11.2. Преобразование высокожирных сливок в масло
Процесс преобразования высокожирных сливок в масло осуществляется в маслообразователях непрерывного действия путем одновременного охлаждения и механической обработки сливок в тонком слое.
В промышленности используют маслообразователи цилиндрические Т1-ОМ-2Т и Т1-ОМ-ЗТ и пластинчатые РЗ-ОУА-1000 и Я5-ОУБ-2000.
Для получения масла термоустойчивой консистенции необходимо учитывать сезонные изменения химического состава молочного жира.
Цилиндрический маслообразователь
В маслообразователе должно быть обеспечено быстрое, равномерное охлаждение высокожирных сливок до оптимальных температур, для этого необходима равномерная подача высокожирных сливок в маслообразователь при постоянной температуре, отсутствие подсбивания сливок и подсосов воздуха на нагнетательной линии, хорошее прилегание ножей к охлаждающей поверхности цилиндров, достаточная циркуляция рассола и оптимальная температура в аппарате (рис. 49).
Рис. 49.
Маслообразователь трехцилиндровый ТОМ-2М:
1 - кран для выпуска масла; 2 - нож; 3 - кран
воздушный; 4 - место для термометра
сопротивления; 5 - кран для возврата масла в
ванну; 6 - крышка; 7 - передний фланец; 8 -
рабочий цилиндр; 9 - наружная обечайка; 10 -
защитный кожух; 11 - вытеснительный барабан;
12 - задний фланец; 13 - редуктор; 14 -
электродвигатель
Нормализованные сливки подаются в первый (нижний) цилиндр маслообразователя. Не рекомендуется использовать для подачи сливок центробежный насос, так как он способствует подсбиванию сливок в комочки жира, что нарушает нормальный процесс маслообразования. Д.М.Шнайдер рекомендовал подавать сливки шестеренчатым насосом с установкой его на нагнетательной линии обратной трубы, соединенной с днищем ванны. Благодаря этому сливки, прежде чем попасть в маслообразователь, неоднократно возвращаются в ванну. При этом насос играет роль гомогенизатора, дробящего жировые шарики на мелкие, выравнивая степень их дисперсности. Это обусловливает ускоренное и равномерное отвердевание жира во всех шариках. На нагнетательной линии устанавливается предохранительный клапан, препятствующий поступлению высокожирных сливок в маслообразователь с давлением выше рекомендуемого (табл. 45).
Таблица 45
Цилиндрический маслообразователь состоит из трех последовательно сообщающихся цилиндров с рубашками, куда подается рассол с температурой -2...-7 °С в зависимости от производительности маслообразователя и времени года. В каждом цилиндре вращается мешалка в виде полого цилиндра со скоростью 150-180 оборотов в минуту. На поверхности мешалки напаяна по спирали узкая лента, которая способствует перемешиванию и продвижению высокожирных сливок. На барабане-мешалке закреплены два откидывающихся при вращении плоских ножа, которые снимают с внутренней охлажденной поверхности цилиндра отвердевший слой сливок. Он смешивается с неохлажденными сливками, снижая постепенно их температуру до 18-22 °С, что соответствует температуре массового отвердевания высокоплавких глицеридов. Затем сливки постепенно передвигаются в средний и верхний цилиндры маслообразователя. В среднем цилиндре температура сливок снижается до 13-15 °С, здесь происходит наиболее интенсивное отвердевание глицеридов жира с включением большого объема среднеплавких глицеридов. В третьем верхнем цилиндре температура смеси может измениться на 1-2 °С, в нем продолжаются процессы маслообразования при перемешивании. Из третьего цилиндра масло густой струей вытекает в ящик для фасовки, где быстро затвердевает. Его разравнивают по мере вытекания деревянной лопаточкой, образование горки может привести к неравномерному затвердеванию и получению слоистого по консистенции масла.
