Концентрирование молока, нормализованных смесей, молочного сырья сгущением

 

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, через мембраны из ацетатцеллюлозы 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.

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-лицетиновые 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 разреженном 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 (рис. 4.3, 4.4): 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 (однокорпусные) или поточным и периодическим (многокорпусные) выпуском сгущенного продукта (табл. 4.2).

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.

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.

При выпаривании в пленочном трехкорпусном вакуум-выпарном аппарате взаимосвязь между массовой долей сухих веществ и температурой выпаривания представлена следующим образом:

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 сгущениии партии молока на одну варку от 11,8 до 25,6% сухих веществ в производстве сгущенного стерилизованного молока — до 10 ч — при сгущении партии сыворотки на одну варку от б до 60% сухих веществ в производстве сгущенной сыворотки. При смешанном выпаривании (поточном на протяжении производственного цикла с периодическим выпуском сгущенного продукта по завершении его) в двух- корпусном 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 п 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 (смеси). В общем виде это описывается как

На основе приведенного описания рассчитывают массовые доли составных частей сухого вещества сгущенного или сухого продукта как

Аналогично рассчитывают массовые доли лактозы, казеинаткальцийфосфатного комплекса и др.

Наряду с этим для сгущенных продуктов необходимы показатели массовых долей того или иного компонента сухого вещества в водной их части. В общем виде массовую долю в водной части любого компонента сухого вещества А в воде рассчитывают по формуле:

По этой формуле рассчитывают массовые доли в водной части молока или продукта любых составных частей сухого остатка. Показатели массовых долей в водной части отдельных составных частей сгущаемого продукта необходимы для выяснения возможных при той или иной кратности сгущения изменений физико-химических показателей.

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 п <2 вкус, запах, цвет молока существенно не меняются. Если п> 2, то сгущенное молоко приобретает соленосладкий вкус и слабо-кремовую окраску, но эти изменения обратимы и на показатель текучести сгущенного молока не влияют (табл. 4.3).

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 н и температуры выпаривания возможны перенасыщение и кристаллизация лактозы в сгущенном молоке даже в вакуум-выпарном аппарате. При п = 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.

Основное влияние на изменение вязкости в зависимости от п оказывают ККФК и сывороточные белки. По мере увеличения п 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 п (рис. 4.5). При массовой дёле 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.

Согласно табл. 4.3, при п = 4 СМО сгущенного молока составляет 49,6%, массовая доля ККФК в водной части равна 19,7% — следует ожидать заметного повышения вязкости сгущаемого молока при температуре выпаривания. При п = 5 СМО сгущенного молока составляет 62%, а показатель массовой доли ККФК в водной части 29% — 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—71% 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 подсгущении нормализованных смесей СМОсг.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 (при t= соnst, Жсм/СОМОсм = соnst). 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 пленочных вакуум-выпарных аппаратах поступление сырья и выход сгущенного продукта происходят в потоке. В циркуляционных вакуум-выпарных аппаратах, где выпаривание осуществляется из объема сгущаемого сырья, сгущенный продукт выпускают циклами (варками), а для начального заполнения рабочей вместимости неизбежна выдержка исходного сырья после его тепловой обработки в связи с необходимостью накопления. Для ослабления отрицательного влияния вынужденной выдержки исходного сырья при температуре тепловой обработки технологическую линию дополняют аппаратом для охлаждения обрабатываемого сырья до температуры 70—75° С (после режима тепловой обработки).

При производстве продуктов, в которых нормируется САХпр, для начального заполнения рабочей вместимости двухкорпусных циркуляционных вакуум-выпарных аппаратов используют сахарный сироп, поэтому тепловую обработку нормализованных смесей перед выпариванием проводят без вынужденной выдержки и охлаждения до 70—75° С.

ГЛАВА 5