Совершенствование техники и технологии производства сливочного масла методом непрерывного сбивания сливок

Выработка сливочного масла – сложный физико-химический процесс, основой которого является выделение молочного жира из сливок в виде жирового концентрата, равномерное распределение его компонентов и пластификация.

В России существует два метода производства сливочного масла – сбивание сливок (СС) и преобразование высокожирных сливок (ПВЖС). Каждый из этих методов обладает присущими ему достоинствами и недостатками.

Эталоном по органолептическим, структурно-механическим и потребительским свойствам считается масло, выработанное методом сбивания. Однако по ряду показателей (содержание воздуха, распределение влаги и др.) масло, выработанное поточным методом, превосходит масло, выработанное сбиванием. При этом метод преобразования высокожирных сливок обладает очень важным для производственников качеством – он поточен, чего нельзя сказать о методе сбивания, так как в его технологии существует такая операция, как физическое созревание сливок.

Длительная выдержка охлажденных сливок, практикуемая при подготовке их к сбиванию, усложняет и удлиняет производственный процесс получения сливочного масла из-за необходимости значительного количества емкостей и производственных площадей, повышения трудовых и энергетических затрат. Производственный цикл при этом осуществляется практически в течение суток. Наиболее рациональным оформлением процесса производства продукта является его поточность, непрерывность, позволяющая полностью механизировать и автоматизировать технологические операции [1].

О возможности сокращения процесса созревания сливок и выполнения этой технологической операции в потоке впервые было доказано в работах В.И. Сирика и М.М. Казанского [2, 3]. Производственные испытания показали, что лучшие результаты по степени отвердевания жира перед сбиванием и его использования в процессе сбивания получаются при охлаждении сливок на охладителе до 3-4 °С и обработке в сливкоподготовителе при 4-5 °С [3].

Интересные исследования по этой тематике несколько позднее были выполнены еще многими советскими учеными.

Н.И. Козин рекомендовал использовать в качестве поточного сливкоподгото-вителя коллоидную мельницу [4]. Сливки, охлажденные до температуры 0-1,5 °С, сразу подаются в коллоидную мельницу. Зазор в мельнице регулируется в зависимости от жирности сливок: при жирности 25-35 % он должен составлять 0,25-0,50 мм. После коллоидной мельницы сливки с температурой 6-7 °С направляли в маслоизготовитель.

Оригинальная схема решения вопроса поточного созревания сливок была предложена во ВНИИМСе (Ф.А. Вышемирский и др.) с охлаждением сливок до 2-4 °С в мелкодисперсном состоянии (размер частиц 0,15 мм) в атмосфере паров азота [1, 5, 6].

Таким образом, большинство исследователей приходят к заключению о возможности сокращения длительной выдержки сливок при созревании и осуществления этой операции в потоке. Поточный метод подготовки сливок особенно перспективен при использовании маслоизготовителей непрерывного действия. Особенностью поточного способа подготовки сливок к сбиванию является быстрое охлаждение сливок до сравнительно низкой положительной температуры, определенная механическая обработка охлажденных сливок, последующий подогрев до температуры сбивания и термостатирование при этих условиях до 30 минут.

Однако, до настоящего времени ни один из рекомендованных режимов ускоренной низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию не получил широкого распространения по различным причинам: отсутствие технического решения, сложности использования, не законченности работ и др.

Актуальность и недостаточная научная разработанность технологии ускоренного способа созревания сливок при производстве масла методом сбивания послужили причиной проведения исследований по разработке двухстадийного ускоренного способа созревания сливок с использованием вакуум-камеры.

Способ подготовки сливок к сбиванию при охлаждении их в условиях вакуума предложил Ю.Н. Кузьмин [7]. Сливки жирностью 35-50 % после пастеризации подают в вакуум-камеру, где поддерживается остаточное давление 533-666 Па. Происходит бурное взрывообразное вскипание воды, что приводит к распылива-нию сливок до мелкодисперсного состояния. Последующее интенсивное испарение обуславливает практически мгновенное охлаждение частиц сливок до 1-5 °С, то есть до температуры массовой кристаллизации жира. При таком способе охлаждения образуется большое количество центров кристаллизации глицеридов, что обеспечивает высокую степень отвердевания жира в каждом жировом шарике. Процесс маслообразования при сбивании сливок, подготовленных предложенным способом, моделируется не полностью. Масло имеет сниженную оценку по консистенции, а отход жира в пахту – повышен. Следует также отметить, что указанная работа предусматривала в основном изучение устойчивости распыливания сливок и аппаратурное оформление процесса. Изменения физико-химических свойств сливок, молочного жира и особенности технологического процесса изучены недостаточно [1].

