иметь дело, обычно чувствительны к теплу, и перегрев может их погубить. Чтобы уменьшить риск, выпаривание обычно осуществляется в вакууме при температуре порядка 40°С. В то же время испаритель должен быть рассчитан на минимальное время выдержки. Большинство продуктов должны быть сконцентрированы в необходимой степени при низких температурах и за короткое время. Рис. 6.5.1 Общий принцип выпаривания. Горячий пар нагревает перегородку, а на другой ее стороне происходит выпаривание жидкости. Конструкция испарителя Выпаривание воды из раствора требует большого расхода энергии. Эта энергия подается в виде пара. С целью снижения количества необходимого пара вакуумвыпарная установка обычно создается в виде многоступенчатого испарителя. В него входят два или более агрегатов, работающих при постепенно снижающихся давлениях и, следовательно, при постепенно снижающихся температурах кипения. При такой конструкции пар, полученный на предыдущей ступени, может быть использован для подогрева на следующей ступени. В результате получается, что требуемое количество пара приблизительно равняется количеству испаряемой воды, деленному на число ступеней. В настоящее время в молочной промышленности применяются вакуумвыпарные установки, в состав которых может входить до 7 аппаратов. Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 133 Другим источником энергии может быть электричество. В этом случае для повторного сжатия пара, покидающего агрегат, до давления, необходимого при нагреве, используется компрессор или вентилятор с электроприводом. Хотя испарительные установки работают на одном и том же принципе, они различаются в деталях конструкции. Так, трубы, образующие перегородки между паром и подогреваемым продуктом, могут быть расположены горизонтально либо вертикально, а пар может циркулировать внутри или снаружи труб. В большинстве случаев продукт циркулирует внутри вертикальных труб, которые окружены подогревающим их паром. Вместо труб могут быть использованы пластины или кассеты. Циркуляционные вакуум-выпарные аппараты Циркуляционные вакуум-выпарные аппараты можно использовать, когда требуется малая степень концентрации или когда обрабатывается небольшое количество продукта. Например, при производстве йогурта молоко сгущается выпариванием всего в 1,1–1,25 раза, то есть содержание сухих веществ увеличивается с 13–14,5% лишь до 16,25%. Одновременно эта обработка освобождает продукт от воздуха и посторонних ароматов. Процесс циркуляционного выпаривания показан на рис. 6.5.2. Молоко, нагретое до 90°С, по касательной поступает на большой скорости в вакуумную камеру, где образует тонкий вращающийся слой на поверхности стены (см. рис. 6.5.3). В процессе этого вращения часть 8 Продукт Испарения Хладагент Теплоноситель 5 1 Испарения Отверстие для поступающего продукта 3 4 6 2 7 Рис. 6.5.2 Технологическая линия циркуляционного вакуум-выпарного аппарата. 1 Уравнительный бак 2 Нагнетающий насос 3 Секция предварительного нагрева/конденсатор 4 Секция регулировки температуры 5 Секция охлаждения/конденсатор 6 Вакуумная камера 7 Насос рециркуляции 8 Вакуумный насос содержащейся в молоке воды испаряется, и испарения удаляются в конденсатор. Воздух и другие не подверженные конденсации газы удаляются из конденсатора вакуумным насосом. Продукт постепенно теряет скорость и опускается на дно, откуда по имеющемуся там желобу покидает камеру. Часть продукта возвращается центробежным насосом в теплообменник для регулировки температуры, а оттуда – в вакуумную камеру для дальнейшего выпаривания. Для достижения необходимой концентрации большое количество продукта должно быть возвращено в начало цикла. Через вакуумную камеру проходит в четыре-пять раз больше жидкости, чем подается в установку. Вакуум-выпарные аппараты, работающие по принципу падающей пленки жидкости Выход концентрированного продукта Рис. 6.5.3 Движение продукта в вакуумной камере. 134 Наиболее широко в молочной промышленности эксплуатируются так называемые вакуум-выпарные аппараты, работающие по принципу падающей пленки жидкости. Они оборудованы вертикальными нагревающими поверхностями, по которым подающееся сверху молоко стекает тонким слоем в виде пленки. Нагревающая поверхность может представлять собой трубы или пластины из нержавеющей стали. Пластины собираются в пакеты, в которых продукт течет Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 с одной стороны каждой пластины, а с другой стороны ее подогревает пар. Если в качестве нагревающих поверхностей используются трубы, молоко в виде пленки стекает по их внутренним стенкам, а снаружи их нагревает пар. Сначала продукт подвергается предварительному подогреву до температуры, равной или чуть выше температуры выпаривания (см. рис. 6.5.4). Из отсека, где происходит предварительный подогрев, продукт поступает в распределительную систему, находящуюся в верхней точке вакуум-выпарного аппарата. Образование вакуума в испарителе снижает температуру выпаривания до нужного уровня – ниже 100°С. Трубчатый вакуумвыпарной аппарат Исходное молоко 2 Водяной пар (теплоноситель) 5 4 Испарения 3 7 6 1 Конденсат Рис. 6.5.4 Одноступенчатый вакуум-выпарной аппарат с падающей пленки жидкости. Выход концентрированного молока Главное, от чего зависит успешная работа вакуум-выпарных аппаратов с падающей пленкой жидкости, это равномерное распределение молока по нагревающей поверхности, чего можно добиться многими способами. В трубчатом вакуум-выпарном аппарате проблема может быть решена, как показано на рис. 6.5.5, использованием сопла особой формы (1), которое направляет продукт на распределяющую пластину (2). Продукт слегка перегревается и поэтому расширяется в момент выхода из сопла. Часть воды мгновенно испаряется, и образовавшиеся испарения вытесняют продукт наружу – вдоль внутренней поверхности труб. Вакуум-выпарной аппарат пластинчатого типа Распределение продукта в пластинчатом вакуум-выпарном аппарате, работающем по принципу падающей пленки жидкости, может быть реализовано с помощью двух труб, пропущенных через пакет пластин. Рис. 6.5.5 Верхняя часть вакуумвыпарного аппарата, работающего по принципу падающей пленки и жидкости. 1 Впускное сопло 2 Распределительная пластина 3 Греющий пар 4 Соосные трубы 5 Отверстия 6 Испарения 7 Выпаривающие трубы Продукт Испарения Теплоноситель 1 2 Продукт Пар Хладагент Теплоноситель Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 Рис. 6.5.6 Пластинчатый секционный вакуум-выпарной аппарат. 1 Распределительные трубы с распыляющими соплами 2 Пароотделитель 135 К каждой пластине подведена труба с распыляющим соплом (п.1 на рис. 6.5.6), через которое продукт ровным тонким слоем наносится на поверхность пластины. В этом варианте во избежание внезапных вспышек испарения во время распределения продукта он подается при температуре выпаривания. Содержание воды в тонкой пленке продукта быстро уменьшается по мере его прохождения по нагревающей поверхности. На выходе из испарителя установлен отделитель пара (2). Он отделяет пар от сгущенной жидкости. В процессе выпаривания объем жидкости уменьшается, а объем испарений увеличивается. Если объем образовавшегося пара превзойдет имеющийся объем, скорость пара вырастет, что приведет к увеличению перепада давления. Это потребует большей разности температур между нагревающим паром и нагреваемым продуктом. Данной ситуации можно избежать, увеличив имеющееся пространство для испарений по мере роста их объема. Для достижения оптимальных условий выпаривания необходимо обеспечить приблизительно одинаковую толщину пленки продукта на всем протяжении нагревающей поверхности. Поскольку по мере стекания продукта по нагревающей поверхности количество имеющейся жидкости постепенно уменьшается, необходимо сокращать периметр нагревающей поверхности для поддержания постоянной толщины пленки продукта. Оба эти условия соблюдены в конструкции пластин в вакуум-выпарном аппарате, работающем по принципу падающей пленки жидкости (рис. 6.5.6). Это уникальное конструктивное решение позволяет осуществлять выпаривание при низких температурах и при очень небольшом перепаде температур. Время выдержки продукта в вакуум-выпарных аппаратах, работающих по принципу падающей пленки жидкости, по сравнению с другими конструкциями невелико. Сочетание температурного и временного факторов в испарителе определяет степень теплового воздействия на продукт. Применение вакуум-выпарного аппарата, работающего при принципу падающей пленки жидкости с низким температурным контуром, имеет большое преимущество по сравнению с другими технологиями концентрации молочных продуктов, чувствительных к тепловому воздействию. 1 A 3 2 7 B 4 5 C 6 D E Продукт Испарения Хладагент Теплоноситель Рис. 6.5.7 Двухкорпусная секционная вакуум-выпарная установка с термокомпрессором. 1 Термокомпрессор А Первый канал первого корпуса 2 Первый выпарной корпус B Второй канал первого корпуса 3 Второй выпарной корпус C Первый канал второго корпуса 4 Отделитель пара первой ступени D Второй канал второго корпуса 5 Отделитель пара второй ступени E Третий канал второго корпуса 6 Пластинчатый конденсатор 7 Сектор предварительного нагрева Многократное выпаривание Обычно практикуется многокорпусное выпаривание. Теория гласит, что если последовательно соединить два испарителя, то второй сможет работать при более глубоком вакууме (и следовательно, при более низкой температуре), чем первый. Извлеченные из продукта на первом корпусе испарения могут использоваться как теплоноситель во втором корпусе, который функционирует при более глубоком вакууме (и значит, при более низкой температуре). Даже с учетом потерь тепла для выпаривания 1 кг воды из продукта потребуется 0,6 кг пара. 136 Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 С целью повышения экономии пара можно также последовательно соединить несколько испарителей. Но это приводит к удорожанию оборудования и к усложнению его эксплуатации. Это также требует создания более высокой температуры в первом корпусе, причем с ростом числа корпусов увеличивается объем продукта, находящегося в системе. Это усложняет работу с чувствительными к теплу продуктами. Тем не менее в молочной промышленности применяются вакуум-выпарные установки, в которых число корпусов доходит до семи, что позволяет экономить энергию. Термокомпрессия Испарения продукта могут быть сжаты и использованы в качестве теплоносителя, что улучшает тепловой кпд испарителя. Эта работа выполняется термокомпрессором. На рис. 6.5.7 показана двухступенчатая вакуум-выпарная установка для выпаривания молока, оснащенная термокомпрессором. Часть испарений от отделителя пара поступает под высоким давлением (600–1000 кПа) в термокомпрессор. С помощью высокого давления компрессор повышает кинетическую энергию, и пар с большой скоростью инжектируется через сопло. Благодаря этому он смешивается с испарениями продукта и сжимает полученную смесь до высокого давления. Однокорпусной испаритель с термокомпрессором так же экономичен, как и двухступенчатый без термокомпрессора. Использование термокомпрессии в многокорпусных установках обеспечивает оптимальный тепловой кпд. Молоко из уравнительного бака нагнетается в пастеризатор, где оно подвергается пастеризации, а температура подводится к уровню, при котором жидкость в первом корпусе закипает. Далее молоко поступает в первый корпус (2) вакуум-выпарной установки, где оно закипает в вакууме при температуре 60°С. По мере прохождения молока в виде тонкой пленки по двум пластинчатым каналам вода из него выпаривается, а молоко сгущается. В отделителе пара (4) концентрат отделяется от пара и перекачивается во второй корпус (3). В этом корпусе более глубокий вакуум, а соответствующая ему температура кипения равна 50°С. После очередного цикла выпаривания во втором корпусе концентрат отделяется от испарений в отделителе пара (5) и откачивается из системы через сектор предварительного нагрева (7). Инжекция пара высокого давления в термокомпрессоре (1) повышает давление испарений, полученных из продукта во втором корпусе. Смесь этих двух паров используется затем в первом корпусе (2) в качестве теплоносителя. Испарительная способность Двухкорпусной вакуум-выпарной установке с падающей пленкой жидкости с термокомпрессором нужно 0,25 кг пара, чтобы выпарить 1 кг воды, а пятикорпусной – около 0,20 кг. Без термокомпрессора им бы понадобилось соответственно 0,60 и 0,40 кг. Необходимость снижать энергозатраты привела к строительству установок, состоящих из шести и более корпусов. Максимальная температура кипения продукта в этих установках обычно составляет 70°С в первом корпусе и 40°С – в последнем. При перепаде температур от 70°С до 40°С для определения размеров установки остается разность 30°С. То есть чем больше будет в ней корпусов, тем меньше будет разница в температурах для каждого корпуса. Разность температур также теряется вследствие перепадов давления и повышения температуры кипения. Сочетание этих факторов приводит к тому, что разность температур в многокорпусной установке составляет от 5°С до 15°С. Это означает необходимость более обширных нагревающих поверхностей и более крупных капиталовложений. Большие нагревающие поверхности предъявляют повышенные требования к оборудованию, которое должно равномерно распределять по ним жидкость. Увеличенная протяженность теплопередающих поверхностей вносит еще один негативный фактор, а именно: продукту требуется больше времени для прохождения по теплопередающей поверхности, а значит, время его выдержки в вакуум-выпарном аппарате увеличивается. В семикорпусном испарителе с термокомпрессором можно выпарить 12 кг воды с помощью 1 кг пара. Это означает, что удельный расход пара равен 0,08. Степень концентрации, до которой можно доводить продукты, зависит от их свойств, а именно вязкости и термоустойчивости. Максимальная степень концентрации цельного и обезжиренного молока обычно доходит до 48% и 52% соответственно. Если необходимо получить концентраты с более высоким содержанием сухих веществ, вакуум-выпарная установка должна иметь заключительный корпус (сгуститель). Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 Пятикорпусной вакуумвыпарной установке с термокомпрессором для выпаривания 1 кг воды обычно требуется около 0,20 кг пара. 137 Механическое сжатие паров В отличие от термокомпрессора, система для механического сжатия испарений (система отсасывания) выводит испарения из вакуум-выпарного аппарата, сжимает их и возвращает обратно в вакуум-выпарной аппарат. Увеличение давления в этой системе происходит за счет механической энергии, подаваемой на компрессор. Передача тепловой энергии на вакуум-выпарной аппарат не осуществляется (за исключением пара, используемого для пастеризации в первом корпусе). Процесс происходит без образования избытка пара, который необходимо конденсировать. При использовании системы отсасывания осуществляется циркуляция всего пара в установке, что позволяет достичь высокой степени регенерации тепла. На рис. 6.5.8 представлена трехкорпусная вакуум-выпарная установка с системой отсасывания. Сжатые испарения из компрессора (3) возвращаются в первый корпус (4) для обогрева продукта. Испарения, выделяющиеся в первом корпусе, используются для повышения температуры продукта во втором корпусе, из второго – для подогрева в третьем и т.д. Компрессор повышает давление пара с 20 до 32 кПа, увеличивая таким образом температуру конденсации с 60 до 71°С. Температура конденсации 70°С не является достаточной для пастеризации продукта в первом корпусе. Поэтому перед первым корпусом устанавливается термокомпрессор для повышения температуры до необходимого уровня. Испарения продолжают медленно конденсироваться после их отделения в третьем корпусе и удаляется излишек пара, образующийся после его инжекции. Конденсатор поддерживает тепловой баланс в вакуум-выпарном аппарате. Применение системы отсасывания позволяет выпаривать 100–125 кг воды при затрачивании только 1 кВт энергии. Эксплуатационные расходы трехкорпусной вакуум-выпарной установки с системой отсасывания вдвое меньше, чем при использовании вакуум-выпарной установки, состоящей из семи корпусов и оснащенной термокомпрессором. Механическое сжатие в высокоскоростных вентиляторах осуществляется другим образом. Они применяются в тех же случаях, что и системы теплового сжатия испарений, или тогда, когда необходимо повысить температуру только на несколько градусов. Инжекция конденсата 4 6 5 3 1 7 7 2 9 8 Концентрированный продукт Продукт Испарения Конденсат Теплоноситель Исходный продукт Рис. 6.5.8 Трехкорпусная вакуум-выпарная установка, оснащенная устройством для механического сжатия паров. 1 Термокомпрессор 2 Вакуумный насос 3 Механический паровой компрессор 4 1-й корпус 5 2-й корпус 138 6 3-й корпус 7 Пароотделители 8 Теплообменник для подогрева продукта 9 Пластинчатый конденсатор Технология производства молочных продуктов/глава 6.5 Деаэраторы Воздух и газы, содержащиеся в молоке В молоке всегда содержится большее или меньшее количество воздуха и газов. Объем воздуха в молоке, находящемся в коровьем вымени, зависит от содержания воздуха в крови животного. Содержание кислорода (О2) невелико, поскольку этот газ химически связан гемоглобином, в то время как процент двуокиси углерода (СО2) сравнительно высок, потому что кровь переносит ее в большом количестве от клеток к легким. Общее содержание воздуха в молоке, находящемся в вымени, может составлять 4,5–6%, из которых на долю кислорода приходится около 0,1%, азота – около 1% и двуокиси углерода – 3,5–4,9%. Во время доения молоко контактирует с воздухом, подвергается его воздействию. Атмосферный кислород в нем растворяется, в то время как двуокись углерода улетучивается. Часть воздуха, попавшего в молоко, не растворяется в нем, а сохраняется в виде мелкой дисперсии, в дальнейшем присоединяясь к жиру. После доения и сбора во флягу или охлаждаемый танк молоко может содержать 5,5–7,0% воздуха, что составляет в среднем 6% объема. См. таблицу 6.6.1. Воздух может находиться в молоке в трех состояниях: диспергированном, растворенном и химически связанном. Соотношение этих форм изменяется под воздействием температуры и давления. Например, при повышении температуры в процессе пастеризации растворенный воздух переходит в диспергированное состояние и может стать причиной некоторых проблем во время переработки молока. Таблица 6.6.1 6.6 Рис. 6.6.1 Молоко, находящееся в вымени, содержит 4,5–6% газов. Содержание газов (об. %) в сборном сыром молоке, приготовленном для потребительского рынка Минимум Максимум В среднем Кислород Азот Двуокись углерода Всего 0,30 0,59 0,47 1,18 1,63 1,29 3,44 6,28 4,45 4,92 8,50 6,21 Воздух присутствует в молоке в трех состояниях: 1 В диспергированном 2 В растворенном 3 Химически связанном Дальнейшее подмешивание воздуха В основном воздух попадает в молоко на ферме, во время транспортирования и его приемки на молочном заводе. Поэтому ничего странного нет в том, что поступающее молоко содержит в своем объеме до 10% воздуха или даже больше. На этом этапе преобладает воздух в виде тонкой и грубой дисперсии. Диспергированный воздух может являться причиной следующих проблем: • Неточности в измерении объема молока • Пригорания к нагревающим поверхностям пастеризатора • Уменьшения степени обезжиривания • Снижения точности автоматической нормализации в процессе обработки • Концентрирования воздуха в сливках, что приводит к – неточной нормализации по жирности – пригоранию сливок на поверхностях теплообменных аппаратов – преждевременному сбиванию сливок, приводящему к • потерям при производстве масла • налипанию жира в верхней части упаковки Технология производства молочных продуктов/глава 6.6 Диспергированный воздух вызывает проблемы при переработке молока. 139 5 3 2 4 1 9 • Уменьшения стабильности кисломолочных продуктов (отделения сыворотки). Для того чтобы избежать всех этих неприятных последствий, применяются различные способы деаэрации. Удаление воздуха при сборе молока 6 7 8 Рис. 6.6.2 Задняя часть молоковоза. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Шланг для забора молока Фильтр Насос Деаэратор Измерительное устройство Обратный клапан Блок клапанов Сливное отверстие Сливной шланг Во время сбора молока в молоковозы из фляг или охлаждаемых танков количество молока, поступающего от каждой фермы, измеряется с помощью счетчика при перекачивании молока. Чтобы получить максимально точные данные, непосредственно перед замером молоко пропускается через деаэратор. Поэтому большинство молоковозов оснащены этими устройствами, через которые должно пройти молоко перед измерением его объема, после чего оно попадает в автоцистерну. Одна из таких систем (Wedholms, S) показана на рис. 6.6.2. Насосное хозяйство находится в отсеке, размещенном в задней части молоковоза. Назначение этого оборудования – фильтрование, перекачивание, удаление воздуха и измерение объема молока до его попадания в цистерну. Заборный шланг (1) присоединяется к емкости с молоком. Молоко проходит сквозь фильтр (2) и поступает в деаэратор (4). Позитивный насос (3) является самовсасывающим. Вместе с повышением уровня молока в деаэраторе поднимается и находящийся в нем поплавок. На определенном уровне поплавок закрывает клапан в верхней части сосуда. Давление в сосуде повышается, вследствие чего срабатывает обратный клапан (6). Молоко проходит через счетчик (5) и блок клапанов (7) в баки цистерны. Слив происходит через отверстие (8) с помощью шланга (9). Приемка молока По прибытии на молокозавод молоко снова будет содержать диспергированный воздух, который попал в него из-за тряски по дороге с фермы. Как правило, при перекачивании молока в приемные емкости снова осуществляют измерение 2 1 Рис. 6.6.3 Приемка молока на молокозаводе с использованием деаэратора (1) и счетчика для измерения объема (2). количества молока. И в этом случае для получения точного результата оно должно сначала быть пропущено через деаэратор такого же типа (рис. 6.6.3). Впускное отверстие цилиндрической емкости должно находиться на более низком уровне, чем выпускная труба цистерны, так как молоко будет в нее поступать самотеком, а не нагнетаться насосом. Система может работать в ручном или автоматическом режиме. В обоих случаях эффективность деаэрации во многом зависит от того, каково содержание воздуха и насколько мелко он диспергирован. Мельчайшие воздушные пузырьки не удаляются. Обработка в вакууме Для удаления растворенного воздуха или мелких его пузырьков из молока с успехом применяется метод вакуумной деаэрации. Предварительно нагретое молоко подается в расширительный сосуд (рис. 6.6.4), в котором создается 140 Технология производства молочных продуктов/глава 6.6 Охлаждающая вода вакуум, соответствующий кипению при температуре на 7–8°С ниже температуры предварительного нагрева. Температура молока, поступающего в бак деаэратора при 68°С, немедленно снижается до 60°С. В условиях вакуума происходит кипение продукта, и растворенный воздух выделяется вместе с испарениями. Пар проходит встроенный в сосуд конденсатор, конденсируется и возвращается в молоко, в то время как воздух вместе с газами удаляется из сосуда вакуумным насосом. При производстве йогурта вакуумный сосуд не оснащается конденсатором, поскольку молоко в этом случае обычно слегка конденсируют (на 15–20%). Испарения в этом случае конденсируются отдельно. Вакуум 1 Деаэрация в процессе обработки молока Цельное молоко поступает в пастеризатор, где оно нагревается до 68°С. Затем оно направляется в расширительный сосуд для вакуумной обработки. Для оптимизации процесса молоко поступает в вакуумную камеру по касательной через широкое отверстие, что позволяет ему распределиться тонким слоем по стенке сосуда. Расширение пара, испаряющегося из молока при входе в сосуд, ускоряет движение потока вниз по стенке. По мере движения вниз, к выпускному отверстию, также расположенному в касательной плоскости, скорость потока замедляется. Таким образом, входная и выходная скорости идентичны. Подвергнувшееся деаэрации молоко, температура которого теперь составляет 60°С, сепарируется, нормализуется и гомогенизируется, а затем поступает обратно в пастеризатор для окончательной тепловой обработки. Если сепаратор является частью технологической линии, перед ним должен стоять регулятор потока, который обеспечивает постоянный поток через деаэратор. В этом случае гомогенизатор должен быть снабжен контуром циркуляции (обхода). Если в линии нет сепаратора, постоянный поток через деаэратор будет поддерживать сам гомогенизатор (без контура циркуляции). Молоко Сливки Вакуум Хладагент Теплоноситель 2 3 Рис. 6.6.4 Поток молока и воздуха в вакуумном деаэраторе со встроенным конденсатором. 1 Встроенный конденсатор 2 Отверстие тангенциального входа 3 Выпускная труба с системой контроля уровня 8 1 7 6 5 9 2 4 FC Технология производства молочных продуктов/глава 6.6 3 Рис. 6.6.5 Линия обработки молока с деаэратором. 1 Пастеризатор 2 Деаэратор 3 Регулятор потока 4 Сепаратор 5 Устройство для нормализации молока 6 Гомогенизатор 7 Труба для выдержки 8 Подкачивающий насос 9 Вакуумный насос 141 142 Технология производства молочных продуктов/глава 6.6 6.7 Насосы Требования к насосам Требования к производственным процессам постоянно ужесточаются в отношении как качества продукции, так и рентабельности производства. Раньше допускалось продвижение жидкости по установке самотеком. Сегодня жидкость нагнетается по длинным трубопроводам с большим количеством клапанов, сквозь теплообменники, фильтры и другое оборудование, у которого часто бывают большие перепады давления. Скорость потока часто бывает очень высока. Поэтому на многих участках линии установлены насосы, и имеет все большее значение установка правильного насоса в правильном месте. При этом необходимо решить многие проблемы, которые можно разделить следующим образом: • Установка насоса • Линии всасывания и нагнетания • Тип и размер нужного насоса подбирается с учетом: – скорости потока – продукта, подлежащего перекачиванию – вязкости – плотности – температуры – давления в системе – материала насоса. Типовыми насосами, применяемыми на молокозаводах, являются центробежные, водокольцевые и объемные. Эти три вида насосов имеют разные сферы применения. Особенно широко на молокозаводах применяются центробежные насосы. Центробежный насос, показанный на рис. 6.7.1 и 6.7.2, в основном применяется для работы с маловязкими продуктами, он не используется для сильно газированных продуктов. Водокольцевой насос используется для жидкостей с высоким содержанием воздуха. Объемный насос используют там, где требуется деликатное обращение с продуктом, а также с высоковязкими жидкостями. Рис. 6.7.1 В качестве продуктового насоса на молочных заводах наиболее часто используется центробежный насос. Всасывающая линия До того как начать разговор непосредственно о насосах, важно разобраться в фактах и проблемах, связанных с перекачиванием. Насос должен быть установлен как можно ближе к баку или к другому резервуару, из которого нужно забирать жидкость, а в линии всасывания должно быть как можно 1 2 3 4 5 6 9 8 Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 7 Рис. 6.7.2 Основные детали центробежного насоса. 1 Линия нагнетания 2 Уплотнение 3 Линия всасывания 4 Крыльчатка 5 Корпус насоса 6 Опорная пластина 7 Вал двигателя 8 Двигатель 9 Кожух из нержавеющей стали и звукоизоляция 143 меньше отводов и клапанов. Трубопровод этой линии должен быть большого диаметра, чтобы уменьшить риск кавитации. Линия подачи В линию подачи должен быть включен дроссельный клапан любого типа, и по возможности вместе с обратным клапаном. Дроссельный клапан нужен для регулирования скорости потока, подаваемого насосом. Обратный клапан предохраняет насос от гидроудара и не позволяет жидкости двинуться в обратном направлении при остановке насоса. Обычно обратный клапан устанавливается между насосом и дроссельным клапаном. Кавитация Как избежать кавитации Основные рекомендации: • Малый перепад давлений в линии всасывания (большой диаметр трубы, короткая труба всасывания, малое число клапанов и изгибов) • Высокое давление на входе в насос, которое достигается, например, высоким уровнем жидкости над насосом • Низкая температура жидкости 144 Кавитация обнаруживает себя характерным “стучанием” в насосе. Она возникает, когда давление в каком-то месте опускается ниже парциального давления и в жидкости образуются мелкие пузырьки пара. По мере продвижения жидкости по направлению к крыльчатке давление нарастает и пар очень быстро сгущается. Его пузырьки лопаются с огромной скоростью, при этом локальное давление может достигать 100 000 бар. Это повторяется с большой частотой и может привести к выкрашиванию окружающего материала, особенно если он отличается хрупкостью. Кавитация возникает, когда давление в линии всасывания слишком низко по сравнению с давлением пара в нагнетаемой жидкости. Опасность кавитации увеличивается, когда перекачиваются вязкие или летучие жидкости. В насосах кавитация приводит к снижению напора и падению кпд. По мере нарастания кавитации подача жидкости насосом постепенно прекращается. Кавитации следует избегать. Тем не менее, если условия работы насоса неблагоприятны, но он, несмотря на небольшую кавитацию, исправно работает, допустимо продолжать его эксплуатацию, потому что крыльчатки насосов, используемых на молокозаводах, изготовлены из кислотоустойчивой стали, которая отличается высокой сопротивляемостью износу, причиняемому кавитацией. Крыльчатка может быть немного повреждена только после длительной эксплуатации насоса. Возможность возникновения в насосе кавитации может быть заранее просчитана. См. раздел ПВПВ. Диаграмма рабочих характеристик насоса Карты-диаграммы рабочих характеристик насосов – бесценное подспорье при выборе необходимого варианта для конкретной работы. Чтобы сделать правильный выбор, нужно ознакомиться с тремя графиками: • Графиком расхода и напора (кривая QН) • Потребной мощностью двигателя • Полной высотой принудительного всасывания (ПВПВ). Эти графики построены на основе испытаний, проводимых с использованием воды. Если насос планируется использовать для перекачки жидкостей с другими характеристиками, внесенные в карту данные могут быть пересчитаны с необходимой поправкой. При подборе насоса покупатель обычно знает, какой расход (Q) ему потребуется. В примере, показанном на рис. 6.7.4, расход (Q) составляет 15 м3/ч. Необходимый напор обычно нужно рассчитать. В данном случае примем его за 30 м. Отметьте величину расхода на оси абсцисс Q. От этой точки проведите вертикальную прямую до пересечения с горизонтальной прямой, указывающей на необходимый напор (30 м) на оси ординат H. Эта точка не находится ни на одной из кривых QH, показывающих диаметр крыльчатки. В данном случае следует выбрать ближайший больший размер крыльчатки. То есть 160 мм. В результате получается напор, равный столбу жидкости высотой 31 м. Теперь проведем вертикальную прямую от 15 м3/ч вниз до пересечения с графиком мощности для крыльчатки размером 160 мм. Горизонтальная прямая, проведенная от точки пересечения влево, показывает, что расход энергии равен 2,3 кВт. К этой цифре добавляем страховочный запас в 15% и получаем в итоге примерно 2,6 кВт. Следовательно, можно остановиться на двигателе мощностью 3 кВт. Если насос снабжен двигателем определенного типоразмера, необходимо убедиться, Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 что двигатель не перегружен. Он должен всегда иметь запас производительности на случай перегрузок. Наконец, вертикальную линию от 15 м3/ч проводим до кривой NPSH (ПВПВ) справа на верхней диаграмме. Продолжив горизонтальную прямую вправо, узнаем, что необходимый показатель ПВПВ составляет 1 м. Напор (давление) Выбирая насос, нужно помнить, что напор (H), показанный на диаграмме, – это давление на входе в насос, при котором жидкость поступает в него без высоты всасывания и давления на входе. Для определения реального давления на выходе из насоса необходимо рассмотреть условия в зоне всасывания. Если в этой зоне имеется вакуум, насос должен начать работать до того, как в него начнет поступать жидкость. В этом случае давление на выходе будет ниже указанного на диаграмме рабочих характеристик. С другой стороны, если зона всасывания наполнена жидкостью для обеспечения положительного давления на входе в насос, давление на выходе будет выше указанного на диаграмме рабочих характеристик. Полная высота принудительного всасывания (ПВПВ) Рис. 6.7.3 Карта рабочих характеристик Как уже упоминалось выше, перед установкой насоса важно центробежного насоса. помнить, что линия всасывания должна быть проложена таким образом, чтобы исключить возможность кавитации. График ПВПВ включен в диаграммы расхода (рис. 6.7.3). ПВПВ насоса – это необходимое избыточное давление по сравнению с давлением пара, цель которого – избежать кавитации. На схеме оно обозначено как ПВПВтреб. До того как это значение может быть использовано, необходимо подсчитать ПВПВ, существующее в линии всасывания в обычных условиях. Этот показатель, ПВПВсущ, должен быть равным или выше, чем необходимое ПВПВ, представленное на диаграмме. Для расчета ПВПВсущ в системе используется следующая формула: pa = абсолютное давление на поверхности жидкости, бар pv = абсолютное давление пара, бар dr = относительная плотность hs = статическое всасывание, в метрах столба жидкости hfs = снижение давления в линии всасывания, в метрах столба жидкости pa pv ПВПВсущ = hs – hfs + — x 10 – — x 10 м столба жидкости dr dr Обратите внимание на то, что hs – меньше нуля для высоты всасывания и больше нуля для давления на входе. Уплотнения вала Уплотнение вала часто является самой уязвимой деталью насоса, поскольку находится между вращающейся деталью (крыльчаткой или валом) и неподвижной частью (корпусом насоса). Обычно применяется механическое уплотнение. У вращающегося уплотнительного кольца притертая уплотняющая поверхность, которая вращается относительно неподвижного притертого уплотнительного кольца. Между уплотняющими поверхностями образуется пленка жидкости. Эта пленка смазывает уплотнение и предотвращает непосредственный контакт между уплотнительными кольцами. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 145 3 4 5 6 7 При этом износ сводится до минимума и обеспечивается долгий срок службы уплотнения. Если насос работает вхолостую, жидкая смазывающая пленка разрушается и износ уплотнительных колец резко ускоряется. Механическое уплотнение обычно сбалансировано. Это означает, что оно нечувствительно к давлению, создаваемому насосом. Механические уплотнения, используемые в пищевой промышленности, не нуждаются в регулировке и не приводят к износу вала. Выпускаются два варианта таких уплотнений: одинарное и промываемое. Одинарное механическое уплотнение 1 В большинстве насосов, применяемых в молочной промышленности, установлены одинарные механические уплотнения (рис. 6.7.4). Неподвижное кольцо в таком уплотнении закреплено на опорной стенке корпуса насоса. Вращающееся кольцо может быть установлено внутри или снаружи насоса, а на него надето уплотнительное кольцо. Вращающееся кольцо может двигаться вдоль вала и прижимается к неподвижному кольцу пружиной. Промываемое уплотнение вала 2 Рис. 6.7.4 Одинарное механическое уплотнение вала. 1 Вал 2 Неподвижное кольцо 3 Пружина 4 Уплотнительное кольцо 5 Вращающееся кольцо 6 Опорная плита 7 Крыльчатка Выпуск промывочной жидкости Промываемое уплотнение (рис. 6.7.5) состоит из двух уплотнителей. Между ними циркулирует вода или пар для их охлаждения или очистки а также для создания барьера между продуктом и атмосферой. Этот вид уплотнения рекомендуется для следующих работ: • С паровым барьером для перекачки стерилизованной продукции с целью недопущения повторного бактериального обсеменения • Водяной промывки при перекачивании растворов кристаллизующихся продуктов – например, сахарных сиропов • Водяного охлаждения уплотнения в случаях, когда на валу рядом с уплотнением может образовываться и пригорать осадок по причине сильного нагрева уплотняющих поверхностей. В качестве примера можно привести подкачивающий насос в пастеризаторах • Создания водяного барьера для исключения контакта воздуха и продукта во время перекачивания при очень низком давлении на входе – например, из деаэратора сосуда. Давление парового барьера не должно быть выше атмосферного при 100°С, так как в ином случае пар может стать сухим. Это приведет к высыханию уплотнений и повреждению их поверхностей. Подача пара и воды регулируется на входе перед уплотнением, при этом в выпускной трубе не должно быть препятствий. Эти среды всегда подаются через нижнее соединение. 3 Материал уплотнений вала Обычно используется следующая комбинация материалов: для вращающегося уплотнительного кольца – графит, а для неподвижного – нержавеющая сталь. Еще более удачная комбинация – карбид кремния и графит. Для абразивных жидкостей рекомендуются уплотнения с очень твердыми поверхностями. В таких случаях применяется карбид кремния для обоих колец. Центробежные насосы 1 2 Принцип работы Впуск промывочной жидкости Рис. 6.7.5 Промываемое уплотнение вала. 1 Неподвижное кольцо 2 Вращающееся кольцо 3 Уплотнение кромки 146 Жидкость, поступающая в насос, направляется в центр крыльчатки, и лопасти крыльчатки придают ей круговое движение (см. рис. 6.7.6). Под воздействием центробежной силы и движения крыльчатки жидкость покидает ее под более высоким давлением и с большей скоростью, чем в центре крыльчатки. Скорость частично преобразуется в давление в корпусе насоса перед тем, как жидкость покидает его через выпускной штуцер. Лопасти крыльчатки образуют в насосе каналы. Обычно лопасти изогнуты в обратную сторону, но в маленьких насосах они бывают прямыми. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 Область применения центробежных насосов Центробежные насосы наиболее широко применяются в молочной промышленности, и именно им следует отдавать предпочтение, если они подходят для выполнения планируемой работы. Причина в том, что центробежный насос обычно обходится дешевле и при покупке, и в работе, и в техническом обслуживании. Кроме того, эти насосы легче других адаптируются к различным рабочим режимам. Центробежные насосы могут использоваться для перекачки любых жидкостей с относительно низкой вязкостью, которые не нуждаются в особо бережном обращении. Они могут также работать с жидкостями, в которых содержатся сравнительно крупные частицы, естественно, при условии, что эти частицы не больше размера канала крыльчатки. Недостаток центробежного насоса в том, что он не может перекачивать жидкости с высоким содержанием воздуха: пропадает наполнение, и перекачивание прекращается. В таких случаях для возобновления работы насос приходится останавливать, производить его заливку и снова запускать. Другими словами, центробежный насос не относится к категории самовсасывающих насосов, так что перед началом работы его корпус и линия всасывания должны быть заполнены жидкостью. Поэтому установку такого насоса следует тщательно спланировать. Рис. 6.7.6 Направление потока в центробежном насосе. Регулирование потока Редко удается подобрать такой насос, который бы абсолютно точно соответствовал требуемой производительности. Для получения необходимого значения существует несколько способов регулировки: • Дросселирование – очень гибкий, но неэкономичный метод • Уменьшение диаметра крыльчатки – менее гибкий, но более экономичный • Регулировка скорости – и гибкий, и экономичный. Эти три варианта проиллюстрированы на рис. 6.7.7. Дросселирование Уменьшение диаметра крыльчатки Регулировка скорости H Рис. 6.7.7 Способы регулировки подачи центробежного насоса. Дросселирование Самый простой способ управления потоком – установка дроссельного клапана на выходе из насоса. Это обеспечит точную регулировку давления и расхода, идущего от насоса. Это наиболее подходящий метод, если насос предназначается для работы в режимах изменяющегося давления и расхода. Недостаток этого метода – в его неэкономичности в том случае, если давление и расход постоянны. Дросселирование может выполняться с помощью вмонтированных в трубопровод пластин с отверстиями, ручных или автоматических управляющих клапанов или механического расходомера, который часто врезается в линии обработки молока. Самый экономичный вариант насоса получится, если диаметр его крыльчатки будет уменьшен до значения D1. На диаграммах большинства насосов имеются графики для различных диаметров крыльчаток. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 B H A H1 D D1 O Q1 Q Q Рис. 6.7.8 Уменьшение мощности потока при уменьшении диаметра крыльчатки с D до D1. 147 Уменьшение диаметра крыльчатки Уменьшив заводской диаметр крыльчатки D до D1, можно получить более низкую, по сравнению с максимальной, кривую насоса (см. рис. 6.7.8). Новый диаметр D1 можно приблизительно определить, проведя прямую линию на диаграмме рабочих характеристик насоса от точки O через А к стандартной кривой B крыльчатки D. Зафиксируйте давление H и потребное новое давление H1. Новый диаметр крыльчатки D1 рассчитывается с помощью формулы: D1 = D x H1 H Регулировка скорости Изменение скорости приводит к изменению центробежной силы, созданной крыльчаткой. Давление и производительность также изменяются – возрастают с ростом скорости и снижаются с ее уменьшением. Регулировка скорости – самый эффективный путь управления насосом. Скорость крыльчатки всегда полностью соответствует производительности насоса и, следовательно, соответствует также и расходу энергии, и обработке жидкости. Вместе со стандартными трехфазными двигателями может быть использован преобразователь частоты. Они имеются в вариантах для ручного или автоматического управления потоком и давлением. Насосы на частоту 60 Гц Примечание В диаграммах подачи насосов напор всегда обозначается в метрах столба жидкости, а расход энергии приводится на основе работы с водой, плотность которой равна 1. Это значит, что для перекачки жидкостей большей плотности показатель энергии в графике должен быть умножен на плотность. Большинство центробежных насосов рассчитаны на частоту питающего напряжения 50 Гц, что для двухполюсного двигателя означает 3000 об/мин. Но в некоторых странах источники энергии рассчитаны на частоту 60 Гц, при которой скорость возрастает на 20%, то есть до 3600 об/мин. У изготовителей можно получить характеристики насосов, работающих при 60 Гц. Напор и давление Плотность Напор, измеряемый в метрах столба жидкости, не зависит от плотности перекачиваемой жидкости. Однако плотность имеет большое значение для давления на выходе и для потребляемой энергии. Если в разных случаях и насос, и вязкость обрабатываемой жидкости неизменны, можно сохранять неизменной и высоту столба жидкости (10 метров в нашем примере) независимо от ее плотности. Однако изменение плотности, т.е. массы жидкости, будет приводить к изменению показаний манометра (см. примеры на рис. 6.7.9). A. Перекачивание воды с относительной плотностью 1. Столб жидкости 10 м = Столб воды 10 м = 1 бару. B. Перекачивание сахарного раствора с относительной плотностью 1,2. Столб жидкости 10 м = 12 м. Столб воды = 1,2 бара. С. Перекачивание спирта с относительной плотностью 0,8. Столб жидкости 10 м = 8 м. Столб воды = 0,8 бара. Рис. 6.7.9 Сравнение столба воды и других жидкостей для продуктов с разной плотностью. 148 Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 Давление насоса в метрах водяного столба соответственно получается при умножении давления в метрах столба жидкости на относительную плотность. С более тяжелой жидкостью насос должен выполнять большую работу, чем с более легкой. Расход энергии изменяется пропорционально плотности. Если в примере А расход составляет 1 кВт, то в примере В – 1,2 кВт, а в примере С – только 0,8 кВт. Вязкость Жидкости с более высокой вязкостью создают большее гидравлическое сопротивление, чем менее вязкие жидкости. При перекачивании более вязких жидкостей поток и напор снижаются, а потребность в энергии возрастает из-за возросшего гидравлического сопротивления в крыльчатке и корпусе насоса. Центробежные насосы могут перекачивать жидкости с относительно высокой вязкостью, но не рекомендуются для работы с жидкостями, вязкость которых выше 500 сантипуазов, потому что с превышением этого уровня расход энергии резко возрастает. Рис. 6.7.10 Водокольцевой насос. Водокольцевые насосы Эти насосы, изображенные на рис. 6.7.10 и 6.7.11, работают как самовсасывающие насосы, если их корпус залит жидкостью хотя бы наполовину. Они способны перекачивать жидкости с высоким содержанием газа или воздуха. Насос состоит из крыльчатки с прямыми радиальными лопастями (4), вращающимися в корпусе, впускного и выпускного отверстий и приводного двигателя. От впускного отверстия (1) жидкость поступает на лопасти, которые с ускорением направляют ее в корпус насоса, где она образует “жидкое кольцо”, вращающееся практически с той же скоростью, что и крыльчатка. 2 В стенке корпуса имеется канал. В точке 2 он узкий, но по мере приближения к точке 3 он становится глубже и шире, а затем – снова уменьшается по мере приближения к точке 6. При переносе жидкости лопостями происходит заполнение ею канала, при этом увеличивается пространство для жидкости, проходящей сквозь 1 лопасти. Это приводит к образованию вакуума в центре, в который затягивается дополнительное количество жидкости из линии всасывания. После прохождения точки 3 объем между лопастями уменьшается в связи с уменьшением глубины канала. Это принуждает жидкость к постепенному 3 смещению к центру и повышает давление, и жидкость выводится через отверстие 7 к выходу из насоса 5. Воздух, попавший в линию всасывания, будет перекачан таким же путем, как и жидкость. Применение Водокольцевые насосы находят себе применение в молочной промышленности в тех случаях, когда продукт содержит большой процент воздуха или газа и когда вследствие этого применение центробежных насосов невозможно. Просвет между крыльчаткой и стенками корпуса у центробежного насоса слишком маленький, поэтому он не пригоден для работы с абразивными жидкостями. Типовое применение водокольцевого насоса – возвратный насос системы безразборной мойки (СБМ) для перекачки моющего раствора из промытой емкости, поскольку такой раствор содержит, как правило, большое количество воздуха. 5 4 6 7 Рис. 6.7.11 Принцип действия водокольцевого самовсасывающего насоса типа “жидкое кольцо” с автоматической заливкой. 1 Линия всасывания 2 Мелкая часть канала 3 Глубокая часть канала 4 Радиальные лопасти 5 Выпускное отверстие 6 Мелкая часть канала 7 Линия нагнетания Объемные насосы Принцип действия Эти насосы работают по принципу объемного вытеснения. Они делятся на две основные группы: вращательные насосы и насосы возвратно-поступательного движения. В каждую группу входит несколько различных типов. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 149 В основе работы объемного насоса лежит то, что каждый оборот или каждое возвратно-поступательное действие резко увеличивает давление. В этой связи важно, чтобы: 1 Ни один клапан после насоса не был закрытым 2 Насос был оснащен предохранительным клапаном – либо непосредственно встроенным в насос, либо работающим в качестве перепускного клапана. Управление потоком Рис. 6.7.12 Насос поступательного действия лопастно-роторного типа с приводом от двигателя, смонтированного на раме. Управление подачей объемного насоса обычно осуществляется посредством регулирования скорости. Это также можно делать, изменяя ход поршня насоса возвратно-поступательного действия. Диаметр и длина труб Когда речь идет о перекачивании продуктов с высокой вязкостью, большое внимание следует уделять определению размеров трубопроводов. В таких случаях насос необходимо устанавливать в непосредственной близости к источнику перекачиваемой жидкости, а диаметр трубы должен быть большим. В ином случае будут происходить настолько значительные падения давления, что в насосе будет возникать кавитация. То же самое относится и к выпускной части насоса и нагнетающему трубопроводу. Давление станет чрезмерно высоким, если трубы будут слишком узкими и длинными. Лопастно-роторные насосы Лопастно-роторный насос (рис. 6.7.12) обычно имеет два ротора, каждый из которых оснащен двумя-тремя лопастями. На входе в насос при вращении лопастей создается вакуум, который затягивает жидкость в насос. Далее жидкость движется к выходу из насоса по периферии его корпуса. У выхода объем сужается, и жидкость выталкивается наружу. Этот процесс показан на рис. 6.7.13. Роторы приводятся независимо друг от друга механизмом распределения, находящимся в задней части насоса. Роторы не соприкасаются ни друг с другом, ни с корпусом насоса, но зазоры между всеми деталями насоса очень малы. Область применения Данный насос имеет стопроцентный коэффициент наполнения, когда вязкость перекачиваемой жидкости превышает 300 сП. Этот насос является гигиеническим и бережно обрабатывает продукт, что позволяет его широко использовать для перекачивания сливок с высоким содержанием жира, кисломолочных продуктов, творожно-сывороточных смесей и др. Рис. 6.7.13 Принцип действия лопастно-роторного насоса. Рис. 6.7.14 Эксцентрико-винтовой насос. Эксцентриковинтовые насосы Эти насосы имеют улучшенные уплотнения по сравнению с лопастно-роторными насосами и используются для перекачивания жидкостей с малой вязкостью. Они не отличаются такой же высокой степенью гигиеничности, как лопастно-роторные, но зато 150 Рис. 6.7.15 Поршневой насос с регулируемым ходом поршня. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 бережно обращаются с перекачиваемой продукцией. Область применения – та же, что и у лопастно-роторных. Эксцентрико-винтовые насосы (рис. 6.7.14) не должны работать вхолостую даже несколько секунд, так как в этом случае они неизбежно выйдут из строя. Поршневые насосы Основная деталь поршневого насоса – поршень, совершающий возвратнопоступательные движения в цилиндре (рис. 6.7.15). Впускной и выпускной клапаны регулируют поток чтобы он двигался в нужном направлении. Поршневые насосы на молокозаводах в основном используются в качестве дозирующих насосов. Гомогенизатор также по существу представляет собой разновидность поршневого насоса. Диафрагменные насосы Воздушные насосы диафрагменного типа, один из которых показан на рис. 6.7.16, предназначены для бережного перекачивания продукции. Давление на их выходе пульсирующее, причем с изменением напора продукта на входе изменяется пропускная способность насоса, в то время как давление воздуха остается неизменным. Поэтому эти насосы больше используются для транспортировки продукции и гораздо реже – в технологических процессах. Диафрагменные насосы с механическим приводом часто используются в качестве дозирующих. Принцип действия Диафрагменные насосы – это объемные насосы двукратного действия с двумя камерами. Сжатый воздух, необходимый для привода насоса, проходя через регулировочный клапан, поочередно надавливает сзади на каждую диафрагму. Таким образом, продукт поочередно выталкивается из камер насоса. У диафрагмы имеется дополнительная функция – отделение перекачиваемого продукта от сжатого воздуха. Поскольку и у сжатого воздуха, и в насосных камерах во время каждого хода поршня преобладает одинаковое давление, сами диафрагмы не испытывают на себе никаких воздействий перепадов давления. И в этом одна из причин долговечности диафрагм. Сокращением диафрагмы создается вакуум, и перекачиваемый продукт засасывается в камеру. Одновременно сокращается объем другой камеры, и продукт выводится через выпускной обратный клапан. Обе диафрагмы соединены общим штоком, и поэтому всегда, когда в одной из камер происходит всасывание, из другой продукт выталкивается. Во время каждого цикла сжатый воздух выполняет две роли: опорожнение насоса и заполнение его очередной порцией перекачиваемого продукта. 4 3 2 1 Рис. 6.7.16 Диафрагменный насос. 1 Открытый шариковый клапан во время впуска 2 Втягивающая диафрагма 3 Нагнетающая диафрагма 4 Закрытый шариковый клапан Рис. 6.7.17 Рабочий цикл шлангового насоса. Шланговые насосы Эта разновидность насосов (см. рис. 6.7.17) может использоваться для перекачивания и сравнительно точного дозирования продуктов. В заполненном смазкой корпусе насоса вращается ротор, который сдавливает шланг роликами. Отделы всасывания и опорожнения наглухо закрыты друг от друга. Во время вращения жидкая или газообразная среда, находящаяся внутри шланга, перекачивается в нижний выпускной штуцер. Это создает вакуум на входе, и продукт засасывается в насос. Этот насос относится к типу самовсасывающих насосов и поэтому пригоден для забора соковых концентратов и обезвоженного молочного жира из бочек. Объем между роликами равен половине объема, перекачанного за полный оборот. Это количество во время вращения постоянно направляется к выпускному штуцеру, и в то же время аналогичная порция поступает в насос через впускной штуцер. Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 151 152 Технология производства молочных продуктов/глава 6.7 Трубы, клапаны и арматура 6.8 Трубопроводная сеть Продукт перемещается между агрегатами установки по трубопроводной сети. На молокозаводе также имеются проводящие системы и для других сред – воды, пара, моющих растворов, хладагента и сжатого воздуха. Обязательно также присутствие системы удаления сточных вод. Все эти системы в принципиальном плане друг от друга не отличаются. Разница лишь в материалах, из которых они изготовлены, в конструкции деталей и в размерах труб. Все контактирующие с продуктом детали изготовлены из нержавеющей стали. В других системах использованы различные материалы – например, чугун, сталь, медь, алюминий. Для изготовления водопроводных и воздуховодных линий применяются также пластики, а для дренажных и сточных трубопроводов – керамика. В данном разделе речь пойдет только о продуктовых трубопроводах и его деталях. О трубопроводах вспомогательного назначения рассказывается в разделе, посвященном подсобному оборудованию. В систему трубопровода для продукта входят следующие виды арматуры: • Прямые трубы, колена, тройники, переходники и муфты • Специальная арматура – смотровые стекла, приборные колена и т.д. • Клапаны для остановки и изменения направления потока • Клапаны управления давлением и расходом • Кронштейны для труб. Согласно требованиям гигиены, все детали, соприкасающиеся с продуктом, изготавливаются из нержавеющей стали. Используются две основные марки: AISI 304 и AISI 316. Последняя часто называется кислотоупорной сталью. Им соответствуют (хотя и не полностью) следующие марки шведской стали: США Швеция AISI 304 SIS 2333 AISI 316 SIS 2343 1 AISI 316L SIS 2359 2 3 Соединения Неразъемные соединения свариваются (рис. 6.8.1). Там, где требуется расстыковка, соединение обычно выполняется в виде резьбового штуцера, на который надевается прокладочное кольцо и навинчивается контргайка, или в виде штуцера с прокладочным кольцом и хомутом (рис. 6.8.2). Наличие штуцера позволяет производить расстыковку, не потревожив другие детали трубопровода. Поэтому данный вид арматуры используется для соединения элементов технологического оборудования, приборов и проч., что рано или поздно приходится снимать для очистки, ремонта или замены. У разных стран – разные стандарты на штуцеры. В числе этих стандартов – SMS (Шведский стандарт на молочное оборудование), который также признан на международном уровне, DIN (Германия), BS (Англия), IDF/ISO* и ISO Clamps (широко применяемый в США). Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 Рис. 6.8.1 Некоторые виды арматуры, которые ввариваются в трубопроводы. 1 Тройники 2 Переходники 3 Колена * IDF (International Dairy Federation) – Международная федерация молочных производств ISO (International Standardization Organization) – Международная организация по стандартизации 153 Гайка Штуцер Промежуточное кольцо Прокладка SMC BS DIN IDF/ISO Хомут Рис. 6.8.2 Образцы штуцеров, соответствующих различным стандартам. Выпускаются колена, тройники и подобная им арматура, допускающая установку с помощью сварки и имеющая места под сварку. В последнем случае арматура может быть заказана с гайкой или внутренней частью соединения, или со стяжным соединителем. Вся арматура должна быть надежно уплотнена, чтобы исключить утечки жидкости из системы или засасывания в нее воздуха, что приведет к возникновению проблем в осуществлении технологического процесса ниже по потоку. Специальная арматура Рис. 6.8.3. Пробоотборник. Смотровые стекла монтируются в линию в тех местах, где необходима визуальная проверка наличия продукта. Колена со штуцерами под приборы используются для установки термометров и манометров. Датчик должен быть установлен навстречу потоку, чтобы обеспечить максимально точные показания. Специальные утолщения предназначены для врезки вентилей для отбора проб. Приборные штуцеры могут быть также снабжены специальными бобышками для приваривания непосредственно к трубе во время монтажа. Пробоотборник Такие приспособления должны быть установлены в стратегических точках технологической линии для отбора образцов продукции на анализ. Для проведения контроля качества, например, для определения жирности молока или уровня кислотности (pH) в кисломолочных продуктах образцы можно отбирать с помощью пробоотборника, показанного на рис. 6.8.3. При определении санитарного состояния производственной линии практикуемый способ отбора проб должен полностью исключить риск внесения в трубу какого-либо загрязнения из внешней среды. С этой целью используется заборная пробка (см. рис. 6.8.4). На дне этой пробки имеется резиновая заглушка. Сначала извлекается пробка, и все ее детали, которые могли бы внести в образец какое-либо загрязнение, тщательно дезинфицируются (обычно с помощью тампона, смоченного в растворе, содержащем хлор, непосредственно перед отбором образца). После этого в продукт сквозь резиновую заглушку вводится игла медицинского шприца и с ее помощью отбирается образец. Образцы асептических продуктов (прошедших термообработку при столь высоких температурах, что они стали практически стерильными) всегда отбираются через асептический заборный клапан для предотвращения повторной инфекции. Клапаны Рис. 6.8.4 Пробка для отбора пробы на микробиологический анализ. 154 Системы клапанов В трубопроводной сети существует много стыков, через которые продукт перетекает из одной линии в другую, но которые иногда должны перекрываться с тем, чтобы два потока различных жидкостей могли перемещаться по этим двум линиям, не смешиваясь друг с другом. Когда линии изолированы друг от друга, любая утечка должна идти на слив, при этом следует исключить любую возможность попадания одной жидкости в другую. Это общая проблема, возникающая при проектировании молочных предприятий. Молочные продукты и моющие растворы подаются по разным трубопроводам и не должны соприкасаться. На рис. 6.8.5 показаны четыре возможных решения этой задачи. Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 B C A D 3 1 4 2 Рис. 6.8.5 Системы противосмесительных клапанов, используемые в пищевой промышленности. 1 Поворотное колено для ручного переключения потока на другой канал 2 Ту же функцию могут выполнить три отсечных клапана 3 Один отсечной и один переключающий клапаны могут выполнить ту же работу 4 Одного противосмесительного клапана достаточно для запирания и переключения потока Отсечные и переключающие клапаны В трубопроводной сети есть участки, где возникает необходимость в приостановлении потока или направлении его в другую линию. Эти функции выполняются клапанами. Для этой работы применяются отдельные клапаны, имеющие ручное или автоматическое управление, или шиберные заслонки. Седельные клапаны На корпусе клапана имеется седло для закрывающего затвора на конце штока. Шток, который приводится коленчатым рычагом или пневматическим механизмом, поднимает затвор с седла и опускает его обратно (см. рис. 6.8.6). Седельный клапан с седлом выпускается также в переключающем исполнении. У такого клапана от трех до пяти отверстий. При опущенном затворе жидкость течет от впускного отверстия 2 к выпускному 1, а когда затвор поднят к верхнему седлу, поток направляется через выпускное отверстие 3, как это показано на рис. 6.8.7. У этой разновидности клапана может быть до пяти отверстий. Их количество определяется технологическими требованиями. Существует целый ряд вариантов приводов с дистанционным управлением. Например, клапан может быть открыт с помощью сжатого воздуха, а закрыт пружиной, или наоборот. Он также может и открываться, и закрываться сжатым воздухом (см. рис. 6.8.8). Рис. 6.8.6 Ручной отсечной клапан с седлом и пневматический клапан переключения с седлом. Исполнительные механизмы отсечного и переключающего клапанов взаимозаменяемы. 1 2 3 Рис. 6.8.7 Отсечной и переключающий клапаны с различным положением сердечника и соответствующие обозначения на технологической карте. Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 155 Выпускаются также приводы для промежуточного положения затвора и для двухступенчатого открытия и закрытия. Устройство управления клапаном (рис. 6.8.9) часто устанавливается в виде блока на привод клапана. В этот блок входят датчики положения клапана, направляющие информацию в главную систему управления. В воздухопровод к приводу клапана или в блок управления встраивается соленоидный клапан. Электрический сигнал приводит в действие соленоидный клапан и позволяет сжатому воздуху поступить в привод. Это вызывает открытие или закрытие клапана в соответствии с требованиями. При подаче сжатый воздух проходит сквозь фильтр, освобождаясь от масла и других загрязнений, которые могут помешать исправной работе клапана. Когда выключается соленоидный клапан, подача воздуха прекращается, при этом воздух удаляется из клапана на продуктовой трубе, через выпускное отверстие в соленоидном клапане. 1 2 Рис. 6.8.8 Примеры пневматических приводов. 1 Клапан открывается пружиной, а закрывается сжатым воздухом 2 Клапан закрывается пружиной, а открывается сжатым воздухом Шиберные заслонки Шиберная заслонка (на рис. 6.8.10) – отсечной клапан. Для работы в режиме переключения нужно использовать два клапана. Шиберные заслонки часто используются при работе с продуктами, восприимчивыми к механическим воздействиям,– йогуртом и другими кисломолочными продуктами, так как гидравлическое сопротивление клапана мало, и, следовательно, перепад давлений на клапане и турбулентность незначительны. Такие клапаны очень хороши для работы с продуктами, обладающими высокой вязкостью, и, являясь проходной арматурой, они могут быть установлены на прямых участках трубы. Клапан этого типа обычно состоит из двух идентичных створок, между которыми установлено уплотнительное кольцо. В центре клапана находится обтекаемый диск. Обычно он опирается на втулки, чтобы не позволить штоку задевать корпус клапана. Когда диск находится в открытом положении, клапан оказывает потоку очень маленькое сопротивление. В закрытом положении диск уплотняется резиновым кольцом. Клапан с ручным управлением ® SattTop EU Шиберная заслонка снабжена рукояткой обычно на два положения: открытое и закрытое. Клапан этого типа по существу не подходит для работы в качестве регулировочного клапана, но может применяться для грубого управления с помощью специальной ручки для бесступенчатого регулирования потока. Автоматическое управление Рис. 6.8.9 Индикатор положения затвора клапана установлен на приводе. Рис. 6.8.11 Принцип действия воздушного привода шиберной заслонки. 156 Для автоматического управления шиберной заслонкой применяется воздушный привод (рис. 6.8.11). Возможны следующие режимы работы: • Закрытие пружиной/открытие воздухом (в нейтральном положении клапан закрыт) • Открытие пружиной/закрытие воздухом (в нейтральном положении клапан открыт) • Открытие и закрытие воздухом. Диск легко поворачивается до соприкосновения с уплотнительным кольцом. Далее требуется большее усилие, чтобы поджать резину. Обычный привод пружинного типа производит максимальное усилие в начале хода, когда необходимо минимальное приложение силы, Рис. 6.8.10 Шиберная заслонка с ручным управлением в открытом (слева) и закрытом (справа) положении. Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 а в конце хода, когда усилие должно быть больше, он как раз ослабевает. Поэтому предпочтительнее использовать приводы, которые обеспечивают необходимое усилие в каждый момент работы. Другая разновидность шиберной заслонки – клапан фланцевого типа (см. рис. 6.8.12). По сути он аналогичен уже описанному типу шиберной заслонки, а отличается тем, что он закреплен между двумя фланцами, приваренными к трубопроводу. Функционирует он так же, как обычная шиберная заслонка. Во время работы он привинчен к фланцам. При техобслуживании винты ослабляют, и клапан без труда извлекается для проведения работ. Противосмесительные клапаны Клапаны этого типа (рис. 6.8.13) могут быть с одним или двумя седлами, но здесь мы будем говорить о варианте с двумя седлами (рис. 6.8.13) как более характерном для этой разновидности клапанов. Двухседельный клапан имеет два независимых седла с дренажной камерой между ними. Эта камера должна сообщаться с атмосферой для обеспечения полной гарантии от смешивания потоков – в случае нарушения герметичности одного из седел. Когда двухседельный клапан получает команду на срабатывание, камера между его верхним и нижним корпусами закрыта, затем клапан открывается, соединяя верхний и нижний трубопроводы. При закрытии клапана сначала верхний затвор клапана отсекает подачу жидкости из верхнего трубопровода, а затем дренажная камера сообщается с атмосферой. Это не приводит к сколько-нибудь значительным потерям продукта во время работы. Важно, чтобы во избежание открытия клапана и последующего смешивания жидкостей в результате гидроудара – нижний затвор был гидравлически уравновешен. Во время мойки открывается один из затворов клапана или внешняя линия безразборной мойки подсоединяется к дренажной камере. Некоторые клапаны могут присоединяться к внешнему источнику для мойки тех частей затвора, которые были в контакте с продуктом. Односедельный несмешивающий клапан имеет одно или два седла, но для одного и того же затвора. Пространство между двумя сердечниками сообщается с атмосферой. До начала срабатывания данного клапана эта дренажная камера закрыта маленькими запорными клапанами. Когда возникает необходимость промывки, внешняя линия безразборной мойки подсоединяется к дренажной камере через указанные клапаны. 1 2 3 Рис. 6.8.12 Шиберная заслонка фланцевого типа с пневмоприводом удобна в обслуживании. 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 6.8.14 Три типа несмешивающих клапанов. 1 Двухседельный клапан с мойкой подвижного седла 2 Двухседельный клапан с внешней мойкой 3 Односедельный клапан с внешней мойкой Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 Рис. 6.8.13 Двухседельный клапан с затвором с уравновешенным затвором и встроенным подвижным седлом. 1 Привод 2 Верхний канал 3 Верхний затвор 4 Дренажная камера 5 Полая ось, соединяющая с атмосферой 6 Нижний канал 7 Нижний затвор с балансиром 157 Обратные связи и управление клапанами Индикация положения На клапане могут быть установлены различные типы приборов, показывающих его положение (см. рис. 6.8.15), в зависимости от системы управления всем комплексом. Сюда входят микровыключатели, индуктивные бесконтактные выключатели, датчики Холла. Эти выключатели посылают ответные сигналы в систему управления. Когда на клапанах установлены только выключатели, необходимо для каждого клапана иметь соответствующий ему соленоидный клапан в настенном шкафу соленоидных клапанов. При получении сигнала соленоидный клапан направляет сжатый воздух на клапан, установленный на трубопроводе, а когда сигнал прерывается, соленоидный клапан прекращает подачу воздуха. В такой системе (1) к каждому клапану подведен индивидуальный электрический кабель и собственный воздушный шланг. Комбинированный блок (2) обычно монтируется на приводе клапана. В него входят те же датчики положения, что и вышеупомянутые, а соленоидный клапан установлен вместе с датчиками. Это означает, что один воздушный шланг может снабжать воздухом несколько клапанов, но каждый клапан по-прежнему нуждается в отдельном кабеле. 1 2 Полный контроль Он осуществляется с помощью блока датчиков положения, показанного на рис. 6.8.9, который специально создан для компьютерного управления. В этот блок входят индикатор положения, соленоидный клапан и электронное устройство, которое способно управлять работой до 120 клапанов с помощью только одного кабеля и одного воздушного шланга (п. 3 на рис. 6.8.15). Этот блок может централизованно программироваться, причем стоимость его установки невысока. Некоторые системы могут, кроме того, не получая внешних сигналов, открывать клапаны для промывки седел. Они также могут подсчитывать количество срабатываний клапана. Эта информация может быть использована при планировании сервисных работ. 3 Рис. 6.8.15 Системы индикации положения клапана. 1 Только датчики 2 Комбинированный блок на приводе клапана 3 Система индикации и управления Обратные клапаны Обратный клапан (рис. 6.8.17) устанавливается в линию, в случае необходимости обеспечения движения потока только в одном направлении. Клапан открыт, когда поток движется в правильном направлении. Если поток останавливается, затвор клапана прижимается к своему седлу пружиной. Клапан закрывается и предотвращает движение потока в обратном направлении. Регулирующие клапаны Направление потока У отсечных и переключающих клапанов все просто – они или открыты, или закрыты. У регулирующего клапана диаметр отверстия может изменяться постепенно. Такой клапан предназначен для точного управления потоком и давления в различных точках системы. Рис. 6.8.16 Обратный клапан. 158 Направление потока Направление потока Рис. 6.8.17 Редукционный клапан. Рис. 6.8.18 Клапан с ручной регулировкой расхода. Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 Редукционный клапан (на рис. 6.8.17) поддерживает в системе необходимое давление. Если оно снижается, пружина прижимает клапан к седлу. Как только давление повышается до определенного уровня, давление на затвор клапана пересиливает пружину, и клапан открывается. Регулировкой натяжения пружины можно добиться открывания клапана при определенном гидравлическом давлении. Ручной регулирующий клапан (рис. 6.8.18) имеет шток с затвором особой формы. При повороте регулировочной ручки затвор смещается вверх или вниз, уменьшая или увеличивая проход и, следовательно, скорость потока или давление. На клапане нанесена шкала с делениями. Пневматический регулирующий клапан (рис. 6.8.19) функционирует аналогично описанному выше. Конструкция узла клапан-седло также аналогична ручному клапану. По мере опускания затвора в направлении седла канал для прохождения потока постепенно сужается. Клапан этого типа предназначен для автоматической регулировки давления, потока и уровня во время технологического процесса. В производственную линию вмонтирован датчик, непрерывно сообщающий значения измеряемого параметра управляющему устройству, которое вносит необходимые коррективы в положение затвора, чтобы поддерживалось заданное значение. Клапан постоянного давления – один из наиболее часто используемых (рис. 6.8.20). Сжатый воздух подается через редукционный клапан в пространство над диафрагмой. Давление воздуха изменяется редукционным клапаном до тех пор, пока манометр давления продукта не покажет необходимое значение. После этого заданное давление продукта поддерживается постоянным независимо от изменения рабочих условий. Принцип действия клапана постоянного давления показан на рис. 6.8.21. Клапан мгновенно реагирует на изменение давления продукта. Пониженное давление продукта приводит к повышению усилия на диафрагму со стороны давления воздуха, которое остается постоянным. Затем затвор клапана перемещается вниз вместе с диафрагмой, расход ограничивается, а давление продукта повышается 1 до заданного уровня. Возросшее давление продукта приводит к тому, что оказываемое им воздействие на диафрагму превосходит давление сжатого воздуха сверху. В этом случае затвор отжимается вверх, увеличивая диаметр канала, по которому проходит продукт. Расход будет нарастать, пока давление продукта не снизится до заданного уровня. Этот клапан выпускается в двух вариантах – для поддержания постоянного давления перед клапаном или после него. Клапаном невозможно регулировать давление 2 продукта, если имеющееся давление воздуха ниже необходимого давления продукта. В таких случаях над клапаном может быть установлен подкачивающий насос, и тогда клапан может работать при давлениях продукта, вдвое превышающих действующее давление сжатого воздуха. 3 Рис. 6.8.21 Принцип действия клапана постоянного давления при регулировании давления перед клапаном. 1 Равновесие между воздухом и продуктом 2 Давление продукта снижается, клапан закрывается, и давление продукта снова вырастет, поднимаясь до заданного уровня 3 Давление продукта нарастает, клапан открывается, и давление продукта опускается до заданного уровня Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 Рис. 6.8.19 Клапан с пневматической регулировкой расхода. Рис. 6.8.20 Клапан постоянного давления. Рис. 6.8.22 Клапан постоянного давления с подкачивающим насосом для регулирования давления продукта, которое превышает действующее давление сжатого воздуха. 159 Клапаны, обеспечивающие постоянное давление перед входом, часто устанавливают после сепараторов и пастеризаторов. А те, что поддерживают постоянное давление на выходе, применяются в линиях перед упаковочными машинами. Клапанные системы Между потоками продукта и моющих растворов, так же как и между потоками разных продуктов, всегда должно быть открытое дренажное отверстие. Чтобы уменьшить до минимума число тупиковых выходов и получить возможность распределять продукт между различными участками молочного завода, клапаны группируются в блоки. С помощью клапанов также изолируют отдельные линии, чтобы одну линию можно было промыть, пока по другим линиям циркулирует продукт. Рис. 6.8.23 Гребенка клапанов, обслуживающая танки. Клапаны на резервуарной площадке расположены таким образом, что поступающие в резервуары и уходящие из них потоки продукта и моющих растворов не пересекаются. Кронштейны для труб Рис. 6.8.24 Пример стандартных опор для труб. 160 Трубопроводы прокладывают на высоте двух-трех метров над уровнем пола молочного завода. Все узлы и детали трубопровода должны быть легко доступны для проверки и обслуживания. Трубопроводы должны быть слегка наклонены (1:200–1:1000) для обеспечения самодренажа. На всем протяжении трубопроводов не должно быть никаких “мешков”, чтобы там не скапливался продукт или моющий раствор. Трубы должны быть надежно закреплены. С другой стороны, крепление труб не должно быть слишком жестким, исключающим всякое их смещение. При высоких температурах продукта или моющего раствора трубы претерпевают значительное расширение. Возникающие удлинение и крутящие нагрузки в изгибах и в оборудовании должны определенным образом компенсироваться. Это обстоятельство, а также тот факт, что различные узлы и детали в большой степени утяжеляют систему трубопроводов, требуют большой точности расчетов и высокого профессионализма от проектировщиков. Технология производства молочных продуктов/глава 6.8 Резервуары 6.9 В молочной промышленности резервуары используются для различных целей. Емкость резервуаров может достигать 150 000 литров для танков башенного типа в отделении приемки до небольших 100-литровых баков. В целом резервуары можно разделить на две основные категории в зависимости от назначения: • Танки для хранения • Технологические т)анки. Резервуары для хранения Башенные танки Танки башенного типа относятся к категории резервуаров для приемки и хранения молока. Их описание было дано в главе “Сбор и приемка молока”. Емкость этих цистерн варьируется от 25 000 до 150 000 литров. Внутренние поверхности изготовлены из нержавеющей стали. Для экономии строительных расходов эти танки часто устанавливают вне помещения. В таких случаях цистерны имеют теплоизоляцию. Цистерны имеют двойные стенки с изоляцией из минеральной ваты толщиной не менее 70 мм. Внешний Рис.6.9.1 Схема размещения танков башенного типа с технологическими люками в проемах стен крытого пункта управления. корпус может быть изготовлен из нержавеющей стали, но из соображений экономии его обычно делают из мягкой стали и покрывают антикоррозионной краской. Для обеспечения легкого и полного опорожнения резервуара его днище слегка, под углом около 6 градусов, наклонено в направлении слива. В некоторых странах этот стандарт заложен в законодательстве. Технология производства молочных продуктов/глава 6.9 Рис. 6.9.2 Башенный танк с технологическим люком и пропеллерной мешалкой. 161 Танки башенного типа оборудуются различными типами мешалок и оборудованием для контроля и наблюдения. Число и размеры таких цистерн определяются количеством ежедневно завозимого на предприятие молока, числом рабочих дней в неделе, продолжительностью рабочего дня (одна, две или три смены), разнообразием видов производимой продукции и ее количеством. Танки для промежуточного хранения Рис. 6.9.3 Емкость типового танка – от 1000 до 50 000 литров. Эти танки предназначены для непродолжительного хранения продукта в процессе его производства. Они используются для буферного хранения, чтобы иметь возможность поддерживать постоянные параметры потока. После тепловой обработки и охлаждения молоко помещается в буферную емкость и далее направляется на розлив. Если розлив прерывается, обработанное молоко хранится в промежуточной емкости до возобновления этой операции. Подобным же образом молоко из этой емкости может использоваться при временной остановке технологического процесса. Внутренняя оболочка танка емкостью от 1000 до 50 000 литров (рис. 6.9.3) изготовлена из нержавеющей стали. Танк изолирован для поддержания постоянной температуры продукта. Наружный корпус этих емкостей также изготовлен из нержавеющей стали, а между стенками оболочек проложен слой минеральной ваты. Емкость для промежуточного хранения оснащена мешалкой и может также иметь различные системы и приборы для мойки и контроля уровня и температуры. Это оборудование принципиально не отличается от описанного выше для башенных танков. Общепризнано, что технологический процесс требует буферного запаса, соответствующего не более чем полутора часам работы в обычном режиме, то есть: 1,5 х 20 000 = 30 000 литров. Смесительные танки Рис. 6.9.4 Смесительный танк с приваренными каналами, по которым циркулирует хладагент или теплоноситель. Как явствует из их названия, эти емкости (рис. 6.9.4) предназначены для смешивания различных продуктов или для подмешивания в продукт каких-либо ингредиентов. Смесительные емкости могут быть изолированными или иметь один корпус из нержавеющей стали. Они могут быть оснащены системами контроля температуры. Цистерны изолированного типа состоят из двойной оболочки со слоем минеральной ваты в межстеночном пространстве. Внутренняя оболочка заключена в кожух в виде приваренных каналов, по которым циркулирует хладагент или теплоноситель. Мешалки, которыми оборудуются смесительные емкости, конструируются под конкретные операции. Технологические танки В технологических танках (рис. 6.9.5) происходит обработка продукта, имеющая целью изменение его свойств. Такие танки нашли широкое применение в молочной промышленности – например, в качестве танков для созревания сливок при производстве масла, для сквашивания молока в производстве йогурта, как кристаллизационные танки для взбитых сливок, танки для приготовления заквасок. Существует множество видов технологических танков. Их конструкция определяется назначением. Общим является наличие мешалки и системы контроля температурой. Данные танки имеют стенки из нержавеющей стали с изоляцией или без нее. Может также использоваться оборудование для текущего наблюдения и контроля. Уравнительный бак Рис. 6.9.5 Изолированная емкость со скребковой мешалкой для вязких продуктов. 