Исследование процесса кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром на отечественном вакуум- кристаллизаторе

DOI:

Одним из основных технологических процессов производства сгущенного молока с сахаром является процесс кристаллизации лактозы (молочного сахара), которым определяется консистенция продукта.

Кристаллы лактозы размером до 10 мкм органолептически не ощущаемы, консистенция продукта, при этом, оценивается как «однородная». При размере кристаллов от 10 до 15 мкм консистенция продукта характеризуется как «слабомучнистая». Более крупные кристаллы являются причиной «мучнистости», «песчанистости» и могут вызывать «хруст на зубах».

Крупные кристаллы образуют кристаллический осадок на дне банки или промышленной тары в виде толстого слоя. Появление этого порока не только ухудшает потребительский состав сгущенного молока с сахаром, но и затрудняет его промышленную переработку.

Лактоза в молоке находится в состоянии молекулярного раствора (размер частиц 1мкм). При сгущении молока массовая доля лактозы увеличивается от 4–4,5% в исходной смеси, до 12% в сгущенной. что составляет концентрацию ее в водной части продукта 30–31%.

В неохлажденном сгущенном молоке с сахаром лактоза находится в состоянии ненасыщенного раствора. В процессе охлаждения раствора уменьшается кинетическая энергия его частиц и раствор переходит в состояние пересыщения. Характеристикой пересыщенности раствора является то предельное пересыщение, которое может быть достигнуто. Явление предельного пересыщения тесно связанно со стабильностью пересыщенных растворов. Совокупность предельных концентраций раствора, полученных при различных температурах, при достижении которых сразу же начинается спонтанная кристаллизация, образуют метастабильную зону. Растворы с концентрацией вещества выше предельной, кристаллизуются моментально, насыщенный раствор, в котором кристалл не растет и не растворяется, называется стабильным.

Молекулы жидкости обладая значительной кинетической энергией, не могут образовывать сколько-нибудь устойчивый агрегат, и всякое случайное скопление молекул, образовавшееся благодаря тепловому движению, быстро распадается. При понижении температуры, а, следовательно, при уменьшении кинетической энергии молекул, образовавшиеся скопления их становятся более устойчивыми. Охлаждение продукта и, связанное с этим, уменьшение кинетической энергии и скорости движения растворенных частиц лактозы сопровождается переходом ее из насыщенного раствора в пересыщенный, а затем в кристаллическое состояние. Минимальное количество новой фазы, способное к самостоятельному существованию, называется кристаллическим зародышем. Он является центром кристаллизации новой фазы.

Если процессом кристаллизации лактозы не управлять, то происходит самопроизвольная кристаллизация ее с образованием очень крупных кристаллов (рисунок 1)

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс кристаллизации лактозы, является скорость охлаждения продукта.

Необходимым условием обеспечения однородности консистенции продукта является вакуумное его охлаждение. Для этой цели в молочноконсервной промышленности применяют вакуумные кристаллизаторы фирмы «Виганд» производства Германии. Однако в последние годы выпуск их прекращен. Эксплуатируемые в настоящее время на заводах вакуум-кристал-лизаторы, физически и морально устарели. Из-за отсутствия альтернативы, предприятия вынуждены использовать для охлаждения сгущенного молока с сахаром реакторы, работающие при атмосферном давлении или проводят гидролиз лактозы дорогостоящим импортным ферментом β-галактозидазой.

Рисунок 1. Кристаллы лактозы в сгущённом молоке с сахаром при самопроизвольной кристаллизации Figure 1. Lactose crystals in the condensed milk with sugar during spontaneous crystallization

ФГБНУ «ВНИМИ» разработал «Исходные требования для разработки отечественного вакуумного кристаллизатора, обеспечивающего получение продукта, с микроструктурой, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 31688–2012. Консервы молочные. Молоко и сливки сгущенные с сахаром. Технические условия.

Промышленные испытания разработанного вакуум-кристаллизатора показали, что, в сгущенном молоке с сахаром, охлажденном в изготовленном вакуум-кристаллизаторе, максимальное число кристаллов (69%) имеют размер до 5 мкм, в то время как, в сгущённом молоке с сахаром, охлаждённом в реакторе при атмосферном давлении, максимальное число кристаллов (25%) имеют размер 26,5 мкм. Средний размер кристаллов лактозы в исследуемых образцах составляет соответственно 6,78 мкм и 23,33 мкм.

Кристаллическая фаза продукта охлаждённого в вакуум-кристаллизаторе, характеризуется высокой степенью однородности, в то время, как кристаллическая фаза сгущенного молока с сахаром, охлажденного в реакторе характеризуется высокой полидисперсностью.

Диференциальные кривые распределения кристаллов по размерам для рассматриваемыхо бразцов показаны на рисунке 2.

Crystal size, µm

1. Охлаждение в вакуум-кристаллизаторе Cooling in vacuum-crystallizer ^^^^ ^^^ 2. Охлаждение в реакторе Cooling in reactor

Рисунок 2. Диференциальные кривые распределения по размерам кристаллов лактозы сгущённого молока с сахаром, охлаждённого:1) в разработанном вакуум-кристаллизаторе, 2) вреакторе

Figure 2. The differential curves distribution by lactose 1) in the developed vacuum-crystallizer, 2) in the reactor

Дифференциальная кривая распределения кристаллов лактозы продукта, охлаждённого в кристаллизаторе имеет сдвиг пика распределения кристаллов в сторону уменьшения их размера, а для продукта, охлаждённого в открытых реакторах имеет место сдвиг пика распределения кристаллов в сторону увеличения их размера.

Гранулометрический состав кристаллической фазы продукта, охлажденного на вновь разработанном crystals sizes of condensed cooled milk with sugar: вакуум-кристаллизаторе полностью идентичен гранулометрическому составу продукта, охлажденному на вакуум-кристаллизаторе фирмы «Виганд».

Проведенные исследования показали, что охлаждение сгущенного молока с сахаром в отечественном ва-куум-кристаллизаторе гарантирует получение готового продукта с микроструктурой, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 31688–2012. Консервы молочные. Молоко и сливки сгущенные с сахаром. Технические условия.