Разработка температурного режима для охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом

В настоящее время растут объемы производства новых видов молочных продуктов, в которых молочные компоненты заменяются ингредиентами немолочного происхождения. Известно, например, использование солода или солодового экстракта в производстве консервированных молочных продуктов с сахаром [1, 2]. Однако изменение компонентного состава продуктов влечет за собой и некоторые изменения технологических параметров, так как качество молочных консервов должно соответствовать требованиям нормативной технической документации по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям качества в течение всего срока хранения. Так, например, консистенция консервированных молочных продуктов в значительной степени определяется гранулометрическим составом кристаллов лактозы, а, следовательно, процессом кристаллизации лактозы на стадии охлаждения.

Целью исследований является разработка рационального температурного режима охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом.

Объектом исследований явился температурный режим охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом.

Процесс кристаллизации лактозы, как известно [3, 4], проводится с целью максимально возможного снятия пересыщения за счет образования мелких однородных, органолептически не ощущаемых кристаллов. В результате этого предупреждается последующий неуправляемый рост кристаллов при хранении, и повышается качество продукта.

Нами был разработан температурный режим, согласно которому охлаждение консервированных молочных продуктов с сахаром рекомендуется проводить в две ступени [5-7].

Интенсивное охлаждение на первой ступени обеспечивает создание достаточно высокого пересыщения, при котором возникают условия для преобладания скорости зародышеобразования над скоростью роста. В результате на второй ступени после внесения затравки будет происходить эффективное снятие пересыщения за счет образования большого количества мелких однородных, органолептически не ощущаемых кристаллов лактозы.

Интенсивное охлаждение продукта на первой ступени предлагается осуществлять в пластинчатом скребковом теплообменном аппарате, где тепловая обработка проводится в тонком слое и обеспечивает охлаждение со скоростью 10-15 град/ мин [8, 9]. Охлаждение на второй ступени рекомендуется проводить в аппарате с регулируемыми параметрами охлаждения.

В работах [9-11] проведен тепловой и гидравлический расчет вышеуказанных аппаратов, который подтвердил возможность реализации в них предлагаемого режима охлаждения.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в работах [3, 4, 12] позволяет сформулировать основные условия проведения процесса кристаллизации лактозы на второй ступени охлаждения:

скорость охлаждения продукта должна быть соотнесена с параметрами межкристального раствора: массовой долей сухих веществ, лактозы и кристаллов;

скорость охлаждения должна опережать скорость кристаллизации лактозы.

В соответствии с первым условием для расчета скорости охлаждения прежде всего необходимо знать концентрационную зависимость состава пересыщенного раствора от температуры.

На основе данных о растворимости лактозы в воде ^"‘, а также с учетом коэффициентов насыщения Кн и пересыщения Кпер предложена эмпирическая зависимость концентрации пересыщенного раствора лактозы Нt от температуры t [6]:

Н, =H„.KW.K„=(0,1325 + 6,75-10^.1 + 1,14.10^.(=).К„.к.,

, (1)

Поскольку изменение температуры происходит во времени, поэтому эмпирическая зависимость (1) является неявной функцией продолжительности охлаждения Ţ.

С учетом этого скорость изменения концентрации пересыщенного раствора составит:

^ = А', "  К(б,75 ■ IO¹ + 2,28 - IO ' - f)-^ ,

, (2)

dt где - скорость охлаждения, которую обозначим через W.

dH

Скорость изменения концентрации пересыщенного раствора может быть выражена через скорость кристаллизации U, состав жидкой фазы кристаллизата и площадь поверхности кристаллов F в 100 кг кристаллизата:

dH _      1OO I I

, (3)

где U – скорость кристаллизации, кг /(м2·час);

CBt - массовая доля сухих веществ в жидкой фазе по интервалам температур, %;

Kt - массовая доля кристаллов по интервалам температур, %;

F – площадь поверхности кристаллов, м2.

Из уравнений (2) и (3) была получена зависимость для определения скорости охлаждения раствора, причем произведение величины скорости массовой кристаллизации U на площадь поверхности F - это усредненная величина скорости кристаллизации dM/dT, которая рассчитывалась методом графического дифференцирования кинетических кривых [4]:

_               Z 100 dM/dT

, (4)

Поскольку скорость охлаждения должна опережать скорость кристаллизации лактозы, был введен эмпирический коэффициент Z, учитывающий соотношение скоростей охлаждения и кристаллизации.