162 Перемещение продукта по технологической линии сопряжено с рядом проблем, а именно: • Чтобы центробежный насос нормально работал, из перерабатываемого продукта следует удалить воздух и другие газы Технология производства молочных продуктов/глава 6.9 • Во избежание кавитации давление во всех точках впускного штуцера насоса должно быть выше давления насыщенного пара жидкости • Если температура подвергающейся тепловой обработке жидкости опустится ниже необходимого уровня, должен сработать клапан, отводящий необработанную жидкость • Для поддержания равномерного потока в линии необходимо обеспечивать постоянное давление в камере всасывания насоса. Эти и некоторые другие подобные проблемы часто решаются включением уравнительной емкости в состав линии перед насосом, к которому движется продукт. В балансировочном танке уровень продукта поддерживается на постоянной высоте относительно выходного штуцера насоса. Другими словами, напор в линии всасывания поддерживается постоянным. В танке, показанном на рис. 6.9.6, имеется поплавок, соединенный через рычаг с эксцентрически поворачивающимся роликом, который приводит в действие впускной клапан танка. При смещении поплавка вместе с уровнем жидкости вниз или вверх связанный с ним клапан соответственно открывается или закрывается. Если насос забирает из танка больше жидкости, чем попадает в него через впускное отверстие, уровень жидкости опускается вместе с поплавком. Клапан открывается и впускает дополнительную порцию жидкости. Таким образом, в танке поддерживается постоянный уровень жидкости. Впускное отверстие находится у днища бака, подача жидкости осуществляется снизу. Это исключает плескание и, главное, насыщение жидкости воздухом. Воздух, присутствующий во вновь поступившей жидкости, поднимается вверх, при этом в танке происходит некоторая деаэрация. Она благотворно сказывается на работе насоса, который благодаря этому более деликатно обрабатывает проходящий сквозь него продукт. Балансировочный танк зачастую включен в состав циркуляционной системы, в которой жидкость возвращается на повторный цикл обработки, например, по причине недостаточной тепловой обработки. В этом случае температурный датчик приводит в действие возвратный клапан, который направляет продукт обратно в уравнительную емкость. Это приводит к быстрому подъему уровня жидкости в танке и к не менее быстрой реакции поплавкового механизма, который закрывает впускной клапан. В таком случае продукт циркулирует, пока технологическая неисправность не будет устранена или пока установка не будет остановлена для проведения регулировки. Подобная же процедура применяется в отношении моющего раствора при мойке линии. Рис. 6.9.6 Балансировочный танк для поддержания постоянного давления на входе в насос. Рис. 6.9.7 Балансировочные танки выпускаются различных размеров. Технология производства молочных продуктов/глава 6.9 163 164 Технология производства молочных продуктов/глава 6.9 Управление технологическими процессами 6.10 Автоматизация Технология молочного производства за несколько последних десятилетий претерпела огромные изменения. На смену многочисленным ручным операциям в мелких разрозненных хозяйствах пришли централизованные комплексы заводского типа. Эта тенденция привела к многочисленным и далеко идущим последствиям. На небольшой ферме все процессы находились под контролем и управлением нескольких квалифицированных исполнителей, которые вручную выполняли большинство работ, в том числе мойку оборудования после их окончания. По мере укрупнения хозяйств и количество задействованных машин, и их габариты увеличивались, а вместе с ними росло и число необходимых ручных операций. В частности, очень трудоемкой операцией была мойка. Каждую машину, находящуюся в контакте с продуктом, приходилось разбирать и мыть, по меньшей мере, раз в день. В середине 50-х годов была разработана система безразборной мойки (CIP), которая сегодня внедрена почти повсеместно. Эта система позволяет мыть машины без их разборки, так как они сконструированы таким образом, что их можно промывать моющими растворами, циркулирующими по продуктовым линиям в соответствии с заданной программой мойки. Непрерывный процесс механизации молочного производства постепенно вытеснил значительную часть тяжелого ручного труда, поручив его машинам. Механизация вместе с ростом производственных мощностей привела к увеличению количества обязательных операций. Увеличилось количество клапанов и двигателей. Приобрело существенное значение синхронное выполнение отдельных операций. Ведь каждое несвоевременное включение, например только одного клапана, может привести к существенным потерям продукции. Каждая неточность в технологическом процессе, каждое ошибочное решение оператора могут привести к потере качества и к серьезным экономическим последствиям. Со временем на предприятиях было установлено все большее число приборов дистанционного управления. Клапаны с ручным управлением заменялись электрическими и пневматическими клапанами. Выключатели для запуска и остановки клапанов, насосов, мешалок и других двигателей монтировались на пультах управления. Устанавливались датчики, направляющие на панель управления данные о параметрах процесса (давление, уровень, температура, расход, pH и т.д.). Для сообщения оператору о правильном срабатывании клапанов и двигателей (на открытие/закрытие и старт/стоп) соответствующие узлы и детали были снабжены специальными устройствами для отправки сигналов обратной связи. Так постепенно появилась возможность автоматизировать производственный процесс. Что такое автоматизация? Строго говоря, понятия “механизаця” и “дистанционное управление”, о которых шла речь во вступлении, не имеют ничего общего с автоматикой как таковой, но они явились важными шагами на пути к автоматизации. Автоматизация означает, что все действия, необходимые для управления процессом с оптимальной эффективностью, выполняются системой управления в соответствии с инструкциями, заложенными в ее программу: • Для поддержания связи с системой управления и технологическим процессом используется интерфейс оператора • Современные автоматизированные системы имеют программное обеспечение для обработки информации, необходимое для составления отчетов, ведения статистики, анализов и т.д. В автоматизированном процессе система управления должна поддерживать связь с каждым управляемым компонентом производственного процесса и с каждым датчиком. Вот некоторые из сигналов, которыми обмениваются система управления и контролируемый ею технологический процесс: Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 165 • Выходные сигналы (команды) на срабатывание элементов, участвующих в технологическом процессе • Сигналы обратной связи от клапанов и двигателей, сообщающие системе управления о срабатывании данного узла • Аналоговые сигналы от датчиков температуры, давления и других, которые обеспечивают информацию о параметрах процесса в каждый конкретный момент • Мониторинговые сигналы от датчиков, которые посылают сигнал о достижении определенного состояния контролируемой системы – например, максимального уровня в емкости, заданной минимальной температуры и т.д. Сигналы обрабатываются логическим блоком системы управления. Перед тем как продолжить, прервемся, чтобы разобраться в значении термина “логика”. Логика Рис. 6.10.1 Ход логических рассуждений оператора при решении проблемы управления. Логика – это основополагающее понятие в вопросе автоматизации. Она означает механизм принятия решений, который позволяет решать определенную задачу в соответствии с имеющейся моделью. Чтобы решить некую задачу определенным образом, человеческий разум “запрограммирован” имеющимся у него образованием и опытом. На рис. 6.10.1 показано, как оператор использует логику для решения задачи управления, которая состоит в направлении молока из группы емкостей в линию переработки. Он получает информацию о производственном процессе, например, что танк Т1 вскоре опорожнится, танк Т2 в данный момент промывается, танк Т3 заполнен продуктом. Оператор логически обрабатывает эту информацию. На рисунке проиллюстрирована последовательность его рассуждений: вопросы, которые он себе задает, и решения, которые он принимает. В результате он выполняет свои решения, нажимая кнопки на щите управления, чтобы задействовать нужные клапаны, насосы и другое оборудование. Оператор не испытывает трудностей при решении этой задачи управления. Не стоит забывать о возможности принятия ошибочного решения. По ошибке моющий раствор и молоко могут быть смешаны. В линии переработки может закончиться молоко, что приведет к пригоранию его остатков к теплопередающим поверхностям. Молоко, оставшееся в танке во время его мойки, будет потеряно. Риск таких ошибок возрастает, если оператор одновременно отвечает за несколько подобных участков производства. Он будет находиться в состоянии спешки и стресса, что повышает риск совершения ошибки. На первый взгляд легко подумать, что оператор постоянно сталкивается с необходимостью выбора между большим числом вариантов решения поставленной задачи. Но при более внимательном изучении вопроса выясняется, что это не так. Опыт работы на производстве подсказывает, какие варианты решений обеспечат оптимальное качество продукта, безопасность и экономичность. Другими словами, оператор приобрел более или менее стабильную логику управления. Он выбирает танки в соответствии с наработанными схемами, он пользуется секундомером, чтобы засекать время слива молока из танка, он точно знает, когда нужно переключить линию на заполненный танк, чтобы до минимума свести потери продукта, и так далее. Так может быть проанализирован любой процесс, и тогда на основе этого анализа можно определить логику управления, которая обеспечивает оптимальные результаты. Зачем нам нужно автоматическое управление процессом? При планировании молочного производства необходимо учитывать несколько факторов. Следовательно, окончательное решение – всегда компромисс между факторами, имеющими отношение к продукции, к производственному процессу и к экономии. Только при этом условии удовлетворяются внешние требования к предприятию. Эти внешние 166 Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 требования связаны с такими факторами, как рабочая сила, вид продукции и ее количество, качество продукции, вопросы гигиены, законодательства, наличия товаров, гибкости и экономичности производства. В число факторов, имеющих отношение к продукции, входят сырье, обработка продукции и ее качество, в то время как факторы, относящиеся к технологии производства, включают в себя выбор оборудования для удовлетворения внешних требований. Даже если производственные линии изначально комплектуются с целью обеспечения запланированного качества продукции, все равно приходится идти на многочисленные компромиссы, в особенности если на данном оборудовании предполагается производство разнообразной продукции. Например, это относится к требованиям по мойке оборудования и возможности его подключения к предполагаемой системе мойки. Другие компромиссы также неизбежны там, где речь идет о расходе энергии и подсобных средств и о том, насколько подбираемое оборудование подходит предприятию с этой точки зрения. Здесь необходимо подчеркнуть, что при выборе производственного оборудования необходимо учитывать степень автоматизации рабочих процессов. Правильно выполненная автоматизация, с полным пониманием специфики продукции, технологических процессов и производственного оборудования, дает массу преимуществ, главные из которых: • • • • • • Безопасность Высокое качество продукции Надежность Экономичность производства Гибкость производства Управление производством. Безопасность обеспечивается тем, что система управления непрерывно действует и отслеживает процессы в режиме реального времени. Нежелательное смешивание разных продуктов, переполнение емкостей и другие ошибки, приводящие к потере продукции и сбоям в производстве, исключаются. Тот факт, что все стадии процесса всегда выполняются абсолютно аналогичным образом, означает, что конечный продукт будет отличаться неизменно высоким качеством, потому что здесь исключаются любые отклонения от заданного процесса, которые обычно приводят к ухудшению качества. Точное управление процессом означает, что потери продукции и расход сервисных сред, моющих растворов и энергии сведены до минимума. Поэтому хорошо сконструированная и адаптированная к данному производству система управления обеспечивает высокую экономичность. Гибкость производства можно обеспечить, разработав систему автоматизации с учетом различных вариантов технологии и конечного продукта. В этих случаях производство можно переналадить простой сменой рецептуры вместо перепрограммирования. Кроме того, система автоматизации может предоставить данные и информацию, необходимые для производства, в виде отчетов, статистики, анализов и т.д. Эта информация помогает принимать безошибочные решения по управлению производством. Каковы задачи управления? Задачи автоматизированных систем управления можно разделить на четыре основные группы: 1 2 3 4 Цифровой контроль Аналоговый контроль Мониторинговый контроль Программное обеспечение для обработки информации. Основные преимущества автоматизации: • Безопасность • Высокое качество продукции • Надежность • Экономичность производства • Гибкость производства • Управление производством Четыре задачи автоматизированных систем: 1 Цифровое управление 2 Аналоговое управление 3 Мониторинговый контроль 4 Программное обеспечение для обработки информации Цифровой контроль Цифровое управление основано на том принципе, что управляемые объекты могут находиться в одном из двух состояний – включенном или выключенном (рис. 6.10.2). Двигатель может или работать, или не работать. Клапан может быть либо открыт, либо закрыт. Исходя из этого, можно предусматривать абсолютно разные уровни автоматизации: А Дистанционное управление, подразумевающее управление отдельными объектами с пульта управления, что по существу означает удлиненную руку оператора, то есть одну из разновидностей ручного управления. Этот уровень еще нельзя считать автоматизацией B Групповой контроль, подразумевающий одновременное управление группой объектов, например, группой клапанов под танком Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 167 C Управление работой, то есть открытие и закрытие продуктовых линий или управление операциями перемешивания D Управление цепочками операций, подразумевающее последовательное выполнение различных функций в соответствии с определенным порядком. Приведем некоторые примеры таких цепочек: • Очистка различными моющими растворами в строго определенной последовательности и в соответствии с конкретным временным графиком • Заблаговременное определение маршрутов движения продукта и уровней заполнения • Запуск пастеризатора. В настоящее время широко практикуется уровень D, позволяющий в полной мере воспользоваться возможностями современных систем управления. Рис. 6.10.2 Примером цифрового управления могут служить эти выключатели (вкл/выкл). Рис. 6.10.3 Один из примеров аналогового управления – контроль температуры в пастеризаторе. Area milk Мониторинговый контроль Мониторинг – это непрерывный контроль за различными объектами и состояниями процесса, включая выдачу сигнала тревоги в случае какого-либо сбоя. В основе мониторингового контроля – сигналы обратной связи от контролируемых объектов. Эти сигналы могут носить разный характер, предназначаясь для: • Простого мониторингового контроля определенных важных элементов • Простой регистрации неисправностей • Блокировок, не позволяющих какой-либо операции начаться или продолжиться, если получен предупреждающий сигнал. Например, начало процедуры мойки может быть блокировано, если не получен сигнал о низком уровне жидкости в соответствующем танке • Автоматического возобновления работы после устранения неисправности. Очень важным элементом текущего контроля является самодиагностика, то есть непрерывная проверка исправности работы контролирующей системы. Utility consumption 920822 -2h51m Water Steam 4000 200000 3000 10 2000 100000 1000 0 00 1d esc ! " 1 2 18h # 3 ¤ 4 12h 6h 0 % Q > < al t ctrl Lorries 1-2 Receved products 24:00 Area milk Line utilisation Start-up/Shut-down LO1-2 Production R1-2 -9h17m Not operational From Lab values Cleaning to -1d - 12h 0 Рис. 6.10.4 Управленческая информация позволяет повысить производительность. 168 Аналоговый контроль Аналоговое управление (см. рис. 6.10.3) означает, что объект может управляться аналоговыми сигналами, посылаемыми командным блоком. Обычно этот вид контроля строится на основе другого (постоянно изменяющегося) сигнала обратной связи, приходящего на блок управления. Этот вид управления используется, например, для регулировки подачи пара или горячей воды в пастеризатор. Сигнал обратной связи поступает на блок управления от датчика температуры пастеризации. Аналоговый контроль играет очень важную роль в обеспечении эффективной работы оборудования молочных заводов. В молочной промышленности аналоговый контроль очень несложен, и число цепей аналогового управления на таких предприятиях обычно довольно невелико. Их основные объекты таковы: • Пастеризаторы • Системы взвешивания, в задачу которых входит дозирование компонентов согласно рецептуре и их смешивание • Управление насосным оборудованием • Нормализация сырья по содержанию сухих веществ или жира. Система управления часто включает в себя элементы и аналогового, и цифрового управления. Они взаимно дополняют друг друга. Аналоговая система применяется для контроля нагревания в пастеризаторе, в то время как температурный датчик отслеживает температуру. Если она опускается ниже заданного уровня, датчик мгновенно реагирует. Он посылает сигнал в блок управления, и поток в пастеризаторе направляется в обходное направление. Программное обеспечение для обработки информации Компьютеры позволяют повышать производительность не только в цехе, но и в офисе. Они умеют собирать и анализировать информацию и представлять ее в упорядоченной форме, на основе которой можно принимать обоснованные управленческие решения (рис. 6.10.4). Современные системы располагают такой возможностью. Вот несколько характерных примеров того, что автоматика берет на себя рутинный круг обязанностей тех, кто осуществляет руководство и надзор за производством: • Регистрация информации, получаемой с производственных участков • Слежение за продвижением продукта – на каждый элемент производственного оборудования и для каждого продукта на данном предприятии у автоматической системы есть персональный электронный журнал регистрации. Это позволяет Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 • • • • • фиксировать всю информацию, от которой зависит готовая продукция. Сюда, в частности, входит систематизация сырья и отслеживание качества обработки продукции Регистрация производственной информации. Все данные, имеющие отношение к производству, регистрируются и подвергаются обработке. Эти данные идут в основу отчетов о производстве как конечного продукта, так и промежуточного. Эти отчеты могут выдаваться через необходимые промежутки времени – например, раз в смену, в день, в месяц Анализ стоимости, позволяющий оценить экономичность производства. Производительность техники, коммунальные расходы, эффективность эксплуатации машин и оборудования – все эти факторы принимаются в расчет Производственное планирование – это ключ к более оптимальному и эффективному использованию оборудования предприятия. Машина обрабатывает информацию обо всех сделанных заказах и сопоставляет ее с характеристиками всех производственных единиц. В результате появляется ежедневный производственный план для молочного завода, представляющий собой подробную программу производства на данный день, в которой расписаны планы для всех машин и их обеспечение всем необходимым – продуктами, упаковками различных видов, размеров и т.д. Планирование технического обслуживания может стать более эффективным, если руководство получает доступ к информации о том, сколько часов проработала каждая машина и сколько срабатываний было у каждого клапана после того, как он в последний раз проходил техническое обслуживание Гарантия качества. Причина некачественного функционирования легко отслеживается с помощью предоставляемой компьютером информации. Рис. 6.10.5 Информация о состоянии производства предоставляется в наглядном виде Информационной системой управления производством. Tetra Alfast Whole milk Что определяет уровень автоматизации? Уровень автоматизации определяется в соответствии с выбором производственного оборудования для предприятия. Поэтому важно провести тщательный анализ того, как выбранное производственное оборудование будет влиять на возможность автоматизации. Для этого необходимо знать все системы, задействованные на молочном заводе. Помимо необходимости учета особенностей данного производства, к системе автоматизации должны быть предъявлены специальные требования. В их числе – интерактивность оператора, то есть возможность исправлять ошибки. Другой важный фактор, свидетельствующий об уровне автоматизации,– объем необходимой отчетной и управленческой информации. Роль оператора В задачу автоматизации входит не устранить необходимость в операторе, а увеличить его возможности. Чем сложнее система, тем с меньшим числом мелочей ему приходится иметь дело. Программа должна управлять всеми рутинными функциями процесса, проблемами тактического уровня, в то время как оператор, как главнокомандующий, должен заниматься стратегическими вопросами. Например, он отвечает за выбор емкостей для производственного процесса, определяет время начала промывки различных объектов, при необходимости изменяет время, температуру и другие производственные параметры, заложенные в программу, принимает решения о мерах, направленных на устранение сбоев и нарушений производственного процесса. Имеется ряд средств, которые помогают оператору в этой работе: • Цветной графический видеодисплей • Принтеры • Локальные пульты управления. Рис. 6.10.6 Представление производственной информации на дисплее компьютера. Project: startup Lorries B1 B2 B3 B4 Project: startup 185 °C Raw Milk Reception 1 R2 -> T1 Tank 1 Tank 2 20°C 90°C Tank 3 Tank 4 Tank 5 Raw milk 250591 5.1°C Raw milk 500101 5.6°C Raw milk 151001 5.7°C Tank 6 185 °C Fill Stop Reception 2 15.3°C Project: startup Pasteurizer 1 Prod Circ Water C Start Stop Project: startup Clean 185 °C 185 °C 185 °C Pasteurizer 1 Цветной графический видеодисплей Цветной графический видеотерминал (рис. 6.10.6.) в настоящее время повсеместно является неотъемлемой частью операторского оборудования. Особое внимание следует уделять эргономике цвета и графики. Здесь важно все – графическое и цветовое решение, использование символов и формы интерактивности, а также графическая иерархия и т.д. Хорошее изображение поможет оператору в его работе, предоставив ему правильную информацию в нужный момент и в наиболее удобном виде (см. рис. 6.10.7). Это один из важнейших факторов успешной работы. Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 Рис. 6.10.7 Примеры получаемой оператором информации и интерактивных окон на дисплее. 169 Устройство печати Устройство печати имеет две основные функции. Первая: распечатывание информации, предоставленной контроллером технологического процесса – например, сообщений о неисправностях для оператора или статистических данных для руководства. Вторая: распечатка “жестких” копий с экрана монитора. Это позволяет постоянно документировать графическую информацию, например, о температуре пастеризации или о тенденциях в расходовании электроэнергии, воды и т.д. Рис. 6.10.8 Локальный пульт оператора в зоне пастеризатора. Локальные пульты управления Локальные пульты управления устанавливаются в производственных зонах – там, где удобно осуществлять местный контроль или где есть необходимость принимать информацию на месте. В числе таких мест участок приемки, станция мойки, пастеризаторы (рис. 6.10.8) и упаковочные машины. Местные пульты оператора могут быть разного типа – в виде небольших щитов с кнопками и индикаторными лампочками или микропроцессорных блоков с небольшим дисплеем и клавиатурой. Как работает система управления? Управление осуществляется командным блоком, который в определенной последовательности посылает сигналы-команды на срабатывание и остановку различных исполнительных устройств таким образом, чтобы удовлетворялись заложенные в командном блоке логические условия, относящиеся к данному производственному процессу. Исполнительные устройства посылают в командный блок ответные сигналы, подтверждающие исполнение команд. Эти сигналы обратной связи с командным блоком являются условием, позволяющим сделать очередной шаг в управлении работой исполнительных механизмов. Принципиальная схема системы управления показана на рис. 6.10.9. Если сигнал обратной связи не получен, может быть послан сигнал о неисправности. В этом случае или останавливается процесс, или подключается другой участок командного блока, чтобы помочь справиться с возникшими трудностями. Это, естественно, предполагает, что данная неисправность предсказуема. Чем сложнее управляемый процесс и чем более жесткие требования предъявляются к его надежности и экономичности, тем более развитой должна быть логическая система блока управления. Все датчики и все управляемые объекты процесса должны быть соединены с блоком управления. Так, в систему управления поступает вся необходимая информация о температурах, расходах, давлениях и т.д. Обработав эти сигналы, блок управления направляет сигналы-команды в адрес управляемых объектов, задействованных в данном процессе. Специальные устройства ввода/вывода (3) преобразуют сигналы, поступающие от контролируемого процесса и направляемые к нему (4) в форму, пригодную для компьютерной обработки. Все необходимое оборудование оператора – видеотерминал (1), печатающие терминалы (2) и локальные пульты управления – подсоединено к блоку управления. 1 3 4 1 2 3 4 Видеотерминал Печатающий терминал Устройства ввода/вывода Технологическое оборудование 2 Рис. 6.10.9 Принципиальная схема управления процессом. 170 Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 Программируемая система управления Автоматика – это быстроразвивающаяся область. Не так уж много лет назад системы управления автоматизированными производственными процессами состояли из электромеханических реле, соединенных в одну логическую схему. Им на смену пришли электронные элементы, которые работают быстрее и надежнее, так как не содержат подвижных элементов. Следующим этапом стали программируемые системы управления, логика работы которых выражается в битах информации, сохраняющихся в памяти компьютера, а не в физической схеме электропроводов. Это позволило с гораздо большей легкостью изменять программу там, где нужно, и снижать стоимость аппаратуры. В новых системах управления конструкторы воспользовались растущими возможностями и сниженной стоимостью компьютеров и микропроцессоров и рассредоточили командные функции по отдельным участкам. Это наделяет систему в целом большой гибкостью и очень высоким потенциалом. Новые процессоры можно использовать для управления одной машиной и можно группировать для осуществления всеобъемлющего руководства целым предприятием с целью повышения его производительности. В системы автоматизации обычно входят и программируемые логические контроллеры (PLC), и компьютеры (например, персональные компьютеры PC). PLC первоначально представлял собой маленькую копию более крупного компьютера, но затем, по мере укрупнения PLC, грань между ним и компьютером стерлась. Требования к системе управления Прежде всего от системы управления производственными процессами требуются гибкость, надежность и экономичность. Это означает, что: • Видеомонитор оператора должен быть удобным и эффективным • Система должна легко поддаваться расширению • Язык программирования должен быть эффективным • Система должна располагать эффективными электронными решениями • В системе должны быть программы для проведения диагностических тестов, оперативной модификации и моделирования ситуаций. Чтобы обеспечить максимальную гибкость, надежность и экономичность, современная система управления производством должна удовлетворять следующим требованиям: • Видеодисплей оператора должен быть удобным для пользователя и эффективным • Система должна легко поддаваться дальнейшему расширению • Язык программирования должен быть эффективным • Система должна располагать эффективными электронными решениями • В системе должны быть программы для проведения диагностических тестов, оперативной модификации и моделирования ситуаций 1 Project: startup Расширение системы управления Существует много универсальных систем автоматизации, которые можно приспособить к любой промышленной схеме. Одно из важнейших требований, предъявляемых к такой системе,– это возможность ее дальнейшего расширения при необходимости. Должна существовать возможность постепенного построения системы любых размеров, позволяющей дополнять ее стандартными элементами. Небольшой регулятор, установленный для управления линией приемки, может в дальнейшем получить дополнительные функции – управление переработкой молока, наполнением и другими операциями, если добавить к нему дополнительные элементы оборудования из той же системы. В то же время в имеющиеся процессоры или в специальный управляющий компьютер могут быть введены дополнительные командные функции. Очень важно, чтобы при этом все детали системы управления, соединяющей оператора и управляемый процесс,– от самого дальнего датчика до пульта управления – принадлежали одной и той же системе. Пример расширения системы управления будет приведен ниже. SM:001 IL POS:T TX:07 TY:003 0 0 1 001 0 0 2 006 008 011 015 003 002 003 004 005 008 007 009 0 1 0 012 0 1 1 01 7 006 009 0 1 2 00 7 010 013 014 014 013 016 005 004 015 018 2 Project: startup SM No:001 DIR Motor start circuit 1 automatic check of feedback will after 10 seconds if limit switch signal feedback Arithemetic Logic Data handl. Execution Time func. Counter Text & alarm PID control Communicat. OR OLI Stop 1 Limit 1 TX:00 TY:012A FB group selection AND Start 1 Start 2 Motor 1 ACOF #1 Простой язык программирования Должен быть разработан язык программирования с функциональной графикой, показанной, например, на рис. 6.10.10, облегчающей понимание и написание технологических программ и формализованных функциональных описаний процесса специалистами, не владеющими компьютерным программированием. Данный язык должен быть языком высокого уровня, т.е. он должен иметь сходство с человеческим языком. Таким образом, облегчается понимание этого языка неспециалистами. Строение языка должно допускать разбиение прикладных программ на модули, каждый из которых описывает отдельную задачу – например, наполнение танка, мойку трубопровода или распечатку производственных данных. Это облегчает понимание языка и упрощает техническое обслуживание и тестирование прикладных программ. Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 10 sec Рис. 6.10.10 Заложенные в процессор расширенные функции помощи, описания функциональных блоков (1) и схемы последовательности функций (2) являются эффективным и легко читаемым языком программирования. 171 Используя язык высокого уровня такого типа, оператор быстро обучается общению с системой. Начав с основ, он постепенно расширяет свой “словарь” до такой степени, что начинает общаться с системой так же просто, как если бы он обсуждал работу с коллегами. Таким образом, оператор получает очень мощный инструмент управления технологическим процессом. 3 Эффективные электронные решения Для эффективного управления производственным процессом необходимо применение в данном процессе первоклассных электронных решений. Работа всей системы управления процессом будет поставлена под угрозу, если датчики и другая электроника не будут действовать безупречно. Хорошим примером электронного решения является система управления клапанами, показанная на рис. 6.10.11. Управление молочным заводом включает в себя контроль работы сотен и тысяч клапанов и управление их работой в различных 1 сочетаниях и очередности. Для запоминания комбинаций, необходимых для Рис. 6.10.11 Система конкретных целей, и для запуска этих комбинаций в кратчайшее время идеально управления клапанами. подходят программируемые логические контроллеры. Для этого блок управления 1 Клапанные элементы должен иметь канал мгновенной связи со всеми клапанами. Это делает систему 2 Модем дорогостоящей, поэтому была разработана новая система клапанов. 3 Система управления (PLC) Новая система состоит из ряда клапанных элементов (1), по одному на каждый клапан. Клапанные элементы присоединены к общему кабелю и к общей линии сжатого воздуха. Кабель также соединен с модемом (2), связанным с системой управления (3). Монтаж, таким образом, значительно упрощается, при этом такая система управления обходится гораздо дешевле традиционной. До 120 клапанов могут управляться с помощью одного кабеля, который также снабжает все клапаны электричеством. К системе автоматизации могут быть последовательно подключены несколько модемов, каждый из которых контролирует до 120 клапанов. 1 2 Еще одно несомненное достоинство этой системы состоит в том, что она имеет цепь обратной связи. Получив команду на открытие или закрытие, управляющий клапаном элемент докладывает блоку управления о ее исполнении. С помощью модема постоянно отслеживается состояние всех клапанов и мгновенно передается сообщение в блок управления о любом сбое. Это значительно ускоряет обнаружение и устранение неисправностей, поскольку имеется возможность Рис. 6.10.12 Система управления для точечной автоматизации. отсоединять отдельные клапанные элементы без 1 Блок оператора вмешательства в работу всех остальных. 2 2 PLC с интегральным вх/вых Примеры управляющих систем Миниатюрный программируемый логический контроллер Рис. 6.10.13 Малая система под управлением ПЛК. 172 На рис. 6.10.12 показан миниатюрный ПЛК, предназначенный для точечной автоматизации – например, для автоматического программного управления отдельной машиной или фрагментом процесса. Это может касаться приемки молока, работы пастеризатора или мойки. PLC может также применяться на приемке материалов, ферментации, дозировке, стерилизации, приготовлении продуктов по заданной рецептуре, их расфасовке и т.д. Данный программируемый контроллер основан на микропроцессоре, соединенном с производственным оборудованием через каналы ввода/вывода, число которых может доходить до 240. Поступающие в PLC сигналы несут информацию о состоянии контролируемого оборудования (температура, положение клапана и т.д.), а выходные сигналы контроллера передают команды насосам, клапанам и двигателям. На рис. 6.10.13 показан PLC, управляющий линией приемки молока. Микропроцессор этого блока непрерывно изучает поступающие сигналы, сравнивая Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 состояние процесса в данный конкретный момент с тем, каким оно должно быть в соответствии с заложенными в программу инструкциями, и автоматически принимает необходимые меры в случае каких-либо отклонений. В системе такого типа PLC может получать инструкции от оператора, находящегося у соответствующего пульта управления. Блок PLC может быть подсоединен к видеодисплею для подачи команд, программирования или диагностических сообщений. В принципе инструкции могут приходить с любого другого блока управления. 2 3 1 1 Рис. 6.10.14 Большая децентрализованная система автоматизации. 1 1 2 3 Контроллеры технологического процесса Операторский видеодисплей Сетевой кабель Децентрализованное управление производственными процессами Если нужно распространить систему управления на целую производственную линию или на несколько линий (см. рис. 6.10.14), то для этого понадобятся более мощное по сравнению с PLC вычислительное и коммуникационное оборудование и более емкая память. Система автоматизации создается из ряда стандартных блоков, включающих: • Контроллеры технологических процессов (1). Число необходимых контроллеров зависит от размеров той части производственного процесса, которую надлежит автоматизировать, а также от реальной планировки производственных помещений • Интерфейсы оператора (2). Обычно это один или несколько цветных видеомониторов; их число зависит от числа операторов и зон производственной ответственности • Кабельную сеть (3). Это основа коммуникации между различными элементами системы. Контроллеры процессов и видеомониторы также включены в эту сеть. Контроллеры технологических процессов рассредоточены по своим подконтрольным участкам и взаимосвязаны через общую сеть. Другими словами, в высшей степени рентабельно автоматизировать весь завод, объединив ряд контроллеров технологических процессов в единую сеть. Объединенная система управления заводом Следующая ступень развития автоматизированной системы управления производством – создание всеобъемлющей сети, которая управляла бы всем заводом. Согласно этой схеме управления, завод Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 173 1 2 3 Контроллеры технологических процессов Видеотерминалы оператора Управленческая информационная система 3 2 SATTLINE SATTLINE SATTLINE SATTLINE SATTLINE 1 Рис. 6.10.15 Объединенная система управления, включающая Управленческую информационную систему. состоит не из одной промышленной зоны, включая в себя, например участки производства масла, сыра и жидкого молока. В каждой зоне функционирует группа контроллеров производственных процессов (1) и там же нередко имеется собственно пост оператора (2), руководящего получением продуктов от одного участка и отправкой их в другой. В пределах каждой зоны сеть коммуникаций связана с различными блоками. Эта же сеть связана и с другими зонами, так что данные, команды, блокировки и т.д. могут передаваться из зоны в зону. Со всем этим оборудованием может быть соединен центральный пост управления всем заводом. Он может быть оснащен несколькими цветными графическими мониторами, каждый из которых сориентирован на конкретный участок и одновременно является резервным для какого-либо другого участка. Когда все контроллеры производственных процессов предприятия объединены в одну сеть, появляется возможность подсоединить к этой системе центральный терминал текущего обслуживания. С его помощью можно вводить данные для перепрограммирования, переналадки и настройки, отслеживания сбоев. На предприятии такого масштаба важно отслеживать производство и его экономические параметры. Контроллеры технологических процессов содержат значительный объем информации о производственных процессах в любой момент времени. Знание происходящего является ключом к повышению эффективности и экономичности производства. Контроллеры производственных процессов сами по себе могут предоставить массу данных и отчетов, но переработка управленческой информации с возможностью дальнейшей ее обработки или сохранения в базе данных должна производиться отдельным компьютером (3). Современная Управленческая информационная система (УИС) предназначена для работы с большими объемами данных. Она просчитывает и обрабатывает эти данные с целью подготовки различных отчетов, анализа экономичности производства и т.д. для того, чтобы помочь в планировании и составлении профилактических прогнозов в отношении технического обслуживания. Все это примеры того, как можно использовать Управленческую информационную систему. Эта система построена на основе персональных компьютеров, использующих стандартное программное обеспечение – Excel, Windows и др. 174 Технология производства молочных продуктов/глава 6.10 Вспомогательные системы 6.11 Необходимые условия для нормальной работы молочного завода Для нормального функционирования молочный завод должен иметь ряд вспомогательных установок. В их числе – оборудование, обеспечивающее подачу воды, тепла в виде пара или горячей воды, хладагента, сжатого воздуха и электроэнергии. Система водоснабжения Вода в природе движется по замкнутому циклу (рис. 6.11.1). Нагреваемая солнцем, она испаряется с поверхности океанов, морей и озер. Находясь во взвешенном состоянии в воздухе, она переносится ветром над землей и постепенно охлаждается, конденсируется и выпадает на землю в виде осадков. Часть воды собирается на поверхности земли и опадает в реки, озера и моря. Остальная часть просачивается сквозь поверхностные слои почвы и присоединяется к грунтовым водам. Вода является растворителем для многих веществ, поэтому чистой воды в природе не бывает. Пока вода находится во взвешенном состоянии в воздухе, в ней растворяются газы – например двуокись серы,– порождающие так называемые кислотные дожди, которые представляют собой серьезную проблему для промышленно развитых стран. Как только вода оказывается на земле, в ней начинают растворяться различные вещества. Поверхностная вода захватывает из почвы органические вещества, инсектициды, химические составляющие промышленных стоков и многое другое, а также микроорганизмы. В процессе фильтрования воды сквозь различные слои грунта в них задерживается большая часть микроорганизмов и химических примесей. В то же время к воде добавляется ряд природных солей, так что грунтовые воды обыкновенно богаты различными солями. Они присутствуют в виде ионов – например, натрия, калия, магния, кальция, хлора, карбоната, нитрата и сульфата. Грунтовая вода используется для водоснабжения, т.к. имеет сравнительно невысокую степень загрязненности. Состав грунтовых вод определяется характером местного грунта, наличием промышленных стоков и т.д. Растворенные и суспензированные в подаваемой на молочный завод воде вещества могут стать причиной серьезных проблем. Поэтому вся поступающая вода должна быть обработана таким образом, чтобы вредные вещества были нейтрализованы, а их концентрация была доведена до минимума или даже сведена к нулю. Во многих странах закон жестко следит за содержанием в воде микроорганизмов и токсичных примесей. Методика выполнения анализов, взятия проб и промежутки времени, через которые надлежит это делать, строго регламентируются. Заболевания, которые могут распространяться с водой,– главным образом, желудочно-кишечные, поэтому тесты на наличие патогенных микроорганизмов обычно сосредоточиваются на поиске БГКП (E.coli). Присутствие E.coli в значительном количестве указывает на наличие фекального загрязнения. Потребление воды на предприятиях молочной промышленности для предварительной обработки продуктов, их охлаждения, мойки оборудования Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Рис. 6.11.1 Круговорот воды в природе. 175 и др. весьма значительно. Количество потребляемой молочным заводом воды зависит от способов мойки и т.д., а также от того, используется ли вода непосредственно в производственных процессах, например, при восстановлении сухого молока или производстве соков. Водоснабжение молочных заводов часто осуществляется муниципальными службами. В таком случае вода забирается из реки или озера и затем подвергается соответствующей обработке с тем, чтобы в итоге она отвечала требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Служба, ведающая водоснабжением, поставляет воду на молокозавод под необходимым давлением и в необходимом количестве. Получаемые количества замеряются и регистрируются. Цена за поставляемую воду рассчитывается из единицы объема, причем в нее входит дополнительная пошлина на муниципальные работы по очистке сточных вод. У многих молокозаводов имеются собственные скважины. Если грунтовая вода залегает недалеко от поверхности, роется простой колодец. Если же она находится на значительной глубине, бурится скважина и подводится длинная труба (рис. 6.11.2). Воду поднимают на поверхность насосом, часто погружного типа, и хранят в водохранилище. Обычно эта емкость устанавливается на уровне земли, но иногда и на значительно более высоком уровне (водонапорная башня). Из водохранилища вода с помощью насоса или самотеком поступает на молочный завод. Очистка воды Рис. 6.11.2 Водяная скважина – погружной насос находится в трубе. Требования к воде, используемой на молочном заводе, изменяются в зависимости от способа ее применения. Сегодня, располагая современной технологией фильтрации, умягчения, ионного обмена, стерилизации, полного обессоливания и обратного осмоса, можно получить воду очень высокого качества. Но стоимость ее тоже будет Таблица 6.11.1 Требования, предъявляемые к качеству воды Питьевая вода Кишечная палочка, KOE*/100мл Слизеобразующие микроорганизмы/мл Осадок, мг/л Мутность Запах Вкус Цветность Сухие вещества, мг/л Потребление перманганата, мг/л Аммиак, мг/л Кальций + магний, мг/л Общая твердость по СаСо3, мг/л Железо, мг/л Марганец, мг/л Медь, мг/л Алюминий, мг/л Цинк, мг/л Бикарбонат, мг/л Хлорид, мг/л Нитрат, мг/л Нитрит, мг/л Фторид, мг/л Остаточный хлор, мг/л Морские водоросли, простейшие и др. Токсичные вещества рН <1 <100 Нет Нет Нет Нет <20 <500 <20 <0,5 <100 – <0,2 – 0 <0,1 0 – <100 <30 <0,02 1 – Нет Нет 7– 8,5 Вода для молочных продуктов 0 0 Нет Нет Нет Нет <10 <500 <10 – <100 <100 <0,1 <0,05 0 <0,1 0 <80 – – – 1 0 Нет Нет 7– 8,5 * колонеобразующих единиц 176 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 очень высокой. Вследствие этого перед проведением обработки воды необходимо точно определить требуемый уровень качества в зависимости от способа ее применения. Вода, используемая в производстве молочных продуктов, должна быть высочайшего качества, поэтому к ней предъявляются более строгие требования, чем к питьевой воде. Она должна быть совершенно прозрачной, не иметь запаха, цвета и вкуса, быть мягкой и практически стерильной. Поэтому ее необходимо умягчить, то есть уменьшить содержание кальция и магния, и подвергнуть дехлорированию (удалению дезинфектантов, содержащих хлор, путем фильтрации через активированный уголь). В таблице 6.11.1 приведены требования к питьевой воде и к воде, используемой в производстве молочных продуктов. Вода, которая течет по узким трубам, должна быть умягчена во избежание закупорки труб. Вся вода, используемая для образования пара или для работы бойлеров, также должна быть умягчена, чтобы на нагревающих поверхностях не образовывалась накипь. Образование накипи в котлах нежелательно с точки зрения безопасности и экономичности производства. Устройство трубопроводной системы От места водозабора вода направляется по всем потребляющим ее участкам предприятия. Она перемещается по системе трубопроводов, подобной той, по которой движется продукт. Трубы диаметром 2,5" (65 мм) или более изготавливаются из нержавеющей стали, а трубы меньшего диаметра – из оцинкованной стали. Эта система включает в себя запорные краны, 7 манометры и направляющие клапаны. В системе устанавливаются фильтры и иногда редукционные клапаны для поддержания требуемого давления. Для многих этапов технологических процессов производства молочных продуктов 8 необходимо водоснабжение, отвечающее специальным требованиям. Зачастую требуется подача больших объемов воды под неизменно высоким давлением в течение относительно короткого времени. Кратковременные периоды интенсивного потребления могут одновременно иметь место в нескольких местах. Система трубопроводов и нагнетающие 9 мощности должны быть поэтому рассчитаны на такие внезапные нагрузки. 1 Например, молокозавод может увеличить выпуск продукции без соответствующего увеличения водоснабжения. Если это произойдет и одновременно возникнет несколько внезапных нагрузок, давление в нагнетающей системе может упасть до опасно 4 3 низкого уровня, при котором нарушится правильная работа определенного 5 оборудования. Для предотвращения таких ситуаций можно воспользоваться водонапорным баком. Водонапорный 6 резервуар играет роль аккумулятора. Его типовой объем – в пределах 1–3 м3. 2 Вода в нем держится под давлением, определяемым воздушной подушкой. По требованию водонапорный бак снабжает оборудование необходимым количеством воды под необходимым давлением. После того как срочная потребность удовлетворена, бак снова наполняется до следующего забора воды. На рис. 6.11.3 показан такой водонапорный бак. Рис. 6.11.3 Водонапорный Во время отсутствия потребности в танке он наполняется водой до установления бак. определенного давления. Датчик давления (4) отключает подачу электроэнергии от насоса (6). 1 Бак Как только вода забирается из бака, падение давления немедленно фиксируется датчиком 2 Дренажный клапан давления, который через контактор запускает насос, подающий воду в бак. Ее уровень 3 Предохранительный поднимается в танке до тех пор, пока не восстановится заданное давление. В этот момент клапан. Срабатывает датчик давления выключает насос. Водонапорный бак находится в состоянии готовности при 600 кПа 4 Датчик давления к очередному забору воды. Теплоснабжение Производство молочных продуктов требует больших расходов тепловой энергии для подогрева различных продуктов, моющих растворов и т.д. Тепло обычно передается продукту в теплообменниках с помощью теплоносителя, также называемого нагревательной средой. Теплоноситель аккумулирует тепло в тепловой установке и распространяется по заводу среди различных потребителей (таких, например, как теплообменник пастеризатора) по системе трубопроводов. Там тепло передается нагреваемому продукту. Затем теплоноситель возвращается в нагревательную установку, где он снова подогревается перед тем как опять направиться к участкам потребления энергии. Это замкнутый, непрерывный цикл. В качестве теплоносителя часто используется пар, нагретый до 140–150°С. На молочных заводах, построенных в последнее время, установлены системы, использующие горячую воду. Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 5 6 7 8 9 Обратный клапан Водокольцевой насос Вентиляционный клапан Манометр Трубчатый уровнемер 177 На большинстве участков для нагрева требуется вода с температурой около 100°С. При этом давление в системе должно быть выше атмосферного, чтобы вода не кипела. Стоимость установки системы горячего водоснабжения несколько ниже, чем паровой системы. Водяную систему так же легко регулировать, и ею удобнее управлять. А ее недостатком является то, что теплопередача у нее более низкая, чем у паровой системы. Производство пара 5 5 2 3 10 1 11 9 12 Рис. 6.11.4 Система производства и распределения пара. 1 Котел 2 Распределительный сосуд для пара высокого давления 3 Редукционный клапан 4 Распределительный сосуд для пара низкого давления 5 Точки потребления 6 Конденсационные горшки 7 Конденсатный бак 8 Конденсатный насос 9 Бак для бойлерной воды 10 Фильтр для умягчения воды 11 Дегазация бойлерной воды 12 Насос для бойлерной воды Пар Теплоноситель поступает из водяных или паровых котлов, которые иногда располагаются в нагревательной установке. В качестве котельного топлива обычно используются мазут, уголь или газ. Сжигаемое топливо высвобождает 4 тепловую энергию, которая поглощается 5 5 5 5 5 5 теплоносителем. Коэффициент полезного действия котла обычно колеблется в пределах 80–92%, а тепловые потери в системе трубопроводов часто доходят до 15%. В конечном счете только 65–70% 6 6 6 6 6 6 всей тепловой энергии топлива могут быть использованы в производственных процессах. С точки зрения 7 эксплуатационных расходов чрезвычайно важно, чтобы кпд котла не опускался ниже определенного минимума, и поэтому на молочном заводе данная 8 характеристика котла очень тщательно контролируется. Температура пара в паропроводящей системе, о которой речь пойдет ниже, должна находиться в пределах 140–150°С. В варианте насыщенного пара это эквивалентно давлению 270–385 кПа (2,7–3,8 бара). Котлы функционируют при значительно более высоком давлении – как правило, оно составляет 900–1100 кПа (9–11 бар), поэтому для компенсации потерь тепла и давления в системе можно использовать трубы меньших диаметров. На рис. 6.11.4 представлена упрощенная схема системы производства и распределения пара. В воде, поступающей в котел, часто содержатся соли кальция, которые придают ей жесткость, а также кислород и двуокись углерода. Поэтому часто бывает необходимо предварительно очистить воду от этих компонентов. В противном случае в системе осаждаются соли, а на стенках котла будет образовываться накипь, резко снижающая кпд. Кислород вызовет сильную коррозию деталей, контактирующих с водой и паром. Поэтому система оснащается фильтрами, предназначенными для умягчения воды (10), которые задерживают соли кальция и магния, устройством (11), удаляющим из воды газы. Примеси в виде шлама удаляются продувкой котла. Для поддержания паровой системы в исправном состоянии необходима химическая обработка бойлерной воды. Нагнетающий насос поддерживает постоянный уровень воды в котле. Вода в котле нагревается сгорающим топливом и превращается в пар. Для выпаривания 1 кг воды требуется значительное количество теплоты – около 2260 кДж (540 кКал) при атмосферном давлении. Эта теплота парообразования впоследствии высвобождается при конденсации пара на теплопередающих поверхностях устройств, потребляющих пар (5). Сконденсировавшийся пар (конденсат) собирается в конденсационный горшок (6) и в конденсатный бак (7), откуда перекачивается обратно в котел насосом для конденсата. Паровые котлы Рис. 6.11.5 Принцип работы жаротрубного котла. 178 Существуют два основных типа паровых котлов: жаротрубный (наиболее часто употребляемый на молочных заводах) и водотрубный. Выбор определяется необходимым давлением пара и мощностью пара, то есть количеством пара, потребляемого в единицу времени. Котлы низкой производительности и низкого давления – это чаще всего котлы трубного типа, в которых газы циркулируют по жаровым трубам. Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 На рис. 6.11.5 показан принцип работы жаротрубного котла (дымогарного). Горячие дымовые газы прогоняются по трубам вентилятором. Через стенки труб теплота дымовых газов передается воде, окружающей трубы. Вода нагревается до кипения, а пар собирается в сухопарнике (паровом колпаке) для дальнейшего распределения в системе. Когда давление в сухопарнике достигает расчетного уровня, открывается паровой клапан и пар направляется к местам потребления. Горелка включается и выключается автоматически, поддерживая постоянное давление пара. Вода добавляется в котел по мере необходимости для поддержания ее постоянного уровня. При превышении максимально допустимого давления пара в сухопарнике открывается предохранительный клапан. Существует большое разнообразие моделей водотрубных котлов (рис. 6.11.6). Принцип их действия состоит в том, что находящиеся снаружи дымовые газы нагревают воду, проходящую по трубам, что позволяет образующемуся в них пару подниматься вверх, к сухопарнику. Перед поступлением в систему распределения пар через пароперегреватель попадает в два верхних сухопарника. В пароперегревателе пар вторично нагревается, т.е. перегревается дымовыми газами. В результате пар становится более сухим. В нижнем колпаке собирается осадок, который состоит из примесей, присутствовавших в бойлерной воде. Этот осадок удаляется продувкой нижней части котла. В других моделях осадок скапливается на дне котла. Сбор конденсата Пар, проходящий по трубам системы, охлаждается окружающим воздухом и, как следствие этого, начинает конденсироваться. Конденсацию можно уменьшить, изолируя трубы, но полностью избежать ее невозможно. Следовательно, трубы нужно монтировать с небольшим наклоном в направлении сборников конденсата, которые находятся в различных точках системы трубопроводов. В этих точках устанавливаются конденсационные горшки. Они пропускают конденсат (и желательно воздух), но не пропускают пар. Таким же образом собирается конденсат в различных местах нахождения потребителей пара и возвращается конденсатными насосами по трубопроводам в сборный бак нагревающей установки. Конденсат также может быть возвращен в водяной бак и давлением пара без применения конденсатного насоса или конденсатного бака. Такая система нашла широкое применение. Другое оборудование Выход пара Сухопарник Пароперегреватель Сухопарник Осадочный купол Рис. 6.11.6 Принцип действия водотрубного котла с тремя паросборными куполами. Пар со сниженным давлением Распределительный сосуд ПГП ПТП Конденсационные горшки Топочное оборудование промышленных паровых котлов состоит из собственно топки. Чаще всего это мазутная топка с распылителем, в котором мазут превращается в мельчайшую взвесь. Эта взвесь воспламеняется высоковольтными электродами, а образовавшиеся Танк для Насос для бойлерной воды бойлерной воды в результате ее сгорания газы распределяются внутри котла вентилятором. Котел также оснащен системой безопасности для исключения риска Рис. 6.11.7 Система несчастных случаев или поломок. На современных паровых котлах установлены распределения пара системы автоматического управления, позволяющие их эксплуатировать без и сбора конденсата постоянного надзора со стороны оператора. Система паровых трубопроводов Принципиальная схема системы распределения пара и сбора конденсата показана на рис. 6.11.7. Пар проходит через главный клапан в сухопарнике котла и через редукционный клапан к распределительному сосуду, от него – к различным потребителям. Часто редукционный клапан устанавливается непосредственно перед потребителем для точной регулировки давления пара. Система паровых трубопроводов подвергается большим температурным перепадам. Это приводит к значительному тепловому расширению труб. Поэтому трубы нужно монтировать так, чтобы ничто не препятствовало их осевому перемещению. Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 179 Охлаждение A Технологический процесс производства продукта должен протекать при строго определенных температурных условиях. Повышение температуры обычно приводит к активизации микроорганизмов, которые могут присутствовать в продукте, а также к ускорению протекания ферментативных реакций. Такой активности нужно всячески избегать, для этого необходимо как можно быстрее после завершения определенного этапа технологического процесса снизить температуру продукта. Следовательно, на молочных заводах потребность в охлаждении достаточно велика, при этом эксплуатационные расходы на холодильное оборудование составляют заметную статью бюджета предприятия. Принцип охлаждения B C Рис. 6.11.8 При пониженном давлении вода кипит при более низких температурах (g – избыточное давление). Принцип охлаждения основан на поглощении тепла при превращении жидкости в пар. Это явление, теплота испарения, уже упоминалось при описании парового котла. Внутреннее давление в паровом котле выше атмосферного давления, и поэтому вода в котле закипает при более высокой температуре. Когда давление повышено до 1000 кПа (10 бар), вода закипает при 183°С (см. рис. 6.11.8 А). И наоборот, если давление понижено, вода закипает при более низкой температуре. При атмосферном давлении вода кипит при 100°С (рис. 6.11.8 В). Если давление ниже атмосферного, создается вакуум, и вода кипит при температуре ниже 100°С. Подключив вакуумный насос к сосуду с водой и снизив абсолютное давление до 50 кПа (0,5 бара), можно заставить воду кипеть при 80°С. А если давление снизить до 1,25 кПа (0,0125 бара), вода закипит при 10°С (рис. 6.11.8 С). Если в последнем случае сосуд поместить в изолированное помещение, в котором температура воздуха равна 20°С, тепло будет передаваться от воздуха к воде, находящейся в сосуде. Вода в этом случае превратится в пар. Если образовавшийся таким образом пар непрерывно удаляется, так что давление внутри емкости не превышает 1,25 кПа, воздух в помещении будет охлаждаться в процессе передачи тепла воде, находящейся в сосуде, то есть вода будет играть роль хладагента. 1,25 кПа – это очень низкое давление, и поэтому было бы слишком дорого использовать воду в качестве хладагента. Существуют другие жидкости, которые закипают при той же температуре, но гораздо более высоких давлениях. У такой жидкости давление насыщенного пара выше, чем у воды. Возьмем, например, эфир. Если капля этой жидкости попадет на кожу, мы сразу ощутим холод. Причина в том, что тепло от кожи переходит к жидкому эфиру в момент его кипения и преобразования в пар. Эфир кипит при температуре ниже 37°С при атмосферном давлении. Если давление на поверхности жидкости снижать с помощью вакуумного насоса, можно заставить ее закипеть при температурах ниже нуля. В качестве хладагента широко используется аммиак. Он кипит при атмосферном давлении при температуре минус 33°С. Если давление снизить до 50 кПа (0,5 бара), аммиак будет кипеть при минус 45°С. Фреон R22 – еще один известный хладагент, который, в отличие от аммиака, не токсичен и не имеет запаха, а также не горит и не взрывается. Как хладагент он имеет примерно одинаковое с аммиаком давление насыщенного пара при различных температурах. Применение таких хладагентов, как R12 и R22, сегодня в большинстве стран ограничено, так как они способствуют разрушению озонового слоя в стратосфере земли. Основу этих хладагентов составляют хлорированные фторуглероды (ХФУ). И именно хлор оказывает разрушительное воздействие на озон. Кроме того, ХФУ – одни из виновников нарастания так называемого парникового эффекта. При выборе системы охлаждения желательно по возможности заменять хладагенты ХФУ безопасными для окружающей среды веществами. Работа системы охлаждения Система охлаждения – это замкнутая схема, в которой хладагент непрерывно преобразуется из газового состояния в жидкое, и наоборот, поочередно подвергаясь воздействию то пониженного давления (расширение), то повышенного (сжатие). Основными узлами системы являются: • Испаритель • Компрессор • Конденсатор • Расширительный клапан. На рис. 6.11.9 показано, как действует система. Хладагент находится под низким давлением в испарителе, где он поглощает тепло из окружающего пространства. Это приводит 180 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 к непрерывному испарению части хладагента. Пар непрерывно извлекается из испарителя компрессором, который таким образом удерживает на постоянном уровне давление хладагента и его температуру испарения. В компрессоре находящийся в парообразном состоянии хладагент сжимается до более высокого давления. Затем горячие пары хладагента вытесняются из компрессора в конденсатор для охлаждения. Сжатие приводит к повышению и температуры парообразования, и температуры конденсации хладагента. При использовании аммиака в качестве хладагента рабочая температура парообразования часто составляет около 20°С ниже нуля, что соответствует абсолютному давлению парообразования 200 кПа (2 бара). Давление испарившегося газа повышается примерно до 1000 кПа (10 бар) в компрессоре, что соответствует температуре испарения 25°С. При этом аммиачный газ конденсируется, то есть переходит из парообразного в жидкое состояние. Это происходит в конденсаторе путем охлаждения водой или воздухом. Тепло, поглощенное аммиаком в испарителе, высвобождается в конденсаторе. Сконденсированный жидкий аммиак должен затем быть возвращен из конденсатора в испаритель. Жидкость пропускается через расширительный клапан для снижения давления. При этом также снижается температура жидкости. Расширительный клапан настроен на снижение давления до строго определенного уровня (при котором жидкость приобретает то же давление, что и в испарителе). Небольшая часть жидкости испаряется в расширительном клапане при снижении давления. Необходимая теплота парообразования забирается от жидкости, которая вследствие этого охлаждается. Рис. 6.11.9 Схема работы холодильной системы с использованием аммиака в качестве хладагента. Испаритель Испаритель – это та часть холодильной установки, в которой происходит испарение хладагента. Конструкция испарителя зависит от типа используемого хладагента. На молочных заводах, главным образом, эксплуатируются три вида испарителей: • Испарители с воздушной циркуляцией • Кожухотрубные и пластинчатые испарители • Испарители-змеевики для накопления льда. В испарителе с воздушной циркуляцией (рис. 6.11.10) воздух охлаждается, проходя через батарею труб, оснащенных ребрами для максимального увеличения площади теплопередачи. Хладагент, циркулирующий по трубам, поглощает тепло из воздуха и испаряется. Испарители этого типа применяются для охлаждения складских помещений и для охлаждения воздуха в установках кондиционирования воздуха. Кожухотрубные и пластинчатые испарители широко применяются на молочных заводах, где их основная функция – извлечение тепла у циркулирующих хладагентов, которые охлаждают продукцию в производственных теплообменниках. В числе этих хладагентов – ледяная вода, рассол и спирты (алкоголь и гликоль), которые замерзают при температурах ниже нуля. Испаритель-змеевик (на рис. 6.11.11), предназначенный для накопления льда, помещают в сосуд с водой для ее сильного охлаждения. В ночное время на трубах испарителя, по которым циркулирует хладагент, образуется слой льда. Это позволяет использовать дешевую электроэнергию для работы охладительной установки. Днем лед тает, увеличивая количество ледяной воды и производительность охладительной установки. Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Рис. 6.11.10 Малогабаритный воздухоохладитель. Рис. 6.11.11 Испаритель-змеевик в баке с ледяной водой. 181 Компрессор В конденсатор Рис. 6.11.12 Принципиальная схема устройства винтового компрессора. Пар хладагента сжимается в компрессоре до высокого давления. Это повышает температуру пара. Работа, выполненная компрессором, передается газу в виде тепла. Это означает, что газ, покидающий компрессор, содержит больше тепла, чем было поглощено в испарителе. Вся эта теплота должна быть, следовательно, изъята при охлаждении в конденсаторе. Наиболее широко используемым Из испарителя холодильным компрессором является компрессор поршневого типа. Газ затягивается в цилиндры и сжимается в них поршнями. Количество цилиндров изменяется в зависимости от холодильной мощности машины, которая может составлять от 0,1 до 400 кВт. В последнее время так же широко применяется и винтовой компрессор (рис. 6.11.12), особенно когда требуются большие мощности. Его основные детали – два винтовых ротора, установленных в общем корпусе. При вращении роторов газ затягивается в промежутки между выступами (см. также раздел об объемных насосах, глава 6.7) и захватывается в зазорах. Пространство между выступами постепенно сужается по мере перемещения газа вдоль роторов, поэтому газ постепенно сжимается, и давление нарастает. Сжатый пар направляется в конденсатор. В большинстве винтовых компрессоров на сопрягающиеся поверхности распыляется масло для уменьшения утечки через зазоры между роторами. Таким образом, можно обеспечить высокий коэффициент полезного действия даже при работе на малых скоростях. Масло отделяется от пара в маслоуловителе, расположенном перед конденсатором. Винтовые компрессоры используются в крупных установках. Самым существенным преимуществом компрессоров этого типа является то, что их производительность при необходимости может быть снижена до 10% от максимально возможной без чрезмерных потерь электроэнергии. Конденсатор Тепло, поглощенное испарителем, и тепло, отданное пару в компрессоре, отводится при охлаждении в конденсатор. Конденсаторы подразделяются на три типа: • Конденсаторы воздушного охлаждения • Конденсаторы жидкостного охлаждения • Испарительные конденсаторы. Выбор конденсатора определяется внешними факторами, такими как водоснабжение, стоимость воды и продолжительность работы установки. Конденсаторы воздушного охлаждения до последнего времени, как правило, использовались в небольших холодильных установках, но сейчас находят все более широкое применение в крупных установках. Причина – в быстром росте стоимости воды, а иногда в неуверенности в ее постоянных поставках. В конденсаторе воздушного охлаждения хладагент проходит сквозь охлаждающий змеевик с ребрами, вокруг которого циркулирует охлаждающий воздух. При охлаждении в змеевике хладагент конденсируется, после чего направляется к дроссельному клапану. Рис. 6.11.13 Трубный конденсатор, открытый с передней стороны (кожухотрубного типа). 182 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Конденсатор водяного охлаждения – наиболее экономичный вариант в тех местах, где имеется дешевое водоснабжение. Самая распространенная конструкция – трубный конденсатор (рис. 6.11.13). Его работа построена на циркуляции охлаждающей воды по трубам, что приводит к конденсации хладагента на внешних поверхностях труб. Конденсатор водяного охлаждения (рис. 6.11.14) часто объединяют с градирней. Охлаждающая вода охлаждается воздухом в градирне, а затем перекачивается в конденсатор, где поглощает теплоту конденсации хладагента. Из конденсатора вода обратно перекачивается в градирню для очередного цикла охлаждения воздухом. Испарительный конденсатор представляет собой объединение конденсатора воздушного охлаждения с градирней. К такому варианту прибегают при недостатке или в случае высокой стоимости охлаждающей воды. Прочее оборудование Описанная выше охладительная установка сильно упрощена с целью иллюстрации принципа ее работы. Для работы данной установки необходимо множество компонентов – например, баки для хладагента, фильтры, маслоотделители, предохранительные клапаны, отсечные клапаны, датчики уровня, давления и температуры и прочие виды контрольного оборудования, обеспечивающего безопасную работу установки. Данная установка может быть также оборудована устройствами автоматического управления, устраняющими необходимость постоянного наблюдения за установкой и обеспечивающими более экономичную работу. Производство сжатого воздуха Рис. 6.11.14 Комбинированная установка, включающая трубный конденсатор и градирню. К оборудованию и приборам, используемым на предприятиях молочной промышленности для автоматического управления, наблюдения и регулирования различных производственных процессов предъявляются особые требования. Автоматические системы с пневматическим управлением доказали свою надежность во влажной атмосфере молочного завода и поэтому нашли там широкое применение. Для обеспечения надежной работы этих систем сжатый воздух должен быть очищен от примесей, что предъявляет определенные требования к конструкции пневматической системы. Сжатый воздух также используется и для выполнения других задач: • Энергоснабжение приводов некоторых машин, в том числе фасующих • Вытеснение продукта из трубопроводов • Перемешивание в накопительных емкостях • Пневматические инструменты в мастерских. A Требования, предъявляемые к сжатому воздуху В соответствии с функциями, которые приходится выполнять сжатому воздуху на молочном предприятии, предъявляются различные требования к его давлению, сухости, чистоте и количеству. В зависимости от степени чистоты сжатый воздух делится на три категории качества: • Сжатый воздух, находящийся в непосредственном контакте с продукцией. Этот воздух должен быть чистым, свободным от примесей масла, сухим, не иметь запаха и быть практически стерильным. Используются относительно небольшие количества этого воздуха высшей категории качества. Обычно он подается под давлением от 200 до 300 кПа (2–3 бар) • Сжатый воздух, не соприкасающийся с продукцией, но который должен быть чистым, сухим и желательно без примесей масла, так как он предназначается для управления приборами и использования в качестве источника энергии для привода пневматических механизмов, клапанов и т.д. Этот тип сжатого воздуха подается под давлением 500–600 кПа (5–6 бар) • Сжатый воздух, в котором не должно быть твердых частиц и который должен быть как можно более сухим, так как он используется для привода пневматического инструмента и т.п. Подается под давлением порядка 600 кПа (6 бар). В неочищенном атмосферном воздухе всегда много примесей. Они же сохраняются и в неочищенном сжатом воздухе, к которому еще добавляются примеси Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 B C Рис. 6.11.15 Некоторые способы применения сжатого воздуха на молочном заводе. А В С Воздух для привода клапанов Воздух для привода цилиндров Воздух для пневматических инструментов 183 из компрессора. Это могут быть частички изнашивающихся деталей и капли масла. В атмосферном воздухе также содержатся водяные испарения, которые должны быть удалены, если к качеству сжатого воздуха предъявляются соответствующие требования. Наибольшие количества сжатого воздуха используются в пневматических механизмах на молочном заводе и в мастерских. Воздух должен поступать под давлением около 600 кПа (6 бар). Для этого необходим компрессор, развивающий рабочее давление 700 кПа (7 бар) для компенсации потерь давления в системе распределения. Сжатый воздух более низкого давления по сравнению с давлением в системах управления приборами и силовых системах требуется лишь в небольших количествах. Следовательно, было бы неэкономично держать для производства этого воздуха специальный компрессор, которому к тому же потребовалась бы и отдельная система воздухопроводов. Поэтому сжатый воздух для всех систем вырабатывается одним центральным компрессором и уже затем проходит индивидуальную обработку в соответствии с конкретным назначением. Установка для производства сжатого воздуха Сжатый воздух вырабатывается воздушным компрессором. Когда в воздухе не допускается присутствие примесей масел, нельзя использовать компрессоры, в которых для повышения кпд камера сжатия смазывается маслом. Для этого применяются безмасляные компрессоры. Из сжатого воздуха практически невозможно удалить все масло, тем не менее можно удерживать остаточное содержание масла в пределах всего лишь 0,01 ppm (частей на миллион). Как правило, для удовлетворения потребности молочного завода в сжатом воздухе используются два одинаковых компрессора. Обычно применяются компрессоры с масляной смазкой, винтовые компрессоры с безмасляными камерами сжатия, специальные поршневые компрессоры с несмазываемыми цилиндрами и устройством для предотвращения попадания масла из картера в камеру сжатия, а также турбокомпрессоры. На рис. 6.11.16 показана одна из таких установок. Воздух из компрессора подается в осушитель, в котором из него удаляются водяные пары охлаждением и конденсацией. Далее осушенный воздух перемещается в ресивер. Забираемый из этой емкости сжатый воздух используется для управления приборами, активизации клапанов и энергоснабжения силовых цилиндров и для других подобных целей. Сжатый воздух высочайшего качества, который непосредственно соприкасается с продукцией при ее пневматическом перемешивании в танках и при вытеснении ее из трубопроводов, подвергается дополнительной сушке в абсорбционных фильтрах, а затем стерилизуется в специальных фильтрах, после чего направляется по назначению. Рис. 6.11.16 Установка для производства сжатого воздуха. Осушение воздуха В воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров. Максимальное количество водяного пара ( в г/м3), которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры. Воздух, содержащий максимально возможное количество водяных паров, считается насыщенным. При 30°С в насыщенном воздухе содержится 30,1 грамма воды на кубический метр. Если температура опустилась до 20°С, максимальное содержание пара уменьшится до 17,1 г/м3. Это означает, что пар в количестве 30,1 – 17,1 = 13,0 г/ м3 сконденсируется в виде свободной воды. Температура, при которой пар начинает конденсироваться, называется точкой росы. Атмосферный воздух при температуре 20°С содержит не более 17,1 г/м3 воды. Степень сухости воздуха, при тех же условиях в котором содержится всего 6,8 г/м3 воды, может быть охарактеризована как “относительная влажность”, то есть соотношение между фактическим содержанием воды и максимально возможным ее содержанием. Относительная влажность воздуха при этом составит: 6,8 х 100 = 40% 17,1 184 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Точка росы воздуха в данном случае составляет 5°С. Пар будет конденсироваться с образованием свободной воды, если он охлажден ниже 5°С. Если атмосферный воздух, давление которого составляет 100 кПа (1 бар), сжать до половины его объема, не меняя его температуру, давление возрастет до 200 кПа (2 бар). В кубическом метре этого сжатого воздуха будет в данном случае содержаться 2 х 6,8 = 13,6 грамма воды. Точка росы воздуха в результате происшедшего сжатия также возрастет с 5°С до 16°С. Если мы еще раз сожмем воздух до половины его объема, давление вырастет до 400 кПа (4 бар). В кубическом метре сжатого воздуха будет содержаться 2 х 13,6 = 27,2 грамма воды. Но при температуре 20°С в воздухе может содержаться не более 17,1 грамма воды, независимо от давления. Значит, излишек 27,2 – 17,1 = 10,1 г сконденсируется в виде свободной воды. И наоборот, можно понизить точку росы, если позволить воздуху расшириться с понижением давления (увеличением объема). Воздух, который был сжат в компрессоре (см. рис. 6.11.16), содержит большое количество воды. Он также сильно разогрет (до 140–150°С) и должен быть охлажден. Для этого его пропускают через доохладитель, в котором большая часть воды конденсируется благодаря охлаждающему воздействию воды или воздуха. Затем сжатый воздух попадает в охладитель-осушитель, где происходит дальнейшее охлаждение до температуры 2°С (точка росы). Теперь давление просушенного воздуха составляет 700 кПа (7 бар), температура – 2°С и влажность – 5,6 г/м3. В молочном производстве необходимо, чтобы точка росы была как минимум на 10°С ниже наименьшей температуры окружающей среды, до которой могут охладиться воздухопроводы. В большинстве случаев в качестве точки росы приемлемой считается температура 2°С. Если воздухопроводы проложены в местах, где температура опускается ниже 0°С, воздух необходимо просушивать до еще более низких значений точки росы во избежание конденсации воды в трубопроводах пневмосистемы, так как это может привести к неисправностям. В таких случаях следует применять абсорбционные осушители. Влага в них вытягивается из воздуха сушильным агентом типа силикагеля. Стерильный воздух получают, пропуская сжатый воздух сквозь стерильные фильтры. Их фильтрующие элементы состоят из химически чистого хлопка, сложного полиэфира или полипропилена. Микроорганизмы, содержащиеся в воздухе, погибают при нагреве в компрессоре. Повторное попадание микроорганизмов может произойти в трубах, и поэтому непосредственно перед оборудованием, в котором используется сжатый воздух, устанавливаются стерилизующие фильтры. Стерилизация фильтров осуществляется паром. Система трубопроводов Наиболее целесообразным представляется иметь одну компрессорную установку и единую сеть распределения сжатого воздуха на весь молочный завод. Для современного, высокоавтоматизированного предприятия очень важно, чтобы приборы и системы управления всегда были обеспечены сжатым воздухом под необходимым давлением и в требуемом количестве. В некоторых случаях устанавливают регуляторы, направляющие сжатый воздух в систему управления, так что, если возникает тенденция к падению давления в линии нагнетания, подача сжатого воздуха к менее чувствительным потребителям может быть перекрыта. Электроснабжение Молочные заводы обычно покупают электроэнергию у местных поставщиков. В большинстве случаев она предоставляется в виде высокого напряжения – от 3000 до 30 000 вольт, но предприятия, которым нужна электроэнергия мощностью примерно до 300 кВт, могут также нуждаться в поставках низкого напряжения, порядка 200–440 В. Основными узлами системы заводского электроснабжения являются: • Высоковольтное распределительное устройство • Силовой трансформатор • Низковольтное распределительное устройство • Генератор • Центр управления электродвигателями (ЦУЭ). Высоковольтное распределительное устройство Высоковольтное распределительное устройство – это основной распределительный щит высоковольтного напряжения. Он состоит из ряда панелей с центральной шинной системой, к которой подсоединены различные типы выключателей. Одна или несколько панелей предназначены для приема поступающей от продавца Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 185 Распределительное устройство высокого напряжения Силовой трансформатор Распределительное устройство низкого напряжения Центр управления электродвигателями (ЦУЭ) Рис. 6.11.17 Пример системы электроснабжения молокозавода. 1 Электрощит для приема электроэнергии 2 Электрощит для измерительного оборудования 3 Электрощит для питания трансформаторов 4 Прерыватель цепи 5 Главный рубильник 6 Пускатель электродвигателя 7 Изолирующий выключатель 8 Потребитель (электродвигатель) электроэнергии. Каждая из этих панелей снабжена изолирующим выключателем. После принимающих панелей следует панель, на которой размещены приборы для измерения потребляемой электроэнергии. Затем идут щиты, отвечающие за раздачу электричества заводским потребителям,– по одному щиту на трансформатор. Обычно на молокозаводе имеется от одного до четырех трансформаторов. Каждый трансформатор защищен выключателем (прерывателем цепи или выключателем нагрузки с плавким предохранителем), который прерывает подачу энергии в случае неисправности или перегрузки. Если на молочном заводе имеются электродвигатели очень большой мощности, например, мощностью от 300 кВт и выше, целесообразным представляется их питание высоковольтным электричеством от отдельных панелей распределительного устройства. Силовой трансформатор Силовой трансформатор получает электроэнергию по кабелям, связывающим его с высоковольтным распределительным устройством. Силовой трансформатор преобразует высокое напряжение в низкое, обычно от 200 до 440 В. Размеры трансформатора зависят от потребляемой электроэнергии. Обычный диапазон мощности – в пределах 400–2000 кВА. Существуют два основных типа трансформаторов: • С масляной изоляцией для установки в помещениях и вне помещений • С сухой изоляцией для установки в помещениях. Трансформаторы с масляной изоляцией дешевле, но их необходимо устанавливать в отдельных, пожаробезопасных помещениях из-за применения легковоспламеняемого масла. В помещении под таким трансформатором должен находиться маслосборник для вытекающего масла. В трансформаторах с сухой изоляцией не используется легковоспламеняемое масло, поэтому они могут устанавливаться рядом с нагрузкой. В трансформаторах происходят потери электроэнергии, обычно порядка 1 кВт на 100 кВА, преобразующиеся в тепловую энергию, которая должна отводиться вентиляцией. 186 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Низковольтное распределительное устройство Это распределительное устройство получает энергию по кабелям или шинам, соединяющим его с силовым трансформатором. Распределительное устройство низкого напряжения является основным распределительным щитом низковольтной сети. В нем находится оборудование для переключения, контроля и защиты распределяемой энергии. Размеры главного выключателя и системы шин распределительного устройства зависят от размеров силового трансформатора. В состав распределительного устройства входят: • Один блок на входе с главным выключателем для отключения распределительного устройства и приборами контроля за напряжением, силой тока и т.