После тепловой обработки сливки быстро охлаждают до температуры ниже точки отвердевания молочного жира и выдерживают определенное время (физическое созревание).
В результате физического созревания сливок происходит отвердевание молочного жира внутри жировых шариков, изменяется оболочка жировых шариков и свойства сливок: устойчивость эмульсии и дисперсность жира, вязкость сливок.
Отвердевание молочного жира является основной целью низкотемпературной обработки сливок и играет важную роль в процессе маслообразования. Только при наличии отвердевшего жира при сбивании сливок можно выделить молочный жир в виде масляного зерна и обеспечить хорошую консистенцию сливочного масла и нормальный отход жира в пахту.
В охлажденных сливках только часть жидкого жира переходит в твердое состояние. Отношение количества отвердевшего жира к первоначальному его количеству в процентах называют степенью отвердевания жира. Каждой температуре охлаждения сливок соответствует максимально возможная степень отвердевания молочного жира. Для получения масла хорошей консистенции необходимо, чтобы степень отвердевания жира составляла не менее 30–35 %.
Степень отвердевания жира зависит от температуры охлаждения и продолжительности выдержки сливок при этой температуре и влияет на жирность пахты при выработке масла. Данные по влиянию температуры охлаждения и продолжительности выдержки охлажденный сливок на степень отвердевания молочного жира в сливках приведены ниже
| Температура охлаждения сливок (без выдержки), ºС | ||||
| Степень отвердевания жира в сливках, % | 33,6 | 26,6 | 19,5 | 15,2 |
| Массовая доля жира в пахте, % | 0,87 | 2,06 | 3,00 | 3,03 |
| Продолжительность выдержки охлажденных сливок, мин | ||||
| Степень отвердевания жира, % | 33,6 | 33,5 | 32,9 | 32,8 |
| Массовая доля жира в пахте, % | 0,87 | 1,07 | 1,10 | 1,33 |
С повышением температуры охлаждения сливок от 3 до 12 ºС без выдержки степень отвердевания жира уменьшается с 33,6 % до 15,2 %, а массовая доля жира в пахте увеличивается с 0,87 % до 3,03 %. При этом необходимое количество твердого жира в сливках (30–35 %) при охлаждении до 3ºС достигается сразу в процессе охлаждения, а при охлаждении до температуры 6, 9 и 12 ºС – только после 60, 90 и 180 мин выдержки соответственно. Массовая доля жира в пахте при этом колебалась от 0,87 % (при охлаждении до 3ºС без выдержки) до 1,33 % (при охлаждении до 12 ºС и выдержке 180 мин).
Состояние оболочек жировых шариков при созревании сливок существенно изменяется. Некоторые вещества оболочки жировых шариков, в частности фосфолипиды, переходят в плазму. Оболочки жировых шариков становятся более тонкими и хрупкими и легче разрушаются при сбивании сливок в масло.
Переход части веществ оболочки в плазму приводит к снижению электрического заряда оболочек, что способствует сближению и агрегации жировых шариков.
Появление кристаллов молочного жира внутри жирового шарика нарушает связи между жиром и оболочками жировых шариков, что приводит к снижению устойчивости эмульсии жира в сливках. Кроме того, возможно нарушение целостности оболочки и вытекание жидкого жира из жирового шарика. Жидкий жир способствует слипанию жировых шариков и образованию более крупных жировых частиц. Это приводит к изменению дисперсности жира, так как количество мелких жировых частиц уменьшается, а крупных – увеличивается. Изменение дисперсности жира и сливок в зависимости от режима созревания приведено ниже.
