3. Фізико-хімічні основи виробництва масла збиванням вершків і перетворенням високожирних вершків.

Масло являє собою концентрат молочного жиру — його масова частка у вершковому маслі різних видів коливається від 82,5 до 62,5%. Отже, виробництво масла будь-яким методом зводиться до звільнення і концентрування жирової фази молока при одночасному формуванні структури готового продукту. Основними фізико-хімічними процесами маслоутворення є затвердіння жиру, обернення фаз і структуроутворення.

масло масло

вода вода

Рис. 10.

Склад масла, його структурно-механічні й органолептичні властивості визначаються не тільки методом виробництва, але і якістю вихідних вершків, режимами їхньої теплової обробки, низькотемпературної підготовки і т.д.

Фізико-хімічні основи виробництва масла збиванням вершків. Формування структури солодко-вершкового масла, отриманого збиванням вершків, відбувається в результаті фізико-хімічних змін жирової фази під час фізичного дозрівання і збивання вершків. При виробництві кисло-вершкового масла до цих змін додаються біохімічні процеси на стадії сквашування вершків.

Фізичне дозрівання вершків. Метою фізичного дозрівання вершків є затвердіння оптимальної кількості жиру і формування структурних зв'язків між отверділими жировими кульками. Затвердіння частини жиру для даного методу необхідно, тому що виділити жир з жирових кульок і одержати масляне зерно в процесі збивання вершків можна тільки при наявності твердого жиру. Крім того, ступінь затвердіння жиру під час охолодження і витримки вершків впливає на процес збивання і консистенцію готового масла. На думку фахівців, оптимальним ступенем затвердіння жиру варто вважати 30—35% загальної кількості жиру.

Найбільш інтенсивно жир твердне в перші хвилини і години охолодження вершків. Кожній температурі охолодження і тривалості витримки відповідає визначений ступінь затвердіння жиру. Критичною температурою для затвердіння жиру вважають 10—13°С, при більш високій температурі воно не відбувається. Зі зменшенням температури і збільшенням тривалості витримки ступінь затвердіння жиру підвищується, але частина його завжди залишається в рідкому стані. Таким чином, при дозріванні вершків настає момент, коли затвердіння жиру припиняється і встановлюється рівновага між твердим і рідким жиром.

Затвердіння (кристалізація) жиру в жирових кульках у стані спокою відбувається пошарово: спочатку кристалізується шар високоплавких тригліцеридів, розташований біля оболонки, потім середньоплавкі шари усередині кульки. Отже, усередині жирової кульки утворюється свого роду каркас з отверділого жиру.

За затвердінням жиру відбувається агрегатування, тобто утворення скупчень (грудок) отверділих жирових кульок. Агрегатуванню кульок сприяють зміна складу оболонок і рідкий жир, що виділився при руйнуванні частини оболонок. У результаті затвердіння й агрегатування жиру підвищується в'язкість дозрілих вершків. Підвищення в'язкості вершків також обумовлює набрякання білків, що під час охолодження і витримки активно зв'язують вологу.

Режими фізичного дозрівання (температура і тривалість витримки) вершків впливають як на процес збивання, так і на якість готового масла. Їхній вибір визначається хімічним складом молочного жиру вершків, що залежать від пори року, видом виробленого масла, величиною жирових кульок вершків і т.д. Так, для одержання масла гарної консистенції необхідно в отверділому жирі мати співвідношення між легкоплавкими і високоплавкими групами тригліцеридів 2:1. Тому восени й узимку, коли в жирі молока підвищується кількість насичених жирних кислот, підбирають режим дозрівання вершків, що сприяє збільшенню вмісту у твердому жирі легкоплавких тригліцеридів (ступінчатий зимовий режим). Це допомагає зменшити твердість і підвищити пластичність виробленого масла.

Весняне і літнє молоко характеризується більш високою кількістю в жирі ненасичених жирних кислот. Отже, для одержання масла потрібної твердості і термостійкості треба застосовувати інший режим дозрівання вершків, що забезпечує збільшення вмісту високоплавких тригліцеридів (ступінчатий літній режим).

Порівняно тривалий процес дозрівання вершків можна скоротити, застосовуючи механічний вплив. Для цієї мети вершки механічно обробляються (струшуються) у масловиготовлювачі при температурі затвердіння середньоплавких тригліцеридів (3—6°С). Механічний вплив прискорює процеси кристалізації тригліцеридів молочного жиру й агрегатування жирових кульок. Правда, механічна обробка сприяє зменшенню середнього діаметра жирових кульок, а великі швидкості обертання мішалки можуть викликати сильне збільшення ступеня дестабілізації жирової фази, тобто підвищення кількості вільного жиру у вершках. Усе це може збільшити втрати жиру зі сколотинами і додати маслу знижену термостійкість.

Біологічне дозрівання вершків. У процесі біологічного дозрівання, або сквашування вершків під дією бактеріальної закваски, поступово збільшується титрована кислотність вершків. При цьому кислотність плазми вершків підвищується з 16—20 до 35—60°Т, а залежна від неї величина рН знижується з 6,6—6,8 до 4,8—5,7. Підвищення кислотності плазми вершків супроводжується зростанням їхньої в'язкості. Особливо різке збільшення в'язкості вершків настає при кислотності плазми вершків вище 57—60°Т. Підвищення в'язкості вершків у процесі сквашування можна пояснити зміною властивостей білків плазми й утворенням скупчень жирових кульок.

