Масложировая промышленность

Низкотемпературная подготовка сливок для производства сливочного масла (физическое созревание)

В этой статье:

Низкотемпературная подготовка сливок является одной из операций технологического процесса производства сливочного масла, во время которой осуществляется формирование структуры и консистенции масла – образование кристаллических структур из смешанных кристаллов глицеридов в жировых шариках, отвердевание жировых шариков.

В результате отвердевания жировых шариков сливки из эмульсии превращаются в суспензию, содержащую твердый и жидкий жир в равновесном состоянии. Равновесное состояние наступает после отвердевания не сразу. Чтобы обеспечить равновесное состояние между твердым и жидким жиром при отвердевании жирового шарика до начала сбивания, сливки выдерживают (физическое состояние сливок).

При низкотемпературной подготовке сливки после пастеризации немедленно охлаждают в потоке до температуры отвердевания молочного жира, при которой происходит кристаллизация глицеридов (выделение твердой фазы, отвердевание глицеридов). Затем сливки выдерживают (термостатируют) при различных режимах.

Жировые шарики, отвердевшие во время физического созревания, приобретают способность к слипанию (агрегации) во время сбивания сливок и могут быть выделены из плазмы сливок в виде масляного зерна.

Во время физического созревания сливок часть жидкого жира переходит в твердое состояние. Отношение количества отвердевшего жира к его первоначальному количеству (выраженное в процентах) принято называть степенью отвердевания жира. Эта величина указывает, какое количество жидкого жира перешло в твердое состояние в результате фазовых превращений.

Степень отвердевания молочного жира имеет важное значение при сбивании сливок и последующей механической обработке масляного зерна. Сливки после низкотемпературной подготовки должны содержать около 30 % отвердевшего жира, не расплавляющегося при температуре выше 20 °С.

Низкотемпературная подготовка сливок связана с фазовыми превращениями молочного жира. К фазовым превращениям относится совокупность процессов, происходящих при охлаждении жидкого молочного жира или при его нагревании. К этим процессам также относятся кристаллизация глицеридов в молочном жире с образованием смешанных кристаллов в различных формах, полиморфные превращения, перераспределение триглицеридов между смешанными кристаллами, плавление отвердевшего жира при нагревании. Фазовые превращения в значительной степени определяют эффективность сбивания сливок, консистенцию сливочного масла.

Кристаллизация – сложный экзотермический процесс, сопровождающийся выделением теплоты. При охлаждении молочного жира, полученного из молока весной, летом и осенью в изотермических условиях при температуре 0, 5, 10, 20, 25 °С, выделяется теплота в количестве 1–5 кал/г.

Жировые шарики отвердевают в результате кристаллизации охлажденных глицеридов, формирования кристаллических структур в молочном жире.

Особенности кристаллизации глицеридов в молочном жире

Молочный жир более чем на 90 % состоит из триглицеридов, которые включают в себя высокоплавкие, среднеплавкие и низкоплавкие глицериды.

Склонность глицеридов к переохлаждению

При охлаждении молочный жир становится переохлажденным по отношению к некоторым триглицеридам, и последние выделяются из расплава (отвердевают) последовательно, в соответствии с их растворимостью в более низкоплавких глицеридах и пресыщением; вначале выкристаллизовываются высокоплавкие, а затем – средние и низкоплавкие глицериды.

Выделение триглицеридов из расплава (кристаллизация) наступает только после значительного переохлаждения

Низкотемпературная подготовка сливок для производства сливочного масла (физическое созревание)

где Тпл – температура плавления триглицеридов; Т – температура выделения триглицерида.

Склонность триглицеридов к переохлаждению снижается по мере уменьшения длины углеводородных цепей кислотных радикалов.

Переохлаждение может быть устойчивым и неустойчивым. Область устойчивого переохлаждения ограничена температурой плавления и отвердевания молочного жира и достигает 15–20 °С при одной и той же скорости охлаждения. Область неустойчивого переохлаждения начинается после достижения триглицеридами температуры их выделения из расплава молочного жира.

Переохлаждение наступает раньше для глицеридов с большой длиной углеводородной цепи и высокой температурой плавления, они кристаллизуются при более высокой температуре, чем низкоплавкие. В пределах одной и той же температурной зоны возможна кристаллизация глицеридов с различными температурами плавления.