Параметры производства масла в цилиндрическом маслооб-разователе устанавливают в зависимости от химического состава жира и времени года (см. табл. 45). Для получения масла с хорошими показателями консистенции продолжительность обработки продукта в зоне кристаллизации должна составлять в весенне-летнее время 140-160, а в осенне-зимнее - 180-200 секунд. Более длительное перемешивание ведет к образованию излишне мягкой, нетермоустойчивой консистенции продукта. В этом случае следует увеличить подачу высокожирных сливок в аппарат или уменьшить подачу рассола в рубашку маслообразователя. При этом температура масла на выходе возрастает на 1-2 °С и оно приобретает более твердую консистенцию. И наоборот, при получении масла излишне твердой консистенции необходимо уменьшить производительность маслообразователя, уменьшив подачу высокожирных сливок в аппарат, и снизить температуру на выходе масла.
Масло должно хорошо растекаться по ящику, иметь блестящую глянцевую поверхность, температура его при затвердевании должна повыситься в ящике не более чем на 2 °С за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Взятая на лопатку проба масла должна застывать не менее чем за 40 секунд. Если оно не застывает более продолжительное время (60-100 с) и температура в ящике почти не повышается, значит, масло переработанное, излишне долго находилось в аппарате, его консистенция будет излишне мягкой, нетермоустойчивой.
Преобразование высокожирных сливок в масло в маслообразователе является сложным физико-химическим процессом, не до конца изученным. Однако на основании уже полученных знаний он регулируем с получением термоустойчивой консистенции.
Механизм маслообразования можно представить следующим образом.
В высокожирных сливках достигнута максимальная концентрация и сближение жировых шариков. Они очень плотно упакованы - между крупными и средними располагаются более мелкие. Они настолько прижаты друг к другу, что даже в какой-то мере нарушены их глобулярные формы. Между жировыми шариками образуется очень тонкая адсорбционно-гидратная прослойка. Несмотря на максимальное сближение поверхностей жировых шариков, самопроизвольного разрушения их липопротеиновых оболочек не происходит, пока они пребывают при температуре выше точек отвердевания молочного жира и пока сохраняются прочные структурные связи между глицеридным ядром и оболочкой. Высокожирные сливки сохраняют свойства высококонцентрированных эмульсий прямого типа, обладая коагуляционной структурой.
Процессы обращения фаз и образования первичной структуры масла проходят в маслообразователях при охлаждении и перемешивании сливок в тонком слое. Интенсивность этих процессов возрастает с повышением скорости охлаждения и интенсивности перемешивания высокожирных сливок.
В маслообразователе охлаждение и перемешивание сливок проходит одновременно с обращением фаз. Устойчивость оболочек жировых шариков резко снижается при кристаллизации глицеридов в жировом ядре. Охлаждение и механическая обработка высокожирных сливок в маслообразователе происходят одновременно, поэтому процесс кристаллизации глицеридов ускоряется.
При соприкосновении тонкого слоя сливок с очень холодной стенкой маслообразователя (-2...-7 °С) они быстро охлаждаются и образуют на ней затвердевший слой. При таком быстром охлаждении возникает большое число центров кристаллизации внутри жировых шариков, возникают предпосылки для образования смешанных кристаллов. Отвердевают верхние слои глицеридного ядра. При отвердевании образуются в основном две дифференцированные группы глицеридов: легкоплавкая (максимум плавления 14 °С) и высокоплавкая (максимум плавления 29,7 °С) со значительным превалированием первой. Такое отвердевание глицеридов вызывает структурные изменения в глицеридном ядре и оболочке, резко снижается ее устойчивость, и она разрушается. Этому способствуют также быстрое охлаждение и более низкая температуропроводимость глицеридного ядра и меньшая сжимаемость по сравнению с его липопротеиновой оболочкой. Поэтому вещество оболочки сжимается быстрее, чем глицеридное ядро, отчего на оболочке могут образоваться трещины.
