Гомогенізація молочної сировини
При виробництві молока і молочних продуктів однією з основних технологічних операцій є гомогенізація (емульгування, диспергування).
Дослідженням процесу роздроблення займався ще Релей і інші дослідники, що вивчали розпорошення рідкого палива.
Голен при високому тиску пропускав рідина з дисперговані в ній частками через вузькі отвори. Рідина набувала велику швидкість і роздрібнюють. При цьому розбивалися також дисперговані частинки і емульсія ставала однорідною і стійкою.
Практичне вирішення питання підтверджувало вихідні міркування конструкторів про роль удару швидко рухається струменя, тому гомогенізований головки конструювали так, щоб отримати по можливості добре виражені удари. Теорія роздроблення ударом протрималася досить довго. Однак ця теорія була поставлена під сумнів, коли було доведено, що гомогенізація може бути досягнута без удару струменя. Певну ясність у питання про механізм гомогенізації вніс Н.В. Барановський.
3.4.1. Мета, призначення та сутність процесу гомогенізації
1) білки містяться в молоці в колоїдному стані і утворюють з плазмою молока колоїдний розчин;
2) жир присутній в молоці у формі крапель величиною кілька мікрометрів і утворює з рідкою фазою свіжонадоєне молока емульсію, так як він знаходиться в жирових кульках в рідкому вигляді; лише дуже невелика частина жиру знаходиться в колоїдному стані.
Жирова емульсія молока кінетично нестійка, оскільки щільність молочного жиру нижче, ніж щільність плазми (відповідно 0,931 × 10 3 кг / м 3 і 1,034 × 10 3 кг / м 3 при 20 ° С). Якщо навіть врахувати, що щільність жирового кульки збільшується на 1-3% за рахунок оболонки, то все одно відмінність між дисперсними частинками і середовищем по щільності залишається значним. Внаслідок цього відбувається спливання жирових кульок з утворенням шару, що характеризується їх підвищеною увагою (вершки).
При відстоюванні вершків швидкість спливання жирових кульок на поверхню визначається за формулою Стокса:
де V - швидкість підйому жирового кульки, м / с;
r - радіус жирового кульки, м;
Рп і pж - щільність плазми і жирового кульки, кг / м 3;
m - в'язкість молока, Па # 8729; с;
g - прискорення вільного падіння, м / с 2.
Так як прискорення вільного падіння, щільність плазми молока і молочного жиру є величинами постійними, з формули (12) випливає, що на швидкість відстоювання вершків впливають радіус жирових кульок і в'язкість молока.
Зі зменшенням радіусу жирових кульок і збільшенням в'язкості молока швидкість відстоювання вершків буде зменшуватися. Ці умови і досягаються при проведенні процесу гомогенізації.
Серед різних способів термомеханічного впливу на молочні продукти з метою надати їх жировим фазами необхідних властивостей найбільш ефективним є гомогенізація.
Гомогенізація - це процес роздроблення (диспергування) жирових кульок в молоці, збільшення дисперсності білкових частинок, стабілізації системи при впливі на молоко зовнішніх зусиль, викликаних перепадом тиску.
Гомогенізація молочної емульсії (молока, вершків та інших молочних продуктів) не тільки забезпечує підвищення дисперсності і седиментаційних стійкості жирової фази, але і сприяє поліпшенню смакових показників продукту, підвищення його засвоюваності організмом і більш повному використанню містяться в ньому жиру і вітамінів. Гомогенізація викликана інтересами поліпшення якості продуктів: зовнішнього вигляду, смаку, консистенції - і пошуками шляхів зниження витрат сировини при виробництві білкових продуктів.
Початок промислового застосування процесу гомогенізації пов'язано з усуненням відстою вершків в питному молоці. Вперше гомогенизацию в молочній промисловості застосували в Англії. І в перші дні реалізації гомогенізоване молока покупці влаштували бунт, тому що до цього про якість молока вони судили за величиною відстояли вершків в пляшці, а в гомогенізований молоці відстою не спостерігалося. Необхідність в поліпшенні якості молочних продуктів, вдосконалення технологічних процесів їх вироблення привела до того, що процес гомогенізації ввели практично в усі технологічні схеми.
Найбільш широко гомогенизацию використовують при виробництві пастеризованого молока, вершків, кисломолочних напоїв, сметани, морозива, плавлених сирів, масла коров'ячого, сиру, що виробляється на потокових лініях.
Мета гомогенізації - це забезпечення такого розподілу кульок жиру за розмірами, щоб більшість їх мало діаметр, що не перевищує певну, раніше задану величину (dо), що забезпечить необхідну стабільність жирової фази в молоці.
Розмір і кількість жирових кульок в свіжому молоці непостійні і залежать від породи тварин, стадії лактації, раціонів годування і інших чинників.
В 1 мм молока міститься 1,5-4,0 млрд кульок жиру, їх середній діаметр дорівнює 2,0-3,5 мкм з коливаннями від 0,5 до 18 мкм. Розміри кульок жиру мають практичне значення, так як визначають ступінь переходу жиру в продукт при виробництві сиру, сиру і інших продуктів. У звичайному молоці помітний відстій вершків в результаті спливання найбільших жирових кульок спостерігається вже через 2-3 години. Молоко стає неоднорідним.
