Сырое молоко проходит несколько этапов подготовки перед тем, как поступить на условный конвейер пищевой промышленности. На данный момент существует несколько групп химических, термических и биологических перерабатывающих операций. Особое место в общем комплексе подготовки сырьевого продукта занимает гомогенизация молока. Это технология механической обработки, но в зависимости от конкретной методики проведения она может включать также отдельные процедуры теплового и химического воздействия.

Общие сведения о гомогенизации

В принципе данная технология используется как способ механической переработки молочных и других жидких продуктов с целью повышения дисперсности их жировой фазы. В ходе технологического процесса также понижается неоднородность распределения химических элементов по всему объему гетерофазной системы. При этом не стоит путать данную методику с диспергированием как таковым. Согласно определению гомогенизации молока, дробление дисперсной фазы не является обязательным условием технологического процесса. К примеру, процедура смешивания твердых порошкообразных веществ вполне может исключать эту операцию. И наоборот, диспергирование гетерофазной системы может подразумевать и также исключать процедуру гомогенизации.

Назначение технологии

Цели гомогенизации могут различаться в зависимости от текущего состояния сырого молока и требований к конечному продукту. Среди наиболее распространенных задач можно отметить своего рода эффект сепарации жировых шариков по диаметру, что позволяет формировать сливки. Также этот процесс обеспечивает стабильность жира в сырьевом продукте. Для понимания значимости гомогенизации стоит отметить, что объем и количество шариков жира в сыром молоке непостоянны - эти характеристики определяются рационом кормления, стадией лактации и породы животного. Например, в 1 мм свежего молочного продукта содержится до 4 млрд жировых шариков при среднем диаметре порядка 2-3 мкм с колебаниями от 0,5 до 15 мкм. В обеспечении однородности величин этих шариков и заключается основное назначение гомогенизации молока как одного из первоначальных процессов переработки сырья при изготовлении сыра, творога, ряженки и т. д. Причем усреднение и выравнивание размерных параметров обычно достигается за счет уменьшения жировых шариков в 10 раз - примерно до 1 мкм.

Требования к процессу гомогенизации

Рассматриваемый метод молочной переработки нельзя рассматривать в отрыве от сопряженных технологических процессов подготовки продукта к конечному производству. В частности, гомогенизация молока - это процедура, которая может быть связана с операциями хранение, транспортировки и последующих операций пастеризации. Соответственно, существуют универсальные общие требования для обработки молока, которые относятся в большей степени к санитарно-гигиеническим нормативам, но существуют и специальные правила выполнения гомогенизации. В их числе можно отметить следующие:

• Перед обработкой молочное сырье проходит первичную фильтрацию и охлаждение.
• Температура молока должна варьироваться в диапазоне от 4 до 6 °С. Конкретный режим определит допустимое время хранения до и после переработки - как правило, не более 6 ч.
• Среднее давление при гомогенизации молока составляет 10 МПа. При этом для нормализации гетерофазной структуры может потребоваться увеличения раздела фаз на 500 тыс. м 2 для каждой тонны сырья.
• Гомогенизация выполняется перед пастеризацией. Исключения могут быть в случае, если операция проводится при 60 °С. Данный режим обычно применяется при получении обезжиренного молока и сливок, но и в этой технологической схеме после гомогенизации будет следовать уже дополнительная пастеризация.

Применяемое оборудование

Технически операция выполняется путем воздействия внешнего усилия, источником которого является гомогенизатор. Это специальная машина, воздействующая на целевой продукт механическим давлением, электричеством или ультразвуком. Чаще применяются агрегаты с механическим принципом работы. Основным рабочим элементом такого оборудования для гомогенизации молока выступает головка с кольцевой клапанной щелью, через которую и пропускаются жировые шарики. Силовую поддержку обеспечивает насос, мощность которого позволяет создавать давление до 20 МПа. Его достаточно для уменьшения шариков до 0,7 мкм, но, как уже говорилось, чаще используется режим давления в 10 МПа, при котором выпускаются жировые частицы фракцией 1-2 мкм. Разные модели гомогенизаторов имеют одно- или двухступенчатую конструкцию. Соответственно, одновременно может выпускаться один или два продукта (с разной степенью жирности).

Общая техника проведения гомогенизации

После предварительной подготовки молочного сырья к механической сепарации, выполняется следующий перечень действий:

• Перемешивание дисперсной среды с жидкой дисперсионной системой на мощностях диспергатора.
• Молочная среда прокачивается под давлением через головки гомогенизатора. Жировая дисперсная фаза проходит измельчение до нужной фракции.
• Более тонкий процесс гомогенизации молока, предполагающий перемешивание мелких жировых фракций в специальных смесителях.
• Пастеризация с тепловым воздействием.
• Охлаждение продукта.