В міру наростання кислотності міняються властивості і склад оболонок жирових кульок. Оболонки стають неміцними, внаслідок чого настає дестабілізація жирової дисперсії вершків. Таким чином, у процесі сквашування у вершках у кілька разів підвищується кількість дестабілізованого жиру. Зростає також піноутворююча здатність вершків. У результаті сквашені вершки збиваються швидше свіжих, несквашених вершків. Тривалість збивання визначається величиною рН — чим вона нижче, тим швидше збиваються вершки. Однак безмежно збільшувати ступінь сквашування вершків не можна, тому що висока кислотність плазми масла сприяє окисному псуванню жиру. Варто дотримувати величини кислотності плазми вершків (35-55°Т), що рекомендується технологічною інструкцією. При виборі ступеня сквашування вершків необхідно враховувати якість вихідних вершків, пору року, а також здатність молочнокислих стрептококів накопичувати ароматичні речовини: діацетил, ацетоїн, оцтовий альдегід, леткі кислоти й ін.

Збивання вершків. Збивання вершків є завершальною стадією маслоутворення в масловиготовлювачах періодичної і безперервної дії. Під час збивання вершків у результаті механічного впливу відбувається злипання (агрегація) жирових кульок з утворенням масляного зерна. На початку процесу жирова дисперсія вершків повністю руйнується, затверділі жирові кульки утворюють спочатку дрібні агрегати, потім більш великі грудочки — масляні зерна. При цьому з твердого жиру формується просторовий каркас майбутньої структури масла.

Існує кілька теорій, що пояснюють агрегацію жирових кульок з утворенням масляних зерен: флотаційна, гідродинамічна й ін. Відповідно до найбільш обґрунтованої флотаційної теорії А. П. Білоусова агрегація жирових кульок відбувається на поверхні повітряних пухирців. Повітряні пухирці (піна) утворяться при впрацюванні повітря у вершки під час їхнього збивання в масловиготовлювачах. Жирові кульки з частково затверділим жиром втягуються у повітряні пухирці, або флотуються ними. Далі в процесі збивання кульки зближаються на поверхні повітряних пухирців і поєднуються в невеликі агрегати з одночасним руйнуванням своїх оболонок. Великі пухирці піни потім лопаються, а первинні жирові агрегати, що звільнилися, знову втягуються поверхнею повітряних пухирців, поєднуються з новими жировими кульками і т.д. Наприкінці збивання вершків піна руйнується й утворюються великі грудочки жиру — масляні зерна.

Якщо флотаційна теорія добре пояснює механізм утворення масляних зерен у масловиготовлювачах періодичної дії, то для масловиготовлювачів безперервної дії більше підходить гідродинамічна теорія. Відповідно до цієї теорії зближення кульок і концентрування жиру у вершках, що збиваються, відбуваються під дією утворених при обертанні масловиготовлювача «вихрів» («вихрових шнурів»). Вихори діють подібно маленьким центрифугам: плазма вершків як більш важка відкидається до периферії вихрів, а жирові кульки як більш легені — до його центра. У результаті механічного стиску оболонки кульок руйнуються, жир вивільняється й утворяться масляні зерна.

Остаточне утворення структури масла з розрізненими масляними зернами відбувається під час формування шару масла і його механічної обробки. При цьому закінчується процес зміни характеру жирової емульсії, що вже почався під час фізичного дозрівання і збивання вершків. У результаті механічної обробки молочний жир стає дисперсійним середовищем, у якому розподіляються краплі вологи (плазми) масла. Розмір і рівномірність розподілу вологи, а також вміст в маслі повітря залежать від інтенсивності механічної обробки масла.

Фізико-хімічні основи перетворення високожирних вершків в масло. Структура високожирних вершків перетворюється в структуру масла в результаті термомеханічної обробки вершків у маслоутворювачі, де вони одночасно охолоджуються й інтенсивно механічно перемішуються. При термомеханічній обробці вершків прискорюється процес кристалізації тригліцеридів (в основному високоплавких) усередині жирових кульок і відбувається майже повне руйнування оболонок жирових кульок: на початку механічної обробки їх руйнується 60— 80%, до кінця — 94—98%. При цьому з кульок звільняється рідкий жир, що складається з легкоплавких тригліцеридів. Відразу ж настає процес обернення фаз (рис. 10.).

Процес обернення фаз — це перехід прямої емульсії типу «масло у воді» у зворотну емульсію типу «вода в маслі». У процесі обернення фаз дисперсна фаза (масло) прямої емульсії розтягується і потім охоплює дисперсійне середовище (воду), що у зворотній емульсії стає дисперсною фазою.

Таким чином, у результаті обернення фаз у високожирних вершках безперервним (дисперсійним) середовищем стає рідкий жир, у якому розподіляються краплі вологи і кристали тригліцеридів. Процес обернення фаз проходить досить швидко, але все-таки в маслоутворювачі існує як пряма, так і зворотна емульсія. Тільки наприкінці дестабілізації високожирних вершків переважає зворотна емульсія.

Майже одночасно із оберненням фаз відбувається масова кристалізація тригліцеридів рідкого жиру, що утворився при розплавлюванні отверділої частини жиру (його називають розплавом). При поступовому охолодженні високожирних вершків (спочатку до 22°С, потім до 10—15°С) процес кристалізації проходить по групах тригліцеридів: спочатку кристалізуються високо- і середньоплавкі, наприкінці — легкоплавкі тригліцериди. Правда, кристалізація легкоплавких тригліцеридів у процесі термомеханічної обробки незначна, вона закінчується під час термостатування і зберігання масла. При термостатуванні завершуються і фазові перетворення молочного жиру.

У період масової кристалізації тригліцеридів молочного жиру починається формування структури масла. По досягненню визначеної кількості твердого жиру кристали тригліцеридів, що утворюються, взаємодіють між собою й утворюють просторову структуру (структурний каркас). Остаточне формування і зміцнення структури масла відбуваються після виходу продукту з маслоутворювача.