Суть усовершенствованного способа созревания сливок сводится к двухстадийному их охлаждению путем распыливания в вакуум-камере на первой стадии, с последующим доохлаждением в скребковом теплообменнике на второй.

При подготовке сливок к сбиванию с использованием распыливания в вакууме условия их охлаждения принципиально отличаются от условий ранее известных термомеханических способов физического созревания. Вследствие того, что продукт подается на распыливание с температурой значительно превышающей температуру кипения при создаваемом разрежении, а также из-за большой поверхности испарения, полученной при диспергировании, происходит интенсивное испарение части влаги, и, как следствие, почти мгновенное охлаждение продукта до температуры, соответствующей заданному разрежению.

Мгновенное охлаждение диспергированного продукта и значительное гидродинамическое воздействие на него, создает предпосылки для интенсивного образования зародышей кристаллов молочного жира в замкнутом объёме каждой образовавшейся капли, что накладывает определённые условия на процессы кристаллизации глицеридов молочного жира, связанные, прежде всего, с ограниченным объёмом отдельно взятой капли, и, следовательно, определённым, ограниченным количеством молочного жира, регламентирующим предельно возможное количество и размер зародышей масляных зерен. Такой процесс кристаллизации позволяет получить в охлажденном до заданной температуры продукте кристаллы молочного жира с высоким коэффициентом однородности.

Работу выполняли на кафедре технологического оборудования ФГБОУ ВО Вологодская ГМХА в период с апреля 2014 по август 2015 года.

Сливки получали непосредственно при сепарировании молока на ОАО «УОМЗ»

ВГМХА». Жирность сливок – 35 %, кислотность – 15 ºТ.

Для выполнения опытов использовали специальную пилотную установку, смонтированную в экспериментальном цехе учебно-опытного завода (рис. 1).

Рис. 1 Пилотная установка

В результате проведенных исследований установлено:

• -    при распыливании сливок через струйную форсунку в условиях вакуума происходит кристаллизация молочного жира. За промежуток времени нахождения капли в камере изменение температуры, обусловленное нестационарной теплопроводностью, практически отсутствует, а также не изменяется температура в центре и на поверхности первичного элемента и компактного участка струи в связи с малым временем их существования. Из этого следует, что охлаждение продукта происходит за счет удаления воды в процессе ее вскипания. При остаточном давлении в камере 0,002 МПа расчетная температура кипения сливок в вакууме с учетом температурной депрессии, связанной с содержанием сухих веществ, составляет 25 ºС, что соответствует экспериментальным данным, и не зависит от начальной температуры сливок. При этом следует отметить, что с увеличением начальной температуры увеличивается расстояние от среза форсунки, необходимое для получения конечной температуры, что отчетливо видно на представленном графике (рис. 2). Следовательно, охлаждение обусловлено вскипанием воды, содержащейся в продукте, при заданном остаточном давлении в камере.

Рис. 2 Изменение температуры продукта в зависимости от расстояния до среза форсунки при распыливании

• -    с увеличением глубины охлаждения сливок увеличивается количество отвердевшего жира (табл. 1).

Таблица 1. Влияние глубины охлаждения сливок на степень отвердевания в них жира

№ варианта	Интервал температур, ºС	Среднее количество твердого жира в сливках, %
1	(25-12)	44,2 ± 2,37
2	(25-10)	50,9 ± 2,74
3	(25-8)	57,7 ± 3,25
4	(25-6)	64,5 ± 3,45
5	(25-4)	71,3 ± 2,47
К (традиционное созревание)	(98-4)	42,7 ± 3,53

Разница по этому показателю в вариантах 1 и 5 достигает значительной величины 27,1 %. При охлаждении сливок до температуры 12 ºС степень отвердевания жира составляет 44,2 %. По данным Г.В. Твердохлеб [8] устойчивый процесс сбивания сливок осуществляется при содержании отвердевшего жира в них не менее 35 %. Следовательно, предлагаемый способ подготовки сливок является эффективным (степень отвердевания жира в сливках, подготовленных новым способом, составляет от 44,2 % до 71,3 %, а контрольных, подготовленных традиционным способом – 42,7 %), и позволяет исключить подогрев сливок до температуры сбивания 11–14 ºС.