Между технологическими этапами могут применяться вспомогательные или промежуточные операции в разной последовательности. Это касается подогрева, очистки и стерилизации.

Полная гомогенизация

Данный способ гомогенизации считается наиболее распространенным на производствах, где выпускаются питьевые молочные продукты. Главной особенностью метода является исключение фазной сепарации. Иными словами, процессу дробления подвергается вся молочная сырьевая масса без предварительного разделения. Полная гомогенизация молока - это и оптимальный способ получения нормализованного сухого обезжиренного остатка, который в дальнейшем может использоваться при изготовлении йогуртов.

Раздельная гомогенизация

Этот метод также имеет широкое распространение, но считается в большей степени специализированным. Дело в том, что процесс раздельной гомогенизации ориентируется на работу с определенной частью загруженной сырьевой массы. Например, выделяется определенная доля жирового продукта по конкретным характеристикам. В классической схеме отсекается основная часть обезжиренного молока, но существуют и промежуточные способы сепарации и дальнейшей гомогенизации, при которых разделение проходит по конкретным параметрам жира. Среди достоинств такой методики отмечается не только возможность получения более качественного продукта, но и экономичность процесса. Наибольший коэффициент эффективности гомогенизации молока с разделением фракций достигается, если на 1 г жира приходится не меньше 0,2 г казеина.

Температура молока при выполнении гомогенизации

Один из важнейших параметров, также обуславливающих степень качества конечного продукта и эффективность всего процесса. Достаточно сказать, что критическое снижение температурного режима может привести к увеличению вязкости сырого молока и формированию густых жировых скоплений. Как минимум для обеспечения отстаивания сливок температура гомогенизации молока должна составлять 30-40 °С.

Но также и слишком высокие температуры могут негативно влиять на физико-химическое состояние гетерофазной среды. В этом случае на рабочих поверхностях оборудования могут образовываться белковые отложения, что затруднит процесс механического выполнения операций. Для регуляции тепловой степени гомогенизации молока используются промежуточные средства пастеризации с поэтапным наращиванием температуры на 5-8 °С. На этом же технологическом этапе могут применяться операции стерилизации и термовакуумная обработка, если есть потребность в корректировке других параметров молока.

Эффекты гомогенизации

С точки зрения пищевого производства и потребительских качеств данная технология обработки способствует обеспечению следующих свойств продукта:

• Для сливок и молока - повышение однородности (по цвету, вкусу и жирности).
• Для стерилизованных сливочных и молочных продуктов - увеличение периода хранения.
• Для цельного сухого молока - регуляция кислотности и жира.
• Для кисломолочной продукции - исключение жировой пробки на поверхности, повышению стойкости, улучшение белковой консистенции.
• Для сгущенных продуктов - при длительном хранении естественная регуляция выделения жировых фаз.
• Для молочных продуктов с наполнителями - повышение вязкости, улучшение вкуса и минимизация рисков образования осадка.

В целом можно сказать, что правильно организованные процессы стерилизации, гомогенизации и пастеризации молока комплексно затрагивают биологические и физико-химические свойства сырья, которые оказывают влияние на возможности содержания и гастрономические качества обрабатываемого продукта.

Контроль качества гомогенизированного сырого молока

После механической обработки выполняется контроль характеристик молочного продукта. В частности, берутся во внимание такие показатели, как массовая доля жира, степень чистоты и т. д. Что касается жировой доли, то она определяется метрическими, экспрессными и кислотными методами. Например, последний способ наиболее популярен. Он предполагает смешивание определенной дозы молока с концентрированной серной кислоты при последующем центрифугировании. Далее посредством градуированной части жиромера в контрольном оборудовании определяется объем выделившегося жира.

Чистота молока определяется специальными фильтрами, дополненными иглопробивным термо-полотном. По объему примесей фиксируется степень чистоты продукта. Также задействуются и средства комплексного анализа. С помощью пипетки для гомогенизации молока с ценой деления порядка 0,1 см 3 берутся пробы, которые в дальнейшем испытываются путем нагрева, химических и биологических реакций. В конечном итоге делается лабораторный отчет о характеристиках молочного продукта, прошедшего гомогенизацию.

Заключение

При всех положительных эффектах гомогенизации, многие специалисты относятся к ней критически из-за выработки вредных ферментов. Впрочем, на данный момент не существует достоверных исследований, которые бы выявили существенную для здоровья человека разницу между натуральным и обработанным таким способом молочным продуктом. Более того, на сегодняшний день гомогенизация молока - это комплекс производственных процессов, которые стали необходимостью в пищевой промышленности. Этот метод механической обработки используется не только в отношении к свежему молоку, но и в восстановлении сухого молочного сырья путем регуляции степени жирности. Другое дело, что в каждом случае применяются и модифицирующие химические добавки, наличие которых в продукте в принципе снижает его ценность.

