Термомеханическая обработка высокожирных сливок

Высокожирные сливки являются высококонцентрированной эмульсией молочного жира в плазме молока. Массовая доля в них жира (61,5–83 %) превышает предел концентрации, при котором жировые шарики могут сохранять шарообразную форму. Однако, неоднородность размеров жировых шариков допускает такую возможность. По структуре высокожирные сливки представляют концентрат плотно упакованных жировых шариков с ненарушенными оболочками.

При температуре, когда жир находится в расплавленном состоянии, такая эмульсия обладает достаточно высокой устойчивостью. Охлаждение высокожирных сливок до температуры ниже точки отвердевания основной массы глицеридов и интенсивная механическая обработка приводят к необратимому разрушению их структуры. Это свойство используется при термомеханической обработке высокожирных сливок для преобразования их в масло.

В процессе термомеханической обработки высокожирных сливок создаются условия, необходимые для кристаллизации триглицеридов молочного жира и смены фаз (разрушение эмульсии высокожирных сливок жир/вода и образование эмульсии вода/жир – масло).

Термомеханическая обработка осуществляется на двух темперетурных стадиях: первая – интенсивное охлаждение высокожирных сливок от 60–70С до температуры ниже начала кристаллизации основной массы глицеридов молочного жира 20–23С; вторая – охлаждение от температуры 20–23С до 11–17С. Молочный жир отвердевает в температурной зоне от 6 до 23С, но основная масса глицеридов кристаллизуется при охлаждении сливок до 11С. Дальнейшее понижение температуры до 8С не оказывает существенного влияния на консистенцию масла, тогда как увеличение вязкости продукта осложняет работу маслообразователя. На практике конечную температуру охлаждения определяют с учетом содержания в молочном жире высокоплавких глицеридов и выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить максимально возможную степень их отвердевания во время обработки в маслообразователе.

Преобразование высокожирных сливок в масло во время термомеханической обработки является сложным физико-химическим процессом, включающим обращение фаз, массовую кристаллизацию глицеридов, формирование пространственной структуры масла (первичное структурообразование).

Обращение фазэмульсии высокожирных сливок является главным физическим процессом маслообразования. Обращение фаз происходит на первой температурной стадии, то есть при охлаждении высокожирных сливок от 60–70 ºС до температуры ниже точки кристаллизации молочного жира (20–23 ºС). Скорость охлаждения на этой стадии наиболее интенсивная. Быстрое охлаждение высокожирных сливок способствует кристаллизации высоко- и среднеплавких глицеридов в объеме неразрушенного жирового шарика с образованием мелких кристаллов. При быстром охлаждении наряду со снижением разрушения эмульсии происходит повышение степени переохлаждения жира, так как жир в состоянии эмульсии способен к большему переохлаждению, чем находящийся в свободном состоянии.

Обращение жировой фазы начинается с момента появления деэмульгированного (свободного от оболочки) жира, выделившегося через поврежденные оболочки жировых шариков. Дисперсионной (сплошной) средой становится жидкий жир, в котором в виде дисперсной фазы находится отвердевший жир, капельки воды, пузырьки воздуха и отдельные жировые шарики с ненарушенными оболочками. Таким образом происходит обращение жировой фазы, то есть превращение эмульсии типа «жир в воде» (высокожирные сливки) в эмульсию типа «вода в жире» (масло). Степень обращения жировой фазы характеризуется содержанием деэмульгированного жира. На первой температурной стадии массовая доля деэмульгированного жира в сливках составляет 80–94%, а твердого жира – 1,5–2 %.

Массовая кристаллизация глицеридовмолочного жира происходит во второй температурной зоне, то есть при охлаждении от 22–23 ºС до 10–16 ºС. Начало массовой кристаллизации характеризуется резким возрастанием вязкости продукта. На этой стадии скорость обращения жировой фазы постепенно снижается, и дестабилизация практически заканчивается. В состоянии неразрушенной эмульсии сохраняется лишь незначительная часть жира (2–6 %) в виде наиболее мелких жировых шариков, а доля деэмульгированного жира составляет 94–98 %.

Формирование пространственной структуры.Первичное структурообразование молочного жира происходит во второй температурной зоне (охлаждение от 22–23 ºС до 10–16 ºС) практически уже после обращения фаз жировой эмульсии. Первичное структурообразование начинается при массовой доле твердого жира 4–7%.

Интенсивное механическое перемешивание предупреждает образование крупных кристаллов жира и раздробляет ранее образовавшиеся, обусловливает равномерное распределение жидкой и твердой фаз жира и всех других компонентов.

