Во время дробления жира, вещество его оболочки перераспределяется. Часть фосфатидов переходит в плазму, а на внешний покров мелких шариков идут плазменные белки. Благодаря перечисленным факторам, в молоке стабилизируется жировая эмульсия. При высокой степени дисперсности, процесс отстаивания не наблюдается, жир не всплывает, фляги для молока наполняются более качественным продуктом. Сливки, творог, масло и прочее, сделанные из гомогенизированного (однородного) сырья, имеют лучшие органолептические показатели и консистенцию, питательные вещества быстрее и полнее усваиваются организмом.
Гомогенизация способствует тому, чтобы:
- Пастеризованные молоко или сливки, разлитые по емкостям из нержавеющей стали, приобрели однородную жирность, цвет и вкус.
- Стерилизованные молоко и сливки – лучше хранились.
- На кисломолочных продуктах не образовывалась жировая пленка, а белковые сгустки были прочнее и с лучшей консистенцией.
- В молочных сгущенных консервах, при длительном хранении, не выделялась жировая фаза.
- В цельном сухом молоке оказалось меньше свободного жира, без оболочек из белка – это приводит к окислению.
- У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока не появился водянистый привкус, а вкус продукта стал более насыщенным.
- Молоко с наполнителем (например, какао), получилось более вязким, без осадка, с лучшим вкусом.
Механизм гомогенизации
Гомогенизацию рекомендуется делать после того, как молоко прошло через ванну длительной пастеризации.
Для этого применяются разные виды устройств. Самые распространенные – агрегаты клапанного типа. По своей сути они являются плунжерными насосами высокого давления. Жидкость пропускается сквозь очень маленькие отверстия. При этом резко увеличивается скорость потока. Жировые шарики дробятся, образовавшиеся мелкие комочки сразу покрываются белковой оболочкой.
В клапанном механизме, у пропускной щели, есть зона скачкообразного изменения поперечного сечения потока. Согласно законам гидротехники, которым подчиняется любое устройство пищевой промышленности, от доильного оборудования и молочных насосов, до анализаторов соматических клеток и молочных такси, в трубопроводе переменного диаметра через любое поперечное сечение в единицу времени пройдет один и тот же объем жидкости. То есть, произведение скорости потока на площадь поперечного сечения есть величина постоянная. Это значит, что, чем меньше радиус трубы, тем выше скорость. Резкое изменение площади поперечного сечения требует такого же изменения скорости.
Таким образом, в указанной зоне наблюдается скачкообразный переход от малых скоростей к большим. Попадающий сюда шарик жира деформируется. Его передняя часть подходит к гомогенизирующей щели, вливается в идущий с большой скоростью поток и вытягивается в тонкую нить, после чего дробится на крошечные капли. Затем так же проходит через щель, вытягивается и дробится все содержимое данного жирового комочка, после чего к отверстию подходит следующий шарик. Разумеется, в реальности шарики не «выстраиваются в очередь» перед отверстием, уже хотя бы потому, что в 1 мл молока их содержится от 2 до 4 млрд штук. Но схематически все выглядит именно так.
Факторы, влияющие на интенсивность гомогенизации
Эффективность гомогенизации, или степень раздробленности жировых комочков, зависит, в первую очередь, от скорости потока жидкости перед пропускной щелью.
Скорость определяется давлением, которое нагнетает плунжер. Чем оно выше, тем больше степень дисперсности жира. А значит, меньше средний диаметр шариков.
Если обеспечить давление на уровне 15 МПа, что вполне соизмеримо с показателями пищевых центробежных насосов, то диаметр будет равен в среднем 1,43 мкм, что соответствует эффективности гомогенизации 74%. После достижения 20 МПа, средняя величина комочков составит 0,97 мкм. Эффективность при этом возрастет до 80%. Для повышения давления гомогенизатор оборудуется двумя либо тремя клапанами. Такие модели называются двух- или трехступенчатыми. Обратной стороной медали в данном случае окажется повышенный расход электроэнергии. Поэтому оптимальным считается диапазон от 10 до 20 МПа. Чем жирнее продукт, согласно показаниям анализатора молока, тем ниже давление.
Сегодня используются, в основном, два вида гомогенизаторов: одно- и двухступенчатые. В первом случае есть вероятность, что мелкие шарики жира будут склеиваться в крупные образования. Во втором – эти образования разрушаются, а жирные комочки диспергируют до более высокой степени.
Еще одним фактором, влияющим на интенсивность гомогенизации, является температура. Здесь наблюдается прямая зависимость – чем теплее сырье в молочных бидонах, тем более жидким становится жир, тем ниже вязкость продукта. Кроме того, уменьшается интенсивность процесса отстаивания жира. Если данный параметр опускается ниже 50 град С, отстаивание усиливается и качество продукта ухудшается. При слишком большой температуре возможно осаждение сывороточных белков. Поэтому желательно, чтобы значение было в пределах 60 – 65 град С.