Гомогенизация - механическое дробления жировых шариков в молоке (сливках) с целью равномерного распределения жира в общей массе продукта и предотвращения его отстаивания. Разная плотность жира и плазмы в составе молока и сливок приводит к отделению жировой фракции при хранении продукции. Для того чтобы стабилизировать консистенцию молочной структуры и улучшить вкусовые качества дисперсной смеси используется гомогенизатор пищевых продуктов.

Гомогенизатор молочный производит на обрабатываемое сырье механическое воздействие. Процесс диспергирования обеспечивает стабилизацию высокодисперсной жировой эмульсии и придает продукту гомогенизированную консистенцию, а именно вещество в оболочке и структуре содержащегося в молоке жира подвергается перераспределению, мобилизуются плазменные белки, фосфатиды переходят с оболочки жировых шариков в плазму продукта.

Принцип работы

Принцип работы основных типов гомогенизатора для молока основан на разнице давления в системе, при котором происходит преобразование жидкостей с полидисперсными характеристиками в продукцию с однородной консистенцией. В оборудовании может быть установлена рабочая головка одно- или двухступенчатого типа. Последняя модификация агрегатов предназначена для обработки сырья с высоким процентом жирности.

Гомогенизация - это раздробление (диспергирование) жировых шариков путем воздействия на молоко или сливки значительных внешних усилий. В процессе обработки уменьшаются размеры жировых шариков и скорость всплывания. Происходит перераспределение оболочечного вещества жирового шарика, стабилизируется жировая эмульсия, и гомогенизированное молоко не отстаивается.

Гомогенизаторы клапанного типа служат для обработки молока и сливок с целью предотвращения их расслаивания при хранении.

Гомогенизаторы-пластификаторы роторного типа применяют для изменения консистенции таких молочных продуктов, как плавленые сыры и сливочное масло. В обработанном с их помощью сливочном масле водная фаза диспергируется, в результате чего продукт лучше хранится.

Принцип действия гомогенизаторов клапанного типа, получивших наибольшее распространение, заключается в следующем. В цилиндре гомогенизатора на молоко оказывается механическое воздействие при давлении 15...20 МПа. При подъеме клапана, приоткрывающем узкую щель, молоко выходит из цилиндра. Это возможно при достижении в цилиндре рабочего давления. При проходе через узкую круговую щель между седлом и клапаном скорость молока возрастает от нулевой до величины, превышающей 100 м/с. Давление в потоке резко падает, и капля жира, попавшая в такой поток, вытягивается, а затем в результате действия сил поверхностного натяжения дробится на мелкие капельки-частицы.

При работе гомогенизатора на выходе из клапанной щели часто наблюдаются слипание раздробленных частичек и образование «гроздьев», снижающих эффективность гомогенизации. Во избежание этого применяют двухступенчатую гомогенизацию На первой ступени создается давление, равное 75 % рабочего, на второй ступени устанавливается рабочее давление.

Рис. 2.22. Гомогенизирующая головка

Для проведения гомогенизации температура молочного сырья должна быть 60...65 °С. При более низкой температуре усиливается отстаивание жира, при более высокой могут осаждаться сывороточные белки.

Гомогенизатор с двухступенчатой гомогенизирующей головкой состоит из станины, корпуса, плунжерного блока, гомогенизирующей головки, привода и кривошипно-шатунно-го механизма.

Рис.2.23. Гомогенизатор А1-ОГМ-5:

1 - электродвигатель; 2 - станина с приводом; 3 - кривошипно-шатунный механизм с системами смазки и охлаждения; 4 - блок плунжерный с гомогенизирующей и манометрической головками и предохранительным клапаном; 5 - манометрическая головка; 6- гомогенизирующая головка; 7- клиноременная передача

В том случае, когда при гомогенизации необходимо исключить доступ микроорганизмов к обрабатываемому продукту, применяют специальные асептические гомогенизирующие головки. В таких головках в пространство, ограниченное двумя уплотнительными элементами, подается горячий пар под давлением 30...60 кПа. Эта высокотемпературная зона служит барьером, препятствующим попаданию бактерий в цилиндр гомогенизатора.

Гомогенизаторы-пластификаторы по принципу действия и устройству отличаются от гомогенизаторов клапанного типа. Рабочим органом в них является ротор, который может иметь различное число лопастей - 12, 16 или 24.

Гомогенизатор-пластификатор состоит из станины, корпуса со шнеками, приемного бункера и привода.