Наличие двух стадий процесса кристаллизации триглицеридов в молочном жире

При кристаллизации триглицеридов на первой стадии возникают центры кристаллизации (нуклеация), на второй – последующий рост кристаллов. Скорость образования центров кристаллизации увеличивается при понижении температуры до 2 °С, затем уменьшается (по теории Х. Мульдера).

Оптимальные условия для скорости роста кристаллов находятся при более высоких температурах, когда вязкость расплава становится меньше. В области более низких температур при значительном переохлаждении образуются центры кристаллизации. Максимальная скорость роста кристаллов осуществляется при 19–20 °С.

По данным Г.В. Твердохлеб, температура от 0 до 6 °С наиболее оптимальна для образования центров кристаллизации, максимальная скорость роста кристаллов достигается при 15–20 °С.

Наличие температурных зон массовой кристаллизации глицеридов (точек отвердевания молочного жира)

В области неустойчивого переохлаждения имеется несколько температурных зон массовой кристаллизации глицеридов в молочном жире. При медленном охлаждении молочного жира без перемешивания установлены следующие температурные зоны массовой кристаллизации глицеридов (точки отвердевания): 19–24 °С, 12–14,8 °С, 4–6 °С, 3–5 °С. Имеются зоны массовой кристаллизации глицеридов и в области более низких отрицательных температур. Молочный жир полностью отвердевает при 40 °С.

Возможность образования различных типов кристаллических структур

При кристаллизации триглицеридов возможно образование двух типов структур кристаллической решетки: с двойной длиной цепи (ДДЦ) и с тройной длиной цепи (ТДЦ).

Тип структуры кристаллической решетки определяется расположением в ней молекул триглицеридов. Молекулы триглицеридов удерживаются в кристаллической решетке силами взаимодействия между атомами соседних молекул.

В кристаллической решетке молекулы триглицеридов имеют несимметричное строение.

Наличие двух групп отвердевших глицеридов с различными температурными зонами плавления

В охлажденном молочном жире образуются две группы отвердевших глицеридов: глицериды первой группы плавятся при температуре выше 20 °С, а второй – ниже 20 °С. С увеличением содержания отвердевших глицеридов первой группы термоустойчивость масла увеличивается, а второй группы – уменьшается.

Способность глицеридов молочного жира образовывать смешанные кристаллы. Закономерности образования смешанных кристаллов были сформулированы А.П. Белоусовым и В.М. Вергилесовым в теории раздельно-групповой кристаллизации глицеридов в молочном жире. Теория развивалась и уточнялась Ф.А. Вышемирским и Г.В. Твердохлеб.

Согласно теории, при охлаждении с любой скоростью, применяемой в производстве, жир становится перенасыщенным по отношению к некоторым триглицеридам, которые последовательно группами выделяются из расплава молочного жира, образуя смешанные кристаллы различного глицеридного состава. В пределах каждой группы при отвердевании триглицеридов образуются смешанные кристаллы, состоящие из неоднородных триглицеридов, но родственных по химической природе и физическим свойствам, со структурами двойной длины цепи (ДДЦ) и тройной длины цепи (ТДЦ). При образовании смешанных кристаллов происходят группировка и дифференциация триглицеридов. Температура плавления и физикохимические свойства образующихся смешанных кристаллов зависят от свойств глицеридов, входящих в их состав.

Смешанные кристаллы делят на две группы: низкоплавкие (НГ) и высокоплавкие (ВГ) глицериды, которые образуются одновременно.  Температура плавления смешанных кристаллов низкоплавких групп находится в пределах от 15 до 25 °С, высокоплавких – от 27 до 35 °С. По данным Г.В. Твердохлеб, при отношении между смешанными кристаллами низкоплавких и высокоплавких групп НГ : ВГ = 2 : 1 формируется пластичная консистенция сливочного масла, при повышенном содержании НГ масло становится излишне мягким, при низком содержании НГ – излишне твердым.