При гомогенізації утворюються однорідні за величиною кульки жиру, в середньому до 1,0 мкм, що говорить про їх зменшення приблизно в 10 разів, при цьому швидкість спливання кульок жиру зменшується приблизно в 100 разів. На рис. 4 представлені кульки жиру під мікроскопом в натуральному (а) і гомогенізований (б) молоці.
Найбільші труднощі при гомогенізації представляє деструкція оболонки, адсорбированной на поверхні жирової сфери. Це стає очевидним розглядаючи наступні дані: при здійсненні процесу гомогенізації з тиском 10 МПа необхідно збільшити в кожній тонні молока поверхню розділу фаз на 500 тис. М 2.
В процесі дроблення жирового кульки відбувається перерозподіл його оболочечного речовини. На побудову оболонок утворилися дрібних кульок мобілізуються плазмові білки, а частина фосфатидів переходить з поверхні жирових кульок в плазму молока. Відновлення адсорбційного шару навколо нових жирових крапель, а також формування дифузного прикордонного шару відбувається спонтанно. Цей процес сприяє стабілізації високодисперсною жирової емульсії гомогенізоване молока. Тому при високій дисперсності жирових кульок гомогенізоване молоко, а також вершки практично не відстоюються.
Мал. 4. Жирові кульки під мікроскопом:
а) негомогенізірованное молоко; б) гомогенізоване молоко
В даний час досить розвиненою теорії гомогенізації немає. Існує цілий ряд гіпотез, що пояснюють механізм дроблення жирових кульок. За гіпотезою Н.В. Барановського диспергування жирових кульок відбувається в результаті різкої зміни швидкості молока при вході в клапанну щілину. Механізм дроблення жирових кульок, схематично представлений на рис. 5, полягає в наступному.
Мал. 5. Схема диспергирования жирового кульки в клапанної щілини гомогенізатора:
Vo. po - швидкість жирового кульки і тиск молока в підвідному каналі; V1. p1 - швидкість руху
і тиск в щілини клапана; h - висота клапанної щілини; d - діаметр підвідного каналу в сідлі клапана
У гомогенізований клапані на кордоні розділу сідла гомогенізатора і клапанної щілини є поріг різкої зміни перерізу потоку і, отже, зміни швидкості руху.
При переході із зони малих швидкостей Vo, рівній кілька метрів в секунду, в зону високих швидкостей V1. перевищує сотні метрів в секунду, відбувається деформація жирового кульки: його передня частина, включаючись в потік, що проходить через гомогенізуючу щілину з великою швидкістю, витягується в нитку і дробиться на дрібні крапельки.
Дослідниками Всеукраїнського науково-дослідного конструкторського молочного інституту (ВНІКМІ) запропонована наступна трактування процесів, що відбуваються в молочних продуктах в момент гомогенізації. Під дією гідромеханічних сил, що виникають в клапанної щілини гомогенізатора, руйнуються як натуральні (вихідні) жирові кульки (наибольшое кількість дрібніших - первинних), так і міцели казеїну (найбільш дрібні, аж до окремих субміцелл). Утворилися первинні жирові кульки і фрагменти зруйнованих мицелл знаходяться в нестабільному активізованому стані.
Прагнення молекулярних сил на кордонах розділу «жир-плазма» до насичення і є причиною протікання в гомогенізованих продуктах трьох мимовільних процесів: 1) коалесценции первинних жирових кульок, 2) адсорбції на них активізованих фрагментів зруйнованих мицелл казеїну і 3) асоціації останніх з відновленням мицелл ( рис. 6).
На кордон розділу «жир-плазма», що виникає при гомогенізації, поряд з фрагментами зруйнованих найбільших мицелл казеїну адсорбуються фосфоліпіди, казеїн в молекулярно-розчиненому стані і інші поверхнево-активні речовини (ПАР) молока. Ці мимовільні процеси протікають в гомогенізований молочної емульсії одночасно і є конкуруючими.
В результаті зіткнень ще не покритих адсорбційними оболонками первинних жирових кульок в процесі теплового руху і їх коалесценції утворюються вторинні жирові кульки великих розмірів. Імовірність коалесценции первинних жирових кульок підвищується з ростом їх концентрації, що забезпечується підвищенням вмісту жиру і збільшенням тиску і температури гомогенізації. З трьох розглянутих мимовільних процесів, що протікають в молочній емульсії, тільки адсорбція сприяє досягненню мети гомогенізації - підвищення дисперсності і седиментаційних стійкості емульсії, так як на цьому етапі формуються адсорбційні оболонки жирових кульок.
Виходячи з раніше зазначеного, очевидно, що при даному механізмі диспергирования відбувається зміна не тільки жирової фази молока, але і білкової.
Але не завжди такий вплив доцільно. В цьому випадку слід використовувати ефект кавітації, який призводить до моментального поділу жирових кульок на більш дрібні.