Коэффициент Z был определен опытным путем и аппроксимирован уравнением для диапазона температур (20-60 ºС) при коэффициенте корреляции (R=0,98):

Z= -0,0026∙t3 + 0,2122∙t2 - 5,8241∙t + 53,229 , (5)

По уравнению (4) была рассчитана скорость охлаждения, а затем продолжи- тельность охлаждения для заданных интервалов температур:

∆ t ∆τ =

W t

, (6)

По приведенным выше уравнениям выполнены расчеты, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Параметры кристаллизата, скорость и продолжительность охлаждения по интервалам температур, при K пер = 1,5, t у.к = 38°С, К н =0,9

t, °С	Ht, кг/кг	Kt %	Wt град/мин	Δτ мин
1	2	3	4	5
40	0,4515	-0,73	0	0,00
39	0,4383	-0,31	0	0,00
38	0,4255	0,10	0,6759	1,48
37	0,4129	0,50	1,7349	0,58
36	0,4007	0,89	2,2252	0,45
35	0,3888	1,27	2,4634	0,41
34	0,3772	1,64	2,5530	0,39
33	0,3659	2,00	2,5487	0,39
32	0,3550	2,36	2,4839	0,40
31	0,3443	2,70	2,3809	0,42
30	0,3340	3,03	2,2548	0,44
29	0,3240	3,35	2,1162	0,47
28	0,3143	3,66	1,9723	0,51
27	0,3049	3,96	1,8282	0,55
26	0,2958	4,25	1,6875	0,59
25	0,2871	4,53	1,5523	0,64
24	0,2787	4,80	1,4243	0,70
23	0,2706	5,06	1,3042	0,77
22	0,2628	5,31	1,1925	0,84
21	0,2553	5,55	1,0892	0,92
20	0,2481	5,77	0,9944	1,01

Итого                                                               11,96

Пример разработанного режима охлаждения (по данным таблицы 1) представлен на диаграмме состояния (рисунок 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния для водных растворов лактозы: АВ – линия насыщения; MN – граница метастабильности;

СD – изменение температуры на первой ступени охлаждения; DE – изменение температуры на второй ступени охлаждения

Как следует из рисунка 1, продукт при температуре выше 50 °С находится в ненасыщенном состоянии. При 50 °С раствор достигает состояния насыщения (точка F), а затем в точке D – температуры усиленной кристаллизации (tу.к.). Быстрое охлаждение на первой ступени со скоростью 5-15 град/мин до температуры усиленной кристаллизации приводит к значительному росту пересыщения (точка D), а, следовательно, обеспечивает массовое зарождение большого количества центров кристаллизации.

Затем на второй ступени охлаждение следует вести таким образом, чтобы поддерживать постоянное снятие пересыщения. Создание таких условий возможно за счет регулирования скорости охлаждения. Скорость охлаждения рассчитывается по уравнению (4). Как следует из этого уравнения, она зависит от параметров межкристального раствора, массы кристаллов, а главное, от скорости кристаллизации. Поскольку, скорость кристаллизации уменьшается при понижении температуры, то и охлаждение на второй ступени следует вести с падающей скоростью.

Разработанный двухступенчатый способ охлаждения моделировался в лабораторных условиях в сравнении с традиционным способом охлаждения, рекомендованным технологической инструкцией [13], и дал положительные результаты, которые послужили основанием для разработки промышленного способа.

Промышленная апробация двухступенчатого способа охлаждения проводилась на ФГУП «Учебно-опытный молочный завод ВГМХА им. Н.В. Верещагина». Для проведения апробации был использован скребковый пластинчатый охладитель и емкости с рубашкой и мешалкой. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики гранулометрического состава кристаллов лактозы

Способ охлаждения	Средний размер кристаллов лактозы, мкм	Коэффициент однородности
Традиционный способ охлаждения	5,72	0,77
Двухступенчатый способ охлаждения	4,50	0,82

Как следует из таблицы 2, при реализации предложенного двухступенчатого способа охлаждения образуются более мелкие и равномерные кристаллы, продолжительность процесса сокращается на 65 %. Экономические затраты на осуществление двухступенчатого способа охлаждения на 10 % ниже чем при традиционном способе охлаждения в вакуум-охладителях [9].

Выводы

Предложен двухступенчатый температурный режим охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом, согласно которому охлаждение на первой ступени осуществляется со скоростью 5-15 град/мин, а затем на второй ступени после внесения затравки охлаждение осуществляют с падающей скоростью.

В результате проведенной опытно-промышленной проверки было установлено, что двухступенчатый способ охлаждения позволяет улучшить качество готовой продукции, по сравнению с традиционным, за счет снижения среднего линейного размера кристаллов лактозы и увеличения коэффициента однородности, что также подтверждает органолептическая оценка.