| Температура охлаждения сливок (без выдержки), ºС | До охлаждения | ||||
| Количество жировых шариков, %, размером: | |||||
| от 1 до 5 мкм | 87,5 | 70,5 | 74,2 | 81,0 | 81,2 |
| от 6 до 10 мкм | 12,1 | 25,4 | 25,0 | 18,6 | 18,4 |
| Продолжительность выдержки сливок, ч | – | 2,0 | 3,0 | 4,5 | 5,0 |
| Количество жировых шариков, %, размером: | |||||
| от 1 до 5 мкм | 87,9 | 48,6 | 50,6 | 62,8 | 74,9 |
| от 6 до 10 мкм | 12,1 | 43,6 | 42,6 | 35,5 | 23,9 |
| Средний размер жировых частиц, мкм | – | 6,99 | 6,05 | 5,52 | 5,30 |
С понижением температуры охлаждения и увеличением продолжительности выдержки сливок уменьшается количество жировых частиц размером 1–5 мкм и увеличивается количество жировых частиц размером 6–10 мкм. При этом наибольшее влияние оказывает выдержка. Так, при охлаждении сливок до температуры 3 ºС без выдержки количество жировых шариков размером 1–5 мкм уменьшилось на 17,3 %, а с выдержкой в течение 2 ч – на 39,3 %. При этом количество жировых частиц размером 6–10 мкм увеличивается соответственно на 13,3 % и на 31,5 % по сравнению со сливками до их охлаждения. С понижением температуры охлаждения сливок с 12 до 3 ºС увеличивается средний размер жировых частиц с 5,30 до 6,99 мкм.
В результате повышения содержания отвердевшего жира и образования структурных связей при физическом созревании возрастает вязкость сливок. Вязкость сливок, содержащих примерно одинаковую массовую долю отвердевшего жира (32–34%) и созревших при различных режимах приведена ниже.
| Температура охлаждения сливок, ºС | ||||
| Продолжительность выдержки, мин | ||||
| Вязкость сливок, Па·с ·10-3 | 35,1 | 34,8 | 30,1 | 21,2 |
Из приведенных данных видно, что вязкость сливок, созревающих при температурах от 3 до 12 ºС и выдержке от 0 до 150 мин, значительно различается и колеблется от 35,1 до 21,2·10-3 Па·с, т.е. в 1,5 раза. По-видимому, вязкость зависит преимущественно не от степени отвердевания молочного жира, а от процессов, протекающих в плазме сливок, на которые существенное влияние оказывает температура созревания.
Молочный жир является сложной по составу смесью глицеридов, имеющих различные точки плавления и отвердевания.
При кристаллизации молочного жира во время физического созревания сливок образуются главным образом две группы смешанных кристаллов: низкоплавкая с температурой плавления от 15 до 25 °С и высокоплавкая с температурой плавления от 27 до 35 °С. Для получения масла хорошей консистенции соотношение легкоплавкой группы кристаллов и высокоплавкой должно составлять 2:1. С этой целью регулируют температуру созревания сливок. Если в жире преобладают легкоплавкие глицериды (весенне-летний период), то созревание сливок проводят при более низких температурах, чем для жира с преобладанием высокоплавких глицеридов (осенне-зимний период года). Для обеспечения необходимой степени созревания сливок используются следующие режимы (табл.).
Режимы созревания сливок
| Массовая доля влаги в масле, % | Весенне-летний период, йодное число жира более 39 | Осенне-зимний период, йодное число менее 39 | ||
| температура, °С | выдержка, ч | температура, °С | выдержка, ч | |
| 4-6 | 5-7 | |||
| 5-9 | 6-10 | |||
| 6-10 | 7-11 | |||
| 6-12 | 8-14 |
Различают длительную и ускоренную низкотемпературную подготовку сливок к сбиванию.
При этом режимы созревания могут быть одно- и многоступенчатыми. Под ступенью понимают длительную выдержку сливок при постоянной или переменной температуре. В промышленности преимущественно используют длительную подготовку сливок и одноступенчатые режимы физического созревания.
Одноступенчатые режимы физического созревания часто не обеспечивают достаточной степени отвердевания жира и оптимального соотношения низкоплавких и высокоплавких групп глицеридов, поэтому используют многоступенчатые режимы низкотемпературной подготовки сливок. Так, в весенне-летний период сливки после пастеризации охлаждают до 13 – 15 °С и выдерживают при этой температуре 3 ч, затем сливки охлаждают до 4 – 6 °С и выдерживают 3 ч, после чего сливки подогревают до 7 – 15 °С и направляют на сбивание. В осенне-зимний период сливки после пастеризации охлаждают до 5 – 7°С и выдерживают при этой температуре 2 – 3 ч, затем сливки подогревают до 13 – 15 °С и выдерживают 4 ч, потом сливки охлаждают до 8 – 16 °С и направляют на сбивание.
