X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Скотоводство является важнейшей отраслью животноводства и России. В структуре валовой продукции сельского хозяйства (и фактически действующих ценах) на долю животноводства приходится 46,0 %, в том числе скотоводства - 25,7 %. Эта отрасль дает ценные продукты питания: мясо и молоко, кожевенное сырье. Незаменима роль скотоводства и как важнейшего источника органических удобрений.

Молоко и молочная продукция занимает важное место в рационе человека. Молоко является полноценным и калорийным продуктом питания, по химическому составу и пищевым свойствам оно не имеет аналогом среди других видов естественной пищи. Поэтому его качественная переработка является одной из важнейших задач в сельскохозяйственной промышленности. Одним из перспективных способов переработки молока является его концентрирование [1, 2].

Сущность этого процесса заключается в частичном удалении свободной воды при условии сохранения системы в текучем состоянии при заданной температуре. Способы удаления воды могут быть различными: в замороженном виде (криоконцентрирование), жидком (молекулярная фильтрация) и в виде пара (выпаривание).

При криоконцентрировании исходное молочное сырье подвергается охлаждению до отрицательных температур, вода выкристаллизовывается в виде кристаллов льда, которые затем отделяются на сепараторах. Составные части молока при замораживании изменяются несущественно. Несмотря на значительные энергетические преимущества этого метода, связанные с тем, что затраты при переводе жидкости в пар больше, чем при ее переводе в лед, метод не находит применения из-за значительных потерь сухих веществ со льдом, высоких капитальных и производственных затрат.

Без фазовых превращений вода удаляется из молочного сырья с помощью молекулярной фильтрации (на основе обратного осмоса). Процесс проводят через мембраны из ацетат целлюлозы или других материалов, с диаметром пор 1—3 мкм, под давлением не более 5 МПа. Используя обратный осмос, можно сгущать цельное молоко до 18%, обезжиренное молоко и сыворотку — до 30—35% сухих веществ. При такой обработке достаточно полно сохраняются исходные свойства сгущаемого сырья, невелики затраты электроэнергии. Обратноосмотические установки занимают небольшие производственные площади и могут работать непрерывно до 20 ч при температуре процесса от 4 до 80° С. Стоимость сгущения единицы объема в этом случае в 2—2,5 раза меньше, чем при выпаривании [3, 4, 5].

Широкого промышленного использования в производстве продуктов консервирования обратный осмос не находит, так как в настоящее время не решены проблемы эффективной мойки полупроницаемых мембран и концентрирования цельного молока. При прохождении нормализованных молочных смесей через обратноосмотическую установку отмечается гомогенизирующий эффект, нарушаются белково-лецитиновые оболочки жировых шариков, образуется свободный молочный жир и снижается качество продуктов.

В основе сгущения исходных смесей выпариванием лежит парообразование. При атмосферном давлении молоко кипит при 100,5° С. При такой температуре происходят необратимые изменения составных частей молока. Парообразование кипением при 50°С не сопровождается необратимыми изменениями молока. Устойчивы к этому нагреванию даже такие свойства, как вязкость, электропроводность, поверхностное натяжение. Необратимые изменения отмечаются лишь при нагревании до 70°С и выше. Таким образом, для молока оптимальными для парообразования кипением являются температуры от 50 до 70°С, которые обеспечиваются при кипении в разряженном пространстве, когда парциальное давление паров кипящей жидкости будет превышать действующее на него общее давление.

Вакуум-выпарные аппараты, применяемые в молочно-консервной промышленности, делятся на две группы: первая одно- и многокорпусные пленочные или пластинчатые с поточным поступлением в них сырья и поточным выпуском сгущенного продукта; вторая одно- и многокорпусные циркуляционные (объемные) вакуум-выпарные аппараты с многократной циркуляцией, поточным поступлением сырья и периодическим или поточным и периодическим (многокорпусные) выпуском сгущенного продукта. В зависимости от числа корпусов меняется температура испарения молока [6, 7, 8].

Рисунок 1 – Многокорпусное выпаривание:

1-колектор, 2-подогреватели, 3-термокомпрессор, 4-конденсатор, 5-приемная емкость, 6-насосы, 7-калоризаторы и подогреватели, 8- самоиспоритель

Основным фактором, определяющим интенсивность выпаривания и производительность вакуум-выпарного аппарата, является температурный перепад — разность между температурами греющего пара и кипящего раствора (молока). В современных вакуум-выпарных аппаратах полезная разность температур составляет 8-15°С [9].

Выпаривание в многокорпусных вакуум-выпарных аппаратах по расходу острого пара является более экономичным. По технологическим показателям также отдается предпочтение многокорпусному выпариванию. По мере перехода сгущаемого продукта из одного корпуса в другой массовая доля сухих веществ в нем увеличивается, а температуры выпаривания уменьшаются. Этим обеспечивается наиболее полное сохранение исходных свойств молока.