Помимо перечисленных условий, на эффективность гомогенизации влияют свойства продукта и его состав: содержание сухих веществ и жира, кислотность, плотность, вязкость. Чем больше сухих веществ и жира, тем с меньшей силой плунжер должен воздействовать на сырье. Если анализатор качества молока показывает увеличение кислотности, то снижается стабильность белков. Появляются агломераты, из-за которых дробление шариков затрудняется. Также интенсивность гомогенизации уменьшается при повышении плотности и вязкости сырья.
Раздельная гомогенизация
Во время проведения гомогенизации, физико-химические характеристики белков, а также некоторых других компонентов продуктов переработки молока, изменяются. Это влияет на технологические свойства пищевой массы, которую перекачивают молочные насосы. В результате выход сырной и творожной продукции растет, консистенция улучшается, норма расхода исходного сырья и степень усушки сыра снижается.
В некоторых случаях, при изготовлении сыров и молочных напитков, возникает необходимость проведения раздельной гомогенизации. Этот способ применяется для того, чтобы на выходе получить однородное молоко с высокой стабильностью белков и дисперсной жировой фазы, а также с заданным содержанием жира. От полной раздельная гомогенизация отличается тем, что в данном случае механическое воздействие прилагается только к эмульсии с высокой концентрацией жира, то есть, к сливкам с определенным процентом жирности.
Процесс раздельной гомогенизации выглядит следующим образом. Прошедшее через фильтр для молока сырье сепарируют, получая на выходе сливки и обрат. После этого сливки пропускают через гомогенизатор. Готовую однородную массу снова смешивают с обезжиренным сырьем, доводят до заданного процента жирности (нормализуют), отправляют в ванну пастеризации молока и затем охлаждают. При одноступенчатой гомогенизации массовая доля жира в сливках должна быть не больше 16%. При двухступенчатой – до 25%.
Раздельную гомогенизацию используют, чтобы повысить производительность данного процесса. А также с целью уменьшить степень механического воздействия на белки при изготовлении кисломолочных продуктов, питьевого молока и сыров. Если в сливках, отправленных на раздельную гомогенизацию, содержание жира не превышает 12%, то полученное однородное молоко по органолептическим и физико-химическим параметрам не будет отличаться от молока, прошедшего «обычную» гомогенизацию. Если же содержание жира в сливках оказалось более высоким, то в разлитом по молочным бидонам конечном продукте жир будет отстаиваться быстрее.
Многоступенчатая гомогенизация
Гомогенизацию сырья надо делать после того, как оно прошло через ванны длительной пастеризации. Это связано с тем, что данный процесс снижает устойчивость молочной эмульсии к воздействию высоких температур.
Чтобы жировая фракция продукта, подвергаемого гомогенизации, оказалась в итоге стабильной, надо, чтобы в сырьевой массе было достаточно белка. Только в этом случае мелкие шарики жира быстро получат новые оболочки. Необходимым условием для их образования является «правильное» объемное соотношение СОМО и жира – более, чем шесть десятых.
При изготовлении мороженного, часто применяются смеси, в которых содержание СОМО повышено. В таких случаях используется ступенчатая гомогенизация. Суть ее в том, что сырьевую массу делают однородной в два этапа – сначала при высоком, а потом при низком давлении. В результате конечный продукт получается с более мелкими частицами, а его органолептические характеристики – намного лучше.
При ступенчатой гомогенизации важно поддерживать оптимальную температуру. Если прибор показывает меньше, чем 55 град С, то смесь на выходе, перелитая в термоизолированные емкости, не будет однородной. Нормальным значением считается 70 град С и выше.
Устройство гомогенизатора
Для гомогенизации продукта, перед тем, как отправить его в ванны пастеризации молока, применяются различные аппараты. Самые популярные – клапанного типа. Конструктивно они являются плунжерными насосами с несколькими головками, работающими под высоким давлением.
Агрегат приводится в действие от электромотора через клиноременную передачу. Кривошипно-шатунный механизм, расположенный в масляной ванне, преобразовывает вращательное движение вала в возвратно-поступательное – плунжера. Последний двигается в рабочей камере, всасывая и нагнетая жидкость. Давление, необходимое для гомогенизации сырья, создается за счет наличия манжетных уплотнителей. Смазка деталей КШМ осуществляется в процессе разбрызгивания масла из-за движений коленвала. Охлаждение масла внутренней полости происходит за счет теплообмена с атмосферным воздухом через корпус. Плунжерный блок крепится к корпусу шпильками. Для охлаждения плунжеров используется вода из водопровода.
После фильтров тонкой очистки молока, сырье может подаваться на гомогенизаторы с принудительной системой смазки. В них на дне корпуса есть змеевик с проточной водой для отбора тепла от узлов и деталей, более других нагревающихся из-за трения поверхностей. Для контроля подачи воды, такие устройства обязаны иметь специальное реле.
Плунжерный блок состоит из: корпуса, манжетных уплотнителей, верхней, нижней и передней крышек, нагнетательных и всасывающих клапанов, втулок, прокладок, седел, штуцера, фланца, пружин и фильтра для молока. На торцевой плоскости есть головка для двухступенчатой гомогенизации. Сырье движется под высоким давлением между клапанами и седлами клапанов.