Летние многоступенчатые режимы способствуют упрочению структуры масла и повышению его термоустойчивости, а зимние ступенчатые режимы – снижению механической прочности масла при сохранении высокой термоустойчивости.
При выборе режимов низкотемпературной подготовки сливок учитывают содержание плазмы в масле. При выработке сливочного масла с высоким содержанием плазмы в нем (выше 20 %) повышают температуру и увеличивают длительность выдержки сливок во время физического созревания, чтобы повысить способность масла удерживать влагу во время механической обработки.
Устанавливая режим физического созревания, учитывают повышение температуры (на 1–2 °С) сливок в результате выделения скрытой теплоты кристаллизации. Правильно выбранный режим низкотемпературной подготовки сливок улучшает использование жира из-за снижения жирности пахты. Нарушение установленных режимов ведет к повышенному отходу жира в пахту и ухудшению консистенции масла. Режимы созревания сливок при выработке масла на маслоизготовителях периодического и непрерывного действия одинаковы.
Основой ускоренной подготовки сливок является интенсификация механического и температурного воздействия на сливки. Ускоренная подготовка сливок осуществляется двумя способами: механическим воздействием на охлажденные сливки в сливкообработниках или без механического воздействия – путем быстрого охлаждения сливок в распыленном состоянии в среде азота.
В сливкообработнике конструкции ЛТИХПа сливки перемешиваются мешалкой, а в сливкообработнике конструкции Литовского филиала ВНИИМСа – диском. Окружная скорость вращения мешалки должна быть 2,3–4,5 м/с. Сливки перемешивают при температуре 3–6 °С в течение 2–5 мин. После механического воздействия в сливкообработнике сливки выдерживают при 3–5ºС (первая выдержка) в весенне-летнее время в течение 1,5–2 ч, а в осенне-зимнее – 45–50 мин. Затем сливки нагревают в потоке до температуры сбивания (8–12°С) и выдерживают 20–30 мин (вторая выдержка), после чего их подают в маслоизготовитель непрерывного действия на сбивание.
Ускоренная низкотемпературная подготовка сливок в две стадии с применением жидкого азота предложена ВНИИМСом: на первой стадия сливки после пастеризации охлаждают до 18–20 °С в теплообменниках, а на второй стадии в распыленном состоянии доохлаждают в специальном аппарате в атмосфере паров жидкого азота до 2–4°С. Охлажденные сливки поступают в емкость, где их перемешивают в течение 6 мин, затем подогревают до температуры сбивания, выдерживают в течение 20–30 мин и подают в маслоизготовитель.
Ускоренную подготовку сливок к сбиванию целесообразно использовать при выработке масла на маслоизготовителях непрерывного действия.
СБИВАНИЕ СЛИВОК
Сущность сбивания сливок заключается в разрушении оболочек и агрегации (слипании) жировых шариков, заканчивающейся образованием масляного зерна.
Теоретические основы сбивания сливок в масло. В настоящее время нет единой теории, которая давала бы исчерпывающие ответы на вопросы механики и сущности маслообразования. Существующие теории маслообразования можно разделить на три группы: гидродинамические (Г. Кук, Р. Асейкин, А. Грищенко, В. Сурков, А. Гордиенко); коллоидно-химические (Я. Зайковский, М. Казанский, В Пискарев, Ю. Глаголев) и физико-химические (А. Белоусов, О. Ран, Н. Кинг).
Г. Кук, Р. Асейкин и А. Грищенко главным фактором в образовании масла считают вихревые движения сливок при сбивании. На оси «вихревых шнуров» возникает разрежение и концентрируются жировые шарики. В результате сильного механического сжатия шарики теряют белково-липоидные оболочки и формируются исходные зерна масла.
По кавитационной теории В. Суркова при значительной скорости движения бил в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия возникает отрицательное давление, жидкость разрывается, образуя полости. В полости под большим давлением врываются газовая фаза и поток жидкости со скоростью до 500 м/с. Движущаяся жидкость сжимает газ, температура среды повышается, оболочки жировых шариков разрушаются, а шарики объединяются в масляные зерна. Последующими работами В.Д. Суркова совместно с В.М. Карнаухом с использованием стробоскопии и скоростной киносъемки было подтверждено «разрывное течение» сливок в маслоизготовителях непрерывного действия.