Рис.2.24. Комплект гомогенизирующего инструмента гомогенизатора:

1-неподвижное кольцо; 2- подвижное кольцо; 3 - лопастное колесо; 4- бункер; 5 -подвижной нож; 6- корпус; 7- неподвижный нож; 8- выгрузной ротор; 9- вал гомогенизатора

Привод позволяет регулировать частоту вращения подающих шнеков (с помощью вариатора) в пределах 0,2...0,387 с 1 . Частота вращения ротора с лопастями не регулируется и составляет 11,86 с".

Принцип работы машины заключается в следующем. Сливочное масло подается в бункер, откуда с помощью двух шнеков, вращающихся в противоположных направлениях, продавливается через ротор и из насадки с диафрагмой выходит в бункер фасовочного аппарата. Для предотвращения налипания масла рабочие органы гомогенизатора смазывают перед началом работы специальным горячим раствором. Производительность гомогенизатора зависит от частоты вращения подающих шнеков и составляет 0,76...1,52 м 3 /ч- Мощность привода машины 18,3 кВт.

Гомогенизатор ЯЗ-ОГЗ предназначен для обработки расплавленной сырной массы при производстве плавленых сыров и состоит из следующих частей: основания, корпуса, комплекта гомогенизирующего инструмента, бункера, выгрузного устройства и привода.

Основание служит для крепления на нем составных частей гомогенизатора. В корпусе размещены рабочие узлы и уплотняющие устройства.

Гомогенизирующий инструмент для подачи, измельчения и перемешивания расплавленной сырной массы выполнен в виде подвижных и неподвижных ножей, разделенных распорными кольцами, а также загрузочного лопастного колеса и выгрузного ротора. Подвижные ножи имеют специальные пазы, выполненные под определенным углом к торцевой поверхности, что способствует перемещению измельчаемого продукта к выгрузному устройству. Вал гомогенизирующего инструмента вращается с частотой 49с 1 .

Бункер для приема и накопления сырной массы имеет теплоизоляционную рубашку.

Выгрузное устройство в виде двух труб, соединенных между собой с помощью крана, служит для отвода гомогенизированной массы в дозатор фасовочного автомата.

Привод состоит из двигателя мощностью 11 кВт, предназначенного для передачи вращения от вала к подвижной части гомогенизирующего инструмента.

Обработка продукта на гомогенизаторе ЯЗ-ОГЗ осуществляется следующим образом. Расплавленная сырная масса периодически или непрерывно подается в бункер гомогенизатора. Под действием разрежения, создаваемого загрузочным лопастным колесом, продукт поступает в гомогенизирующий инструмент, в котором, проходя последовательно через подвижные и неподвижные ножи, гомогенизируется и подается к выгрузному устройству.

Использование гомогенизатора позволяет отказаться от технологической операции процеживания сырной массы с целью удаления ее нерасплавленных частиц.

Гомогенизаторы предназначены для дробления жировых шариков в молоке, жидких молочных продуктах и смесях мороженного. Они применяются в различных технологических линиях для молока и молочных продуктов. Для гомогенизации молока известно и другое оборудование (эмульгаторы, эмульсоры, вибраторы и др.), но оно менее эффективно.

