Гомогенизаторы. Гомогенизация молока

Гомогенизаций называется механическая обработка прошедшего через молочные фильтры сырья, в результате которой шарики жира диспергируют (измельчаются) под действием внешней силы - давления, тока высокой частоты, ультразвука и прочее.

Зачем нужна гомогенизация?

При хранении налитого в молочные бидоны продукта, жир всплывает на поверхность за счет того, что он легче плазмы (обрата). Сырье отстаивается. Крупный комочек жира, поднимаясь в верхние слои, сталкивается с ему подобными. Под влиянием иммуноглобулинов, происходит агглютинация (склеивание отдельных элементов и выпадение их в осадок из однородной смеси). В результате, меняется консистенция и снижается качество, что не желательно. Если жировые шарики разбить на мелкие части, они не будут слипаться в пленку на поверхности.

Скорость всплытия жирового шарика зависит от его размеров – чем больше, тем быстрее. По формуле Стокса, она прямо пропорциональна квадрату радиуса комочка. Величина шариков жира лежит в пределах от 0,5 до 18 мкм. После гомогенизации, она уменьшается приблизительно в 10 раз (средний размер на выходе – 0,85 мкм). Это значит, что всплывать они будут в 100 раз медленнее. К тому же, у небольших комочков, размером меньше 1 мкм, силы взаимного отталкивания больше, чем притяжения.

Во время дробления жира, вещество его оболочки перераспределяется. Часть фосфатидов переходит в плазму, а на внешний покров мелких шариков идут плазменные белки. Благодаря перечисленным факторам, в молоке стабилизируется жировая эмульсия. При высокой степени дисперсности, процесс отстаивания не наблюдается, жир не всплывает, фляги для молока наполняются более качественным продуктом. Сливки, творог, масло и прочее, сделанные из гомогенизированного (однородного) сырья, имеют лучшие органолептические показатели и консистенцию, питательные вещества быстрее и полнее усваиваются организмом.

Гомогенизация способствует тому, чтобы:

• Пастеризованные молоко или сливки, разлитые по емкостям из нержавеющей стали , приобрели однородную жирность, цвет и вкус.
• Стерилизованные молоко и сливки – лучше хранились.
• На кисломолочных продуктах не образовывалась жировая пленка, а белковые сгустки были прочнее и с лучшей консистенцией.
• В молочных сгущенных консервах, при длительном хранении, не выделялась жировая фаза.
• В цельном сухом молоке оказалось меньше свободного жира, без оболочек из белка – это приводит к окислению.
• У восстановленных кисломолочных напитков, сливок и молока не появился водянистый привкус, а вкус продукта стал более насыщенным.
• Молоко с наполнителем (например, какао), получилось более вязким, без осадка, с лучшим вкусом.

Механизм гомогенизации

Гомогенизацию рекомендуется делать после того, как молоко прошло через ванну длительной пастеризации .

Для этого применяются разные виды устройств. Самые распространенные – агрегаты клапанного типа. По своей сути они являются плунжерными насосами высокого давления. Жидкость пропускается сквозь очень маленькие отверстия. При этом резко увеличивается скорость потока. Жировые шарики дробятся, образовавшиеся мелкие комочки сразу покрываются белковой оболочкой. О том, почему так происходит, будет рассказано во второй части статьи.

Кисломолочные продукты играют важную роль в питании людей, особенно детей, лиц пожилого возраста и больных. Диетические свойства кисломолочных продуктов заключаются, прежде всего, в том, что они улучшают обмен веществ, стимулируют выделение желудочного сока и возбуждают аппетит. Наличие в их составе микроорганизмов, способных приживаться в кишечнике и подавлять гнилостную микрофлору, приводит к торможению гнилостных процессов и прекращению образования ядовитых продуктов распада белка, поступающих в кровь человека.

Немаловажной стадией при выработке кисломолочных продуктов является механическое воздействие на исходное сырье, т.е. гомогенизация. Она не только предотвращает отстаивание жира, но и способствует получению качественных кисломолочных продуктов с улучшенными консистенцией и вкусовыми свойствами, повышению его усвояемости организмом и более полному использованию содержащихся в нем жира и витаминов.

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.

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.