По теории Я. Зайковского, основная роль в образовании масла принадлежит адсорбционным оболочечным слоям жировых шариков. Оболочка способствует образованию кучек из жировых шариков при накоплении их в пене, стенки которой обладают такими же свойствами, как и оболочки. В кучках жировые шарики еще сохраняют индивидуальность, еще не сливаются в сплошную массу жира. Затем под влиянием механических ударов студнеобразная оболочка частично разрушается, жир вступает в непосредственное соприкосновение и образуются комочки (зерна) масла.
По М. Казанскому, в стадии созревания сливок часть жира переходит в твердое состояние, и снижается электрозарядность оболочки жировых шариков. Связь между жиром и белково-липоидной оболочкой ослабляется, оболочка становится тоньше, уменьшается ее прочность, она частично разрушается. Жировые шарики, на которых сохранилась оболочка, в образовании масла не участвуют и переходят в пахту. В конгломераты могут сливаться только те жировые шарики, в которых сохранилась часть жира в жидком некристаллизованном виде. Следовательно, масляное зерно образуется в результате цементирования жировых агрегатов жидким неотвердевшим жиром.
По Кингу, при перемешивании сливок значительно увеличивается поверхность раздела воздух–плазма. Когда в контакт с этой поверхностью приходит жировой шарик, то часть оболочки распространяется по ней вместе с частью жидкого жира. Слой жидкого жира остается соединенным с жировым шариком, который сохраняет также часть оболочки. Жидкий жир способствует объединению жировых шариков в комки.
Другая часть растекшегося жира образует на поверхности воздушного пузырька слой толщиной в несколько молекул, усеянный островками микроскопически видимого жира (жировыми пятнами). Такой слой жира на пузырьке действует как пеногаситель, вызывая разрушение пены. Слой жира на поверхности пузырька при этом диспергируется в плазме, образуя частицы размером менее 0,2 мкм, тогда как жировые шарики, скопившиеся у поверхности пузырька, с силой ударяются о комки. При повторном образовании и разрушении пузырьков воздуха комки объединяются в зерна масла.
Согласно флотационной теории А.П. Белоусова сбивание сливок можно разделить на три стадии: первая – образование воздушных пузырьков, вторая – разрушение дисперсии воздушных пузырьков и третья – формирование масляного зерна.
На первой стадии в результате интенсивного перемешивания сливок образуется дисперсия воздушных пузырьков, которые в поверхностном слое сливок, граничащем с воздухом, разрушаются. Кроме того, появляясь в поверхностном слое сливок, пузырьки воздуха вовлекаются потоками сливок внутрь их объема до тех пор, пока не происходит их разрушение. Следовательно, на первой стадии сбивания сливок параллельно происходит образование и разрушение воздушных пузырьков, при этом процесс образования воздушных пузырьков преобладает над их разрушением. В этих условиях образуется структурированная подвижная пена, которая содержит в 1 дм3 сливок от6 до 7·109 воздушных пузырьков. На первой стадии завершается процесс включения новых объемов воздуха в сбиваемые сливки.
На второй стадии происходит быстрое уменьшение количества невспененных сливок, что резко снижает скорость образования воздушных пузырьков в сливках. При этом из сливок удаляется больше воздуха, чем включается, что приводит к уменьшению воздушной дисперсии. Заканчивается вторая стадия разрушением агрегатной пены и образованием комочков жира из слипшихся жировых шариков. Степень агрегации жировых шариков к моменту разрушения пены составляет от 78 до 80 %.
Процессы агрегации жировых шариков и образования масляного зерна при сбивании сливок в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия принципиально не различаются между собой. Однако процесс образования масляного зерна в маслоизготовителях непрерывного действия имеет некоторые особенности.
При сбивании сливок в маслоизготовителе непрерывного действия скорость процесса агрегации жировых шариков в 1000 раз больше, чем при сбивании сливок в маслоизготовителях периодического действия в результате интенсивного образования новых поверхностей раздела воздух–плазма.
В маслоизготовителе непрерывного действия в свободной поверхности сливок с большой скоростью разрушаются воздушные пузырьки, в то время как при сбивании в маслоизготовителе периодического действия вероятность разрушения воздушных пузырьков в свободной поверхности сливок в течение длительного времени относительно невелика.