Наибольшее применение в молочной отрасли получили гомогенизаторы клапанного типа К5 - ОГ2А - 1,25; А1 - ОГМ 2,5 и А1 - ОГМ, представляют собой многоплунжерные насосы высокого давления с гомогенизирующей головкой. Гомогенизаторы состоят из следующих основных узлов: кривошипно - шатунного механизма с системой смазки и охлаждения, плунжерного блока с гомогенизирующей и манометрическими головками и предохранительным клапанном, станины. Привод осуществляется от электродвигателя с помощью клиноременной передачи. Кривошипно - шатунный механизм преобразует вращательное движение, передаваемое клиноременной передачей от электродвигателя, в возвратно - поступательное движение плунжеров. Последние посредством манжетных уплотнений входят в рабочие камеры плунжерного блока и совершая всасывающие и нагнетательные ходы, создают необходимое давление гомогенизируемей жидкости. Кривошипно - шатунный механизм описываемых гомогенизаторов состоит из коленчатого вала, установленного на двух конических роликоподшипниках; крышек подшипников; шатунов с крышками и вкладышами; ползунов, шарнирно соединенных с шатунами с помощью пальцев; стаканов; уплотнений; крышки корпуса и ведомого шкива, консольно закрепленного на конце коленчатого вала. Внутренняя полость кривошипно - шатунного механизма - масляная ванна. Задней стенки корпуса смонтированы маслоуказатель и сливная пробка. В гомогенизаторе К5 - ОГ2А - 1,25 смазка трущихся деталей кривошипно -шатунного механизма производится путем разбрызгивания масла вращающимся коленчатым валом. Конструкция корпуса и сравнительно небольшие нагрузки на кривошипно - шатунный механизм гомогенизатора К5 - ОГ2А - 1,25 позволяет охладить масло, помещенное внутри корпуса, за счет теплоотдачи с поверхности в окружающую среду. Водопроводной водой охлаждаются только плунжеры. В гомогенизаторах А1 - ОГМ - 2,5 и А1 - ОГМ в сочетании с разбрызгиванием масла в нутрии корпуса применяют принудительную систему смазки наиболее нагруженных трущихся пар, что увеличивает теплоотдачу. Масло в этих гомогенизаторах охлаждается теплопроводной водой которая поступает в змеевик охлаждающего устройства, уложенного на дне корпуса, а плунжеры водопроводной водой, подающей на них через отверстие в трубе. В системе установлено реле протока для контроля за протеканием воды. К корпусу КШМ с помощью двух шпилек прикрепляется плунжерный блок, предназначенный для всасывания продукта из подающей магистрали и нагнетания его под высоким давлением в гомогенизирующую головку. Плунжерный блок включает в себя корпус, плунжеры манжетные уплотнения, нижнее, верхнее и передние крышки, всасывающие и нагнетательные клапаны, седла клапанов, прокладки, втулки, пружины, фланец, штуцер, фильтр во всасывающем канале блока. На торцевой плоскости плунжерного блока имеет гомогенизирующая головка, предназначенная для выполнения двухступенчатой гомогенизации продукта за счет его прохода под высоким давлением через щель между клапанном и седлом клапана в каждой системе ступени. На верхней плоскости плунжерного блока закреплена манометрическая головка для контроля давления гомогенизации. Манометрическая головка имеет дросселирующее устройство дающее возможность эффективно уменьшать амплитуду колебания стрелки манометра. Манометрическая головка состоит из корпуса, иглы, уплотнения, поджимающей гайки, шайбы и манометра с мембранным разделителем. В торцевой плоскости плунжерного блока со стороны, противоположной крепления гомогенизирующей головки, распложен предохранительный клапан, который предотвращает повышение давления гомогенизации по сравнению с номинальным. Предохранительный клапан включает в себя винт, контргайку, пяту, пружину, клапан и седло клапана. На максимальное давление гомогенизации предохранительный клапан настраивают, вращая прижимной винт, который воздействует на клапан через пружину. Станина гомогенизатора представляет собой литую или сварную конструкцию из швеллеров, облитой листовой сталью. На верхней плоскости станины установлен КШМ. Внутри на двух кронштейнах шарнирно закреплена плита с размещенной на ней эл. двигателем. Кроме того плита поддерживается винтами, регулирующие клиновых ремней. Станина имеет четыре регулируемые по высоте опоры. Боковые окна станины закрываются съемными крышками. Молоко или молочный продукт подается с помощью насоса во всасывающий канал плунжерного блока. Из рабочей полости блока продукт под давлением попадает через нагнетательный клапан гомогенизирующую головку с большой скорости проходит через лицевой зазор, образующийся между притертыми поверхностями гомогенизирующего клапана и его седлом. При этом происходит диспергирование жидкой фазы продукта. Из гомогенизатора продукт направляется по молокопроводу на дальнейшую переработку или предварительное хранение.

Гомогенизирующие головки подвергались тем или другим мало существующим изменениям, однако, принцип устройства их сохраняющихся до сих пор без изменения. Форма рабочей поверхности клапана обычно плоская, тарельчатая или конусная с небольшим углом конусности. У гомогенизатора с плоскими клапанами с концентрическими рифлями располагаются такие же рифли на поверхности седла. Следовательно, форма прохода для молока в радиальном направлении изменяется, что должно способствовать лучшей гомогенизации. Жидкий продукт в головку может нагнетаться любым насосом, обладающим равномерной подачей и способна создавать высокое давление. Для этой цели применимы многоплунжерные, ротационные и винтовые насосы. Наибольшее распространение нашли гомогенизаторы высокого давления с трехплунжерными насосами.