Силы трения, возникающие между плотно упакованными шариками, напряжение внутри них вследствие кристаллизации глицеридов способствуют выжиманию через трещины и гидрофо-бизированные участки оболочек жидкого жира с повышенным содержанием легкоплавких глицеридов. Жидкий жир способствует образованию агрегатов жировых шариков и частично отвердевшего жира. Трение, возникающее в плотно упакованной системе жировых шариков, трещины на их оболочках приводят к разрушению оболочек и дестабилизации дисперсии высокожирных сливок.
Снятые ножами охлажденные затвердевшие слои дестабилизированных высокожирных сливок, в которых в значительной степени прошли обращение фаз и агрегация, перемешиваются и нагреваются. При этом большая часть легкоплавкого отвердевшего жира расплавляется. Жидкий жир, выделенный из дестабилизированных жировых шариков и при частичном расплавлении отвердевшего жира, вновь образует эмульсию.
В процессе термомеханической обработки высокожирных сливок образуется два типа эмульсий: прямая - молочный жир в плазме сливок - и обратная - плазма сливок в молочном жире. Вначале преобладает первый тип эмульсий, по мере охлаждения, механической обработки и прохождения обращения фаз они уравновешиваются, в конце маслообразования вторая практически остается единственной и преобразуется в сложную систему, в которой непрерывной средой является жидкий жир, а фазами - кристаллический и отвердевший жир, капельки плазмы и воздушные пузырьки.
Так многократное перемешивание резко охлажденных пристенных сливок с теплыми приводит к снижению температуры всей массы в рабочем объеме нижнего цилиндра маслообразователя до 18-22 °С, что способствует массовому образованию центров кристаллизации преимущественно из высокоплавких глицеридов.
Поскольку отвердевание происходит в условиях перемешивания, то в отвердевшие группы включаются, помимо высокоплавких, среднеплавкие и частично легкоплавкие глицериды. Пристенные слои сливок с большим числом центров кристаллизации, перемешиваясь с остальной массой, играют роль затравки и тем самым ускоряют процессы отвердевания. Наступает критический момент лавинной дестабилизации оболочек жировых шариков, и происходит обращение фаз, что наиболее интенсивно проходит при температуре от 18 до 22 °С.
В получении масла хорошей консистенции решающую роль играет не общее механическое воздействие на высокожирные сливки в маслообразователе, а продолжительность их перемешивания в зоне кристаллизации. Период до достижения температуры ниже точек массовой кристаллизации в объеме высокожирных сливок можно условно назвать зоной охлаждения, а период после - зоной кристаллизации или отвердевания глицеридов. Но надо учитывать, что это весьма условные обозначения, так как процессы кристаллизации в пристенном слое протекают с первых мгновений поступления сливок в маслообразователь. Именно в зоне кристаллизации регулируется структура и консистенция масла.
Процесс маслообразования в маслообразователе связан с образованием структур кристаллизационного и коагуляционного типа. Кристаллизационная структура представляет собой жесткий каркас из сросшихся кристаллов. Такая структура необратимо разрушается при механическом воздействии. Коагуляционная структура - мелкокристаллические образования, соединенные слабыми и подвижными связями. После разрушения она имеет хорошую восстанавливаемость, обладает тиксотропными свойствами.
Масло хорошей пластичной, достаточно термоустойчивой консистенции обладает коагуляционно-кристаллизационной структурой с преобладанием коагуляционной.
Чем быстрее сливки достигают зоны кристаллизации, чем ниже температура и чем дольше они обрабатываются в этой зоне, тем больше образуется центров кристаллизации, тем больше отвердевает глицеридов жира, тем мельче будут кристаллические образования, тем благоприятнее условия для образования в регулируемых условиях структуры коагуляционного типа и пластичной консистенции масла.
При обращении фаз жидкий жир образует непрерывную среду. Адсорбционно-гидратные прослойки под действием поверхностных сил натяжения образуют мелкие капельки плазмы, которые распределяются в жидком жире наряду с кристаллами и кристаллитами жира. В капельки плазмы могут включаться отдельные жировые шарики с неразрушенными оболочками.