д. • Несколько блоков на выходе для крупных потребителей типа центров управления электродвигателями (ЦУЭ), гомогенизаторов и т.д.; у каждой линии питания имеется прерыватель цепи и плавкий предохранитель для защиты кабелей и аппаратуры • Один блок с оборудованием для компенсации коэффициента мощности (не всегда). Генераторная установка Генераторная установка используется для выработки собственной электроэнергии непосредственно на молочном заводе. Она может работать как в непрерывном режиме, так и использоваться в качестве резервного источника тока в случае перерыва в поступлении электричества от местной электросети. Обычно генераторная установка имеет привод от дизельного двигателя, собственные щитки управления и вырабатывает ток низкого напряжения. При необходимости можно одновременно использовать несколько параллельно соединенных генераторных установок. Центры управления электродвигателями (ЦУЭ) ЦУЭ получает электроэнергию по кабелям, соединяющим их с распределительным устройством низкого напряжения. ЦУЭ осуществляет контроль, защиту и передачу энергии конечным потребителям, на молокозаводе. В состав ЦУЭ входят приемный блок с главным выключателем для изоляции и выходные блоки для подачи питания к машинам и двигателям. Наиболее типичными потребителями являются: • Однофазные и трехфазные рубильники (или предохранители) • Пускатели электродвигателей для непосредственного оперативного запуска • Пускатели электродвигателей для запуска по схеме типа “звезда” или “треугольник” • Двухскоростные пусковые устройства. Обычно ЦЭУ имеет ряд точек подключения. У некоторых машин имеется щиток управления ЦЭУ со всем необходимым оборудованием. Управление ЦЭУ можно производить: • Вручную с помощью кнопок на передней панели • Вручную с помощью кнопок на панелях, размещенных на производственных участках • С помощью систем электронного управления, расположенных внутри ЦУЭ или на центральном пульте управления. Отдельные машины и электродвигатели получают питание по кабелям, протянутым к ним от ЦУЭ. Обычно кабели прокладываются по специальным кабелепроводам или по трубам. Рядом с каждым электродвигателем устанавливается аварийный выключатель, который используется при техническом обслуживании двигателя. В соответствии с международным стандартом IP (International Protection), все используемые материалы и оборудование должны иметь надлежащую защиту от контакта с твердыми предметами и с водой, соответствующую специфике помещений (или окружающей среды), в которых они установлены. Классификация помещения может быть определена с помощью международных стандартов. Для помещений обычно необходимо пользоваться стандартом IP 54. Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 187 188 Технология производства молочных продуктов/глава 6.11 Проектирование технологической линии На молочном заводе сырое молоко проходит несколько стадий обработки на различных типах технологического оборудования, прежде чем поступит к потребителю в виде готового продукта. Производственный процесс обычно происходит непрерывно в замкнутой линии, основные элементы которой соединены между собой системой трубопроводов. Вид применяемой обработки и схема процесса зависят от вида конечного продукта. Процесс, описанный в данной главе,– это процесс общей пастеризации молока. Он является базовой операцией переработки молока и представляет собой важный этап предварительной обработки в цепи технологических процессов на молочном заводе, таких как производство сыра и кисломолочных продуктов. Нашей целью является представление хода рассуждений инженера-проектировщика при проектировании установки для пастеризации цельного молока. Технология производства молочных продуктов/глава 7 189 Основы проектирования технологического процесса Имеется множество аспектов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании технологической линии. Они могут меняться, усложняться, что предъявляет серьезные требования к лицам, ответственным за предварительное проектирование. Техническая реализация проекта всегда является компромиссом между различными требованиями: • Связанными с продукцией – относящиеся к сырью, его обработке и качеству конечного продукта • Связанными с технологией – относящиеся к производительности завода, выбору элементов и их совместимости, степени управления процессом, доступности теплоносителей и хладагентов, очистке технологического оборудования, и т.д. • Экономическими – чтобы полные издержки производства товара требуемого качества были минимальными • Юридическими – требованиями законодательства к параметрам процесса, а также выбору компонентов и системных решений. Труба выдержки розлив Рис. 7.1 Обобщенная блок-схема процесса пастеризации молока. Очистка На рис. 7.1 представлена технологическая схема производства питьевого молока, включающая тепловую обработку – пастеризацию цельного молока. Некоторые юридические требования В большинстве стран, где из молока вырабатывается широкий ряд молочных продуктов, законом установлены определенные требования для защиты потребителей от заражения патогенными микроорганизмами через молочные продукты. Формулировки и рекомендации могут различаться, но группа приведенных ниже требований охватывает большинство из обычно предъявляемых. • Тепловая обработка Молоко должно подвергаться тепловой обработке таким образом, чтобы все патогенные микроорганизмы были убиты. Минимальная температура и время выдержки должны составлять 15 секунд при 72°С. • Регистрация Температура нагрева должна регистрироваться автоматически, а записи должны сохраняться в течение предписанного периода времени. • Очистка перед тепловой обработкой Так как молоко часто содержит твердые частицы, такие как частицы грязи, лейкоциты (белые кровяные тельца), и соматические клетки (ткани вымени), его необходимо очистить. Поскольку пастеризация наименее эффективна, если микроорганизмы защищены хлопьями и частицами, 190 Технология производства молочных продуктов/глава 7 присутствующими в молоке, то очистка должна осуществляться перед нагреванием. Молоко может быть очищено с помощью фильтров или, что наиболее эффективно, сепараторов-молокоочистителей. • Предупреждение повторного бактериального обсеменения Теплообменники должны рассчитываться таким образом, чтобы обеспечивать более высокое давление со стороны потока пастеризованного молока по сравнению с непастеризованным молоком и сервисными средами. Если в теплообменнике происходит утечка, пастеризованное молоко может попасть в сырое молоко или охлаждающую жидкость, но не наоборот. Для обеспечения этого требования, часто требуется вспомогательный насос, создающий разницу давлений, причем в некоторых странах он является обязательным. В случае падения температуры пастеризованного продукта вследствие временного дефицита нагревающей среды в состав установки должен быть включен клапан обратного потока для возврата недостаточно прогретого молока в балансный танк. Состав оборудования Для дистанционного управления процессом требуется следующее оборудование: • Башенные танки для хранения сырого молока • Пластинчатый теплообменник для нагревания и охлаждения, труба выдержки и узел горячей воды • Центробежный молокоочиститель (в данном примере при переработке цельного молока центробежный сепаратор не требуется) • Промежуточный танк для временного хранения перерабатываемого молока • Трубопроводы и фитинги для соединения основных элементов оборудования и пневматические клапаны для управления процессом и распределения потоков продукта и моющих жидкостей • Насосы для транспортировки молока через все производственные помещения завода • Оборудование для управления производительностью участка, температурой пастеризации и положением клапанов • Различные вспомогательные системы: – подача воды – производство пара – охлаждение хладагента – сжатый воздух для пневматических систем – электроснабжение – системы дренажа и сточных вод. Большая часть различных вспомогательных систем описана в главе 6.11. Требования к сервисным средам рассчитываются после согласования проекта завода. Так, должна быть известна температурная программа пастеризации, а также спецификации для всех прочих рабочих зон, где требуется нагревание или охлаждение (хранение при пониженных температурах, системы мойки, и т.д.), еще до определения количества и мощности электрооборудования, количества пневматических узлов, графика рабочего времени производства и т.д. Подобные расчеты в настоящей книге не представлены. В соответствии с предписаниями, установленными странами Европейского сообщества, оборудование для тепловой обработки должно быть одобрено или разрешено к применению компетентными органами и снабжено по крайней мере следующим: • Автоматическим регулятором температуры • Регистрирующим термометром • Автоматическим предохранительным устройством для предотвращения недостаточного нагрева • Соответствующей системой, предохраняющей от смешивания пастеризованного или стерилизованного молока с неполностью прогретым молоком • Устройством автоматической регистрации для предохранительной системы, указанной в предыдущем пункте Требования законодательства к: • Тепловой обработке • Регистрации • Очистке перед тепловой обработкой • Предупреждению повторного обсеменения микроорганизмами Выбор оборудования Резервуары Количество и емкость резервуаров определяются графиками поставки молочного сырья, графиками и объемом каждой партии. Для непрерывной работы завода без остановок, вызванных недостатком сырья, необходимо обеспечить 7-часовые поставки сырого молока. Желательно, чтобы молоко было выдержано по меньшей мере 1–2 часа до начала процесса переработки, так как за это время происходит процесс естественной деаэрации молока. Допускается кратковременное Технология производства молочных продуктов/глава 7 191 перемешивание, хотя в действительности оно является необходимым лишь в течение 5–10 минут перед подачей для равномерного распределения составляющих молока. Это позволяет избежать нарушения процесса естественной деаэрации. Пластинчатый теплообменник Основной целью пастеризации молока является уничтожение патогенных микроорганизмов. Для ее достижения молоко обычно нагревают до температуры не ниже 72°С и выдерживают при этой температуре в течение по меньшей мере 15 секунд, а затем быстро охлаждают. Эти параметры законодательно утверждены во многих странах. Если известны требуемые режимы тепловой обработки, можно рассчитать параметры пластинчатого теплообменника. В настоящем примере эти параметры будут таковы: • Производительность завода 20 000 л/ч • Температурная программа 4°С – 72°С – 4°С • Эффект регенерации 94% • Температура теплоносителя 74–75°С • Температура хладагента +2°С. Также необходимо рассчитать и потребность во вспомогательных средах (пар, вода и ледяная вода), так как это существенно влияет на выбор кранов для регулировки подачи пара и ледяной воды. Входные и выходные трубопроводы для продукта и сервисных сред могут располагаться как на боковых поверхностях пластинчатого теплообменника (раме, прижимной плите), так и на соединительных пластинах между его секциями. Входные и выходные соединения могут быть ориентированы вертикально и горизонтально. Данные для расчета параметров пластинчатого теплообменника приведены в главе 6.1. Системы подогрева горячей водой В пастеризаторах в качестве нагревающих сред могут использоваться горячая вода или насыщенный пар при атмосферном давлении. Однако горячий пар не применяется для этой цели из-за большой разницы в температурах. Наиболее часто используемым теплоносителем, следовательно, является горячая вода с температурой примерно на 2–3°С выше, чем требуемая температура продукта. Пар подается из бойлера молочного завода под давлением 600–700 кПа (6–7 бар). Этот пар используется для нагрева воды, которая, в свою очередь, нагревает продукт до температуры пастеризации. Водонагреватель, представленный на рис. 7.2, является замкнутой системой, состоящей из специально спроектированного компактного и простого пластинчатого теплообменника батарейного типа (3), оборудованного парорегулирующим клапаном (2) и конденсационным 4 3 2 1 6 8 TI 5 TI PI PI 7 Рис. 7.2 Принципиальная схема системы циркуляции горячей воды, подключенной к пастеризатору. TI Индикатор температуры 5 Центробежный насос PI Индикатор давления 6 Клапан регулировки воды 1 Клапан отсечки пара 7 Расширительный сосуд Пар 2 Клапан регулировки пара 8 Предохранительный и Теплоноситель 3 Теплообменник вентиляционный клапаны Вода, включая конденсат 4 Конденсационный горшок 192 Технология производства молочных продуктов/глава 7 горшком (4). Рабочее тело – вода – циркулирует в системе с помощью центробежного насоса (5) через нагреватель (3) и нагревательную секцию пастеризатора. Функция сосуда-расширителя (7) состоит в компенсации увеличения объема воды, которое происходит при ее нагревании. Система включает также индикаторы температуры и давления и предохранительный и вентиляционный клапаны (8). 3 Регулировка температуры Постоянная температура пастеризации поддерживается с помощью регулятора температуры, управляющего клапаном регулировки пара (поз. 2 на рис. 7.2). Любая тенденция к понижению температуры продукта немедленно обнаруживается датчиком в линии продукта, установленным перед трубой выдержки. При этом изменяется сигнал от датчика к регулятору, который открывает клапан регулировки пара и подает большее количество пара к воде. Это повышает температуру циркулирующей воды и останавливает падение температуры продукта. 2 TT Рис. 7.3 Контур автоматической регулировки температуры. Выдержка Длина и размер внешней трубы выдержки рассчитываются в соответствии с известным временем выдержки и часовой производительностью завода, а также размером трубопроводов, который обычно является тем же самым, что и у всех труб пастеризационной установки. Данные о размерах коллекторных труб приведены в главе 6.1. Обычно труба выдержки покрыта кожухом из нержавеющей стали для предупреждения ожогов персонала при касании трубы, а также для защиты от излучения. ТТ Датчик температуры 1 Труба выдержки 2 Вспомогательный насос 3 Возвратный клапан Продукт Пар Теплоноситель Хладагент Отвод потока Управление пастеризацией Важно быть уверенным в том, что молоко действительно пастеризовано должным образом, прежде чем оно покинет пластинчатый теплообменник. Если температура падает ниже 72°С, то непастеризованное молоко должно содержаться отдельно от уже пастеризованного продукта. Для осуществления этого датчик температуры и возвратный клапан установлены на трубопроводе после трубы выдержки. Этот клапан возвращает непастеризованное молоко в балансный танк, если датчик температуры обнаружит, что проходящее молоко недостаточно нагрето. Система охлаждения пастеризатора Как уже отмечалось, продукт охлаждается главным образом с помощью регенеративного теплообмена. Максимальная практическая эффективность регенерации равна примерно 94–95%, это означает, что минимально достижимая температура при регенеративном охлаждении равна 8–9°С. Следовательно, охлаждение молока до температуры хранения 4°С требует применения хладагента с температурой около 2°С. Если конечная температура выше 3–4°С, то единственно возможным средством является ледяная вода. Для более низких температур во избежание замерзания хладагента необходимо использовать рассолы или спиртовые растворы. Хладагент поступает из холодильной установки завода в точку его использования, как показано на рис. 7.4. Расход хладагента в охлаждающей секции пастеризатора регулируется с целью поддержания постоянной температуры продукта на выходе. Это осуществляется с помощью регулирующего контура, состоящего из датчика температуры на выходной линии продукта, регулятора температуры на панели управления и регулирующего клапана на линии подачи хладагента. Положение регулирующих клапанов изменяется регулятором в ответ на сигналы датчика. Сигнал датчика прямо пропорционален температуре продукта на выходе из пастеризатора. Этот сигнал часто подается на регистратор температуры на панели управления и регистрируется на графике совместно с температурой пастеризации и положением возвратного клапана. Технология производства молочных продуктов/глава 7 1 TT Рис. 7.4 Система охлаждения пастеризатора. ТТ Датчик температуры Продукт Теплоноситель Хладагент 193 Вспомогательный насос для предотвращения повторного бактериального загрязнения Необходимо принимать меры для предотвращения любой возможности загрязнения пастеризованного продукта непастеризованным продуктом или хладагентом в случае утечек в пастеризаторе, их направление всегда должно быть из пастеризованного продукта в непастеризованный или в хладагент. Это означает, что пастеризованный продукт должен быть под более высоким давлением, чем среда с другой стороны пластин теплообменника. С этой целью вспомогательный насос (поз. 2 на рис. 7.3) устанавливается на линии продукта после секции выдержки или перед секцией нагревания. Последнее положение минимизирует рабочую температуру насоса и продлевает срок его службы. Насос увеличивает давление и поддерживает положительную разницу давлений со стороны пастеризованного продукта вдоль секций регенерации и охлаждения пастеризатора. Установка вспомогательного насоса в некоторых странах должна производиться в соответствии с требованиями законодательства о пастеризации. Установка для пастеризации молока Рис. 7.5 Установка для пастеризации включает: 1 Балансный танк 2 Подающий насос 3 Регулятор потока 4 Секции регенеративного предварительного подогрева 5 Центробежный очиститель 6 Секцию нагрева 7 Трубу выдержки 8 Вспомогательный насос 9 Систему нагрева горячей воды 10 Секции регенеративного охлаждения 11 Секции охлаждения 12 Клапан возвратный 13 Панель управления Современный молочный пастеризатор, включающий оборудование для эксплуатации, надзора и управления процессом, собирается из согласованных компонентов, образуя сложный технологический агрегат. Балансный танк Поплавковый входной клапан регулирует расход молока и поддерживает постоянный уровень в резервуаре. Если подача молока прерывается, уровень начинает падать. Так как пастеризатор должен быть заполнен в любое время в процессе эксплуатации во избежание подгорания продукта на пластинах, резервуар часто снабжают электродом минимального уровня, который подает сигнал, как только уровень достигает минимальной точки. Этот сигнал включает клапан распределения потока, возвращающий продукт обратно в резервуар. Молоко заменяется водой, пастеризатор отключается, а циркуляция продолжается еще некоторое время. 8 Подающий насос IP Подающий насос подает молоко из балансного танка в пастеризатор, обеспечивая постоянный напор. 13 11 12 11 10 9 10 7 4 4 1 6 2 5 Продукт Пар Теплоноситель 194 Холодная вода Ледяная вода 3 Технология производства молочных продуктов/глава 7 Регулятор потока Регулятор расхода поддерживает расход через пастеризатор на должном уровне. Это обеспечивает устойчивый контроль температуры и постоянное время выдержки для достижения требуемого эффекта пастеризации. Часто регулятор расхода размещается после первой секции регенератора. Регенеративный предварительный подогрев Холодное необработанное молоко нагнетается в первую секцию пастеризатора – секцию предварительного подогрева. Здесь оно подогревается с помощью регенерированного тепла пастеризованного молока, которое в то же самое время охлаждается. Если молоко должно подвергаться обработке при температурах между входной и выходной температурами секции регенерации – например, очистке при 55°С, то секция регенерации разделяется на две части. Первая часть рассчитывается таким образом, что молоко на выходе из него имеет требуемую температуру 55°С. После очистки молоко возвращается в пастеризатор, где завершается его регенеративный предварительный подогрев во второй части секции. Эффективность энергосберегающей регенерации в пастеризаторе молока обычно составляет 90–96%. Пастеризация Окончательный нагрев до температуры пастеризации с помощью горячей воды, обычно имеющей температуру на 2–3°С выше температуры пастеризации (Dt = 2–3°С), происходит в секции нагрева. Горячее молоко подается во внешнюю трубу выдержки, после которой температура молока проверяется датчиком на этой линии. Он передает непрерывный сигнал на регулятор температуры на панели управления. Этот же сигнал передается также и на регистрирующий прибор, который записывает температуру пастеризации. Распределение потока Датчик после ячейки коллектора передает сигнал на контроллер температуры. Как только этот сигнал падает ниже заданного уровня, соответствующего определенной минимальной температуре, контроллер переключает возвратный клапан в положение обратного сброса. На многих установках положение возвратного клапана регистрируется вместе с температурой пастеризации. Для размещения возвратного клапана имеется множество решений, удовлетворяющих местным законам и правилам. Ниже приведены три возможных варианта, которые обычно используются. 1 Возвратный клапан располагается сразу после секции выдержки. Если установлен вспомогательный насос, то клапан размещается перед насосом. Если температура падает ниже заданного уровня, то клапан направляет поток обратно в балансный танк, и насос останавливается. Поток в секциях регенерации и охлаждения, таким образом, тоже останавливается (даже при отсутствии вспомогательного насоса). Если в течение кратковременного периода повышение температуры не происходит, теплообменник опустошается, моется и дезинфицируется. Когда становится возможным нагрев до требуемой температуры, установка вновь запускается. 2 Возвратный клапан расположен после секции охлаждения установки. Вслед за падением температуры поток возвращается в балансный танк, а установка освобождается от продукта, моется и дезинфицируется. Установка готова к повторному запуску при наличии приемлемых температурных условий. 3 Возвратный клапан располагается между секцией выдержки и вспомогательным насосом. Если температура падает, клапан направляет поток в балансный танк. Вспомогательный насос не останавливается, но другие клапаны вокруг теплообменника автоматически переключаются таким образом, что молоко циркулирует в секциях регенерации и охлаждения, поддерживая необходимое давление в установке. Это также сохраняет необходимый тепловой баланс. Когда условия нагрева становятся приемлемыми, то процесс возобновляется без промежуточной мойки. Охлаждение После прохождения секции коллектора молоко возвращается в секции регенерации для охлаждения. Здесь пастеризованное молоко отдает тепло поступающему холодному молоку. Выходящее пастеризованное молоко затем охлаждается холодной водой, ледяной водой, Технология производства молочных продуктов/глава 7 195 раствором гликоля или какого-либо иного хладагента в зависимости от требуемой температуры. Температура охлажденного молока обычно записывается совместно с температурой пастеризации и положением клапана распределения потока. Следовательно, на графике будут три кривые. Центробежный молокоочиститель В нашем примере молоко не разделяется на сливки и обезжиренное молоко, поэтому здесь используется центробежный очиститель, представленный на рис. 7.6. Некоторые молочные заводы требуют центробежной очистки холодного (<6°С) сырого молока немедленно после доставки молока на завод, особенно если молоко будет храниться до следующего дня. Однако осветление при температуре около 55°С более эффективно, поскольку вязкость молока при этой температуре ниже. В этом случае молоко, поступающее в очиститель, проходит через первую секцию регенеративного подогрева при 55°С. Рис. 7.6. Корзина центробежного очистителя. Проектирование системы трубопроводов В примере, рассматриваемом в данной главе, в процессе обработки через трубы, фитинги и технологическое оборудование необходимо пропускать 20 000 литров молока в час. Скорость движения продукта по трубам определяется сечением прохода, т.е. внутренним диаметром труб. Чем больше диаморости, который не следует превышать. Для молока эта скорость может составлять порядка 1,8 м/с. Поэтому является обоснованным выбор труб большего диаметра, чем минимально допустимого, с учетом скорости продукта. Но большие трубы требуют больших вспомогательных компонентов, что значительно увеличивает расходы. Следовательно, выбирают диаметр трубы как можно ближе к предельному. В нашем примере это 2,5 дюйма (63,5 мм), что соответствует скорости 1,75 м/с, как показано на рис. 7.7. Ламинарные и турбулентные потоки Рис. 7.7 График зависимости скорости продукта от расхода. Ламинарный поток Ламинарный поток – это такой вид потока, в котором частицы сохраняют постоянное равномерное движение по параллельным траекториям. Этот тип потока существует, например, в прямых круглых трубах или между параллельными стенками при низких скоростях. С другой стороны, в турбулентном потоке частицы обладают хаотическим движением и интенсивно перемешиваются друг с другом. Длина линии представляет собой среднюю скорость частиц в различных точках сечения вдоль траектории, как показано на рис. 7.8. В ламинарном потоке скорость максимальна в центре потока. Вследствие трения между слоями скорость постепенно замедляется по направлению к стенкам, где она равна нулю. В турбулентном потоке слои перемешиваются и, следовательно, скорость жидкости примерно одинакова в центральной части потока, но быстро падает по направлению к стенкам. У стенок очень тонкий ламинарный поток жидкости имеет нулевую мгновенную скорость. Для получения ламинарного потока в круглой трубе ее диаметр должен быть мал, скорость низка, а вязкость жидкости высока. Гидравлическое сопротивление Турбулентный поток Рис. 7.8. Диаграммы профиля скорости для ламинарного и турбулентного потоков. 196 Каждый элемент линии оказывает сопротивление потоку при нагнетании жидкости по системе трубопроводов. В прямых трубах сопротивление обусловлено трением между жидкостью и стенками. В изгибах возникает дополнительное трение из-за изменения направления движения жидкости. Точно так же изменение направления потока жидкости и сечения приводит к возникновению трения в фитингах, клапанах и технологическом оборудовании. Величина этого сопротивления зависит от скорости жидкости в системе. Технология производства молочных продуктов/глава 7 Сопротивление каждого элемента линии можно получить исходя из коэффициента сопротивления, заданного изготовителем. Затем может быть рассчитано полное сопротивление линии путем умножения суммы коэффициентов на квадрат скорости потока и делением результата на 2g (g – ускорение свободного падения = 9,81 м/с2). Пример: Скорость продукта в системе трубопроводов равна 1,75 м/с (диаметр труб 2,5 дюйма и расход 20 000 литров/час). Сумма коэффициентов сопротивления равна 190. Гидравлическое сопротивление будет равно: 1,75 x 1,75 x 190 2 x 9,81 = 29,7 метра столба жидкости Гидравлическое сопротивление выражается в единицах столба жидкости, необходимого для компенсации падения давления вследствие сопротивления. Этот способ выражения сохранился с тех времен, когда первоначальным применением насосов было поднятие воды с низшего уровня на более высокий, например, из рудничной шахты на поверхность. Производительность насоса определялась высотой, на которую он мог поднять воду. В нашем случае полное сопротивление в системе трубопроводов эквивалентно работе, производимой насосом, поднимающим воду по вертикали на высоту 30 метров. Это также означает, что столб воды высотой 30 метров будет производить давление, достаточное для преодоления сопротивления потока, как показано на рис. 7.9. Рис. 7.9 Пример технологического процесса, в котором между танком и технологическим оборудованием создан напор высотой 30 м. Продукт Теплоноситель Хладагент Рис. 7.10 Падение давления можно обнаружить с помощью датчиков давления, установленных на технологической линии. Падение давления Гидравлическое сопротивление отдельного элемента приводит к падению давления. Если давление измеряется с помощью датчика давления (рис. 7.10) до и после данного элемента, то со стороны выхода давление будет ниже. Данный элемент – например, отсечной клапан – вызывает падение давления на линии. Это падение давления, измеряемое высотой жидкостного столба, эквивалентно гидравлическому сопротивлению данного элемента, а его величина зависит от скорости, иными словами, от расхода и размера труб. Падение давления на отдельном элементе вместо коэффициентов сопротивления часто представляют как снижение столба в метрах для различного расхода. На графике (рис. 7.11) представлены расходы от 5000 литров в час для наименьших диаметров труб 1,5 дюйма (38 мм) до 200 000 литров в час для наибольших – 4-дюймовых (101,6 мм) – отсечных клапанов. Для расхода 20 000 литров/час и размера трубы 2,5 дюйма (63,5 мм) и скорости 1,75 м/с график указывает падение давления, или снижение столба на 0,4 м при полностью открытом клапане. Падение давления на каждом элементе линии при данном расходе может быть определено аналогичным образом. Эти величины, сложенные вместе, дают полное падение давления в системе. Каждый элемент линии необходимо выбирать так, чтобы он создавал минимально возможное падение давления. Падение давления приводит к росту скорости потока либо в виде турбулентности, либо в виде местных ускорений вдоль траектории. Более высокие скорости вызывают повышение трения Технология производства молочных продуктов/глава 7 Рис. 7.11 График падения давления для клапана отсечки. 197 на поверхностях труб и другого оборудования, а также повышенные нагрузки в изгибах и т.п. Это приводит к возрастанию степени механической обработки продукта. При обработке молока это может привести к разрушению жировых шариков, и освобожденный жир может подвергнуться воздействию фермента липазы. Образующиеся в значительном количестве свободные жирные кислоты отрицательно влияют на вкусовые качества молока. Данная проблема усугубляется, если механическая обработка продукта осуществляется в присутствии воздуха. Это может иметь место при наличии подсоса воздуха через неплотные соединения. Для других продуктов – например, йогурта – обработка продукта должна быть особенно мягкой. Повышенное внимание необходимо уделять при выборе элементов, при расчете и проектировании технологической линии. Размер трубопроводов системы должен быть таким, чтобы скорость жидкости не превосходила критическое значение для данного продукта (1,8 м/с для молока, более низкие – для некоторых других молочных продуктов). Количество клапанов на линии должно быть минимальным, и падение давления на них должно быть как можно меньше. Они должны быть размещены таким образом, чтобы избежать ненужных изменений направления. Оборудование технологического контроля Рис. 7.12 Контур управления давлением, состоящий из датчика, регулятора и пневматического регулирующего клапана. Для обеспечения бесперебойной работы и достижения требуемого качества продукта необходимо поддерживать технологические параметры, такие как уровень жидкостей, расход, температура, давление, концентрация и значение активной кислотности рН на определенных заданных уровнях. Оборудование для отслеживания и управления этими параметрами включает различные типы датчиков, регуляторов и управляющего оборудования. На рис. 7.12 показан контур управления. Датчик представляет собой чувствительный элемент, который измеряет текущее значение параметра. Устройство и функции датчика могут быть различными в зависимости от требований. Примерами могут служить датчики температуры, давления и кислотности рН. Датчик преобразует измеренную величину в пневматический или электрический сигнал соответствующей силы. Этот сигнал передается на регулятор, который получает текущее значение параметра. Эта величина называется измеренной величиной. Устройство управления обычно является регулирующим устройством. Оно смонтировано на технологической линии и может представлять собой насос с переменной производительностью или регулирующий клапан. Программирование регулирующего устройства – частота вращения мотора или положение заслонки клапана – определяется значением параметра, который он регулирует. На управляющее устройство от регулятора непрерывно поступает сигнал (пневматический или электрический), а величина этого сигнала определяет параметры управляющего устройства. Регулятор является “мозгом” системы управления. Он получает сигнал от датчика и, таким образом, непрерывно информируется о текущем значении регулируемого параметра. Затем регулятор сравнивает это значение с заданным. Установка регулятора является правильной, если эти две величины совпадают. Если текущее значение измеряемой величины изменяется, то сигнал от датчика изменяется соответственно. Теперь текущее значение не равно требуемой величине, и регулятор соответствующим образом изменяет свой сигнал для управляющего устройства. В результате изменяется задаваемый параметр управляющего устройства (скорость или положение клапана). Датчик немедленно чувствует изменение значения и передает эту информацию контроллеру. Этот цикл сравнения и регулировки – цепь управления – повторяется до тех пор, пока измеряемое значение параметра вновь не станет равным заданной величине. Датчики Датчики в системах управления существенно различаются по назначению и принципу работы. Некоторые датчики прямо реагируют на изменения значения измеряемой величины. В датчике давления на рис. 7.13 давление продукта на мембрану передается через капиллярную трубку на датчик. Датчик передает электрический сигнал, который прямо 198 Технология производства молочных продуктов/глава 7 Таблица 7.1 Изменение сопротивления в зависимости от температуры и в соответствии с заданной характеристикой Температура Сопротивление °C 0 10 20 30 40 50 60 80 100 Ω 6 5 4 3 100,00 103,90 107,79 111,67 115,54 119,40 123,24 130,89 138,50 пропорционален давлению продукта. Регулятор поплавкового типа, часто используемый в резервуарах, является другим примером непосредственно регулирующего устройства. Однако большинство датчиков действует опосредованно. Они измеряют изменения другой физической величины, зависимой от регулируемой величины. Этот тип датчиков был рассмотрен ранее в связи с транспортировкой жидкости по линии. Требуемый расход поддерживается с помощью измерения давления продукта на выходе из насоса и сохраняется постоянным. Вышеупомянутый датчик давления может быть также использован для измерения уровня в резервуаре. При установке на дне резервуара он измеряет статическое давление столба жидкости над диафрагмой. Это давление пропорционально толщине слоя жидкости. Электрический сигнал передается на прибор, указывающий уровень. Принцип работы многих типов датчиков основан на применении электрического сопротивления металлов в зависимости от температуры. Одним из таких датчиков является обычный датчик температуры, рис. 7.14. Проволока из платины, никеля или другого металла закреплена в защитной трубке, которая встроена в линию так, что она нагревается жидкостью. В таблице 7.1 приведены значения сопротивления платиновой проволоки при различных температурах. Это сопротивление может быть измерено путем включения проволоки в электрическую цепь. Любое изменение сопротивления будет соответствовать известному изменению температуры, и таким образом температура продукта может быть определена. Вышеописанные датчики используются на молочных заводах наиболее часто. Однако имеется и множество других типов. Регуляторы Регулятор, представленный на рис. 7.15, является мозгом системы управления температурой и может существовать в различных исполнениях. В соответствии с предыдущим определением это устройство, которое непрерывно сравнивает текущее значение измеряемой величины со стандартом или заданной величиной. Любая разница приводит к тому, что регулятор передает корректирующий сигнал на узел управления, который соответственно изменяет свои параметры. Процесс коррекции продолжается до тех пор, пока измеренная величина вновь не совпадет с заданной. Регулятор может быть пневматического или электрического типа. Если датчик пневматический, а регулятор электрический или наоборот, то сигналы должны проходить через электронно-пневматический преобразователь. На обычных регуляторах имеется ручка установки задаваемой величины, которая указывается стрелкой на шкале. На этой шкале всегда может быть прочитана измеряемая величина, полученная с выхода датчика. Имеется также шкала, показывающая выходной сигнал на регулирующее устройство. При установке на автоматическую работу прибор не нуждается в ручной регулировке. Его можно переключить на ручное управление, и тогда работать Технология производства молочных продуктов/глава 7 2 1 Рис. 7.13 Датчик давления. 1 Гайка 2 Текущее давление 3 Мембрана 4 Капиллярная трубка 5 Заданное давление 6 Чувствительный элемент Рис. 7.14 Датчик давления резистивного типа. 100 90 R 80 STORE L M 100 70 L 80 TUNE 60 SET 40 C 60 50 40 20 PROG 30 0 20 10 0 PV % SP ALFA-LAVAL SATTCONTROL Рис. 7.15 Регулятор. 199 с помощью ручек управления. Значение параметра, заданное на регуляторе, указывается на шкале выходного сигнала. Некоторые регуляторы выполняют функцию переключателя. Это означает, что они могут быть запрограммированы на выдачу сигнала при заданном максимальном или минимальном значении. Этот сигнал может быть усилен и использован для внесения изменений в процесс. В нашем процессе мы хотели переключить возвратный клапан в положение обращения потока, если температура на выходе из секции выдержки теплообменника упадет ниже 72°С. Обычно для отслеживания температуры пастеризации используется отдельный переключатель. Этот переключатель соединен с регулятором температуры и передает сигнал через встроенное реле, если температура падает ниже заданной величины. Если этот переключатель отрегулирован на включение при 71,9°С, он выдаст сигнал, как только температура упадет до этого значения. Этот сигнал через контроллер передается на соленоидный клапан, который управляет подачей воздуха на возвратный клапан. Соленоидный клапан прерывает подачу воздуха, и клапан переключается с “прямого потока” на “обратный поток”. 2 3 1 Рис. 7.16 Пневматический регулирующий клапан. 1 Визуальный индикатор положения 2 Разъем для электрического сигнала 3 Разъем для сжатого воздуха Регулирующее устройство Значение рассматриваемой величины определяется значением параметра, задаваемым регулятором для регулирующего устройства. Регулирующим устройством может служить насос с переменной скоростью. В этом случае выходной сигнал с регулятора изменяет скорость насоса так, чтобы обеспечить требуемый расход. Однако на большинстве типовых молочных заводов регулирующими устройствами являются регулирующие клапаны. Пневматический регулирующий клапан, представленный на рис. 7.16, состоит из корпуса с седлом для заслонки, которая прикреплена к нижнему концу стержня. Клапан перемещается между открытым и закрытым положениями, регулируя разницу давлений между верхней и нижней сторонами поршня. Привод снабжен поршнем двустороннего действия. Когда давление на нижней стороне выше, поршень движется вверх, поднимая заслонку с ее седла. Более высокое давление на верхней стороне поршня закрывает клапан. В основном процесс происходит следующим образом: пневматический сигнал от регулятора поступает на пропорциональное устройство – позиционер – на верхней стороне поршня. Это устройство обеспечивает такое положение заслонки относительно седла, которое всегда пропорционально силе сигнала от регулятора. Если сигнал соответствует заданной величине, то позиционер выравнивает давления по обеим сторонам поршня таким образом, что положение заслонки остается постоянным. В этом уравновешенном положении падение давления на клапане в точности соответствует требуемому, а измеряемая величина, регистрируемая датчиком, совпадает с заданной величиной. Если давление продукта падает, то датчик ослабляет сигнал на регулятор. Поскольку измеренное значение больше не совпадает с заданным значением, регулятор реагирует на это, увеличивая сигнал на пусковое устройство клапана. Тогда позиционер поднимает давление на верхней стороне, перемещая заслонку по направлению к седлу. Вызванное увеличение гидравлического сопротивления в клапане повышает давление продукта и запускает обратный цикл операций, замедляющий движение поршня вниз. Когда давление в линии достигнет заданной величины, позиционер вновь поддерживает состояние равновесия поршня клапана. Автоматическое управление температурой В системе автоматического управления температурой термометром является датчик температуры резистивного типа, встроенный в технологическую линию. Регулирующим устройством служит пневматический клапан в линии пара. Он управляется пневматическим регулятором, расположенным на панели управления процессом. Требуемое значение задается на регуляторе, который затем через клапан регулирует подачу пара в теплообменник так, что измеряемая величина всегда равна заданному значению 72°С. 200 Технология производства молочных продуктов/глава 7 Пастеризованные молочные продукты Пастеризованные молочные продукты – это жидкие продукты, приготовленные из молока и сливок, предназначенные для непосредственного потребления. Эта группа продуктов включает в себя все виды пастеризованного молока в независимости от массовой доли жира (цельное, обезжиренное и др.) и различные типы сливок. Кисломолочные продукты также входят в эту категорию, но поскольку они изготавливаются с помощью заквасочных культур микроорганизмов, их производство рассматривается отдельно в главе 11 “Кисломолочные продукты”. Все элементы конструкций, описанные в главе 6, в принципе используются в производстве пастеризованных молочных продуктов. Технология производства молочных продуктов/глава 8 201 В большинстве стран обязательными этапами производства молочных продуктов для непосредственного потребления являются очистка, пастеризация и охлаждение. Во многих странах гомогенизация является необходимой процедурой, в то время как в других – ее не производят, поскольку хороший слой сливок рассматривается как показатель высокого качества. Деаэрация практикуется в некоторых случаях, когда в молоке содержится большое количество воздуха, а также когда в продукте присутствуют посторонние привкусы и запахи. Это может произойти, например, если корм скота содержит растения семейства луковых. Для производства молочных продуктов высокого качества необходимо обеспечить первоклассное сырье и грамотно спроектированные производственные линии. Должна быть обеспечена мягкая обработка, позволяющая сохранить ценные составляющие. Микробиологические показатели молока, установленные стандартами Европейского союза (ЕС), обеспечивающими безопасность здоровья людей и животных, приведены в таблице 8.1. Таблица 8.1 Стандарты ЕС для количества микроорганизмов в молоке, действующие с января 1993 г. Продукт Количество микроорганизмов (колониеобразующих единиц/мл) Сырое молоко Сырое молоко, хранящееся в силосе на молочном заводе более 36 часов Пастеризованное молоко Пастеризованное молоко после выдержки в течение 5 дней при температуре 8°C ВТО и стерилизованное молоко после термостатирования в течение 15 дней при температуре 30°C < 100 000 < 200 000 < 30 000 < 100 000 < 10 Другой количественной мерой качества молока является число соматических клеток, которое может меняться в сыром молоке. Количество соматических клеток является критерием установления анормального молока. В общем случае директива ЕС устанавливает, что молоко считается нормальным, если количество соматических клеток составляет от 250 000 до 500 000 в мл. С января 1994 г. эти пределы были сужены; сырое молоко, предназначенное для продажи внутри стран ЕС, не должно содержать более 400 000 соматических клеток в мл. Технология питьевого пастеризованного молока В зависимости от законодательных норм и постановлений, действующих в данном государстве и на конкретном молочном заводе, состав технологических линий для производства питьевого молока может быть модифицирован. Например, нормализация по жиру (в случае применения) может выполняться в виде предварительной нормализации, заключительной нормализации или прямой нормализации. Гомогенизация может быть полной или частичной и т. д. Самым простым процессом является пастеризация цельного молока. Производственная линия состоит из пастеризатора, буферного танка и упаковочной машины. Процесс усложняется, если необходимо производить несколько видов питьевого молока (или сливок), т. е. цельное молоко, обезжиренное молоко и нормализованное молоко с различным содержанием жира, а также сливки с различным содержанием жира. 202 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Исходные данные для установки, описание которой приведено ниже: • Сырое молоко – массовая доля жира 3,8% – температура 4°C • Нормализованное молоко – массовая доля жира 3,0% – температура 4°C • Нормализованные сливки – массовая доля жира 40% – температура 5°C • Производительность завода – 20 000 л в час – 7 часов в день. На рис. 8.1 показан типичный ход процесса на линии по производству питьевого молока. Молоко поступает на установку через балансный танк (1) и подается Молоко Сливки Обезжиренное молоко Нормализованное молоко Теплоноситель Хладагент Обратный поток 13 15 4 12 14 7 11 6 1 9 2 7 9 10 7 5 8 16 3 Рис. 8.1 Линия производства питьевого молока, поступающего в продажу, с частичной гомогенизацией. 1 2 3 насосом в пластинчатый теплообменник (4), где предварительно нагревается перед поступлением в сепаратор (5), в котором разделяется на обезжиренное молоко и сливки. Нормализация питьевого молока происходит в потоке по типу, уже описанному в главе 6.2. Содержание жира в сливках после сепаратора устанавливают на требуемом уровне, а затем поддерживают на этом уровне, независимо от средних изменений содержания жира и интенсивности потока поступающего молока. Содержание жира в сливках обычно устанавливают 35 или 40% для взбитых сливок, но его можно установить на другом уровне – например, для производства масла или других типов сливок. Установленное один раз, содержание жира в сливках удерживается постоянным посредством системы регулирования, состоящей из датчиков расхода (7) и плотности (8); регулирующих клапанов (9) и системы управления для системы нормализации. Технология производства молочных продуктов/глава 8 Балансный танк Насос для подачи продукта Устройство регулировки расхода 4 Пластинчатый теплообменник 5 Сепаратор 6 Клапан постоянного давления 7 Датчик расхода 8 Датчик плотности 9 Регулирующий клапан 10 Отсечной клапан 11 Обратный клапан 12 Гомогенизатор 13 Вспомогательный насос 14 Труба для выдержки 15 Возвратный клапан 16 Пульт управления технологическим процессом 203 Цель нормализации состоит в получении молока с заданным, гарантированным содержанием жира. В этом примере используется частичная гомогенизация, т. е. обрабатываются только сливки. Достоинство этой системы состоит в том, что она может функционировать с небольшим гомогенизатором (12) и, таким образом, потреблять меньше энергии, и обеспечивать высокий эффект гомогенизации. Принцип работы системы, описанный также в главе 6.3, следующий: после прохождения через нормализующее устройство поток сливок разделяется на две части. Одна, с соответствующим почасовым объемным выходом для получения питьевого молока с требуемым содержанием жира, поступает в гомогенизатор, а другая, избыточная часть, направляется на установку для переработки сливок. Так как содержание жира в сливках, подлежащих гомогенизации, должно составлять не более 10%, обычные сливки, т. е. с массовой долей жира 40%, перед гомогенизацией должны быть “разбавлены” обезжиренным молоком. Производительность гомогенизатора тщательно рассчитывается и фиксируется на определенном уровне расхода. При использовании частичной гомогенизации гомогенизатор также присоединен к линии обезжиренного молока, так что в нем всегда имеется достаточное количество продукта для надлежащего функционирования. Таким образом, относительно низкий поток сливок компенсируется обезжиренным молоком до номинальной производительности. По ходу гомогенизации сливки с содержанием мол. жира 10% в конечном итоге смешиваются внутри производственной линии с дополнительным количеством обезжиренного молока для достижения массовой доли жира 3% перед пастеризацией. Молоко, теперь уже с нормализованным содержанием жира, подается насосом в секцию нагрева теплообменника, где оно пастеризуется. Необходимое время выдержки обеспечивается изолированной трубой выдержки продукта (14). Температура пастеризации постоянно записывается. Насос (13) является вспомогательным. Он повышает давление пастеризованного продукта для предотвращения попадания в него непастеризованного продукта или сервисных сред в случае образования течи в теплообменнике. Если температура процесса пастеризации внезапно падает, это регистрируется датчиком температуры. Сигнал приводит в действие отводной клапан (15), и молоко перетекает обратно в весовой бак. См. также главу 7. После пастеризации молоко поступает в охладительную секцию теплообменника, где оно регенеративно охлаждается поступающим необработанным молоком, а затем в охладительную секцию, где оно доохлаждается ледяной водой. После чего холодное молоко подается насосом в упаковочные машины. Нормализация Цель нормализации состоит в получении молока с определенной, гарантированной массовой долей жира, различающейся в зависимости от требований стандартов данной страны. Традиционные значения составляют 1,5% для молока с низким содержанием жира и 3% для молока стандартной категории, но также встречается молоко с таким низким содержанием жира, как 0,1 и 0,5%. Содержание жира является важным экономическим фактором. Следовательно, нормализация молока и сливок должна выполняться с высокой точностью. Возможные варианты системы непрерывной нормализации молока по содержанию жира рассматривались в главе 6.2 “Центробежные сепараторы и нормализация молока по содержанию жира”. Пастеризация Вместе с правильным охлаждением пастеризация, проведенная с корректным охлаждением, является одним из наиболее важных процессов обработки молока. При правильном выполнении эти процессы позволяют получить молоко с длительным сроком хранения. Температура и время выдержки являются очень важными факторами, которые должны быть строго оговорены в зависимости от требований к качеству молока, его срока хранения и т. д. Температура пастеризации для гомогенизированного молока, подвергнутого кратковременной высокотемпературной и стандартной категории, обычно составляет 72–75°C для 15–20 сек. Режимы процесса пастеризации для конкретной страны определяются местным законодательством. Общее требование состоит в том, что термообработка должна обеспечивать разрушение нежелательных и всех патогенных микроорганизмов без ущерба для качества продукта. 204 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Гомогенизация Гомогенизация также уже обсуждалась в главе 6.3. Цель гомогенизации состоит в измельчении или мелком распределении жировых шариков в молоке, чтобы избежать отслаивания сливок. Гомогенизация может быть полной или частичной. Частичная гомогенизация является более экономичным решением, поскольку можно использовать гомогенизатор меньшего размера. Определение эффективности гомогенизации Гомогенизация всегда должна быть достаточно эффективной для предупреждения образования сливок. Полученный результат можно проверить, определив показатель гомогенизации, который можно найти по способу, описанному в следующем примере. Проба молока хранится в градуированном мерном стакане в течение 48 часов при температуре 4–6°C. Верхний слой (1/10 всего объема) откачивается, а оставшийся объем (9/10) тщательно перемешивается, а затем определяется массовая доля жира в каждой фракции. Различие содержания жира между верхним и нижним слоями, выраженное в процентном отношении к верхнему слою, принимается за показатель гомогенизации. Например:если массовая доля жира составляет 3,15% в верхнем слое и 2,9% в нижнем слое, показатель гомогенизации будет (3,15 – 2,9) х 100 : 3,15 = 7,9. Показатель гомогенизированного молока должен быть в интервале от 1 до 10. Сохранение качества пастеризованного молока Высокая чувствительность молока к наличию микроорганизмов, посторонних химических веществ (Cu, Fe и т.д.), так же как и к воздействию света (особенно если оно гомогенизировано), обусловлена составом молока. Следовательно, наиболее важными являются обеспечение завода высококачественным моющим оборудованием (CIP), а также использование моющих, дезинфицирующих средств и воды высокого качества. После упаковки продукт необходимо защищать от воздействия как дневного света, так и искусственного освещения. Свет разрушительно влияет на многие питательные вещества, что может вызвать появление пороков вкуса. Таблица 8.2 Изменение вкусовых характеристик и содержания витаминов под действием света при освещенности 1500 люкс Картонная упаковка Вкус Витамин C Витамин B2 –1 % – 1,5% –2 % – 2,5% – 2,8% –3 % без изменений – 3,8% без изменений Бутылка Часы Вкус Витамин C Витамин B2 2 – 10% 3 незначительно – 15% 4 очевидно – 20% 5 сильно – 25% 6 сильно – 28% 8 сильно – 30% 12 сильно – 38% – 10% – 15% – 18% – 20% – 25% – 30% – 35% Измерено Институтом исследований молока при Университете Густаса Либега в Гессене (Германия) в 1988 г. Воздействие солнечного света на белки молока вызывает превращение аминокислоты метионин в метионал, в результате чего молоко приобретает “солнечный привкус”. Процесс протекает в присутствии кислорода и при активном участии аскорбиновой кислоты (витамин С) и рибофлавина (витамин В2). Этот привкус не возникает в стерилизованном молоке, которое всегда гомогенизировано, вероятно, потому что витамин С расщепляется при нагревании, и компоненты S – H сывороточных белков претерпевают химические изменения. В таблице 8.2 показано влияние света на пастеризованное молоко в прозрачной стеклянной бутылке и в картонной упаковке. Первая потеря витамина происходит, когда Технология производства молочных продуктов/глава 8 205 молоко в прозрачной стеклянной бутылке подверглось воздействию света при освещенности 1500 люкс – среднее значение освещенности – в течение только двух часов. В непрозрачной картонной упаковке потери минимальны. В результате воздействия света на молоко в бутылке в течение 4 часов вкусовые характеристики заметно изменяются в отличие от молока в картонной упаковке. Срок хранения пастеризованного молока Срок хранения пастеризованного молока по существу всегда зависит от качества сырого молока. Естественно, важно также, чтобы условия производства были технически и гигиенически оптимизированы и чтобы правильно осуществлялось управление заводом. При производстве из сырого молока достаточно высокого качества при хороших технических и гигиенических условиях обычное пастеризованное молоко должно иметь срок хранения 8–10 дней при температуре 5–7°С в закрытой упаковке. Молоко Сливки Обезжир. молоко Пермеат Ретентат Теплоноситель Хладагент Пар 2 1 7 4 3 5 6 Рис. 8.2 Производственная линия Срок хранения, однако, резко сократится, если в сыром молоке находятся такие для переработки молока, микроорганизмы, как вид Pseudomonas, который образует системы термостойких включающая ферментов (липазы и протеазы), и/или термостойкие бациллы, образующие споры – микрофильтрационную установку. например: B. cereus и B. subtilis. 1 2 3 4 5 6 Балансный танк Пастеризатор Сепаратор Система для нормализации Пластинчатый теплообменник Микрофильтрационная установка 7 Гомогенизатор 206 Для улучшения бактериального качества пастеризованного молока и, таким образом, сохранения или даже увеличения его срока хранения пастеризационную установку можно дополнить бактофугой или микрофильтрационной установкой. Бактофугирование – это отделение микроорганизмов под действием центробежных сил. Хотя эффект снижения числа вегетативных и споровых форм микроорганизмов при двухэтапном центрифугировании составляет >99% (см. главу 14 “Сыр”), это не является достаточным для получения продукта (питьевого пастеризованного молока) с длительным сроком хранения при пониженной температуре <7°С. Технология производства молочных продуктов/глава 8 Эффект снижения количества вегетативных и споровых форм микроорганизмов до 99,5–99,99% может быть достигнут с помощью микрофильтрующих мембран с порами размером 1,4 мкм и меньше. На рис. 8.2 показана общая блок-схема обработки молока, включая микрофильтрацию. Мембраны микрофильтрационной установки имеют очень маленький диаметр пор и удерживают не только микроорганизмы, но и жировые шарики, поэтому на установку подается обезжиренное молоко. Производственная линия, кроме микрофильтрационной установки, также включает оборудование для высокотемпературной обработки сливок и ретентата – отделенной части молока, содержащей концентрированные жировую фазу и микроорганизмы. После тепловой обработки ретентат смешивается с пермеатом – обезжиренной фазой. Смесь сливок и ретентата стерилизуется при температуре приблизительно 130°С в течение пары секунд. После повторного смешивания с прошедшим микрофильтрацию обезжиренным молоком продукт гомогенизируется и проходит заключительную пастеризацию при температуре 72°С в течение 15–20 секунд и охлаждается до температуры 4°С. Линия, показанная на рис. 8.2, может перерабатывать до 10 000 литров сырого молока в час. После сепарирования обезжиренное молоко направляется в модуль МФ. Часть сливок, обычно с содержанием жира 40%, повторно смешивается с обезжиренным молоком в процессе нормализации молока, в то время как избыток сливок обрабатывается отдельно. Пропорции подмешиваемых и избыточных сливок зависят от требуемой массовой доли жира питьевого молока. Приблизительно 5% поступившего молока выходит из модуля МФ в виде ретентата – фазы, содержащей микроорганизмы. Суммарное содержание сухих веществ в ретентате в среднем составляет 9–10%, из которых около 3,9% – белок (включая белок микроорганизмов) и около 0,25% жира. Производственная линия, изображенная на рисунке, включает полную гомогенизацию молока, но возможна также и частичная гомогенизация. Молоко, обработанное таким образом, будет сохранять свежий вкус и белый цвет. Более того, если на заводе соблюдаются строгие санитарные требования от получения сырого молока и до упаковки молока включительно, то основа для длительного срока хранения молока заложена. Если молоко хранится при температуре не более 7°С на протяжении всего периода времени от молочного завода через розничную торговлю к потребителю, можно достичь срока хранения 40–45 дней в закрытом виде. Срок хранения пастеризованного молока, как правило, зависит от качества сырого молока. Молоко с удлиненным сроком хранения Термин “длительный срок хранения” (ESL) часто применяется в Канаде и США для свежих жидких продуктов, сохраняющих высокое качество при температуре не выше 7°С. Выражение ESL (ДСХ) и эта идея теперь распространились также в Европе и на других континентах. Однозначного определения ESL нет, так как понятие включает в себя много факторов. На самом деле это понятие означает возможность увеличить срок хранения продукта по отношению к его обычному сроку хранения путем сокращения основных источников повторного микробного обсеменения и сохранения качества продукта на всем пути к потребителю. Режимы применяемой тепловой обработки (ультрапастеризации) составляют обычно выдержку в течение 2–4 секунд при температуре 125–130°С. Производство сливок Существуют различные виды питьевых сливок, отличающихся по массовой доле жира. Сливки с более низким содержанием жира, 10–18%, часто упоминают как одинарные или кофейные сливки; они все больше используются для десертов и в кулинарии. Сливки с высоким содержанием жира, обычно 35–40%, уже более жирные. Их можно взбить в густую пену, следовательно, они называются “взбиваемыми сливками”. Взбиваемые сливки используются взбитыми или невзбитыми в качестве десерта, в кулинарии и т. д. Взбитые сливки Помимо хорошего вкуса и внешнего вида, взбитые сливки должны также обладать способностью “хорошо взбиваться”, т. е. они должны легко взбиваться и с образованием нежной сливочной пены (взбитость). Пена должна быть крепкой и устойчивой и не должна Технология производства молочных продуктов/глава 8 207 быть чувствительной к синерезису. Хорошая взбиваемость зависит от того, достаточно ли высокое в сливках содержание жира. Взбивать сливки с содержанием жира 40% обычно легко, взбиваемость падает по мере снижения содержания жира до 30% и ниже. Однако можно получить хорошие взбитые сливки с низким содержанием жира (приблизительно 25%), добавив вещества, которые улучшают взбиваемость, например, порошок с высоким содержанием лецитина, изготовленный из сладкой пахты. При производстве сливок следует избегать случайного попадания воздуха, которое приводит к образованию пены и дестабилизации. Если сливки подвергают чрезмерной механической обработке, особенно непосредственно после их выхода из секции охлаждения, будут повреждены мембраны жировых шариков, что приведет к слиянию жира и образованию кластеров. Образование верхнего слоя сливок происходит, когда грубо обработанные сливки хранятся в упаковке. Слой сливок будет плотным и липким. “Эффект гомогенизации” сильно портит характеристики взбиваемости сливок. При взбивании сливок воздух вбивается намеренно. При этом образуется пена, полная небольших воздушных пузырьков. Жировые шарики в сливках собираются на стенках этих воздушных пузырьков. Механическая обработка разрушает мембраны большого числа шариков жира с освобождением некоторого количества жидкого жира, посредством которого шарики слипаются. Для получения крепкой пены жировые шарики должны содержать жидкие и кристаллизованные фракции жира в определенном соотношении. В жировых шариках теплых сливок содержится в основном жидкий жир, что делает взбивание невозможным. Сливки для взбивания должны, следовательно, выдерживать при низкой температуре (4–6°С) в течение относительно длительного периода времени для достижения надлежащей кристаллизации жира в жировых шариках. Этот период хранения называется временем созревания. Сливки обычно выдерживают в танках с двойными стенками и со скребковой мешалкой. Во время кристаллизации выделяется теплота. Однако охлаждение и перемешивание можно начинать только приблизительно через два часа после наполнения танка. Причина состоит в том, что в течение этого периода кристаллизации жировые шарики легко разрушаются, высвобождая жидкий жир и приводя к образованию скоплений. При охлаждении перемешивание должно быть слабым. См. также рис. 8.4, где показан процесс кристаллизации сливок с содержанием жира 40%. Несколько более низкие конечные температуры могут быть использованы летом, когда соотношение легкоплавких и твердоплавких фракций жира в жировых шариках изменяется. Рис. 8.3 Тест на вытекание взбитых сливок после 2-часовой выдержки при температуре 18–20°С и относительной влажности 75%. 208 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Метод взбивания Наилучшее взбивание достигается, когда температура сливок ниже 6°С. Чаша и инструмент для взбивания должны быть пропорционально подобраны один к другому, так, чтобы взбивание выполнялось как можно быстрее. В противном случае температура во время взбивания может заметно повыситься, что приведет к образованию худшей пены (в наихудшем случае может образоваться масло). Время взбивания и увеличение объема (взбитость) – это два критерия, которые следует определять для контроля способности к взбиванию. Для этого теста необходимы надлежащая чаша (емкостью 1 литр) и инструмент (предпочтительно электрическая сбивальная машина). Соответствующий объем сливок (то есть 2 дл) охлаждают до температуры 6°С ±1°С, а затем выливают в чашу. Высоту сливок измеряют перед началом взбивания. Сбивальная машина останавливается, когда пена достигает приемлемой крепости (это означает, что она не начинает стекать, когда чашу переворачивают). Время взбивания измеряют по секундомеру, который запускают и останавливают одновременно со сбивальной машиной. Для определения степени взбитости измеряется высота взбитых сливок. Если, например, высота первоначально была 5 см и составляет 10,5 см после взбивания, степень взбитости составит (10,5 – 5) х 100 – 5 = 110%. Для 40%-ных сливок время взбивания должно составлять приблизительно 2 минуты, а взбитость от 100 до 130%. Качество пены определяют по вытеканию жидкости после 2-часовой выдержки при температуре 18–20°С и относительной влажности 75%. Непосредственно после взбивания и измерения взбитости все взбитые сливки помещают на плоскую металлическую сетку. Пену укладывают, как показано на рис. 8.3, сетку размещают над воронкой соответствующего размера, которая, в свою очередь, опускается в градуированный мерный стакан. Количество жидкости, которая скапливается в стакане, измеряют после двухчасовой выдержки при вышеупомянутой температуре и влажности. Критерий для оценки следующий: 0–1 мл очень хорошо 1–4 мл хорошо >4 мл не очень хорошо. Линия по производству взбитых сливок Метод Скания Этапы процесса производства взбитых сливок включают в себя нагрев цельного молока до температуры сепарирования, 62–64°С, сепарирование, нормализацию °C Крист. жир, % 70 60 50 40 30 Охлаждение 20 10 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Технология производства молочных продуктов/глава 8 50 55 60 120 мин. Рис. 8.4 Процесс кристаллизации сливок с массовой долей жира 40% при температуре 8 °С. 209 сливок по содержанию жира до требуемого значения, пастеризацию и охлаждение сливок в теплообменнике перед тем, как они поступят в танк для созревания. Обработка сливок с высокой массовой долей жира сопряжена с рядом проблем, которые необходимо внимательно рассмотреть при проектировании производственной линии. Самая серьезная проблема состоит в том, чтобы избежать поперечных перемещений и турбулентности во время кристаллизации жира. Жир в шариках переходит в жидкое состояние при более высоких температурах, и жировые шарики становятся менее чувствительны к обработке при температурах выше 40°С. Фракция жира в жировых шариках начинает кристаллизоваться, как только в производственной линии начинается охлаждение. Это медленный процесс: кристаллизация отчасти продолжается более четырех или пяти часов. Кристаллизованный жир имеет более низкий удельный объем, чем жидкий жир, так что во время кристаллизации в шариках жира возникают силы натяжения. Это делает шарики жира очень чувствительными к грубой обработке при температуре 10–40°С. Рис. 8.5 Линия по производству взбитых сливок по методу Скания. 1 2 3 4 5 6 7 Танк для выдержки Насос для подачи продукта Пастеризатор Вспомогательный насос Труба для выдержки Танки для созревания Насос для подачи продукта 6 7 3 5 1 2 Сливки Теплоноситель Холодная вода Ледяная вода 210 4 На рис. 8.5 показан процесс кристаллизации 40%-ных сливок, охлажденных до 8°С. Сливки нельзя перемешивать, пока танк заполняется. Перемешивание и охлаждение начинают через два часа после заполнения бака. При кристаллизации выделяется теплота плавления, что приводит к повышению температуры на 2–3°С. Заключительное охлаждение в танке крайне существенно. Сливки обычно охлаждают до 6°С и даже более низких температур. Жировые шарики, по всей вероятности, менее чувствительны к грубой обработке при этих температурах, но они все же более чувствительны, чем при температурах выше 40°С. Самой большой проблемой при производстве взбитых сливок является образование кластеров, что снижает стабильность эмульсии сливок. Скопления возникают, когда шарики жира с частично кристаллизованным жиром и слабыми мембранами подвергаются грубой механической обработке. Сниженная стабильность эмульсии сливок приводит к возникновению пороков, ухудшающих качество взбитых сливок,– например, к образованию в контейнерах пробок из сливок, снижению взбиваемости, липолизу. На рис. 8.5 показан процесс, при котором большое внимание уделено устранению грубой обработки взбитых сливок. Этот метод, разработанный фирмой Alfa Laval в сотрудничестве с некоторыми шведскими молочными кооперативами, называется методом Скания. Нормализованные сливки могут поступать из Технология производства молочных продуктов/глава 8 специальной линии по производству сливок или же могут быть дополнительным продуктом, получаемым на линии по производству питьевого молока, показанной на рис. 8.1. В любом случае температура сепарирования должна быть 62–64°С для получения как можно более высокого качества сливок (с самым низким содержанием жира). Нормализованные сливки подают сверху в танк для выдержки (1) при температуре сепарирования. Оптимальное время выдержки в танке перед началом пастеризации составляет 15–30 минут. Скорость потока в пастеризационной установке должна быть близка к средней скорости подачи в танк для выдержки, что позволяет собирать порции избыточных сливок в танке для созревания за время, обеспечивающее минимальное механическое перемешивание сливок. Танк для выдержки не имеет мешалки, и в нем естественным образом устраняется приблизительно 50% содержащегося воздуха в сливках. В то же самое время удаляются посторонние летучие вещества, уменьшается возможность пригорания продукта на стенах теплообменника. Выдерживание сливок при температуре приблизительно 63°С в танке позволяет инактивировать многие ферменты и предотвратить таким образом гидролиз свободного жира. Максимальное время выдержки, включая заполнение и опорожнение, должно составлять приблизительно четыре часа. При более длительном производственном цикле следует установить два танка для выдержки и использовать их попеременно, с промежуточной мойкой одного танка во время использования другого. Из танка для выдержки сливки подаются в регенеративную нагревательную секцию теплообменника (3). Затем вспомогательный насос (4) подает сливки в секцию нагревания и трубу для выдержки (5). Так как подача происходит при высокой температуре (выше 60°С), при которой сливки менее чувствительны к механической обработке, в качестве обоих насосов – и насоса для подачи продукта (2), и вспомогательного насоса (4) – могут использоваться центробежные насосы. В течение 10 секунд после пастеризации, обычно при температуре выше 80–95°С, сливки закачивают в охладительные секции теплообменника, где они моментально охлаждаются до 8°С в секции глубокого охлаждения перед поступлением в танки сквашивания (6). Охлаждение в теплообменнике до средней температуры 8°С является оптимальным для сливок с массовой долей жира 35–40%. При более высоком содержании жира следует использовать более высокие температуры охлаждения, чтобы предотвратить закупоривание сливками секции охлаждения, обусловленное быстрым возрастанием вязкости. Это приводит к резкому увеличению спада давления в охладительной секции, что, в свою очередь, приводит к повреждению шариков жира, возможно, даже к вытеканию молочного жира из секции. В этом случае процесс должен быть остановлен, система опорожнена, промыта и запущена повторно. Из-за нестабильности структуры шариков жира сразу после охлаждения следует избегать поперечных перемещений и турбулентности во время транспортировки Рис. 8.6 Линия по производству одинарных или кофейных сливок. 1 Танк для нормализации по жиру 2 Насос для подачи продукта 3 Пластинчатый теплообменник 4 Гомогенизатор 5 Труба для выдержки 3 5 4 1 2 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Сливки Обезжиренное молоко Теплоноситель Холодная вода Ледяная вода 211 Таблица 8.3 Тест на вязкость; повышенное давление гомогенизации при 57°С Давление гомогенизации МПа Вязкость сливок, секунды 10 15 20 18 28 45 от охладительной секции теплообменника в технологический танк для заключительного охлаждения и кристаллизации жира (необходимо использовать предварительно подобранные насос и трубопровод). Давление при этой транспортировке, следовательно, обеспечивается вспомогательным насосом. После сквашивания сливки перекачивают к упаковочным машинам. Здесь температура низкая, и большая часть жира в молоке кристаллизована, что означает: сливки теперь менее чувствительны к механической обработке. При низком перепаде давлений, до 1,2 бара, можно использовать центробежный насос с регулируемой частотой – при условии, что в систему также встроен датчик давления. Лопастные роторные насосы, работающие максимум при 250–300 оборотах в минуту, рекомендуется использовать при перепаде давлений от 1,2–2,5 до 3 бар. Одинарные или кофейные сливки Сливки, содержащие 10–18% жира, считаются одинарными или кофейными сливками. На рис. 8.6 показана линия обработки одинарных сливок. Необработанное молоко из танков для хранения регенеративно нагревается в теплообменнике до температуры сепарации 62–64°С. Затем молоко перетекает в сепаратор для сепарации обезжиренного молока и сливок с требуемым содержанием жира – обычно 35–40%. Обработка сливок та же, что и описанная для взбитых сливок, за исключением того, что одинарные сливки смешивают с обезжиренным молоком для получения требуемого содержания жира. Сливки гомогенизируют. Перемешивание сливок и обезжиренного молока в потоке выполняется с помощью дозировочного насоса, который подает обезжиренное молоко в трубопровод для сливок. Затем сливки подогреваются до температуры гомогенизации. Таблица 8.4 Тест на вязкость; влияние температуры гомогенизации при давлении 15 МПа Температура гомогенизации °C Вязкость, секунды 35 50 65 49 35 10 После гомогенизации сливки возвращаются в теплообменник, где они пастеризуются при температуре 85–90°С в течение 15–20 секунд перед охлаждением приблизительно до 5°С и упаковываются. При производстве сливок следует соблюдать два основных требования: • Сливки должны быть вязкими, чтобы иметь более аппетитный вид • Сливки должны иметь хорошую устойчивость в кофе. Они не должны выпадать хлопьями при добавлении в кофе. Сливки с низким содержанием жира имеют относительно низкую вязкость, и их консистенция обычно не нравится потребителю. Необходимо выбрать правильную температуру и давление гомогенизации, чтобы придать сливкам нужную вязкость. 