Схема устройства плунжерного гомогенизатора клапанного типа показана на рис. 3

Молоко при ходе плунжера влево проходит через всасывающий клапан 3 в цилиндр, а при ходе плунжера вправо проталкивается через клапан 4 в нагнетательную камеру, на которой установлен манометр 10 для контроля давления. Далее молоко по каналу в головку 5,в которой поджимает клапан 7, прижимаемый к седлу 6 пружиной 8. Натяжение пружины регулируется винтом 11. Клапан и седло притерты друг к другу. В нерабочем положении клапан плотно прижат к седлу пружиной 8, которая стала регулировочным винтом 11, а в рабочем, когда нагнетается жидкость, клапан приподнят давлением жидкости и находится в «плавающем» состоянии. Характерным показателем режимы гомогенизации, играющим большую роль при регулировке машины, является давление гомогенизации. Чем оно выше, тем эффективнее процесс диспергирования. Давление регулируют винтом 11, руководствуясь показаниями манометра 10. При завинчивании винта давления пружины на клапан увеличивается следовательно, высота клапанной щели увеличивается. Это приводит к увеличению гидравлических сопротивлений при движении жидкости через клапан, т. е. к увеличению давления, необходимого для проталкивания данного количества жидкости.

Способность плунжерного насоса создавать высокое давление ставит под угрозу сохранность деталей в случаи, если канал засориться в седле клапана. Поэтому гомогенизатор снабжен предохранительным клапаном 9, через который жидкость выходит наружу, когда давление в машине выше установленного. Придельное давление, при котором предохранительный клапан открывается, регулируют, затягивая винтом пружину.

На рис. 4 приведен гомогенизатор с двойным дросселированием, в котором жидкость проходит последовательно через две рабочие головки. В каждой головки давление пружины на клапан регулируется отдельно, своим винтом. В таких головках гомогенизация происходит в две ступени.

Рабочее давление в нагнетательной камере равно сумме обоих перепадов. Применение двухступенчатой гомогенизации обусловлено преимущественно тем, что во многих эмульсиях после гомогенизации в первой ступени наблюдается на выходе обратное слипание диспергированных частиц и образование «гроздьев», которые ухудшают эффект диспергирования.

Задача второй ступени состоит в раздроблении, рассеиваний таких сравнительно неустойчивых образований.

Для этого требуется уже ни столь значительное механическое воздействие, поэтому перепад давлений во второй вспомогательной ступени гомогенизатора значительно меньше, чем в первой, от работы которой в основном и зависит степень гомогенизации.

Рисунок 4 - Схема двухступенчатой гомогенизации

В общем конструктивном оформлении современных гомогенизаторов находит применение основные принципы и положения технической эстетики, санитарии и гигиены. Следуя новым тенденциям в развитиям оборудования молочных предприятий, новые конструкции гомогенизаторов выполняют обтекаемой формы, облицовывают и закрывают кожухами из нержавеющей сталью с полированной поверхностью.

Исходя из производительности гомогенизатора и конструктивных соображений, за прототип выбираем гомогенизатор марки А1 - ОГМ - 2,5.

Гомогенизация молока - процесс дробления жировых шариков путем воздействия на молоко значительных внешних усилий. Процесс гомогенизации применяется в производстве молока пастеризованного для повышения однородности и улучшения его стойкости при хранении. Цель гомогенизации - предотвращение самопроизвольного отстаивания жира в производстве и хранении молочных продуктов, сохранение однородной консистенции продукта без расслоения.

Количество и размер жировых шариков в молоке непостоянны и зависят от породы, условий кормления и содержания, стадии лактации, возраста животного и целого ряда других факторов. В среднем в 1 см 3 молока цельного находится около 3 млрд жировых шариков. Размеры жировых шариков колеблются в широких пределах _ от 0,1 до 20 мкм.

В процессе дробления жировых шариков при гомогенизации происходит перераспределение оболочного вещества. На построение оболочек образовавшихся мелких жировых шариков расходуются белки плазмы, что приводит к стабилизации высокодисперсной жировой эмульсии гомогенизированного молока.

В молоке средней жирности свободного жира практически не образуются, т.е. отсутствуют скопления мелких жировых шариков. При повышении массовой доли жира в молоке могут возникнуть скопления жировых шариков. Т. о. правильно проведенная гомогенизация исключает возможность появления свободного жира, тем самым увеличивая сроки хранения молочных продуктов: регулирует структурно-механические свойства молочно-белковых сгустков; улучшает вкусовые качества продуктов.

К нежелательным последствиям можно отнести пониженную термоустойчивость гомогенизированного молока; возникновение повышенной чувствительности к свету и как следствие "солнечного" привкуса; невозможность сепарирования гомогенизированного молока.

Условия эффективной гомогенизации:

• 1) Молочный жир должен находиться в жидком состоянии;
• 2) Дробление жировых шариков возможно только при внешнем воздействии;
• 3) Необходимо образование нового защитного слоя каждого жирового шарика.

В процессе производства молока пастеризованного молочный жир в основном сохраняет свои исходные состав и свойства. Тепловое и механическое воздействия не вызывают существенных изменений жировой фазы молока.