Агрегация жировых шариков в объеме в результате их столкновений, а также при участии жидкого молочного жира приобретает более важное значение при сбивании сливок в маслоизготовителе периодического действия, чем в маслоизготовителе непрерывного действия.
Факторы, влияющие на сбивание сливок. Сбивание сливок в масло является сложным процессом и зависит от многих факторов, из которых следует выделить следующие: частота вращения рабочего органа маслоизготовителя, начальная температура сбивания сливок, жирность сливок и др.
При сбивании сливок в маслоизготовителях периодического действия важное значение имеют такие факторы, как степень заполнения маслоизготовителя сливками, частота вращения маслоизготовителя, начальная температура сбивания сливок.
Степень заполнения маслоизготовителя сливками влияет на продолжительность сбивания сливок. Оптимальной считается степень заполнения маслоизготовителя 40–50 %. При степени заполнения маслоизготовителя более 50% нарушается нормальный процесс сбивания сливок, что приводит к повышению содержания жира в пахте. Процесс сбивания тормозится из-за уменьшения пограничной поверхности воздух–сливки. Минимальная степень заполнения маслоизготовителя составляет 25% от общего объема. При степени заполнения маслоизготовителя менее 25% центробежная сила прижимает сливки к стенке маслоизготовителя тонким слоем. Прекращается перемешивание сливок, и в результате сбивания сливок не происходит.
Частоту вращения рабочей емкости маслоизготовителя выбирают с таким расчетом, чтобы центробежное ускорение, возникающее при его вращении, было меньше земного ускорения. В этом случае при подъеме и падении сливок создаются условия для образования масляного зерна: возникает градиент скорости в потоке сливок и происходит диспергирование воздуха. Частоту вращения рабочей емкости маслоизготовителя можно определить по формуле А.Д. Грищенко
где n – частота вращения рабочей емкости маслоизготовителя, с-1;
R – радиус рабочей емкости маслоизготовителя, м.
Начальная температура сбивания сливок выбирается с таким расчетом, чтобы независимо от формы рабочей емкости маслоизготовителя продолжительность сбивания составляла 50–60 мин. Сокращение продолжительности сбивания приводит к ухудшению качества масляного зерна и значительному отходу жира с пахтой. При увеличении продолжительности сбивания масляное зерно получается слишком твердое, упругое, оно плохо обрабатывается, а полученное масло может иметь грубую, засаленную консистенцию.
Температуру сбивания сливок устанавливают с учетом химического состава жира, зависящего от времени года, жирности сливок, степени отвердевания жира.
В весенне-летний период года при повышенном содержании ненасыщенных жирных кислот в молочном жире сливки сбивают при 7—15 °С. В осенне-зимний период года, когда молочный жир состоит главным образом из высокоплавких глицеридов, содержащих насыщенные жирные кислоты, температуру сбивания сливок повышают на 1–1,5 ºС.
С повышением содержания жира в сливках температуру сбивания понижают, чтобы избежать излишне быстрого образования масляного зерна и тем самым предотвратить увеличение содержания жира в пахте и обеспечить благоприятные условия для формирования масляного зерна во время его обработки. Для весенне-летнего периода года температуру сбивания сливок tсб в зависимости от массовой доли жира в сливках Ж сл можно ориентировочно определить по следующему уравнению:
tсб= 0,55 ·( 54,7 – Жсл).
Температура сбивания сливок зависит от степени отвердевания жира. Если степень отвердевания жира ниже 30–35 %, а также после ускоренной подготовки сливок к сбиванию температуру сбивания понижают на 1– 2 °С, чтобы избежать повышения содержания жира в пахте и получения масла с недостаточно твердой консистенцией. Если степень отвердевания жира выше 35 %, то увеличивается продолжительность сбивания сливок. Масляное зерно получается излишне твердым, понижается его влагоудерживающая способность. В этом случае повышают температуру сбивания сливок на 1–2 °С, чтобы расплавить часть отвердевшего жира и таким образом избежать замедления сбивания сливок и получения излишне твердого масляного зерна.
Во время сбивания температура сливок повышается вследствие превращения механической энергии в тепловую. Изменение температуры сливок обусловлено также теплообменом между сливками и окружающим воздухом помещения, между сливками и охлаждающей водой, орошающей маслоизготовитель периодического действия или циркулирующей в рубашке сбивателя маслоизготовителя непрерывного действия, куда она подается для регулирования температуры сбивания сливок.