Давление гомогенизации контролируется механическим манометром. Он крепится на верхней части плунжерного блока. Чтобы снизить колебания стрелки, в приборе предусмотрена дросселирующая система. Напротив гомогенизирующих головок располагаются предохранительные клапаны. Они необходимы для того, чтобы исключить резкие скачки давления до недопустимых пределов. Для настройки на срабатывание во время превышения номинального давления служат прижимные винты.
Станины гомогенизаторов делаются литыми или сварными. Во втором случае используются швеллеры и листовая сталь. КШМ смонтирован в верхней части. Плита с электромотором – внутри, на кронштейнах с шарнирными креплениями. Ее поддерживают винты регулировки клиновидных ремней. Бока станины закрываются съемной крышкой, а для установки ее в горизонтальное положение есть четыре винтовые опоры.
Прошедший через молочные фильтры продукт пищевым центробежным насосом подается в плунжерные блоки через всасывающие каналы. После этого жидкость проходит через нагнетательные клапаны под высоким давлением к гомогенизирующим головкам. Там сырье с большой скоростью продавливается между поверхностями седел и гомогенизирующих клапанов, в результате чего становится более однородным. После этого его отправляют на переработку или в термоизолированные емкости на хранение.
Электрогидравлические и ультразвуковые гомогенизаторы
Для гомогенизации молока, прошедшего через молочные фильтры, применяются не только клапанные агрегаты. Могут использоваться гомогенизаторы ротационные или центробежные струйные, электрогидравлические устройства, динамические кавитационные и суперкавитационные смесители-эмульсоры, гидродинамические ультразвуковые аппараты, быстроходные механические мешалки. Но эффективность диспергации продукта, без серьезных нарушений его характеристик, у этих механизмов намного ниже.
В клапанном аппарате молоко, перед тем, как попасть в ванну длительной пастеризации, проходит через канал со скоростью 200 м/с. Число жировых шариков возрастает в 200-500 раз. Суммарная площадь их поверхности увеличивается в 6 – 10 раз. Это превосходные показатели, благодаря чему практически все производства оборудованы именно такими устройствами. С другой стороны, клапанный гомогенизатор является слишком металло- и энергоемким оборудованием. У крупных агрегатов расход электроэнергии доходит до 140 кВт/час. А масса – до 4 тонн. Именно поэтому существуют механизмы другого типа. Так, например, конструкция центробежных молочных гомогенизаторов более простая, чем клапанных. Они менее металлоемкие и содержат меньше быстроизнашивающихся деталей. Но добиться с их помощью высокой степени диспергации сырья пока не удается.
Принцип электрогидравлической гомогенизации молока заключается в следующем. В жидкости создаются сверхвысокие импульсные давления. В результате образовываются ударные волны. Возникающий эффект электрогидравлического удара дает хорошие результаты – шарики жира дробятся с уменьшением в 7 – 8 раз. Кратковременное воздействие на свойства продукта не влияет. Но, при очень длительном, изменяется вкус.
Ультразвуковой молочный гомогенизатор, который, как и прочие, работает в паре с насосом для молока, относится к гидродинамическому и электромеханическому оборудованию. Он оказывает на сырье ультразвуковое и звуковое воздействие. Самый известный вид - гидродинамический свисток. Принцип работы следующий. Жидкость подается в зону наибольшего ультразвукового влияния, которое создается ее же потоком. В результате поток дробится на отдельные струи. Они двигаются с большой скоростью, и при этом многократно взаимно пересекаются. В них образуются высокочастотные акустические колебания, а также интенсивные вихри. При выходе закрученного потока из сопла, вихри усиливаются до максимума. Образованные колебания усиливаются, благодаря установленным на этом участке резонаторам. В итоге, в потоке жидкости появляются кавитационные полости (каверны), с парообразованием и последующим схлопыванием пузырьков, которое приводит к гидроудару.
Приведенный способ достаточно эффективен. Эмульгирование полученной однородной жидкости, разлитой по емкостям из нержавеющей стали, доходит до 95%. Степень дисперсности высокая (0,1-0,5 мкм), при длительном хранении эмульсия оказывается устойчивой. Энегро- и металлоемкость УЗ-гомогенизатора в 5-7 раз ниже, чем клапанного, той же производительности. Тем не менее, изучение влияния данного агрегата на свойства молока продолжаются, так как процесс до конца еще не исследован. Пока известно только то, что продукт после УЗ-обработки может получить привкус топленого молока. Считается, что это происходит после взаимодействия с жиром выделяющегося атомарного кислорода. Кроме того, вязкость жидкости значительно уменьшается. Это свидетельствует о деструкции белковых молекул.
Не смотря на существование различных типов гомогенизаторов, именно клапанные, не смотря на некоторые недостатки, обеспечивают достаточную диспергацию молока без изменения его свойств, и потому применяются в промышленности почти повсеместно.
8:00‑18:00
Выходные
Вопросов: 1