В процессе термомеханической обработки первичная структура частично разрушается, продукт находится в текучем состоянии и в таком виде поступает из маслообразователя в тару. Свежевыработанное масло содержит сравнительно высокую массовую долю твердого жира 30–38 %. При этом часть жира находится в переохлажденном состоянии, вследствие чего продукт, попадая в тару, быстро (за 20–90 с) отвердевает.

Следует отметить, что степень завершенности формирования первичной структуры при термомеханической обработке имеет определяющее значение для консистенции сливочного масла. Наиболее полное завершение структурообразования при термомеханической обработке положительно сказывается на консистенции продукта.

Во время термомеханической обработки начинается формирование структуры масла, но полностью не завершается, оно продолжается во время термостатирования и хранения масла.

При термостатировании свежевыработанного масла необходимо создать условия, благоприятные для завершения формирования структуры сливочного масла. Различают две стадии формирования структуры сливочного масла после окончания термомеханической обработки: стадию вторичного структурообразования и стадию окончательного формирования структуры сливочного масла.

Продолжительность стадии вторичного структурообразования зависит от температуры. Чем выше температура термостатирования (14–16 ºC), тем интенсивнее и полнее происходят процессы образования высокоплавких групп глицеридов в твердой фазе, стабильных полиморфных форм в процессе фазовых изменений глицеридов молочного жира и формирование коагуляционной структуры продукта. Стадия вторичного структурообразования завершается в основном через 3–4 ч при температуре 14 ºCи через 2–3 ч при 16 ºC.

Для масла с недостаточно твердой консистенцией рекомендуется термостатирование в течение первых 5 дней при температуре 5 °С.

Масло с достаточно высокой твердостью рекомендуется термостатировать в течение 3–5 дней после выработки при температуре 10–15°С.

Стадия окончательного формирования структуры завершается в процессе холодильного хранения масла и составляет 3–4 недели при +5 ÷ –10 °С.

Получение масла на различных маслообразователях.Высокожирные сливки преобразуют в масло на специальных аппаратах – маслообразователях, которые включаются в технологическую линию.

Схема технологической линии производства масла способом преобразования высокожирных сливок приведена на рис. .

Сливки средней жирности пастеризуются на установке трубчатого типа и подаются на сепаратор для высокожирных сливок. Полученные высокожирные сливки поступают в емкость для нормализации. Для создания непрерывного процесса маслообразования обычно устанавливают три емкости для нормализации. Нормализованные сливки подаются насосом-дозатором в маслообразователь, где они преобразуются в масло.

Для получения масла из высокожирных сливок предназначены цилиндрический и пластинчатый маслообразователи, вакуум-маслообразователь.

Цилиндрический маслообразователь (рис. ) состоит из трех последовательно сообщающихся цилиндров с рубашками, в которые подается хладоноситель (рассол или ледяная вода). В каждом цилиндре имеется вытеснительный барабан, который при вращении перемешивает и продвигает сливки, находящиеся в зазоре между цилиндром и вытеснительным барабаном, по спирали вдоль барабана. На барабане закреплены два откидывающихся при вращении плоских ножа, которые снимают с внутренней охлаждающей поверхности цилиндра отвердевший слой высокожирных сливок.

Параметры термомеханической обработки высокожирных сливок в цилиндрических и пластинчатых маслообразователях

трехцилиндровый 16 800-850 14 – 15 3,0 –

Я7-ОМ-3Т

(модернизированный) 20 700-750 15 – 15 3,0 –

25 650-700 14 – 15 3,0 –

35 550-600 14 – 16 3,0 –

четырехцилиндровый

для низкожирных видов

масла Я5-ОМЛ 35 1000 17 – 21 8,3 –

Пластинчатый

Р3-ОУА-1000 16 1000 16,5–18,0 1,16 4,67

20 1000 16,5–18,0 1,16 – 1,33 4,67 – 5,33

25 850-950 16,5 – 18,0 1,66 6,67

35 600-700 17,0 – 18,5 1,66 6,67

Осенне-зимний период**

Цилиндрический

трехцилиндровый 16 500-550 13 – 15 2,5 –

Т1-ОМ-2Т 20 500-600 13 – 15 2,5 –

25 320-420 12 – 13 2,5 –

35 300-350 11 – 12 2,5 –

трехцилиндровый 16 750-800 14 – 16 3,0 –

Я7-ОМ-3Т 20 650-700 14 – 16 3,0 –

25 600-650 15 – 16 3,0 –

35 500-550 15 – 16 3,0 –

четырехцилиндро- 35 1000 17 – 21 постоянная –

вый Я5-ОУА-1000 8,3

Пластинчатый

Р3-ОУА-1000 16 1000 17,0 – 17,5 1,33 – 1,66 5,33 – 6,67

20 1000 16,5 – 17,5 1,33 - 1,66 5,33 – 6,67

25 800-900 16,5 – 18,0 1,66 6,67

35 550-600 17,5 – 18,5 1,66 6,67

* йодное число 39 и выше.