О правильности выбора температуры сбивания можно судить по консистенции и размерам масляного зерна, по массовой доле жира в пахте, по повышению температуры сбиваемых сливок. При правильно выбранной температуре сбивания масляное зерно получается упругой консистенции размером 2–5 мм. Массовая доля жира в пахте должна быть минимальной. Если температура сбивания выбрана правильно, повышение температуры сбиваемых сливок не должно превышать 2–3 °С.
При сбивании сливок в маслоизготовителях непрерывного действия важное значение имеют такие факторы, как частота вращения мешалки сбивателя и температура сбивания сливок.
Частоту вращения мешалки сбивателя устанавливают опытным путем в зависимости от времени года. В зимнее время, когда в молочном жире увеличивается содержание высокоплавких глицеридов, повышают частоту вращения мешалки сбивателя в целях ускорения агрегации жировых шариков.
Для каждого типа маслоизготовителя устанавливают соответствующую частоту вращения мешалки сбивателя, а также производительность. С увеличением частоты вращения мешалки продолжительность сбивания сливок уменьшается, производительность маслоизготовителя увеличивается и наоборот.
Температура сбивания сливок в маслоизготовителях непрерывного действия устанавливается так, чтобы получить достаточно упругое масляное зерно и по возможности низкую жирность пахты. Температуру сбивания устанавливают с учетом тех же факторов, что и для маслоизготовителей периодического действия.
ПРОМЫВКА МАСЛЯНОГО ЗЕРНА
Чтобы создать условия, неблагоприятные для развития микроорганизмов в масле, осуществляют промывку масляного зерна, во время которой часть плазмы удаляется вместе с водой, вследствие чего уменьшается содержание питательных веществ и повышается стойкость масла при хранении.
При выработке сливочного масла из сливок первого сорта масляное зерно не промывают водой. В непромытом масляном зерне лучше сохраняются все компоненты плазмы, обладающие антиокислительными свойствами, обусловленными наличием сульфгидрильных групп (—SH), токоферолов (витамин Е), каротина, фосфолипидов и др. Исключение промывки не влияет отрицательно на стойкость масла в том случае, если плазма хорошо диспергирована во время механической обработки. Непромытое сливочное масло имеет более выраженные вкус и запах, и повышенное содержание СОМО. В промытом сливочном масле СОМО от 0,8 до 1,0 %, в непромытом от 1,2 до 1,6 %.
Масляное зерно промывают в случае использования сливок, обладающих выраженными кормовыми привкусом и запахом, которые концентрируются в плазме (силосный, нечистый и др.). При промывке вместе с плазмой удаляются вещества, обусловливающие жизнедеятельность посторонней микрофлоры, что повышает стойкость масла в процессе хранения.
Промывка позволяет воздействовать на консистенцию масла. Чтобы исправить консистенцию масляного зерна для промывки применяют воду соответствующей температуры. Температура воды должна соответствовать температуре пахты, если консистенция масляного зерна нормальная. При промывке мягкого зерна температуру воды понижают на 1–2 ºС. Для промывки грубого, крошливого масляного зерна температура воды должна быть на 1–2 ºС выше температуры пахты.
ПОСОЛКА МАСЛА
Посолка придает маслу умеренно соленый вкус и повышает стойкость масла при хранении. Растворяясь вплазме масла, соль повышает осмотическое давление, вследствие чего прекращается развитие микрофлоры в масле. Для прекращения развития всех видов бактерий, плесеней и дрожжей массовая доля соли в масле должна быть не менее 4 %, но масло в этом случае имело бы резко соленый вкус, поэтому стандартом предусмотрена массовая доля соли в масле не более 1,5 %.
Стойкость соленого масла в процессе хранения зависит от температуры. При низких положительных температурах хранения соленое масло сохраняется лучше несоленого, так как соль тормозит развитие микрофлоры. При отрицательных температурах несоленое масло более стойко в хранении, чем соленое, так как плазма несоленого масла замерзает, а соленого не замерзает и в ней могут происходить химические процессы, может развиваться микрофлора, малочувствительная к соли и низким температурам.