Циркуляционные вакуум-выпарные аппараты работают заполненными выпариваемым молочным сырьем до рабочей вместимости, равной примерно 0,6 объема испаряемой влаги в час. В пленочных вакуум-выпарных аппаратах выпариваемое сырье нагревается при нисходящем или восходящем движении его по поверхности нагрева пленки толщиной 2-10мм.

Продолжительность теплового воздействия при выпаривании зависит от вида вакуум-выпарного аппарата. В однокорпусном циркуляционном она колеблется от 1 ч (при сгущении партии молока на одну варку от 11,8 до 25,6% сухих веществ). В производстве сгущенного стерилизованного молока - до 10 ч. При смешанном выпаривании (поточном на протяжении производственного цикла с периодическим выпуском сгущенного продукта по завершении его) в двухкорпусном циркуляционном вакуум-выпарном аппарате тепловое воздействие на сгущаемый продукт, заполняющий рабочую вместимость, продолжается на протяжении всего производственного цикла (до 20 ч).

Продолжительность теплового воздействия на сгущаемый продукт в пленочных вакуум-выпарных аппаратах колеблется от З до 15 мин. и зависит от числа ступеней выпаривания и заданной конечной массовой доли сухих веществ. При существенной разнице продолжительности теплового воздействия в процессе выпаривания наименьшие физико-химические изменения концентрируемого продукта происходят при сгущении в пленочных вакуум-выпарных аппаратах.

Кратность сгущения n в соответствии с сущностью концентрирования показывает, во сколько раз увеличивается массовая доля всего сухого вещества в любой составной его части и соответственно уменьшается масса исходного сырья.

Основным требованием к сгущенным продуктам является сохранение их в текучем состоянии при заданной температуре. Поэтому для любого способа сгущения устанавливают показатели массовых долей составных частей сухого вещества продукта, при которых он не утрачивает текучести, хотя физико-химические его свойства претерпевают изменения.

При кратности сгущения n < 2 вкус, запах, цвет молока существенно не меняются. Если n > 2, то сгущенное молоко приобретает солено -сладкий вкус и слабо-кремовую окраску, но эти изменения обратимы и на показатель текучести сгущенного молока не влияют [10].

Вне зависимости от кратности при сгущении выпариванием жировая фаза молока остается в состоянии эмульсии. Жировые шарики по мере концентрирования сближаются, но не соединяются. Необратимых физико-химических изменений жировой фазы не происходит.

Сгущение выпариванием сопровождается увеличением массовой доли лактозы в водной части продукта. В зависимости от растворимости при некоторых значениях n и температуры выпаривания возможны перенасыщение и кристаллизация лактозы в сгущенном молоке даже в вакуум-выпарном аппарате. При n = 4 массовая доля лактозы в водной части сгущаемого молока составляет 26,7%. Такое насыщение раствора не приводит к кристаллизации лактозы в процессе выпаривания (растворимость лактозы при 60°С составляет 32%), но при охлаждении продукта до 20°С и ниже, по условиям насыщения (растворимость лактозы при 20° С около 14%), неизбежна частичная кристаллизация лактозы. Однако при этом аномального снижения текучести, обусловленного перенасыщением лактозы, не происходит [11, 12, 13].

Талица 1- Изменение массовой доли компонентов молока в зависимости от кратности сгущения, n

Сырье, продукт		Компонент молока	Массовая доля, %	Массовая доля в водной части, %
Молоко цельное	1 1 1 1	Лактоза ККФК СМО Вода	4,6 3,1 12,4 87,6	5,0 3,4 12,4 -
Молоко цельное сгущенное	4 4 4 4	Лактоза ККФК СМО Вода	18,4 12,4 49,6 50,4	26,7 19,7 49,6 -
Молоко цельное сгущенное	5 5 5 5	Лактоза ККФК СМО Вода	23,0 15,5 62,0 38,0	37,7 29,0 62,0 -

Основное влияние на изменение вязкости в зависимости от n оказывают ККФК и сывороточные белки. По мере увеличения n массовая доля ККФК в водной части сгущаемого молока увеличивается. Известно, что растворы ККФК при массовой доле в водной части более 18—20% утрачивают текучесть. Только при массовой доле ККФК в водной части менее 18—20% вязкость сгущаемого продукта изменяется пропорционально увеличению n (рис. 2). При массовой доле ККФК в водной части более 18-20%, что соответствует общей массовой доле сухих веществ около 50%, происходит скачкообразное увеличение вязкости, вплоть до полной утраты текучести. Образуется новая структура, обладающая новыми свойствами. Расстояние между частицами ККФК уменьшается, концентрация дисперсной фазы растет, уменьшается рН. Гидратная оболочка частиц становится тоньше, усиливается взаимодействие между ними, увеличивается средневзвешенная масса частиц ККФК. При критической массовой доле ККФК в водной части (более 20%) частицы ККФК соединяются, образуется новая структура. В структурообразовании ККФК принимают участие и сывороточные белки, которые становятся материалом для так называемых «мостов», прочно соединяющих частицы ККФК между собой.