** йодное число ниже 39

Сливи при температуре 60–70 С поступают сначала в нижний, затем в средний и верхний цилиндры. В нижнем цилиндре сливки интенсивно охлаждаются до 22–23С, сохраняя свойства эмульсии жира в плазме, и перемешиваются для ускорения образования центров кристаллизации. В среднем цилиндре происходит дополнительное охлаждение. При достижении начальной температуры кристаллизации молочного жира начинается во всем объеме высокожирных сливок массовая кристаллизация глицеридов, которая сопровождается сменой фаз. В верхнем цилиндре происходит обработка кристаллизующегося продукта в результате чего формируется требуемая структура и консистенция масла. Температура масла, выходящего из верхнего цилиндра составляет 13–17С.

Продолжительность механической обработки в аппарате должна быть достаточной для кристаллизации глицеридов в количестве, необходимом для формирования структуры, обусловливающей в необходимой степени твердую и пластичную консистенцию масла. При преобладании в молочном жире высокоплавких глицеридов продолжительность обработки в зоне кристаллизации жира увеличивают по сравнению с жиром, в котором преобладают легкоплавкие глицериды. Так по данным ВНИИМСа требуемая продолжительность перемешивания сливок в зоне кристаллизации составляет летом 140–160 с, а зимой, когда в молочном жире содержится больше высокоплавких глицеридов и больше его может перейти в твердое состояние, – 180–200с.

В случае получения масла твердой крошливой консистенции увеличвают продолжительность обработки продукта в зоне кристаллизации путем снижения производительности маслообразователя и понижают температуру масла на выходе из аппарата.

При мягкой консистенции масла сокращают продолжительность обработки продукта в зоне кристаллизации путем увеличения производительности маслообразователя и повышают температуру масла на выходе из аппарата.

Регулируют температуру масла на выходе из маслообразователя путем изменения расхода или температуры хладоносителя (рассола, ледяной воды), используемого для охлаждения, при постоянной производительности маслообразователя. Уменьшение количества хладоносителя или повышение его температуры приводит к повышению температуры продукта на выходе из аппарата. Увеличение подачи хладоносителя или снижение его температуры способствует снижению температуры продукта на выходе из маслообразователя.

Современный трехцилиндровый маслообразователь позволяет получать 750—1000 кг масла в час В таком маслообразователе процессы охлаждения высокожирных сливок и механическая обработка продукта происходят в различных аппаратах, для чего маслообразователь дополнительно укомплектован специальным обработником.

Для контроля правильности выбора режима термомеханической обработки и прогнозирования консистенции готового продукта определяют скорость отвердевания свежевыработанного масла и прирост температуры в монолите масла.

Скорость отвердевания свежевыработанного масла выражают в секундах от момента отбора пробы на выходе из маслообразователя до прекращения деформации масла.

Прирост температуры в монолите масла определяют по величине повышения температуры помещенного в тару (ящик) свежевыработанного продукта в течение 10 мин.

Отвердевание пробы свежевыработанного масла в течение 30–70 с в летний период и 40–100 с в зимний, а также прирост температуры 1,5–2,5 ºС свидетельствуют о том, что процесс выработки масла проведен правильно и готовый продукт будет иметь нормальную консистенцию.

Продолжительность отвердевания менее 30 с и значительный прирост температуры в монолите масла (3–5 ºС) указывает на продолжающуюся интенсивную кристаллизацию молочного жира в готовом продукте. Такое масло после стабилизации структуры имеет грубую, крошливую консистенцию. Причина – недостаточная термомеханическая обработка продукта в маслообразователе.

Отвердевание более 70 с в летний период и 100 с в зимний, а также прирост температуры менее 1,5 ºС указывает на излишнюю обработку масла в маслоизготовителе и излишне мягкую консистенцию готового продукта.

В пластинчатом маслообразователеможно проводить термомеханическую обработку высокожирных сливок более интенсивно. Он состоит из теплообменного аппарата (охладителя) и камеры для кристаллизации молочного жира и механической обработки продукта (рис. ).

Охладитель имеет чередующиеся между собой продуктовые и охлаждающие пластины, выполненные в виде полой плиты. Пластины имеют отверстие в центре для прохода продукта, а также два отверстия по углам для входа и выхода хладоносителя. Внутри камер продуктовых пластин размещены диски-турбулизаторы с ребрами-ножами.

Камера для кристаллизации представляет собой цилиндр, закрытый конусной насадкой и выходным патрубком. Внутри' камеры расположены отражатель и лопастная мешалка.