В настоящее время применяются следующие виды гомогенизации:

• 1) одноступенчатая - происходит образование мелких жировых шариков;
• 2) двухступенчатая - происходит разрушение этих агрегатов и дальнейшее диспергирование жировых шариков;
• 3) раздельная - обработке подвергается не все молоко, а только его жировая часть (сливки) 16-20 % жирности.

При одноступенчатой гомогенизации проводят дробление жировых шариков до размеров около 1 мкм, т.о. возникает однородная дисперсия жировой фазы, не способной к отстаиванию. Ее используют для выработки нежирных молочных продуктов (питьевого молока и т.п.).

Двухступенчатую гомогенизацию проводят при производстве высокожирных продуктов (сливки, смеси для мороженого и т.п.). Она позволяет разбивать образующиеся скопления жировых шариков.

Гомогенизацию нормализованного молока раздельно проводят следующим образом. Для этого нормализованное молоко, подогретое до температуры 55-65 °С, сепарируют. Полученные сливки с массовой долей жира 16-20 % гомогенизируют на двухступенчатом гомогенизаторе при давлении на первой ступени 8-10 МПа и на второй - 2-2,5 МПа. Гомогенизированные сливки смешиваются в потоке с обезжиренным молоком, выходящим из сепаратора-сливкоотделителя, и направляются в секцию пастеризации пастеризационно-охладителыюй установки. Сливки можно гомогенизировать также перед их смешиванием с обезжиренным молоком при составлении нормализованного молока. Разделительная гомогенизация позволяет значительно снизить энергозатраты.

При производстве различных молочных продуктов обычно применяют давление гомогенизации 5-25 МПа и температуру 55-70 О С. Давление и температура гомогенизации определяют ее режим. Давление и температура при гомогенизации избираются в зависимости от массовой доли жира смеси. Чем выше жирность смеси, тем ниже должно быть давление. Гомогенизацию стоит проводить при температуре не ниже 50-60 0 С. Например, при гомогенизации молока и низкожирных сливок (10-12 %) при температуре не ниже 70 0 С применяют давление 10-15 МПа, при выработке сметаны 25-30 %-ной жирности - 9-10 МПа.

В процессе гомогенизации возможно выделение свободного жира, как было сказано выше. В молоке, с повышением давления гомогенизации, количество свободного жира снижается, а в сливках - увеличивается. Повышение количества свободного жира связывают с недостатком белка, необходимого для формирования оболочки вновь образовавшихся жировых шариков. Одно из условий образования защитной оболочки - отношение сухого обезжиренного молока к жиру; в гомогенизированном продукте оно не должно быть ниже 0,6-0,8.

Эффективность гомогенизации определяют по отстаиванию жира, методом центрифугирования, по изменению оптической плотности и среднему размеру жировых шариков. В гомогенизированном молоке диаметр жировых шариков не должен превышать 2 мкм.

Повышение дисперсности молочного жира приводит к получению более однородной, гомогенной и устойчивой системы. Повышение устойчивости системы без отстоя сливок необходимо при производстве многих молочных продуктов. Кроме того, гомогенизация увеличивает вязкость молока, сливок и молочных смесей, что положительно влияет на консистенцию готовых продуктов и расширяет использование гомогенизации в молочном производстве.

Наибольшее применение в молочной отрасли получили гомогенизаторы клапанного типа, представляющие собой многоплунжерные насосы высокого давления с гомогенизирующей головкой. При ходе плунжера создается высокое давление, в результате молоко (или смесь) с огромной скоростью продавливаются через щель гомогенизатора. При входе в клапанную щель скорость потока молока резко возрастает. Крупный жировой шарик, проходя через щель с огромной скоростью, вытягивается в цилиндр, который дробится на мелкие жировые капли, сразу же покрывающиеся белковой оболочкой из белков плазмы. При большой разности в скоростях дробление шариков может происходить путем последовательного отрыва частиц без промежуточного растягивания в цилиндр. Т.о. жир нормализованного молока при продавливании его через кольцевую клапанную щель гомогенизирующей головки, диспергируется. Необходимое давление создается насосом. При производстве цельного молока размер жировых шариков с 3-4 мкм уменьшается до 0,7-0,8 мкм.

Кроме гомогенизаторов клапанного типа применяют центробежные гомогенизаторы-кларификсаторы, имеющие специальную камеру с неподвижным гомогенизирующим диском. Сама конструкция диска обеспечивает активное механическое воздействие на частицы молока.

Определение эффективности гомогенизации.

Стабильность жировой эмульсии молока или сливок имеет большое значение в производстве молочных продуктов. При производстве одних продуктов желательно как можно дольше сохранять жировую эмульсию стабильной (пастеризованные и стерилизованные молоко и сливки, кисломолочные продукты, молочные консервы и мороженое). При производстве других продуктов (например коровье масло) желательно наиболее полно разрушить жировую эмульсию для агрегации жировых щариков.