Увеличение степени отвердевания жира в сливках при охлаждении их в диапазоне температур 10-4 ºС можно объяснить тем, что при этих условиях в кристаллизацию вовлекаются низкоплавкие группы триглицеридов.

Перемешивание сливок обусловливает некоторое увеличение степени отвердевания жира (9,0–11,0 %) (рис. 3) и с понижением температуры интенсификация обработки сливок максимально увеличивает степень отвердевания молочного жира. Объясняется это быстрым наступлением теплового равновесия между составными частями сливок и образованием стабильных β’ и β модификаций молочного жира, что и подтверждается проведенным рентгеноструктурным анализом (рис 4).

На рис. 4 представлен рентгеновский спектр образца сливок в области малых межплоскостных расстояний, на котором видно два максимума, отвечающих межплоскостным расстояниям 0,38 нм и 0,42 (0,43) нм, с преобладанием интенсивности второго максимума. Такое сочетание максимумов (согласно системе Е. Латтона) характеризует β’ модификацию, а уступ и ассиметричное расширение в области 0,46 нм может свидетельствовать о наличии мельчайших центров кристаллизации β модификации.

• 12°С ■ 10°С * 8°С    6°С * 4°С

Рис. 3 Изменение степени отвердевания молочного жира в зависимости от частоты вращения рабочих органов роторно-пульсационного аппарата

Рис. 4 Рентгеновский спектр сливок с температурой 12 ºС в области малых межплоскостных расстояний

Сливочное масло, исследованное методом дифференциальной сканирующей калориметрии, экзотермических пиков, соответствующих протеканию процессов с выделением теплоты, не имеет. На термограмме (рис. 5) присутствует четкий эндотермический пик с максимумом при температуре минус 1,5 °С, обусловленный плавлением плазмы. По интенсивности данный пик сопоставим с аналогичным пиком термограммы сливочного масла, полученного при сбивании сливок, созревание которых проводили традиционным способом (рис. 6), однако имеет место более выраженный, «узкий» характер: в контрольном образце началу данного пика соответствует температура порядка минус 12,9 °С и пик более размыт, тогда как для экспериментального образца начало плавления отмечено температурой около минус 3,9 °С.

Рис. 5 ДСК-термограмма экспериментального образца

Рис. 6 ДСК-термограмма контрольного образца

Также характерным отличием экспериментального образца является более выраженный пик, соответствующий легкоплавким глицеридам (максимум приходится на температуру около 11,3 °С). Аналогично контрольному образцу на термограмме присутствуют незначительные по интенсивности и весьма размытые пики, соответствующие глицеридам с температурой плавления около 22,3 °С и 28,2 °С.

В экспериментальном образце преобладают также высокоплавкие глицериды, идентифицированные наиболее интенсивным пиком с максимумом при температуре 38,8 °С (начало пика около 34,0 °С). Содержание данной тугоплавкой группы глицеридов выше, чем в контрольном образце, что подтверждается большей интенсивностью пика (-0,35 мВт/мг против -0,27мВт/мг).

Принципиальных различий в характере кристаллизации глицеридов как в случае после быстрого охлаждения сливок путем распыливания их в вакууме, с дальнейшим доохлаждением в скребковом теплообменнике, так и при обычном способе их физического созревания и образовании ими полиморфных модификаций с различным характером построения кристаллической структуры нет.

В результате рентгеновских исследований масла в экспериментальном образце (рис. 7). в отличие от контрольного (рис. 8) наряду с β’-модификацией, отчетливо проявилась и β-модификация, о чем свидетельствует четкий максимум 0,46 нм.

В области больших интервалов у обоих образцов зафиксированы рефлексы (различного порядка n), соответствующие одному межплоскостному расстоянию 4,1 (4,2 нм), что свидетельствует о наличии в образцах кристаллической структуры с двойной длиной цепи (ДДЦ).

Угол скольжения, град

Рис.7 Рентгеновский спектр экспериментального образца сливочного масла при температурах 4±2 ºС (красная линия) и 15 ºС (синяя линия)

Угол скольжения, град

Рис. 8 Рентгеновский спектр контрольного образца сливочного масла при температурах 4±2 ºС (красная линия) и 15 ºС (синяя линия)

Таким образом, полученные данные подтверждают целесообразность использования поточного двухстадийного физического созревания сливок перед сбиванием с применением распыливания сливок через струйную форсунку в условиях вакуума на первой стадии и доохлаждением их в скребковом теплообменнике на второй стадии.