В месте соединения конусной насадки с цилиндром установлена дисковая решетка. Внутри конусной насадки вращается крыльчатка.

Высокожирные сливки подаются в камеру первой продуктовой пластины и по щели, образуемой поверхностью охлаждающей пластины и диском-турбулизатором, движутся к центру. Затем сливки проходят через центральное отверстие охлаждающей пластины и движутся к периферии камеры следующей продуктовой пластины, проходя последовательно весь охладитель.

Охлажденные сливки поступают в камеру кристаллизации, где подвергаются интенсивной механической обработке. Кристаллизация молочного жира, начавшаяся в охладителе, продолжается в камере кристаллизации.

При продавливании продукта через дисковую решетку разрушаются грубые кристаллические структуры молочного жира и под действием крыльчатки продукт выталкивается через патрубок.

Пластинчатый маслообразователь входит в состав линии производительностью 1000 кг масла в 'час. Некоторые параметры термомеханической обработки высокожирных сливок в пластинчатом маслообразователе приведены в табл. .

Основными параметрами термомеханической обработки высокожирных сливок на пластинчатом маслообразователе являются удельные затраты мощности или энергии на механическую обработку, продолжительность механической обработки и температура масла, выходящего из аппарата.

Для получения масла, обладающего хорошей консистенцией, удельные затраты мощности составляют от 20 до 60 Вт/кг, Необходимую продолжительность механической обработки τ, с, высокожирных сливок в зависимости от удельной затраты мощности на механическую обработку Nопределяют по формуле: τ = 202,6—2,94N.

Конечная температура масла на выходе из аппарата в зависимости от времени года колеблется от 16,5 до 18,5 °С.

В весенне-летний период для обеспечения достаточно твердой консистенции масла уменьшают удельные затраты мощности, не снижая производительности аппарата. Для этого снижают частоту вращения вала охладителя и вала обработника по сравнению с осенне-зимним периодом. Температуру продукта на выходе из аппарата при этом снижают на 0,5 С.

Уменьшение удельных затрат энергии на механическую обработку способствует уменьшению степени отвердевания жира в высокожирных сливках во время их пребывания в аппарате и степени дисперсности отвердевших частиц жира, больше жира отвердевает в масле после выхода его из маслообразователя, в состоянии покоя, что способствует образованию кристаллизационной структуры, вследствие чего повышается твердость масла

В осенне-зимний период для получения масла пластичной, мягкой консистенции удельные затраты энергии на механическую обработку продукта повышают путем увеличения частоты вращения вала охладителя и обработника, не снижая производительности аппарата. Повышают температуру продукта, выходящего из охладителя и обработника, на 0,5 °С.

При увеличении удельных затрат энергии повышаются степень отвердевания жира в высокожирных сливках и степень дисперсности частиц твердого жира, меньше жира отвердевает в масле после выхода из аппарата в состоянии покоя, создаются благоприятные условия для образования коагуляционной структуры.

Вакуум-маслообразователь(рис. ) состоит из вакуум-камеры и шнекового текстуратора. В состав вакуум-камеры входит трубопровод, заканчивающийся распылительной форсункой. Внутри камеры имеется лопастная мешалка. Масло со стенок снимается ножами лопастной мешалки Текстуратор представляет собой шнековый пресс и состоит из двух шнеков, вращающихся навстречу один другому, и конической насадки. Для отвода тепла, выделяющегося при механической обработке масла, текстуратор снабжен рубашкой, где циркулирует холодная вода.

Высокожирные сливки температурой 70–75 °С под действием вакуума засасываются в камеру и, проходя через форсунку, распыляются. Сливки, попадая в камеру с глубоким вакуумом, оказываются перегретыми, вследствие чего вскипают, теряя 6–8 % влаги. Испарение сопровождается потерей значительного количества тепла, в результате чего каждая частица охлаждается до 8–3 °С. Происходят быстрое отвердение около 50 % жира, разрыв оболочек и агрегирование жировых комочков в масляные зерна.

Масляное зерно направляется на шнеки текстуратора. Захваченное шнеками текстуратора масло уплотняется, продавливается через отверстия решеток и перемешивается крыльчатками, насаженными на концы шнеков. Из аппарата выходит пласт масла, который направляют на упаковку.

Создан маслообразователь для получения масла из высокожирных сливок с охлаждением их в атмосфере азота в распыленном состоянии и последующей механической обработкой.

Маслообразователи с вакуумным охлаждением и с охлаждением в атмосфере азота конструктивно оформляются одинаково. Различие состоит в том, что в первом случае из маслообразователя отсасывается воздух, а во втором – подается азот.