В охлажденном молочном жире могут образовываться различное число групп и различный состав смешанных кристаллов (в зависимости от скорости охлаждения). При быстром охлаждении со скоростью 2 °С/с образуется не менее двух групп смешанных кристаллов. При очень медленном охлаждении со скоростью 0,05 °С/мин образуется три и более 7 групп смешанных кристаллов; при этом появляются смешанные кристаллы более высокоплавкие и более низкоплавкие по сравнению со смешанными кристаллами, образующимися при высокой скорости охлаждения.

На состав и свойства смешанных кристаллов оказывает влияние выдержка охлажденных сливок при физическом созревании (термостатировании). Во время выдержки быстро охлажденного молочного жира при постоянной конечной температуре осуществляется частичное перераспределение (дифференциация) глицеридов между смешанными кристаллами в зависимости от длины углеводородной цепи и химического сродства глицеридов. Консистенция масла становится более твердой в том случае, когда увеличивается количество смешанных кристаллов высокоплавких групп. Снижению вязкости расплава способствует увеличение температуры: быстрее и полнее проходят процессы дифференциации глицеридов между смешанными кристаллами.

Чем медленнее охлаждение, тем выраженнее процесс перераспределения триглицеридов между смешанными кристаллами, который особенно выражен при длительном физическом созревании сливок. При медленном охлаждении зона плавления смешанных кристаллов (включая температуру плавления молочного жира) смещена в область более высоких температур. В результате кристаллизации образуются кристаллические структуры из смешанных кристаллов глицеридов.

Как следует из теории раздельно-групповой кристаллизации глицеридов, физические свойства и консистенцию сливочного масла определяют глицеридный состав смешанных кристаллов (отвердевшего жира) и соотношение между группами смешанных кристаллов.

Чтобы влиять на консистенцию сливочного масла, необходимо регулировать глицеридный состав смешанных кристаллов и соотношение между их группами, содержание высокоплавких глицеридов  отвердевшем жире путем подбора соответствующих температурных режимов физического созревания сливок с учетом сезона года. При одинаковой температуре (степени отвердевания) зимой смешанные кристаллы должны содержать больше высокоплавких глицеридов, а летом, наоборот, меньше высокоплавких и больше низкоплавких глицеридов.

Способность глицеридов к образованию устойчивых кристаллических структур в полиморфной форме

Эта способность триглицеридов проявляется при полиморфных превращениях в молочном жире при быстром охлаждении.

Под полиморфным превращением понимается способность триглицеридов образовывать при отвердевании различные кристалллические структуры. В молочном жире установлены 4 полиморфные формы: γ, α, β’, β (по данным Г.В. Твердохлеб). Они отличаютсяхарактером построения кристаллической решетки, удельным объемом, конфигурацией и величиной кристаллов, температурой плавления. Состав твердого жира не претерпевает изменений. При контакте  с жидким жиром полиморфные превращения ускоряются.

Полиморфные формы γ, α, β’ являются метастабильными, т. е. они обладают свойством превращаться в другую, более стабильную  форму последовательно (монотропный полиморфизм): γ → α → β’  → β.Наиболее нестабильная стеклообразная γ-форма образуется при  мгновенном охлаждении до температуры 8 °С; а при температурах, близких к нулю, она переходит в α-форму. Оптимальная температура образования α-формы 0–8 °С.  α-Форма имеет вид игольчатых кристаллов с температурой плавления глицеридов низкоплавких групп 8,2–10,8 °С, а высокоплавких групп – около 15–16 °С. При температурах, близких к температуре плавления (12–15 °С), α-форма переходит в более стабильную β’-форму. β’-Форма может выкристаллизовываться из расплава при температуре 12–15 °С, может образовываться в результате распада смешанных кристаллов при быстром охлаждении.