Рисунок 2 - Изменение вязкости сгущенной молочной смеси с сахаром и без сахара в зависимости от массовой доли сухих веществ С

При n = 4 СМО сгущенного молока составляет 49,6%, массовая доля ККФК в водной части равна 19,7% . При этом следует ожидать заметного повышения вязкости сгущаемого молока при температуре выпаривания.

При n = 5 СМО сгущенного молока составляет 62%, а показатель массовой доли ККФК в водной части 29% . При этом возможна полная утрата текучести даже при температуре выпаривания. При сгущении выпариванием изменение структурно-механических свойств сгущаемых смесей зависит от величины массовой доли ККФК в их водной части. При температуре выпаривания сгущаемые молочные смеси сохраняют подвижность, текучесть только до массовой доли ККФК в их водной части не более 18-20%, что соответствует массовой доле сухого молочного остатка, близкой к 50%. В этом случае изменения других составных частей сухого молочного остатка (жир, лактоза, соли) на скачкообразное повышение вязкости не влияют. Способность сгущенного молока с сахаром вытекать из вакуум-выпарного аппарата при температуре выпаривания и общей массовой доле сухих веществ около 70% объясняется тем, что массовая доля ККФК в его водной части около 20%.

Наряду с массовой долей ККФК в водной части сгущаемого продукта на структурообразование в процессе выпаривания оказывают влияние также свободная молочная кислота и техника сгущения. Поэтому массовые доли сухого молочного остатка при сгущении нормализованных смесей СМО сг. см устанавливают с учетом массовой доли ККФК в их водной части (титруемой кислотности и техники выпаривания).

Получение конечных значений массовых долей сухого молочного остатка в сгущаемых смесях обеспечивается автоматически как при непрерывно-поточном выпаривании и периодическом контроле плотности (на основе зависимости между массовой долей сухих веществ и плотностью), так и при выпаривании в циркуляционных вакуум-выпарных аппаратах. Для автоматического контроля применяют приборы, основанные на зависимости между массовой долей сухого молочного остатка и плотностью или массовой долей сухого молочного остатка и электропроводностью. Молочное сырье, в том числе продукты ультрафильтрации, сгущается на основе обратного осмоса или выпаривания, а также ступенчато: первая ступень — обратный осмос, вторая — выпаривание до конечной массовой доли сухого вещества.

В процессе анализа и исследования способов переработки молока было выявлено, что концентрирование молока является наилучшим решением для сельскохозяйственного предприятия.

Литература

Голубева, Л.В. Справочник технолога молочного производства / Л. В. Голубева. - СПб.: ГИОРД, 2005. -272 с.

Остроумова Т. А. Химия и физика молока: Учебное пособие. - Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2004.- 196 с.

Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. / СПб.: ГИОРД, 2010. — 336 с.

ГОСТ 3626-73 Молоко и молочные продукты. Методы определения влаги и сухого вещества

Кунижев, С.М. Новые технологии в производстве молочных продуктов / С.М. Кунижев, В.А. Шуваев.- М.: Де Ли принт, 2004,- 203с.

Барабанщиков Н.В. Качество молока и молочных продуктов.- М.: Колос, 1980.- 225с.

Технология молока и молочных продуктов. /Г. В. Твердохлебов, 3. X. Диланян, J1. В. Чекулаева, Г. Г. Шиллер; под ред. Е. Н. Соколова. М.: Агропромиздат. - 1991.-462 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 260 с.

Беззубцева М.М., Ковалев М.Э. Электротехнологии переработки и хранения сельскохозяйственной продукции - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 242 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. Практикум по технологическим расчетам процессов переработки сельскохозяйственного сырья, 2014. – СПб.: СПбГАУ. – 94 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. Нанотехнологии в энергетике: учебное пособие, 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 133 с.

Беззубцева М.М., Мазин Д.А., Тюпин С.В. Энергетика технологических процессов: лабораторный практикум, 2009. – СПб.: СПбГАУ. – 122 с.

Халатов А.Н., Беззубцева М.М., Лазарева И.А. Электромембранные процессы: учебно-методическое пособие, 2009. – СПб.: СПбГАУ. – 44 с.

Код для цитирования: Скопировать