212 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Вязкость сливок возрастает с увеличением давления гомогенизации и снижается с ростом температуры. Вязкость сливок по таблице 8.3 можно получить, сохраняя температуру гомогенизации постоянной на уровне приблизительно 57°С и гомогенизируя сливки при трех различных давлениях: 10; 15 и 20 МПа (100, 150 и 200 бар). Вязкость измеряется с помощью вискозиметра SMR, описанного в главе 11 “Кисломолочные продукты”. Чем продолжительнее время (в секундах) протекания сливок через вискозиметр, тем выше вязкость. Сливки, которые гомогенизировались при 20 МПа, имеют самую высокую вязкость. В таблице 8.4 приведена вязкость, если температура гомогенизации меняется при постоянном давлении гомогенизации 15 МПа. Вязкость сливок уменьшается при возрастании температуры гомогенизации, которая, следовательно, должна быть как можно меньшей. Однако молочный жир должен полностью находиться в жидком состоянии для достижения эффекта гомогенизации. Это означает, что температура гомогенизации должна быть не ниже 35°С. На устойчивость сливок в кофе можно в значительной мере повлиять с помощью условий гомогенизации – температуры, давления и положения гомогенизатора (вверх по потоку или вниз по потоку от теплообменника). Устойчивость сливок в кофе можно до некоторой степени улучшить, добавив бикарбонат натрия (макс. 0,02%), если это разрешено законом. Устойчивость в кофе является своего рода термостойкостью и представляет собой сложный вопрос, связанный со многими факторами: • Температура кофе: чем горячее кофе, тем легче сливки коагулируют. • Тип кофе и способ его приготовления: чем больше в кофе кислоты, тем легче сливки коагулируют. • Жесткость воды, используемой для кофе: сливки будут выпадать хлопьями быстрее в жесткой воде, чем в мягкой, так как соли кальция уменьшают стабильность белков, и они коагулируют. Упаковка Принципиальными и фундаментальными задачами упаковки являются: – обеспечение возможности эффективной оптовой продажи продукта – обеспечение гигиены продукта – сохранение питательных веществ и вкусовых качеств – уменьшение порчи и снижение отходов продукта – повышение доступности продукта – передача информации о продукте. Стеклянные бутылки для молока были внедрены в начале XX века. Стекло как материал для упаковки имеет некоторые недостатки. Оно тяжелое и хрупкое и перед повторным использованием должно быть вымыто, что создает некоторые проблемы молочным заводам. С 1960 года на рынке молочных продуктов появились другие виды упаковок, главным образом картонные коробки, а также пластиковые бутылки и пластиковые мешки. Упаковка должна защитить продукт и сохранить его вкусовую ценность и витамины на пути к потребителю. Жидкие продукты часто являются скоропортящимися, так что чистая упаковка, не вызывающая порчи, является абсолютно необходимой. Упаковка должна также защищать продукт от механического воздействия, света и кислорода. Молоко является чувствительным продуктом; воздействие дневного света или искусственного освещения разрушает некоторые важные витамины и пагубно воздействует на вкус (“солнечный привкус”, см. таблицу 8.2). Другие продукты, такие как ароматизированное молоко, содержат ароматизатор или витамины, чувствительные к воздействию кислорода. Упаковка должна, следовательно, исключить воздействие кислорода. Картонная упаковка для молока обычно состоит из картона и пластика (полиэтилена). Картон получают из древесины, причем его можно вырабатывать из вторичного сырья. Картон придает упаковке жесткость, а также делает ее устойчивой к механическому воздействию. До некоторой степени картон также служит световым барьером. Тонкий слой пищевого полиэтилена на любой из сторон картона делает картон непромокаемым. С внешней стороны пластик также защищает картон от конденсации, когда охлажденные продукты вынимают после хранения. Технология производства молочных продуктов/глава 8 Функции упаковки: • Обеспечить возможность эффективной оптовой продажи продукта • Обеспечивать гигиену продукта • Защитить питательные вещества и вкус • Снизить порчу и снизить отходы от продукта • Повысить доступность продукта • Сообщить информацию о продукте 213 Благодаря своей чистоте этот полиэтилен создает минимальный ущерб внешней среде при сжигании или утилизации на мусорных свалках. Для продуктов с длительным сроком хранения без охлаждения и очень чувствительных продуктов между слоями полиэтиленовой пленки расположен тонкий слой алюминиевой фольги, обеспечивающий полную защиту продукта от света и атмосферного кислорода. Все упаковки рано или поздно становятся отходами. Растущий объем бытового мусора может стать экологической проблемой нашего общества. Пути решения этой проблемы можно сформулировать в виде пяти основных направлений: • Сокращение. Сокращение объемов используемого сырья и выбор материалов, которые не являются вредными для окружающей среды, помогают сохранить природные ресурсы • Переработка. Упаковку можно собирать после использования и использовать повторно. Однако следует помнить, что даже при повторном заполнении упаковка в конце концов превращается в отходы • Восстановление материалов. Упаковку можно собирать и использовать материалы для производства новых изделий, но важно, чтобы новые изделия соответствовали реальным потребностям • Восстановление энергии. Материал упаковки заключает в себе энергию, которая высвобождается при сжигании упаковки. Потенциальный выход зависит от типа упаковочного материала • Мусорные свалки. Отходы можно складывать на мусорной свалке, и участок можно в конечном итоге проектировать для рекреации или других целей. Картонная упаковка имеет очень малую массу, и ее основной компонент может быть использован повторно. По сравнению с большинством других упаковок количество возникающих отходов мало. Упаковка Tetra Brik вместимостью 1 литр весит 27 г и создает отходы аналогичной массы. Картонные упаковки широко применимы для восстановления энергии. Древесина и нефть (сырье для пластика) являются обычными источниками энергии, и можно сказать, что мы просто заимствуем это сырье для упаковки перед использованием его в качестве топлива. Сжигание двух тонн упаковочного материала дает столько же энергии, сколько дает одна тонна нефти. Отходы в виде мусорной свалки – менее эффективная форма утилизации отходов. Однако, если упаковки Tetra Pak утилизировать таким образом, в них нет токсичных веществ, которые могли бы загрязнить подземные воды. 214 Технология производства молочных продуктов/глава 8 Молоко с длительным сроком хранения Стерилизовать продукт – значит подвергнуть его такой термообработке, при которой все микроорганизмы и термостойкие ферменты теряют активность. Стерилизованные продукты сохраняют превосходное качество в течение длительного времени при комнатной температуре. Таким образом, многие молочные заводы могут реализовывать стерилизованные продукты вдали от своих предприятий и открывать для себя новые рынки сбыта. Продукт, который может храниться длительный период времени без порчи и необходимости охлаждения, имеет множество преимуществ как для производителя, так и для торговли и потребителя. Производитель может, например, добиться географически более обширных рынков, упростить транспортировку, использовать меньшее количество и более дешевые транспортные средства, а также избежать возврата непроданных продуктов. Упрощается обращение с продуктом в розничной торговле, так как исчезает необходимость использования обширных площадей с холодильными установками и планирования мест для хранения. Технология производства молочных продуктов/глава 9 215 Наконец, достигается удобство для потребителя, так как он может совершать меньше поездок в магазины и иметь запас на случай неожиданного прихода гостей, а домашний холодильник будет меньше перегружен. Упомянутый запас может включать в себя дорогостоящие продукты, такие как сливки, десерты и соусы. Качество сырья Молоко непригодно для высокой тепловой обработки в случае: • Повышенной кислотности • Нарушения солевого баланса • Нарушения белкового баланса Молоко, подвергаемое термообработке, должно быть очень высокого качества. Особенно важно, чтобы белки в сыром молоке являлись термически устойчивыми. Термоустойчивость белков можно легко определить по алкогольной пробе на свертываемость. Когда образцы сырого молока смешивают в равном объеме с раствором этилового спирта, а белки являются нестабильными, то при некоторой концентрации молоко сворачивается. Термоустойчивость молока лучше в том случае, когда белки выдерживают тест с более высокой концентрацией раствора этилового спирта. Проблем, связанных с производством и сроком хранения, обычно можно избежать, если молоко остается стабильным при концентрации спирта 75%. Алкогольная проба обычно используется для выявления молока, непригодного для ВТО термообработки, по следующим параметрам: • Повышенная кислотность обусловливается количеством молочнокислых микроорганизмов, вырабатывающих молочную кислоту • Нарушение солевого баланса • Нарушение белкового баланса, повышенное содержание сывороточных белков – типично для молозива. Сырое молоко низкого качества отрицательно влияет и на качество обработки, и на характеристики конечного продукта. Молоко с повышенной кислотностью обладает худшей термоустойчивостью и вызывает проблемы при обработке, осаждении – например, подгорание на нагреваемых поверхностях, что приводит к короткому времени работы и трудностям при мойке, а также осаждение белков на дне упаковки при хранении. Молоко, хранящееся длительное время при низкой температуре, содержит большое количество психрофильных микроорганизмов, обладающих способностью вырабатывать термоустойчивые ферменты, которые нельзя полностью инактивировать при стерилизации. Во время хранения они могут вызвать такие пороки вкуса, как прогорклость, горечь или даже проблемы с желатинированием (загустевание при старении или “сладкое” свертывание). Бактериологическое качество молока должно быть высоким. Это относится к общему количеству бактерий и спор, которые влияют на степень нестерильности. Эффективность стерилизации K x t = log N/Nt где: N – первоначально присутствовавшее число микроорганизмов (спор) Nt – число микроорганизмов (спор), присутствующих после заданного времени обработки (t) K – константа t – время обработки 216 Когда микроорганизмы и/или споры подвергаются воздействию высокой температуры или любому другому виду процедур стерилизации/дезинфекции, не все микроорганизмы могут быть убиты сразу. Напротив, за данный период времени разрушается некоторая их часть, в то время как оставшаяся часть выживает. Если выжившие микроорганизмы еще раз подвергнуть той же обработке в течение того же периода времени, погибнет такая же их часть, и так далее. Другими словами, заданное воздействие стерилизующих или дезинфицирующих реагентов всегда убивает одну и ту же долю присутствующих микроорганизмов, однако большая или малая их часть может остаться. Логарифмическое снижение числа спор Летальное воздействие стерилизации на микроорганизмы можно выразить математически в виде логарифмической функции, представленной слева. Эта формула дает прямую при построении в полулогарифмическом масштабе, причем время откладывается по линейной оси, а число выживших спор – по логарифмической оси. Логарифмическая функция никогда не достигает нуля! Иначе говоря, невозможно достичь стерилизации, определяемой как отсутствие живых бактериальных спор в неограниченном объеме продукта. Не запрашивая невозможного и неопределяемого по практическим соображениям, мы обратились к более действенной и реалистической концепции. “Эффект стерилизации” или “эффективность стерилизации” – это именно такая концепция. Технология производства молочных продуктов/глава 9 Эти понятия устанавливают число десятичного сокращения количества спор микроорганизмов, достигаемого в процессе стерилизации. Каждый процесс стерилизации может быть охарактеризован определенным эффектом стерилизации. При любой стерилизационной обработке эффект стерилизации определяется применяемыми параметрами времени/температуры. Чем выше температура и продолжительнее время выдержки, тем более эффективна обработка, т. е. выше эффект стерилизации. Эффект стерилизации выражают числом десятичных сокращений, достигаемых при обработке. Например, эффект стерилизации 9 указывает, что из 109 спор бактерий, подвергнутых обработке, только 1 (100) выживет. Эффект стерилизации не зависит от объема. log 109 – log 100 = 9 – 0 = 9 Споры Bacillus subtilis или Basillus stearothermophilus используются в общем случае в качестве тест-культуры для определения эффекта стерилизации термообрабатывающего оборудования высокой тепловой обработки, так как эти штаммы – особенно B. stearothermophilus – образуют достаточно термостойкие споры. Микроорганизмы вида Clostridium botulinum используются для расчета влияния стерилизации в таре. Оборудование для поточной стерилизации (высокотемпературной обработки – ВТО) обычно дает эффект стерилизации приблизительно от 10 до 12 при пробах со спорами B. subtilis и приблизительно 8 при использовании спор B. stearothermophilus, в то время как эффект при стерилизации в таре должен быть не ниже 12 при использовании Clostridium botulinum. Очевидно, что эффект стерилизации зависит от: • Сочетания времени/температуры • Термоустойчивости спор тест-культуры, которая, в свою очередь, зависит от используемого штамма бацилл и способа получения спор • Продукта, который подвергается тепловой обработке. Летальное воздействие на споры бактерий начинает сказываться при температурах около 115°С и возрастает очень быстро при повышении температуры. Бактерии можно подразделить на две группы: 1 Бактерии, представленные только вегетативной формой (легко уничтожаются при нагревании и других способах обработки) 2 Существующие в вегетативной и споровой формах, т. е. спорообразующие бактерии (в то время как вегетативные клетки этих бактерий легко уничтожаются, их споры устранить трудно). Стерилизуемые продукты обычно содержат смешанную флору вегетативных и споровых форм микроорганизмов, как показано на рис. 9.1. К сожалению, определенной корреляции между этими двумя типами как таковой не существует. Высокое содержание спор может быть обнаружено в продуктах с низким общим количеством микроорганизмов, и наоборот, определение общего числа бактерий не может служить надежным основанием для оценки количества спор в пищевых продуктах. Логарифмическая функция никогда не достигает нуля! Чем выше температура и продолжительнее время выдержки, тем более эффективна обработка, т. е. выше эффект стерилизации. Рис. 9.1 Тепловое воздействие на бактерии в различных состояниях. Значение Q10 Эффект стерилизации при стерилизационной обработке нагревом быстро возрастает с повышением температуры. Это, без сомнения, также относится к химическим реакциям, происходящим вследствие термообработки. Значение Q10 было введено, чтобы выразить указанное увеличение скорости реакции. Оно устанавливает, во сколько раз скорость реакции возрастает, если температура системы увеличивается на 10°С. Значение Q10 для изменения вкуса – и для большинства химических реакций – составляет приблизительно от 2 до 3, т. е., если температура системы увеличивается на 10°С, скорость химических реакций удваивается или утраивается. Значения Q10 также можно определить для уничтожения спор бактерий. Найденные значения лежат в интервале от 8 до 30. Существует широкий ряд возможных вариантов в зависимости от особенностей вида бактериальных спор, разной реакции на увеличение температуры. Технология производства молочных продуктов/глава 9 217 Изменения химических свойств и разрушение спор микроорганизмов под действием увеличивающихся температур продемонстрированы на рис. 9.2. Значение F0 ê‡ÁÛ¯ÂÌË ÒÔÓ В этом контексте следует также упомянуть, что соотношение между временем и температурой стерилизации также выражают через значение F0 в соответствии со следующей логарифмической функцией: F0 = ïËÏ˘ÂÒÍË ËÁÏÂÌÂÌËfl 100 110 120 130 140 150 160 170 íÂÏÔ.°C Рис. 9.2 Кривые, представляющие скорость изменения химических свойств и разрушения спор при повышении температуры. t x 10T–121,1°С z 60 где: t – время стерилизации в секундах при T°С T – температура стерилизации, °С z – величина, выражающая увеличение температуры для получения летального эффекта за 1/10 времени. Это значение меняется в зависимости от происхождения спор (10–10,8°С) и в общем случае его можно установить 10°С. Если формула выражена в градусах Фаренгейта (°F), эталонная температура составляет 250°F, и значение z обычно составляет 18°F. F0 = 1 после нагревания продукта при 121,1°С в течение одной минуты. Для получения стерильного молока в промышленных масштабах из сырого молока высокого качества требуется значение F0 не менее 5–6. Значения B* и С* Эффективный рабочий диапазон высокой температурной обработки определяется также в некоторых странах со ссылкой на два параметра, а именно: Бактериологическое действие: B* (известен как B со звездочкой) Химическое воздействие: C* (известен как С со звездочкой). Параметр B* основан на предположении, что промышленная стерильность достигается при температуре 135°С в течение 10,1 секунды с соответствующим значением z, равным 10,5°С. Этому эталонному процессу присвоено значение B*, равное 1,0, что представляет собой относительное сокращение числа термофильных спор, равное 109/мл. Значение С* основано на условии 3%-ного разрушения тиамина на единицу. Это эквивалентно обработке при 135°С в течение 30,5 секунды со значением z, равным 31,4°С. Процесс высокой температурной обработки дает удовлетворительные результаты в отношении сохранения качества продукта при выполнении следующих условий: B* > 1 C* < 1 “Самая быстрая частица” Промышленный стерильный продукт не содержит микроорганизмов, рост которых происходит при широко распространенных условиях. 218 В некоторых странах (особенно в США) пристальное внимание уделяется времени нахождения в секции или трубе для выдержки, а время выдержки особо указывается для “самой быстрой частицы”. В зависимости от характера потока (турбулентное или ламинарное течение) коэффициент эффективности для молока составляет 0,85–0,9. Это значение включает в себя применение корректирующего множителя в расчетах времени выдержки. В особых случаях в США считается, что самая быстрая частица проходит камеру для выдержки в два раза быстрее средней частицы, т. е. коэффициент эффективности (h) равен 0,5–0,85. Промышленная стерильность Вы также встретитесь с выражением “промышленная стерильность”, которое часто используется для стерилизованных продуктов. Промышленно стерильным продуктом является продукт, определяемый как не содержащий микроорганизмов, рост которых происходит при наиболее широко распространенных условиях. Кривые на рис. 9.3 и 9.4 показывают зависимость температуры от времени для двух наиболее часто используемых систем термической стерилизации. На диаграммах также показано, что если время стерилизации в таре нестерильного продукта выражается в минутах, то соответствующее время высокотемпературной обработки составляет всего лишь несколько секунд. Технология производства молочных продуктов/глава 9 íÂÏÔ. °C 150 íÂÏÔ. °C 150 100 100 50 50 0 0 20 40 60 80 100 20 120 åËÌÛÚ˚ Рис. 9.3 Зависимость температуры от времени для процесса стерилизации в таре. 40 60 80 100 120 ëÂÍÛ̉˚ Рис. 9.4 Зависимость от времени для процессов прямой и косвенной высокотемпературной обработки. Химические и бактериологические изменения при высокотемпературной обработке Когда молоко выдерживается при высокой температуре в течение длительного времени, в нем образуются продукты некоторых химических реакций, что приводит к изменению цвета (потемнению). Оно также приобретает привкус кипяченого молока и карамели, а иногда появляется некоторое количество осадка. Этих недостатков можно избежать с помощью тепловой обработки при более высокой температуре в течение более короткого времени. Необходимо, чтобы сочетание температура/продолжительность выдержки обеспечивало максимальную степень разрушения бактериальных спор с минимально возможной степенью химических изменений составляющих молока. Рис. 9.5 демонстрирует взаимосвязь между достигнутым эффектом стерилизации и степенью изменения окраски молока. Линия А представляет собой нижний предел сочетаний времени/температуры, которые приводят к побурению молока. Линия В является нижним переделом этих сочетаний для полной стерилизации (разрушение термофильных спор). На рисунке также отмечены области режимов стерилизации в таре и высокотемпературной обработки. Рисунок показывает, что, несмотря на идентичную степень производимого эффекта стерилизации, в обоих случаях весьма значительно различается разрушающее воздействие на компоненты молока (витамины, аминокислоты). Вследствие этого органолептические характеристики и питательная ценность молока, подверженного кратковременной температурной обработке, выше, чем у молока, стерилизованного в таре. Рис. 9.5 Кривые разрушения компонентов молока и спор микроорганизмов. Значения в скобках (30°С и 55°С) выражают оптимальные температуры роста вегетативных клеток соответствующих спорообразующих микроорганизмов. Литературный источник: Kessler Технология производства молочных продуктов/глава 9 219 Изменения питательной ценности жира, лактозы и минеральных солей не происходит, но имеются незначительные изменения питательной ценности белков и витаминов. С тех самых пор как молоко, прошедшее высокотемпературную обработку, появилось на рынке, обсуждалось его качество, и в первую очередь его органолептические свойства (вкус и запах). Сначала молоко, подвергнутое высокотемпературной обработке, было таким же белым, как и пастеризованное молоко, но имело привкус и запах кипяченого молока. Работа по приближению вкусовых качеств молока, подвергнутого высокотемпературной обработке, к пастеризованному молоку все еще продолжается. В этом контексте важно упомянуть, что температура, при которой определяются органолептические качества молока, сильно влияет на результат. При пониженной температуре хранения молока (в холодильнике: около 5–7°С) вкус, придаваемый высокотемпературной обработкой, подавляется. Следовательно, например, при проведении сравнения влияния различных методов тепловой обработки органолептическую оценку следует проводить при температуре 20°С после того, как образцы хранились при 20°С в течение различных промежутков времени, то есть 2, 4 и 6 недель. Испытания, проводимые таким образом, показывают, что для прямых и косвенных методов существуют значительные различия, причем при косвенных методах молоко подвергается большей тепловой нагрузке. Однако между двумя прямыми методами существенного различия нет. Срок хранения Другим понятием, используемым для характеристики качества высокотемпературной обработки, является срок хранения продукта. Он определяется как время, в течение которого продукт можно хранить без риска снижения качества ниже некоторого приемлемого минимального уровня. Понятие является субъективным – срок хранения может быть очень длительным, если оценивается по невысоким критериям качества. Физическими и химическими факторами, ограничивающими срок хранения, являются начинающаяся желатинизация, увеличение вязкости, осаждение и отстой сливок. Лимитирующими факторами с точки зрения органолептических свойств являются ухудшение вкуса, запаха и цвета. Питательные свойства При изучении производства всех пищевых продуктов необходимо рассмотреть вопрос их питательных свойств. Поэтому были проведены обширные исследования влияния термообработки на молоко. Воздействие тепла на компоненты молока при его высокотемпературной обработке можно кратко описать следующим образом: Составляющие Результат воздействия тепла Жир Лактоза Белки Нет изменений Незначительные изменения Частичная денатурация сывороточных белков Частичное осаждение Незначительные потери Минеральные вещества Витамины По результатам воздействия тепловой обработки на компоненты молока можно сделать некоторые выводы относительно изменения питательной ценности. Питательная ценность жира, лактозы и минеральных веществ не снижается, но появляются незначительные изменения питательной ценности белков и витаминов. На основной белок молока, казеин, тепловая обработка воздействия не оказывает. Денатурация сывороточных белков не приводит к снижению питательной ценности молока, прошедшего высокотемпературную обработку, по сравнению с сырым молоком. Наоборот, тепловая обработка улучшает усвояемость сывороточных белков. Структура ослабляется таким образом, что имеющиеся в желудке ферменты могут легко воздействовать на белки. Небольшие потери ценной аминокислоты лизина вызывают незначительные изменения питательной ценности. Однако было показано, что в результате высокотемпературной обработки и пастеризации потери лизина составляют 0,4–0,8%, в то время как при стерилизации молока в таре 6–10%. Некоторые витамины в молоке считаются более или менее термостойкими. Среди них жирорастворимые витамины A, D и E и водорастворимые витамины B2, B3, биотин и никотиновая кислота (ниацин). Другие витамины менее устойчивы к воздействию тепла – например, B1 (тиамин). График зависимости температуры от времени (рис. 9.5) показывает, что потери тиамина в молоке, прошедшем высокотемпературную обработку, составляют менее 3%, а в молоке, стерилизованном в таре, эта величина значительно выше (приблизительно 20–50%). Подобная взаимосвязь может быть 220 Технология производства молочных продуктов/глава 9 найдена для термолабильных витаминов В6, В12, С, фолиевой кислоты при сравнении молока, прошедшего высокотемпературную обработку и стерилизацию в таре. Потери витамина B2 и витамина C в молоке, стерилизованном в таре, могут достигать 100%. Основные потери витаминов, чувствительных к воздействию кислорода – например, фолиевой кислоты и витамина С – главным образом происходят при хранении упакованного молока за счет высокого содержания растворенного в нем воздуха. Однако молоко не является основным источником витамина С и фолиевой кислоты, так как содержащееся в нем количество этих витаминов значительно ниже рекомендуемой ежедневной нормы потребления. В целом, когда пища готовится дома, потери витаминов значительно выше, чем при высокотемпературной обработке и пастеризации молока. Общее заключение, следовательно, будет таким, что питательная ценность молока, прошедшего высокотемпературную обработку, и пастеризованного молока приблизительно одинакова, в то время как качество молока, стерилизованного в таре, будет ниже. Рис. 9.6 Статическая камера высокого давления (автоклав). Производство молока с длительным сроком хранения Для производства молока с длительным сроком хранения используются два способа: A Стерилизация в таре, когда упакованный продукт выдерживается при температуре 116°С около 20 минут. Допускается хранение при комнатной температуре B Ультравысокотемпературная обработка при температуре 135–150°С с выдержкой 4–15 секунд с последующей асептической упаковкой в тару, защищающую продукт от воздействия света и атмосферного кислорода. Допускается хранение при комнатной температуре. Стерилизация в таре Для стерилизации в бутылках или консервных банках используются два вида обработки: • Обработка партиями в автоклавах, рис. 9.6 • Системы непрерывной обработки типа: – вертикальные гидростатические башни, рис. 9.7 – горизонтальные стерилизаторы, рис. 9.8. 1 Рис. 9.7 Вертикальный или башенный стерилизатор. Пар Вода Обработка партиями Систему обработки партиями можно эксплуатировать тремя способами: 1 В рядах контейнеров с ячейками в статических камерах высокого давления (автоклавах, рис. 9.9) 2 В камере, которую можно вращать в статическом автоклаве 3 В ротационном автоклаве. Рис. 9.8 Горизонтальный стерилизатор. Пар Вода Ротационные методы имеют преимущество перед статическим методом, что обусловлено более быстрой подачей тепла от нагревателя и более высокой равномерностью обработки с точки зрения степени уничтожения бактерий и изменения цвета обработанного продукта. При стерилизации молока в автоклаве обычно проводится предварительное нагревание молока приблизительно до 80°С и затем розлив в чистые, нагретые бутылки. Бутылки укупоривают, помещают в паровую камеру и стерилизуют, обычно при 110–120°С в течение 15–40 минут. Затем всю партию охлаждают и автоклав заполняют новой партией. Тот же принцип используется для обработки консервных банок. Стерилизация партиями в автоклавах представляет собой метод, используемый чаще для консервированных твердых пищевых продуктов, чем для жидких. Тот факт, что стерилизация происходит после розлива в бутылки или консервирования в герметичной Рис. 9.9 Обработка партиями в статической камере высокого давления (автоклаве). Технология производства молочных продуктов/глава 9 221 таре, позволяет устранить необходимость асептической упаковки, но, с другой стороны, необходимо использовать термостойкие упаковочные материалы. Непрерывная обработка 10 10 Обычно системы непрерывной обработки используются, когда нужно обработать более 10 000 единиц в день. Конструкция машин для непрерывного производства зависит от используемой системы пневматического затвора, через который заполненная тара проходит из отсека с низким давлением/низкой температурой в зону с относительно высоким давлением/высокой температурой, после чего она попадает в условия медленного снижения температуры/давления и, в конечном итоге, охлаждается холодной водой. Существуют два основных типа машин на рынке непрерывной стерилизации, отличающиеся в основном по типу используемой системы пневматического затвора: 1 Гидростатический вертикальный стерилизатор бутылок 2 Горизонтальный ротационный стерилизатор с клапанным затвором. 10 Гидростатический вертикальный стерилизатор 5 1 6 2 4 3 7 9 8 Рис. 9.10 Гидростатический вертикальный стерилизатор бутылок непрерывного действия. 1 1-я стадия нагрева 2 Водяной затвор и 2-я стадия нагрева 3 3-я стадия нагрева 4 Секция стерилизации 5 1-я стадия охлаждения 6 2-я стадия охлаждения 7 3-я стадия охлаждения 8 4-я стадия охлаждения 9 Стадия заключительного охлаждения 10 Верхние валы и колеса c индивидуальным приводом Пар Охлаждающая вода 222 Этот тип стерилизатора, часто упоминаемого как башенный стерилизатор (рис. 9.10), в основном состоит из центральной камеры, в которой поддерживается температура стерилизации паром под давлением, уравновешенным со стороны загрузки и выгрузки столбами воды, создающими эквивалентное давление. Вода со стороны загрузки нагревается, а со стороны выгрузки – охлаждается, каждая до температуры, отрегулированной на максимальную подачу/отвод тепла, во избежание при этом разрушения стекла от тепловой нагрузки. В гидростатической башне тара с молоком медленно проходит по конвейеру через последовательные зоны нагрева и охлаждения. Эти зоны имеют размер, соответствующий требуемой температуре и времени выдержки на различных этапах обработки. Во многих случаях молоко предварительно нагревают на установке для предварительной стерилизации, аналогичной установке для высокотемпературной обработки. Молоко нагревается до 135°С или более высокой температуры в течение нескольких секунд, а затем охлаждается до 30–70°С (в зависимости от материала бутылки – как правило, для пластиковых бутылок требуется более низкая температура) и перед обработкой в гидростатической колонне разливается в чистые нагретые бутылки. Предварительная стерилизация может осуществляться на установке прямой или косвенной обработки; она не должна быть такой интенсивной, как одностадийная стерилизация, так как ее основное назначение состоит в сокращении числа спор с целью снижения тепловой нагрузки в нагревательной башне. Временной цикл гидростатического стерилизатора составляет приблизительно один час, включая 20–30 минут для прохождения через секцию стерилизации при температуре 115–125°С. Гидростатический стерилизатор пригоден для тепловой обработки от 2000 х 0,5л до 16 000 х 1л единиц в час. Можно использовать бутылки как из стекла, так и из пластика. Горизонтальный стерилизатор Ротационный стерилизатор с клапанным затвором (рис. 9.11) сравнительно низкорамный агрегат с механическим приводом ротора, через который заполненная тара проходит в зону относительно высокого давления/высокой температуры, где она подвергается воздействию температур стерилизации порядка 132–140°С в течение 10–12 минут. Общая продолжительность цикла составляет 30–35 минут, а производительность может достигать 12 000 единиц в час. Ротационный стерилизатор с клапанным затвором можно использовать для стерилизации пластиковых и стеклянных бутылок, а также гибкой тары из пластиковой пленки и слоистой пластмассы. Другая система, которую следует упомянуть в этом контексте,– это горизонтальный ротационный автоклав непрерывного действия для сгущенного молока в консервных банках. Конструкция стерилизатора включает в себя трехцилиндровые камеры, каждая из которых содержит спиральную ленту, присоединенную внутри камеры к вращающемуся цилиндру. Более того, число каналов формируется таким образом, что консервные банки продвигаются вперед во время обработки вдоль вращающегося цилиндра и одновременно вращаются. Этот тип стерилизатора оборудован также системой с двойным детектором, что позволяет обнаружить нестерильные банки: один детектор – на выходе из устройства предварительного нагрева, а другой – в конце системы охлаждения под давлением. Технология производства молочных продуктов/глава 9 3 4 2 1 5 7 6 Высокотемпературная обработка (ВТО) В современной установке для высокотемпературной обработки молоко подается насосом в закрытую систему. По мере прохождения технологической цепочки оно предварительно нагревается, обрабатывается при высокой температуре, гомогенизируется, охлаждается и асептически упаковывается. Жидкие продукты с низким содержанием кислоты (рН выше 4,5 – для молока рН больше 6,5) обычно обрабатывают при температуре 135–150°С в течение нескольких секунд, либо косвенным нагревом, либо прямой инжекцией пара или введением продукта в область, заполненную паром. Продукты с высоким содержанием кислоты (рН ниже 4,5), такие как сок, обычно выдерживают при температуре 90–95°С в течение 15–30 секунд. Все части системы после секции выдержки имеют асептическую конструкцию во избежание риска вторичного бактериального обсеменения. По сравнению с традиционной стерилизацией в гидростатических башнях высокотемпературная обработка молока позволяет сэкономить время, трудовые затраты, энергию и пространство. Высокотемпературная обработка является высокоскоростным процессом и гораздо меньше влияет на вкус молока. Однако постоянные потребители молока, стерилизованного в автоклаве, привыкли к его “кипяченому” или карамельному привкусу и могут посчитать продукт, прошедший высокотемпературную обработку, “безвкусным”. Процессы ВТО Высокотемпературная обработка является методом сохранения жидких пищевых продуктов путем кратковременного интенсивного воздействя тепла. Эта обработка разрушает микроорганизмы, присутствующие в продукте. Это применимо только до тех пор, пока продукт находится в асептических условиях, поэтому необходимо предупредить вторичное бактериальное обсеменение, упаковывая продукт после термообработки в предварительно стерилизованные упаковочные материалы при асептических условиях. Любое промежуточное хранение между обработкой и упаковкой должно происходить при асептических условиях. Вот почему технология высокотемпературной обработки называется также асептической технологией. Развитие метода ВТО Эксперименты по стерилизации молока в бутылках уже проводились Луи Пастером, но только приблизительно с 1960 года, когда технологии асептической обработки и асептического розлива стали коммерчески доступны, началось современное развитие процессов высокотемпературной обработки. Молоко, прошедшее высокотемпературную обработку, и другие жидкие пищевые продукты, обработанные таким же образом, являются сейчас широко распространенными во всем мире, но так было не всегда. Первые установки по высокотемпературной обработке работали по принципу прямой инжекции пара. По сравнению с оборудованием для стерилизации в таре новые установки вскоре приобрели популярность благодаря превосходному вкусу вырабатываемых продуктов. Первые установки косвенного воздействия были внедрены на рынок несколько десятков лет назад. С тех пор как впервые была введена термообработка при высоких температурах, проводились интенсивные исследования и разработки. Современные установки производят превосходный продукт практически без изменения цвета и питательной ценности. Технология производства молочных продуктов/глава 9 Рис. 9.11 Горизонтальный стерилизатор с ротационным клапанным затвором и избыточным внутренним давлением (паровоздушная смесь). 1 Автоматическая загрузка бутылок или консервных банок 2 Ротационный клапан одновременно транспортирует бутылки в камеру и из камеры с избыточным давлением 3 Cекция стерилизации 4 Вентилятор 5 Область предварительного охлаждения 6 Заключительное охлаждение при атмосферном давлении 7 Выгрузка с конвейерной цепи Пар Охлаждающая вода Продукты, обычно подвергаемые высокотемпературной обработке • Свежее и восстановленное жидкое молоко • Концентрированное молоко • Сливки • Ароматизированные молочные напитки • Кисломолочные продукты (йогурт, пахта и т. д.) • Напитки на основе сыворотки • Смесь для приготовления мороженого • Десерты (кремы и пудинги) • Белковые напитки • Соевые напитки • Продукты детского питания • Фруктовые и растительные соки • Напитки, такие как чай и кофе • Сливки и кремы на основе растительного жира • Супы • Соусы • Пюре • Заправки • Питательные растворы 223 Установки для ВТО Рис. 9.12 Патрубок инжекции пара. Рис. 9.13 Камера с введением продукта в область, заполненную паром. Рис. 9.14 Пластинчатый теплообменник для нагрева и охлаждения. Тепловая обработка при высоких температурах является непрерывным процессом, и ее применение, следовательно, ограничено объемом продукта, который можно подать в систему. Высокотемпературную обработку можно применять для широкого ряда молочных и пищевых продуктов. Приведенный список не является исчерпывающим. Многие другие жидкие пищевые продукты, по всей вероятности, будут также представлять в будущем большой интерес для молочных заводов. Установки для высокотемпературной обработки часто имеют универсальную конструкцию, позволяющую обрабатывать на одной и той же установке широкий ряд продуктов. На установке, производящей высокотемпературную обработку, можно обрабатывать продукты как с пониженной кислотностью (рН >4,5), так и с повышенной кислотностью (рН<4,5). Однако высокотемпературная обработка необходима только для продуктов с пониженной кислотностью для достижения ими состояния промышленной стерильности. В продуктах с высоким содержанием кислоты, таких как соки, споры развиваться не могут, и, следовательно, тепловая обработка подразумевает только уничтожение дрожжей и плесеней. Для обеспечения промышленной стерильности продуктов с высоким содержанием кислоты достаточна обычная пастеризация при высокой температуре (90–95°С в течение 15–30 секунд). Установки для высокотемпературной обработки полностью автоматизированы и имеют четыре рабочих режима: предварительная стерилизация установки, производство, AIC (промежуточная асептическая очистка) и CIP (безразборная чистка). При конструировании установки для высокотемпературной обработки в первую очередь рассматриваются вопросы безопасности. Должна быть исключена возможность подачи нестерилизованного продукта на асептическую упаковочную машину. Взаимные блокировки в программировании управления должны обеспечить защиту от ошибок оператора и несанкционированного вмешательства в процесс. Например, невозможно начать производство, если установка не прошла предварительную стерилизацию надлежащим образом. Все последовательности действий, связанных с запуском, эксплуатацией и мойкой установки, приводятся в действие с пульта управления, который содержит все необходимое оборудование для управления, контроля и записи процесса. Различные системы ВТО Рис. 9.15 Трубчатый теплообменник для нагрева и охлаждения. Рис. 9.16 Шнековый теплообменник для нагрева и охлаждения. На рынке имеются два основных типа систем высокотемпературной обработки. В системах прямого воздействия продукт вступает в прямое соприкосновение с нагревающей средой с последующим охлаждением в вакуумной камере и в конечном итоге с заключительным косвенным охлаждением до температуры упаковки. Системы прямой обработки подразделяются на: • Системы с инжекцией пара (пар впрыскивается в продукт), рис. 9.12 • Системы с введением продукта в камеру, наполненную паром, рис. 9.13. В системах с косвенным нагревом продукта тепло передается от нагревательной среды к продукту через перегородку (пластину или трубчатую стенку). Системы с косвенным нагревом могут базироваться на: • Пластинчатых теплообменниках, рис. 9.14 • Трубчатых теплообменниках, рис. 9.15 • Шнековых теплообменниках, рис. 9.16. Более того, в системах с косвенным нагревом можно сочетать теплообменники в соответствии с требованиями, предъявляемыми к продукту и технологическому процессу. Основные рабочие режимы процесса ВТО Эти фазы работы являются общими для всех систем высокотемпературной обработки и, следовательно, для каждой системы отдельно описаны не будут. Предварительная стерилизация Молоко Горячая вода Пар 224 Во избежание возникновения вторичного бактериального обсеменения обработанного продукта перед началом производства установка должна пройти предварительную стерилизацию. Предварительная стерилизация включает в себя: • Стерилизацию горячей водой при той же температуре, при которой продукт будет обработан. Минимальное время стерилизации горячей водой составляет 30 минут с момента достижения соответствующей температуры во всей асептической части установки. • Охлаждение установки до температуры, требуемой для производства. Технология производства молочных продуктов/глава 9 Производство Режимы производства изменяются согласно характеру протекающих процессов, как описано ниже. Асептическая промежуточная мойка (AIC) Полный цикл CIP занимает от 70 до 90 минут и обычно выполняется сразу же после производственного цикла. Асептическая промежуточная очистка (AIC) полезна в тех случаях, когда установка используется в течение длительного периода производства. 30-минутную AIC можно выполнять в любой момент, когда необходимо удалить загрязнения в производственной линии без потери асептических условий. После AIC установка не должна подвергаться повторной стерилизации. Этот метод сокращает время простоя и позволяет осуществлять производство более длительное время. Безразборная мойка (CIP) Безразборная мойка установок, работающих по принципу прямого и косвенного нагрева продукта, может включать в себя последовательность действий по предварительному ополаскиванию, мойке каустической содой, ополаскиванию горячей водой, мойке кислотой и заключительному ополаскиванию, которые контролируются автоматически в соответствии с программой предварительно установленных времени/температуры. Программа CIP должна быть оптимизирована для рабочих условий конкретного молочного завода. Установка ВТО, основанная на прямом нагреве продукта, включающая оборудование для инжекции пара и пластинчатый теплообменник На блок-схеме рис. 9.17 продукт при температуре около 4°С подается в балансный бак (1а) и направляется с помощью подающего насоса (2) в секцию предварительного нагрева пластинчатого теплообменника (3). После предварительного нагрева приблизительно до 80°С давление продукта увеличивается с помощью насоса (4) примерно до 4 бар, а затем продукт подается на инжектор пара с кольцевым патрубком (5). Пар, впрыскиваемый в продукт, мгновенно поднимает температуру продукта до 140°С (давление 4 бара предотвращает кипение продукта). Продукт выдерживается при температуре тепловой обработки в трубе для выдержки (6) в течение нескольких секунд перед тем, как он будет мгновенно охлажден. 3 1b 5 4 12 10 6 7 1a 11 2 9 Горячая вода Вакуум и конденсат Оборотный поток Молоко Пар Охлаждающая вода 1a Балансный бак для молока 1b Балансный бак для воды 2 Подающий насос 3 Пластинчатый теплообменник 4 Объемный насос 5 Головка для инжекции пара 6 Труба для выдержки 7 Расширительная камера Технология производства молочных продуктов/глава 9 8 Вакуумный насос 9 Центробежный насос 10 Асептический гомогенизатор 11 Асептический танк 12 Асептический розлив 8 Рис. 9.17 Установка для ВТО включает процесс высокотемпературной обработки с нагревом прямой инжекцией пара в сочетании с пластинчатым теплообменником. 225 Сверхбыстрое охлаждение осуществляется в расширительной камере, оборудованной конденсатором (7), в которой с помощью насоса (8) поддерживается частичный вакуум. Уровень вакуума регулируется, так что количество испарений, выходящих из продукта, соответствует количеству пара, предварительно впрыснутого в него. Центробежный насос (9) подает термообработанный при высокой температуре продукт на асептический двухступенчатый гомогенизатор (10). После гомогенизации продукт охлаждается приблизительно до 20°С в пластинчатом теплообменнике (3), а затем поступает на асептическую упаковочную машину или в асептический танк для предварительного хранения перед упаковкой. Охлаждающая вода, используемая для конденсации, направляется из балансного бака (1б) и после выхода из расширительной камеры (7) используется в качестве предварительно нагревающей среды после прохождения через инжектор пара. При предварительном охлаждении температура воды падает приблизительно до 11°С; таким образом, она может использоваться в качестве охладителя для продукта, поступающего из гомогенизатора. В случае падения температуры во время производства продукт после дополнительного охлаждения отводится в танк для сброса продукта. Одновременно установка промывается водой. Вслед за промывкой водой установка моется (CIP) и стерилизуется перед повторным запуском. Имеются установки с производительностью 2000–30 000 л/час. Рис. 9.18 Система, сочетающая прямую и косвенную высокотемпературную обработку. Установка ВТО ,основанная на прямом нагреве, с использованием оборудования для инжекции пара и трубчатого теплообменника В качестве варианта вышеописанная конструкция пластинчатого теплообменника (3 на рис. 9.17) может быть заменена трубчатыми теплообменниками, где обрабатываются продукты с низкой или средней вязкостью, содержащие или не содержащие частицы или волокна. Молоко Пар Охлаждающая вода Горячая вода Вакуум и конденсат Обратный поток 7 1 3 8 6 9 80°C 4a 4b 5 2 3a 3b 3c 3d 10 3e 3f 3g 1 Балансный бак 2 Питательный насос 3 Трубчатый теплообменник 7 Вакуумный насос 4а Труба выдержки для 5 Головка 3а Секция 8 Асептический гомогенизатор инжектора пара стабилизации предварительного 9 Асептический танк 6 Расширительная 4b Труба для выдержки нагрева 10 Асептический розлив камера 3b Корректирующий охладитель После предварительной стерилизации и охлаждения установки до 25°С молоко при 3с Секция нагрева температуре 4°С направляется в трубчатый теплообменник (3) для предварительного нагрева 3d Секция заключительного приблизительно до 95°С (в секциях 3а и 3с). После выдержки (4а) для стабилизации белков нагрева молоко далее нагревается косвенным способом (3d). 3e Секция охлаждения Инжекция пара (5) мгновенно повышает температуру до 140–150°С. Молоко находится при 3f Секция охлаждения этой температуре несколько секунд (4b), а затем охлаждается. Предварительное охлаждение 3g Охладитель обратного осуществляется в трубчатом теплообменнике (3е), где тепловая энергия используется для потока 226 Технология производства молочных продуктов/глава 9 регенеративного нагрева. Впрыснутый пар мгновенно вскипает в вакуумной камере (6), в результате чего температура молока падает до 80°С. Система предварительного охлаждения перед вскипанием увеличивает экономию тепла, а также сводит к минимуму потерю ароматообразующих соединений молока. После асептической гомогенизации (8) молоко охлаждается регенеративно (3f) до температуры упаковки, приблизительно 20°С, и направляется в асептический танк для промежуточного хранения перед асептической упаковкой. Нагревательная и охладительная среды циркулируют в замкнутом водяном контуре, который переносит тепловую энергию между секциями теплообменников в ходе процесса обработки. Пар впрыскивается для добавления небольшого количества дополнительной энергии, требуемой во время обычного производства. При падении температуры во время производства продукт отводится в танк для сбора продукта, а установка промывается водой. Перед повторным запуском установку необходимо помыть и простерилизовать. Установка ВТО, основанная на прямом нагреве продукта с введением продукта в камеру, наполненную паром Рис. 9.19 Камера, в которой продукт нагревается путем впрыскивания его в пар. Эта система отличается от системы с инжекцией пара главным образом по способу введения пара и молока. Основной принцип высокотемпературной обработки молока впрыскиванием его в камеру, наполненную паром, состоит в нагревании продукта путем пропускания его через атмосферу, насыщенную паром, как показано на рис. 9.19. Система разбрызгивания продукта может быть различной, но коэффициент теплопередачи – конечный размер капелек молока – должен быть единым. Если размер капелек изменился, устройство для нагнетания пара отклоняется от теоретической модели, на которой основана конструкция. В других отношениях обработка аналогична системе с инжекцией пара. Установка ВТО с использованием пластинчатых теплообменников, принцип работы которой основан на косвенном нагреве Установки высокотемпературной обработки с нагревом косвенного типа сконструированы для получения производительности 30 000 л/час; типовая блок-схема приведена на рис. 9.20. Продукт при температуре 1 2 4 5 3 Молоко Пар Охлаждающая вода Горячая вода Обратный поток 6 1 Балансный бак 2 Питающий насос 3 Пластинчатый теплообменник 7 4 Неасептический гомогенизатор 5 Головка для инжекции пара 6 Труба для выдержки 7 Асептический танк 8 Асептический розлив Технология производства молочных продуктов/глава 9 8 Рис. 9.20 Установка для высокотемпературной обработки, основанная на использовании косвенного нагрева в пластинчатом теплообменнике. 227 1 b a Молоко Пар Охлаждающая вода Горячая вода Рис. 9.21 Многоконтурная система нагрева в пластинчатом теплообменнике. а Первая нагревательная секция b Заключительная нагревательная cекция около 4°С подают насосом из танка для хранения в балансный бак (1) установки для высокотемпературной обработки и далее питательным насосом (2) в регенеративную секцию пластинчатого теплообменника (3). В этой секции продукт нагревается до температуры приблизительно 75°С уже прошедшим стерилизацию молоком, которое одновременно охлаждается. Предварительно нагретый продукт затем гомогенизируют (4) при давлении 18–25 МПа (180–250 бар). Гомогенизация перед тепловой обработкой возможна на установках с косвенным нагревом, что позволяет использовать неасептические гомогенизаторы. Однако для улучшения структуры и стабильности системы некоторых продуктов типа сливок предпочтителен асептический гомогенизатор, установленный после секции высокотемпературной обработки. Предварительно нагретый гомогенизированный продукт направляют в секцию нагрева пластинчатого теплообменника, где его температура повышается до 137°С. Теплоносителем является вода, находящаяся в замкнутом контуре, при температуре, регулируемой путем инжекции в воду пара (5). После нагрева продукт проходит через трубу для выдержки (6), размер которой подобран так, что время прохождения продукта через нее составляет 4 секунды. Охлаждение выполняется регенеративно в два этапа: первый – от охлажденной части контура горячей воды, второй – от холодного поступающего продукта. Продукт, который выходит из секции регенеративного охлаждения, направляется на асептическую упаковку или в асептический танк для промежуточного хранения. При падении температуры во время производства продукт отводится в бак для сброса продукта, а установка промывается водой. Перед повторным запуском установка должна быть вымыта и простерилизована. Многоконтурная система нагрева Во многих случаях установки для высокотемпературной обработки с косвенным нагревом предназначены для переменной производительности от 50 до 100% от номинальной и напрямую соединены с линией машин по асептической упаковке. Во избежание излишней выработки продукта в случае остановки одной из упаковочных машин секция нагрева может быть поделена на подсекции. Система с несколькими контурами нагрева показана на рис. 9.21. При внезапном 50%-ном сокращении потока по сравнению с номинальным приводится в действие клапан (1), так что нагревательная среда проходит вне первой нагревательной секции (а). Температура продукта будет сохраняться на уровне температуры предварительного нагрева (75°С), пока продукт не достигнет второй (конечной) нагревательной секции (б), где происходит нагрев до соответствующей температуры тепловой обработки. Кривые зависимости температуры от времени на рис. 9.22 показывают различие тепловой нагрузки на продукт при номинальной и 50%-ной производительности. Пунктирная линия на графике представляет изменение температуры в системе без разделения секции нагрева, работающей в режиме 50%-ной от номинальной производительности. Установка ВТО с косвенным нагревом, включающая трубчатые теплообменники Рис. 9.22 Влияние изменения производительности многоконтурного нагревателя на тепловую нагрузку. Пунктирной линией показано изменение температуры в системе, не имеющей многоконтурного нагревателя. Обратите внимание, что при более низкой производительности время выдержки удваивается для компенсации более низкой температуры термообработки. 228 Трубчатую систему выбирают для высокотемпературной обработки продуктов с низкой или средней вязкостью, которые могут содержать, а могут и не содержать частицы или волокна. Понятие средней вязкости – это расплывчатое определение, так как вязкость продукта может меняться в зависимости от сырья, добавок и механической обработки. Супы, продукты из томатов, фруктовые и овощные продукты, некоторые пудинги и десерты являются примерами продуктов средней вязкости, подходящими для обработки в трубчатой системе. Трубчатые системы часто используются также в случаях, когда требуется более длительное время обработки для обычных молочных продуктов, предназначенных для продажи. Схема производственной линии, показанная на рис. 9.23, незначительно отличается от теплообменной установки, в которой используется пластинчатый теплообменник, описанный выше. Установки могут иметь производительность от 1000 до 30 000 л/час. Технология производства молочных продуктов/глава 9 Молоко Пар Охлаждающая вода Горячая вода Отвод потока 4 7 1 5 2 3 3a 3b 3c 3d 3e 8 6 Трубчатый теплообменник состоит из большого числа трубок, собранных в модули, которые могут быть соединены последовательно и/или параллельно, образуя полностью оптимизированную систему для любого режима нагрева или охлаждения. Эта система может быть снабжена системой многоконтурного нагрева. При падении температуры во время производственного процесса продукт отводится в танк для сбора продукта, а установка промывается водой. Перед повторным запуском установку моют и стерилизуют. Установка ВТО с косвенным нагревом, включающая шнековые теплообменники Шнековые нагреватели – это наиболее приемлемый тип теплообменников для обработки высоковязких пищевых продуктов, содержащих или не содержащих частицы. Система ВТО с использованием шнековых теплообменников идентична описанным выше. Типичная схема производства данной системы представлена на рис. 9.24. Определить удельную почасовую производительность или температурные программы нельзя из-за широкого диапазона изменений физических характеристик отдельных продуктов. 3a 3c 3b 3d 3e 4 1 2 Молоко Пар Охлаждающая вода Ледяная вода Отвод потока 6 Рис. 9.23 Установка для высокотемпературной обработки с косвенным нагревом, включающая трубчатые теплообменники. 1 Балансный бак 2 Питающий насос 3 Трубчатый теплообменник 3a Секция предварительного нагрева 3b Средняя секция охлаждения 3c Секция нагрева 3d Секция регенеративного охлаждения 3e Секция охлаждения обратного потока 4 Неасептический гомогенизатор 5 Труба для выдержки 6 Головка для инжекции пара 7 Асептический танк 8 Асептический розлив 1 Танк для хранения продукта 2 Объемный насос 3 Шнековые теплообменники 3a Секция предварительного нагрева 3b Секция заключительного нагрева 3c Секция охлаждения 3d Секция охлаждения 3e Секция охлаждения 4 Труба для выдержки 5 Объемный насос 6 Асептический танк 5 7 Асептический розлив 7 Рис. 9.24 Система ВТО посредством косвенного нагрева в шнековых теплообменниках. Технология производства молочных продуктов/глава 9 229 Продукт подают из танка (1) с помощью питающего насоса (2) на первый шнековый нагреватель (3a). Дополнительные стадии нагрева (3b) можно использовать для доведения температуры продукта до нужного уровня. Контрольно-измерительные устройства, расположенные на различных стадиях процесса, контролируют достигнутые температуры. В трубе для выдержки (4) продукт сохраняется при требуемой температуре в течение предварительно заданного времени. Продукт охлаждается водой (3c и 3d) и охлажденной водой (3e), пока не достигнет температуры упаковки. В заключение охлажденный продукт подают в асептический буферный танк (6), который обеспечивает резервный запас, необходимый для непрерывного производства. Если заранее заданные значения не выдерживаются, автоматически открывается обратный клапан, направляющий продукт в бак для сбора продукта. Асептический танк Асептический танк, показанный на рис. 9.25, используется для промежуточного хранения продуктов, прошедших высокотемпературную обработку. Схемы потоков продукта и сервисных сред показаны на рис. 9.26. Способы его применения на производственных линиях ВТО могут меняться в зависимости от конструкции установки и производительности различных блоков в производственной и упаковочной линиях. Два примера показаны на рис. 9.27 и 9.28. • Если одна из упаковочных машин внезапно остановилась, асептический танк во время остановки принимает дополнительное количество продукта. Рис. 9.25 Асептический танк с комплектом необходимого оборудования. Рис. 9.26 Схема потоков продукта и сервисных сред системы асептического танка. Рис. 9.27 Асептический танк, используемый в качестве буферной емкости для упаковки одного продукта. 230 Молоко Сжатый воздух Пар Охлаждающая вода Блок клапанов Рис. 9.28 Асептический бак, используемый для промежуточного хранения одного продукта, в то время как второй продукт проходит обработку и упаковывается. Технология производства молочных продуктов/глава 9 • Одновременная упаковка двух продуктов. Асептический танк заполняется первым продуктом в количестве, достаточном для обеспечения полного рабочего цикла упаковочной машины. Затем на линии ВТО производится обработка второго продукта, который направляется непосредственно на упаковку. Таким образом, включение в производственную линию одного и более асептических танков обеспечивает гибкость при планировании производства. В случае непосредственной упаковки продукта после ВТО требуется рециркуляция его дополнительного объема, как минимум 300 литров в час, для поддержания постоянного давления на упаковывающих машинах. При производстве продуктов, чувствительных к дополнительной обработке и не способных выдерживать рециркуляцию, избыточный объем должен подаваться из асептического танка. Таким образом, для каждого отдельного процесса следует решить вопрос оптимальной компоновки теплообменных установок, асептических танков и асептических упаковочных машин. Рис. 9.29 Упаковка при асептических условиях. Асептическая упаковка Асептическая упаковка была определена как процедура, состоящая из стерилизации упаковочного материала или тары, розлива коммерчески стерильного продукта в стерильных внешних условиях и производства достаточно плотной тары, чтобы предотвратить повторное бактериальное обсеменение, т. е. герметичной тары (рис. 9.29). Для продуктов с длительным сроком хранения вне холодильника упаковка должна также обеспечивать практически полную защиту от воздействия света и атмосферного кислорода. Картонная упаковка для молока с длительным сроком хранения, следовательно, должна быть снабжена тонким слоем алюминиевой фольги, расположенной между слоями полиэтиленовой пленки. Понятие "асептический" подразумевает отсутствие или устранение из продукта любых нежелательных организмов, упаковку или другие специальные вопросы, в то время как понятие "герметичный" используется для указания соответствующих механических свойств, исключающих попадание микроорганизмов в упаковку или, точнее говоря, предотвращающих прохождение микроорганизмов, газа, испарений в тару или из нее. Экспериментальные установки ВТО Выпускаются специальные экспериментальные установки для испытания новых, перспективных продуктов. На этих установках можно изучать влияние различных технологических параметров, высокотемпературной обработки, таких как программы изменения температуры, время выдержки, способ нагрева (прямой или косвенный нагрев) а также необходимость проведения деаэрации, выбор давления и температуры гомогенизации. Многие технологические параметры связаны с характеристиками продукта и факторами, влияющими на них, например, рецептура, ингредиенты, предварительная обработка и т. д. Эти параметры продукта столь же важны, как и параметры обработки, и успешная разработка новых продуктов, прошедших высокотемпературную обработку, требует, чтобы все эти параметры были изучены вместе. В то же самое время экспериментальная установка может быть использована для изучения свойств, связанных с воздействием тепла, таких как устойчивость, чувствительность Рис. 9.30 Экспериментальная установка для и способность спор выдерживать высокотемпературной обработки с использованием трубчатых теплообменников. тепловую обработку. sattcontrol 1llll2llll3llll4llll 5 Технология производства молочных продуктов/глава 9 ABCDE 123456 ABCDE 123456 231 Многие лаборатории в пищевой и молочной промышленности имеют экспериментальные установки для высокотемпературной обработки. Такие установки также имеются в школах, университетах и других научных учреждениях, интересующихся технологиями молочных продуктов. Некоторые производители установок для высокотемпературной обработки имеют также экспериментальные установки для исследования и испытания продуктов, поступающих в розничную продажу. Комплектная установка для высокотемпературной обработки может состоять из одного модуля для косвенного нагрева в пластинчатых теплообменниках и дополнительных модулей для прямого нагрева, нагрева в трубчатых теплообменниках и гомогенизации. На блок-схеме рис. 9.31 показана экспериментальная установка для косвенного нагрева в пластинчатых теплообменниках или – в качестве варианта – в трубчатом теплообменнике. Дополнительные модули для прямого нагрева и гомогенизации продукта установлены до секции стерилизации (неасептический процесс, 5а), либо после ВТО (асептическая обработка, 5b). 1 Балансный бак 2a Трубчатый предварительный нагреватель 2b Трубчатый нагреватель 2c Трубчатый охладитель 2d Трубчатый охладитель 3a Пластинчатый предварительный нагреватель 3b Пластинчатый нагреватель 3c Пластинчатый охладитель 3d Пластинчатый охладитель 4a Прямая инжекция пара 4b Труба для выдержки 4c Ваккумная камера 4d Конденсатор 5a Неасептический гомогенизатор 5b Асептический гомогенизатор 5b 5a 3a 3b 3c 3d 2a 2b 2c 2d 1 4a 4c 4d Молоко Пар Охлаждающая вода Горячая вода Испарения Вакуум и конденсат 4b Рис. 9.31 Блок-схема процесса высокотемпературной обработки для экспериментальной установки, включающей в себя косвенный нагрев в пластинчатых теплообменниках или трубчатых теплообменниках и модуль прямого нагрева (обведен пунктирной линией), а также вариантов асептической и неасептической гомогенизации. 232 Технология производства молочных продуктов/глава 9 Заквасочные культуры и их производство Бактериальные культуры, известные как закваски, используются в производстве йогуртов, кефира и других кисломолочных продуктов, а также в маслоделии и сыроделии. Закваску вносят в продукт и позволяют развиваться в нем в контролируемых условиях. В процессе проходящей таким образом ферментации бактерии образуют вещества, которые придают кисломолочному продукту его характерные свойства, такие как кислотность (рН), вкус, аромат и консистенция. Снижение активной кислотности при сбраживании бактериями лактозы до молочной кислоты оказывает консервирующее действие на продукт, одновременно улучшая питательную ценность и усвояемость. Технология производства молочных продуктов/глава 10 233 Кисломолочные продукты имеют различные характеристики, поэтому при их производстве используют различные заквасочные культуры. Заквасочные культуры можно классифицировать в соответствии с оптимальными температурными границами развития: • Мезофильные бактерии – оптимальная температура роста от 20 до 30°С • Термофильные бактерии – оптимальная температура роста от 40 до 45°С. Заквасочные культуры могут быть: • Одноштаммовые (содержащие только Рис. 10.1 Бактерии в йогурте: Lactobacillus bulgaricus один штамм бактерий) и Streptococcus thermophilus. • Многоштаммовые (смесь различных штаммов, каждый из которых оказывает свое собственное влияние). Мезофильные микроорганизмы могут далее делиться на O, L, D и LD культуры. В таблице 10.1 воспроизводится бюллетень Bulletin of the IDF (263/1991), в котором перечислены новые и старые названия различных заквасочных культур. В настоящей главе используются старые названия. Некоторые штаммы Str. diacetylactis являются настолько активными кислотообразователями, что могут быть использованы как кислотообразующие микроорганизмы без добавления других бактериальных культур. В основном эти микроорганизмы используются совместно со Str. cremoris/lactis. Культуру Leuc. citrovorum, напротив, нельзя использовать в чистом виде, поскольку рост Leuc. citrovorum в молоке обусловлен присутствием питательных веществ, вырабатываемых Str. lactis или Str. cremoris. При отсутствии Таблица 10.1 Новые и старые названия различных заквасок и их использование Тип Старое название Новое название Продукт Streptococcus lactis Lactococcus lactis ssp. cremoris Lactococcus lactis ssp. lactis Сыр Чеддер Сыр Фита Сыр домашний Творог Streptococcus cremoris Streptococcus lactis Leuconostoc citrovorum Leuconostoc lactis Lactococcus lactis ssp. cremoris Lactococcus lactis ssp. lactis Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris Leuconostoc lactis Сыр Континенталь (с глазками) Lactococcus lactis ssp. cremoris Lactococcus lactis ssp. lactis Cit+ Lactoccoci*** Кисло-сливочное масло LD Streptococcus cremoris Lactococcus lactis ssp. cremoris Сыр Континенталь (с глазками) Streptococcus lactis Lactococcus lactis ssp. lactis Streptococcus diacetylactis Leuconostoc citrovorum Leuconostoc lactis Cit+ Lactococci*** Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris Leuconostoc lactis Сыр, созревающий с участием плесени Сквашенная пахта Кисло-сливочное масло Мезофильные O Streptococcus cremoris L* D** Streptococcus cremoris Streptococcus lactis Streptococcus diacetylactis Кисло-сливочное масло Сыр Фита Термофильные Streptococcus thermophilus Lactobacillus bulgaricus Streptococcus salivarius ssp. thermophilus Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus Йогурт Сыр Моцарелла Streptococcus thermophilus Lactobacillus helveticus Lactobacillus lactis Streptococcus salivarius ssp. thermophilus Lactobacillus helveticus Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis Сыр Эмменталь Сыр Грана *L – Leuconostoc ** D – diacetylactis *** Cit+ – Аббревиатура для цитратов, которые преобразуются во вкусовые и ароматические соединения 234 Технология производства молочных продуктов/глава 10 вырабатывающих кислоту бактерий рост Leuc. citrovorum в молоке значительно замедляется, и в таких условиях они не могут вырабатывать ароматические вещества. Такие характеристики бактерий, как оптимальная температура роста и солеустойчивость, очень важны при подборе состава заквасочной культуры. Назначение составляющих штаммов состоит в получении нужного результата в симбиозе, а не для дополнения одного штамма другим. Следовательно, их характеристики в этих отношениях должны быть дополняющими друг друга. В таблице 10.2 перечислены основные данные для наиболее важных заквасочных культур микроорганизмов. Таблица 10.2 Характеристики некоторых важных бактерий заквасочных культур Бактерия (старое название) Оптимальная темп. роста,°С Макс. солеустойчивость для роста Формирование кислот, фермен., % Фермент лимонной кислоты Streptococci Str. lactis Str. cremoris Str. diacetylactis Str. thermophilus Leuc. citrovorum прибл. 30 25 – 30 прибл. 30 40 – 45 20 – 25 4 – 6,5 4 4 – 6,5 2 – 0,8 – 1,0 0,8 – 1,0 0,8 – 1,0 0,8 – 1,0 мало – – + – + II Lactobacilli Lb. helveticus Lb. lactis Lb. bulgaricus Lb. acidophilus 40 – 45 40 – 45 40 – 50 35 – 40 2 2 2 – 2,5 – 3,0 1,5 – 2,0 1,5 – 2,0 1,5 – 2,0 – – – – I Молочные заводы обычно покупают готовые смеси заквасок – промышленных заквасочных культур – у специальных лабораторий. Эти лаборатории прилагают большие усилия по исследованиям и разработкам составов специальных заквасочных культур для указанного продукта – например, масла, сыра и широкого ряда кисломолочных продуктов. Таким образом, молочные заводы могут получать заквасочные культуры, обладающие свойствами, выбранными для определенных характеристик продукта, таких как текстура, вкус и вязкость. Молокозаводы могут покупать производственные заквасочные культуры в различном виде: • В жидком виде для получения маточной закваски (в настоящее время довольно редко) • В состоянии глубокой заморозки – концентрированные заквасочные культуры для получения производственной закваски • Концентрированные заквасочные культуры после сублимационной сушки в виде порошка – для получения производственной закваски • В состоянии глубокой заморозки – сверхконцентрированные закваски в готовом растворимом виде для непосредственного введения в продукт. Этапы приготовления В последние годы концентрированные закваски в основном использовались для непосредственного изготовления производственной закваски (см. рис. 10.2), а также для непосредственного использования в производстве. В будущем применение заквасок будет, по всей вероятности, основано на специально разработанных концентрированных заквасках, которые можно использовать непосредственно в производстве, без какого бы то ни было приготовления на молочном заводе. Однако есть молочные заводы, которые еще получают свою собственную производственную закваску через последовательные стадии из материнской закваски, как показано на рис. 10.3, поэтому здесь приводится описание этого метода. Процесс может состоять из двух и более стадий. Закваски на различных этапах приготовления имеют определенные названия: • Промышленная закваска, оригинальная закваска – исходная культура, которую молокозаводы покупают у лаборатории • Материнская закваска – эта закваска приготавливается из оригинальной культуры на молочном заводе. Материнская закваска готовится ежедневно и является, как указывает ее название, исходной для всех заквасок, приготавливаемых на молочном заводе Технология производства молочных продуктов/глава 10 235 • Промежуточная закваска – промежуточный этап производства больших объемов производственной закваски • Производственная закваска – закваска, используемая в производстве. Технологический процесс Рис. 10.2 Производственная закваска, приготавливаемая из сублимированной, высушенной, или замороженной промышленной закваски. Производство заквасок является одним из наиболее важных, а также самых трудных процессов на молочном заводе. Неудачное производство может привести к большим финансовым потерям, так как современные молокозаводы перерабатывают большие объемы молока. Поэтому большое внимание следует уделять технологии производства и выбору производственного оборудования. Производство заквасок должно осуществляться в строгих санитарных условиях. Риск попадания через воздух дрожжей, плесеней и бактериофага следует свести к абсолютному минимуму. Материнские закваски должны приготавливаться в отдельном помещении, обеспечиваемом отфильтрованным воздухом под давлением, несколько более высоким, чем обычное атмосферное давление. Система мойки оборудования должна также быть тщательно продумана, чтобы предотвратить соприкосновение остатков моющих и стерилизующих средств с заквасками и их порчу. Изготовление промежуточной и производственной заквасок может выполняться на месте производства, или в том же самом помещении, где приготавливается материнская закваска. Необходимо, чтобы каждый перенос закваски на следующую стадию производства осуществлялся при асептических условиях. Стадии процесса 1 2 3 4 Рис. 10.3 Стадии производства заквасок. 1 Промышленная закваска 2 Материнская закваска 3 Промежуточная закваска 4 Производственная закваска Процесс, представленный на рис. 10.4, практически одинаков для производства материнской, промежуточной и производственной заквасок. Он состоит из следующих стадий: • Тепловая обработка питательной среды • Охлаждение до температуры заквашивания • Заквашивание • Сквашивание • Охлаждение готовой закваски • Хранение закваски. Обезжиренное молоко – это питательная среда, наиболее часто используемая для производства заквасок, а другим вариантом является восстановленное обезжиренное молоко с содержанием сухих веществ 9–12% (СВ), полученное из высококачественного сухого обезжиренного молока. Основание для использования свежего или восстановленного обезжиренного молока состоит в том, что нарушение вкуса закваски заметить гораздо легче. На некоторых молочных заводах также используется свежее молоко, полученное от выбранных хозяйств. é·ÂÁÊËÂÌÌÓ ÏÓÎÓÍÓ Ò‚ÂÊ ËÎË ‚ÓÒÒÚ‡ÌÓ‚ÎÂÌÌÓ íÂÏÓÓ·‡·ÓÚ͇ éı·ʉÂÌË á‡Í‚‡ÒÓ˜Ì˚ ÍÛθÚÛ˚ àÌÓÍÛÎflˆËfl Ç˚‰ÂÊ͇ ÔË Á‡‰‡ÌÌÓÈ ÚÂÏÔ‡ÚÛ éı·ʉÂÌË Рис. 10.4 Блок-схема производства заквасок. 236 ï‡ÌÂÌË Технология производства молочных продуктов/глава 10 Питательная среда с постоянным составом, такая как восстановленное молоко без антибиотиков, является более надежной, чем обычное обезжиренное молоко. Питательную среду также можно изменить, добавив стимуляторы роста, такие как Mn2+ (марганец), например: 0,2 г MnSO4 на литр закваски, соль, как предполагается, способствует росту Leuc. citrovorum. Фаго-ингибирующая питательная среда (ФИС) является альтернативой для производства одноштаммовых и многоштаммовых заквасок. Эти питательные среды содержат фосфаты, цитраты или другие хелатообразующие агенты, которые переводят Ca2+ (кальция) в нерастворимую форму. Смысл этого состоит в том, что большинство фагов требуют для размножения Ca2+. Удаление Ca2+ из питательной среды защищает молочнокислые бактерии от воздействия бактериофагов и, таким образом, позволяет избежать снижения активности заквасок. На некоторых рынках имеется сухое обезжиренное молоко с добавлением ФИС. Тепловая обработка питательной среды Первым этапом производства заквасок является тепловая обработка питательной среды. Ее нагревают до 90–95°С и выдерживают при этой температуре от 30 до 45 минут. Эта обработка улучшает свойства питательной среды посредством: • Уничтожения бактериофагов • Устранения ингибирующих веществ • Некоторого расщепления белка • Удаления растворенного кислорода • Уничтожения присутствующих микроорганизмов. Охлаждение до температуры заквашивания После тепловой обработки питательную среду охлаждают до температуры заквашивания, которая применяется в зависимости от типа используемых культур бактерий. Важно, чтобы поддерживались температуры, рекомендованные производителем промышленной культуры, или эмпирически определенные оптимальные температуры. При наращивании многоштаммов культур даже небольшие отклонения от требуемой температуры культивирования могут благоприятствовать росту одного штамма в ущерб другому (другим), что приводит к изменению типовых характеристик конечного продукта. На рис. 10.6 показано, что происходит, когда культивирование закваски для йогурта происходит при постепенном повышении температуры. Температурные границы для культивирования составляют от 20–30°С для мезофильных типов бактерий и 42–45°С для термофильных типов. Заквашивание При заквашивании определенное количество бактериальной культуры переносится в термообработанную питательную среду после того, как температура достигла нужного уровня. Чтобы предотвратить отклонения развития микроорганизмов закваски, очень важно, чтобы дозатор закваски, температура и время сквашивания были постоянными на всех стадиях: материнская закваска, промежуточная закваска и производственная закваска. Количество используемой закваски также может влиять на соотношение в ней бактерий, которые вырабатывают молочную кислоту и ароматические соединения. Изменение вносимого количества закваски может, следовательно, повлиять на изменение свойств продукта. Каждый производитель должен определить оптимальные практические условия, соответствующие конкретному процессу его производства. На рис. 10.5 показано, как количество используемой для заквашивания закваски влияет на процесс нарастания кислотности в закваске. На графиках представлены дозировки 0,5% и 2,5% соответственно. Температура сквашивания в обоих случаях составляет 21°С. Сквашивание По завершении заквашивания, после того как закваска была смешана с питательной средой, бактерии начинают размножаться – начинается сквашивание. Продолжительность сквашивания определяется типами бактерий закваски, дозой вносимой закваски и т. д. и может составлять от 3 до 20 часов. Важнее всего то, что температуру тщательно контролируют и что исключается любой контакт с закваской. Во время культивирования бактерии размножаются быстро и сбраживают лактозу до молочной кислоты. Закваска, содержащая ароматообразующие Технология производства молочных продуктов/глава 10 Рис. 10.5 Кривые кислотообразования при внесении мезофильной культуры закваски в количестве 0,5% и 2,5%. Температура культивирования составляет 21°С. 237 Рис. 10.6 Влияние температуры культивирования на соотношение культур микроорганизмов при постоянной дозе вносимой закваски и продолжительности культивирования. Рис. 10.7. Развитие Str. thermophilus и Lb. bulgaricus с достигнутым уровнем ароматообразования при введении закваски в количестве 2,5%. Кривые построены по данным Chr Hansen A/S. бактерии, также будет вырабатывать ароматические вещества, такие как диацетил, уксусную и пропионовую кислоты, кетоны и альдегиды, спирты, эфиры и жирные кислоты, а также двуокись углерода. Важность выбора корректной температуры культивирования иллюстрируется кривой графика, описывающего соотношение культур микроорганизмов в закваске на рис. 10.6. Закваска содержит два штамма микроорганизмов, Str. thermophilus и Lb. bulgaricus, которые сосуществуют в симбиозе и совместно образуют нужные характеристики йогурта, такие как кислотность (рН), вкус, аромат и консистенция. Большинство типов йогурта имеет соотношение кокки и бациллы от 1:1 до 2:1. Нельзя допускать, чтобы количество бацилл достигло верхнего предела, так как тогда вкус станет слишком кислым. Пример развития Str. thermophilus и Lb. bulgaricus с окончательной степенью ароматообразования показан на рис. 10.7. В этом контексте можно упомянуть, что уксусный альдегид признается (Pette and Lolkema, 1950; Schultz and Hingst,1954) в качестве основного вкусового компонента йогурта. Основным продуктом уксусного альдегида является Lb. bulgaricus, хотя количество образуемого соединения изменяется в зависимости от типа используемого штамма. При совместном выращивании Str. thermophilus и Lb. bulgaricus интенсивность образования уксусного альдегида значительно больше, чем при культивировании чистой культуры Lb. bulgaricus (Bottazzi & al.,1973). Таким образом, симбиотическая взаимосвязь между этими видами благотворно влияет на образование уксусного альдегида при производстве йогурта. Во время производства образование уксусного альдегида не становится очевидным, пока не будет достигнут определенный уровень кислотности – рН 5,0. Оно достигает максимума при рН 4,2 и стабилизируется при рН 4,0 (A.Y.Tamime & R.K.Robinson. Йогурт – наука и технология). Оптимальный вкус и аромат йогурта обычно получают при содержании уксусного альдегида от 23,0 до 41 ppm и значении рН от4,40 до 4,00. Одним из факторов, пагубно влияющих на соотношение кокков и бацилл, является температура культивирования. При температуре 40°С это соотношение составляет приблизительно 4:1, в то время как при 45°С оно приблизительно 1:2 (см. рис. 10.6). Для достижения соотношения кокки – бациллы 1:1 оптимальная температура заквашивания (сквашивания) при производстве йогурта составляет приблизительно 43°С при дозе вносимой закваски инокуляции 2,5–3% и времени сквашивания 2,5–3 часа. Во время сквашивания существенно, чтобы лица, ответственные за производство, регулярно проверяли увеличение кислотности и другие важные параметры, обеспечивающие получение оптимальных результатов. Бережное обращение со всеми заквасочными культурами является очень важным вопросом производства кисломолочных продуктов – следовательно, эту работу всегда должен выполнять квалифицированный персонал. Охлаждение закваски Рис. 10.8 Рост бактерий, вырабатывающих молочную кислоту с охлаждением и без охлаждения в конце сквашивания. 238 Охлаждение начинается при достижении эмпирически определяемой кислотности определенного значения для прекращения роста бактерий и, таким образом, для предотвращения роста активности закваски до высокого уровня. На рис. 10.8 показан ход развития обычной закваски, образующей молочную кислоту, доза внесенной материнской закваски составила 1%, температура заквашивания 20°С. Охлаждение до 10–12°С часто практикуют, когда заквасочная культура будет использована в течение ближайших 6 часов. Если закваску нужно сохранить на более длительный срок, рекомендуется охладить ее приблизительно до 5°С. Технология производства молочных продуктов/глава 10 При массовом производстве или производстве в течение более чем одной смены удобнее готовить закваску с регулярным интервалом, скажем, каждые 4 часа. Это означает, что активные заквасочные культуры будут в наличии все время, облегчая выполнение предписанного графика производства и обеспечивая постоянно высокое качество конечного продукта. Хранение заквасок Большая часть исследовательских работ связана с поиском наилучшего способа обработки заквасок с целью сохранения их активности во время хранения. Одним из таких способов является замораживание. Чем ниже температура, тем лучше сохраняется заквасочная культура. Наилучшее сохранение закваски достигается замораживанием в среде жидкого азота при температуре –160°С и хранении при этой температуре. Современные формы заквасочных культур – концентрированные, находящиеся в состоянии глубокой заморозки или после сублимационной сушки (лиофилизированные) – можно хранить значительное время при условии, что соблюдаются рекомендации производителей. В таблице 10.3 даны рекомендации, представленные Chr Hansen A/S, Копенгаген, Дания. Следует отметить, что заквасочные культуры, находящиеся в состоянии глубокой заморозки, требуют более низких температур хранения, чем лиофилизированные заквасочные культуры. Первые, более того, поставляются в изолированных ящиках из полистирола, упакованными в сухой лед; время перевозки не должно превышать 12 часов. Последние же, напротив, можно транспортировать при температурах до 20°С не более 10 дней без сокращения установленного срока годности – при условии, что они хранятся при рекомендованной температуре после доставки к покупателю. Таблица 10.3 Условия хранения и сроки годности некоторых концентрированных заквасочных культур (Chr Hansen A/S, Дания) Тип заквасочной культуры Хранение 1 Сублимационной сушки DVS Морозильник с температурой ниже –18°C 2 Глубокой заморозки DVS Морозильник с температурой ниже –45°С 3 Сублимационной сушки REDI-SET Морозильник с температурой ниже –18°С 4 Глубокой заморозки REDI-SE Морозильник с температурой ниже –45°С 5 DRI-VAC Морозильник с температурой ниже +5°С Срок годности, мес. минимум 12 минимум 12 минимум 12 минимум 12 минимум 12 1 Сверхконцентрированная заквасочная культура сублимационной сушки (для непосредственного заквашивания продукта) 2 Глубокой заморозки 3 Концентрированная заквасочная культура сублимационной сушки (для приготовления производственной закваски) 4 Концентрированная заквасочная культура глубокой заморозки (для приготовления материнской закваски) 5 Сублимационная сушка в порошкообразном виде (для приготовления материнской закваски) Производство заквасочных культур в асептических условиях С тех пор как в производство было внедрено новое поколение концентрированных, замороженных и лиофилизированных заквасочных культур, спрос на специальное оборудование для асептического производства заквасок на молочных заводах снизился. Но это не означает, что при приготовлении заквасок можно пренебрегать существующими санитарными требованиями. Чтобы получить оптимальные результаты, следует тщательно соблюдать рекомендации, предоставляемые поставщиками новых типов заквасок. В случае сохранения традиционного способа приготовления заквасок процедуру можно выполнять в соответствии с описанным ниже способом. Типовая схема приготовления производственной закваски в асептических условиях через этап приготовления промежуточной закваски, также получаемой при асептических условиях, показана на рис. 10.10 и 10.11. Должны быть соблюдены следующие условия. 1 Материнская закваска готовится традиционным способом в бутылках вместимостью 100 мл, снабженных крышками с мембраной. 2 Бутылку заполняют обезжиренным молоком, стерилизуют в автоклаве, а затем охлаждают до соответствующей температуры заквашивания. Технология производства молочных продуктов/глава 10 239 Рис. 10.9 Термостат с четырьмя контейнерами для промежуточной закваски и четырьмя отделениями для бутылей с материнской закваской. Температура, поддерживаемая в водяной бане, точно контролируется с пульта (Лаборатория Wiesby, Германия). 1 2 3 3 Промышленная закваска впрыскивается в бутылку для получения материнской закваски с помощью стерилизованного шприца, вводимого через мембрану. 4 Вслед за соответствующим периодом культивирования и последующего охлаждения материнская закваска вводится в молоко (обычно обезжиренное), используемое для получения промежуточной закваски; молоко сначала выдерживают при температуре минимум 95°С в течение 30–45 минут, а затем охлаждают до необходимой температуры заквашивания. Нагревание и охлаждение выполняют в специально сконструированном термостате. 5 После соответствующего периода сквашивания и охлаждения до температуры 10–12°С промежуточную закваску переносят в танк для производственной закваски, вытесняя отфильтрованным воздухом через трубку. 6 Перед заквашиванием молоко (часто обезжиренное) нагревают с помощью циркулирующего теплоносителя и охладителя через рубашку танка. Воздух, подаваемый и выкачиваемый из бака, проходит через стерильный фильтр HEPA (High Efficiency Particle Air – высокоэффективный воздушный фильтр). Заквасочный танк Обычно для приготовления производственной закваски поочередно используются два танка. Один содержит готовую закваску для использования в производстве в этот день, в то время как закваска на следующий день готовится в другом танке. Танки должны иметь асептическую конструкцию, т. е. герметичное уплотнение и тройную рубашку. Они должны также выдерживать разрежение до 30 кПа (0,3 бара) и избыточное давление до 100 кПа (1 бар). Мешалки должны иметь двойное уплотнение и приводиться в действие двухскоростными двигателями. Кроме того, они должны быть оборудованы фильтрами НЕРА (4), чтобы исключить попадание микроорганизмов при втягивании воздуха во время охлаждения танка после мойки, а также когда нагретая питательная среда охлаждается до температуры заквашивания. Заквасочный танк может быть оборудован стационарным встроенным измерителем pH (7), конструкция которого способна выдерживать большие перепады температур во время мойки и тепловой обработки питательной среды. 5 4 4 Рис. 10.10 Асептический перенос материнской закваски в контейнер с промежуточной закваской. 