Таким образом, процессы дестабилизации жировой дисперсии и эмульгирования жидкого жира, кристаллизация глицеридов в жировых шариках и из расплава молочного жира в объеме перемешиваемой массы проходят одновременно. Сначала при повышенных температурах в сливках кристаллизация происходит преимущественно в пристенном слое и в основном в жировых шариках, а при снижении температуры сливок до точки отвердевания высокоплавких групп глицеридов (18-20 °С) и среднеплавких (12-15 °С) кристаллизация нарастает в объеме и после обращения фаз преимущественно проходит из расплава жира.
Отвердевание глицеридов в пристенном слое проходит с преобладанием легкоплавких групп в альфа-полиморфной форме, а при перемешивании часть ее (альфа-3) расплавляется, а другая часть (альфа-2) быстро превращается в более стабильную бета'-форму.
Во втором цилиндре при температуре 11-13 °С наиболее интенсивно проходят процессы отвердевания жира с выделением значительного количества тепла, кристаллизация глицеридов жира - процесс экзотермический. Поэтому необходимо особенно интенсивно охлаждать второй цилиндр, а также контролировать температуру и количество подаваемого рассола.
В третьем цилиндре, где отвердевание, полиморфные и другие фазовые изменения глицеридов молочного жира проходят особенно активно, вязкость сливок резко повышается. На перемешивание таких сливок затрачивается большая механическая энергия. При этом выделяется значительное количество теплоты, и если не обеспечить ее своевременного отвода, то температура продукта повысится на 3-4 °С. В то же время высокая вязкость препятствует интенсивному прохождению фазовых изменений глицеридов жира и структурообразованию масла. Чтобы уменьшить вязкость системы, в третий цилиндр подают утепленный рассол со второго цилиндра или ледяную воду.
Параметры термомеханической обработки кристаллизующейся массы определяют полноту обращения фаз, фазовое состояние и характер образования первичной структуры масла по выходе из маслообразователя. Характер первичного структурообразования в маслообразователе регулируется температурными режимами, интенсивностью и продолжительностью термомеханической обработки высокожирных сливок в маслообразователе с учетом химического состава жира (см. табл. 45).
От завершенности процессов отвердевания и других фазовых изменений глицеридов, от структурообразования зависит формирование вторичной структуры масла после выхода его из маслообразователя.
Масло на выходе из маслообразователя имеет консистенцию густой текучей массы коагуляционной структуры. В нем содержится около 12 % твердого и кристаллического жира в виде зародышей средне- и высокоплавких глицеридов, мелкокристаллической массы (кристаллы и кристаллиты). Вытекая в ящик, оно быстро затвердевает благодаря бурно протекающим процессам группового отвердевания глицеридов на базе имеющихся зародышевых кристаллов. При этом выделяется большое количество тепла, и температура масла повышается на 0,5-2,0 °С. Повышение температуры более чем на 2 °С указывает на ошибочный выбор в избрании режимов маслообразования, на недостаточное отвердевание глицеридов жира в маслообразователе.
С повышением температуры и продолжительности обработки сливок в зоне кристаллизации уменьшается образование центров кристаллизации глицеридов жира, и формирование структуры масла проходит после его выхода из аппарата в условиях покоя и медленного охлаждения монолита масла с образованием крупных срастающихся друг с другом многослойных кристаллов и кристаллитов. Возникают условия для возникновения кристаллизационной структуры, которая будет превалировать в масле над коагуляционной. Это обусловливает формирование той или иной выраженности пороков консистенции: крошливости, излишней твердости масла при пониженных температурах (5-7 °С) и нетермоустойчивости при температурах выше 17 °С, когда масло теряет форму и расплывается; при этом может выделиться ярко-желтого цвета жидкий жир.