Образование полиморфных форм кристаллических структур зависит от режима охлаждения. В быстро охлажденном молочном жире  группы триглицеридов почти одновременно образуют кристаллические зародыши в α и β’-формах. Первоначально отвердевают высокоплавкие глицериды в α-форму, которая остается устойчивой в течение 2 ч. Через 15 мин после окончания охлаждения появляется новая кристаллическая структура в β’-форме, образованная другими триглицеридами. При быстром охлаждении полиморфные превращения ограничиваются образованием устойчивой кристаллической структуры в β’-полиморфной форме. Превращение β’-формы в стабильную  β-форму тормозится групповой кристаллизацией триглицеридов. Полиморфное превращение кристаллических структур из α-формы в более устойчивую β’-форму может сопровождаться уменьшением ее качества. При полиморфных превращениях у многих триглицеридов происходит перестройка структур ДДЦ в ТДЦ и наоборот. При охлаждении молочного жира до 2–8 °С основные процессы кристаллизации и полиморфных превращений из α-формы со структурой ДДЦ в β’-форму со структурой ДДЦ происходят в течение 1,5–2 ч. В молочном жире высокоплавкая группа глицеридов стабилизируется  в β’-форму со структурой ДДЦ независимо от режима первоначального охлаждения. При режимах охлаждения, применяемыхв производстве сливочного масла, твердый жир после завершения кристаллизации глицеридов содержит кристаллические структуры только в β’-полиморфной форме (А.П. Белоусов).

Полиморфные превращения в цельном и диспергированном молочном жире протекают одинаково (Г.В. Твердохлеб) и сопровождаются выделением теплоты. Влияние полиморфизма в молочном жире на процессы формирования структуры и консистенции сливочного масла некоторые специалисты склонны преувеличивать. Возможное влияние полиморфных превращений в молочном жире не имеет существенного значения, так как глицериды способны образовывать β’-форму без дальнейшего ее превращения в -форму при различных режимах охлаждения сливок во время физического созревания. Кристаллическая структура твердого жира должна находиться в основном в β’-полиморфной форме.

Способность кристаллических структур, образуемых глицеридами, выделять жидкий жир

Эта способность кристаллических структур, формирующихся в жировых шариках охлажденных сливок, имеет особо важное значение при образовании масляного зерна при сбивании сливок. Способность может быть различной при различных режимах низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию.

Особенности кристаллизации глицеридов в жировых шариках

В жировых шариках зарождение центров кристаллизации начинается в слое глицеридного ядра, прилегающем к внутренней поверхности оболочки. На периферии глицеридного ядра жирового шарика образуется сферический кристаллический слой, состоящий из высокомолекулярных триглицеридов, затем при охлаждении кристаллизуются триглицериды внутри ядра жирового шарика. Кристаллические агрегаты внутри жирового шарика образуются более низкоплавкими триглицеридами. Отвердевание глицеридов в эмульгированном охлажденном жире начинается при более низкой температуре, т. е. требуется более значительная степень переохлаждения. Кристаллизация глицеридов замедляется, и для ее завершения требуется более значительное время.

При охлаждении жира в более крупных жировых шариках при одинаковой температуре отвердевает больше жира, чем в мелких жировых шариках. Чем меньше размер жировых шариков, тем большее переохлаждение требуется для достижения одинакового содержания жира в них. Размер жировых шариков влияет на время, необходимое для зарождения центра кристаллизации в жировом шарике.

Различия в отвердевании цельного молочного жира и молочного жира в жировых шариках наблюдаются при охлаждении молочного жира до 10 °С. При температуре охлаждения ниже 10 °С скорость и характер фазовых превращений цельного молочного жира и молочного жира в жировых шариках становятся одинаковыми.

Периферийный кристаллический слой может быть толстым (0,3–0,5 мкм) или тонким (0,1 мкм), иметь многослойную пластинчатую структуру, которой присущи повышенная механическая прочность, способность выдерживать сильные деформации без разрушения и выделения из шарика жидкого жира, находящегося внутри глицеридного ядра.

Чем тоньше периферийный кристаллический слой, тем больше кристаллических агрегатов содержится в жировом шарике. Во внутренней области жирового шарика находится жидкий жир в количестве, зависящем от режима низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию.

При любом режиме низкотемпературной подготовки сливок к сбиванию в них всегда обнаруживается небольшое число жировых шариков с жидким глицеридным ядром, что является следствием различия в химическом составе молочного жира в отдельных жировых шариках.

Закономерности отвердевания молочного жира

Кристаллизация глицеридов в молочном жире протекает во времени ступенчато при постепенном уменьшении скорости. Постепенное уменьшение скорости отвердевания глицеридов является следствием снижения концентрации соответствующих триглицеридов и уменьшения их перенасыщенности ΔС, частично вызываемых полиморфным превращением α→β’-форму.