1 Стерильный фильтр 2 Асептическая игла 3 Бутыль с материнской закваской 4 Контейнер с промежуточной закваской Рис. 10.11 Асептический перенос промежуточной закваски в заквасочный танк. 1 Термостат 2 Контейнер для промежуточной закваски 3 Танк для производственной закваски 4 Фильтр HEPA 5 Воздушный клапан 6 Паровой фильтр 7 Блок измерения рН 240 6 3 2 7 1 Молоко/закваска Воздух Пар Технология производства молочных продуктов/глава 10 Кисломолочные продукты Молочные продукты, приготовленные путем молочнокислого брожения (например, йогурт) или сочетания этого брожения со спиртовым брожением (возбудители – дрожжи) – например, кефир, называются ферментированными, или кисломолочными, продуктами. В этой главе используется понятие “кисломолочные продукты”. Кисломолочные продукты – это собирательное название продуктов типа йогурта, имера, кефира, сквашенной пахты, филмьолка (скандинавской простокваши), сметаны и кумыса (продукта на основе кобыльего молока). Общее название кисломолочных продуктов возникло благодаря кисломолочному брожению (частичное преобразование лактозы в молочную кислоту), вызываемому микроорганизмами, входящими в состав вводимой закваски. В процессе брожения образуются двуокись углерода, уксусная кислота, диацетил, ацетальдегид и некоторые другие вещества, которые и придают продукту характерные для него свежий вкус и аромат. Одним из продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, используемых в заквасках для производства кефира и кумыса, является также этиловый спирт (спиртовое брожение). Технология производства молочных продуктов/глава 11 241 Рис. 11.1 Классификация кисломолочных продуктов подобна ветвям генеалогического древа. Родина кисломолочных продуктов – Ближний Восток, а популярность в Восточной и Центральной Европе пришла к ним позднее. Предположительно впервые кисломолочный продукт был случайно получен кочевниками. Это молоко скисло и коагулировало под влиянием некоторых микроорганизмов. К счастью, бактерии оказались безвредного, кислотообразующего типа и не вырабатывали токсинов. Легенда о создании кефира и йогурта Рис. 11.2 Гора Эльбрус на Кавказе является местом, откуда происходят кефир и йогурт. Легенда говорит нам, что йогурт и кефир были созданы на склонах горы Эльбрус на Кавказе как чудо природы. Случайно микроорганизмы различных типов оказались в кувшине с молоком в одно и то же время и при нужной температуре, и выяснилось, что они могут существовать в симбиозе. На южном склоне горы Эльбрус микроорганизмы, предпочитающие относительно высокие температуры, 40–45°С, оказались вместе в бурдюке с молоком, который принадлежал, вероятно, одному из представителей тюркской народности, скорее всего, полученный в результате сбраживания продукт тюрки и назвали йогурутом. Некоторые источники утверждают, что это название появилось в VIII веке, а в XI оно было изменено до современного вида – йогурт. Далее говорится (насколько эта история может быть правдивой), что йогурт предохраняет человека от старения и, если вам случилось встретить горца, гарцующего на неоседланной лошади в какой-нибудь кавказской долине, ему, вероятно, от 130 до 140 лет! Кефир, продолжает легенда, был создан на северном склоне из смеси микроорганизмов, которые не столь теплолюбивы. Они наилучшим образом развиваются при температуре 25–28°С. Название “кефир” может происходить из тюркского языка. Первый слог названия “кеф” – тюркский и означает “доставляющий удовольствие”, что, возможно, явилось первым описанием вкуса кефира. Кефир содержит несколько различных типов микроорганизмов, среди которых дрожжи являются одними из самых важных, так как могут вырабатывать спирт. Максимальное содержание спирта в кефире составляет приблизительно 0,8%. Общие требования к производству кисломолочных продуктов Образующаяся в результате молочнокислого брожения молочная кислота оказывает консервирующее действие на молоко. Низкое значение рН сквашенного молока предупреждает рост гнилостных и других вредных микроорганизмов, продлевая таким образом срок годности продукта. С другой стороны, сквашенное молоко является весьма благоприятной средой для развития дрожжей и плесеней, которые вызывают появление посторонних запахов, если попали в продукт. В пищеварительной системе некоторых людей недостает фермента лактозы. В результате чего в процессе пищеварения лактоза не расщепляется на простые типы 242 Технология производства молочных продуктов/глава 11 сахаров. Эти люди могут потреблять только очень малые количества обычного молока. Однако они могут потреблять кисломолочные продукты, в которых лактоза уже частично расщеплена ферментами Закваска бактерий. При производстве кисломолочных продуктов для заквасочной культуры должны быть созданы наилучшие возможные условия роста, Предварительно обработанное что достигается термообработкой молока с целью разрушения любых 1 2 3 молоко конкурирующих микроорганизмов. Кроме того, молоко должно выдерживаться при температуре, оптимальной для соответствующей Рис. 11.3 Йогурт термостатного способа производства. заквасочной культуры. Когда кисломолочный продукт приобретет 1 Наполнитель стаканчиков наилучший возможный вкус и аромат, его надо быстро охладить для 2 Камера для сквашивания остановки процесса сбраживания. Если заквашивание слишком 3 Камера быстрого охлаждения кратковременное, вкус может быть испорчен и консистенция окажется нестандартной. Кроме вкуса и аромата важными свойствами являются надлежащий Закваска внешний вид и консистенция. Они определяются выбором параметров предварительной обработки. Надлежащая тепловая обработка и 2 гомогенизация молока, иногда в сочетании с методами повышения Предварительно 1 3 обработанное содержания СОМО (сухой обезжиренный молочный остаток), например, молоко в случае молока, предназначенного для производства йогурта, являются Рис. 11.4 Йогурт основными факторами, влияющими на структуру сгустка в течение с нарушенным сгустком. периода сквашивания. 1 Танк для сквашивания Ниже описаны некоторые наиболее важные кисломолочные 2 Охладитель продукты. Способы производства других кисломолочных продуктов 3 Наполнитель стаканчиков имеют большое сходство; режимы предварительной обработки молока, например, почти одни и те же. Следовательно, описание технологии других продуктов концентрируется, главным образом, на стадиях Закваска производства, которые отличаются от стадий производства йогурта. Йогурт Предварительно обработанное молоко Йогурт является самым известным и самым популярным во всем мире из всех кисломолочных продуктов. Потребление йогуртов самое высокое в странах Средиземноморья, в Азии и в Центральной Европе. Консистенция, вкус и аромат для разных районов различны. В некоторых областях йогурт производят в виде высоковязкой жидкости, в то время как в других странах его готовят в виде мягкого желе. Йогурт также производится в замороженном виде, как десерт и как напиток. Вкус и аромат йогурта отличаются от других сквашенных продуктов, а летучие ароматические вещества включают в себя небольшое количество уксусной кислоты и ацетальдегида. Обычно йогурт классифицируется следующим образом: • Йогурт термостатного способа производства – сквашивается и охлаждается в упаковке, рис.11.3 Резервуарный способ производства: • Йогурт с нарушенным сгустком – сквашивается в танках и охлаждается перед упаковкой, рис. 11.4 • Питьевой йогурт аналогичен йогурту с нарушенным сгустком, но здесь сгусток перед упаковкой “разбивают” до жидкости, рис. 11.5 • Замороженный йогурт – сквашивают в танках и замораживают, как мороженое, рис. 11.6 • Концентрированный йогурт – сквашивают в танках, концентрируют и охлаждают перед упаковкой. Этот тип иногда называют процеженным йогуртом, иногда йогурт лабнех или лабанех, рис. 11.7. Ароматизированный йогурт Йогурт с различными наполнителями и ароматическими добавками очень популярен, хотя на некоторых рынках четко вырисовывается тенденция возврата к натуральному йогурту. Обычными добавками Технология производства молочных продуктов/глава 11 1 2 3 4 Рис. 11.5 Питьевой йогурт. 1 Танк для сквашивания 2 Охладитель 3 Гомогенизатор 4 Упаковочная машина Закваска 3 Предварительно обработанное молоко 1 2 Рис. 11.6 Замороженный йогурт. 1 Танк для сквашивания 2 Фризер для брикетного мороженого 3 Туннельная закалочная Сыворотка Закваска Предварительно обработанное молоко 1 2 3 Рис. 11.7 Концентрированный йогурт. 1 Танк для сквашивания 2 Сепаратор 3 Наполнитель стаканчиков 243 Молоко для производства йогуртов должно: • Содержать незначительное количество микроорганизмов • Не содержать ферментов и химических веществ, которые могут замедлить развитие заквасочных культур йогурта • Не содержать антибиотиков и бактериофагов являются фрукты и ягоды в сиропе, обработанные или в виде пюре. Доля фруктов, как правило, составляет около 15%, из которых приблизительно 50% сахара. Фрукты смешивают с йогуртом перед или в процессе упаковки, их можно также положить на дно упаковки перед ее заполнением йогуртом или отдельно упаковать во “второй” стаканчик, соединенный с основным. Иногда йогурт также ароматизируют с помощью ванили, меда, кофейной эссенции и т.д. Краситель и сахар в виде сахарозы, глюкозы или аспартама (диетическое подслащивающее вещество без сахара) часто добавляют одновременно с ароматизатором. При необходимости для изменения консистенции также можно добавлять стабилизаторы. Добавки повышают содержание сухих веществ в готовом йогурте; типичный состав фруктового йогурта следующий: • Жир 0,5 – 3,0% • Лактоза 3 – 4,5% • Сухой обезжиренный молочный остаток (СОМО) 11 – 13% • Стабилизатор (в случае его использования) 0,3 – 0,5% • Фруктовая добавка 12 – 18% Факторы, влияющие на качество йогурта Факторы, влияющие на качество йогурта, тщательно контролируются во время производственного процесса с целью получения высококачественного йогурта с устойчивым вкусом, ароматом, вязкостью, консистенцией, внешним видом, без отделения сыворотки и с длительным сроком хранения: • Выбор молока • Нормализация молока • Добавки к молоку • Деаэрация • Гомогенизация • Тепловая обработка • Выбор закваски • Приготовление закваски • Конструкция технологической линии. Предварительная обработка молока, таким образом, включает в себя большое число мероприятий, каждое из которых очень важно для качества конечного продукта. Механическая обработка, которой подвергается йогурт во время производства, также влияет на его качество. Выбор молока Молоко, предназначенное для производства йогуртов, должно быть высочайшего бактериального качества. Оно должно иметь низкое содержание бактерий и веществ, которые могут затруднять развитие культуры йогурта. Молоко не должно содержать антибиотики, бактериофаги, остатки моющих растворов или стерилизующих реагентов. Молочный завод должен, следовательно, получать молоко для производства йогуртов от отобранных, проверенных производителей. Молоко следует подвергнуть тщательному анализу на молочном заводе. Нормализация молока Содержание жира и сухого остатка в молоке обычно нормализуют в соответствии с кодом и принципами ФАО/ВОЗ, описанными ниже. Содержание жира Содержание жира в йогурте может составлять от 0 до 10%. Однако чаще всего содержание жира составляет 0,5–3,5%. Йогурты можно классифицировать по следующим группам в соответствии с нормами и принципами ФАО/ВОЗ: • Йогурт • Частично обезжиренный йогурт • Обезжиренный йогурт 244 мин. м. д.ж. в молоке макс. м.д.ж. в молоке мин. м.д.ж. в молоке макс. м.д.ж. в молоке менее более 3 % 3 % 0,5 % 0,5 % Технология производства молочных продуктов/глава 11 Содержание сухих веществ (СВ) В соответствии с нормами и принципами ФАО/ВОЗ, минимальное СОМО равно 8,2%. Увеличение общего содержания СВ, особенно в пропорции к казеину и сывороточным белкам, приведет к формированию более плотного сгустка, и тенденция к отделению сыворотки будет, таким образом, снижена. Традиционные способы нормализации содержания СВ следующие: • Выпаривание (обычно испаряется 10–20% объема молока) • Добавление обезжиренного молока, обычно до 3% • Добавление концентрированного молока • Добавление УФ ретентата из обезжиренного молока. Добавки в молоко Сахар или подсластители и стабилизаторы используются в производстве йогуртов в качестве добавок. Сахар или подсластители Можно добавить дисахарид сахарозу или моносахарид типа глюкозы по отдельности или в сочетании с фруктовой добавкой. При производстве йогурта, предназначенного для диетического питания, например, диабетического, используются подсластители. Подсластители не имеют питательной ценности, но по вкусу очень сладкие даже в незначительных количествах. (Имейте в виду, что подсластители нельзя использовать в качестве консерванта для сгущенного молока с сахаром.) Фрукты, рассматриваемые в данном контексте, как правило, содержат приблизительно 50% сахара или соответствующее количество подсластителя, так что требуемый уровень можно обычно получить при добавлении от 12 до 18% фруктов. Следует отметить, что добавление слишком большого количества сахара (более 10%) в молоко перед периодом заквашивания пагубно отражается на условиях сквашивания, поскольку меняется осмотическое давление молока. Стабилизаторы Гидрофильные коллоиды могут связывать воду. Они увеличивают вязкость и содействуют предупреждению отделения сыворотки в йогурте. Тип стабилизатора и количество, в котором его следует добавлять, должен экспериментально определять каждый производитель. Если будет использован неподходящий стабилизатор или введено излишнее количество стабилизатора, продукт может приобрести резинистую твердую консистенцию. Натуральный йогурт, выработанный должным образом, не требует добавок стабилизаторов, так как плотное нежное желе с высокой вязкостью образуется естественным образом. Стабилизаторы используются при производстве термизированных йогуртов и иногда с фруктовыми наполнителями. Стабилизаторы (0,1–0,5%), такие как желатин, пектин, крахмал и агар-агар, являются наиболее часто используемыми. Таблица 11.1 Влияние гомогенизации и тепловой обработки на вязкость сквашенного молока (шведский филмьолк) Давление при температуре 60°С ,МПа 0 2,5 5,0 7,5 10,0 15,0 20,0 30,0 Вязкость – время вытекания в секундах при температуре 20°С Пастеризация Пастеризация (72°С / 20 секунд) (95°С / 5 минут) 5,7 5,6 7,1 8,0 8,9 10,4 11,2 13,8 15.0 14,6 15,8 19,0 22,1 28,7 30,2 32,7 С разрешения Шведской ассоциации молокозаводов (SMD), dept.C-lab., Мальмё/Лунд, Швеция. Технология производства молочных продуктов/глава 11 245 Деаэрация Содержание воздуха в молоке, используемом для получения кисломолочных продуктов, должно быть как можно более низким. Однако некоторая примесь воздуха неизбежна, если содержание СОМО повышается добавлением сухого молока. При этом как часть последующей обработки должна проводиться деаэрация молока. Когда содержание СОМО повышается путем выпаривания, часть такой обработки составляет деаэрация, которая способствует: • Улучшению условий работы гомогенизатора • Уменьшению риска пригорания продукта во время тепловой обработки • Улучшению стабильности и вязкости йогурта • Удалению посторонних летучих веществ (дезодорация). Гомогенизация Гомогенизация молока, предназначенного для производства кисломолочных продуктов, проводится для предупреждения отстаивания сливок во время сквашивания и обеспечения равномерного распределения жира в молоке. Гомогенизация также улучшает устойчивость и консистенцию кисломолочных продуктов даже с низкой массовой долей жира. Гомогенизация с последующей обработкой при высокой температуре, обычно 90–95°С в течение приблизительно 5 минут, оказывает положительное влияние на вязкость. В таблице 11.1 показано двойное влияние на вязкость сквашенного молока (шведский филмьолк; 3% жира и приблизительно 8,7% СОМО), когда оно предварительно обрабатывается при различных режимах гомогенизации и тепловой обработки. Температура гомогенизации во всех случаях составляет 60°С. Вязкость измеряют простым вискозиметром (вискозиметр SMR) при 20°С Рис. 11.8 Вискозиметр SMR. и получают результат в секундах для прохождения 100 мл продукта через насадку определенного диаметра. На рис. 11.8 показан вискозиметр, снабженный сменными насадками, диаметр которых от 2 до 6 мм. Вязкость молока, подвергнутого полной гомогенизации, прямо пропорциональна давлению гомогенизации не зависимо от того, было ли исходное молоко подвергнуто тепловой обработке или нет. В таблице также показано, что термообработка при высокой температуре увеличивает вязкость продукта. В качестве общих рекомендаций можно сказать, что для получения оптимальных физических характеристик продукта молоко следует гомогенизировать при давлении 20–25 МПа и температуре 65–70°С. Гомогенизацию часто используют даже при производстве кисломолочных продуктов с низким содержанием жира. В данном контексте иногда обсуждают вопрос об одной или двух стадиях гомогенизации. Вообще говоря, это связано с конструкцией гомогенизирующей системы, в частности, головки гомогенизатора. Тепловая обработка Перед заквашиванием молоко проходит тепловую обработку с целью: • Улучшения свойств молока как субстрата для бактериальной культуры • Обеспечения того, что сгусток готового йогурта будет плотным • Снижения риска отделения сыворотки в конечном продукте. Оптимальные результаты достигаются при тепловой обработке порядка 90–95°С и времени выдержки около 5 минут. Такое сочетание температуры/времени приводит к денатурации приблизительно 70–80% сывороточных белков. В частности, β-лактоглобулин, который является основным сывороточным белком, взаимодействует с κ-казеином, содействуя таким образом приданию йогурту стабильной формы. Высокотемпературная обработка и стерилизация молока, предназначенного для сквашивания, не оказывает, тем не менее, столь же благоприятного влияния на вязкость по не вполне понятным причинам. Выбор закваски В настоящее время специализированные лаборатории по приготовлению заквасок используют самые современные технологии производства заквасок для йогуртов, соответствующих запросам заказчика, и удовлетворения особых требований к вкусу и вязкости. Вот некоторые примеры свойств конечного продукта, которых можно достичь: 246 Технология производства молочных продуктов/глава 11 • Высокая вязкость с низким содержанием ацетальдегида и довольно высокой конечной величиной рН • Низкая вязкость и среднее содержание уксусного альдегида – подходящие свойства для питьевого йогурта и т. д. Приготовление заквасок Обращение с заквасками для производства йогуртов (и других кисломолочных продуктов) требует максимальной аккуратности и соблюдения гигиены. Основные методы традиционного приготовления заквасок и новые тенденции описаны в главе 10 “Заквасочные культуры и их производство”. Однако следует еще раз отметить, что теперь на рынке имеются концентрированные, замороженные и лиофилизированные закваски, которые используются все шире и шире. Это предотвращает необходимость вкладывать средства в отдельное помещение для заквасок – экономия, которая может быть сведена на нет предписанными ценами и стоимостью обеспечения соответствующего оборудования для хранения заквасок. Самое большое преимущество, однако, состоит в том, что прямое внесение в молоко концентрированных заквасок сводит к минимуму опасность загрязнения, так как исключаются промежуточные стадии ее приготовления. 5 2 3 1 Рис. 11.9 Общая предварительная обработка линии производства кисломолочных продуктов. Конструкция установки 4 1 2 3 4 5 Балансный бак Пластинчатый теплообменник Испаритель Гомогенизатор Труба для выдержки Сгусток, образующийся при сквашивании, чувствителен к механической обработке. Это делает очень важным выбор и установление размеров труб, клапанов, насосов, охладителей и т. д. Производственные линии Молоко/йогурт Хладагент Теплоноситель Испарения Предварительная обработка молока одинакова, независимо от того, производят йогурт термостатным способом или йогурт с нарушенным сгустком. Она включает в себя нормализацию по жиру и содержанию сухих веществ, тепловую обработку и гомогенизацию. На рис. 11.9 частично показана производственная линия для выработки йогурта. Танки для хранения молока, из которых молоко подают насосом в производственную линию, на рисунке не показаны. Предполагается, что перед поступлением в линию молоко нормализовано до требуемого содержания жира. В данном примере нормализация содержания сухих веществ происходит в испарителе на производственной линии. Если содержание сухих веществ повышается добавлением сухого молока, используется оборудование, аналогичное описанному под заголовком “Восстановленное молоко” в главе 18. Для снижения риска отделения сыворотки молоко, содержание сухих веществ в котором повышено путем добавления сухого молока, необходимо подвергнуть деаэрации. Содержание любых добавок, таких как стабилизаторы, витамины и т. д., можно добавить в молоко перед термообработкой. Из балансного бака молоко подают насосом в теплообменник (2), где оно сначала предварительно регенеративно нагревается до температуры приблизительно 70°С, а затем нагревается до 90°С во второй секции. Технология производства молочных продуктов/глава 11 247 Выпаривание Из теплообменника горячее молоко поступает в вакуумную камеру (3), где из молока испаряется 10–20% воды. Доля выпаренной воды зависит от требуемого содержания сухих веществ в молоке. При выпаривании 10–20% молока полное содержание сухих веществ возрастает приблизительно на 1,5–3,0%. Степень выпаривания контролируется температурой молока на входе вакуумной камеры, скоростью циркуляции через камеру и степенью вакуумирования камеры. Часть испарившейся из продукта воды используется для предварительного нагрева поступающего молока. Это повышает экономию тепла в установке. Некоторое количество молока должно повторно циркулировать через вакуумную камеру для получения нужной степени выпаривания. При каждом проходе испаряется 3–4% воды, так что для получения 15%-ного выпаривания рециркулированный поток должен быть четырех- или пятикратным по отношению к мощности пастеризатора. Температура молока во время выпаривания падает с 90°С приблизительно до 70°С. Описанное оборудование для выпаривания рассчитано на производительность приблизительно до 8000 л/час. Большие испарительные установки по типу падающей пленки используются для большой производительности – до 30 000 л/час. Испарение 10–20% объема молока повышает содержание сухих веществ в молоке на 1,5–3,0%. Гомогенизация Рис. 11.10 Трубчатая секция выдержки. После выпаривания молоко поступает в гомогенизатор (4) и гомогенизируется под давлением приблизительно 20–25 МПа (200–250 бар). Пастеризация Гомогенизированное молоко направляют обратно через регенеративную секцию в секцию пастеризации теплообменника (2) и нагревают повторно до 90–95°С. Затем молоко поступает в секцию выдержки, размер которой подобран так, что обеспечивает продолжительность выдержки 5 минут. Могут быть использованы другие программы времени/температуры. На рис. 11.10 показана трубчатая секция выдержки, которая обеспечивает эффективность до 90–95%, что заметно выше, чем в случае одного танка для выдержки, встроенного в непрерывно действующую установку. Рабочая процедура на установке с танком для выдержки следующая. Танк для выдержки не используется во время периода запуска, пока все параметры не достигли нужных значений и из установки не была вытеснена вся вода. Затем процесс производства начинается подачей горячего молока в танк для выдержки, выпускной клапан которого остается закрытым в течение 30 минут. Молоко поступает в танк сверху. По истечении 30 минут выпускной клапан открывается, и горячее молоко подается насосом далее из пастеризатора с той же скоростью, что и скорость заполнения. Рис. 11.11 Блок-схема, показывающая этапы производства йогурта термостатным способом, йогурта с нарушенным сгустком питьевого йогурта. 248 Технология производства молочных продуктов/глава 11 С этого момента процесс становится непрерывным. Эта система обеспечивает эффективность выдержки 12–15%. Например 13% – среднее время выдержки (13 х 30/100 = 3,9 минуты) приблизительно 4 минуты. При использовании только танка для выдержки появляются проблемы с конструкцией установки. Молоко поступает в танк для выдержки, где задерживается в течение 1/2 часа и не участвует в регенеративном нагреве поступающего в установку молока. Это вызывает нарушение температурной программы. Однако на более сложных установках эта проблема не возникает. Охлаждение молока После пастеризации молоко охлаждается, сначала в регенеративной секции, а затем с помощью воды, до нужной для заквашивания температуры, обычно 40–45°С, или до температуры ниже 10°С, предпочтительно 5°С, при производстве йогурта термостатным способом и когда производительность предварительной обработки не соответствует производительности процесса упаковки. Рис. 11.12 Блок-схема, показывающая этапы производства замороженного йогурта. Конструкция установки для производства йогурта Когда молоко, предназначенное для производства йогурта, предварительно обработано и охлаждено до температуры заквашивания, дальнейшая обработка зависит от вида производимого продукта: йогурта термостатного способа производства, йогурта с нарушенным сгустком, питьевого йогурта, замороженного или концентрированного йогурта. На рис. 11.11–11.13 приведены блок-схемы производства различных видов йогурта. Такие качественные характеристики йогурта, как вкус и консистенция, зависят от конструкции технологической линии, производимой обработки молока и готового продукта. Конструкция современных установок обеспечивает высокую производительность, непрерывное высококачественное производство. Уровень автоматизации различен, и, как правило, в установку встроены системы мойки (CIP). Обычно при крупномасштабном производстве уровень автоматизации высокий. Следует избегать излишней механической обработки продукта, так как она может Рис. 11.13 Блок-схема, показывающая этапы производства концентрированного йогурта. Молоко/йогурт Хладагент Теплоноситель Испарения Закваска Фрукты/ароматизатор 7 6 8 11 12 10 9 Предварительная обработка подробно показана на рис. 11.9. 6 Танки для производственной закваски 7 Танки для сквашивания 8 Пластинчатый охладитель 9 Буферные танки 10 Фрукты/ароматизаторы 11 Смеситель 12 Упаковка Рис. 11.14 Линия по производству йогурта с нарушенным сгустком. Технология производства молочных продуктов/глава 11 249 вызвать пороки, такие как жидкая консистенция и отделение сыворотки. Общий объем обработки, которой подвергается продукт, должен учитывать, когда установка была сконструирована. Следовательно, подбор соответствующего оборудования, оптимизация установки являются вопросом достижения надлежащего равновесия между стоимостью и качеством. На современных производственных линиях часто производят одновременно йогурт термостатным и резервуарным способами. При производстве йогурта термостатным способом поток продукта непрерывно контролируется, начиная с момента поступления молока на участок предварительной обработки до упаковки продукта. При производстве йогурта с нарушенным сгустком предварительная обработка молока продолжается до перекачивания в танки для сквашивания, в которые вносят производственную закваску. Непрерывная обработка прерывается требующим времени сквашиванием, при котором не должно быть никаких физических воздействий. Йогурт с нарушенным сгустком На рис. 11.14 показана типовая установка непрерывного производства относительно больших объемов йогурта с нарушенным сгустком. Предварительно обработанное молоко, охлажденное до температуры заквашивания, последовательно подают насосом в баки для сквашивания (7). Одновременно в потоке дозируется предварительно установленный объем производственной закваски. После заполнения танка начинается кратковременное перемешивание, которое обеспечивает равномерность распределения заквасочной культуры. Танки для сквашивания являются теплоизолированными для поддержания постоянной температуры во время сквашивания. Баки могут быть снабжены измерителями рН для контроля увеличения кислотности. В типовом производстве йогурта с нарушенным сгустком продолжительность сквашивания составляет от 2,5 до 3 часов при температуре 42–43°С, когда используется обычный тип производственной закваски (2,5–3%-ная доза вносимой закваски). Кратковременность сквашивания указывает на то, что период размножения (генерации) мал. Для типичных бактерий, используемых в производстве йогурта, период генерации составляет примерно 20–30 минут. Для получения оптимальных качественных характеристик продукта, чтобы прекратить дальнейшее развитие бактерий, его охлаждают до 15–22°С (от 42–43°С) в течение 30 минут после достижения идеального значения рН. При прямом внесении в подготовленное молоко концентрированной, лиофилизированной, замороженной закваски продолжительность сквашивания увеличивается до 4–6 часов при температуре 43°С, т.к. в этом случае требуется более длительный период ЛАГ-фазы. Охлаждение сгустка После окончания сквашивания, когда достигнуто требуемое значение рН (обычно около 4,2–4,5), йогурт необходимо охладить до 15–22°С. Это временно приостанавливает дальнейшее увеличение кислотности. В то же самое время сгусток необходимо подвергнуть мягкой механической обработке так, чтобы конечный продукт имел желаемую консистенцию. Охлаждение происходит в пластинчатом теплообменнике (8) со специальным устройством пластин. Это обеспечивает мягкую механическую обработку продукта. Для сохранения стабильного качества продукта производительность насоса и охладителя должна быть подобрана таким образом, чтобы опорожнение танка продолжалось в течение 20–30 мин. При использовании других заквасочных культур, развивающихся при температурных условиях, отличающихся от вышеуказанных, длительность сквашивания может меняться, что повлечет изменение продолжительности охлаждения. Прежде чем отправлять продукт на упаковочные машины (12), охлажденный йогурт подают насосом в промежуточные танки (9). Ароматизация После охлаждения до 15–22°С йогурт готов для упаковки. Во время подачи йогурта из промежуточных танков на упаковочные машины можно добавлять фрукты и различные Рис. 11.15 Смеситель для ароматизаторы (10). Это осуществляется непрерывно дозирующим насосом с переменной фруктов, встроенный производительностью, с помощью которого в йогурт вносятся ингредиенты в блоке в трубу. смешивания, показанном на рис. 11.15. Блок смешивания является статическим и имеет санитарную конструкцию. Он рассчитан на то, чтобы фрукты в йогурте тщательно перемешивались. Насосы для дозировки фруктов и подачи йогурта функционируют синхронно. Фруктовые добавки могут быть: • Сладкими, с добавлением обычно 50–55% сахара • Натуральными, неподслащенными. 250 Технология производства молочных продуктов/глава 11 Фрукты должны быть по возможности однородными. Можно добавлять сгуститель в виде пектина. Доля пектина чуть выше 0,5%, что соответствует 0,05–0,005% пектина в конечном продукте. Правильная термообработка является чрезвычайно важным этапом предварительной подготовки фруктовых добавок. Для пастеризации наполнителей, содержащих кусочки фруктов и ягоды, можно использовать шнековые теплообменники или танки со шнековыми устройствами. Температурная программа должна обеспечивать уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов без ущерба для вкуса и текстуры фруктов. Непрерывное производство с быстрым нагревом и охлаждением необходимо обеспечить для получения высококачественного продукта, и с экономической точки зрения оно более выгодно. Помимо термообработки важно, чтобы фрукты были упакованы в стерилизованные контейнеры при асептических условиях. Поскольку порча кисломолочных продуктов часто обусловлена вторичным бактериальным обсеменением от плохо обработанных фруктов. Упаковка Для упаковки йогуртов используются различные типы упаковочных машин. Размер упаковок варьируется в зависимости от рынка сбыта. Кроме того, общая производительность упаковочного оборудования должна соответствовать производительности установки для пастеризации, так чтобы условия работы установки в целом были оптимальными. Конструкция установки Вязкость Как упомянуто выше, конструкция установки является одним из важных факторов, влияющих на качество йогурта и, несомненно, всех других кисломолочных продуктов. На рис. 11.16 приведены кривые изменения вязкости йогурта с нарушенным сгустком от момента времени, когда он покидает танк для сквашивания, во время упаковки и в период хранения в холодильнике, который длится до 10 часов. Кривая А представляет собой A идеальный случай, когда оптимизированы все операции, влияющие на структуру и вязкость. Во время обработки продукт неизбежно становится менее вязким, так как йогурт относится к классу B продуктов с тиксотропным поведением CW потока, но если все параметры процесса <8° C и конструкция оборудования максимально оптимизированы, вязкость практически 43 ° C полностью восстанавливается, 15 ° C и тенденция к синерезису становится минимальной. На кривой В показан результат Направление хода обработки неправильной обработки продукта по пути Рис. 11.16 Изменение вязкости йогурта с нарушенным сгустком от танка для сквашивания до упаковки во время охлаждения, упаковки и хранения в холодильнике. и хранения в холодильнике. А Оптимальная конструкция установки В Неудачная конструкция Йогурт термостатного способа производства Для снижения расходов на установку можно использовать одну и ту же установку и для производства йогурта резервуарным способом с нарушенным сгустком, и для получения йогурта термостатным способом производства. Предварительная обработка молока, предназначенного для каждого из продуктов, идентична до стадии охлаждения до температуры заквашивания. На рис. 11.17 показано, как можно организовать производство такого типа. Закваску дозированно вводят в поток молока по мере его перекачивания из танка для промежуточного хранения в упаковочную машину. Ароматизация и упаковка Ароматизаторы непрерывно дозированно вводят в поток молока перед упаковочной машиной. Если необходимо добавить фрукты или добавки с кусочками, их сначала дозируют в упаковки или стаканчики перед заполнением тары заквашенным молоком. Важно, однако, помнить, что добавки с низким значением рН отрицательно влияют на прохождение процесса сквашивания. Технология производства молочных продуктов/глава 11 251 6 9 11 Молоко/йогурт Хладагент Теплоноситель Испарения Закваска Фрукты/ароматизатор Предварительная обработка подробно показана на рис. 11.9 6 Танки для производственной закваски 7 Танки для промежуточного хранения 8 Танки для ароматизатора 9 Смеситель 10 Упаковка 11 Сквашивание Молоко Хладагент Теплоноситель Испарения Закваска Ароматизатор 8 10 7 Рис. 11.17 Линия производства йогурта термостатным способом. Альтернативная система производства йогурта На рис. 11.18 показана другая наиболее часто используемая система для производства йогуртов термостатным способом. Эта система обеспечивает гибкость планирования производства, поскольку позволяет использовать технологическое и упаковочное оборудование с разной поизводительностью. Молоко, предварительно обработанное тем же образом, как и при производстве йогурта с нарушенным сгустком, охлаждают до температуры ниже 10°С, предпочтительно до 5°С, и перекачивают в один, два или более танков (1). После заквашивания и тщательного перемешивания заквашенное молоко готово для поточного нагрева (2) до температуры сквашивания перед упаковкой в тару (4). Производственную закваску также можно добавить в потоке перед нагревом до температуры сквашивания. 1 4 2 3 1 Танк заквашивания 2 Пластинчатый теплообменник 3 Ароматизатор 4 Упаковка 252 Рис. 11.18 Заключительные этапы производства йогурта термостатного способа изготовления (эта система обеспечивает большую гибкость в планировании производства). Технология производства молочных продуктов/глава 11 Рис. 11.19 Комбинированная термостатная камера и туннельный охладитель. Ароматизация и упаковка Для альтернативной системы также применим ранее описанный процесс ароматизации (3) и упаковки. Термостатирование и охлаждение После упаковки тару, в ящиках уложенную на поддоны, на тележке перевозят в одну из двух систем для термостатирования и последующего охлаждения посредством: • Камеры комбинированного термостатирования/охлаждения, когда поддоны неподвижны и при термостатировании, и при охлаждении перед перевозкой на заключительное хранение в охлажденном состоянии • Камеры для термостатирования, вмещающей большое количество заполненных поддонов. После необходимого термостатирования поддоны перевозят на конвейер, проходящий через секции охлаждения, заключенные в туннель. Эта система, показанная на рис. 11.19, позволяет осуществлять охлаждение непрерывно. Термостатирование (сквашивание) Заполненные упаковки/контейнеры помещают в решетчатую тару открытой конструкции и на некотором расстоянии друг от друга так, чтобы циркулирующий теплый/холодный воздух из камер для термостатирования и охлаждения мог достичь каждого отдельного контейнера. Решетчатую тару обычно складывают на поддоны, которые затем перевозят в камеру для термостатирования. Это обеспечивает однородное качество при условии, что температура тщательно контролируется. Охлаждение Когда достигнуто эмпирически определенное оптимальное значение рН (обычно 4,5), необходимо начинать охлаждение. Конечная температура охлаждения на этом этапе составляет 18–20°С; важно быстро остановить дальнейшее развитие микроорганизмов закваски: снизить температуру до 35°С в течение 30 минут, до температуры 18–20°С – по прошествии следующих 30–40 минут. Заключительное охлаждение, обычно до 5°С, происходит на холодном складе, где продукт хранится до реализации. Эффективность охлаждения зависит от размера отдельной упаковки, конструкции и материала упаковок, глубины штабеля решетчатой тары, расстояния между отдельными упаковками в каждом ящике и их конструкции. При глубине в один (1) метр, например, свободное пространство в поперечном сечении штабеля для прохождения воздуха должно быть не менее 25% от общей площади. Меньшее свободное поперечное сечение потребует большего воздушного потока, что означает также более высокое энергопотребление. Поддоны (ящики) во время сквашивания неподвижны. Они размещены в помещении/камере для термостатирования таким образом, чтобы облегчить обращение при первой загрузке/выгрузке. Обычно при термостатировании в течение 3–3,5 часа важно, чтобы продукт не подвергался какому-либо механическому воздействию в течение последних 2–2,5 часа, когда повышается риск отделения сыворотки. Производительность охлаждающей установки должна обеспечивать выполнение вышеупомянутой температурной программы. В качестве указания можно отметить, что полное время охлаждения составляет приблизительно 65–70 минут для небольших упаковок (массой 0,175–0,2 кг) и приблизительно 80–90 минут для крупных упаковок (массой 0,5 кг). В конечном итоге независимо от типа камеры для термостатирования/охлаждения йогурт доохлаждают на холодном складе приблизительно до 5°С. Технология производства молочных продуктов/глава 11 253 A Гомогенизированный и охлажденный. Срок хранения: 2–3 недели в холодильнике B Гомогенизированный, пастеризованный, асептически упакованный. Срок хранения: 1–2 месяца в холодильнике C Гомогенизированный, подвергнутый высокотемпературной обработке, асептически упакованный. Срок хранения: несколько месяцев при комнатной температуре Йогурт Хладагент Теплоноситель Ароматизатор Стабилизатор A B C Рис. 11.20 Варианты процесса получения питьевого йогурта. Питьевой йогурт Питьевой йогурт с низкой вязкостью, обычно с низким содержанием жира, популярен во многих странах. На рис. 11.20 показаны три альтернативных варианта его производства. Питьевой йогурт производят обычным способом. После перемешивания и охлаждения приблизительно до 18–20°С йогурт перекачивают в промежуточный бак перед тем, как осуществить обработку, варианты которой показаны на рисунке. В этом танке в йогурт вносят стабилизатор и ароматизаторы. Затем йогурт можно обрабатывать различными способами, в зависимости от требуемого срока хранения продукта. Йогурт с длительным сроком хранения В связи с тенденцией развития более крупных и централизованных заводов рынки становятся в географическом отношении шире, и расстояния, на которые осуществляются перевозки – длиннее. В некоторых случаях район продажи может быть столь велик, что экономически оправданной является только одна поставка в неделю. Это, в свою очередь, требует методов, которые удлиняют срок хранения продукта по сравнению с обычным. В некоторых странах трудно достичь неразрывности последовательных периодов охлаждения. Поэтому возникает потребность в стерилизованном йогурте, который можно хранить при комнатной температуре. Срок хранения кисломолочных продуктов можно увеличить двумя способами: • Производство и упаковка – при асептических условиях • Тепловая обработка готового продукта – либо непосредственно перед упаковкой, либо в упаковке. Производство при асептических условиях При асептическом производстве принимают меры для предотвращения попадания плесеней или дрожжей. Эти микроорганизмы могут испортить продукт, так как способны развиваться в кислой среде и вызывать несвойственный продукту запах и отделение сыворотки. Основной мерой является тщательная мойка и стерилизация всех поверхностей, соприкасающихся с продуктом. Особым отличием асептического производства является использование асептических танков, в которых создается избыточное давление стерильного воздуха, асептических клапанов с дистанционным управлением, асептических дозирующих приборов для фруктов и асептические упаковочные машины. Так можно предотвратить попадание микроорганизмов через воздух. Это значительно увеличивает срок хранения продукта. Условия производства в “чистом помещении” Санитарные условия гигиены должны соблюдаться на всех пищевых производствах, не только для оборудования, непосредственно соприкасающегося с продуктом, но также в помещениях, где осуществляется производство. 254 Технология производства молочных продуктов/глава 11 Для поддержания строгих санитарных условий, высокого уровня чистоты в производственных помещениях, танках и т.д. можно установить систему, основанную на фильтрации воздуха через “абсолютные фильтры”, как показано на рис. 11.21. Система, обслуживающая четыре бака, состоит из: • Одного вентилятора, обеспечивающего подачу приблизительно 400 м3/час отфильтрованного воздуха, т.е. 100 м3/час в один бак • Одного “абсолютного фильтра”, позволяющего захватить частицы размером более 0,3 микрона; при этом будет захвачена большая часть микроорганизмов, так как средний диаметр кокков, бацилл и грибов (дрожжей и плесеней) составляет 0,9; 0,25–10 и 3–15 микрон соответственно • Одного кожуха для фильтра • Одного основного трубопровода • Четырех соединительных труб • Клапанов и манометров. Каждая система (или бак), в которую должен подаваться воздух, должна быть снабжена внешним трубопроводом для воздуха и системой безопасности для предотвращения взрыва бака в результате образования вакуума, возникшего Рис. 11.21 Система фильтрации при падении температуры после мойки. воздуха, обеспечивающая условия Скорость воздуха составляет приблизительно 0,5 м/с, а бак находится под “чистого помещения”. избыточным давлением, равным приблизительно 5–10 м водяного столба, что соответствует 0,05–0,1 бара. Фильтр обычно размещают в производственном помещении, в результате чего все загрязняющие частицы, находившиеся в окружающем воздухе, в конечном итоге будут отфильтрованы, создавая таким образом условия “чистого помещения”. Аналогичные системы используются в микробиологических лабораториях, в больничных операционных и на фармацевтических заводах. Тепловая обработка йогурта Тепловая обработка йогурта увеличивает его срок хранения посредством: • Инактивации заквасочных бактерий и их ферментов • Инактивации посторонних микроорганизмов, таких как дрожжи и плесень. При производстве йогурта с нарушенным сгустком продукт из танков для сквашивания нагревают в теплообменнике до температуры 72–75°С, выдерживают несколько секунд и охлаждают. Для предотвращения повторного обсеменения продукт должен быть упакован в асептической упаковочной машине. Йогурт термостатного способа производства может быть предварительно нагрет в упаковке до температуры 72–75°С в течение 5–10 минут в специальных камерах для пастеризации. В обоих случаях в продукт перед нагреванием добавляют стабилизатор. Тепловая обработка при 70–75°С убивает в йогурте патогенные микроорганизмы. Во многих странах йогурт считают продуктом, в котором микробиологическая флора сохраняется живой вплоть до момента потребления. Это означает, что термообработка конечного продукта запрещена. В некоторых странах использование стабилизаторов запрещено законом или разрешено, но только до определенной степени. Замороженный йогурт Замороженный йогурт можно приготовить двумя способами. Либо йогурт перемешивают со смесью для мороженого, либо смесь для йогуртов сквашивают перед дальнейшей переработкой. Йогурт-мороженое можно подразделить на мягкий, незакаленный и твердый, закаленный замороженный типы. Смесь, предназначенная для йогурта мягкого типа, несколько отличается от смеси для йогурта твердого замороженного типа. Характерные рецептуры следующие: Ингредиенты, % Жир Сахар СОМО Стабилизатор, эмульгатор Вода Мягкий тип Твердый замороженный тип 4 11 – 14 10 – 11 0,85 71 6 12 –15 12 0,85 66 Технология производства молочных продуктов/глава 11 255 2 A Производство йогурта B Твердое мороженое (закаленное) C Смесь для мягкого мороженого (незакаленного) D Смесь для мягкого мороженого с длительным сроком хранения (незакаленного) 1 A 5 8 1 Смесительные танки 2 Пастеризатор 3 Танки для производственной закваски 4 Танки для сквашивания 5 Охладитель B 6 Танки для промежуточного хранения 7 Фризер для мороженого 8 Танки с ароматизатором 9 Фризер для брикетов 10 Разливочная машина для обычных стаканчиков/конусных вафельных стаканчиков 11 Упаковка 12 Высокотемпературная обработка 13 Асептическая упаковка 14 Фризер для мягкого мороженого для розничной торговли Рис. 11.23 Фризер непрерывного действия. 256 6 4 3 7 12 11 10 13 9 14 Продукт Хладагент C 14 D Теплоноситель Ароматизатор Рис. 11.22 Варианты линий для производства замороженного йогурта. Производство смеси для йогурта Йогуртная смесь с добавками соответствующего стабилизатора и эмульгатора производится в основном тем же способом, что и обычный йогурт. Блок-схема на рис. 11.22 (блок А) отображает процесс, при котором смешанное сырье деаэрируется и гомогенизируется при температуре 70°С перед пастеризацией в теплообменнике при температуре 90°С в течение 5 минут. После регенеративного охлаждения до 43°С молоко поступает в танки для сквашивания, в которые добавляют производственную закваску. Внесение закваски в количестве 4–6% осуществляется в трубопроводе по мере перекачивания молока в танки для сквашивания. Время термостатирования йогуртной смеси заметно продолжительнее, чем при производстве обычного йогурта. Это обусловлено тем, что йогуртная смесь содержит больше углеводородов, чем обычный йогурт. При содержании сахарозы 10–12% для достижения характерной кислотности йогурта, которая составляет рН 4,5, необходимо обеспечить сквашивание продолжительностью 7–8 часов. По достижении требуемого значения рН для прекращения дальнейшего нарастания кислотности йогуртную смесь охлаждают в теплообменнике. Перед тем как йогурт поступит в танки для промежуточного хранения, в смесительное устройство с помощью дозирующего насоса можно добавить любой ароматизатор и сахар. Из танков для промежуточного хранения продукт может быть направлен по различным путям, как показано на блоках B, C и D на рис. 11.22: B Йогуртная смесь поступает непосредственно на фризер для мороженого, с последующей заморозкой в виде эскимо на палочке или заполнением стаканчиков либо продолжительным закаливанием до получения твердого замороженного йогурта C Смесь для мягкого йогурта-мороженого упаковывают в одноразовые упаковки, такие как обычные молочные пакеты или двойные упаковки с вкладышем. Затем их направляют непосредственно в точки розничной продажи мягкого мороженого D Для производства смеси для мороженого, предназначенной для производства мягкого йогурта с увеличенным сроком хранения, перед асептической упаковкой смесь стерилизуют на установке для высокотемпературной обработки. Технология производства молочных продуктов/глава 11 Твердый йогурт-мороженое Как и в случае с обычным мороженым, йогурт предварительно замораживают и взбивают во фризере для мороженого непрерывного действия, рис. 11.23. Во избежание проблем с окислением при последующем хранении взбивание происходит в насыщенной азотом атмосфере. Замороженный йогурт выходит из фризера при температуре –8°С, что несколько ниже, чем температура обычного мороженого. Это позволяет достичь оптимальной вязкости, которая подходит для большинства упаковочных машин. Жидкий фруктовый ароматизатор или сахар могут быть добавлены во фризере. Замороженные йогурты с различными ароматизаторами можно производить в параллельных фризерах из общей йогуртной смеси. После замораживания йогурт-мороженое упаковывают в конусные или круглые стаканчики или в большие упаковки “для всей семьи” тем же способом, что и обычное мороженое. Затем упаковки поступают в закалочный туннель, где температура снижена до –25°С. Брикеты замороженного йогурта можно замораживать непрерывно в обычном фризере для мороженого в брикетах. Так как йогурты замораживаются до –25°С, их транспортируют на холодный склад сразу после упаковки. Доставка товара потребителю Твердый йогурт-мороженое, который взбит в атмосфере, насыщенной азотом, можно хранить в холодильнике в течение 2–3 месяцев без каких-либо изменений вкуса или консистенции. Доставка товара потребителю, его хранение вплоть до момента потребления должны происходить при значительно пониженной температуре. Рекомендуемая температура хранения мягкого мороженого, изготовленного из йогуртной смеси (не подвергаемого ВТО), составляет 6°С. Срок хранения этой смеси составляет приблизительно две недели. Мягкий йогурт употребляют в пищу сразу после замораживания. Рис. 11.24 Кефирные грибки. Концентрированный йогурт В концентрированном йогурте содержание сухих веществ в продукте после сквашивания возрастает. Сыворотка отделяется от образовавшегося сгустка. Принципы производства аналогичны производству обезжиренного творога (см. главу 14). Единственным различием является используемый тип закваски. Концентрированный йогурт известен так же как “процеженный” йогурт и лабнех. Кефир Кефир является одним из старейших кисломолочных продуктов. Местом его происхождения считается Кавказ. Сырьем является козье, овечье или коровье молоко. Кефир производят во многих странах, но самое большое его количество – с годовым потреблением 5 литров на душу населения – потребляется в России. Кефир должен быть вязким и гомогенным и иметь блестящую поверхность. На вкус он должен быть свежим и кислым, с легким дрожжевым привкусом. Значение рН продукта обычно составляет 4,3–4,4. Для производства кефира используется специальная закваска, называемая кефирными грибками. Кефирные грибки содержат белки, полисахариды и смесь различных типов микроорганизмов, таких как дрожжи, ароматообразующие бактерии и вырабатывающие молочную кислоту. Дрожжи составляют приблизительно 5–10% от всей микрофлоры. Кефирные грибки имеют желтоватый цвет и размер цветочка цветной капусты, т.е. приблизительно от 15 до 20 мм в диаметре. Грибки имеют неправильную форму, см. рис. 11.24. Они нерастворимы в воде и в большинстве растворителей. При погружении в молоко грибки разбухают и становятся белыми. Во время процесса сквашивания молочнокислые бактерии производят молочную кислоту, в то время как ферментирующие лактозу клетки дрожжей вырабатывают спирт и двуокись углерода. Метаболизм у дрожжей сопровождается некоторым расщеплением белка, в результате чего кефир Технология производства молочных продуктов/глава 11 Рис. 11.25 Микроорганизмы в заквасках часто сосуществуют в симбиозе. Рис. 11.26 Дрожжи и молочнокислые бактерии на поверхности кефирного грибка, видимые под электронным микроскопом. 257 получает особый дрожжевой привкус. Содержание молочной кислоты, спирта и двуокиси углерода контролируется во время производства посредством изменения температуры сквашивания. А. Бактерии, используемые при производстве йогурта,– Lactobacillus bulgaricus (в форме палочек) и Streptococcus thermophilus (в форме шариков) – сосуществуют вместе. В. Дрожжи и молочнокислые бактерии на поверхности зерен кефира. “Шарик” в центре представляет собой дрожжевой грибок, а палочки – различные типы бактерий. С. Центр кефирного грибка. Дрожжи и бактерии объединены сетью, состоящей главным образом из белков и полисахаридов. В зависимости от местных условий и требований типы используемого оборудования и варианты оформления производственного процесса у различных производителей могут сильно отличаться. Сырье Как и при производстве других молочнокислых продуктов, качество сырья играет самую важную роль. Оно не должно содержать антибиотиков и других ингибирующих веществ. Сырьем для производства кефира может быть козье, овечье или коровье молоко. Производство закваски Закваску для кефира обычно получают из молока с различным содержанием жира, но в последнее время для лучшего контроля микробиологического состава кефирных грибков были также использованы обезжиренное и восстановленное молоко. Как и при получении заквасочных культур для других кисломолочных продуктов, для инактивации бактериофагов питательная молочная среда должна быть подвергнута тщательной тепловой обработке. Производство осуществляется в два этапа. Основной причиной этого является то, что кефирные зерна являются объемистыми и сложными в обращении; легче контролировать относительно небольшие объемы материнской закваски. На рис. 11.27 показаны различные этапы процесса. На первом этапе в предварительно обработанную питательную среду вводят активизированные кефирные грибки. Культивирование проводят при 23°С, причем доля вносимых грибков составляет приблизительно 5% (1 часть зерен на 20 частей питательной среды) или 3,5% (1 часть зерен на 30 частей молока). Продолжительность культивирования составляет приблизительно 20 часов; так как зерна имеют тенденцию опускаться на дно, рекомендуется промежуточное перемешивание в течение 10–15 минут каждые 2–5 часов. При достижении требуемого значения рН (скажем 4,5) закваску размешивают перед удалением зерен из материнской закваски, теперь также называемой фильтратом, путем процеживания. Сетка для процеживания имеет отверстия диаметром 3–4 мм. Грибки промывают в сетке для процеживания кипяченой и охлажденной водой (иногда обезжиренным молоком). Затем их можно использовать повторно для получения новой партии материнской закваски. Во время культивирования микробактериальная популяция вырастает примерно на 10% в неделю, так что зерна следует взвесить и удалить излишек перед повторным использованием партии. На втором этапе фильтрат можно охладить до температуры приблизительно 10°С, если его необходимо хранить перед использованием Рис. 11.27 Типовая блок-схема различных этапов процесса в течение нескольких часов. Или же, если будет производства кефира. произведено большое количество кефира, 258 Технология производства молочных продуктов/глава 11 фильтрат можно сразу добавить в предварительно обработанное молоко, предназначенное для использования в качестве питательной среды для производственной закваски. Дозировка составляет 3–5% от объема питательной среды. После культивирования при температуре 23°С в течение 20 часов производственная закваска готова к введению в молоко, подготовленное для производства кефира. Производство кефира Этапы процесса в основном те же, что и для большинства кисломолочных продуктов. Для традиционного производства кефира типично следующее сочетание: • Нормализация по содержанию жира (практикуется не всегда) • Гомогенизация • Пастеризация и охлаждение до температуры сквашивания • Внесение заквасочной культуры (называемой здесь также фильтратом) • Сквашивание в два этапа (это, а также особая закваска характерны для кефира) • Охлаждение • Упаковка. Нормализация по содержанию жира Согласно статистике, содержание жира в кефире меняется от 0,5% до 6%. Сырое молоко часто используется с исходным содержанием жира. Однако в основном содержание жира составляет 2,5% и 3,5%. Гомогенизация После нормализации молока по содержанию жира, если она осуществляется, молоко гомогенизируют при температуре приблизительно 65–70°С и давлении 17,5–20 МПа (175–200 бар). Тепловая обработка Режимы тепловой обработки те же, что и для йогурта и большинства кисломолочных продуктов: выдержка при температуре 90–95°С в течение 5 минут. Заквашивание После тепловой обработки молоко охлаждают до температуры заквашивания, обычно 23°С, после чего добавляют закваску в количестве 2–3%. Рис. 11.28 Приготовление производственной закваски для кефира с помощью лиофилизированной заквасочной культуры. Сквашивание Стадии сквашивания обычно делятся на два этапа: наращивание кислотности и созревание. Период выдержки обычно делится на два этапа, подкисление и вызревание. Этап нарастания кислотности Данный этап длится, пока не будет достигнуто значение активной кислотности рН, равное 4,5, или выражая через титруемую кислотность, пока кислотность не повысится до 85–100°Th (35–40°SH). Для этого требуется приблизительно 12 часов. Затем сгусток перемешивают, предварительно охладив в танке. При температуре 14–16°С охлаждение завершают, и перемешивание прекращается. Этап созревания Типичный немного “дрожжевой” привкус начинает появляться по прошествии 12–14 часов. Когда кислотность достигла 110–120°Th (рН приблизительно 4,4), начинается заключительное охлаждение. Охлаждение Продукт быстро охлаждают в теплообменнике до температуры 5–8°С. При этом дальнейшее нарастание кислотности прекращается. Крайне важно, чтобы продукт при охлаждении и последующей упаковке обрабатывался мягко. Поэтому следует свести к минимуму механическое перемешивание в насосах, трубопроводах и упаковочных машинах. Попадания воздуха также следует избегать, так как присутствие воздуха увеличивает риск возникновения синерезиса в продукте. Технология производства молочных продуктов/глава 11 259 Альтернативный вариант производства кефира Сметана имеет ярко-белый цвет, однородна по структуре и относительно вязкая. Вкус неострый и слабокислый. Как указано выше, традиционный метод приготовления производственной закваски для производства кефира является трудоемким. В сочетании со сложностью состава микрофлоры иногда это приводит к неприемлемым изменениям качества продукта. Во избежание этих проблем группа сотрудников Исследовательской лаборатории SMR, Мальмё (Швеция) разработала лиофилизированную концентрированную закваску, с которой можно обращаться, как и с аналогичными формами других заквасок. Этот тип закваски использовался на практике с середины 80-х годов, и продукты, приготовленные с ее помощью, были более однородны по качеству, чем продукты, приготовленные традиционным способом. После тщательного исследования из кефирных грибков, полученных из различных источников, было проведено выделение, идентификация штаммов бактерий, дрожжей. Проверка их кислотообразующей способности и т.д. Затем был подобран состав лиофилизированной закваски, обеспечивающий равновесие микроорганизмов в производственной закваске и продукте, сравнимое с аналогичным равновесием в традиционном кефире, изготовленном с помощью кефирных грибков в материнской закваске. В настоящее время имеются концентрированные лиофилизированные заквасочные культуры для кефира, готовые для непосредственного введения в молоко, предназначенное для производства конечного продукта. Блок-схема на рис. 11.28 показывает этапы этого производственного процесса. По сравнению с традиционным получением производственной закваски метод, основанный на применении лиофилизированной закваски, сокращает количество этапов производства и соответственно риск внесения в закваску посторонней микрофлоры. Сметана В некоторых странах сметана изготавливается уже очень давно. Она, как и йогурт, служит основой приготовления многих блюд. Массовая доля жира в сметане может быть 10–12% или 20–30%. Заквасочная культура содержит микроорганизмы видов Str. lactis и Str. cremoris, бактерии видов Str. diacetylactis (заквасочные культуры D и DL) и Leuc. citrovorum (заквасочные культуры DL и L) используются для получения аромата. Сметана имеет ярко-белый цвет, она однородна по структуре и относительно вязкая. Вкус у нее мягкий и умеренно кислый. Подобно другим кисломолочным продуктам, сметана имеет ограниченный срок хранения. Для получения качественного продукта важно соблюдать санитарные правила. В негерметичной упаковке могут развиться дрожжи и плесень. Эти микроорганизмы развиваются главным образом на поверхности сметаны. В случае длительного хранения ферменты молочнокислых бактерий, которые расщепляют β-лактоглобулин, активизируются, и сметана приобретает горький привкус. Потеря вкусовых качеств у сметаны связана с диффузией двуокиси углерода и других ароматических веществ через упаковку. Производство Линия для производства сметаны включает в себя оборудование для нормализации содержания жира, гомогенизации и тепловой обработки сливок, а также заквашивания и упаковки. Гомогенизация Сливки гомогенизируют. Для сливок с содержанием жира 10–12% давление гомогенизации обычно составляет 15–20 МПа (150–200 бар) при температуре 60–70°С. До некоторого момента повышение температуры гомогенизации улучшает консистенцию. Для сливок с массовой долей жира 20–30% давление гомогенизации должно быть ниже, 10–12 МПа (100–120 бар), так как в них нет достаточного количества белка (казеина) для образования мембран на увеличенной общей жировой поверхности. Тепловая обработка Гомогенизированные сливки обычно выдерживают в течение 5 минут при температуре 90°С. Можно использовать другое сочетание времени/температуры тепловой обработки, если метод гомогенизации для нее тщательно подобран. Заквашивание и упаковка Предварительно обработанные сливки охлаждают до температуры сквашивания 18–21°С. Затем добавляют заквасочную культуру в количестве 1–2%. Заквашивание осуществляют в танке или в таре. Продолжительность сквашивания 18–20 часов. Когда сквашивание завершено, сметану быстро охлаждают для предотвращения дальнейшего увеличения 260 Технология производства молочных продуктов/глава 11 кислотности. Вязкость сметаны может быть очень высокой, и, следовательно, ее может быть трудно упаковать. Несмотря на меры предосторожности, механическая обработка, которой сметана подвергается во время перемешивания, перекачивания и упаковки, также вызывает незначительное ухудшение консистенции продукта – он становится жидким. Чтобы избежать нежелательной механической обработки, сливки иногда заквашивают, упаковывают и сквашивают в таре. После заквашивания сливок и последующей упаковки продукт хранят при температуре 20°С до тех пор, пока кислотность обезжиренной фазы не составит 85°Th, что занимает приблизительно 16–18 часов. Упаковки осторожно переносят на холодный склад, где они хранятся перед поставкой потребителю не менее 24 часов при температуре около 6°С. Сметану часто используют в кулинарии. Пахта Пахта является побочным продуктом производства сладко-сливочного и кисломолочного масла. Массовая доля жира составляет приблизительно 0,5%, причем молочный жир содержит большое количество мембранного материала, включая лецитин. Срок хранения короткий, так как вкус пахты меняется довольно быстро из-за окисления содержащегося мембранного материала. Для пахты, полученной при производстве кисло-сливочного масла, характерно отделение сыворотки, что приводит к возникновению пороков продуктов, вырабатываемых из пахты данного типа. Сквашенная пахта Сквашенную пахту на многих рынках заготавливают, чтобы избежать проблем с несвойственными продукту запахами и коротким сроком хранения. Сырьем может быть сладкая пахта, полученная при производстве сладко-сливочного масла, сливок, обезжиренного молока или молока с низким содержанием жира. Во всех случаях сырье выдерживают при температуре 90–95°С в течение приблизительно 5 минут, а затем охлаждают до температуры заквашивания. Чаще всего используются традиционные молочнокислые бактерии. В некоторых случаях, когда сырьем является обезжиренное молоко или молоко с низким содержанием жира, в продукт также добавляют зерна масла, чтобы сделать его более похожим на пахту. Последние разработки в области кисломолочных продуктов “Живые молочнокислые бактерии – вакцина будущего?” Приведенный выше заголовок скандинавского журнала по питанию (Naringsforskning, .. том 37:132–137, 1993) появился над аннотацией доклада Класа Лённера (Clas Lonner) на конференции, проходившей в Лунде (Швеция) 29 апреля 1993 г. В течение многих лет было известно, по крайней мере в северной части Швеции, что определенный тип сквашенного молока, называемый лангфил (Lеngfil), использовался для заживления ран и лечения вагинальных грибковых инфекций. Однако исследования молочнокислых бактерий и их значения для здоровья можно проследить с начала двадцатого столетия. Русский ученый Илья Мечников, являющийся одновременно профессором Института Пастера в Париже, связывал увеличенную продолжительность жизни некоторых своих соотечественников с повышенным потреблением ими простокваши и др. кисломолочных напитков. (Профессор Мечников был удостоен Нобелевской премии по медицине в 1908 г., но это было за открытие фагоцитов, т. е. феномена, который состоит в том, что белые клетки крови, лейкоциты, “поедают” бактерии, поражающие клетки тела человека). Мечников доказал, что молочнокислые бактерии, попавшие в организм при потреблении кисломолочного продукта, проходят через желудок и разрушают в толстой кишке вызывающие гниение микроорганизмы. Таким образом, молочнокислые бактерии подавляют производство “ядовитых” отходов, которые вызывают хронические патологические изменения в системе организма человека, особенно артериосклероз. Эта теория Мечникова была правдоподобной, но ее критиковали с тех позиций, что молочнокислые бактерии не могут выжить в среде с низким значением рН (приблизительно 2), которая преобладает в желудке. Как бы то ни было, следующие отрывки информации иллюстрируют ситуацию в последнее десятилетие двадцатого века. Технология производства молочных продуктов/глава 11 Рис. 11.29 Образцы молочных продуктов BRA и Onaka, в которых используются новые комбинации микроорганизмов, позволяющие улучшить работу кишечника. 261 Lactobacillus acidophilus и бифидобактерии являются важными составляющими кишечной флоры человека. 262 Интерес к сознательному использованию кисломолочных бактерий в качестве оздоравливающих компонентов некоторых продуктов питания и фуража вырос за последние несколько лет как снежный ком. Самые активные энтузиасты заявляют, что живые кисломолочные бактерии станут ответом XXI века на использование в XX веке пенициллина и сульфамидных лекарственных препаратов. Выражение “функциональный продукт питания” применяется к продуктам с целебными свойствами, которые содействуют оздоровлению. “Продукт для специального оздоровительного использования” – другой термин, обозначающий то же самое. Япония в настоящее время является ведущей страной по “функциональному питанию” и имеет большую программу профилактических мер по снижению стоимости медицинского обслуживания. Кисломолочные бактерии использовались для сквашивания продуктов с незапамятных времен. В производстве йогуртов обычно используют специальные штаммы бактерий, а также другие типы, такие как Lactobacillus (L.) acidophilus, L. reuteri (относительно новый), бифидобактерии и некоторые виды Lactococcus lactis, оказавшиеся среди тех видов, которые представляют интерес для производства функциональных продуктов. Какими свойствами должны обладать молочнокислые бактерии для функционирования в кишечнике? Особое значение принадлежит следующим четырем характеристикам: • Способности образовывать колонии и выживать • Адгезивной способности • Способности образовывать скопления • Антагонистическому воздействию. Lactobacillus acidophilus и бифидобактерии являются важными составляющими кишечной флоры человека. Первые обычно преобладают в тонком отделе кишечника, а последние – в толстом отделе кишечника. У некоторых людей в результате медикаментозного лечения, стресса или у людей преклонного возраста снижено количество этих важных бактерий. У многих людей сниженное производство кишечных бактерий может вызвать такие симптомы, как отеки, непереваривание пищи и резко выраженную болезненность. Идеальным способом восстановить равновесие кишечной флоры является потребление живых бактерий Lactobacillus acidophilus и бифидобактерий в молочных продуктах. Помимо возможного предупреждения и ослабления диареи, в литературе указывается, что Lactobacillus acidophilus и бифидобактерии могут способствовать: • Снижению уровня холестерина в крови • Ослаблению синдрома недостаточного всасывания лактозы (непереносимости лактозы) • Укреплению иммунной системы • Снижению риска рака желудка. (Источник: “Nu-trish cultures”, Chr. Hansen’s Laboratories, Копенгаген, Дания.) Эти микроорганизмы можно использовать по отдельности или в сочетании с другими заквасочными культурами, например, термофильными микроорганизмами или мезофильными. Например, на шведском рынке недавно появился продукт, называемый БРА-молоком (BRA). Название имеет двойное значение: “БРА” – это шведское слово “хороший”, а также первые буквы названий бактерий – Bifido, Reuteri и Acidiphilus. Имеются два варианта этого продукта: сладкий и кислый. Таким образом, молочнокислые бактерии могут иметь огромное значение для укрепления здоровья и человека, и животных. Заявленное воздействие, однако, отнюдь не является полностью подтвержденным. Поэтому важно, что в эту область в ближайшем будущем будут вложены значительные средства, причем и в выявление нового интересного воздействия кисломолочных бактерий на состояние здоровья, и в накопление документальных научных доказательств. Для любого интересующегося этими вопросами предлагается следующий список литературы: 1 Гидрофобность поверхности микроорганизмов, Р.Дж. Дойл и М. Розенберг, Американское общество микробиологии, Вашингтон, 1990 (Microbial surface hydrophobicity, R J Doyle and M Rosenberg. Amer Soc for Microbiology, Washington 1990). ISBN 1-5581-028-4. 2 Молочнокислые бактерии и охрана здоровья. Том 1, Б.Дж.Б. Вуд, Прикладные науки Элсвайер, Лондон, 1992 (The Lactic Acid Bacteria in health and disease, Volume 1, B J B Wood, Elsevier Applied Science, London 1992). ISBN 1851667202. 3 Пробиотики. Научные основы. Р. Фуллер. Чэпмэн и Холл, Лондон, 1992 (Probiotics, the scientific basis, R Fuller. Chapman & Hall, London 1992). ISBN 0-412-40850-3. 4 Питание и кишечная флора. Алмквист и Виксел, 1983, с. 141. (Nutrition and the intestinal flora. Almqvist & Wiksell 1983, рр 141). Технология производства молочных продуктов/глава 11 Масло и молочные пасты Международная федерация молочных заводов (IDF) ввела стандарт, относящийся к маслам и молочным пастам, а именно: Стандарт IDF 166:1993, “Указания по жировым пастам”. Предполагается, что эти указания послужат основой для дальнейшей разработки более специфичных групп или индивидуальных стандартов в соответствии с требованиями отдельных стран. Технология производства молочных продуктов/глава 12 263 Определения Жировая паста. “Жировая паста” – это продукт в виде эмульсии (тип: вода в масле), или, по существу, из водной фазы и пищевых жиров и масел. Пищевые жиры и масла. Пищевые продукты, состоящие, главным образом, из триглицеридов жирных кислот. Они могут быть растительного, животного, молочного или морского происхождения. Нижеприведенные таблицы (12.1 и 12.2) являются извлечениями из указанного стандарта. Таблица 12.1 Основной состав продуктов на основе молочного жира и маргарина Продукты на основе молочного жира Продукты на основе смешанного жира Молочный жир составляет Молочный жир составляет мин. 15%, 100% содержания всего жира макс. 80% содержания всего жира Продукты на основе маргарина Молочный жир составляет макс. 3% Примечание. В соответствии с национальным или другим имеющимся законодательством может быть определен ограниченный интервал (или интервалы) содержания жира и доли молочного жира по отношению к другим типам жиров. Основным сырьем должна быть вода и/или молочные продукты, пищевые жиры и/или масла или их смеси. Что касается содержания жира, стандарт устанавливает, что пасты на основе жиров должны разделяться на три группы в соответствии с типом жира. Максимальное содержание жира должно составлять 95%. Наименование продукта должно быть определено в национальном законодательстве. Однако продукты должны соответствовать общим требованиям таблицы 12.2, которая рассчитана на применение к продуктам всех трех групп соответственно. Таблица 12.2 Наименования продуктов на основе молочного жира и маргарина Содержание жира, % Продукты на основе молочного жира 80 – 95 >62 – <80 Масло* Молочная паста 60 – 62 >41– <60 39 – 41 <39 Продукты на основе смеси жиров Продукты на основе маргарина Жировая смесь Маргарин* Паста на основе жировой Паста жировая смеси Масло с содержанием Жировая смесь Маргарин с содержанием жира 3/4 или с содержанием жира 3/4 жира 3/4 или с пониженным или с пониженным с пониженным содержанием жира содержанием жира содержанием жира Молочная паста Паста на основе жировой Жировая паста с пониженным смеси с пониженным с пониженным содержанием жира содержанием жира содержанием жира Масло с содержанием Жировая смесь с Маргарин или минарин* жира 1/2 или с низким содержанием жира 1/2 с содержанием жира 1/2 содержанием жира или с низким или с низким содержанием жира содержанием жира Молочная паста Паста на основе жировой Жировая паста с низким с низким содержанием смеси с низким содержанием жира жира содержанием жира * В настоящее время в международной торговле для указания назначения продуктов разрешены следующие индивидуальные стандарты ФАО/ВОЗ: А1 – Стандарт для сливочного и подсырного масла (А16 – Стандарт для молочных паст с низким содержанием жира – проект) Стандарт – кодекс 32 – 1981 для маргарина Стандарт – кодекс 13–1981 для минарина. 264 Технология производства молочных продуктов/глава 12 Таблица 12.3 Примеры наименования продуктов на основе молочного жира и маргарина (Швеция) Продукт / Состав Масло Маргарин Молочная Молочная паста М-кокос паста бреготт с низким содержанием (маргарин) жира Лятт и Лагом (минарин) Лярд Основной материал сквашенные раст. масла сквашенные сливки ОМЖ* + кокосовое лярд сливки и жиры и растительные растительное масло + масло масла предп. конц. молоч. масла Жир, % 80 80 80 40 100 100 Влага, % 16 – 18** ≈18 17 – 18** 48 0 0 Соль, % 0–2 1,5 – 2,0 1,4 – 2,0 1,2 0 0 Белок, % 0,7 0,2 – 0,4 0,6 7,5 0 0 Удельная энергетическая ценность кДж/100 г 3140 3100 – 3150 3140 1710 3900 3900 Витамины А 2500 А 3000 А 3000 А 3000 0 0 Междунар. единиц/100 г D 55 D 300 D 300 D 300 0 0 Срок хранения при 6–7°С 2–3 месяца 3 месяца 2–3 месяца 1,5 месяца 6–12 месяцев 6 месяцев Употребление к столу к столу к столу к столу в кулинарии при жарке в кулинарии в кулинарии в кулинарии в кондитерских в хлебоп. изделиях производстве * ОМЖ – обезвоженный молочный жир ** Меняется в зависимости от содержания соли Источник: Livsmedelsbranschens Utbildningsorgan, Brevskolan, Швеция. Таблица 12.3, в которой перечислены наименования, утвержденное назначение и состав некоторых жировых продуктов, имеющихся в продаже в Швеции, может служить примером. В течение многих лет имелось лишь незначительное количество признанных типов кулинарных жиров – например, масло, маргарин, лярд и кокосовое масло. Масло и маргарин – это два продукта, на которых сосредоточено основное внимание. Оба продукта используются для непосредственного употребления в пищу (намазанными на хлеб), а также в кулинарии и хлебопекарном производстве. Недостаток в том, что при традиционном приготовлении их нельзя легко намазывать при обычной температуре хранения в холодильнике (5°С). Это привело к разработке в шестидесятые и семидесятые годы многочисленных более легко намазываемых запатентованных продуктов, включая жировые смеси с низким содержанием жиров (40%), называемых также минаринами, и в более позднее время продуктов с пониженным содержанием жиров (60%), называемых мелларинами. Масло Масло обычно подразделяют на две категории: • Сладко-сливочное масло • Кисло-сливочное масло, приготовленное из сквашенных с помощью закваски сливок. Масло можно также классифицировать в соответствии с содержанием соли: несоленое, соленое и очень соленое. До начала ХIX века масло еще изготавливали из сливок, которые должны были сквашиваться естественным образом. Затем сливки снимали с верхней части молока и сливали в деревянную кадку. Масло изготавливали вручную в маслобойках. Процесс естественного сквашивания может пойти в нежелательном направлении при попадании посторонних микроорганизмов в сливки. По мере накопления знаний об охлаждении сливки стали снимать перед их сквашиванием и готовить масло из свежих сливок. Постепенно улучшались методы, Технология производства молочных продуктов/глава 12 265 применяемые в маслоделии, а также качество продукта и экономический выход. В конечном итоге оказалось, что свежие сливки можно сквашивать путем добавления естественным образом сквашенных сливок или кислой пахты. Затем появилась возможность осуществлять созревание сливочного масла при более контролируемых условиях. Изобретение сепаратора (1878 г.) означало, что сливки из молока можно получать быстро и эффективно. Это также послужило началом укрупнения масштабов производства масла. Вклад в повышение качества продукта и экономию при маслоделии был сделан введением в 1890-е годы пастеризации, а также внедрением на рубеже веков маслодельной машины. Современное промышленное производство масла является результатом применения знаний и опыта, полученных за многие годы изучения таких предметов, как санитария производства, бактериальное сквашивание и тепловая обработка, а также быстрого технического прогресса, предоставившего современное передовое оборудование молочным заводам. Сладко-сливочное и кисло-сливочное масло Рис. 12.1 Традиционная ручная маслобойка, использовавшаяся раньше для домашнего приготовления масла. Изменения состава масла обусловлены особенностями производства его отдельных видов. Как видно из таблицы 12.3, масло содержит 80% жира и 16–18% влаги, последний показатель зависит от массовой доли соли. В масле также содержатся витамины A и D. Цвет масла меняется в зависимости от содержания каротеноидов, которые составляют от 11 до 50% общего состава активности витамина А в молоке. Так как содержание каротеноидов в молоке обычно меняется осенью и весной, цвет масла, произведенного в зимний период, более светлый. (В этом контексте можно упомянуть, что масло, приготовленное из сливок молока буйволицы, белого цвета, так как молоко буйловиц не содержит каротеноидов.) Масло должно быть плотным и иметь свежий вкус. Содержащаяся влага должна быть диспергирована в виде мелких капель так, чтобы масло выглядело сухим. Масло должно быть однородной консистенции, чтобы его легко было намазывать и чтобы оно быстро таяло во рту. Аромат кисло-сливочного масла объясняется присутствием диацетика, сладкосливочное масло имеет вкус свежих сливок, допускается наличие привкуса "кипячености". Масло, изготовленное из сквашенных сливок, имеет некоторые преимущества перед маслом, приготовленным из свежих сливок. Аромат богаче, выход масла выше, и после тепловой обработки имеется меньший риск возникновения вторичного бактериального обсеменения, так как заквасочные культуры подавляют посторонние микроорганизмы. Кисло-сливочное масло имеет также свои недостатки. Пахта будет подкислена. Пахта, полученная при производстве кисло-сливочного масла, имеет гораздо меньшее значение рН, чем пахта от сладко-сливочного масла, что иногда приводит к более трудному ее удалению по сравнению со сладкой пахтой. Другим недостатком кисло-сливочного масла является частое возникновение пороков в результате процесса окисления, что придает продукту металлический привкус. Эта тенденция усиливается, если присутствуют малейшие следы меди или другого тяжелого металла, при этом значительно изменяются свойства масла. Маслоделие Производство масла можно осуществлять в маслоизготовителях периодического или непрерывного действия. 266 Первоначально масло на фермах изготовляли для домашнего использования. Затем стали использовать ручную маслобойку, показанную на рис. 12.1. После сбивания и удаления пахты зерна масла собирали в мелкое корыто и вырабатывали вручную до достижения приемлемой сухости и структуры. Процессы крупномасштабного производства масла включают в себя большое число этапов. На рис. 12.2 схематически показано периодическое производство масла в маслобойках и непрерывное производство в маслоизготовителях. Маслобойки еще используются, но они быстро заменяются машинами для непрерывного производства масла. Сливки получают как побочный продукт при производстве цельномолочной продукции или целенаправленно сепарированием цельного молока на маслозаводе. В первом случае сливки должны быть пастеризованы поставщиком. Хранение и поставка на маслодельный завод должны осуществляться таким образом, чтобы не происходило вторичного Технология производства молочных продуктов/глава 12 2 4 3 1 5 8 9 7 13 11 12 13 6 10 Молоко Обезжиренное молоко Сливки Масло бактериального обсеменения, аэрации или вспенивания сливок. После процедур приемки, взвешивания и анализа сливки хранятся в танках. Если сливки производятся на маслодельном заводе, перед сепарацией цельное молоко предварительно нагревают в пастеризаторе до 63°С. Перед подачей на пастеризационную установку теплые сливки направляют в танк для промежуточного хранения. Описание процесса мягкой обработки сливок см. в главе 8 “Метод Скания”. Перед перекачиванием на хранение обезжиренное молоко, поступающее из сепаратора, пастеризуют и охлаждают. В случае производства кисло-сливочного масла часть обезжиренного молока следует использовать для приготовления закваски. Из танка (танков) для промежуточного хранения сливки поступают на пастеризацию при температуре 95°С или выше. Высокая температура необходима для разрушения ферментов и микроорганизмов, которые могут ухудшать качество, снижать сохраняемость масла. Уничтожение нежелательных микроорганизмов также необходимо в случае производства кисло-сливочного масла, так как при этом создаются превосходные условия для развития всех присутствующих микроорганизмов. Тепловая обработка позволяет избавиться от сильных антиокислительных сульфгидрильных соединений, которые дополнительно снижают риск окисления. В производственную линию можно также включить вакуумную деаэрацию, если сливки имеют нежелательный привкус или запах – Технология производства молочных продуктов/глава 12 Пахта Закваска Хладагент Теплоноситель Модуль по выбору Рис. 12.2 Основные этапы производства кислосливочного масла периодическим и непрерывным способами. 