В спокойном состоянии в свежем молоке через 20-30 минут после выдаивания появляется слой отстоявшихся сливок, что связано с разностью плотностей молочного жира (994-1025 кг/м 3) и молочной плазмы (1034-1040 кг/м 3). Скорость всплытия жирового шарика в условиях естественного отстоя выражают уравнением

н = 2*g*r 2 *(с п - с ж )/(9* µ) ,

н - скорость всплывания жирового шарика, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с 2 ;

r - радиус жирового шарика, м;

с п - плотность плазмы молока, кг/м3;

с ж - плотность жирового шарика, кг/м3;

µ - вязкость плазмы молока, Па·с.

Зависимость скорости разделения от радиуса жирового шарика в квадрате указывает на возможность предотвращения отстоя за счет уменьшения его радиуса, что и достигается гомогенизацией.

Эффективность гомогенизации определяют оптическим методом, методом отстаивания жира, методом центрифугирования и по среднему размеру жировых шариков, содержание жира - кислотным методом Гербера с трехкратным центрифугированием по 5 мин для гомогенизированного молока.

Оптический метод

Оптический метод определения эффективности гомогенизации распространяется на молоко и сливки с массовой долей жира от 2 до 6 %. Сущность метода заключается в измерении оптической плотности (мутности) образца при двух длинах волн - 400 и 1000 нм. Величина отношения оптических плотностей при различных длинах волн (Д400/Д1000) характеризует степень диспергирования жировой фазы молока или сливок.

Эффективность гомогенизации (ЭГ) определяют по соотношению величин оптических плотностей (Д400 и Д1000). Расчет среднего диаметра жировых шариков молока производят по формуле:

d ср = 2,82 - 2,58 lg Д 400 /Д 1000 ,

d ср - средний диаметр жировых шариков, мкм;

Д 400 и Д 1000 - величины оптических плотностей образца при длинах волн 400 и 1000 нм.

Определение эффективности гомогенизации

методом отстаивания жира.

Для определения эффективности гомогенизации методом отстаивания жира молоко выдерживают в течение 48 ч при температуре 8 О С без перемешивания в мерном цилиндре объемом 250 мл. Затем отбирают верхние 100 мл молока и определяют содержание жира в молоке, оставшемся в цилиндре. Отстаивание жира рассчитывают по формуле:

О ж =100*(Ж м -Ж н )/Ж м -К* Ж н ,

О ж - отстаивание жира, %;

Ж м, Ж н - массовые доли жира в исходном молоке и нижнем слое молока, оставшегося в цилиндре, %;

К - отношение объема нижнего слоя молока в цилиндре к общему объему молока (при отборе 100 мл верхнего слоя К = 0,6).

Метод центрифугирования ВНИМИ

Эффективность гомогенизации центрифугированием определяют при определенном режиме центрифугирования молока в специальной пипетке (см. рис. 6.1).

молокоперерабатывающий гомогенизация центрифугирование молоко

Рис. 6.1.

Центрифугирование производят в течение 30 мин. После центрифугирования пипетки вынимают и ставят вертикально на пробку. Затем из пипетки осторожно, не переворачивая и не встряхивая, сливают нижнюю часть продукта до отметки II в стакан, для чего закрывают пальцем левой руки верхнее отверстие пипетки, а правой снимают резиновую пробку с нижнего конца пипетки. В слитом продукте определяют содержание жира. Степень гомогенизации рассчитывают по формуле:

r = 100*Ж н /Ж м ,

r - степень гомогенизации, % (для гомогенизированного молока r=75-80 %);

Ж н -массовая доля жира в нижнем слое продукта, слитом из пипетки;

Ж м - массовая доля жира в исходном молоке, %.

Микроскопический метод

При определении эффективности гомогенизации микроскопическим методом определяют средний размер жировых шариков гомогенизированного молока (d ср). Для определения размеров жировых шариков молоко и сливки разбавляют водой. С помощью окуляр-микрометра определяют размеры жировых шариков при увеличении в 1350 раз (объектив 90, окуляр 15 с иммерсией).

Жировые шарики разделяют на фракции (группы) по размерам диаметров в зависимости от увеличения микроскопа и установленной цены деления окуляр-микрометра. Точность пределов этих фракций составляет одно или половину деления окуляр-микрометра. В одном образце молока определяют размер от 600 до 1000 жировых шариков и распределяют их по фракциям. Размеры жировых шариков каждой фракции выражают средним диаметром. Например, для фракции III средний диаметр будет (2+3)/2 = 2,5 мкм.