1 Приемка молока 2 Предварительный нагрев и пастеризация обезжиренного молока 3 Сепарирование 4 Пастеризация сливок 5 Вакуумная деаэрация в случае ее использования 6 Приготовление закваски в случае ее использования 7 Созревание и сквашивание сливок в случае их использования 8 Тепловая обработка 9 Сбивание/выработка масла, периодический процесс 10 Сбивание/выработка масла, непрерывный процесс 11 Сбор пахты 12 Бункер для масла со шнековым конвейером 13 Фасовочные автоматы Вакуумная деаэрация рекомендуется в случае, когда сливки имеют очень сильные пороки вкуса или запаха – например, запах лука. Вакуумная обработка может оказать нежелательное воздействие на выход и консистенцию масла. 267 например, запах лука. Все ароматические соединения будут связаны с жирами, и если их не удалить, повлияют на органолептические свойства масла. Вакуумная обработка перед пастеризацией включает в себя предварительный нагрев сливок до нужной температуры, а затем мгновенное охлаждение, в результате высвобождаются все захваченные газы и летучие вещества. После этого сливки возвращаются в пастеризатор для дальнейшей обработки – нагрева, выдержки и охлаждения – перед подачей в танк для вызревания. В танке для вызревания с рекомендованным максимальным объемом 30 000 л сливки подвергают обработке по температурной программе, которая придает жиру требуемую кристаллическую структуру при отвердевании во время процесса производства. Программу выбирают в соответствии с такими факторами, как состав жировой фракции масла, выраженный, например, йодным числом, указывающим содержание ненасыщенных жирных кислот. Обработку можно также модифицировать в зависимости от йодного числа с целью производства качественного масла с хорошей консистенцией – например, когда доля ненасыщенных жирных кислот низкая (низкое йодное число). Созревание обычно занимает 12–15 часов. Когда это возможно, вырабатывающие кислоту заквасочные культуры добавляют перед термообработкой. Количество добавляемой закваски зависит от выбранной температурной программы с учетом йодного числа – см. таблицу 12.4. Из танка для созревания сливки подают насосом на маслоизготовитель непрерывного действия или в маслобойку; иногда желательно прохождение сливок через пластинчатый теплообменник для сообщения сливкам требуемой температуры. В процессе сбивания масла сливки активно перемешивают, чтобы разбить шарики жира, что приводит к коалесценции жира в зерна масла. Содержание масла в оставшейся жидкости – пахте – снижается. Сливки разделяют на две фракции: зерна масла и пахту. При сбивании масла традиционным способом машина останавливается, когда зерна достигают определенного размера, а затем сливают пахту. В машинах с непрерывным процессом маслоделия отвод пахты является непрерывным процессом. После отвода пахты масло вырабатывают до фазы сплошного жира с фазой тонко диспергированной воды. Общепринятой практикой было промывание масла после сбивания водой для удаления остатков пахты и сухих веществ молока, но в настоящее время это делают редко. При производстве соленого масла партиями соль рассыпают по его поверхности или – при непрерывном производстве – добавляют во взвесь в процессе выработки. После посола обработку масла необходимо продолжить, чтобы обеспечить равномерное распределение соли. Обработка масла также влияет на характеристики, по которым оценивают продукт – аромат, вкус, стойкость, внешний вид и цвет. Готовое масло выгружают на блок упаковки, а оттуда – на хранение в холодильник. Сырье Сливки, содержащие антибиотики или дезинфицирующие средства, непригодны для производства кислосливочного масла. 268 Сливки должны быть хорошего бактериологического качества, без посторонних привкусов и запахов. Йодное число является решающим фактором при выборе параметров производства. Если это значение не было корректировано, то наличие жира с высоким йодным числом приведет к получению перебитого масла. Масло приемлемой консистенции можно получить и из твердого жира (низкое йодное число – не выше 28) и мягкого жира (йодное число до 42), меняя в соответствии с йодным числом обработку при созревании. Сливки, содержащие антибиотики или дезинфицирующие средства, непригодны для производства кисло-сливочного масла. Сливки, в которых посторонние микроорганизмы имели возможность развиться, нельзя использовать в производстве даже после тепловой обработки, вызывающей гибель микроорганизмов. Поэтому соблюдение санитарных правил является неотъемлемой частью всех этапов производственного процесса. В странах, где доставка сырого молока производится при низких температурах его хранения, возникает проблема изменения состава микрофлоры. Доминирующее положение кисломолочных бактерий сменяется психротрофными микроорганизмами, устойчивыми к низким температурам. Они обычно уничтожаются при пастеризации и, следовательно, не влияют на качество масла. Однако некоторые штаммы психротрофных бактерий вырабатывают липолитические ферменты, расщепляющие молочный жир, которые могут выдержать температуру до 100°С. Следовательно, крайне важно предотвратить развитие психротрофных бактерий. Одним из решений этой проблемы является охлаждение сырья до 2–4°С сразу по прибытии на молочный завод и его хранение при этой температуре до пастеризации, можно также, и это даже лучше, произвести термизацию молока при температуре 63–65°С в течение 15 секунд и охладить его до 2–4°С. Пастеризацию следует проводить как можно быстрее, не более чем через 24 часа после получения молока. Технология производства молочных продуктов/глава 12 Пастеризация Сливки пастеризуют при высокой температуре, обычно 95°С или выше, и, как правило, без выдержки. Тепловая обработка должна обеспечивать разрушение пероксидазы, что контролируется соответствующим анализом. Эта жесткая обработка убивает не только патогенные бактерии, но также другие микроорганизмы и ферменты, которые могут снижать качество. Тепловая обработка не должна быть столь интенсивной, чтобы вызвать появление недостатков – например, запаха перепастеризованных сливок. Вакуумная деаэрация При необходимости любые нежелательные летучие вещества, влияющие на запах, можно удалить с помощью вакуумной обработки. Сначала сливки нагревают до 78°С, а затем подают в вакуумную камеру, давление в которой вызывает кипение при температуре 62°С. Понижение давления приводит к выделению летучих соединений в виде газа при мгновенном охлаждении сливок. После этой обработки сливки возвращают в теплообменник для пастеризации и охлаждения, а затем направляют в танк для созревания. Несвойственный продукту запах лука является часто встречающимся пороком сырья летом, когда в полях растут различные луковичные растения. Иногда во избежание сильных посторонних запахов необходима сортировка сливок. Бактериальное сквашивание Приготовление заквасок Культуры бактерий для производства кисло-сливочного масла получают, как описано в главе 10, “Заквасочные культуры и их производство”. Добавление кисломолочных бактерий придает маслу сильный аромат. При этом также повышается выход масла. Заквасочные культуры могут быть LD или L типа, что означает, что они содержат ароматизирующие бактерии Str. diacetylactis (Cit+Lactococci) и Leuc. citrovorum (Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris) или только последний тип. В LD культурах доля Str. diacetylactis может меняться от 0,6 до 13%, доля Leuc. citrovorum 0,3 до 5,9% от общего числа бактерий. Долевое соотношение между ароматобразующими бактериями регулируется условиями преобладающего роста. Молочная кислота, диацетил и уксусная кислота являются наиболее важными ароматобразующими веществами, вырабатываемыми бактериями. Производство наиболее важного ароматического вещества для масла, диацетила, зависит от наличия кислорода. Закваски должны быть активными, обеспечивающими быстрый рост бактерий и нарастание кислотности. При этом будет получено большое количество бактерий (приблизительно 1000 миллионов бактерий в 1 мл материнской закваски). Закваска, вносимая в количестве 1%, после сквашивания сырья в течение 7 часов при температуре 20°С вызывает нарастание кислотности до 12°SH и до 18–20°SH через 10 часов. Закваска должна быть сбалансирована. Важно, чтобы образование кислоты и ароматобразующих соединений и последующее снижение количества диацетила находились в правильном соотношении. Обезжиренное молоко используется в основном в качестве субстрата или питательной среды для заквасочных культур, так как в заквасках, выращенных на обезжиренном молоке, легче обнаружить недостаток. Молоко необходимо пастеризовать при температуре 90–95°С в течение 15–30 минут. Развитие процесса образования кислоты и ароматобразующих соединений в культурах LD показано на рис. 12.3. На первом этапе роста характерно медленное производство кислоты. На этом этапе сбраживание лимонной кислоты и выход диацетила относительно + Сокращенное обозначение цитрата, который преобразуется до соединений, формирующих вкус и аромат продукта. ssp – биологический вид (новое название микроорганизмов – см. также Таблицу 10.1 в главе 10) Технология производства молочных продуктов/глава 12 Тепловая обработка должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить отрицательный результат пробы на пероксидазу, но не столь интенсивной, чтобы не вызвать появление таких дефектов, как привкус перепастеризованных сливок. Рис. 12.3 Образование ароматических соединений в обезжиренном молоке при температуре 20°С и дозе внесенной LD культуры 1%. 269 незначительны. Производство кислоты быстро ускоряется на следующем этапе, так как сбраживание лимонной кислоты приводит к образованию диацетила. Большая часть диацетила восстанавливается до соединений, которые не обладают ароматом под воздействием некоторых микроорганизмов. Когда производство кислоты замедляется, снижение диацетила уменьшается, и его содержание более или менее стабилизируется. По окончании фазы нарастания кислотности закваска входит в фазу формирования сгустка. Характеристики этой фазы включают в себя очень медленное нарастание кислотности и восстановление диацетила до безвкусных веществ с помощью ароматобразующих бактерий. Сквашивание сливок Количество производственной закваски, вносимой в сливки, меняется в основном от 1 до 7% в зависимости от температуры сквашивания. Сквашивание сливок и термообработка, которая приводит к образованию кристаллической структуры жира, необходимой для оптимальной консистенции масла, проводятся в танках для сквашивания. Обычно это танки с изолированными стенками из нержавеющей стали и охлаждающей или подогревающей средой, циркулирующей между стенками. Они оборудованы шнековыми мешалками обратимого действия, которые обеспечивают эффективное перемешивание, даже когда сливки коагулировали. И нагрев, и охлаждение происходят очень медленно, со сглаженной температурной характеристикой, которая предпочтительна с точки зрения получения требуемой консистенции. Перед перекачиванием в танк для сквашивания производственная закваска должна быть хорошо перемешана. Часто закваску вводят в танк до сливок. Некоторые производители, однако, предпочитают добавлять закваску в потоке. В обоих случаях производственную закваску тщательно перемешивают со сливками. Для того чтобы масло приобрело требуемую консистенцию, сливки необходимо подвергнуть термообработке. Программа термообработки зависит от йодного числа сливок. Температура фазы нарастания кислотности также будет определяться этой программой, как и образование сгустка, начинающееся в то же время. Можно изменить температурную программу, определяющую консистенцию, так, чтобы она соответствовала заквасочной культуре. Количество производственной закваски, вносимой в сливки, должно определяться на основании температурной программы для обработки, как показано в таблице 12.4, соответствовать температурам, а также длительности обеих фаз. Доза производственной закваски может составлять от 1 до 7% от количества сливок. Нижнее значение относится к температуре 21°С, при которой осуществляется промежуточное хранение сливок с высоким содержанием твердого жира (низкое йодное число); самое высокое значение – для сливок с высоким содержанием мягкого жира, которые хранятся при температуре 15–16°С. Процесс сквашивания должен быть завершен с окончанием термообработки, а затем сливки поступают на сбивание. Кислотность нежирной части сливок должна составлять приблизительно 36°SH. Термообработка Перед сбиванием сливки проходят программу термообработки, которая позволяет контролировать кристаллизацию жира так, чтобы масло имело нужную консистенцию. Консистенция масла является одной из наиболее важных характеристик качества, и прямым и косвенным образом, так как она влияет на другие характеристики – главным образом, вкус и аромат. Консистенция представляет собой сложное понятие, включающее в себя такие свойства, как твердость, вязкость, пластичность и способность к намазыванию. Жирные кислоты молочного жира были описаны в главе 2 “Химия молока”. Относительное количество жирных кислот с высокой температурой плавления определяет, будет ли жир твердым или мягким. Мягкий жир имеет высокое содержание жирных кислот с низкой температурой плавления, и при комнатной температуре преобладает большая фаза жидкого жира, т. е. отношение жидкого к твердому жиру велико. С другой стороны, в твердом жире отношение жидкого жира к твердому низкое. В маслоделии, если сливки всегда подвергаются одной и той же термообработке, консистенцию масла будет определять химический состав молочного жира. Мягкий молочный жир даст в результате мягкое перебитое масло, в то время как масло из твердого молочного жира будет твердым и неэластичным. Консистенцию масла можно оптимизировать, если изменить термообработку в соответствии с йодным числом жира. Термообработка до некоторой степени регулирует количество твердого жира – это основной фактор, определяющий консистенцию масла. 270 Технология производства молочных продуктов/глава 12 Кристаллизация жировой фракции масла После пастеризации жир в жировых шариках находится в жидкой форме. Когда сливки охлаждают до температуры ниже 40°С, жир начинает кристаллизоваться. Если охлаждение постепенное, различные жиры будут кристаллизоваться постепенно, в зависимости от их температуры плавления. Это было бы преимуществом, так как этот тип охлаждения должен приводить к минимальному содержанию твердого жира – затем можно было бы приготовить мягкое масло из сливок, содержащих твердый молочный жир с низкими значениями йодного числа. Ход кристаллизации 40%-ных сливок описан в главе 8 “Производство сливок”. Образование кристаллов во время постепенного охлаждения является очень медленным, и процесс кристаллизации мог занять несколько дней, что опасно с точки зрения развития микроорганизмов, активно развивающихся при этих температурах. Это было бы непрактично также и по экономическим соображениям. Методом ускорения процесса кристаллизации является резкое охлаждение сливок до низкой температуры, когда образование кристаллов происходит очень быстро. Недостатком этого метода является то, что триглицериды с низкой точкой плавления оказываются “захваченными” в те же самые кристаллы, что приводят к образованию смешанных кристаллов. Если не принимать меры, то будет кристаллизована большая доля жира. Отношение жидкого к твердому жиру будет низким, и масло, изготовленное из этих сливок, будет твердым. Этого можно избежать, если сливки осторожно нагреть до высокой температуры, для того чтобы выплавить триглицериды с низкой температурой плавления из кристаллов. Расплавленный жир затем кристаллизуется повторно при несколько более низкой температуре, что приводит к более высокой доле “чистых” кристаллов и низкой доле смешанных кристаллов. Следовательно, будет получено более высокое отношение жидкой фазы к твердой и, таким образом, более мягкий жир. Очевидно, что количество смешанных кристаллов и, значит, отношение жидкого жира к твердому можно контролировать до некоторой степени, выбрав определенную температуру нагрева, при которой кристаллы жира расплавляются после охлаждения и кристаллизации, а также температуры повторной кристаллизации. Эти температуры выбирают в соответствии с твердостью (йодным числом) жира. Существует несколько методов для измерения отношения жидкого жира к твердому в образце. Тестирование с помощью импульсного спектрометра ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является очень быстрым и точным методом. Этот метод основан на том факте, что фотоны (ядра водорода) в жире имеют различные магнитные свойства в соответствии с тем, находится ли жир в жидком или твердом состоянии. В таблице 12.4 приведены примеры программ для различных значений йодного числа. Первая температура – та, до которой сливки охлаждают после пастеризации, второе значение для нагревания/сквашивания, и третье значение для созревания. Быстрое охлаждение сливок до низкой температуры ускоряет процесс кристаллизации. Термообработка твердого жира Для оптимальной консистенции при низком йодном числе, т. е. когда жировая фракция жира является твердой, количество смешанных кристаллов должно быть минимизировано, а количество “чистого” жира должно быть максимальным для повышения отношения жидкого к твердому жиру в сливках. Фаза жидкого жира в жировых шариках затем станет максимальной, и большая ее часть может быть выдавлена во время сбивания и выработки масла, что приводит к получению масла с повышенным содержанием сплошной фазы жидкого жира и минимальной твердой фазой. Обработка, необходимая для достижения этого результата, включает в себя: • Быстрое охлаждение приблизительно до 8°С и выдержку при этой температуре в течение 2 часов • Мягкий нагрев до 20–21°С и выдержку при этой температуре в течение не менее 2 часов. Для нагрева используется вода с температурой не более 27°С • Охлаждение приблизительно до 16°С, а затем до температуры сбивания. Охлаждение приблизительно до температуры 8°С приводит к началу образования смешанных кристаллов, которые связывают жир из сплошной жидкой фазы. Когда сливки постепенно нагревают до температуры 20–21°С, большая часть смешанных кристаллов расплавляется, остаются только "чистые" кристаллы жира с высокой температурой плавления. Во время периода хранения при температуре 20–21°С расплавленные кристаллы жира начинают повторно кристаллизоваться, образуя теперь "чистые" кристаллы. Через 1–2 часа жир с более высокой температурой плавления начинает кристаллизоваться повторно. Когда температура снижена приблизительно до 16°С, расплавленный жир продолжает кристаллизоваться и образовывать "чистые" кристаллы. Во время периода выдержки при 16°С весь жир с точкой плавления 16°С и выше будет кристаллизоваться. Обработка вызывает образование "чистых" кристаллов жира с высокой точкой плавления и, таким образом, снижает количество Технология производства молочных продуктов/глава 12 271 Таблица 12.4 Основные температурные программы, соответствующие определенному значению йодного числа, и рекомендованные объемы закваски (в случае ее использования) Йодное число <28 28 – 29 30 – 31 32 – 24 35 – 37 38 – 39 >40 Температурная программа, °С Приблизительная доза закваски, % 8 – 21 – 20 8 – 21 – 16 8 – 20 – 13 6 – 19 – 12 6 – 17 – 11 6 – 15 – 10 20 – 8 – 11 1 2–3 5 5 6 7 5 смешанных кристаллов. При этом отношение жидкого жира к твердому возрастает, и, следовательно, изготовленное из этих сливок масло будет мягче. Термообработка жира средней твердости При увеличении йодного числа постепенный нагрев прекращается при более низкой температуре. Будет образовываться большее число смешанных кристаллов, поглощающих больше жидкого жира, чем в случае программы для твердого жира. Для значений йодного числа до 39 температура нагрева может быть достаточно низкой 15°С. Время сквашивания при более низких температурах увеличивается. Термообработка очень мягкого жира “Летний” метод обработки используется в случае, если йодное число выше 39–40. После пастеризации сливки охлаждают до температуры 20°С, после чего их сквашивают при этой температуре в течение 5 часов. После того как кислотность достигла 22°SH, сливки охлаждают. Их охлаждают приблизительно до 8°С, если йодное число равно примерно 39–40, и до 6°С, если оно составляет 41 и выше. Обычно считается, что температура сквашивания ниже 20°С приведет к получению мягкого масла. То же самое относится к более высоким температурам охлаждения после сквашивания. Сбивание Периодическое производство Масло сбивают после термообработки и сквашивания (когда оно применяется). Традиционно масло изготовляют в цилиндрических, конических, кубических или тетраэдральных маслобойках с регулируемой скоростью. Внутри маслобойки установлены аксиальные полоски и лопасти. Форма, устройство и размер била вместе со скоростью работы маслобойки являются факторами, которые сильно влияют на конечный продукт. Современные маслобойки имеют диапазон скоростей, который позволяет выбрать наиболее подходящую скорость работы для получения требуемых параметров масла. За последние годы размеры маслобоек значительно выросли. На крупных централизованных маслодельных заводах используют маслобойки мощностью 8000–12 000 литров. Перед подачей на маслобойку сливки перемешивают и регулируют температуру. Обычно маслобойка заполняется на 40–50%, чтобы обеспечить место для пенообразования. Получение масла Шарики жира в сливках содержат и кристаллизованный жир, и жидкий жир (жидкая жировая фракция масла). Кристаллы жира до некоторой степени структурированы таким образом, что они образуют оболочку, хотя и слабую, как можно ближе к мембране жирового шарика. При перемешивании сливок образуется пена из больших пузырей, состоящих преимущественно из белка. Будучи поверхностно-активными, мембраны шариков жира притягиваются к поверхности раздела сред воздух/вода, и жировые шарики концентрируются в пене. 272 Технология производства молочных продуктов/глава 12 По мере продолжения перемешивания содержание воды в пузырьках снижается, размеры пузырьков уменьшаются, пена становится компактнее и, как следствие, давление на жировые шарики увеличивается. Это приводит к тому, что некоторая часть жидкого жира выдавливается из шариков жира, а некоторые мембраны разрываются. Жидкий жир, который также содержит кристаллы жира, 3 покрывает тонким слоем поверхности пузырьков и жировых шариков, по мере того как пузырьки уплотняются, жидкий жир выдавливается; пена становится настолько нестабильной, что разрушается. Жировые шарики сгущаются, образуют масляные зерна. Первые зерна невидимы глазом, но они быстро увеличиваются по мере продолжения выработки. 2 1 Выход при сбивании Выход при сбивании является мерой того, сколько жира в сливках было преобразовано в масло. Его выражают в виде процентной доли жира, оставшегося в пахте, по отношению ко всему жиру в сливках. Например, выход сбивания 0,50 означает, что 0,5% сливочного жира осталось в пахте и что 99,5% перешло в масло. Выход при сбивании считается приемлемым, если величина меньше 0,70. Из графика, показанного на рис. 12.5, видно, как может меняться выход при сбивании в течение года. Самое высокое содержание жира в пахте наблюдается летом. Выработка масла Выработку масла проводят после удаления пахты. Зерна масла сжимают и сдавливают для удаления влаги, содержащейся между ними. Шарики жира подвергают воздействию высокого давления, и жидкий жир и кристаллы жира выдавливаются. В оставшейся массе жира (в конечном итоге непрерывная фаза) во время выработки влага становится мелко диспергированной, при этом выработка продолжается до тех пор, пока не будет получено требуемое содержание влаги. Готовое масло должно быть сухим, т. е. водная фаза должна быть очень тонко диспергирована. Капельки воды не должны быть видимы невооруженным глазом. Во время выработки содержание влаги следует регулярно проверять, чтобы оно соответствовало требованиям, предъявляемым к готовому маслу. Рис. 12.4 Маслоизготовитель периодического действия. 1 Пульт управления 2 Аварийный останов 3 Изогнутые под углом щитковые отражатели Вакуумная выработка Часто используемым методом является вакуумная выработка при пониженном давлении воздуха. В результате получают масло, которое содержит меньше воздуха, и, следовательно, несколько тверже обычного. В масле после вакуумной выработки содержание воздуха составляет приблизительно 1% объема по сравнению с 5–7% для обычного масла. Рис. 12.5 Изменение выхода при сбивании в течение года (Швеция). Непрерывное производство Методы непрерывного производства масла были введены в практику в конце ХIХ столетия, но их применение было весьма ограниченным. Работа возобновилась в 1940-е годы, в результате чего были разработаны три различные технологии, которые основаны на традиционных методах: сбивании, центрифугировании и концентрации или эмульгации. Одним из этих процессов, основанных на обычном сбивании, был метод Фритца (Fritz). В настоящее время он преобладает в Западной Европе. В машинах, разработанных на этом методе, масло вырабатывается более или менее так же, как и при традиционном методе. Масло в основном то же, впрочем оно в некоторой степени матовое и плотное в результате однородного и мелкого диспергирования влаги. Процесс производства Сливки готовят тем же способом, что и для обычного сбивания, после чего непрерывно подают их из баков для созревания в маслоизготовитель. Технология производства молочных продуктов/глава 12 273 Сливки 1 2 3 4 Масло Пахта Рис. 12.6 Маслопроизводитель непрерывного действия. 1 Барабан для сбивания 2 Секция сепарации 3 Секция сдавливания-сушки 4 Вторая секция выработки На рис. 12.6 и 12.7 показан вид маслоизготовителя в разрезе. Сначала сливки поступают в барабан для сбивания с двойным охлаждением (1), снабженный лопастями, приводимыми в действие электродвигателем с переменной скоростью. В барабане происходит быстрое преобразование, и когда оно завершается, зерна масла и пахта проходят в секцию сепарации (2), называемую также первой секцией выработки, где масло отделяется от пахты. При продвижении происходит первое промывание зерен масла охлажденной повторно циркулирующей пахтой. Секция сепарации снабжена шнековым конвейером, начинающим выработку масла во время подачи его на следующий этап. По мере выхода из секции сепарации масло проходит через конический канал и перфорированную пластину, секцию выжимки-сушки (3), где удаляется вся оставшаяся пахта. Затем зерна масла поступают в следующую секцию выработки (4). Каждая из секций выработки снабжена своим собственным электродвигателем, так что для получения оптимальных результатов они могут функционировать при различных скоростях. Обычно первый шнек вращается со скоростью, в два раза превышающей скорость шнека второй секции. После последнего этапа выработки в инжекционной камере (5) с помощью инжектора, работающего под высоким давлением, можно добавить соль. Следующая секция, секция вакуумной обработки (6), присоединена к вакуумному насосу. В этой секции можно снизить содержание воздуха в масле до того же уровня, что и у масла, сбиваемого традиционным способом. Заключительная секция выработки (7) подразделяется на четыре небольшие секции, каждая из которых отделена от прилегающей секции перфорированной пластиной. Для оптимизации обработки масла используются пластина с отверстиями разного размера и крыльчатки различной формы. В первой из этих трех малых секций имеется инжектор для окончательной регулировки содержания влаги в масле. После регулировки содержание влаги в масле может изменяться не более чем на ~0,1%, обеспечивая сохранение тех же самых характеристик масла. 8 7 6 5 Рис. 12.7 Секция вакуумной выработки. 5 Секция инжекции 6 Секция вакуумной обработки 7 Этап заключительной выработки 8 Блок регулировки содержания влаги 274 Технология производства молочных продуктов/глава 12 К отверстию на выходе машины можно присоединить датчики (8) содержания влаги, содержания соли, плотности и температуры. Сигналы от перечисленных устройств можно использовать для автоматического контроля этих параметров. Готовое масло выгружается из концевой насадки непрерывно в контейнер для масла, чтобы в дальнейшем отправить его на упаковочные машины. Имеются машины для непрерывного производства масла производительностью 200–5000 кг масла в час из сквашенных сливок и 200–10 000 кг масла в час из сладких сливок. Новые тенденции и возможности использования продуктов на основе желтого жира Еще на рубеже веков общепринятая модель потребления пищевого жира сдвинулась от масла к маргарину. В 80-е годы также четко обозначилась тенденция употребления продуктов со сниженным или низким содержанием жиров. Эти изменения в привычках потребителя можно объяснить возросшим потреблением готовых продуктов и усилением самосознания в отношении оздоровления. В конце 70-х на рынке появились некоторые новые продукты на основе желтого жира. Общим преимуществом, на которое они претендовали, было то, что их легко было намазывать при температуре хранения в холодильнике, в то время как некоторые из них были специально разработаны для удовлетворения возрастающей потребности в продуктах с низким содержанием жиров без потери вкуса масла. Двумя примерами из Швеции, где они в настоящее время прочно обосновались на рынке, являются Бреготт (Bregott) и Лятт и Лагом (LКtt & Lagom). Имеется четкая тенденция потребления продуктов со сниженным и низким содержанием жиров. Бреготт Бреготт – это паста с массовой долей жира 80%, из которых 70–80% – молочного жира и 20–30% – жидкого растительного масла, например, как соевое или рапсовое. Метод производства такой же, как для масла. Так как Бреготт содержит растительное масло, его относят по классификации к маргарину. Бреготт также можно использовать в кулинарии. Лятт и Лагом Лятт и Лагом обычно в Швеции определяют как “мягкий” маргарин (стандарт IDF предполагает это обозначение или другое: “паста с низким содержанием жиров”) – это означает, что содержание жира должно составлять от 39 до 41 грамма на 100 граммов продукта. Этот тип пасты также называют минарином. Продукт предназначен для использования исключительно в качестве пасты. Его нельзя использовать в кулинарии или хлебопечении и, определенно, для жарки с учетом высокого содержания в нем белков. Процесс производства по существу аналогичен производству маргарина. Молочный жир – или, строго говоря, обезвоженный молочный жир (ОМЖ) – и соевое или рапсовое масло смешивают в пропорции, определяемой требованиями к продукту: хорошим намазыванием при температуре хранения в холодильнике. После смешивания добавляют соответствующее количество водной фазы, также содержащей белок, полученный из обычной сквашенной пахты. Всю смесь пастеризуют в пластинчатом теплообменнике, а затем подвергают заключительному охлаждению во время выработки в специальных шнековых охладителях и роторах с лопастями. Присутствие ОМЖ и белка пахты придает продукту аромат масла. Новым методом изготовления этих продуктов, а также масла является метод обработки TetraBlend. Обработка TetraBlend TM Этот метод обработки представляет собой сочетание двух хорошо известных этапов обработки: концентрирование сливок и кристаллизацию в сочетании с инверсией фазы. Сливки обычно концентрируют до содержания жира 75–82% в герметичном сепараторе, где тяжелой фазой является обезжиренное молоко, называемое в данном случае также Технология производства молочных продуктов/глава 12 275 Блок производства маргарина Молочный блок 6 7 5 1 9 10 8 4 2 11 3 M M M M M M M M M Сливки, 35–40% Сливки, ≈ 80% Пахта Растительное масло Рис. 12.8 Производственная линия TetraBlend для получения масла и молочных паст. Молочный блок 1 Танк для сливок 2 Пластинчатый теплообменник 3 Сепаратор для высокожирных сливок 4 Нормализация сливок 5 Танки для предварительной кристаллизации Маргариновый блок 6 Дозатор соли, опция 7 Танки для растительного масла 8 Дозатор ароматизаторов 9 Перемешивание 10 Танк для промежуточного хранения 11 Насос высокого давления 12 Шнековый охладитель 13 Роторы с лопастями 14 Контейнер со шнековым конвейером внизу Ароматизатор Соль Теплоноситель Хладагент Опция 13 14 M 12 пахтой, которое содержит меньше жира, чем пахта, полученная при традиционном способе обработки масла. Во многих случаях обезжиренное молоко имеет более высокую ценность как побочный продукт, чем пахта. Для производства молочных паст с содержанием жира от 40 до 60% концентрированные сливки с содержанием жира приблизительно 75–80% перед обработкой разбавляют водой, что дает более низкое содержание белков и лактозы. Когда обрабатывают сливки с тем же самым содержанием жира, что и у конечного продукта, более высокое содержание белков и лактозы портит вкус пасты. Дополнительным преимуществом использования высокожирных сливок в качестве основы для продуктов с низким содержанием жиров является то, что не требуется дополнительного эмульгатора, так как в сливках присутствуют естественные эмульгаторы молока. Производственная линия Производственная линия сконструирована вокруг двух блоков: 1 Типовой “молочный” блок с концентрированием сливок, пастеризацией и охлаждением 2 Типовой “маргариновый” блок с приготовлением смеси и инверсией фазы, сопровождаемыми выработкой и охлаждением. Производственная линия показана на рис. 12.8. Молочный блок (рис. 12.8) Технологический процесс начинается с пастеризованных сливок с содержанием жира от 35 до 40%. Так как сливки могут поступить с другого маслодельного завода или локального танка для хранения сливок, их температура должна быть повышена до 60–70°С перед тем, как они попадут в сепаратор для высокожирных сливок – герметичную центробежную машину. Степень концентрирования, т. е. содержание жира в сливках, контролируется автоматически устройством для нормализации в потоке, описанным в главе 6.2. Может быть достигнуто 276 Технология производства молочных продуктов/глава 12 содержание жира до 82% (по специальному требованию до 84%, при этом, однако, повышенный выход жира в обезжиренную фазу более 10%. После нормализации сливки охлаждают до температуры 18–20°С, а затем направляют их в танк для выдержки/предварительной кристаллизации. Маргариновый блок (рис. 12.8) Эта часть производственной линии начинается с устройства дозирования, где готовится смесь продуктов. Различные ингредиенты смешивают вместе в соответствии с рецептурой конкретного продукта. Таким образом, высокожирные сливки смешивают с соответствующими объемами растительного масла, соли и водной фазы, причем в указанном порядке. После тщательного перемешивания смесь перекачивают в танк для промежуточного хранения (10). Затем можно готовить следующую партию. Процесс является непрерывным от промежуточного танка, из которого смесь продукта подается насосом под высоким давлением (11). Затем ее подают в шнековые охладители (12), где происходит инверсия фазы. Перед заключительным охлаждением пасту хранят и обрабатывают на роторах с лопастями (13). После стадии заключительного охлаждения продукт поступает в контейнер для хранения (14), из которого его перекачивают в наполнительную машину, часто в машину для наполнения термоформованных пластмассовых коробочек. Весь технологический процесс управляется компьютером контроля процесса и компьютером контроля рецептуры. Упаковка В основном транспортировка масла или молочной пасты от технологического оборудования на упаковочные машины осуществляется тремя методами: 1 Продукт выгружают в контейнер со шнековым конвейером на дне. Конвейер подает продукт на упаковочную машину 2 Продукт перекачивают непосредственно на упаковочную машину 3 Перенос посредством тележек для выгрузки масла, заполненных продуктом. Часто тележки соединены со шнеком. Возможно также сочетание этих методов. Масло можно упаковывать в объемистые упаковки массой более 5 кг и в пачки от 10 г до 5 кг. В зависимости от типа упаковки используются различные типы машин. Машины обычно полностью автоматизированы. Обе машины – и порционирующую, и упаковочную, можно настроить на разные объемы, например, с 250 г на 500 г или с 10 г на 15 г. Оберточный материал должен быть жиронепроницаемым и непроницаемым для света, ароматобразующих соединений. Он должен быть непроницаемым и для влаги, в противном случае поверхность масла высохнет и внешние слои станут более желтыми, чем остальное масло. Масло обычно заворачивают в алюминиевую фольгу. Пергамент, некогда самый широко распространенный оберточный материал, еще используется, но уже в большой степени заменен алюминиевой фольгой, которая гораздо менее проницаема. Будучи завернутыми, упаковки в виде кружочка или брикета масла поступают на машину для упаковки в картонные коробки, которые затем загружают на поддоны и транспортируют на холодильный склад. На рис. 12.2 показана транспортировка масла со сбивающего оборудования на упаковочные машины. Молочные жировые смеси и пасты упаковывают в основном в термоформованные пластмассовые коробочки, рассчитанные на 250–600 граммов. Хранение при пониженных температурах Для сохранения консистенции и внешнего вида масла молочные жировые смеси и пасты после упаковки следует помещать в холодильник и хранить при температуре 5°С. Экспериментальные методы маслоделия Было сделано много попыток разработать новые способы производства масла, не обладающего нежелательными характеристиками. В одном из этих методов – методе NIZO (Нидерланды) – в качестве сырья используются свежие сливки. После образования масляного зерна удаляется максимально возможное количество пахты. В данную (сладкую) пахту переходит основное количество ионов меди. Затем добавляют Технология производства молочных продуктов/глава 12 277 полученную извне молочную кислоту, а также специальную заквасочную культуру для бактериального сквашивания, в результате которого образуется требуемый аромат. Этот метод характеризуется относительно высоким выходом, и пахта получается сладкой. Масло обладает хорошим вкусом, превосходными качествами для хранения и высоким сопротивлением к окислению. Весьма вероятно, что если испытания, проводимые в настоящее время, оправдают надежды, то в будущем будут внедрены некоторые сходные методы. Однако еще есть некоторые препятствия. Эти методы нельзя использовать в странах, где добавление посторонних веществ (молочная кислота) в молочные продукты запрещено. 278 Технология производства молочных продуктов/глава 12 Обезвоженный молочный жир (полутвердый жир) Обезвоженный молочный жир (ОМЖ), полутвердый жир, является продуктом, состоящим в большей или меньшей степени из чистого молочного жира. Хотя он и считается современным промышленным продуктом, в культуре некоторых стран у него есть древние корни, связанные с традициями. Ги, продукт на основе молочного жира, с большим количеством белка и более выраженным ароматом, чем у ОМЖ, был известен в Индии и странах арабского мира в течение столетий. Продукты на основе молочного жира подразделяются по качеству на три категории, определенные Международным стандартом FIL-IDF 68А:1977: Технология производства молочных продуктов/глава 13 279 • Обезвоженный свежий молочный жир должен содержать не менее 99,8% молочного жира и изготавливаться из свежих сливок или масла. Добавки, например, для нейтрализации свободных жирных кислот не допускаются • Обезвоженный молочный жир должен содержать не менее 99,8% молочного жира, но может изготавливаться из сливок или масла различного времени производства. Разрешено использование щелочи для нейтрализации свободных жирных кислот • Молочный жир должен содержать 99,3% молочного жира. Сырье и технические условия обработки те же, что и для обезвоженного полутвердого молочного жира. В этой главе выражение ОМЖ будет использоваться для всех продуктов, описанных в Международном стандарте FIL-IDF 68А:1977. Характеристики ОМЖ ОМЖ представляет собой превосходную форму для хранения и транспортировки молочного жира, поскольку для него требуется меньше места, чем для масла, которое является традиционной формой хранения сливочного жира. Масло считается свежим продуктом, хотя его обычно хранят при температуре 4°С до 4–6 недель. Если масло хранится в течение более длительного времени, скажем, 10–12 месяцев, обязательна температура хранения максимум –25°С. ОМЖ, обычно упакованный в 200-литровые бочки с инертным газом – азотом (N2), можно хранить в течение нескольких месяцев при температуре 4°С. ОМЖ при температуре выше 36°С переходит в жидкую, а при температуре ниже 16–17°С – в твердую форму. ОМЖ обычно используют в жидкой форме, поскольку его легко перемешивать и дозировать в другие продукты. Таким образом, ОМЖ используется для восстановления различных молочных продуктов, а также при производстве шоколада и мороженого. Рис. 13.1 Основы производства ОМЖ: концентрирование молочного жира, инверсия фазы, концентрирование масла. 280 Технология производства молочных продуктов/глава 13 Спрос на масло снижается, и одной из причин этого является возросшее потребление ОМЖ. Одной из областей, в которой использование ОМЖ будет возрастать, – это "жировые смеси" с различным содержанием жира и смеси сливочного и растительных масел для производства продуктов с различными функциональными свойствами. Потребительские продукты на жировой основе можно получить путем фракционирования ОМЖ. Производство ОМЖ Принципы производства Производство ОМЖ принципиально осуществляется в соответствии с двумя методами: первый – непосредственно из сливок (молока), другой – через производство масла. Эти два способа показаны на блок-схеме на рис. 13.2. Качество ОМЖ зависит от качества сырья, и, следовательно, безразлично, какой метод выбран. Если по какой-либо причине подготовленные для производства сливки и масло оказались недостаточно высокого качества, его можно повысить фильтрованием (промыванием) масла или даже его нейтрализацией перед этапом заключительного выпаривания. Способ выполнения всех этих операций описывается в дальнейшем под заголовком "Рафинирование ОМЖ". I II Производство ОМЖ из сливок На рис. 13.3 показана линия по производству ОМЖ из сливок. Пастеризованные или непастеризованные сливки с содержанием жира 35–40% через балансный Рис. 13.2 Блок-схема процесса производства ОМЖ. бак (1) поступают на установку для производства ОМЖ и направляются через пластинчатый теплообменник (2) для установления нужной температуры или для пастеризации на сепаратор (4) для предварительного концентрирования жира до содержания приблизительно 75%. (Температура при предварительном концентрировании и далее до пластинчатого теплообменника (11) поддерживается на уровне приблизительно 60°С.) "Легкую" фазу собирают в танк для промежуточного хранения (6) в ожидании дальнейшей обработки, в то время как "тяжелую" фазу, обычно называемую пахтой, можно направить через сепаратор (5) для выделения жировой фракции, которая затем будет перемешана с поступающими сливками (3). Обезжиренное молоко поступает обратно в пластинчатый теплообменник (2) для теплообмена и затем в танк для хранения. После промежуточного хранения в танке (6) концентрат сливок подается на гомогенизатор (7) для инверсии фазы, после чего он проходит этап заключительного концентрирования (9). Так как гомогенизатор работает с несколько более высокой производительностью, чем сепаратор на этапе заключительного концентрирования, образовавшийся излишек продукта, не захваченный сепаратором, повторно перекачивается в танк для промежуточного хранения (6). Часть механической энергии, используемой в процессе гомогенизации, преобразуется в тепло; во избежание нарушения температурного режима установки это дополнительное тепло удаляется в охладителе (8). Технология производства молочных продуктов/глава 13 281 1 2 5 4 3 8 12 9 6 10 11 7 13 Рис. 13.3 Линия производства ОМЖ из сливок. 1 Балансный бак 2 Пластинчатый теплообменник для нагрева или пастеризации 3 Балансный бак 4 Сепаратор для предварительного концентрирования Сливки Пахта Теплоноситель Хладагент Испарения 5 Сепаратор (опция) для пахты из предварительного концентратора (4) 6 Танк для промежуточного хранения 7 Гомогенизатор для инверсии фазы 8 Пластинчатый теплообменник для охлаждения 9 Сепаратор для заключительного концентрирования 10 Балансный бак 11 Пластинчатый теплообменник для нагрева/охлаждения 12 Вакуумная камера 13 Танк для хранения Наконец продукт, содержащий 99,5% жира, предварительно нагревают в пластинчатом теплообменнике (11) до 95–98°С и направляют в вакуумную камеру (12) для достижения влажности не более 0,1%, после чего масло охлаждают (11) до температуры 35–40°С – обычной температуры упаковки. Таким образом, ключевыми компонентами установки для получения ОМЖ, работающей на сливках, являются сепараторы для концентрирования жира и гомогенизаторы для инверсии фазы. Производство ОМЖ из масла ОМЖ часто производят из масла, особенно из масла, которое не предполагается использовать в течение приемлемого периода времени. Опытным путем было обнаружено, что имеется некоторая трудность в получении абсолютно светлого жидкого жира после этапа заключительного концентрирования, когда исходным материалом является свежеприготовленное масло; жир будет испорчен легким помутнением. Этого не происходит с маслом, которое хранилось две недели или более. Причина этого явления до конца непонятна, но известно, что требуется некоторое время (недели) после сбивания перед полным формированием "тела" масла. Также было отмечено: при нагревании образцов разделить составные части эмульсии свежего масла намного труднее, чем выдержанного, и что оно также не выглядит таким светлым. Обычно в качестве сырья используют свежие сливки, несоленое масло, но можно использовать и сквашенные сливки или соленое масло. На рис. 13.4 показана стандартная установка для производства ОМЖ из масла. Масло на установку подают из ящиков (по 25 кг), в которых оно некоторое время хранилось. Сырьем может также быть замороженное масло, хранящееся при температуре –25°С. 282 Технология производства молочных продуктов/глава 13 После перемешивания в ящиках масло расплавляют путем косвенного нагрева в оборудовании различного типа. Перед началом этапа заключительного концентрирования температура расплавленного масла должна достичь 60°С. Плавление под воздействием прямого нагрева (впрыском пара) приводит, как правило, к формированию нового типа эмульсии с мелкими воздушными пузырьками, образующими дисперсную фазу, которую трудно отделить. При последующем концентрировании данная фаза вместе с жидким жиром вызывает помутнение. После плавления и нагрева горячий продукт перекачивают в танк для выдержки (2), где его можно выдерживать в течение некоторого промежутка времени (20–30 минут), главным образом для обеспечения полного расплавления, а также для агрегирования белков. 1 2 6 5 3 7 4 Рис. 13.4 Линия по производству ОМЖ из масла. Из танка для выдержки продукт перекачивают в концентратор для заключительного концентрирования (3), после которого легкая фаза, содержащая 99,5% жира, поступает в пластинчатый теплообменник (5) для нагрева до 90–95°С, а далее в вакуумный сосуд (6) и, наконец, назад, в пластинчатый теплообменник (5) для охлаждения до температуры упаковки 35–40°С. Тяжелую фазу можно перекачать в танк для пахты или в танк для сбора отходов, в зависимости от того, "чистая" она или содержит нейтрализатор. Если масло поступает непосредственно из маслоизготовителя непрерывного действия, возникает та же опасность получения мутного жира, как и в упомянутом случае производства свежего масла. Однако при герметичной конструкции концентратора на этапе заключительного концентрирования можно регулировать уровень продукта внутри машины, чтобы получить фазу светлого жидкого жира с содержанием жира 99,5% в несколько меньшем объеме и тяжелую фазу с относительно высоким содержанием жира, приблизительно 7% в несколько большем объеме. Тяжелую фазу следует затем сепарировать повторно, и полученные при повторном цикле сливки должны быть перемешаны со сливками, подаваемыми на маслоизготовитель непрерывного действия. 1 Плавитель и нагреватель для масла 2 Танк для выдержки 3 Сепаратор 4 Балансный бак 5 Пластинчатый теплообменник для нагрева/охлаждения 6 Вакуумная камера 7 Танк для хранения Сливки Пахта Теплоноситель Хладагент Испарения Рафинирование ОМЖ ОМЖ можно рафинировать для различных целей. Способы рафинирования: • Фильтрование (промывание) • Нейтрализация • Фракционирование • Снижение уровня холестерина. Технология производства молочных продуктов/глава 13 283 Фильтрование (промывание) Фильтрование включает в себя промывание жидкого жира водой с целью получения чистого, блестящего, прозрачного продукта. На этом этапе в жидкий жир, выходящий из сепаратора заключительного концентрирования, добавляют 20–30% воды. Температура воды должна быть равна температуре жидкого жира. После кратковременной выдержки воду отделяют еще раз, удаляя вместе с ней водорастворимые вещества (в основном белок). Нейтрализация Нейтрализацию проводят для снижения уровня свободных жирных кислот (СЖК), присутствующих в жидком жире. Высокие уровни СЖК вызывают появление посторонних запахов, жидкого жира и продуктов, в производстве которых он используется. Щелочь (NaOH), концентрация которой 8–10%, добавляют в жидкий жир в количестве, соответствующем уровню СЖК. После выдержки приблизительно в течение 10 секунд добавляют воду в той же пропорции, что и при фильтровании, а затем омыленные СЖК сепарируют вместе с водной фазой. Важно, чтобы жидкий жир и щелочь были хорошо перемешаны, но это следует выполнять осторожно во избежание повторной эмульгации жира. Устройство для этапа нейтрализации показано на рис. 13.5. Раствор щелочи в баке (1) с концентрацией 8–10% и при температуре, равной температуре, при которой жидкий жир покидает этап заключительного концентрирования, дозируется (2) в поток указанного жидкого жира. После тщательного перемешивания (3) поток проходит секцию выдержки (4) в течение 10 секунд, затем в поток (5) дозируют горячую воду – около 20% от расхода, направляющегося на второй сепаратор (6) через блок перемешивания (7). Фракционирование Фракционирование – это процесс, в ходе которого жидкий жир сепарируют на жиры с высокой и низкой точками плавления. Эти фракции обладают различающимися свойствами, и их можно использовать в производстве разных продуктов. Имеется несколько методов фракционирования жира, но наиболее часто используемым является метод, не требующий добавок. Процесс можно кратко описать следующим образом: ОМЖ, часто после фильтрования для получения максимально возможной степени чистоты "сырья", расплавляют, а затем медленно охлаждают до расчетной температуры, при которой кристаллизуется определенная фракция, в то время как фракции с более низкими точками Рис. 13.5 Одним из способов рафинирования при производстве молочного жира или обезвоженного молочного жира может являться нейтрализация свободных жирных кислот (СЖК). 1 Танк для щелочи 2 Дозирующий насос 3 Оборудование для перемешивания 4 Секция для выдержки 5 Впрыск воды 6 Сепарирование омыленных СЖК 7 Смеситель масла/воды Полутвердый молочный жир Щелочь Вода 284 1 3 6 4 2 5 7 Технология производства молочных продуктов/глава 13 плавления остаются в жидком состоянии. Кристаллы собирают с помощью специальных фильтров. Затем фильтрат охлаждают до более низкой температуры, при которой кристаллизуются другие фракции, которые собирают, и т. д. Снижение уровня холестерина Снижение уровня холестерина – это процесс, при котором холестерин удаляют из ОМЖ. Часто используемым методом является перемешивание масла с модифицированным крахмалом, бета-циклодекстрином (БЦД). Молекула БЦД окружает холестерин, образуется осадок, который можно отделить центрифугированием. Упаковка ОМЖ упаковывают в тару различного размера. Для домашнего хозяйства и ресторанов применяют тару от 1 до 19,5 кг, а в промышленности используются барабаны вместимостью минимум 185 кг. Обычно сначала в тару вводят инертный газ – азот (N2). Так как азот тяжелее воздуха, он опускается на дно. Затем тара заполняется ОМЖ – он тяжелее, чем N2 – ОМЖ оказывается внизу, а газообразный N2 создает "воздухонепроницаемое покрытие", предотвращающее обусловленное соприкосновением с воздухом окисление ОМЖ. Технология производства молочных продуктов/глава 13 285 286 Технология производства молочных продуктов/глава 13 Сыр Традиции и основы сыроделия • Сыроделие было знакомо многим народам, еше с древних времен • Сыр – это молочный концентрат, твердые вещества которого включают в основном белок, казеин и жир. Оставшаяся жидкость называется сывороткой • Как правило, при производстве твердых и некоторых полутвердых сыров казеин и жиры, содержащиеся в молоке, концентрируются примерно в 10 раз • Строгого определения сыра как такового нет, т. к. существует много его разновидностей Технология производства молочных продуктов/глава 14 287 Самым большим из когда–либо сделанных сыров был сыр Чеддер весом 15 190 кг. Он был изготовлен в январе 1964 года фирмой Wisconsin Foundation для всемирной выставки Word Expo в Нью–Йорке. На его производство потребовалось 43 часа. В 1974 году русские нашли сыр в зоне вечной мерзлоты в сибирской тундре. Ему было по меньшей мере 2000 лет, и он бесспорно был деликатесным продуктом. • По содержанию влаги сыры делят на три группы: твердые (с низким содержанием влаги), полутвердые и мягкие Общепринятая классификация сыров дана в Стандарте № А6 ФАО/ВОЗ • Каждая группа различается по ряду характеристик, таких как структура (плотность, консистенция), запах и внешний вид, которые зависят от выбора закваски и применяемой технологии • Плавленый сыр является термообработанным продуктом, произведенным на основе различных видов сыра разного возраста в соответствии со Стандартом № А8(b) ФАО/ВОЗ • Сывороточный сыр является видом сыра, который в основном изготавливают в Норвегии и Швеции и определяют в соответствии со Стандартом № А7 ФАО/ВОЗ следующим образом: сывороточные сыры – это продукты, которые получают путем концентрирования сыворотки и ее формирования с добавлением или без добавления молока и молочного жира • Сливочный сыр – это мягкий несозревший сыр, кратко описанный в Стандарте С 31 ФАО/ВОЗ как продукт, обладающий мягким сливочным или кисловатым ароматом, характерным для молочных продуктов, сквашенным закваской, включающей ароматобразующие микроорганизмы и продуцирующей молочную кислоту. Терминология классификации сыров (Источник: Кодекс питания, ФАО/ВОЗ, Стандарт А6) Сыр – это свежий или выдержанный твердый или полутвердый продукт, в котором соотношение сывороточные белки – казеин не выше, чем в молоке. Существуют два способа получения сыра: а Путем коагуляции (полной или частичной) следующего сырья: молока, обезжиренного молока, частично обезжиренного молока, сливок, подсырных сливок или пахты при воздействии сычужного фермента или других подходящих свертывающих агентов или при частичном удалении сыворотки после такой коагуляции b Путем применения технологии, включающей коагуляцию молока и/или продуктов, полученных из молока, по которой производится конечный продукт, имеющий такие же физические, химические и органолептические характеристики, какие имеет продукт, попадающий под классификацию сыров. Определения 1 Созревший или зрелый сыр – это сыр, который не готов к потреблению сразу после изготовления, а должен выдерживаться при определенных условиях (время, температура и т.д.), при которых должны произойти необходимые биохимические и физические изменения, характеризующие сыр 2 Плесневой созревший или плесневой зрелый сыр – это выдержанный сыр, в котором созревание достигалось в основном за счет характерного развития плесени внутри и/или на поверхности сыра 3 Несозревший, незрелый или свежий сыр – это сыр, который готов к употреблению сразу после изготовления. Классификация сыров Классификация, показанная в таблице 14.1, применяется ко всем сырам, относящимся к этому стандарту. Однако данная классификация не исключает указаний более специфических требований в стандартах для отдельных видов сыра. 288 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Таблица 14.1 Классификация сыров УСЛОВИЕ I Если MFFB* составляет, % < 41 49 – 56 54 – 63 61 – 69 >67 Первая фраза в Если FDB** обозначении будет составляет, % Сверхтвердый Твердый Полутвердый Полумягкий Мягкий >60 45 – 60 25 – 45 10 – 25 <10 УСЛОВИЕ II УСЛОВИЕ III Вторая фраза в обозначении будет Обозначение по основным характеристикам созревания Высокожирный Жирный Средней жирности Нежирный Обезжиренный 1 Созревший или зрелый а) в основном поверхность б) в основном внутренняя часть 2 Созревший или зрелый при участии плесени а) в основном поверхность б) в основном внутренняя часть 3 Несозревший или незрелый*** * MFFB – процентное содержание влаги от обезжиренной основы, т. е. Вес влаги в сыре x 100 Общий вес сыра – вес жира в сыре ** FDB – процентное содержание жира от сухой основы, т. е. Содержание жира в сыре x 100 Общий вес сыра – вес жира в сыре *** Молоко, предназначающееся для этого типа сыра, должно быть пастеризовано Примеры: Вид Происхождение FDB MFFB Условие I Пармезан Грана Эмменталь Грюйер Чеддер Гауда Тильзитер Хаварти Голубой сыр Италия Италия Швейцария Франция Великобритания Нидерланды Германия Дания Дания, Франция, Швеция и др. Франция США 35+ 35+ 45+ 45+ 50+ 45+ 45+ 45+ ≈40% ≈41% ≈52% ≈52,5% ≈5% ≈57% ≈57% ≈59% Сверхтвердый Сверхтвердый Твердый Твердый Твердый/Полутвердый Полутвердый Полутвердый Полутвердый Полутвердый/Полумягкий 50+ 45+ >10 ≈61% ≈68% <69 Бри Домашний сыр Полумягкий Мягкий Производство сыра – общие процессы для твердых и полутвердых сыров Производство сыра включает в себя ряд основных этапов, которые являются общими для большинства типов сыра. Существуют также другие способы обработки, которые специфичны для определенных видов. Основные этапы производства твердых и полутвердых сыров схематически показаны на рис. 14.1. Сыропригодное молоко предварительно обрабатывается, возможно, предварительно выдерживается после добавления бактериальной культуры, используемой для данного типа сыра, и смешивается с сычужным ферментом. Воздействие энзимов сычужного фермента приводит к коагуляции молока до состояния твердого геля, называемого коагулятом. Его разрезают специальным режущим инструментом на мелкие кубики требуемого размера – прежде всего чтобы способствовать выделению сыворотки. Во время перерыва процесса обработки сгустка бактерии растут и образуют молочную кислоту. Сырное зерно подвергается механической обработке Технология производства молочных продуктов/глава 14 289 Сыропригодное молоко Нормализация по содержанию жира • Содержание жиров по отношению к СОМО (казеин)= ж/СОМО (казеин) Пастеризация • 70–72°C/15–20 с (не всегда используется) • Охлаждение примерно до 30°C – температура сычужного свертывания Выбор Механическое уменьшение количества бактерий: • Бактофугирование • Микрофильтрация От молока к сыру В сырной ванне • Cырное молоко • Добавки: – Хлористый кальций – Селитра, если разрешается законом – Бактериальная закваска, соответствующая типу сыра – Сычужный фермент Сгусток • Разрезание на зерна • Подогрев, второе нагревание, прямо или косвенно в зависимости от вида сыра • Сбор сгустка для предварительного прессования и/или окончательного формования/прессования, и если требуется • Посолка рассолом или для сыра Чеддер • Чеддеризация, измельчение, посолка, формование и прессование Формованный, прессованный, посоленный сыр на созревание при комнатной температуре в течение определенного времени Рис. 14.1 Технологический процесс производства твердых и полутвердых сыров. с помощью перемешивающего устройства, в то же самое время оно нагревается по заданной программе. Общий эффект этих трех операций – рост микроорганизмов, механическая обработка и термообработка – заключается в синерезисе, т. е. отделении сыворотки от сырного зерна. Сырную массу помещают в сырные формы, сделанные из металла, дерева или пластика, которые определяют форму готового сыра. Сыр прессуется под тяжестью своего веса, а чаще под давлением на форму. Обработка сгустка и прессование определяют характеристики сыра. На графике технологического процесса на рис. 14.1 показаны также посолка и хранение. Наконец, сыры покрывают, обертывают или упаковывают. Предварительная обработка молока Пригодность молока для производства сыра зависит в основном от условий на молочной ферме. Кроме строгого соблюдения основных санитарных требований, необходимо также обеспечить, чтобы молоко больных коров или животных, прошедших лечение антибиотиками, не использовалось в сыроделии или производстве каких-либо других молочных продуктов. Кормление животных плохо приготовленным кормом может сильно ухудшить качество некоторых сыров. 290 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Сбор молока При классическом способе получения молока, т. е. поставке всего молока, необходимого для суточного производства, во флягах на молочную ферму в течение нескольких утренних часов, молоко обрабатывалось почти сразу же после взвешивания. Затем одновременно с сепарированием и пастеризацией осуществлялась нормализация по содержанию жира, и после регенеративного охлаждения до температуры сычужного свертывания молоко перекачивалось в сыродельные ванны. Все более и более распространенной становится практика сбора молока с ферм в течение двух или даже трех дней. Это означает, что особенно жесткие требования должны предъявляться к тому, как производители обрабатывают молоко, а также к водителям цистерн, которые должны иметь полномочия отказывать в приемке молока, если оно даже слегка имеет привкус или/и ухудшенный запах. Мастит – это распространенная болезнь, которая вызывает у коров боль, а также сильно влияет на состав молока; фермеры должны забраковывать такое молоко или, по крайней мере, не посылать его на молочный завод. Молоко от больных коров или животных, которых лечили антибиотиками, нельзя использовать в производстве сыра или каких–либо других молочных продуктов. Термообработка и механическое уменьшение количества бактерий Термизация Когда ввели сбор молока через день, изготовители сыра, использовавшие такое молоко, заметили, что качество сыра часто ухудшалось. В частности, такая тенденция была замечена, когда молоко нужно было хранить до следующего дня после его получения, даже если его охлаждали до 4°С при подаче из автомолцистерны в танк для хранения. Так как рабочие недели ограничены до шести или даже пяти дней, можно прогнозировать более длительное хранение. Хранение молока при пониженной температуре вызывает изменение присутствующих в нем белков и солей, что приводит к ухудшению сыропригодности молока. Было показано, что через 24 часа хранения при 5°С примерно 25% кальция выпадает в осадок в виде фосфата. Это снижение, однако, временное; после пастеризации молока кальций опять растворяется и коагулятивные свойства молока практически полностью восстанавливаются. β-казеин во время хранения при пониженных температурах тоже расщепляется и отделяется от мицелл казеина, что в дальнейшем отрицательно сказывается на сыропригодности молока. Однако такое изменение тоже почти полностью восстанавливается во время пастеризации. Другим и столь же важным феноменом является то, что микрофлора, попадающая в молоко при повторном бактериальном обсеменении – особенно Pseudomonas spp – приспосабливается к низкой температуре, при которой ее ферменты, протеиназы и липазы, расщепляют белок и жиры соответственно. В результате такого воздействия появляется “горький” привкус, возникающий при расщеплении β-казеина, который покидает казеиновые мицеллы во время хранения при низкой температуре. Протеолитические и липолитические ферменты, образованные Pseudomonas, могут также совместно проникать сквозь мембраны жировых шариков. Это совместное взаимодействие ведет к высвобождению жирных кислот, особенно низших, путем воздействия липазы, в результате чего молоко приобретает прогорклый привкус. 1 3 4 Термизация Умеренная тепловая обработка при 65°С в течение 15 с, которую обычно проходит молоко, предназначенное для сыроделия. Рис. 14.2 Организация приемки молока, предназначенного для изготовления сыра. 1 Воздухоотделитель 2 Фильтр 3 Счетчик молока 4 Танк промежуточного хранения 5 Термизация и охлаждение или только охлаждение 6 Танк для хранения Молоко Теплоноситель Хладагент 5 6 2 Технология производства молочных продуктов/глава 14 291 Поэтому, если молоко, которому уже, по меньшей мере, 24–48 часов, не может быть обработано в течение 12 часов после доставки на молочный завод, рекомендуется охладить его примерно до 4°С или лучше термизировать его. Термизация означает умеренную термообработку при 65°С в течение 15 с, затем охлаждение до 4°С, но и после данной обработки молоко все еще дает положительную реакцию на присутствие фосфотазы. Эта технология была в основном введена с целью остановить рост психротрофной микрофлоры при хранении молока более 12–48 часов после его доставки на завод. Как было указано в главе 1, “критический возраст” сырого молока, хранящегося при температуре 4°С, обычно составляет от 48 до 72 часов после доения. См. также рис. 1.13 в главе 1. На рис. 14.2 показана организация станции приемки молока. Пастеризация Чаще всего применяется обычная HTSTпастеризация (с кратковременной выдержкой при высокой температуре) при 72–73°С в течение 15–20 секунд. До начала процесса изготовления сыра молоко обычно предварительно обрабатывается с целью его оптимизации для производства. Молоко, предназначенное для приготовления сыра, который созревает более одного месяца, необязательно пастеризовать, но обычно его пастеризуют. Из таблицы 14.1 можно видеть, что молоко, предназначенное для незрелых сыров (свежие сыры), должно пастеризоваться. Это подразумевает, что молоко для изготовления тех видов сыра, которым требуется период созревания, по меньшей мере, один месяц, не нуждается в пастеризации. Однако сыворотка, предназначенная для фуража, должна пастеризоваться для предотвращения возможности распространения болезни крупного рогатого скота. Тем не менее, если молоко, предназначенное для изготовления сыра, пастеризовано, то нет необходимости пастеризовать сыворотку отдельно. Молоко, предназначенное первоначально для производства Эмментальского сыра, Пармезана, Грана и других сверхтвердых сыров, не должно подогреваться до более чем 40°С во избежание изменения вкуса аромата и отделения сыворотки. Молоко для этих типов сыра обычно поступает с отобранных молочных ферм, где часто проводят ветеринарную инспекцию поголовья. И хотя считается, что сыр, изготовленный из непастеризованного молока, имеет лучший вкус и аромат, многие производители (за исключением изготовителей сверхтвердых типов) пастеризуют молоко, т.к. его качество повышается не настолько, чтобы имело смысл рисковать и обходиться без пастеризации. Пастеризация должна быть значительной, чтобы убить бактерии, способные повлиять на качество сыра – например, Coliforms, которые могут легко вызвать вспучивание и нежелательный привкус. Широко применяется высокотемпературная кратковременная пастеризация HTST при 72–73°С в течение 15–20 секунд. Однако спорообразующие микроорганизмы переживают пастеризацию в состоянии спор и могут вызвать серьезные проблемы во время процесса созревания. Примером может быть Clostridium tyrobutyricum, которые образуют масляную кислоту и большие объемы водородного газа путем сбраживания молочной кислоты. Этот газ полностью разрушает структуру сыра, не говоря уже о том, что масляная кислота придает неприятный вкус сыру. Более интенсивная тепловая обработка может уменьшить этот риск, но может и серьезно ухудшить общую сыропригодность молока. Поэтому для уменьшения количества термостойких бактерий используются другие средства. Традиционно в молоко, предназначенное для сыроделия, до производства добавляли определенные химикаты, чтобы избежать “вспучивания” и образования неприятного запаха, обусловленного термостойкими, спорообразующими бактериями (в основном Clostridium tyrobutyricum). Чаще всего используется нитрат натрия (NaNO3), хотя при изготовлении сыра Эмменталь также используется перекись водорода (H2O2). Однако если использование химических добавок широко критиковалось, механические средства уменьшения числа нежелательных микроорганизмов были одобрены, особенно в странах, где запрещается применять химические ингибиторы. Уменьшение количества бактерий механическим путем Бактофугирование Как уже говорилось в главе 6.2, бактофугирование – это процесс, в котором используется специально разработанная герметичная центрифуга Bactofuge(r), предназначенная для отделения бактерий из молока и особенно спор, образованных некоторыми видами бактерий. 292 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Бактофугирование оказалось эффективным способом сокращения количества спор в молоке, т. к. их удельный вес выше, чем у молока. Бактофугирование обычно разделяет молоко на фракцию, которая более или менее свободна от бактерий, и концентрат (бактофугат), который содержит как споры, так и бактерии в целом и составляет до 3% от потока, поступающего в бактофугу. Бактофугирование всегда является частью предварительной обработки молока. В тех случаях, когда необходимо достичь высокого качества молока, предназначенного для производства сыра, бактофуга устанавливается последовательно с центробежным сепаратором, до или после него. Бактофуга устанавливается до сепаратора в случае предъявления повышенных требований к качеству сливок, дополнительно образующихся при непрерывной нормализации молока в потоке. При этом качество сливок будет улучшено, т. к. количество спор аэробных спорообразующих микроорганизмов, таких как Bacillus cereus, будет уменьшено. Для бактофугирования часто выбирают ту же температуру, что и для сепарирования, т. е. 55–65°С, или 60–63°С. Существуют два типа бактофуги: • Двухфазная бактофуга • Однофазная бактофуга. Двухфазная бактофуга имеет два выходных патрубка сверху: – один для непрерывной выгрузки тяжелой фазы (бактофугата) через cпециальный верхний диск, – другой для фазы с уменьшенным содержанием микроорганизмов. Однофазная бактофуга имеет только один выход в верхней части центрифуги для молока с уменьшенным количеством бактерий; бактофугат собирается в шламовом пространстве барабана и разгружается с заранее заданными интервалами через отверстия в барабане. Наличие двух типов позволяет выбирать различные комбинации оборудования для оптимизации бактериологического состояния молока, используемого как для сыроделия, так и для других целей. В этом контексте можно также упомянуть, что сыворотка, если она предназначается для производства концентрата сывороточного белка в качестве ингредиента в молочных смесях для грудных детей, после улавливания мелких частиц и жира должна быть подвергнута бактофугированию. Альтернативные технологии Существует около десяти возможных вариантов компоновки установки для бактофугирования; здесь приводятся три примера: 1 Двухфазная бактофуга с непрерывным выбросом бактофугата 2 Однофазная бактофуга с периодическим сбросом бактофугата 3 Двойное бактофугирование с двумя однофазными бактофугами. Установка, изображенная на рис. 14.3, герметична, доступ воздуха в систему отсутствует; образующийся непрерывно поток концентрата микроорганизмов (бактофугат), не содержащий воздуха, является тяжелой фазой. Рис. 14.3 Бактофугирование с непрерывной выгрузкой и стерилизацией бактофугата. 1. Двухфазная установка Bactofuge с непрерывной выгрузкой бактофугата Эта технология, показанная на рис. 14.3, работает при условиях герметичности и производит непрерывный поток концентрата (бактофугата) бактерий в виде тяжелой фазы, не содержащей воздуха. Эта фаза, составляющая до 3% от подаваемого потока (регулируемого внешним лопастно-роторным насосом с регулируемой подачей), часто стерилизуется и перемешивается с основным потоком. Принцип работы стерилизатора – впрыскивание продукта в пар. Стерилизатор – настойного типа, а температура стерилизации – приблизительно 130°С в течение нескольких секунд – 1 4 2 1 Пастеризатор 2 Центробежный сепаратор 3 Автоматическая система нормализации 4 Двухфазная бактофуга 5 Стерилизатор (прямой нагрев) Молоко Сливки Бактофугат Пар Теплоноситель Хладагент 5 3 Технология производства молочных продуктов/глава 14 293 достаточна для инактивации спор микроорганизмов рода Clostridia. Горячий бактофугат, выходящий из стерилизатора, перемешивается примерно с половиной объема молока, прошедшего бактофугирование, чтобы снизить температуру до того, как он снова попадает в остальной поток, прошедший бактофугирование. После смешивания молоко направляется в пастеризатор для пастеризации при температуре 72°С в течение 15 секунд, затем следует регенеративное и окончательное охлаждение до температуры сычужного свертывания. Бактофуга с непрерывной выгрузкой бактофугата используется в тех случаях, когда – возможно подмешивание стерилизованного бактофугата, – существует альтернативное использование бактофугата в продукте, тепловая обработка которого достаточно сильна, чтобы обеспечить инактивацию микроорганизмов. Номинальная часовая производительность составляет 15 000 и 25 000 л (в зависимости от размера центрифуги), при которой достигается как минимум уменьшение анаэробных спор на 98%. 2. Однофазная бактофуга с периодической выгрузкой бактофугата Чтобы достичь упомянутого выше эффекта уменьшения количества бактерий, также рекомендуется номинальная производительность 15 000 и 25 000 л/ч. Бактофугат из однофазной бактофуги периодически сбрасывается через отверстия в корпусе барабана с заранее заданными интервалами 15–20 минут, что означает, что бактофугат будет довольно концентрированным и, таким образом, небольшим по объему, 0,15–0,2% от потока. Перед введением в молоко бактофугат должен быть подвергнут стерилизации. Это проиллюстрировано на рис. 14.4, где также показано, что перед подачей в стерилизатор концентрат разбавляется бактофугированным молоком примерно в количестве 1,8% от расхода, чтобы получить достаточный объем для должной стерилизации. Начало и окончание работы насоса (6) разгрузки связано с режимом работы разгрузочной системы бактофуги. После стерилизатора горячий бактофугат охлаждается путем смешивания с бактофугированным молоком примерно в количестве 50% от основного расхода. 1 Рис. 14.4 Бактофугирование с периодической выгрузкой бактофугата и стерилизатор – возможная опция. 1 Пастеризатор 2 Центробежный сепаратор 3 Автоматическая система нормализации 4 Однофазная бактофуга 5 Стерилизатор (прямой нагрев) 6 Насос разгрузки Молоко Сливки Бактофугат Пар Теплоноситель Хладагент 294 4 2 3 5 6 Там, где законом не разрешается повторно использовать бактофугат, он должен быть слит в дренаж или собран в баке для продукции, направляемой на установку для дезактивации. 3. Двойное бактофугирование с двумя однофазными бактофугами в одной технологической линии Бактофугирование молока один раз не всегда достаточно – в частности, при высоком содержании спор в молоке. Двойное бактофугирование приводит к снижению спор микроорганизмов рода Clostrida более чем на 99%. На рис. 14.5 показана установка с двумя однофазными последовательно соединенными бактофугами. Все вышеупомянутое относительно обработки бактофугата, также справедливо и здесь. Двойное бактофугирование является достаточным в большинстве случаев при изготовлении сыра, отпадает необходимость добавления химикатов, ингибирующих развитие бактерий. Тем не менее в те периоды, когда ожидается весьма высокое содержание спорообразующих микроорганизмов, для надежности может быть использовано небольшое количество химикатов (2,5–5 г на 100 л молока), если это разрешено законом. Если механическая обработка не применяется для снижения содержания спор, в молоко обычно добавляют около 15–20 г нитрата натрия на 100 л для Технология производства молочных продуктов/глава 14 2 1 4 4 5 3 ингибирования бактериального роста. Если молоко с высоким содержанием спор бактофугировали, один раз допускается вносить нитрат натрия в количестве 2,5–5 г/100 мл молока. Микрофильтрация Достаточно давно было известно, что мембранный фильтр с размером пор приблизительно 0,2 микрона может отфильтровывать бактерии из водного раствора. При микрофильтрации молока проблема состоит в том, что большинство жировых шариков и некоторые белки имеют такой же размер, как и бактерии, или даже больше. В результате, когда используют мембраны с такими мелкими порами, фильтр очень быстро загрязняется. Поэтому через фильтр пропускают обезжиренное молоко, а сливки, необходимые для нормализации молока по содержанию жира, стерилизуются обычно вместе с концентратом бактерий, полученным путем одновременной микрофильтрации. Принцип микрофильтрации описан в главе 6.4 “Мембранные фильтры”. На практике мембраны с размером пор 0,8–1,4 микрона выбирают для понижения концентрации белка. Кроме того, белок формирует динамическую мембрану, которая способствует удерживанию микроорганизмов. Установка для микрофильтрации включает в себя аппарат непрямой стерилизации для совместной стерилизации необходимого для нормализации по содержанию жира количества сливок и ретентата от фильтрационного аппарата. На рис. 14.6 показана установка для обработки молока с микрофильтрацией. Установка микрофильтрации снабжена двумя контурами, работающими параллельно. Каждый контур может обрабатывать до 5000 л/ч обезжиренного молока; это означает, что установка имеет общую производительность 10 000 л/ч. Таким образом, производительность можно увеличивать путем добавления контуров. Сырое молоко, попадающее на установку, предварительно подогревается до температуры, необходимой для сепарирования, обычно до 60–63°С, при которой оно разделяется на обезжиренное молоко и сливки. Заранее определенное 3 5 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Молоко Сливки Бактофугат Пар Теплоноситель Хладагент Рис. 14.6 Обработка молока, которая включает двухконтурный микрофильтр и стерилизацию концентрата бактерий вместе со сливками, необходимыми для нормализации молока, предназначенного для изготовления сыра. 1 Пастеризатор 2 Центробежный сепаратор 3 Автоматическая система нормализации 4 Установка двухконтурной микрофильтрации 5 Установка стерилизации Молоко Сливки Пермеат Ретентат Пар Теплоноситель Хладагент 2 1 Рис. 14.5 Двойное бактофугирование и стерилизатор – возможная опция. 1 Пастеризатор 2 Центробежный сепаратор 3 Автоматическая система нормализации 4 Однофазная установка Bactofuge 5 Оптимальный стерилизатор настоя 4 295 количество сливок, необходимое для получения заданного содержания жира в молоке, предназначенном для изготовления сыра, направляется устройством для нормализации на стерилизационную установку. Тем временем обезжиренное молоко перекачивается в отдельную охладительную секцию установки стерилизации для охлаждения до 50°С, нормальной температуры микрофильтрации, а затем направляется на фильтрационную установку. Поток молока разделяется на два равных потока, каждый из которых попадает в петлю, где он разделяется на концентрат, содержащий бактерии (ретентат), включающий в себя около 5% всего потока, и фазу с уменьшенным количеством бактерий (пермеат). Затем ретентаты с обоих контуров объединяются и смешиваются со сливками, которые до попадания в стерилизатор должны пройти нормализацию. После стерилизации при 120–130°С в течение нескольких секунд смесь перед перемешиванием с пермеатом охлаждается примерно до 70°С. Затем общий поток пастеризуется при 70–72°С примерно в течение 15 секунд и охлаждается до температуры сычужного свертывания, обычно 30°С. Благодаря эффективности уменьшения содержания бактерий микрофильтрация позволяет производить твердый и полутвердый сыр без добавления химикатов для ингибирования роста спор микроорганизмов рода Clostridia. Нормализация Рис. 14.7 Пример содержания белка и жира в молоке в зависимости от сезона года. (Средние показатели за 1966–1971 гг., Швеция) Сыр часто классифицируют по содержанию жира в сухом веществе (FDB). Поэтому содержание жира в молоке, предназначенном для производства сыра, должно быть соответственно отрегулировано. С этой целью содержание белка и жира в сыром молоке должно в течение года измеряться, а их соотношение нормализовываться до необходимого значения. На рис. 14.7 показан пример, как содержание жира и белка в молоке может меняться в течение одного года (средние показатели по Швеции за 5-летний период, 1966–1971). Нормализация может осуществляться или смешиванием в потоке после сепаратора (см. главу 6.2 “Центробежные сепараторы и нормализация молочного жира”) или, например, путем смешивания цельного и обезжиренного молока в танке после пастеризации. Добавки в молоко, предназначенное для изготовления сыра Необходимыми добавками в процессе сыроделия являются закваска и сычужный фермент. В определенных условиях может возникнуть необходимость добавить другие компоненты, такие как хлорид кальция (CaCl2) и селитра (KNO3 или NaNO3). Для замены селитры в качестве ингибитора микроорганизмов рода Clostridia используется также фермент лизозим Lysosyme. Интересным решением для улучшения сыропригодности молока стало введение в молоко двуокиси углерода (CO2). Закваска Главным требованием, предъявляемым к заквасочным культурам, является способность к наращиванию кислотности в сгустке. 296 Закваска является очень важным фактором в сыроделии; она выполняет несколько функций. В сыроделии используются два основных типа закваски: – мезофильные культуры, для которых оптимальная температура развития составляет от 20°С до 40°С – термофильные культуры, которые развиваются при температуре до 45°С. Наиболее часто используются смешанные штаммовые культуры, в которых два или более штаммов как мезофильных, так и термофильных бактерий существуют в симбиозе (т.е. с взаимовыгодой). Эти культуры производят не только молочную кислоту, но также ароматобразующие соединения и СО2. Двуокись углерода является важным фактором для образования пустоты в сыре типа круглых глазков и гранул. Примером могут служить Гауда, Манчего и Тильзитер из мезофильных культур, Эмменталь и Грютер – из термофильных культур. Одноштаммовые культуры в основном используются в тех случаях, когда целью является наращивание кислотности и расщепление белков – например, в Чеддере и сходных типах сыра. Технология производства молочных продуктов/глава 14 В сыроделии самое большое значение имеют три характеристики заквасок: – способность образовывать молочную кислоту – способность разлагать белок – способность, когда это необходимо, образовывать двуокись углерода (СО2). Главным требованием, предъявляемым к заквасочным культурам, является способность наращивать кислотность в сгустке. Когда молоко коагулирует, бактериальные клетки концентрируются в коагуляте. Образование кислоты понижает рН, что способствует синерезису (сокращение коагулята влечет за собой выделение сыворотки). Далее высвобождаются соли кальция и фосфора, что влияет на консистенцию сыра и помогает увеличить плотность сгустка. Другой важной функцией, выполняемой бактериями, образующими кислоту, является то, что она подавляет развитие микроорганизмов, оставшихся после пастеризации или попавших при повторном обсеменении, которым необходима лактоза или тем, что не обладают устойчивостью к воздействию молочной кислоты. Образование молочной кислоты останавливается, когда вся лактоза в сыре (за исключением мягких сыров) ферментирована. Ферментация молочной кислоты – обычно относительно быстрый процесс. В некоторых сырах, таких как Чеддер, он может закончиться до прессования сыра, а в других типах – в течение недели. Если закваска содержит также микроорганизмы, образующие СО2, кислотообразование в сгустке при воздействии бактерий, сбраживающих лимонную кислоту, сопровождается выработкой двуокиси углерода. Смешанные штаммовые культуры, которые могут вырабатывать СО2, очень важны в производстве сыра, который имеет круглые отверстия/глазки или глазки неправильной формы. Выделенный газ первоначально растворяется во влажной фазе сыра; когда раствор становится насыщенным, газ высвобождается и образует глазки. Процесс созревания в твердых и некоторых полутвердых сырах является комбинированным протеолитическим процессом, когда первоначальные ферменты молока и бактерий закваски вместе с сычужным ферментом вызывают расщепление белка. Снижение активности заквасочных культур Иногда могут иметь место нарушения в виде медленного сквашивания или невозможности вырабатывать молочную кислоту. Одной из самых распространенных причин является наличие антибиотиков, которые применялись для лечения заболеваний вымени. Другой возможный источник – это наличие бактериофагов – термоустойчивых вирусов, которые находятся в воздухе и почве. Их отрицательное воздействие обсуждалось в главе 10 “Заквасочные культуры и их производство”. Третьей причиной снижения активности закваски могут быть моющие вещества, а также вещества, используемые на молочной ферме для стерилизации. Небрежность, особенно при использовании дезинфицирующих средств, часто является причиной снижения активности заквасочных культур. Снижение активности закваски в виде медленного сквашивания или невозможности вырабатывать молочную кислоту могут быть вызваны: • Антибиотиками • Бактериофагами • Остатками моющих средств Хлорид кальция (CaCl2) Если качество молока, используемого для сыроделия, плохое, то коагулят будет мягким. Это приводит к большим потерям мелких частиц (казеина) и жира, а также плохому синерезису во время производства сыра. 5–20 г хлорида кальция на 100 кг молока обычно достаточно, чтобы достичь постоянного времени коагуляции и получать достаточно плотный сгусток. Чрезмерное добавление хлорида кальция может сделать коагулят таким твердым, что его будет трудно резать. Для производства сыра с низким содержанием жира, если разрешено законом, можно иногда до добавления хлорида кальция добавлять в молоко динатрийфосфат (Na2PO4), обычно 10–20 г/кг. Это увеличивает эластичность коагулята благодаря образованию коллоидного фосфата кальция (Ca3(PO4)2), которое будет иметь тот же самый эффект, т. к. жировые шарики молока захватываются сгустком. Двуокись углерода (CO2) Добавление СО2 – это способ улучшения качества молока, предназначенного для изготовления сыра. Двуокись углерода обычно присутствует в молоке, но большая часть ее теряется в процессе переработки. Добавление двуокиси углерода понижает искусственным путем рН молока: первоначальный рН обычно сокращается на 0,1–0,3 единицы. Это приводит Технология производства молочных продуктов/глава 14 297 Сыродельное молоко 4 Рис. 14.8 Добавление газа СО2 в молоко, предназначенное для производства сыра. 1 Газовый цилиндр (или батарея из 12 цилиндров, или бак для хранения жидкого газа с испарителем) 2 Расходомер 3 Перфорированная инжекторная труба 4 Сыродельный танк 1 2 3 к уменьшению времени коагуляции. Этот эффект может быть использован для достижения одного и того же периода времени коагуляции с меньшим количеством сычужного фермента. Добавление производится в потоке вместе с наполнением сыродельной ванны/танка, как показано на рис. 14.8. Скорость впрыскивания СО2 и время его контакта с молоком до перемешивания с сычужным ферментом нужно рассчитывать во время установки системы. Изготовители, которые используют добавление двуокиси углерода, сообщали, что расход сычужного фермента может быть сокращен наполовину без всяких последствий. Селитра (NaNO3 или KNO3 ) Проблемы ферментации, как ранее упоминалось, могут иметь место, если молоко, предназначенное для производства сыра, содержит масляно-кислые бактерии (Clastridia) и/или бактерии группы кишечных палочек (Coliform). Для подавления этих бактерий можно добавлять селитру (нитрат натрия или калия), но нужно точно определить дозу с учетом состава молока, технологии производства, типа сыра и т. д., поскольку в значительных количествах селитра может также замедлить развитие закваски. Передозировка селитры может повлиять на созревание сыра и даже остановить процесс созревания. Селитра в больших дозах может обесцветить сыр, вызвать красноватые полосы и испортить вкус. Максимально допустимая доза – примерно 30 граммов селитры на 100 кг молока. Если молоко обрабатывается с помощью бактофуги или микрофильтрационной установки, необходимость в селитре может быть значительно снижена или даже устранена. Это важное преимущество, поскольку во многих странах использовать селитру запрещено. Красящие вещества Цвет сыра в большей степени определяется цветом молочного жира и может меняться в зависимости от сезона. В тех странах, где разрешается крашение, для корректировки сезонных вариаций применяются такие красители, как каротин и орлеана, аннато. Зеленый хлорофил (контрастный краситель) также используется, например, при производстве голубых сыров – для получения “бледного” цвета, контрастирующего с голубой плесенью. Сычужный фермент За исключением таких видов свежего сыра, как домашний сыр и кварг, в которых молоко свертывается в основном благодаря молочной кислоте, изготовление всех сыров зависит от образования сгустка с помощью сычужного фермента или других аналогичных ферментов. Коагуляция казеина является базисным процессом в сыроделии. Она обычно происходит под воздействием сычужного фермента (могут также использоваться и другие протеолитические ферменты), а также путем изменения кислотности среды до изоэлетрической точки (рН 4,6–4,7) казеина. Активной частью сычужного фермента является фермент, называемый химозином, при этом коагуляция происходит сразу после того, как сычужный фермент добавляется в молоко. Существует несколько теорий, объясняющих механизм процесса, который даже сегодня до конца не выяснен. Однако очевидно, что процесс происходит в несколько этапов, которые обычно определяют следующим образом: – превращение казеина в параказеин при воздействии сычужного фермента – осаждение параказеина в присутствии ионов кальция. 298 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Весь процесс регулируется температурой, кислотностью и содержанием кальция в молоке, а также другими факторами. Оптимальная температура для сычужного фермента – приблизительно 40°С, но на практике обычно применяются более низкие температуры в основном, чтобы избежать чрезмерной твердости коагулята. Сычужный фермент получают из желудков молодых телят и поставляют в виде растворов с соотношением 1:10 000–1:15 000, что означает, что одна часть сычужного фермента может вызвать коагуляцию 10 000–15 000 частей молока в течение 40 минут при температуре 35°С. Бычий и свиной сычужный ферменты тоже используются, часто вместе с телячьим (50:50, 30:70 и т. д.). Действие сычужного фермента в сухом виде обычно в 10 раз сильнее, чем в жидком. Заменители животного сычужного фермента Около 50 лет назад были начаты исследования, целью которых был поиск заменителя животного сычужного фермента. В основном это делалось в Индии и Израиле из-за отказа вегетарианцев потреблять сыр, сделанный с использованием сычужного фермента. В мусульманском мире о применении сычужного фермента из свинины не может быть и речи, что тоже является серьезным поводом для поиска подходящих заменителей. Интерес к заменяющим продуктам еще больше вырос в последние годы из-за снижения предложения животного сычужного фермента высокого качества. Существуют два основных типа заменителей-коагуляторов: – коагулирующие ферменты растений – коагулирующие ферменты микроорганизмов. Исследования показали, что коагулирующая способность препаратов, полученных из растительных ферментов, достаточно высока. Недостатком подобных заменителей является часто развивающийся порок сыра, при производстве которого они использовались, – горький привкус. Также под различными торговыми марками известны коагулирующие ферменты, полученные при изучении различных видов микроорганизмов. В последнее время применяется ДНК-технология, а полученный с ее помощью сычужный фермент с характеристиками, идентичными характеристикам телячьего сычужного фермента, сейчас тщательно испытывается с тем, чтобы получить одобрение его применения. Другие ферментативные системы Несколько исследовательских институтов работают над тем, чтобы выделить ферментативные системы, которые могут быть использованы для ускорения созревания сыра. Технология еще не полностью разработана и поэтому широко не применяется. Однако важно то, что все биосистемы такого рода тщательно испытываются и окончательно утверждаются соответствующими властями. Способы сыроделия Попадание воздуха в сырные ванны или танки во время их заполнения не допускается. Производство сыра разных типов осуществляется в несколько этапов по технологиям, которые вырабатывались годами экспериментов. Каждый тип сыра имеет свою специфическую производственную формулу, часто с местными тонкостями. Несколько основных вариантов производства рассмотрены ниже. Получение сгустка Обработка молока Как было уже сказано ранее, молоко, предназначенное для большинства типов сыра, предпочтительно пастеризовать непосредственно перед подачей в сырную ванну. Исключением в этом правиле является молоко, предназначенное для швейцарского сыра Эмменталь или сыра Пармезан. Молоко для сыра обычно не гомогенизируется, если только оно не является восстановленным. Главная причина этого в том, что гомогенизация вызывает значительное увеличение влагоудерживающей способности, тем самым значительно затрудняя изготовление полутвердых и твердых сыров. Однако в случае голубого сыра и сыра Фета, производимых из коровьего молока, жировая фаза гомогенизируется в виде 15–20%-ных сливок. Это делается для того, чтобы продукт стал более белым и, что еще важнее, чтобы повысить доступность молочного жира для липолитического воздействия с образованием свободных жирных кислот, оказывающих значительное влияние на аромат этих двух типов сыра. Технология производства молочных продуктов/глава 14 299 Внесение закваски Закваску обычно вносят в молоко при температуре 30°С во время заполнения ванны танка, закваска вводится в потоке вначале для того чтобы: 1) равномерно распределить микроорганизмы закваски, 2) имелся промежуток времени для “привыкания” микроорганизмов к “новой” среде. Обычно он составляет 30–60 минут от внесения закваски до начала роста микроорганизмов и называется временем предварительного созревания. Необходимое количество закваски варьируется в зависимости от типа сыра. В сыроделии нужно избегать попадания воздуха в молоко при подаче в сыродельную ванну, т.к. это будет влиять на качество сгустка и может вызвать потери казеина в сыворотке. A Добавки и сычужное свертывание При необходимости перед введением сычужного фермента добавляют хлористый кальций и селитру. Можно использовать безводные соли хлористого кальция в количестве до 20 г на 100 кг молока. Доза селитры не должна превышать 30 г на 100 кг молока. В некоторых странах дозировка ограничена или использование указанных добавок запрещено законом. Доля сычужного фермента может быть до 30 мл фермента в жидком виде с соотношением 1:10 000–1:15 000 на 100 кг молока. Для улучшения распределения сычужный фермент может быть разбавлен по меньшей мере двойным количеством воды. После введения сычужного фермента молоко тщательно перемешивается не более 2–3 минут. Во избежание нарушения процесса коагуляции и потерь казеина в сыворотке важно, чтобы молоко оставляли в покое в течение следующих 8–10 минут. Для дальнейшего улучшения распределения сычужного фермента используются системы автоматического дозирования, обеспечивающие разбавление сычужного фермента необходимым количеством воды и разбрызгивание по поверхности молока через отдельные сопла. Такие системы используют главным образом в больших (10 000–20 000 л) закрытых сырных ваннах или танках. B C Разрезка сгустка D Рис. 14.9 Стандартная сыродельная ванна с инструментами для изготовления сыра. А Ванна во время перемешивания B Ванна во время разрезания C Ванна во время слива сыворотки D Ванна во время прессования 1 Сырная ванна с теплозащитной рубашкой с балкой и приводом для инструментов 2 Инструмент для перемешивания 3 Режущий инструмент 4 Фильтр, который устанавливают внутри ванны на выходе 5 Насос для сыворотки на тележке с неглубоким контейнером 6 Плиты предварительного прессования для изготовления сыра с круглыми глазками 7 Опора для инструментов 8 Гидравлические цилиндры для оборудования предварительного прессования 9 Сырный нож 300 Время сычужного свертывания или коагуляции обычно составляет 30 минут. До того как разрезать сгусток, обычно проводят простое испытание для определения его способности отделять сыворотку. Шпателем разрезают сгусток, затем плоской 8 4 7 1 5 6 2 3 9 Технология производства молочных продуктов/глава 14 частью шпателя вдоль разреза приподнимают сгусток и по расколу судят о его свойствах. Если сгусток дает раскол с нерасплывающимися острыми краями, без образования хлопьев белка и с хорошо выделяющейся сывороткой светло-зеленого цвета, он готов к разрезке. В результате разрезки сгустка из него образуются кубики с размером ребра 3–15 мм в зависимости от типа сыра. Чем мельче разрезка, тем меньше содержание влаги в готовом сыре. Режущие инструменты могут иметь различную конструкцию. На рис. 14.9 показана обычная сырная ванна, оборудованная сменными парами инструментов для перемешивания и разрезания. 5 2 6 4 Рис. 14.10 Горизонтальный закрытый сырный танк с комбинированными инструментами для перемешивания и разрезки и подъемная дренажная система для сыворотки. 1 Комбинированные инструменты для разрезки и перемешивания 2 Фильтр для дренажа сыворотки 3 Электропривод с регулированием частот 4 Нагревательная рубашка 5 Смотровое отверстие 6 Форсунка системы безразборной мойки 3 1 В современном закрытом горизонтальном сырном танке (рис. 14.10) перемешивание и разрезание выполняются инструментами, приваренными к горизонтальному валу, который приводится в действие с помощью приводного узла с преобразователем частоты. Инструменты в зависимости от направления вращения: разрезают или перемешивают сгусток; разрезают его радиальными ножами из нержавеющей стали с острыми лезвиями; основания ножей закруглены, чтобы мягко и эффективно перемешивать сгусток. Кроме того, сырная ванна может быть оснащена автоматически работающим фильтром для сыворотки, форсунками для надлежащего распределения коагулянта (сычужного фермента) и форсунками, которые подсоединяются к системе безразборной мойки (CIP). Предварительное перемешивание Сразу же после разрезания зерна сгустка очень чувствительны к механической обработке, по этой причине перемешивание должно быть очень легким, однако оно должно быть достаточно быстрым, чтобы зерна находились суспендированными в сыворотке. Оседание сгустка на дно ванны может привести к образованию комков. Это создает нагрузку на перемешивающий механизм, который должен быть очень прочным. Сгусток сыра с низким содержанием жира имеет сильную тенденцию к погружению на дно ванны; это означает, что Технология производства молочных продуктов/глава 14 301 Направление вращения при перемешивании перемешивание должно быть интенсивнее, чем для сгустка с высоким содержанием жира. Комки могут влиять на консистенцию сыра, а также вызывать потери казеина в сыворотке. Механическая обработка сгустка и продолжающееся образование молочной кислоты бактериями способствуют вытеснению сыворотки из зерен. Предварительный дренаж сыворотки Направление вращения при разрезке Рис. 14.11 Поперечное сечение комбинированных лезвий инструментов для разрезания и перемешивания с острыми краями для разрезки и тупыми концами для перемешивания. Для определенных видов сыров, таких как Гауда и Эдам, желательно удалять относительно большое количество сыворотки из зерен для того, чтобы можно было осуществлять подогрев путем прямого добавления горячей воды в смесь сгустка и сыворотки, что также понижает содержание лактозы. Некоторые производители сливают сыворотку, чтобы сократить расходы энергии, необходимой для косвенного подогрева сгустка. Для каждого конкретного типа сыра важно, чтобы каждый раз сливалось одно и то же количество сыворотки – обычно 35%, а иногда до 50% от объема загрузки. В обычной ванне дренаж сыворотки организован достаточно просто, как показано на рис. 14.9 (С). На рис. 14.10 показана система слива сыворотки в закрытом, полностью механизированном сырном чане. Продольный щелевой трубчатый фильтр подвешен на тросе из нержавеющей стали, соединенном с наружным приводом подъемника. Цедильник соединен с отсасывающей трубой для сыворотки через шарнирное соединение и далее через стенку танка с внешним патрубком всасывания. Электрод уровня, прикрепленный к фильтру, управляет двигателем подъемника, держа цедильник немного ниже уровня жидкости в течение всего периода слива сыворотки. Сигнал к началу слива подается автоматически. Может быть слито заранее определенное количество сыворотки, что контролируется счетчиком импульсов двигателя подъемника. Концевые выключатели верхнего и нижнего уровней контролируют верхнее и нижнее положение фильтра. Сыворотку нужно всегда сливать достаточно быстро – например, в течение 5–6 минут, т. к. во время дренажа перемешивание обычно останавливается, при этом возникает опасность образования комков. Поэтому слив сыворотки происходит через определенные интервалы, обычно в течение второй части периода предварительного перемешивания и после подогрева. Нагрев/пропаривание/отваривание Для регулирования размера и кислотности сгустка в сыроделии используется тепловая обработка. Изменяя температуру, можно влиять на рост кислотообразующих микроорганизмов и, таким образом, регулировать скорость образования молочной кислоты. Кроме бактериологического эффекта, воздействие тепла вызывает сжатие сгустка, сопровождающееся выделением сыворотки (синерезис). В зависимости от типа сыра подогрев может выполняться следующим образом: • Подачей пара только в межстенное пространство ванны/чана • Подачей пара в межстенное пространство вместе с добавлением горячей воды в смесь сгустка/сыворотки • Только добавлением горячей воды в смесь сгустка/сыворотки. Программа тепловой обработки (температура и время) определяется способом ее проведения и видом изготавливаемого сыра. Подогрев до температуры выше 40°С иногда называют пропариванием, которое происходит в два этапа. При 37–38°С активность мезофильных молочнокислых бактерий снижается, и подогрев прерывают для проверки кислотности, после чего продолжают подогрев до достижения необходимой окончательной температуры. Выше 44°С мезофильные бактерии полностью деактивируются, а при 52°С в течение 10–20 минут полностью уничтожаются. Подогрев до температуры выше 44°С обычно называют отвариванием. Некоторые типы сыров, такие как Эмменталь, Грюйер, Пармезан и Грана, отвариваются при достаточно высоких температурах 50–56°С. Такую термообработку выдерживают только наиболее термоустойчивые молочнокислые бактерии – например, Propionbacterium Freudenreichii ssp. Shermanii, благодаря развитию которых сыр Эмменталь приобретает свою характерную особенность. 302 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Окончательное перемешивание Чувствительность зерен сгустка уменьшается по мере продолжения процесса подогрева и перемешивания. Во время окончательного перемешивания из зерен выделяется больше сыворотки, главным образом, благодаря продолжающемуся образованию молочной кислоты, а также механическому эффекту перемешивания. Длительность окончательного перемешивания зависит от требуемого уровня кислотности и содержания влаги в сыре. Окончательное удаление сыворотки и способы обработки сгустка Как только достигается требуемая кислотность и твердость сгустка (и проверяется изготовителем), из него различными способами удаляется остаточная сыворотка. Сыр с зернистой консистенцией Один из способов – это удаление сыворотки непосредственно из сырной ванны; это применяется в основном при открытых сырных ваннах, управляемых вручную. После слива сыворотки сгусток вычерпывают в формы. Полученный сыр приобретает структуру с отверстиями или глазками, имеющими неправильную форму, называемую также гранулированной консистенцией (рис. 14.12). Отверстия образуются главным образом при скоплении двуокиси углерода, обычно выделяемой заквасками LD (Sc. cremoris/lactis, L cremoris и Sc. diacetylactis). Если зерна сгустка имели прямой контакт с воздухом до того, как их собрали и спрессовали, они полностью не склеиваются; внутри сыра остается большое количество крошечных воздушных карманов. Образующаяся двуокись углерода во время периода созревания заполняет и постепенно увеличивает эти карманы. Образованные таким образом отверстия имеют неправильную форму. Сыворотку также можно удалить путем перекачивания смеси сгустка/сыворотки через вибрирующий и вращающийся фильтр 3 (рис. 14.3), в котором зерна отделяются от сыворотки и направляются сразу в формы. В результате сыр имеет зернистую консистенцию. Рис. 14.12 Сыр с зернистой консистенцией. 1 2 Сыр с круглыми глазками Газообразующие бактерии, обычно тех же самых видов, которые описаны выше, используются также и в производстве сыров с круглыми глазками (рис. 14.14), однако технология несколько отличается. Старым методом, например, для производства сыра Эмменталь сгусток собирался в сырную салфетку, находясь еще в сыворотке, и затем помещался в большую форму на комбинированный дренаж и прессовальный стол. Это давало возможность избегать прямого контакта сырной массы с воздухом до сбора и прессования, что является важным моментом при получении правильной консистенции этого сыра. Изучение образования круглых дырок/глазков показало, что, когда зерна сгустка собираются под поверхностью сыворотки, сгусток содержит микроскопические пустоты. Микроорганизмы закваски собираются в этих крошечных пустотах, заполненных сывороткой. Когда они начинают развиваться, образованный газ сразу растворяется в жидкости, но так как рост бактерий продолжается, происходит местное перенасыщение, которое приводит к образованию маленьких дырок. Позже, после прекращения образования газа из-за отсутствия субстрата, например, лимонной кислоты, наиболее важным процессом становится диффузия. Это увеличивает относительно большие отверстия, в то время как самые маленькие исчезают. Увеличение больших по размеру отверстий за счет более мелких является следствием законов поверхностного натяжения, суть которых заключается в том, что для увеличения размера большой дырки требуется меньшее давление, чем для увеличения маленькой. Ход этого процесса проиллюстрирован на рис. 14.15. В то же самое время из сыра удаляется СО2. В продолговатых или прямоугольных сырных ваннах, работа на которых выполняется вручную, сгусток, все еще погруженный в сыворотку, помещают в отсек, временно Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.13 Сырное зерно и сыворотка отделяются в ротационном цедильнике. 1 Смесь сырного зерна/сыворотки 2 Осушенное сырное зерно 3 Выпускное отверстие для сыворотки Рис. 14.14 Сыр с круглыми глазками. 303 созданный из съемных перфорированных пластин и подпорок. Сгусток выравнивается, и перфорированная прессовая пластина опускается на слой сгустка. Два стержня на верхней части этой пластины распределяют давление, прилагаемое гидравлическим или пневматическим устройством. Система показана на рис. 14.9 (D). Во время прессования или даже периода предварительного прессования, который обычно длится примерно 20–30 минут, свободная сыворотка удаляется до тех пор, пока не достигнет уровня слоя сгустка. Оставшаяся свободная сыворотка удаляется, в то время как прессовальные инструменты убираются, и сгусток вручную разрезается на блоки, соответствующие формам. Ванны для предварительного прессования Наиболее часто, однако, предварительное прессование происходит в отдельных ваннах, в которые сначала было перекачано определенное количество сыворотки. Оставшаяся смесь сырного зерна/сыворотки затем направляется в ванну под действием собственного веса или с помощью лопастного роторного насоса, таким образом, чтобы минимизировать доступ воздуха к сгустку. На рис. 14.16 показана система предварительного прессования, которая применяется для больших партий, примерно 1000 кг сырной массы и более. Сырная масса поступает из танка или ванны самотеком или с помощью лопастного роторного насоса и распределяется по трубам со специальными форсунками или с помощью специального распределительного и уравнительного устройства. Когда применяют трубы, сгусток можно уравнивать вручную скребками. Сыворотка отделяется от зерен сгустка с помощью: • Ленточного цельнотканого пластикового конвейера Рис. 14.15 Образование газа в сыре и возникновение глазков. (С разрешения автора – д-ра Х. Бурлинга, отдел НИОКР, SMR, г. Лунд, Швеция.) 3 2 2a 1 Рис. 14.16 Механическая ванна для предварительного прессования с устройствами разгрузки и резки. 1 Ванна предварительного прессования (может быть также использована для окончательного прессования) 2 Распределители сгустка, заменяемые форсунками (для CIP) (2а) 3 Разгрузочное устройство, стационарное или подвижное 4 Конвейер 304 2 4 • Нержавеющей стальной перфорированной тарелки под крышкой • Перфорированных тарелок на краях и по бокам ванны. Крышка приводится в действие одним или двумя пневматическими цилиндрами, которые рассчитаны на создание на поверхности блока давления примерно 20 г/см2. При использовании ванны для конечного прессования давление на поверхность должно быть, по меньшей мере, в 10 раз больше. Цельнотканый пластиковый конвейер, установленный на дне, используется так же, как транспортер, по которому предварительно спрессованный сырный блок транспортируется к переднему краю, после того как будет вручную открыта заслонка. До того как опустошить ванну предварительного прессования, перед ним устанавливают подвижное разгрузочное устройство с вертикальными ножами и гильотинными для поперечного разрезания. Расстояние между вертикальными ножами можно регулировать. (Можно также использовать стационарное разгрузочное устройство, которое будет служить ванной.) Разгрузочные приспособления имеют оборудование для натягивания ленточного конвейера, который намотан на цилиндр, расположенный на дне. Нарезанные блоки теперь могут быть отформованы вручную или (чаще всего) автоматически переданы по конвейеру на механическое устройство для формования. Технология производства молочных продуктов/глава 14 1 Непрерывная система предварительного прессования 2 Более современной системой является установка Casomatic для непрерывного предварительного 3 прессования, разрезания на блоки и формования, показанная на рис. 14.17. Принцип работы заключается в том, что смесь сырного зерна и сыворотки, обычно в пропорции 1:3,5–4, подводится 4 к верхней части цилиндрической, квадратной или прямоугольной колонны, дно которой закрывает двигающийся нож. Сыворотка сливается из сгустка через перфорированные секции колонны и проходит 3 улавливатель, после чего попадает в буферный танк для сбора сыворотки, из которого она перекачивается в танк для хранения. Уровень сыворотки в колонне контролируется электродами уровня; как 6 только самый нижний электрод остается единственным смоченным электродом, сыворотка перекачивается из 7 улавливателя в колонну, чтобы не допустить контакта сырной массы с воздухом. 8 Через определенное время, обычно 20–30 минут, сырная масса на дне колонны 9 спрессовывается под действием собственного веса до требуемой твердости. Высоту сырной колонны выбирают так, чтобы давление примерно 20 г/см2 создавалось на уровне примерно 10 см над подвешенными тарелками (ножами), расположенными на дне, т. е. почти то же самое давление, что и в ванне предварительного прессования. Высота колонны сгустка – примерно 2,2 м, а общая высота системы – до 5,5 м. Затем нож убирают, и колонна сгустка опускается на заранее заданное расстояние. Как только она останавливается, нож возвращается в свое первоначальное положение, отрезая нижний кусок. Затем кусок удаляют из машины и помещают в форму на ленточном конвейере, который расположен внизу. Далее форма следует на окончательное прессование. Стандартная колонна может перерабатывать до 600 кг сырной массы в час, изготавливая блоки сыра массой 10–20 кг. Сыр весом 1 кг и более можно также получить, добавив специальный режущий инструмент на выходе машины и приведя в соответствие с ним многоформовочное устройство, чтобы получать разрезанные куски. Если соединить ряд колонн для предварительного прессования вместе, можно получить более высокую производительность. Система Casomatic имеет распылительные форсунки, установленные в стратегически важных танках, которые позволяют провести тщательную мойку машины после подсоединения к системе безразборной мойки (CIP). Технологическая линия с непрерывным предварительным прессованием показана на рис. 14.36. Сыр с плотной структурой Сыры с плотной структурой, типичным примером которых является Чеддер, изготавливают обычно с помощью одноштаммовых заквасок, содержащих микроорганизмы, которые не образуют газ – например, такие молочнокислые бактерии, как Sc. cremonis, Sc. lactis. Однако специальная технология производства может привести к образованию пустот, называемых механическими отверстиями, как показано на рис. 14.18. В то время как дыры в зернистых сырах и сырах с круглыми глазками имеют характерную блестящую поверхность, механические дыры имеют неровную внутреннюю поверхность. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.17 Casomatic, система непрерывного предварительного прессования поступательного действия с формовочным разливочным устройством. 1 Впуск смеси сырного зерна и сыворотки 2 Колонна со смотровым стеклом 3 Перфорированное устройство для удаления сыворотки 4 Улавливатель 5 Балансный бак для сыворотки 6 Система разрезки и выгрузки сыра 7 Формовочное устройство 8 Транспортер 9 Лоток для сбора сыворотки 5 Рис. 14.18 Плотная структура сыра с типичными механическими отверстиями. 305 Когда титруемая кислотность сыворотки достигает примерно 0,2–0,22% молочной кислоты (около 2 часов после сычужного свертывания), сыворотку сливают, а сырную массу направляют на специальную обработку, называемую чеддеризацией. После удаления всей сыворотки сырную массу оставляют для нарастания кислотности и чеддеризации. Во время этого периода, обычно 2–2,5 часа, сгусток формуется в блоки, которые переворачивают вверх дном и складывают. Когда титруемая кислотность выделяемой сыворотки падает приблизительно до 0,75–0,85% молочной кислоты, блоки измельчают, вносят сухую соль, перед тем как поместить в специальные формы, используемые при изготовлении сыра Чеддер. Процесс чеддеризации проиллюстрирован на рис. 14.19. 1 2 Механизированная установка для чеддеризации 3 4 Рис. 14.19 Стадии производства сыра Чеддер. 1 Чеддеризация 2 Измельчение 3 Перемешивание соленых кусков 4 Укладывание кусков в формы 1 Для чеддеризации танка может быть применена также механизированная высокоэффективная установка Alfomatic, принцип работы которой показан на рис. 14.20. Эти машины имеют производительность от 1 до 8 тонн сыра в час. У наиболее распространенного вида машин имеется четыре конвейера, которые приводятся в действие индивидуально от приводов, работающих с заранее установленными и регулируемыми скоростями, и которые смонтированы друг над другом в раме из нержавеющей стали. Смесь сырного зерна и сыворотки равномерно распределяется на специальном дренажном сите, где удаляется большая часть сыворотки. Затем смесь падает на первый конвейер, который перфорирован и имеет мешалки для дальнейшего слива сыворотки. На каждом конвейере ширина полосы смеси контролируется направляющими рельсами. На втором конвейере сырная масса начинает уклоняться и утрамбовываться. Затем она попадает на третий конвейер, где ее переворачивают и где проходит чеддеризация. В конце третьего конвейера сырная масса размалывается на куски одинакового размера, которые падают на четвертый конвейер. В машинах для изготовления сыра с нарушенным сгустком (сыр Колби) можно добавить дополнительные мешалки на 2-м и 3-м конвейерах, чтобы обеспечить постоянное перемешивание и не допустить утрамбовывания сырного зерна. В этом случае измельчитель обходят. Последний конвейер предназначен для посолки. Сначала в сырную массу вносится сухая поваренная соль, после она тщательно перемешивается. Затем сгусток попадает в бункер-накопитель со шнековой подачей, из которой он направляется в формирователь блоков или транспортируется в устройство для формования. Первый конвейер может быть также оборудован промывочной системой для производства вышеупомянутого сыра Колби. 3 4 4 2 5 4 7 6 4 Рис. 14.20 Система непрерывного действия для удаления сыворотки, чеддеризации, размалывания и посолки сырной массы, предназначенной для сыра Чеддер. 306 1 2 3 4 Фильтр для сыворотки (сито) Отстойник сыворотки Мешалка Конвейеры с регулируемым приводом 5 Мешалки (опция) для изготовления Чеддера с перемешанным сгустком 6 Измельчитель 7 Система сухой посолки Технология производства молочных продуктов/глава 14 1 2 3 4 Рис. 14.21 Установка для чеддеризации непрерывного действия с тремя конвейерами для производства сыра Моцарелла. 1 Сито для сыворотки 2 Мешалка 3 Конвейер 4 Измельчитель Одной машины с двумя или тремя конвейерами достаточно для производства сыров семейства Pasta Filata (Моцарелла, Кашкаваль и т. д.), где чеддеризация является частью производственного процесса, но где перед пропариванием и растягиванием размельченные куски обычно не солят. Конструкция тройного конвейера показана на рис. 14.21, откуда видно, что сгусток перемешивается только на первом конвейере. Машина независимо от количества конвейеров оборудована форсунками системы безразборной мойки (CIP) в целях обеспечения чистоты и санитарии. Изготовление съемных панелей из нержавающей стали способствует улучшению гигиенических условий. Окончательная обработка сгустка Как указывалось выше, после удаления свободной сыворотки сгусток может быть обработан различными способами, а именно: 1 Направлен на формование (зернистый сыр) 2 Предварительно спрессован в блок и разрезан на куски приемлемых размеров для размещения в формы (сыры с круглыми глазками) или 3 Направлен на чеддеризацию, последняя фаза которой включает размалывание на мелкие куски, которые могут быть посолены сухой солью и/или сформованы, или, если предназначен для сыра типа Паста Филата, несоленым отправлен на варочнорастягивающую машину. Рис. 14.22 Вертикальный аппарат прессования с прессующими пластинами с пневматическим приводом. Прессование После того как сгусток отформуют, его направляют на прессование, которое преследует следующие цели: • Способствовать окончательному удалению сыворотки • Обеспечить консистенцию • Придать сыру форму • Создать корку на сырах с длительным периодом созревания. Скорость прессования и прилагаемое давление адаптируют к каждому конкретному типу сыра. Прессование должно быть вначале постепенным, т. к. сильное начальное давление сжимает поверхностный слой и может заблокировать влагу в полостях сыра. Давление, прилагаемое к сыру, должно быть рассчитано на единицу площади, а не в зависимости от сыра, т. к. отдельные сыры могут отличаться по размерам. Например: 300 г/см2. В мелком производстве можно использовать ручные вертикальный и горизонтальный прессы. Пневматические или гидравлические системы прессования упрощают регулирование давления. На рис. 14.22 показан вертикальный пресс. Для модернизации устанавливают в прессовой системе таймер, который подает сигналы оператору изменить давление в соответствии с предварительно составленной программой. Для крупных предприятий предлагается самый широкий ряд разнообразных систем. Прессовочный стол на тележке Системы прессования в виде столов на каретке часто применяются в полумеханических установках для производства сыра и состоят из следующих элементов: • Стол на тележке • Формы, которые устанавливаются на стол • Туннельный пресс, имеющий столько прессовальных цилиндров, сколько форм установлено на столе. Технология производства молочных продуктов/глава 14 307 Автоматический туннельный пресс Рис. 14.23 Конвейерный пресс. 3 4 Автоматический туннельный пресс рекомендуется в тех случаях, когда требуются высокомеханизированные системы прессования сыра. Попав на конвейерную систему, заполненные формы автоматически направляются в туннельный пресс Autofeed в 3–5 рядов с помощью пневматического толкающего устройства. Ряды форм в прессе транспортируются толкающими рычагами и направляющей, которые расположены на полу, изготовленном из нержавеющей стали. Когда пресс наполнен, все воздушные цилиндры (один на каждую форму) подсоединяются к общей линии подачи воздуха. Давление и интервалы времени между моментами повышения давления, а также общее время прессования автоматически контролируются с отдельного пульта управления. Конструкция туннельного пресса Autofeed разработана так, что обеспечивает одновременную загрузку и разгрузку и позволяет использовать пресс оптимально. Конвейерный пресс 1 Конвейерный пресс, показанный на рис. 14.23, рекомендуется в тех случаях, когда нужно сократить время между предварительным и окончательным прессованием до минимума. Система блочного формования 5 2 6 8 7 9 10 11 Рис. 14.24 Система формования блоков для сыра типа Чеддер. Принцип работы и внешний вид (справа). 1 Колонна 2 Подача сырной массы 3 Циклон 4 Датчик уровня 5 Вакуумный аппарат 6 Нижняя пластина, объединенная с гильотиной 7 Платформа подъемника 8 Эжектор 9 Барьерный пакет 10 Конвейер на вакуумную упаковку 11 Дренаж сыворотки 308 Острой проблемой для изготовителей сыра Чеддер долгое время было производство хорошо отформованных однородных блоков. Данная проблема решается с помощью формирователя блоков, основанного на простой системе вакуумной обработки и подачи под действием веса. Размолотые и посоленные куски сырной массы втягиваются под действием вакуума в верхнюю часть башни, как показано на рис. 14.24. Башня заполняется, и сырная масса начинает слипаться, превращаясь в сплошную массу. Вакуум подается в колонну в соответствии с программой, обеспечивающей поставку однородной продукции, не содержащей сыворотки и воздуха, в нижней части машины. Блоки правильной формы идентичных размеров, обычно весом 18–20 кг, автоматически разрезаются гильотинным ножом, выталкиваются и помещаются в пакеты для транспортирования по конвейеру в аппарат вакуумной упаковки, который является составной частью производственной системы. Никакого последующего прессования не требуется. Башня рассчитана на номинальную производительность 680 кг сырной массы в час, при этом на прохождение самой башни требуется 30 минут, каждые 1,5 минуты изготавливается новый блок. Высота колонны сырной массы составляет около 5 метров, а общая высота всей башни – около 8 метров. Большей производительности можно достичь, соединив вместе несколько башен. Система безразборной мойки, установленная в верхней части башни, обеспечивает хорошую мойку и санитарное состояние. Пластификация сыра типа Паста Филата Характерной особенностью сыра Паста Филата (пластичный сгусток) является “эластичная” волокнистая сырная масса, получаемая путем пластификации после чеддеризации. Сыры из “волокнистого сгустка” – Проволон, Моцарелла и Касиоковалло – происходят из Южной Италии. В наши дни сыр Паста Филата изготавливают не только в Италии, но и в некоторых других странах. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Сыр Кашкаваль, который делают в нескольких странах Восточной Европы, тоже является разновидностью сыра Паста Филата. После чеддеризации и размельчения при кислотности примерно 0,7–0,8% молочной кислоты в сыворотке (31–35,5°SH), 1 куски сырной массы подаются по конвейеру или сгребаются в стальной смешивающий барабан, или контейнер, или месильную машину, наполненную горячей водой (82–85°C), где куски обрабатываются до тех пор, пока они не станут гладкими, эластичными и без комков. Смесительную жидкость обычно собирают и сепарируют вместе с сывороткой для снижения потерь жира. Пластификация должна выполняться тщательно. “Мраморность” в готовом продукте может быть вызвана неполным перемешиванием, слишком низкой температурой воды, низкой кислотностью сырной массы или из-за комбинации этих факторов. В производстве широко используются машины непрерывного пропаривания и растяжения. На рис.14.25 показан пластификатор. Скорость шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, может регулироваться для обеспечения оптимального рабочего режима. Температура и уровень пропарочной воды все время контролируются. Чеддеризированная сырная масса непрерывно подается в бункер или циклон машины в зависимости от способа подачи – шнековым конвейером или передувкой. При производстве сыра Кашкаваль пластификатор вместо воды может содержать рассол с концентрацией соли 5–6%. Теплый рассол, однако, обладает высокой коррозионной активностью, поэтому контейнер, шнеки и другое оборудование, контактирующее с рассолом, должно быть сделано из специальных, устойчивых материалов. 3 2 Рис. 14.25 Пластификатор непрерывного действия для производства сыра типа Паста Филата. 1 Подающий бункер 2 Контейнер для горячей воды с контролем температуры 3 Два шнека, вращающихся в противоположных направлениях 4 Шнековый конвейер 3 Формование Сыр Паста Филата часто бывает разной формы (мячика, груши, сосисок и т. д.), поэтому процесс формования описать трудно. Однако для квадратных или прямоугольных типов, обычно для сыра-пиццы, существуют автоматические формовочные машины. Такая формовочная машина состоит, как правило, из противовращающихся шнеков и карусельной системы заполнения форм, как показано на рис. 14.26. Пластичная сырная масса попадает в формы при температуре 65–70°C. Для того чтобы стабилизировать форму сыра и обеспечить опорожнение форм, отформованный сыр нужно охладить. Чтобы сократить период охлаждения и затвердения, технологическая линия Паста Филата должна включать в себя “туннельную закалочную”. Производственная линия для сыров Моцарелла показана на рис. 14.38. 4 4 1 2 Посолка В сыре, как и во множестве продуктов, соль обычно рассматривают как приправу. Однако соль оказывает и другие важные воздействия, такие как замедление активности закваски и бактериальных процессов, связанных с созреванием сыра. Посолка сырной массы приводит к вытеснению большего количества влаги как посредством осмотического эффекта, так и воздействием соли на белки. Осмотическое давление можно рассматривать как создание разрежения на поверхности сырной массы, при котором влага будет выделяться наружу. За небольшим исключением, содержание соли в сыре составляет 0,5–2%. Однако содержание соли в голубом сыре и разновидностях белого рассольного сыра (Фета, Домиати и т. д.) составляет 3–7%. Замена кальция на натрий в параказеинате, которая происходит при добавлении соли, также оказывает значительное влияние на консистенцию сыра, делая его более гладким. В общем, соль оказывает воздействие на сырную массу при рН 5,3–5,6, т. е. приблизительно через 5–6 часов после добавления закваски при условии, что молоко не содержало вещества, ингибирующие бактерии. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.26 Формовочная машина для сыра-пиццы. 1 Бункер 2 Противовращающиеся шнеки 3 Вращающиеся и стационарные формы 4 Форма 309 Способы посолки Сухая посолка 1 2 3 Рис. 14.27 Установка сухой посолки сыра Паста Филата. 1 Контейнер соли 2 Контроль уровня слоя сырной массы 3 Резец для проточки канавок Сухая посолка может выполняться вручную или механически. Соль добавляют вручную из ведра или контейнера, содержащего достаточное ее количество (предварительно взвешенное), которое как можно равномернее распределяется по поверхности сырной массы после удаления сыворотки. Для лучшего распределения сгусток нужно перемешивать в течение 5–10 минут. Существует несколько механизированных способов распределения соли по сырной массе вручную. Первый аналогичен способу, применяемому для дозирования соли на куски сырной массы при изготовлении сыра Чеддер во время последней стадии прохождения через установку чеддеризации непрерывного действия. Другая система частичной посолки применяется в производстве сыра Паста Филата (Моцарелла), как показано на рис. 14.27. Устройство для сухой посолки устанавливается между пропарочно-растягивающим аппаратом и формовочной машиной. При такой компоновке время нормальной посолки (8 часов) может быть сокращено до 2 часов, при этом для посолки требуется меньшая площадь. 3 5 4 1 2 2 Рис. 14.28 Система периодической посолки с контейнерами и оборудование для циркуляции рассола. 1 Контейнер для растворения соли 2 Контейнеры для посолки 3 Фильтр 4 Растворение соли 5 Насос для циркуляции рассола Рис. 14.29 Поверхностная система посолки. 1 Загрузочный контейнер с направляющей пластиной 2 Регулирующий экран 3 Входной люк с регулирующим ситом и направляющий люк 4 Отделение посолки поверхности рассолом 5 Выходной люк 6 Двойная мешалка с сетчатым фильтром 7 Система контроля уровня рассола с насосом 8 Насос 9 Пластинчатый теплообменник 10 Узел автоматического дозирования соли (включая измерение концентрации соли) 11 Конвейер выгрузки с желобом 12 Устройство всасывания рассола 13 Площадка для обслуживания 2 2 5 11 7 8 Рассол 1 9 13 4 3 310 12 6 10 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.30 Система глубокой посолки. Контейнер 10 х1,1 м с 10 полками вмещает объем, производимый одной сменой. Соление в рассоле Существуют различные конструкции систем посолки рассолом, от совсем простых до высокотехнологичных. Сейчас наиболее широко используется система, при которой сыр помещают в контейнер с рассолом. Контейнеры должны находиться в холодной комнате при температуре 12–14°С. На рис. 14.28 показана система, управляемая практически вручную. Для крупного производства рассольных сыров используется ряд систем, в основе которых лежит посолка поверхностей сыра рассолом или посолка в контейнерах для стеллажей. Неглубокая или поверхностная посолка рассолом В неглубокой системе посолки сыр плывет в отделения, в которых происходит посолка рассолом в один слой. Для поддержания поверхности влажной сыр периодически опускается ниже уровня рассола с помощью ролика, установленного на ободе 8 каждого отделения. Процесс 4 погружения можно запрограммировать. 7 На рис. 14.29 показано 6 5 устройство неглубокой системы посолки рассолом. Глубокая посолка Система глубокой посолки с подъемными контейнерами 3 основывается на том же принципе. Размеры контейнеров рассчитаны так, что вмещают объем, производимый, например, 10 одной сменой, при этом одна клеть занимает одно отделение глубиной 2,5–3 м. Чтобы достичь одного 1 и того же времени посолки (“первым вошел, первым вышел”), загруженный контейнер опорожняется, когда проходит половина 2 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.31 Система посолки в стеллажах. 1 Конвейер подачи 2 Станция механической загрузки стеллажей для посолки 3 Стеллажи засаливания 4 Станция механической разгрузки стеллажей 5 Разгрузочный конвейер 6 Лифт 7 Промывочная ванна 8 Ленточный конвейер 9 Место для пустых и запасных стеллажей (пустые стеллажи можно также хранить в рассоле; если сыры упаковывают и обрабатывают сразу после засаливания, то эта площадь не нужна) 10 Мостовой передвижной кран 9 311 Таблица 14.2 Плотность в зависимости от концентрации соли в рассоле при 15°С Плотность кг/л °Вé 1,10 1,12 1,14 1,16 1,17 1,18 13,2 15,6 17,8 20,0 21,1 22,1 Рассол с поваренной солью кг соли % соли в 100 л воды в растворе 15,7 19,3 23,1 26,9 29,0 31,1 13,6 16,2 18,8 21,2 22,4 23,7 времени, после чего сыр направляется в пустую клеть. Иначе получилось бы “первым вошел и последним вышел” с разницей в продолжительности посолки между первым и последним загруженным сыром в несколько часов. Система глубокой посолки должна, таким образом, всегда быть спроектирована так, чтобы иметь дополнительное отделение с пустым контейнером. На рис. 14.30 показана клеть в системе глубокой посолки. Система посолки в стеллажах Другая система глубокой посолки базируется на использовании стеллажей, способных вмещать весь объем производимого сыра из одной сырной ванны. Все операции – заполнение стеллажей, размещение их в растворе рассола, подъем стеллажей из рассола и направление их на станцию разгрузки – могут быть полностью автоматизированы. Принцип посолки в стеллажах показан на рис. 14.31. Некоторые рекомендации по приготовлению рассола Разница осмотического давления рассола и сыра приводит к вытеснению из сыра некоторого количества воды с растворенными в ней компонентами: сывороточными белками, молочной кислотой, минеральными веществами, и замещением раствором соли. При подготовке рассола важно принимать это во внимание. Кроме растворения соли до необходимой концентрации, нужно отрегулировать рН до значения 5,2–5,3 – например, с помощью пищевой соляной кислоты, в которой должны отсутствовать тяжелые металлы и мышьяк. Может использоваться, конечно, и молочная кислота, так же как и другие “безвредные” кислоты. Кальций в виде хлорида кальция (CaCl2) нужно также добавлять, чтобы довести содержание кальция до 0,1–0,2%. Таблицу 14.2 можно использовать как руководство для приготовления рассола. Проникновение соли в сыр Далее приведенное краткое описание на основе Отчета № 22 Statens MejeriforsЖg, HillerЖd, Дания, дает представление, что происходит, когда сыр солят. Сырные зерна пересечены капиллярами: было обнаружено приблизительно 10 000 капилляров на 1 см2. Есть несколько факторов, которые могут влиять на проницаемость капилляров и способность раствора соли протекать по ним, но не на все такие факторы влияют изменения в технологии. Это относится, например, к содержанию жира. Так как жировые шарики блокируют структуру, на проникновение соли в сыре с высоким содержанием жира потребуется больше времени по сравнению с сыром с низким содержанием жира. Значение рН во время посолки значительно влияет на скорость абсорбции соли. Большее количество соли может абсорбироваться при более низком рН. Однако при достаточно низком рН (<5,0) консистенция сыра становится твердой и хрупкой. При высоком рН(>5,6) консистенция становится эластичной. Важность значения рН сыра во время посолки была описана научной группой датского Института Hillerod: Некоторые частицы кальция связаны с казеином не так прочно, и во время посолки слабосвязанный кальций при ионном обмене заменяется на натрий. Консистенция сыра определяется количеством свободносвязанного кальция. Этот свободносвязанный кальций также чувствителен к присутствию ионов гидроксония (Н+). Чем больше ионов Н+, тем больше ионов кальция (Са++) покинут казеиновый комплекс, а Н+ займет место кальция. При посолке Н+ не заменяется на Na+ (натрий) соли. Это означает, что: 312 Технология производства молочных продуктов/глава 14 1 При высоком значении рН (6,0–5,8) в казеине содержится больше кальция. Следовательно, больше натрия будет связано с казеиновым комплексом, и сыр будет мягче; во время созревания его форма даже может измениться 2 При значении рН 5,2–5,4–5,6 в казеиновом комплексе может быть достаточно ионов Са++ и Н+, чтобы необходимое количество ионов Na+ присоединилось к казеину. Полученная консистенция будет хорошей 3 При низком значении рН (<5,2) может быть включено слишком много ионов Н+; поскольку ионы Na+ не могут заменять ионы H+, консистенция будет твердой и ломкой. Вывод: важно, чтобы перед посолкой рассолом сыр имел рН примерно 5,4. Температура также влияет на скорость абсорбции и, таким образом, на потерю влаги. Чем выше температура, тем больше скорость абсорбции. Чем больше концентрация соли в рассоле, тем больше соли будет поглощено. При слабых концентрациях соли (<16%) казеин разбухает, и поверхность будет грязной и вязкой. Концентрации соли до 18–23% часто используются при температуре 10–14°С. Продолжительность посолки зависит от: • Содержания соли, типичного для данного вида сыра • Размера сыра: чем он больше, тем больше уходит времени • Содержания соли и температуры рассола. Обработка рассола Помимо регулирования концентрации соли, необходимо контролировать микробиологическое состояние рассола, т. к. это может вызвать различные дефекты качества сыра. Некоторые микроорганизмы, устойчивые к соли, могут разлагать белок, создавая слизистую поверхность, другие могут образовывать пигменты и изменять цвет поверхности сыра. Самый большой риск микробиологических нарушений, вызванных рассолом, может иметь место при использовании слабых растворов рассола (<16%). Иногда применяют пастеризацию. • Система посолки должна быть спроектирована так, чтобы пастеризованный и непастеризованный рассолы не перемешивались • Рассол – коррозионно активная среда, поэтому теплообменники должны изготавливаться из коррозионно стойких материалов, таких как титан; эти материалы, однако, имеют высокую стоимость. Таблица 14.3 Содержание соли в различных типах сыра % соли Домашний сыр Эмменталь Гауда Чеддер Лимбургер Фета Горгонзола Другие голубые сыры 0,25 – 1,0 0,4 – 1,2 1,5 – 2,2 1,75 – 1,95 2,5 – 3,5 3,5 – 7,0 3,5 – 5,5 3,5 – 7,0 • Пастеризация нарушает баланс соли в рассоле и вызывает осаждение фосфата кальция; некоторое количество фосфата кальция может осадиться на пластинах теплообменника, а какое-то количество осядет на дно рассольного контейнера как шлам. Практикуется также добавление химикатов. Гипохлорит натрия, сорбат натрия или калия, или делвоцид (пимарицин) – вот некоторые добавки, используемые в разных случаях. Использование химикатов должно, конечно, подчиняться существующему законодательству. Другие способы снижения уменьшения или устранения микробиологической активности: • Прохождение рассола через ультрафиолетовый свет при условии, что рассол: – был профильтрован – не будет смешан с необработанным рассолом после обработки • Микрофильтрация, при тех же условиях, как указано выше. В таблице 14.3 указано процентное содержание соли в некоторых типах сыра. Технология производства молочных продуктов/глава 14 313 Созревание и хранение сыра Созревание После свертывания во всех сырах, кроме свежих, проходит целый ряд процессов микробиологического, биохимического и физического характера. Эти изменения затрагивают как лактозу, так белок и жиры и составляют цикл созревания, который сильно различается у твердых, полутвердых и мягких сыров. Значительные расхождения имеют место даже внутри этих групп. Расщепление лактозы Дефектная ферментация может вызвать вздутие сыра. Технологии, разработанные для производства различных видов сыра, всегда направлены на контроль и регулирование роста и активности молочнокислых бактерий. Таким образом, есть возможность оказывать влияние одновременно на степень и скорость ферментации лактозы. Ранее было сказано, что в процессе чеддеризации лактоза уже ферментирована до формования сгустка. Что касается других видов сыра, ферментация лактозы должна контролироваться таким образом, чтобы большая часть расщепления происходила во время прессования сыра и, самое позднее, во время первой недели или первых двух недель хранения. Полученная молочная кислота нейтрализуется в сыре в основном буферными компонентами молока, большая часть которых была включена в сгусток. Таким образом, молочная кислота присутствует в готовом сыре в форме лактатов. На более поздней стадии лактаты создают достаточную питательную среду для бактерий, вырабатывающих пропионовую кислоту, что очень важно для микробиологической флоры Эмменталя, Грюйера и аналогичных типов сыра. Кроме пропионовой и уксусной кислоты, образуется значительное количество двуокиси углерода, что приводит к формированию больших круглых глазков в вышеуказанных сырах. Лактаты также могут расщепляться бактериями, вырабатывающими масляную кислоту при благоприятных для такой ферментации условиях, при этом выделяется водород вместе с некоторыми летучими жирными кислотами и двуокисью углерода. Такая дефектная ферментация возникает на последнем этапе, при этом водород может вызвать вздутие сыра. Закваски, обычно применяемые в производстве большинства твердых и среднемягких видов сыра, не только вызывают ферментацию лактозы, но также могут одновременно воздействовать на лимонную кислоту, присутствующую в сыре, образовывая таким образом двуокись углерода, которая способствует образованию глазков круглой и неправильной формы. Ферментация лактозы происходит под действием фермента лактозы, вырабатываемого молочнокислыми бактериями. Расщепление белка Созревание сыра, особенно твердого, характеризуется прежде всего степенью разложения белка, которая в значительной степени влияет на качество сыра, и больше всего на его консистенцию и вкус. Белок расщепляют следующие ферментные системы: • Сычужный фермент • Ферменты, продуцируемые микроорганизмами • Плазмин – фермент, который является частью фибринолитической системы. Воздействие сычужного фермента заключается в расщеплении молекул параказеина на полипептиды. Первое воздействие на белок сычужного фермента, однако, позволяет значительно быстрее расщепить казеин бактериальным ферментам, при условии, что эти ферменты будут воздействовать непосредственно на молекулы казеина. В сырах с высокой температурой пропаривания, таких как Эмменталь и Пармезан, плазмин также участвует в этом первом воздействии. В полутвердых сырах, таких как Тильзитер и Лимбургер, два процесса созревания проходят параллельно друг другу, в отличие от нормального процесса созревания твердого сычужного сыра и процесса созревания при участии слизеобразующих микроорганизмов в слизи, которая образуется на поверхности. В последнем процессе распад белка продолжается до тех пор, пока не образуется аммиак как результат сильного протеолитического действия слизеобразующих бактерий. Хранение Целью хранения является создание внешних условий, необходимых для того, чтобы как можно лучше контролировать цикл созревания. Для каждого типа сыра в разных помещениях хранения во время различных этапов созревания должно поддерживаться определенное сочетание температуры и относительной влажности. 314 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Условия хранения Для различных сыров требуется определенная температура и относительная влажность в помещениях для хранения. Климатические условия очень важны для скорости созревания, потери веса, образования корки и развития микрофлоры на поверхности (в Тильзитере, Ромадуре и других сырах) – другими словами, для всех характеристик сыра. Сыры с корками – чаще всего твердые и полутвердые типы, могут быть покрыты пластичной эмульсией, парафином или воском. Сыр без корки покрыт пластиковой пленкой или усадочным пластиковым пакетом. Покрытие сыра выполняет две задачи: 1 Предотвращает излишние потери воды 2 Защищает поверхность от проникновения микроорганизмов и грязи. Четыре приведенных ниже примера помогут создать представление о разнообразии условий хранения различных типов сыра. 1 Сыры семейства Чеддер часто созревают при низких температурах, 4–8°С, и относительной влажности ниже 80%, т. е. они обычно упакованы в пластиковую пленку или пакет и складываются в картонные или деревянные ящики перед транспортировкой на хранение. Продолжительность созревания может меняться от нескольких месяцев до 8–10, чтобы соответствовать запросам различных групп потребителей. 2 Для других типов сыра, таких как Эмменталь, возможно потребуется хранение “несозревшего” сыра в помещении при температуре 8–12°С в течение 3–4 недель, после чего последует хранение в “бродильном” помещении при температуре 22–25°С в течение 6–7 недель. Далее сыр хранят в течение нескольких месяцев в хранилище для созревания при температуре 8–12°С. Относительная влажность в помещениях должна быть обычно 85–90%. 3 Сыры, созревающие при участии микрофлоры слизи,– Тельзитер, Хаварти и другие – обычно хранятся в бродильном помещении в течение 2 недель при температуре 14–16°С и относительной влажности около 90%, за это время поверхность покрывается вырабатываемой микроорганизмами слизью, смешанной с раствором соли. Когда образуется требуемый слой слизи, сыр обычно переводят в комнату созревания при температуре 10–12°С и относительной влажности 90% на последующие 2–3 недели. В конце концов, после того как слизь смоют и сыр обернут в алюминиевую фольгу, его помещают в холодное хранилище, в котором поддерживается температура 6–10°С и относительная влажность примерно 70–75%, где сыр остается до реализации. 4 Другие типы твердых и полутвердых сыров, Гауда и аналогичные, могут вначале храниться пару недель в помещении для “незрелого” сыра при температуре 10–12°С и относительной влажности 75%. После этого период созревания в течение 3–4 недель может протекать при температуре 12–18°С и относительной влажности 75–80%. В конце концов сыр помещают в комнату для хранения, в которой поддерживается температура 10–12°С и относительная влажность примерно 75%, где окончательно формируются его характеристики. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Рис. 14.32 Механизированное хранилище. Увлажненный воздух вдувается через пластиковые сопла, расположенные на каждой полке с сыром. 315 Приведенные значения температуры и относительной влажности приблизительны и меняются в зависимости от сорта сыра в пределах одной и той же группы. Значения влажности не существенны для сыра, упакованного в пленку или пакеты. Способы кондиционирования воздуха Для поддержания необходимой влажности и температуры в сырохранилище необходима система кондиционирования воздуха, поскольку влагу из сыра нужно удалять, что будет трудно, если наружный воздух имеет высокую влажность. Входящий воздух нужно осушать охлаждением, после которого последует контролируемое увлажнение и подогрев до необходимого уровня. Достичь равномерной влажности воздуха во всех частях хранилища достаточно сложно. Для этого могут быть использованы распределительные воздушные трубопроводы, но при этом трудно избежать их бактериального обсеменения, попадания плесени. Поэтому воздухопроводы должны быть спроектированы так, чтобы их можно было мыть и дезинфицировать. Рис. 14.33 Хранилище сыра с использованием паллет. В тех случаях, когда применяется метод складирования на стеллажах, необходимо принимать во внимание нагрузку на единицу площади, т. к. вес будет значительно превышать обычную нагрузку, допустимую в старых зданиях. 316 Планировка хранилища и требования к площади Планировка зависит от типа сыра. Установка постоянных стеллажей с сыром в хранилище стало традиционным решением как для твердых, так и для полутвердых сыров. Вместимость склада для сыров весом 8–10 кг с десятью полками, установленными одна над другой, составляет примерно 300–350 кг/м2. Проходы между стеллажами имеют ширину 0,6 м, а главный коридор в середине склада – обычно 1,50–1,80 м. Стеллажи могут быть смонтированы на колесах или установлены на верхних направляющих, это устраняет необходимость в проходах между стеллажами. Их можно поставить рядом друг с другом и передвигать, только когда сыр выгружается. Система увеличивает вместимость хранилища на 30–40%, но стоимость хранения и здания остается на том же самом уровне из-за более высокой стоимости таких стеллажей. Широко используются стеллажи с паллетами или контейнеры. Паллеты или паллетные контейнеры можно установить на специальные паллеты на колесах, движущиеся по рельсам. Такой метод позволяет также иметь компактное хранилище. На рис. 14.32 показан механизированный склад сыра. Полка, расположенная на деревянном стеллаже, вмещающем 5 сыров, транспортируется в хранилище незрелого сыра и затем в специально разработанный подъемник (на рисунке не показан), который опускает или поднимает полку до установленной высоты и толкает ее на склад. На рис. 14.33 показан склад для созревания, спроектированный на основе паллет. Сыр, созревающий в пленке, упаковывается в картонные ящики и складывается на паллеты для дальнейшего хранения. Это означает, что сыр можно хранить компактно. Паллеты нельзя устанавливать друг на друга, но для них также можно использовать стеллажи с поддонами. Необходимо принимать во внимание нагрузку на единицу площади в тех случаях, когда применяется метод паллет на стеллажах, т. к. вес будет намного превышать обычную нагрузку, допустимую в старых зданиях. Система контейнеров значительно увеличивает объем хранилища по сравнению с постоянными стеллажами. Однако есть компании, которые специализируются на системах хранения различной степени сложности: они производят все – от традиционных стеллажей до компьютеризированных систем. Они могут также дать совет относительно оптимального кондиционирования воздуха для различных систем. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Производственные линии для твердых и полутвердых сыров Нижеприведенная часть этой главы описывает только некоторые примеры технологических процессов для отдельных типичных видов сыра. Твердые сыры Технологическая линия для сыра Эмменталь Молоко, предназначенное для сыра Эмменталь, обычно не пастеризуется, но содержание жира нормализуется. В периоды, когда обсемененность спорами бактерий велика, молоко можно также обрабатывать на бактофугах или установках для микрофильтрации с целью механического уменьшения количества спор перед нагреванием до 50–63°С. После предварительной обработки, включая добавление необходимых ингредиентов, можно начинать производство сгустка. Первичная технологическая схема производства бескорочного сыра Эмменталь показана на рис. 14.34. Когда кислотность сгустка достигает необходимого уровня, сгусток становится твердым, часть сыворотки удаляют из сырного чана и направляют в прессовальный чан (2). После того как отделено необходимое количество сыворотки, смесь сгустка и сыворотки через три распределителя перекачивается в прессующее устройство. После транспортировки смеси сгустка и сыворотки и ручного регулирования уровня сгустка (могут использоваться также комбинированные системы механического распределения и уравнивания) пресс опускается. Одновременно сливается избыток сыворотки. Приложение запрограммированных значений давления в течение заданных периодов времени продолжается в течение 10–20 часов в зависимости от интенсивности образования молочной кислоты. После прессования пласт сыра режут на блоки подходящих размеров путем транспортирования по конвейеру через разгрузочное устройство, которое имеет вертикальные ножи для резки вдоль и гильотинный нож для поперечной резки. 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 14.34 Технологическая схема для механизированного производства бескорочного сыра Эмменталь. 1 Сырная ванна 2 Прессующая ванна для общего прессования сгустка 3 Устройство для разгрузки и разрезки 4 Конвейер 9 10 Молоко Сгусток/сыр 5 Посолка 6 Упаковка в пленку и картонные коробки 7 Сыр на паллетах направляется в хранилище для незрелого сыра 8 Переворачивание сыра 9 Бродильное помещение 10 Помещение для созревания При разрезке сырной массы на блоки образуются новые поверхности без “защитного слоя”. Иногда поверхность блоков уплотняют перед посолкой, для того чтобы достичь равномерного проникновения рассола. Это делается путем прессования горячей пластиной, покрытой тефлоном. Так как сыры Эмменталь обычно большие, от 30 до 50 кг и более, продолжительность посолки может изменяться и составлять до 7 дней. После посолки бескорочный сыр обычно обертывают пленкой и упаковывают в картонные коробки или большие контейнеры, а затем подают в сырохранилище. Во время хранения сыр рекомендуется переворачивать, для того чтобы получить лучшую форму и более ровное образование глазков. Переворачивание поддонов можно выполнять с помощью специально разработанных автопогрузчиков. Технология производства молочных продуктов/глава 14 317 Технологическая линия для сыра Чеддер Группа сыров, включающая Чеддер,– наиболее распространенная в мире. Содержание влаги в обезжиренной основе (MFFD) сыра Чеддер составляет 55%, что указывает на его принадлежность к классу твердых сыров, хотя данное значение находится на границе с классом полутвердых сыров. Принцип высокомеханизированного производства показан на рис. 14.35. Сгусток обычно изготавливают из пастеризованного молока, нормализованного по массовой доле жира. При кислотности примерно 0,2% молочной кислоты (м.к.) после 2–2,5 часа производства смесь сгустка и сыворотки перекачивается из сырной ванны в машину для чеддеризации непрерывного действия. Предварительное удаление сыворотки обычно не практикуется. Чтобы поддерживать непрерывную подачу, рассчитанное число сырных ванн по графику последовательно и регулярно опорожняется с интервалами, например, 20 минут. После чеддеризации, продолжающейся примерно 2,5 часа, включая размалывание и сухую посолку сырной массы с кислотностью 0,6% м.к., куски под действием сжатого воздуха направляются в установку, формирующую блоки. Для обеспечения непрерывности производства должно быть предоставлено соответствующее количество блочных форм. При выходе из каждой блочной формы отрезанный блок вручную снабжается пластиковым пакетом. Затем блок в пакете по конвейеру направляют в вакуумную упаковочную машину (4). После герметизации сыр взвешивают (5) и направляют в машину (6), где его упаковывают в картонную упаковку, а затем транспортируют на паллетоукладчик. Заполненную паллету затем на грузовике отправляют на склад для созревания, в котором сыр выдерживается от 4 до 12 месяцев при температуре 4–8°С. 1 2 3 4 5 6 Рис. 14.35 Технологическая схема производства сыра Чеддер. 1 Сырный чан 2 Машина чеддеризации 3 Устройство для формования блоков и укладывания в мешки 4 Герметизация под вакуумом 7 8 Молоко Сгусток/сыр 5 Взвешивание 6 Упаковка в картон 7 Устройство для укладывания на паллеты 8 Склад созревания Полутвердые сыры Технологическая линия для сыра Гауда Сыр Гауда, вероятно, наиболее известный представитель сыров с круглыми глазками. Технологическая линия производства сыра Гауда показана на рис. 14.36. Пастеризованное молоко, нормализованное по содержанию жира, трансформируется в смесь сгусток/сыворотка стандартным способом в течение 2 часов. Обычно часть или (иногда) весь подогрев выполняется путем прямого добавления горячей (50–60°С) воды в количестве, равном 10–20% от первоначального объема молока. Для этого сначала нужно слить примерно 20–30% сыворотки. После завершения производства сгустка и слива сыворотки в пропорции смеси сгустка/сыворотки 1:3,5–4,0 содержимое из сырной ванны выгружается и отправляется в буферный танк (2), у которого имеется мешалка для должного распределения сгустка в сыворотке. Наличие двойных стенок танка позволяет охлаждать сгусток до 1–2°С холодной или ледяной водой, что может потребоваться для снижения активности заквасочной культуры. Смесь сыворотки и сгустка перекачивают из заполненного буферного танка в одну или более колонн (3) предварительного прессования. В самом начале предварительного прессования колонна 318 Технология производства молочных продуктов/глава 14 в первую очередь заполняется сывороткой, обычно “вторичной” сывороткой из самой первой сырной ванны, которая опорожняется, с тем чтобы последующая порция сгустка при входе в колонну не контактировала с воздухом. Для непрерывной работы последовательно функционирует определенное количество сырных ванн, которые регулярно опорожняются с интервалами 20–30 минут. После предварительного прессования гильотинная система на дне каждой колонны отрезает блок заранее установленного размера, после чего этот блок выталкивается из машины. Обычно блоки попадают под действием собственного веса в чистые формы, транспортируемые из моечных машин и установленные под колоннами. Полностью механизированная система также включает: • Механическое закрывание форм крышкой (4) • Передачу форм на транспортер или туннельный пресс с заранее запрограммированными давлением и продолжительностью прессования (5) • Заполнение и опорожнение прессов • Транспортирование форм через устройство снятия крышки (6), устройство для переворачивания формы (7), систему опорожнения формы (8), весы (9) и усовершенствованную систему посолки (10). Формы и крышки отдельно друг от друга подаются на конвейере в комбинированную моечную машину перед повторным использованием. После посолки сыр хранится на складе незрелого сыра в течение 10 дней при 10–12°С, после чего хранение продолжается в помещении для созревания при 12–15°С в течение 2–12 месяцев. 3 1 12 13 2 4 5 6 7 Рис. 14.36 Технологическая схема механизированного производства сыра Гауда. 1 Сырная ванна 2 Буферный танк 3 Машина предварительного прессования Casomatic 4 Сборка формы 5 Конвейерный пресс 6 Разборка формы 8 9 10 11 Молоко Сгусток/сыр 7 Переворачивание форм 8 Опорожнение форм 9 Взвешивание 10 Посолка 11 Склад для созревания 12 Мойка форм и крышек 13 Переворачивание форм Технологическая линия для сыра Тильзитер Тильзитер выбран как типичный сыр с зернистой структурой. Принцип работы механизированной производственной линии показан на рис. 14.37. Предварительная обработка молока и производство сгустка проходят так же, как и при производстве сыра Гауда. Главным отличием является то, что, когда заполняются колонны предварительного прессования, сгусток отделяется от сыворотки перед подачей сгустка в колонну. Это осуществляется с помощью ротационного фильтра (4), расположенного в верхней части колонны. Во всем остальном производственная схема почти такая же, как и для сыра Гауда. После посолки, однако, сыр Тельзитер подвергается специальной обработке, включая смазывание поверхности бактериальной культурой в 5%-ном растворе соли, чтобы придать ему специфический запах. Поэтому вначале сыр Тильзитер хранится в бродильном помещении с высокой относительной влажностью (90–95%) и температурой примерно 14–16°С. Процедура смачивания поверхности сыра раствором бактериальной культуры выполняется либо вручную, либо частично механизированным способом, после чего сыр хранится примерно 10–12 дней. После этапа обработки поверхности сыр попадает в хранилище для созревания при температуре 10–12°С, часто пройдя моечную машину. Продолжительность этого этапа – 2–3 недели. Технология производства молочных продуктов/глава 14 319 4 1 2 15 14 5 6 3 7 9 8 13 10 11 12 Рис. 14.37 Технологическая схема механизированного производства сыра Тильзитер. 10 Взвешивание 1 Сырная ванна 11 Посолка 2 Буферный танк 12 Помещение для созревания 3 Машина предварительного с машиной смачивания прессования Casomatic поверхности раствором 4 Ротационный фильтр бактериальной культуры 5 Сборка формы 13 Склад для созревания 6 Конвейерный пресс 14 Мойка форм и крышек 7 Разборка формы 15 Переворачивание форм 8 Переворачивание форм 9 Опорожнение форм Молоко Сгусток/сыр После выдержки в хранилище для созревания сыр Тильзитер перед отправкой на холодное хранение при 6–10°С может быть промыт и упакован в алюминиевую фольгу. Технологическая линия для сыра Моцарелла “Formaggio a pasta filata” – итальянское название типов сыра, который у нас обычно называют сыр Паста Филата и характерной чертой которого является “эластичный” вязкий сгусток, как, например, у сыров Моцарелла и Проволонь. Типичный сыр Моцарелла первоначально изготавливался и все еще делается на основе молока, которое получают от буйволиц, выращиваемых в Центральной Италии. Сыр Моцарелла также делают из смеси молока буйволиц и коров, но сейчас наиболее часто используют только коровье молоко. В некоторых странах сыр Моцарелла еще называют сыром-пиццей. Обычно производство сыра Моцарелла включает: • Производство сгустка обычным способом 1 12 2 3 11 5 4 6 7 8 10 9 Молоко Сгусток/сыр Рис. 14.38 Технологическая схема механизированного производства сыра Моцарелла. 1 2 3 4 5 6 320 Сырная ванна Установка для чеддеризации Шнековый конвейер Пластификатор Сухая посолка Формование 7 Туннель для затвердения 8 Удаление форм 9 Посолка 10 Укладка на паллеты 11 Хранение 12 Мойка форм Технология производства молочных продуктов/глава 14 • Чеддеризацию, в том числе размалывание на куски, но без посолки • Пластификацию для придания эластичного, вязкого состояния • Формование, затвердевание и посолку • Упаковку, например, в пластиковые пакеты вместе с некоторым количеством рассола • Короткое хранение до реализации. Рис. 14.38 иллюстрирует принцип механизированного производства. Пастеризованное молоко, нормализованное по содержанию жира, обычным путем перерабатывается в сгусток. Затем сгусток и сыворотку перекачивают в механическую машину для чеддеризации (2) несколько упрощенного типа по сравнению с той машиной, которая используется в производстве сыра Чеддер, при этом сгусток уплотняется и размалывается на куски. Процесс уплотнения и размалывания протекает примерно 2–2,5 часа. После чеддеризации куски сырной массы транспортируют шнековым конвейером (3) в приемник пластификатора (4). Затем пластичный сгусток постоянно экструдируется в формовочную машину (6), по пути к которой он может быть посолен сухой поваренной солью (5), чтобы сократить время посолки от обычных 8 часов примерно до 2. Сгусток вырабатывается в формовочный аппарат, а затем его транспортируют через туннель затвердения, где сыр охлаждают от 65–70°С до 40–50°С распылением охлажденной воды над формами. В конце туннеля формы проходят устройство для снятия форм (8). Сыр падает в ванну с медленно текущим холодным рассолом (8–10°С), а пустые формы (11) поступают по конвейеру на моечную машину (12), из которой они возвращаются на наполнительную машину. Перед погрузкой на паллеты сыр может быть упакован в пакеты или картонные коробки, которые затем грузовик доставляет на склад. Полутвердые, полумягкие и мягкие сыры Иногда трудно четко классифицировать тип сыра как полутвердый или полумягкий, и полумягкий или мягкий, т. к. некоторые типы являются промежуточными. Сыры типа Тильзитер являются типичными сырами ранних промежуточных форм, так же как и голубой сыр, в то время как сыры Бри представляют собой более поздние промежуточные типы. Ниже дано краткое описание методов производства: • Голубого сыра, типичного представителя полутвердых и полумягких сыров с плесенью внутри (используется Penicillium roqueforti) • Сыра Камамбер, представителя полумягких/мягких типов сыра с образованием плесени на поверхности с помощью Pencillium camemberti и Penicillium candidum • Домашнего сыра и Кварга как представителей мягкого свежего сыра. Полутвердый и полумягкий сыр Голубой сыр Прототипом голубого сыра является Рокфор, который происходит из городка Рокфор, расположенного в округе Аверон во Франции. Сыр Рокфор делают из овечьего молока; если в производстве такого типа сыра используется какой-либо другой вид молока, то он не должен называться Рокфор. Голубой сыр – это общее название сыров, внутри которых развивается сине-зеленая плесень. Чтобы имитировать характерный запах сыра Рокфор, используемое коровье молоко должно быть частично гомогенизированным, т. е. нормализованным путем смешивания обезжиренного молока с гомогенизированными сливками с содержанием жира примерно 20%. Причина этого в повышенной чувствительности жира, подвергшегося гомогенизации, к воздействию липолитических ферментов, образующихся в результате развития плесени Penicillium roqueforti. После нормализации молоко обычно пастеризуют при температуре примерно 70°С, охлаждают до 31–32°С и направляют в сырную ванну. После добавления обычной закваски и суспензии, содержащей споры P. roqueforti, молоко тщательно и мягко перемешивают для достижения хорошего распределения микроорганизмов перед сычужным свертыванием. Технология производства молочных продуктов/глава 14 321 Блок-схема процесса производства голубого сыра показана на рис. 14.39. Поскольку эта блочная схема самодостаточна, ниже приводятся только краткие комментарии. Рис. 14.40 Пресс для прокалывания голубого сыра. Рис. 14.41 Чашеобразные полки или вращающиеся стержни для хранения голубого сыра. Рис. 14.39 Принцип производства голубого сыра. 322 Через 5 дней после нахождения в хранилище созревания в сыре прокалывают отверстия, облегчающие проникновение кислорода, который необходим для роста плесени. Прокалывание выполняется инструментом с иглами диаметром примерно 2 мм, которые по длине равны высоте сыра. Количество игл зависит от диаметра цилиндрического сыра, который часто прокалывают сверху или снизу, чтобы не допустить его растрескивания. Прошивочная машина показана на рис. 14.40. Во время периода созревания в течение 5–8 недель при 9–12°С и относительной влажности > 90% сыр лежит набоку обычно на чашеобразных полках или на вращающихся стержнях, как показано на рис. 14.41. Последняя система обеспечивает переворачивание сыра, что периодически делается для сохранения цилиндрической формы. После периода предварительного созревания сыр проходит через моечную машину для удаления как слизи, которая обычно образуется при высокой относительной влажности в хранилище, так и плесени. После промывки сыр обычно упаковывается в алюминиевую фольгу или пластиковую пленку, а затем его направляют в хранилище с температурой примерно 5°С, из которого он через пару дней отправляется на склад розничного магазина. Технология производства молочных продуктов/глава 14 Полумягкие/мягкие сыры Сыр Камамбер Камамбер можно рассматривать как характерный тип сыра, покрытый белой плесенью, образованной Penicillium camemberti и Penicillium candidum. Еще одним представителем является сыр Бри. Процесс сыроделия почти тот же, что и для голубого сыра. Сыры бывают маленькие и плоские. Самопрессование в формах продолжается 15–20 часов, в это время нужно переворачивать сыры четыре раза. Посолка осуществляется насыщенным рассолом (концентрация соли 25%) в течение 1–1,5 часа. После посолки сыры помещают на стеллажи из нержавеющей стали, как показано на рис. 14.42, или на поддоны. Стеллажи компонуют по 15–20 штук в высоту и затем автопогрузчиком подают в камеру хранения при 18°С и относительной влажности 75–80%, где сыр сушится в течение двух дней. Затем сыр транспортируют в хранилище для созревания при 12–13°С и относительной влажности 90%. Во время периода созревания сыры нужно часто переворачивать. После развития белой плесени в достаточном количестве (обычно через 10–12 дней) сыр упаковывают в алюминиевую фольгу и достаточно часто укладывают в ящик, а затем отправляют на холодный склад, где до отправки в магазины его держат при 2–4°С. Рис. 14.42 Стеллаж для белого плесневого сыра. Мягкий сыр Домашний сыр Домашний сыр – это свежий сливочный сгусток с низкой кислотностью, т. к. во время приготовления его тщательно промывают. Производитель может выбрать любой из трех способов изготовления домашнего сыра: • Длительный • Метод средней длительности • Короткий метод. При этом выработанный продукт будет иметь идентичные характеристики. Главные отличия этих методов приведены в таблице 14.4. После разрезки, независимо от способа изготовления, сгусток оставляют в покое на 15–35 минут. Перед разрезкой производитель должен решить еще один вопрос: изготовить мелкозернистый, средне- или крупнозернистый сыр, что определяется размером зерен, образующихся при разрезке сгустка. После периода покоя и перемешивания сгусток нагревают обычно косвенным способом в течение 1–3 часов до тех пор, пока температура не достигнет 47–56°С. Когда весь процесс производства домашнего сыра проходит в одной ванне, некоторое количество сыворотки сливается, чтобы освободить место для соответствующего количества промывочной и охлаждающей воды. Таблица 14.4 Параметры технологического процесса для различных способов производства домашнего сыра Этап обработки Длительный Средний Короткий Продолжительность до разрезки Температура молока Внесение закваски Сычужный фермент (соотношение 1:104) 14—16 часов 22°С 0,5% 2 ppm 8 часов 26,5°С 3% 2 ppm 5 часов 32°С 5% 2 ppm Технология производства молочных продуктов/глава 14 323 Когда один и тот же танк используется для всего производства, сгусток обычно промывают тремя порциями воды при температуре 30, 16 и 4°С соответственно. Тщательное промывание приводит к разбавлению лактозы и молочной кислоты, а дальнейшее кислотообразование и уплотнение останавливаются путем охлаждения сгустка до 4–5°С. Общее время промывания, включая периоды промежуточного слива смеси сыворотки и воды, длится примерно 3 часа. После того как вся вода была слита, добавляют пастеризованные (80–90°С) сливки при 4°С, содержащие небольшое количество соли, и тщательно перемешивают. В “обычном” домашнем сыре содержится приблизительно 79% влаги, 16% сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), 4% жира и 1% соли. На заключительном этапе домашний сыр упаковывается в контейнеры и хранится при 4–5°С до того, как попадет в розничную торговлю. Согласно приведенному описанию домашний сыр может быть выработан в одной ванне. Тем не менее для рационализации производства были разработаны специальные системы для промывки и внесения сливок – в частности, для промывки сгустка и добавления в него сливок. Принцип рационально функционирующей технологической линии производства домашнего сыра показан на рис. 14.43. 7 1 2 3 5 6 4 Сгусток Обезжиренное молоко Закваска Сыворотка Промывочная вода Соус (сливки с солью) 8 Рис. 14.43 Технологическая схема механизированного производства домашнего сыра. 1 2 3 4 Сырная ванна Фильтр для сыворотки Танк для охлаждения и промывки Пластинчатый теплообменник 5 6 7 8 Слив воды Смеситель Танк для соуса (сливки и соль) Наполнительная машина Из закрытой ванны для производства сгустка (1), которая служит, помимо прочего, для защиты молока от бактериального обсеменения воздушным путем во время длительного (16–20 часов) или относительно короткого (5 часов) коагуляционного периода, смесь сыворотки и сгустка перекачивается через статический фильтр для сыворотки (2) в танк для охлаждения и промывки (3). Когда сыворотка поступает в сборный танк, сгусток падает в танк для охлаждения и промывки с определенным уровнем свежей воды. Еще до того, как весь сгусток из сырной ванны переводится в танк для охлаждения и промывки, в танк через входное отверстие, расположенное на дне, закачивается свежая вода. В танке на определенном уровне находится частично перфорированное выходное отверстие для избытка жидкости, задерживающее сгусток. Через несколько минут, когда избыток жидкости более или менее не содержит сыворотку, подачу воды прекращают, после чего вода циркулирует через пластинчатый теплообменник (4), в котором температура постепенно понижается до 3–4°С. В целом продолжительность процесса охлаждения и промывания составляет 30–60 минут, заполнение и опорожнение танка для охлаждения и промывки в это время не включается. После промывки и охлаждения сгусток перекачивают через дренажное устройство (5) в смеситель(6), предназначенный для смешивания сгустка и сливок. В заключение жирный домашний сыр упаковывают в тару. 324 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Кварг Кварг определяют как “кисломолочную обезжиренную сырную массу, употребляемую несозревшей”. Кварг часто перемешивают со сливками, и иногда также с фруктами и приправами. Для каждой страны существует определенный стандарт на этот продукт, так, содержание сухих веществ в обезжиренном Кварге может составлять от 14 до 24%. Согласно традиционному способу производства, в котором используется сепаратор для Кварга, молоко до сквашивания и сепарирования предварительно пастеризуется при температуре 73°С. В настоящее время принято использовать высокотемпературную длительную пастеризацию обезжиренного молока при температуре 85–90°С с выдержкой 5–15 минут и дальнейшую тепловую обработку сквашенного молока перед сепарированием. Этот метод называется термизацией, а рекомендуемая температура тепловой обработки составляет от 56 до 60°С в течение 3 минут. Это вместе с высокотемпературной пастеризацией обезжиренного молока способствует повышению выхода. Технология производства Кварга показана на рис. 14.44. После пастеризации и охлаждения до 25–28°С молоко направляется в танк (1), в который также добавляют закваску, обычно содержащую бактерии Streptococcus Lactis/cremoris, часто вместе с небольшим количеством сычужного фермента, как правило, одну десятую от количества, используемого в обычном процессе изготовления сыра, или около 2 мл жидкого сычужного фермента на 100 кг молока. Это необходимо для получения более плотного коагулята. 1 6 3 4 7 5 8 9 2 Рис. 14.44 Схема технологического цикла механизированного производства сыра Кварг. 1 Танк для сквашивания 2 Пластинчатый теплообменник для термизации 3 Система фильтрования 4 Сепаратор для Кварга 5 6 7 8 9 Пластинчатый теплообменник Промежуточный танк Танк для сливок Динамический смеситель Наполнительная машина Сгусток Обезжиренное молоко Закваска Хладагент Теплоноситель Сыворотка Сливки Коагулят образуется через 16 часов при рН 4,5–4,7. После того как коагулят перемешают, производство Кварга начинается с термизации (2) и охлаждения до 37°С. Следующим этапом является центробежное сепарирование (4), Кварг выгружается из сепаратора через сопла, расположенные по периферии барабана, и попадает в циклон, из которого его перекачивают объемным насосом через пластинчатый охладитель (5) в буферный танк (6). Сыворотка собирается из выходного отверстия сепаратора. Конечная температура охлаждения зависит от общего содержания сухих веществ и, в частности, белка. При содержании сухих веществ 16–19% температура составит 8–10°С. При содержании сухих веществ 19–20% Кварг следует охлаждать только до 11–12°С. Для охлаждения используются также трубчатые охладители, но они неэкономичны для небольших объемов производства, потому что из-за большого объема продукта, задерживаемого в охладителе, потери продукта, выраженные в процентах от загрузки, высоки. Охлажденный продукт обычно собирается в буферном танке, а затем отправляется на упаковку. При производстве жирного Кварга в поток добавляют соответствующий объем свежих или сквашенных сливок и перемешивают в динамическом смесителе (8), после чего продукт направляется на упаковочную машину (9). При производстве Кварга с длительным сроком хранения для инактивации всех микроорганизмов в технологический процесс включают тепловую обработку продукта. Технология производства молочных продуктов/глава 14 325 В буферном танке к продукту необходимо добавить подходящие стабилизаторы и тщательно его перемешать. Стабилизаторы нужны для стабилизации системы белков перед конечным подогреванием, которое осуществляется в пластинчатом, трубчатом или шнековом теплообменнике. Показанная здесь технологическая линия производства Кварга может также использоваться для производства концентрированного йогурта или йогурта Лабнех, а также как часть линии для производства сливочного сыра. Ультрафильтрация (УФ) в сыроделии Ультрафильтрация применяется в сыроделии в трех случаях: • Предварительная концентрация до низкой концентрации с использованием коэффициента концентрации (КК) 1,5–2,0 для нормализации соотношения белка и жира, после чего следует стандартное изготовление сыра на традиционном оборудовании • Умеренная концентрация (КК = 3–5) и последующее производство сыра по модифицированному способу, включающему слив сыворотки. Оборудование значительно отличается от традиционно используемого • Концентрация до конечного содержания сухих веществ, во время которой молоко вначале обрабатывают УФ (КК = 6–8) для получения содержания сухих веществ до 35%, а затем проводится обработка для достижения типового содержания сухих веществ в сыре. Первые два метода могут применяться для производства нескольких типов сыра, в то время как третий позволяет производить совершенно новые типы сыра. При коэффициенте концентрации (КК) 3–5 увеличение твердости сгустка приводит к необходимости укрепить или даже специально разработать режущие и перемешивающие инструменты. Традиционные режущие инструменты способны обрабатывать сгусток с содержанием белка приблизительно до 7%, что ограничивает коэффициент концентрации до 2. Для обработки сгустка, вырабатываемого с помощью ультрафильтрации и коэффициентом концентрации 3–5 были разработаны машины нового типа, одна из которых показана на рис. 14.45. Устройство для производства сгустка состоит из дозирующих насосов (1), клапанного блока (3), статических смесителей (2), комплекта коагуляционных труб (4) и режущего устройства (5). Из дозирующих насосов смесь ретентата, сычужного фермента и закваски распределяется по коагуляционным трубам. Стандартная машина этого типа имеет четыре спирально закрученные коагуляционные трубы, которые защищены изоляцией и стенкой из нержавеющей стали. Изоляция нужна для поддержания необходимой температуры сычужного свертывания. Ретентат, сычужный фермент и закваска дозируются насосами и тщательно перемешиваются в установке до попадания в трубу 1. В то время как смесь постепенно коагулирует, происходит заполнение трубы 2, а затем последовательно труб 3 и 4. Когда заполняется труба 4, содержимое трубы 1 скоагулировало и готово к опорожнению. Время, необходимое для коагуляции в трубах, регулируется скоростью дозирующего насоса. Коагуляционные трубы подводятся к режущему Рис. 14.45 Принцип работы установки для производства сгустка. 1 Дозирующий насос для: a ретентата b закваски c раствора сычужного фермента 2 Статические смесители 3 Клапаны 4 Коагулятор 5 Режущее устройство 326 1 Сгусток Ретентат Закваска Сычужный фермент 2 5 3 a b 2 c 4 Технология производства молочных продуктов/глава 14 устройству, которое состоит из комплекта стационарных ножей и одного вращающегося ножа (рис. 14.46). Сырная масса продавливается через стационарные ножи, разрезающие ее на куски. На следующем этапе ленты сгустка разрезаются ротационным ножом, в результате чего образуются кубики, которые отправляются на последующее оборудование. Затем они обрабатываются согласно схеме производства данного сыра. 1 2 Производство сыра с использованием ультрафильтрации и устройства для обработки сгустка 3 Сыр с круглыми глазками, гранулированной и плотной структурой можно производить, используя установки для УФ в сочетании с машиной для производства сгустка описанного типа. Тип перерабатывающего оборудования, устанавливаемого после машины по производству сгустка, зависит от изготавливаемого вида сыра. Линия производства сыра Тильзитер показана на рис. 14.47. Предварительная обработка молока такая же, как при традиционном способе производства, например, пастеризация при 72°С в течение 15 секунд. Для некоторых типов сыра молоко сквашивают до рН 6,0–6,3. Молоко концентрируется до КК = 3–5 в установке для ультрафильтрации, т. е. до общего содержания сухих веществ 25–40%. Во время ультрафильтрации лактоза может вымываться вместе с водой, таким образом, содержание лактозы в сгустке можно регулировать, а рН – контролировать. Это необходимо для сыра, где показатель рН не должен опускаться ниже 5,1. Рис. 14.47 Технологическая схема производства сыра Тильзитер с использованием ультрафильтрации и машины по производству сгустка. 1 Танк для хранения молока 2 Предварительная обработка, включая термизацию 3 Модуль ультрафильтрации 4 Последующая обработка ретентата, включая пастеризацию 5 Танк для смешивания 6 Дозирующий насос 7 Статические мешалки Рис. 14.46 Режущее устройство машины для производства сгустка. 1 Концы труб со стационарными горизонтальными и вертикальными ножами 2 Вращающийся нож 3 Рама 8 Машина по производству сгустка 9 Режущее устройство 10 Наполнение форм 11 Слив сыворотки и переворачивание 12 Опорожнение форм 13 Посолка 14 Сырохранилище 3 2 1 Молоко/ретентат Пермеат Добавки Закваска Сычужный фермент Сгусток Теплоноситель Хладагент 4 9 10 5 6 11 12 7 8 13 Технология производства молочных продуктов/глава 14 14 327 Пермеат содержит только лактозу, некоторые минералы и небелковые компоненты. Ретентат охлаждается до температуры сычужного свертывания (20–38°С) в зависимости от типа сыра. Ретентат проходит через установку для производства сгустка (8), из нее выходят сырные кубики (9), которые подаются в систему для формования (10). Во время самопрессования сыр несколько раз переворачивают. В итоге перед опорожнением форм сыр может быть подвергнут механическому прессованию в течение короткого промежутка времени (10–15 минут). Обычно, чтобы получить содержание соли 1,6–1,8%, посолку сыра осуществляют в рассоле, для чего головки сыра весом 4 кг погружают в ванну с концентрацией соли 20–23% при температуре 10–12°С приблизительно на 30 часов. После посолки сыр передается на хранение при 16°С и относительной влажности 90%. Обработка поверхности, а также дальнейшая обработка аналогичны тем, которые были описаны выше для традиционного производства сыра Тильзитер. Новые тенденции Концентрация молока, предназначенного для производства сыра, в установке ультрафильтрации, рассчитанной на коэффициент концентрации КК 6–8, при последующем концентрировании ретентата при вакуумной обработке до того же самого содержания сухих веществ, как и у готового продукта (сыра), предоставляет новые возможности рационализации производства. Такие методы, кроме того, значительно уменьшают потери жира и белка. Плавленый сыр Рис. 14.48 Котел для плавления сыра. Плавленый сыр делают путем дальнейшей переработки готового сыра, обычно смеси различных твердых сычужных сортов с разными добавками и степенью зрелости. Существуют два типа этого сыра: • Сырные блоки с твердой консистенцией, высокой кислотностью и относительно низким содержанием влаги • Сырные пасты с мягкой консистенцией, низкой кислотностью и высоким содержанием влаги. При производстве плавленого сыра используются различные вкусовые наполнители. Органолептические показатели сыра можно также изменить с помощью его копчения. Плавленый сыр обычно содержит 30–45% жира из расчета на общее количество сухих веществ, хотя производятся и более постные, и более жирные виды. Главным образом состав зависит от содержания влаги и сырья, используемого для производства сыра. Сыр, используемый как исходный материал, имеет то же качество, что и сыр для непосредственного потребления. В качестве сырья может быть также использован сыр с дефектами поверхности, цвета, структуры, размера и формы, и сыр с ограниченным сроком хранения, а также сыр, в котором брожение было вызвано, например, бактериями группы кишечной палочки, при условии, что он не имеет посторонних запахов. Если для изготовления плавленого сыра используется сыр, в котором обнаружено развитие масляно-кислых бактерий, это может явиться причиной пороков, вызываемых этими микроорганизмами. Высококачественный плавленый сыр может быть произведен только из высококачественного сырья. Производство Рис. 14.49 Котел для плавления сыра. Открыт и развернут для выгрузки. 328 Производственный процесс начинается с зачистки и промывания сыра, который затем измельчается. На больших фабриках измельченный сыр непрерывно плавится, а на мелких заводах он передается в котлы для плавления, один из вариантов которых показан на рис. 14.48 и 14.49. Сначала в сыр добавляют и перемешивают воду, соль и эмульгатор/ стабилизатор. Для ускорения плавления смесь подогревается до 70–95°С или даже выше (в зависимости от типа плавленого сыра) в котел, в межстенное пространство которого подается пар, или прямой инжекцией пара в течение 4–5 мин. для блочного сыра и 10–15 мин. для пасты. Во время подогрева его Технология производства молочных продуктов/глава 14 постоянно перемешивают во избежание пригорания. Процесс обычно осуществляют под вакуумом, что положительно сказывается на подогреве и эмульгировании. При этом удаляются нежелательные запахи и привкусы и облегчается регулирование содержания влаги. Емкость котла для плавления сыра периодического действия – 75 кг. Показатель рН плавленого сыра должен составлять 5,6–5,9 для паст и 5,4–5,6 для типов, предназначенных для нарезки. Отклонение рН сырья регулируется путем смешивания сыров с различными рН и добавления эмульгаторов/стабилизаторов до требуемого уровня. Кроме того, эмульгаторы/стабилизаторы связывают кальций. Это необходимо для стабилизации сыра, что позволяет исключить в нем потери влаги и жира. Затем плавленый сыр выгружается из котла для плавления в контейнер из нержавеющей стали, который транспортируется на упаковку, где опорожняется в приемный бункер упаковочных машин. Последние, как правило, полностью автоматизированы и могут производить упаковки разного веса и размера. Обычно сыр упаковывают при температуре плавления. Пастообразный плавленый сыр нужно как можно быстрее охладить, поэтому после упаковки он должен пройти через охладитель туннельного типа. Быстрое охлаждение улучшает качество его намазывания. Сырный блок, наоборот, нужно охлаждать медленно. После формования сыр оставляют при температуре окружающего воздуха. Технология производства молочных продуктов/глава 14 329 330 Технология производства молочных продуктов/глава 14 Переработка сыворотки Сыворотка, жидкий побочный продукт, образующийся при производстве сыра и казеина, характеризуется высоким содержанием пищевого белка и до сих пор практически не используется человеком. В ежегодно производимом количестве сыворотки, составляющем 120 миллионов тонн, содержится около 0,7 миллиона тонн высокоценного протеина, это количество примерно соответствует содержанию белка в 2 миллионах тонн бобов сои. Несмотря на постоянную нехватку белка на большей части земного шара, значительная часть производимой сыворотки до сих пор не перерабатывается – в 1989–1990 гг. ее потери составили около 50%. Сыворотка составляет около 80–90% от общего объема перерабатываемого молока и содержит около 50% питательных веществ, входящих в состав необработанного молока: растворенные белки, лактозу, Технология производства молочных продуктов/глава 15 331 витамины и минеральные вещества. Сыворотка, которая является побочным продуктом производства твердых, полутвердых и мягких сыров и сычужного казеина, называется сладкой сывороткой и имеет рН 5,9–6,6. При производстве осажденного неорганическими кислотами казеина образуется кислая сыворотка с рН 4,3–4,6. В таблице 15.1 указаны примерный состав сыворотки, получаемой при производстве различных типов сыра и казеина. Таблица 15.1 Приблизительный состав сыворотки, % Ингредиент Подсырная сыворотка Сухие вещества Вода Жир Белок Небелковые азотные соединения Лактоза Зола (минеральные вещества) Кальций Фосфор Натрий Калий Хлориды Молочная кислота Казеиновая сыворотка 6,4 93,6 0,05 0,55 0,18 4,8 0,5 0,043 0,040 0,050 0,16 0,11 0,05 6,5 93,5 0,04 0,55 0,18 4,9 0,8 0,12 0,065 0,050 0,16 0,11 0,4 Таблица 15.2 Примеры использования сыворотки и изготовленных из нее продуктов • Сывороточные пасты/сыры Сыры натурального изготовления Напитки • Технические продукты 332 • • • ров тоз лак • • • • • • • Лактоза ная изи рал • • • • • • • • • • • Кондитерские изделия Фармацевтические продукты Дрожжевые продукты • • • • • • • Потребление человеком Детское питание Диетическое питание Колбасные изделия Супы Хлебобулочные изделия Заправки к салатам Без • Дем Корм для скота Сывороточные белки анн ая Дем ин и бе ерали з зла ктоз ирован ная ная Нео (сы чищен рец ная ) Раф ини ров анн ая Сгущенная или сухая сыворотка ине Сыворотка Жид кая сыв оро тка Нат ура льн ая Под сла щен ная Дем ине рал изи ров Без анн бел ая ков ая Без лак тоз ная Сыворотка и изготовленные из нее продукты • • • • • • • • • Технология производства молочных продуктов/глава 15 Сыворотку часто разбавляют водой. Приведенные выше цифры относятся к неразбавленной сыворотке. Что касается фракции NPN (небелковых азотистых соединений), около 30% ее состоит из мочевины. Остальную часть составляют аминокислоты и пептиды (глико-макропептид, полученный при сычужной коагуляции). Таблица 15.2 показывает некоторые области использования сыворотки и изготовленных их нее продуктов. Рис. 15.1 Варианты переработки сыворотки. Хотя сыворотка содержит большое количество ценных питательных веществ, новые промышленные способы для производства продуктов из сыворотки были разработаны только в последние годы. На схеме, показанной на рис. 15.1, изображены различные процессы, которые используются при переработке сыворотки, и конечные продукты производства. Вне зависимости от типа дальнейшей обработки на первой стадии для увеличения экономического выхода, а также потому, что эти ингредиенты могут нарушать процессы дальнейшей обработки сыворотки, отделяются жир и казеиновая пыль (рис. 15.2). Основными направлениями переработки являются: производство сухой сыворотки, деминерализованной сухой сыворотки, лактозы и безлактозной сухой сыворотки. Однако происходит существенный сдвиг в сторону производства новых интересных продуктов, благодаря чему сыворотка становится вместо нежелательного побочного продукта производства важным сырьем для производства высококачественных продуктов. Некоторые используемые сегодня продукты описаны в этой главе. Различные технологии переработки сыворотки Сыворотка должна быть переработана как можно быстрее после ее получения, так как благодаря ее составу в ней начинают быстро размножаться бактерии. В противном случае необходимо немедленно охладить сыворотку до температуры 5°С, чтобы временно остановить рост бактерий. Если разрешено законом, можно консервировать сыворотку путем добавления бисульфита натрия обычно в концентрации 0,4%, считая как двуокись серы (SO2), или перекиси водорода (H2O2) – обычно в концентрации 0,2%, исходя из 30%-ного раствора H2O2. Выделение казеиновых частиц и сепарирование жира В сыворотке всегда присутствуют казеиновые частицы. Они отрицательно воздействуют на выделение жира, поэтому их следует удалить из сыворотки в первую очередь. Для этого можно использовать различные типы сепарирующих устройств – например, циклоны, центробежные сепараторы или вращающиеся фильтры (рис. 15.2). Технология производства молочных продуктов/глава 15 333 7 Сыворотка Частицы Сливки Теплонагреватель 3 1 6 1 Танк для сброса сыворотки 2 Пластинчатый нагреватель 5 4 2 3 Вращающийся фильтр 4 Танк для сбора частиц 5 СепараторРис. 15.2 Выделение частиц и жира из сыворотки. сливкоотделитель для сыворотки Жир отделяется с помощью центробежных сепараторов. 6 Танк для сбора Отделенные частицы часто спрессовывают, подобно сыру, после этого их можно использовать сливок из сыворотки при производстве плавленого сыра и после созревания также при приготовлении пищи. 7 Дальнейшая Содержание жира в подсырных сливках в основном составляет 25–30%. Их можно повторно обработка использовать для нормализации молока при производстве сыра, а также для производства сыворотки специальных продуктов с повышенным содержанием жира. Охлаждение и пастеризация Сыворотка, которую до обработки предполагается хранить, должна быть охлаждена или пастеризована сразу после отделения жира. При кратковременном хранении (10–15 часов) для снижения активности бактерий охлаждения обычно достаточно. При более продолжительном хранении необходимо произвести пастеризацию сыворотки. Концентрирование сухих веществ Сгущение Сгущение сыворотки обычно производится в вакууме в выпарном аппарате с падающей пленкой жидкости с двумя или более корпусами. До середины семидесятых годов, чтобы сократить расходы энергии, использовались выпарные аппараты, имеющие до семи корпусов. В большинстве таких аппаратов стали использовать термическое и механическое сжатие испарений, чтобы дополнительно снизить расходы на выпаривание. На многих заводах были также установлены аппараты обратного осмоса трубчатой конструкции для предварительного концентрирования сыворотки перед отправкой обратно фермерам или окончательным концентрированием в выпарном аппарате. После концентрирования до 45–65% содержания твердых веществ концентрат быстро охлаждают до температуры около 30°С в пластинчатом теплообменнике и перемещают в изолированный танк с рубашкой для дальнейшего охлаждения до 15–20°С при постоянном перемешивании. Эта процедура может занять 6–8 часов, чтобы образовавшиеся кристаллы имели как можно меньший размер, благодаря чему сухой продукт будет негигроскопичным. Сгущенная сыворотка представляет собой перенасыщенный раствор лактозы, и при определенных условиях температуры и концентрации она может начать кристаллизоваться до того, как покинет выпарной аппарат. При концентрациях твердых веществ свыше 65% продукт становится настолько вязким, что теряет текучесть. Дополнительная информация по обратному осмосу и выпарным аппаратам приведена в главе 6, разделы 6.4 и 6.5. Сушка Обычно сыворотку сушат так же, как молоко, то есть в барабанных или распылительных сушилках (см. раздел о сухом молоке в главе 17). При использовании барабанных сушилок возникает проблема: сложно снять слой сухой сыворотки с поверхности барабана. Поэтому перед сушкой с сывороткой смешивается наполнитель – например, пшеничные или ржаные отруби, чтобы облегчить процесс удаления сухого продукта со стенок барабана. Распылительная сушка сыворотки является наиболее широко используемым методом. Перед сушкой концентрат сыворотки обрабатывается, как описано ранее, для того чтобы в нем 334 Технология производства молочных продуктов/глава 15 образовались небольшие кристаллы лактозы, благодаря этому продукт становится негигроскопичным и не образует комков при впитывании влаги. Кислую сыворотку, которая образовалась при производстве домашнего сыра и казеина, сложно высушивать из-за высокого содержания молочной кислоты. Она агломерируется и образует комки при распылительной сушилке. Сушка может быть облегчена путем нейтрализации и введения добавок, например, обезжиренного молока и зерновых продуктов, но этот тип сыворотки сейчас не перерабатывается. Разделение сухих веществ на фракции Выделение белка Ранее для выделения сывороточных белков использовали различные технологии осаждения, но сегодня в дополнение к технологиям осаждения и комплексообразования используется мембранное и хроматографическое разделение (фракционирование). Процесс, который чаще всего использовался для выделения белков из сыворотки,– это термическая денатурация. Осажденные в ходе этого процесса белки являются либо нерастворимыми, либо слаборастворимыми – в зависимости от условий денатурации – и называются термически осажденными сывороточными белками (ТОСБ). Финк (Fink) и Кесслер (Kessler) (1988) установили, что максимальная степень денатурации сывороточных белков составляет 90% для всех денатурируемых фракций. Протеозопептонная фракция, составляющая около 10% сывороточных белков, считается неденатурируемой. Нативные белки сыворотки, являющиеся составной частью сухой сыворотки, могут быть легко получены путем ее тщательной сушки. Из-за неподходящего состава они находят лишь ограниченное применение в производстве продуктов питания (содержание белков, высших молочных сахаров и золы составляет около 11%). По этой причине была разработана технология выделения нативных белков сыворотки в чистом виде. Нативные сывороточные белки, полученные методом мембранного разделения или с помощью ионообменной технологии, имеют хорошие функциональные показатели растворимости, пенообразования, эмульгирования и гелеобразования. Выделение белка с помощью ультрафильтрации Концентрат нативного белка имеет очень хороший спектр аминокислот с высокими степенями содержания доступного лизина и цистеина. Концентрат сывороточных белков (КСБ) – это порошок, получаемый при высушивании ретентата, образующегося при ультрафильтрации сыворотки. Он описывается с точки зрения содержания белка, при этом доля белка в сухих веществах колеблется от 35 до 85%. Для того чтобы содержание белка в продукте составляло 35%, жидкую сыворотку необходимо сконцентрировать в 6 раз до достижения уровня содержания сухих веществ 9%. Пример: из 100 кг сыворотки образуется 17 кг ретентата и 83 кг пермеата при концентрировании в 6 раз (5,88). В таблице 15.3 приведен состав сыворотки и получаемых ретентата и пермеата. Таблица 15.3 Состав сыворотки и получаемых ретентата и пермеата Компонент Содержание в 100 кг обычной сыворотки Содержание в 17 кг ретентата кг % кг % Содержание в 83 кг пермеата кг % Белок Лактоза Зола NPN* Жир 0,55 4,80 0,80 0,18 0,03 0,55 4,80 0,80 0,18 0,03 0,55 0,82 0,14 0,03 0,03 3,24 4,82 0,82 0,18 0,18 0 3,98 0,66 0,15 0 0 4,80 0,80 0,18 0 Всего сухих веществ: 6,36 6,36 1,57 9,24 4,79 5,78 * Небелковые азотистые соединения Технология производства молочных продуктов/глава 15 335 Содержание белка (%) в сухом остатке, вычисленное по данным таблицы 15.3: 100 x 0,55 1,57 = 35 Большая часть протеина, обычно >99%, остается вместе практически 100%-ного жира. Концентрация лактозы, небелковых азотистых соединений и минеральных веществ в ретентате и пермеате практически такие же, как и в исходной сыворотке, за исключением незначительного снижения их содержания. Конечные концентрации в разделяемых растворах во многом зависят от: • Типа мембраны • Параметров потока • Типа исходной сыворотки (разбавленная водой, предварительно концентрированная после деминерализации и т.д.). Для получения концентрации протеина 85%-ная жидкая сыворотка сначала концентрируется в 20–30 раз путем ультрафильтрации до содержания твердых веществ 25%; такая концентрация считается наиболее приемлемой 4 Сыворотка и сывороточный ретентат Сгущенный сухой ретентат Пермеат Конденсат Пар Испарения 5 1 Установка для ультрафильтрации 2 Танк для сбора пермеата 3 Буферный танк для сывороточного ретентата 4 Вакуум 5 Сушилка 6 Расфасовывание 6 2 1 3 Рис. 15.3 Процесс выделения сухого протеина при помощи ультрафильтрации. с экономической точки зрения для производства. Затем необходимо провести диафильтрацию концентрата, чтобы удалить как можно больше лактозы и золы и увеличить концентрацию белка относительно содержания сухих веществ в продукте. Диафильтрация – это процедура, при которой во время фильтрации в продукт добавляется вода, чтобы вымыть низкомолекулярные вещества, обычно лактозу и минеральные соли, которые пройдут через мембрану. Таблица 15.4 Состав некоторых сухих концентратов сывороточного белка в % Продукт 1 2 3 4 Белок в сухом остатке 35 50 65 80 Вода Неочищенный белок (Nх6,38) Чистый белок Лактоза Жиры Минеральные вещества Молочная кислота 4,6 36,2 29,7 46,5 2,1 7,8 2,8 4,3 52,1 40,9 30,9 3,7 6,4 2,6 4,2 63,0 59,4 21,1 5,6 3,9 2,2 4,0 81,0 75,0 3,5 7,2 3,1 1,2 Спецификация продукта: 1 Заменитель обезжиренного молока, 35% белка в сухом остатке 2 Протеиновая добавка в другие пищевые продукты, 50% белка в сухом остатке 3 Практический предел концентрации белка при использовании только ультрафильтрации, 65% белка в сухом остатке 4 Продукт, полученный при использовании ультрафильтрации и дополнительной диафильтрации, 80% белка в сухом остатке 336 Технология производства молочных продуктов/глава 15 В таблице 15.4 приведены составы некоторых типичных сухих концентратов сывороточных белков. Линия по производству сухого белка при помощи ультрафильтрации показана на рис. 15.3. Около 95% белка переходит в пермеат, при этом в сухом продукте концентрация белка достигает 80–85% (в расчете на содержание сухих веществ). Дополнительная информация по использованию ультрафильтрации приведена в главе 6.4. Обезжиривание концентрата сывороточных белков (КСБ) Обезжиренный сухой концентрат сывороточных белков, в сухом остатке которого содержится 80–85% белка, является крайне интересным для использования в некоторых производствах – например, в качестве заменителя яичного белка во взбиваемых пищевых продуктах типа меренги – и может также использоваться как ценный ингредиент в пищевых продуктах и фруктовых напитках. Образующийся в результате сыворотки ретентат обрабатывают на установке для микрофильтрации, при этом в готовом продукте, сухом концентрате сывороточных белков (80–85% сухих веществ), содержание жира снижается с 7,2% до менее 0,4%. В ретентате, полученном при микрофильтрации, концентрируются жировые шарики и бактериальные клетки; его собирают и хранят отдельно. После микрофильтрации обезжиренный пермеат направляется для дальнейшего концентрирования на вторую ультрафильтрационную установку, после чего на диафильтрацию. Как показано на рис. 15.4, сыворотка предварительно нагревается (1) и сепарируется (2) для выделения максимально возможного количества жира в виде 25–30%-ных сливок. Эти сливки могут в дальнейшем использоваться для нормализации молока, используемого для изготовления сыра. При сепарировании нерастворимые частицы также удаляются. После этого сыворотка пастеризуется (1) и охлаждается примерно до 55–60°С перед подачей в танк для промежуточного хранения. После сбора сыворотка перекачивается в первую установку для ультрафильтрации (4), где ее концентрация повышается примерно в 3 раза. Ретентат перекачивается в установку для микрофильтрации (5), в то время как пермеат направляется в бак для сбора после регенеративного охлаждения (1). Ретентат, который содержит большую часть жиров и бактерий, после микрофильтрации собирается отдельно, а обезжиренный пермеат направляется далее на установку для ультрафильтрации и диафильтрации (6). Образующийся КСБ с содержанием сухих веществ 20–25% перед расфасовкой высушивается в распылительной сушилке для снижения содержания влаги максимум до 4%. Сыворотка/ретентат Сливки Пермеат Обезж. белковый ретентат, направл. на сушку Высокожирный ретентат, получен после микрофильтрации Хладагент Теплоноситель 1 Пастеризатор 2 Сепараторсливкоотделитель для сыворотки 3 Танк для выдержки 4 Первая установка для ультрафильтрации 5 Установка для микрофильтрации 6 Вторая установка для ультрафильтрации Рис. 15.4 Технология обезжиривания ретентата, содержащего сывороточные белки. 5 4 6 3 2 1 Технология производства молочных продуктов/глава 15 337 Выделение денатурированных сывороточных белков В основном сывороточные белки не осаждаются при воздействии сычужного фермента или кислоты. Тем не менее возможно осаждение сывороточных белков с помощью кислоты, если они предварительно были подвергнуты термическому денатурированию. Процесс разделяется на две стадии: • Осаждение (денатурация) белка при одновременной термической обработке и регулировке рН • Концентрирование белков с использованием центробежного сепарирования. Денатурированные сывороточные белки могут быть смешаны с молоком, предназначенным для производства сыра перед сычужным свертыванием; они захватываются пространственной структурой, образованной молекулами казеина при коагуляции. Это открытие способствовало активному поиску метода осаждения и отделения сывороточных белков так же, как и технологии производства сыра с повышенным выходом продукта, сохраняющим характерный аромат и текстуру сыра. Сыворотка и смесь сыворотки/кислоты Пар Кислота Хладагент Концентрат белков 4 5 4 7 1 3 2 1 Танк для сбора сыворотки 2 Пластинчатые теплообменники 3 Паровой инжектор 4 Трубы выдержки 5 Танк для хранения кислоты 6 Очиститель 7 Танк для сбора денатурированных сывороточных белков 338 6 2 Рис. 15.5 Выделение денатурированных сывороточных белков. На рис. 15.5 показана технологическая линия Centri-Whey для производства денатурированных сывороточных белков. После регулирования уровня рН сыворотка перекачивается через промежуточный танк (1) в пластинчатый теплообменник (2) для регенеративного нагрева. Температура сыворотки поднимается прямым впрыском пара (3) до 90–95°С, после чего она проходит через трубчатую секцию выдержки (4) со временем выдержки 3–4 мин. На этой стадии для снижения уровня рН вводится кислота. Кислота может быть как органической, так и неорганической (например, молочная кислота или пищевая хлористоводородная /соляная/ кислота). Белки модифицируются под действием тепла в трубчатой секции выдержки (4) в течение 60 сек. После регенеративного охлаждения примерно до 40°С осажденные белки отделяются от жидкой фракции в очистителе (6), где удаляются все нерастворимые частицы. Очиститель разгружается с интервалами около 3 мин. Собранный белок представляет собой 12–15%-ный концентрат с содержанием чистого белка 8–10%. Этот метод позволяет выделить 90–95% коагулированных белков. Добавление концентрированных сывороточных белков в молоко, предназначенное для производства сыра (особенно в производстве мягких и полутвердых сыров), вызывает незначительные изменения в характеристиках коагуляции. Структура сгустка улучшается и становится более однородной, чем при обычных методах. Обработанные сывороточные белки являются более гидрофильными, чем казеин. При производстве сыра Камамбер, например, отмечено увеличение выхода продукта на 12%. Технология производства молочных продуктов/глава 15 Хроматографическое выделение лактопероксидазы и лактоферрина В целом использование натуральных биологически активных веществ крайне необходимо для продуктов детского питания, оздоровительных продуктов питания, косметических кремов и зубных паст. Примерами таких соединений являются биологически активные протеины лактопероксидаза и лактоферрин, которые содержатся в небольших концентрациях в сыворотке, обычно 20 мг/л лактопероксидазы и 35 мл/л лактоферрина. Для выделения этих белков из подсырной сыворотки в промышленных масштабах Шведская молочная ассоциация (SMR) разработала и запатентовала технологический процесс, основанный на хроматографии. Главный принцип, используемый в процессе,– это тот факт, что как лактопероксидаза, так и лактоферрин имеют изоэлектрические точки в щелочной области (рН 9,0–9,5) т.е. эти белки имеют положительный заряд в сладкой сыворотке с нормальным рН 6,2–6,6, в то время как остальные белки сыворотки, например, β-лактоглобулин, α-лактальбумин и альбумины сыворотки крови имеют при том же рН отрицательный заряд. Поэтому наиболее подходящий процесс отделения лактопероксидазы и лактоферрина – это пропускание сыворотки через специальную ионообменную смолу с целью селективной адсорбции. Молекулы лактопероксидазы и лактоферрина при взаимодействии зарядов связываются с функциональными группами катионного обменника или имеющими отрицательные заряды, что приводит к фиксации этих молекул на ионообменной смоле, в то время как остальные сывороточные белки проходят сквозь ионообменник, поскольку имеют отрицательный заряд. Для того чтобы этот процесс был пригоден для использования в промышленных масштабах, он должен отвечать некоторым основным требованиям. Одно из них – это необходимость использования сыворотки без нерастворимых включений для поддержания высокой скорости потока во время загрузки, поскольку через ионообменную смолу для достижения насыщения должны пройти очень большие объемы сыворотки. Поперечная микрофильтрация с размерами пор 1,4 мкм при Рис. 15.6 Блок-схема равномерном трансмембранном давлении зарекомендовала себя как хорошая технология выделения лактопероксидазы получения сыворотки без твердых включений. Постоянный поток 1200–1500 л/м2 час и лактоферрина из сыворотки. поддерживается в течение 15–16 часов. При подобной предварительной обработке сыворотки можно избежать нарастания обратного давления в ионообменной колонне. Ионообменная смола до падения скорости поглощения имеет емкость поглощения 40–45 г лактопероксидазы и лактоферрина на литр смолы. При объеме смолы 100 л можно обработать почти 100 000 л сыворотки за один цикл. При правильно выбранных условиях вымывания адсорбированных биологически активных белков из колонны можно получить очень чистые фракции лактопероксидазы и лактоферрина. Для этого используются растворы солей в различных соотношениях. Белки элюируются в достаточно высокой концентрации порядка 1% от веса. При ионном обмене концентрация лактопероксидазы и лактоферрина повышается почти в 500 раз по сравнению с исходной сывороткой. При дальнейшей обработке элюируемого раствора на установках ультрафильтрации и диафильтрации получают очень чистый белковый продукт – с чистотой около 95%. Наконец после стерильной фильтрации в поперечном микрофильтре с размерами пор 0,1–0,2 мкм концентрированные белки подвергают распылительной сушке. Выделение лактозы Лактоза является основным ингредиентом сыворотки. Существуют два основных метода ее выделения в зависимости от исходного сырья: • Кристаллизация лактозы в необработанной, но концентрированной сыворотке • Кристаллизация лактозы в сыворотке, из которой перед концентрацией был удален белок при помощи ультрафильтрации или другого метода. Технология производства молочных продуктов/глава 15 339 Рис. 15.7 Технологическая линия производства лактозы. 1 Вакуум-выпарной аппарат 2 Танки для кристаллизации 3 Декантаторные центрифуги 4 Сушилка с псевдоожиженным слоем 5 Упаковка 1 Сыворотка Теплоноситель Хладагент Испарения Концентрат сыворотки Концентрат лактозы Охлаждающий воздух (30°С) Горячий воздух 3 5 2 4 При использовании обоих методов получается слой мелассы, который может быть высушен и использован в качестве фуража. Пищевая ценность продукта может быть значительно повышена, если из мелассы были удалены соли и добавлены высокоценные белки. Кристаллизация Цикл кристаллизации определяется следующими факторами: • Поверхность кристалла, подходящая для роста • Чистота раствора • Степень насыщения • Температура • Вязкость • Перемешивание кристаллов в растворе. Некоторые из этих факторов во многом зависят друг от друга, например, степень насыщения раствора и вязкость. На рис. 15.7 приведена технологическая линия для производства лактозы. Сыворотка предварительно концентрируется в вакуум-выпарном аппарате до концентрации 60–62% сухих веществ и направляется в танки для кристаллизации (2), где в нее добавляется затравка (кристаллы). Кристаллизация происходит медленно, в зависимости от предварительно установленной программы температура/время. Танки снабжены охлаждающими рубашками и оборудованием для контроля за температурой. Они также снабжены специальными мешалками. После кристаллизации взвесь обрабатывается в декантирующих центрифугах (3), где происходит сепарирование кристаллов, которые высушивают (4) и размалывают обычно в молотковой дробилке, после чего просеянная лактоза расфасовывается (5). Для более простого и эффективного отделения кристаллов лактозы из раствора стартовая кристаллизация должна проводиться таким образом, чтобы размер кристаллов превышал 0,2 мм (чем больше, тем лучше разделение). Степень кристаллизации определяется как количество β-лактозы, превратившейся в требуемую форму α-лактозы, поэтому охлаждение должно проводиться в строго контролируемых, максимально оптимизированных условиях. Сепарирование лактозы Для отделения кристаллов лактозы могут использоваться центрифуги различных типов. Одна из них – это горизонтальная декантаторная центрифуга (рис. 15.8), которая работает непрерывно и имеет шнековый конвейер для вывода лактозы. Два аппарата устанавливаются последовательно. Лактоза, полученная на первом, проходит вторичное сепарирование на втором. Во время сепарирования посторонние ингредиенты вымываются из лактозы таким образом, что достигается высокая степень очистки. Остаточное содержание влаги в лактозе после второго сепарирования не превышает 9%, а содержание сухих веществ составляет около 99%. Сушка Лактоза высушивается после сепарирования до содержания остаточной влаги 0,1–0,5% в зависимости от дальнейшего использования продукта. Во время сушки температура не должна превышать 93°С, так как при 340 Технология производства молочных продуктов/глава 15 2 1 1 Подача 2 Выход жидкой фракции 3 Выход твердой фракции 3 Рис. 15.8 Декантаторная центрифуга. более высоких температурах образуется β-лактоза. Время сушки также должно учитываться. Во время быстрой сушки образующийся тонкий слой аморфной (бесформенной некристаллической) лактозы способствует формировонию α-кристаллогидрата, что в дальнейшем может привести к образованию комков. Обычно сушку производят в сушильном аппарате с псевдоожиженным слоем. Поддерживается температура 92°С, время сушки составляет 15–20 мин. Высушенный сахар транспортируется с помощью воздуха при температуре 30°С, при этом одновременно происходит охлаждение сахара. Кристаллы перемалывают в порошок сразу после сушки и расфасовывают. Рафинирование лактозы В некоторых случаях требуется более высокая степень чистоты продукта – например, при производстве фармацевтических препаратов. Поэтому лактоза должна дополнительно рафинироваться. Во время рафинирования лактоза повторно растворяется в горячей воде до концентрации 50%. Одновременно добавляются активированный уголь, фосфат и фильтрующий агент. После фильтрации раствор лактозы поступает в танк, где происходит кристаллизация. Очищенную лактозу сепарируют, сушат, перемалывают и упаковывают. Деминерализация (удаление солей) Поскольку сыворотка имеет достаточно высокое содержание солей, около 8–12%, в пересчете на сухой остаток, ее пригодность в качестве пищевого продукта ограниченна. После частичной (25–30%) или сильной (90–95%) деминерализации сыворотки для нее, тем не менее, можно найти разнообразные области применения. Частично деминерализованный концентрат сыворотки может использоваться, например, при производстве мороженого кварго и в хлебопекарной промышленности, в то время как сильно деминерализованная сухая сыворотка (или концентрат) может быть использована при изготовлении продуктов детского питания, а также многих других. Принципы деминерализации Деминерализация включает в себя удаление неорганических солей и небольшое снижение содержания органических ионов, таких как остатки молочной и лимонной кислот. Частичная деминерализация основана на использовании поперечных фильтрующих мембран, предназначенных для пропускания частиц с размером в пределах нанометра (10–9 м). Такой тип фильтрации называется нанофильтрацией. Деминерализация высокой степени основана на применении одного из методов: • Электродиализа • Ионного обмена. Частичная деминерализация при помощи нанофильтрации При использовании специальной мембраны обратного осмоса небольшие частицы, некоторые моновалентные ионы, например, ионы натрия, калия, хлора и небольшие молекулы органических соединений типа мочевины и молочной кислоты могут пройти сквозь мембрану вместе с водным раствором. Такой мембранный процесс известен как ультраосмос, “текущий” обратный осмос и нанофильтрация. В настояшее вреия чаще всего используются спиральные витые мембраны, обладающие большей компактностью. Дополнительная информация о мембранах этого типа приведена в главе 6.4 “Мембранные фильтры”. Технология производства молочных продуктов/глава 15 341 Скорости прохождения ингредиентов обычной сладкой сыворотки сквозь фильтр при нанофильтрации приведены в таблице 15.5. Как показывает таблица, снижение содержания хлоридов в сладкой сыворотке может достигать 70%, а натрия и калия – 30–35%. Причиной такой разницы в концентрациях ионов является необходимость поддержания электрохимического баланса между положительно и отрицательно заряженными ионами. Критичным фактором в нанофильтрации при обработке сыворотки является тот факт, что просачивание лактозы сквозь мембрану, которое должно быть сведено до минимума (менее 0,1%), чтобы избежать проблем с высокой биологической потребностью в кислороде в отработанной воде (пермеате). Установка оборудования для нанофильтрации на линии обработки сыворотки может использоваться в следующих ситуациях: • В качестве недорогой альтернативы для устранения соленого привкуса обычной сладкой сухой сыворотки • В качестве предварительного этапа обработки перед окончательной деминерализацией сыворотки путем электродиализа и ионного обмена • Для удаления кислоты из сыворотки, образующейся при производстве казеина, в процессе получения которого была использована соляная или молочная кислота; следует учесть, что скорость проникновения через мембрану ионов лактатов низкая, в то время как у свободных молекул молочной кислоты скорость высокая • Для снижения содержания соли в соленой сыворотке (например, при производстве сыра Чеддер). Таблица 15.5 Проникновение через мембрану ингредиентов нормальной сладкой сыворотки при нанофильтрации Условия Конечное содержание сухих веществ Кратность концентрации Температура Давление Снижение содержания Процент 22% 4х 21°С 2,5 МПа (25 бар) калий 31 натрий 33 хлориды 67 кальций 3 магний 4 фосфор 6 цитраты 0 лактаты менее 3 зола 25 всего сухих веществ 3 небелковые азотистые соединения 27 лактоза менее 0,03 Деминерализация высокой степени Электродиализ Электродиализом называется перенос ионов через неселективные полупроницаемые мембраны под действием постоянного тока. Используемые мембраны имеют функции обмена как анионов, так и катионов, что позволяет при электродиализе снизить минеральное содержание в обрабатываемой жидкости, например, морской воде или сыворотке. На рис. 15.9 приведена схема устройства электродиализной установки. Она состоит из набора отсеков, разделенных чередующимися катионными и анионными обменными мембранами, которые располагаются на расстоянии 1 мм друг от друга. В крайних отсеках находятся электроды. Между парой электродов может находиться до 200 таких ячеек. Пара электродов, каждый из которых располагается в конце этой группы ячеек, имеет отдельные промывочные каналы, как показано на рис. 15.9, через которые циркулирует поток рассола, защищающий электроды от химического воздействия. Сыворотка в процессе переработки и рассол подаются в установку в чередующиеся ячейки. Блок ячеек может быть подключен к пластинчатому теплообменнику или пластинчатому модулю ультрафильтрации. 342 Технология производства молочных продуктов/глава 15 Рис. 15.9 Система ячеек для электродиализа. Принцип работы Чередующиеся ячейки в блоке электродиализа работают соответственно как ячейки разбавления и концентрирования. Сыворотка проходит через ячейки разбавления, а 5%-ный рассол через ячейки концентрирования. Когда постоянный ток подается на электроды на концах блока, катионы стараются переместиться к катоду, а анионы – к аноду, как показано на рис. 15.9. Тем не менее свободное перемещение ионов невозможно, поскольку мембраны действуют как барьеры для ионов одноименного с ними заряда. Анионы могут проходить через анионную мембрану, но останавливаются катионной мембраной. И наоборот, катионы могут проходить через катионную мембрану, но останавливаются анионной мембраной. В результате происходит снижение концентрации ионов в ячейках разбавления (в сыворотке). Сыворотка при этом деминерализуется до уровня, который зависит от содержания золы в сыворотке, времени ее нахождения в установке, плотности и вязкости. Установка для электродиализа может работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом. Периодическая система, которая часто используется для деминерализации свыше 70%, может состоять из одного набора мембран, в котором обрабатываемая жидкость циркулирует до достижения требуемого уровня содержания солей. Этот уровень определяется по электропроводности обрабатываемой жидкости. Время нахождения жидкости в такой системе может составлять 5–6 часов для 90% деминерализации при 30–40°С. При этом желательна предварительная концентрация сыворотки до 20–30% твердых веществ с целью снижения расхода электроэнергии и увеличения производительности. Перед загрузкой в установку для электродиализа концентрированную сыворотку следует очищать. При высокой температуре обработки появляется риск роста бактерий в продукте. Поэтому часто в сыворотку, когда это разрешается, добавляют бактериостатические соединения типа перекиси водорода. Обрабатываемая жидкость нагревается в ходе обработки, поэтому для поддержания температуры требуется дополнительное охлаждение. В установках непрерывного действия, которые состоят из последовательных 5 блоков мембран, время прохождения жидкости может быть снижено до 10–40 мин. Максимальная деминерализация такой установки ограничена 60–70%. Что касается емкости, то площадь установленных мембран в установке непрерывного действия значительно больше, чем в установке периодического действия. Установка для электродиализа может быть автоматизирована и снабжена программируемой системой мойки. Процедура мойки обычно включает в себя промывку водой, промывку щелочным раствором (до рН 9), промывку водой, промывку соляной кислотой (рН 1) и окончательную промывку водой. Обычно программа очистки занимает 100 мин. Технология производства молочных продуктов/глава 15 А Анионы (положительно заряженные) С Катионы (отрицательно заряженные) DC Постоянный ток Сыворотка Рассол Раствор для промывки электродов 343 Электропитание и автоматизация В установке для электродиализа используется постоянный ток, поэтому требуется наличие силового оборудования для регулировки тока в диапазоне от 0 до 150 А и напряжение в диапазоне от 0 до 400 В. Расход, температура, электропроводность, рН обрабатываемого продукта и технической воды, давление подачи продукта, разница давления между текущей жидкостью и ячейками установки, а также напряжение на каждой ячейке установки отображаются и контролируются в ходе работы. Электродиализ лучше всего применять для деминерализации до 70% при дополнительной очистке методом ионного обмена. Факторы, ограничивающие использование электродиализа Основной ограничивающий фактор для использования электродиализа в молочном производстве,– это стоимость замены мембран, прокладок и электродов, которые составляют 35–40% от общих эксплуатационных расходов завода. Замена бывает необходима вследствие засорения мембран, которое, в свою очередь, вызывается: • Осаждением фосфата кальция на поверхности мембраны катионного обмена • Отложением белка на поверхности мембраны анионного обмена. Первая проблема может быть отчасти устранена при правильном подборе профиля потока на поверхности мембраны и регулярной мойкой кислотой. Осаждение белков является основным фактором, снижающим срок службы анионных мембран. В основе этой проблемы лежит следующее: в сыворотке с нормальным значением рН сывороточные белки можно рассматривать как большие отрицательно заряженные ионы (анионы), которые перемещаются в растворе под действием электрического поля. Эти молекулы слишком крупные, чтобы пройти через мембраны анионного обмена, поэтому они образуют тонкий белковый слой на поверхности мембраны со стороны секции, по которой проходит сыворотка. Для удаления этих отложений с мембраны можно использовать технологии изменения полярности. Хотя при частой мойке растворами с высоким значением рН удаляется большая часть отложений, через каждые 2–4 недели рекомендуется проводить разборку установки для ручной мойки. Стоимость обработки электродиализом в большой мере зависит от степени деминерализации. Увеличение этой степени последовательно с 50 до 75% и до 90% каждый раз поднимает стоимость обработки вдвое. Поэтому продукт, деминерализованный на 90%, стоит в 4 раза дороже продукта, деминерализованного на 50%; причиной этого является снижение производительности установки при 90% деминерализации. В стоимость работы установки также входят обработка водой, химическими соединениями, потребляемая электроэнергия и пар. Обработка отработанной воды также сильно затруднена. Во время обработки при 90% минерализации лактоза проникает сквозь мембраны в количестве 7–10%. Вымытые фосфаты также накапливаются в отработанной воде. Стоимость электроэнергии составляет 10–15% от производственных затрат, в то время как химикаты, используемые в производстве, в основном соляная кислота, составляют менее 5%. Стоимость пара, используемого для предварительного нагрева продукта, и стоимость охлаждения для поддержания температуры обработки составляет 10–15% в зависимости от уровня деминерализации. Электродиализ является наилучшим методом для деминерализации до 70%, где он успешно конкурирует с методом ионного обмена. Ионный обмен В противоположность электродиализу, процессу, который удаляет ионизируемые вещества из растворов при постоянной электрохимической основе, ионообменный процесс задействует смолы, адсорбирующие минеральные вещества из растворов в обмен на другие типы ионов. Смолы имеют ограниченную емкость, поэтому когда они полностью насыщены, из них необходимо удалить все адсорбированные минеральные вещества и восстановить перед следующим использованием. Обычно смолы используются в фиксированных колоннах требуемой конструкции. Ионообменные смолы – это макромолекулярные пористые пластичные материалы, спрессованные в гранулы диаметром от 0,3 до 1,2 мм для промышленного применения. С химической точки зрения они действуют как нерастворимые кислоты или основания, которые при превращении в соли остаются нерастворимыми. Основной характеристикой ионообменных смол является способность замены подвижных ионов, 344 Технология производства молочных продуктов/глава 15 которые они содержат, на ионы того же знака заряда, которые содержатся в обрабатываемом растворе. Простым примером подобной реакции является извлечение хлорида натрия, где R – это обменная группа нерастворимой смолы. Катионный обмен: R – H + Na+ = R – Na + H+ смола в форме Н+ Анионный обмен: R – OH + Cl– = R – Cl + OH– смола в форме OH– Реакция, описанная выше, специально представлена в равновесном виде, поскольку направление реакции зависит от концентрации ионов в жидкости и фазы твердых веществ в смоле. Равновесие характеризуется константой. При регенерации реакция производится в обратном направлении, когда ионообменная смола, насыщенная натрием, обрабатывается, например, 4%-ным раствором соляной кислоты. Высокая концентрация ионов перетягивает равновесие влево. Константа равновесия в значительной мере зависит от типа ионов, что позволяет производить селективный ионообменный процесс. Проще говоря, многовалентные ионы имеют большую селективность, чем одновалентные, а ионы с той же валентностью выбираются по размеру. Крупные ионы имеют большую селективность. Что касается катионов, обычно находящихся в молочных продуктах, селективность уменьшается в следующем порядке: Ca2+>Mg2+>K+>Na+. Аналогично селективность при анионном обмене может быть охарактеризована следующим образом: анион лимонной кислоты цитрат3–>HPO42–>NO3–>Cl–. Практически это означает, что ионообменная смола после полного насыщения при обработке раствора, содержащего различные типы ионов, будет содержать различные соединения в зависимости от длины колонны, как показано на рис. 15.10. На этом рисунке показано, что происходит при обработке обычной воды в колонне, загруженной катионообменной смолой с активным ионом водорода. После регенерации с помощью кислоты ситуация меняется. Можно увидеть, что дольше всех в колонне катионного обмена задерживаются ионы натрия. Это следует из порядка селективности, описанного выше. Возвращаясь к рисунку отработавшей катионообменной колонны, можно увидеть, что ионы натрия проникают в смолу в первую очередь, за ними следуют ионы магния и кальция. Просачивание ионов сквозь колонну может произойти, когда ионообменная смола не полностью регенерирована, но через некоторое время ионы натрия вымываются и заменяются ионами водорода (смотри рис. 15.10). Состояние нижней части ионообменной колонны определяет попадание ионов в обработанную жидкость. Рис. 15.10 Колонна с катионообменной смолой до и после регенерации кислотой. Технология производства молочных продуктов/глава 15 345 Характеристики ионообменных смол Промышленные ионообменные смолы сегодня изготовлены из полимерных пластмасс, образующих пористую структуру. Обычно для этого используется полистирол/дивинилбензол и полиакрилаты. Функциональные группы химически связаны с матричной структурой. Типовыми группами являются: • Сульфо-группа – SO3– H+ (сильнокислотный катионный обменник) • Карбоксильная группа – COO– H+ (слабокислотный катионный обменник) • Четвертичный амин N+ OH– (сильноосновной анионный обменник) • Третичный амин NH+ OH– (слабоосновной анионный обменник) Как сильные основные, так и кислотные обменные смолы являются полностью ионизированными на всем рН-интервале от 0 до 14. Слабоосновные и кислотные обменные смолы имеют ограниченную зону рН, где они проявляют активность. Слабые кислотные обменные смолы обычно не используются при низком значении рн (0–7), поскольку карбоксильная группа в основном представлена в свободной кислотной форме, что определяется константой кислотно/щелочной диссоциации (часто выражается как рКа = –10 логарифм константы диссоциации). При значениях рН выше рКа карбоксильные группы находятся в форме соли и могут принимать участие в ионообменных реакциях. И наоборот, слабоосновные анионные смолы активны только в нижнем рН-диапазоне 0–7. С точки зрения упрощения процедуры регенерации предпочтительно везде, где возможно, использовать слабые смолы. Их можно регенерировать кислотой/основанием соответственно при превышении теоретически требуемого значения всего на 10–50%. Для сильных кислот требуется превышение содержания кислоты/основания на 300–400% по сравнению с теоретическим значением регенерации. Для деминерализации, согласно традиционной методике сильнокислотная катионообменная смола, регенерированная ионами водорода, используется совместно со слабоосновной анионообменной смолой, работающей в свободной гидроксильной форме. Нельзя использовать слабокислотную анионообменную смолу вместо сильной, поскольку устанавливается благоприятное равновесие для обмена катионов водорода и гидроксильных групп. Другими важными характеристиками ионообменных смол, которые в дальнейшем не рассматриваются, являются: • Емкость ионного обмена • Набухание • Механическая прочность • Флюидиазия при промывании слоя • Падение давления • Ограничение скорости потока • Необходимость промывки водой после регенерации. Ионообменные процессы при деминерализации Для обработки воды деминерализация методом ионного обмена применялась давно, а в последние 20 лет была применена и для деминерализации сыворотки. По составу сыворотка не является однородным продуктом. Сыворотка, полученная при производстве казеина/ творога, имеет рН 4,3–4,6, в то время как рН сладкой сыворотки составляет 6,3–6,6. Основное различие между этими двумя типами сыворотки, помимо кислотности,– это высокое содержание фосфата кальция в кислой сыворотке. Для вычисления степени минерализации сыворотки в качестве основы удобно использовать катионы, поскольку анионы, то есть цитраты и фосфаты, задействуются в протеолитических реакциях. Это затрудняет вычисление содержания конкретного иона в растворе. Типовое значение содержания катионов в сладкой и кислой сыворотках показано в таблице 15.6. Сыворотку можно характеризовать как жидкость с высоким содержанием солей, что, в свою очередь, приводит к снижению продолжительности циклов ионного обмена. Это, в свою очередь, отражается в больших затратах на восстановительные химикаты, если они не возобновляются. 346 Технология производства молочных продуктов/глава 15 Таблица 15.6 Содержание катионов в сладкой и кислой сыворотках Ион Na K Ca Mg Всего: Сладкая сыворотка % м-экв/л % 0,050 0,160 0,035 0,007 0,050 0,160 0,120 0,012 22,0 41,0 17,5 5,8 Кислая сыворотка м-экв/л 86,3 22,0 41,0 60,0 10,0 133,0 Традиционный ионный обмен, используемый при деминерализации На рис. 15.11 показана простая деминерализационная установка, работающая по принципу ионного обмена. Сыворотка сначала попадает в сильную катионообменную смолу с ионами водорода и идет далее в анионный обменник, где используется слабоосновная анионообменная смола в форме свободного основания. Ионообменные колонны промываются и регенерируются отдельно друг от друга разбавленной соляной кислотой и гидроксидом натрия (аммиака). Раз в день колонны дезинфицируются раствором с невысоким содержанием активного хлора. При деминерализации происходят следующие реакции (NaCl используется здесь как любая другая соль, содержащаяся в сыворотке, а R представляет нерастворимую смолу). Катионный обмен: R – H+ Na+ + Cl– — R – Na + H+ + Cl– Анионный обмен: R – OH + H+ + Cl– — R – Cl + H2O Через ионообменную колонну пропускают различные жидкости в следующем порядке: • Экстракция (через колонну после регенерации может быть пропущен 10–15-кратный объем сыворотки по отношению к объему смолы) • Регенерация • Вытеснение сыворотки • Промывание • Заливка раствора для регенерации • Промывание водой. Ионообменные колонны часто изготавливают из мягкой стали, покрытой резиной, чтобы избежать проблем, связанных с коррозией. Для анионного обмена используются колонны конической формы, чтобы набухание смолы при переходе из формы свободного основания в форму соли проходило нормально. Противоток часто используется для регенерации катионообменной смолы. Это означает, что если сыворотка проходит через колонну сверху вниз, то регенерация происходит снизу вверх. Таким образом, на 30–40% снижается расход регенерирующих химикатов, но это происходит за счет более сложной 6 1 2 Рис. 15.11 Установка для деминерализации подсырной сыворотки, принцип работы которой основан на традиционной методике ионного обмена. 1 2 3 4 5 Бак для хранения дезинфектанта Бак для хранения соляной кислоты Катионная колонна Анионная колонна Бак для хранения гидроксида натрия 6 Расходомер 7 Смотровое стекло Сыворотка Соляная кислота Техническая вода Гидроксид натрия Дезинфектант Пунктирные линии обозначают фазы регенерации и санитарной обработки. 7 3 Технология производства молочных продуктов/глава 15 4 5 347 конструкции. Установка может быть легко автоматизирована. Для непрерывной обработки сыворотки необходимо использовать 2 или 3 параллельные ионообменные системы. Продолжительность нормального цикла составляет 6 часов, 4 из которых необходимы для регенерации. Производственные ограничения Сыворотка – это жидкость с высоким содержанием солей, что уменьшает срок работы между регенерациями. Это также означает большой расход регенерирующих химических реагентов и высокое содержание солей в отработанной жидкости, включающее удаленные минеральные вещества и избыток регенерирующих химических реагентов. Расход промывочной воды также значителен. Особенно при вымывании излишка гидроксида натрия из слабоанионной смолы. Потери сывороточных белков в колоннах происходят также вследствие денатурации/абсорбции. Это вызвано значительными колебаниями уровня рН в сыворотке во время процесса ионного обмена. Потребление восстанавливающих химических реагентов составляет 60–70% от стоимости производства. Процесс предназначен для деминерализации до уровня 90%, но можно обеспечить любую степень деминерализации при использовании системы обвода. Альтернативный процесс ионного обмена A E F D H G C B Рис. 15.12 Работа устройств, включенных в процесс SMR. A Подача сыворотки B Деминерализованная сухая сыворотка C Конденсат с аммиаком и углекислым газом D Бикарбонат аммония NH4 HCO3 E Использованный восстанавливающий раствор F Отработанная вода G Добавление аммиака и углекислого газа H Магниево-аммиачный фосфат 348 Для того чтобы снизить расходы на восстанавливающие химические соединения, а также улучшить состояние сточных вод деминерализующей установки, отдел исследований и разработок Шведской молочной ассоциации (SMR) разработал альтернативный процесс ионного обмена. В этом процессе установка работает так, как показано на рис. 15.12. Сыворотка сначала попадает в колонну анионного обмена, в которой находится слабоосновная смола, регенерированная в форме бикарбоната (HCO3–), во время анионного обмена анионы сыворотки заменяются на анионы HCO3–. После этого сыворотка попадает в катионную колонну, в которой содержится слабокислотная катионообменная смола, регенерированная в форме аммония (NH4+). При этом катионы сыворотки заменяются на ионы NH4+. Таким образом, после процесса соли сыворотки заменяются на бикарбонат аммония (NH4 HCO3). Суммарная реакция может быть выражена в приведенных ниже формулах, где NaCl представляет соли сыворотки, а R отображает нерастворимую смолу. Анионный обмен: R – HCO3+ Na+ + Cl– — R – Cl + Na+ + HCO3– Катионный обмен: R – NH4+ Na+ + HCO3– — R – Na + NH4 + HCO3– NH4HCO3 – это термолитическая соль, которая распадается на NH3, CO2 и H2O при нагреве. Затем эти компоненты улетучиваются при последующем выпаривании сыворотки, что дает возможность восстанавливать NH2 и CO2, удаленные из сыворотки, и изготовить из них новый регенерирующий раствор (NH4HCO3). Часть неиспользованного раствора, содержащего избыток NH4HCO3, собирается для выделения в дистилляционной колонне (используется около 100% NH4HCO3). На рис. 15.13 показана схема полного процесса SMR. Сыворотка сначала направляется в колонну анионного обмена в форме HCO3, затем в колонну катионного обмена в форме NH4. Ионообменные системы работают в паре: одна работает, другая регенерируется. Время полного цикла составляет 4 часа. После прохождения ионообменной колонны (1) охлажденная сыворотка используется для рекуперации тепла в колонне абсорбции и в качестве хладагента в конденсаторе (2), соединенном с дистилляционной колонной (9). Затем сыворотка попадает в выпарной аппарат (3), после чего деминерализованный концентрат сыворотки подается в распылительную сушилку (10). Конденсат из выпарного аппарата на стадии 2, насыщенный аммиаком, отделяется от других потоков конденсата, и далее направляется в абсорбционную башню (4), где образует жидкую фракцию, которая используется в дальнейшем для изготовления регенерационного раствора. Конденсаты, полученные из выпарных аппаратов на стадиях 1 и 2, используются для чистки ионообменных смол. Большая часть аммиака утилизируется. Большая часть углекислого газа, выделенного при выпаривании, отводится в газообразной форме с помощью механического вакуумного насоса выпарного аппарата. Этот газ направляется непосредственно в нижнюю часть абсорбционной колонны, где он полностью поглощается другим входящим потоком и образует NH4HCO3. Восстановление этих химикатов не полное, поэтому абсорбционная колонна снабжена линиями для инжекции 25% раствора NH3 и CO2. Технология производства молочных продуктов/глава 15 2 10 A C 4 1 3 11 9 6 7 5 8 Осадок MgNH4PO4 Рис. 15.13 Схема перемещения продукта на установке по производству деминерализованной сухой сыворотки. А Колонна анионного обмена С Колонна катионного обмена Часть восстанавливающего раствора, насыщенного NH4HCO3, собирается в танк (8), где осаждаются фосфаты при добавлении хлористого магния после небольшой коррекции рН с помощью едкого натра. Когда образуется осадок магниевоаммониевого фосфата (MgNH4PO4), надосадочная жидкость перекачивается в верхнюю часть дистилляционной башни (9) и по пути туда нагревается в пластинчатом теплообменнике (не показан), в котором жидкость из нижней части используется в качестве нагревающей среды. Около 10% жидкости отделяется в виде испарений, которые, в свою очередь, конденсируются сывороткой, прошедшей ионный обмен. Процесс SMR имеет следующие особенности: • Низкая стоимость производства вследствие восстановления регенерирующих химических препаратов • Малые потери твердых веществ сыворотки и вдвое меньшее количество соли в отработанной воде по сравнению с классическим процессом ионообмена • Малые колебания рН в ходе ионного обмена (6,5–8,2), что приводит к минимальной потере сывороточных белков • Высокая эффективность деминерализации (свыше 90%) • Низкая рабочая температура (5–6°С), благодаря чему значительно снижается количество бактерий в конечном продукте • Высокий выход твердых веществ сыворотки по сравнению с классическими методами ионного обмена и электродиализа • Оптимальная утилизация тепла. Сыворотка/ деминерализованная сухая сыворотка Водяной пар Хладагент и конденсат Испарения Испарения с углекислым газом и аммиаком Углекислый газ Аммиак Использованный и новый восстанавливающий раствор Хлорид магния Гидроксид натрия Регенерирующий раствор в колонне 1 Ионообменная обработка сыворотки 2 Конденсатор 3 Выпарной аппарат 4 Абсорбционная башня 5 Танк для нового восстанавливающего раствора 6 Ионообменники на регенерации 7 Танки для аммиака и соляной кислоты 8 Танк для отработанного восстанавливающего раствора 9 Дистилляционная колонна 10 Распылительная сушилка 11 Расфасовка Производственные ограничения и затраты В большинстве случаев в зависимости от стоимости химических реагентов производственные расходы процесса SMR на 30–70% ниже стоимости расходов при классическом ионном обмене. Подобно всем системам деминерализации, электродиализу и традиционному ионному обмену, этот процесс чувствителен к высокому содержанию кальция в подаваемом потоке сыворотки, поэтому в качестве предварительных шагов перед деминерализацией рекомендуется проводить регулирование рН и нагрев. При использовании этой технологии из кислой сыворотки может быть осаждено и очищено для использования в кормах для Технология производства молочных продуктов/глава 15 349 животных, а также для нужд человека 80% фосфата кальция. Установка для осуществления данного процесса включает больше компонентов, чем используемая для классического ионного обмена, что объясняет ее высокую капитальную стоимость, однако характеризуется улучшенными условиями эксплуатации и низкими эксплуатационными расходами. Переработка лактозы Гидролиз лактозы Лактоза представляет собой дисахарид, состоящий из моносахаридов, глюкозы и галактозы (см. рис. 15.14). Лактоза существует в двух изомерных формах, α-лактоза и β-лактоза. Они отличаются друг от друга расположением гидроксильной группы по отношению к атому углерода в молекуле глюкозы и также, помимо прочего, • Растворимостью • Формой кристаллов • Температурой плавления • Физиологическим эффектом. Лактозу можно расщепить гидролитически, то есть соединением с водой, или с помощью ферментов. Расщепляющий лактозу фермент бета-галактозидаза принадлежит к группе гидролаз. На рис. 15.14 показан процесс ферментативного расщепления лактозы на галактозу и глюкозу. Рис. 15.14 Химическая структура лактозы и ее расщепление. Рис. 15.15 Степень сладости у различных типов сахаров. 350 Лактоза не такая сладкая, как другие типы сахаров, что демонстрируется рис. 15.15, на котором указана относительная степень сладости различных типов сахара. Гидролиз лактозы приводит к значительному повышению сладости продукта. У некоторых людей в организме отсутствует фермент, который расщепляет лактозу, поэтому они не могут потреблять молочные продукты в больших количествах. Это называется “нетерпимостью к лактозе”. Высокоценные белки, витамины, присутствующие в молочных продуктах, поступают к таким людям при потреблении молочных продуктов, содержащих гидролизованную лактозу. Некоторые пороки, например, песчанистость мороженого (кристаллизация лактозы) при гидролизе лактозы практически устраняются. Ферментативный гидролиз На рис. 15.16 показан процесс ферментативного гидролиза лактозы в сыворотке. Предварительная обработка, такая как деминерализация, не имеет существенного значения, но она улучшает вкус конечного продукта. После гидролиза сыворотку выпаривают. Результатом такой обработки является сироп с содержанием сухих веществ 70–75%. 85% лактозы в этом сиропе гидролизовано и может использоваться в качестве подсластителя в хлебопекарном производстве и производстве мороженого. Технология производства молочных продуктов/глава 15 2 4 pH pH 1 3 Рис. 15.16 Установка для ферментативного гидролиза лактозы в сыворотке. В ходе производства фермент инактивируется при тепловой обработке или при регулировке рН. Он не может использоваться повторно. Вместо использования ферментов сейчас можно применять ферменты с водорастворимыми и нерастворимыми носителями. Такие системы с иммобилизованными ферментами могут использоваться для непрерывного гидролиза лактозы. Фермент, являясь дорогостоящим продуктом, не потребляется и может использоваться для гидролиза больших объемов продукта. Благодаря этому повышается прибыльность производства. Данная технология еще не получила широкого применения. Сыворотка Лактоза Теплоноситель Водяной пар Испарения 1 2 3 4 Пастеризатор Танк для гидролиза Испаритель Упаковы0вание Кислотный гидролиз Лактозу можно расщепить также при помощи кислот вместе с термической обработкой или при пропускании через катионный обменник в водородной форме, при температуре около 100°С. Требуемая степень гидролиза определяется по уровню рН, температуре и времени выдержки. Поскольку продукт в ходе гидролиза приобретает коричневый цвет, рекомендуется обработка активированным углем. Химические реакции Было определено, что небелковые азотистые соединения могут использоваться как частичная замена натуральных белков в питании жвачных жи