Выделяют три периода отвердевания молочного жира и две зоны массовой кристаллизации глицеридов.

Первый период характеризуется интенсивным образованием центров кристаллизации глицеридов. Первый период соответствует первой зоне массовой кристаллизации глицеридов, при этом образуются смешанные кристаллы, преимущественно состоящие из высокоплавких и частично среднеплавких глицеридов. При охлаждении сливок до температуры 12–22 °С первая зона массовой кристаллизации глицеридов отсутствует.

Второй период характеризуется резким снижением скорости отвердевания жира вследствие повышения вязкости расплава молочного жира и уменьшения степени пресыщения. В этот период возможно возникновение зародышей кристаллов низкоплавких глицеридов. Во время третьего периода увеличиваются скорость отвердевания молочного жира и количество отвердевшего жира, протекают полиморфные превращения, происходит перераспределение глицеридов между группами смешанных кристаллов.

Третий период отвердевания молочного жира соответствует второй зоне массовой кристаллизации глицеридов. В конце второй зоны массовой кристаллизации глицеридов заканчивается процесс кристаллизации триглицеридов в молочном жире и устанавливается равновесное состояние между количеством отвердевшего и жидкого жира, которое не изменяется во время последующей выдержки сливок при температуре физического созревания. Время, необходимое для завершения отвердевания жира, зависит от температуры. Отвердевание жира заканчивается через 2, 3, 4 и 4,5 ч при температуре 3, 6, 9, 12 °С, соответственно, при массовой доле жира в сливках 38 %.

Две зоны массовой кристаллизации глицеридов четко наблюдаются при большой скорости охлаждения (2 °С/с) до температуры 6–12 °С.

По данным Г.В. Твердохлеб, при физическом созревании сливок происходит отвердевание жира: при температуре 2–4 °С – 50–60 %, при 8 °С – 33–37 %, при 13 °С – 23 %, при 20 °С – 11 %, при 23 °С – 7 %, соответственно. При каждой температуре охлаждения сливок достигается максимально возможная степень отвердевания жира.

При повышении скорости и снижении конечной температуры охлаждения количество отвердевшего жира увеличивается. При повышении скорости охлаждения зона плавления молочного жира смещается на 3–5 °С в область более низких температур, зона массовой кристаллизации глицеридов смещается в область пониженных температур, кристаллизация глицеридов начинается при более низкой температуре.

С увеличением скорости охлаждения и понижением конечной температуры в охлажденном молочном жире уменьшается содержание твердого жира, плавящегося при температуре 20–32 °С. При уменьшении скорости и повышении конечной температуры охлаждения имеет место обратная зависимость – количество твердого жира, плавящегося при температуре в интервале 20–32 °С, увеличивается в результате образования дополнительных групп смешанных кристаллов во время перекристаллизации жира, что способствует повышению термоустойчивости масла.

Содержание отвердевшего жира в охлажденном молочном жире зависит от температуры предварительного отвердевания при других температурах. С понижением температуры при последующем отвердевании содержание твердого жира увеличивается.

От режимов охлаждения молочного жира зависит жирнокислотный состав отвердевшего жира: с повышением скорости и понижением конечной температуры охлаждения увеличивается количество ненасыщенных жирных кислот (на 7,6 %) и понижается количество насыщенных, особенно пальмитиновой, что приводит к снижению температуры плавления твердого жира.

При быстром охлаждении увеличивается скорость образования центров кристаллизации, что способствует сокращению времени для установления равновесного состояния: твердый – жидкий жир. При уменьшении центров кристаллизации уменьшаются размеры каждого кристаллического образования. Образование мелких смешанных кристаллов с развитой поверхностью и большой смачиваемостью жидким жиром способствует формированию пластичной консистенции масла.

При медленном охлаждении в условиях недостаточного перемешивания возникает мало центров кристаллизации и образуются крупные кристаллы. Это приводит к получению более низкоплавкого, менее термоустойчивого масла.

Влияние различных факторов на фазовые изменения молочного жира

Влияние химического состава

При одном и том же режиме охлаждения количество твердого жира и скорость отвердевания глицеридов уменьшается с повышением йодного числа, когда увеличивается содержание в составе молочного жира триглицеридов полиненасыщенных жирных кислот, в частности олеиновой, что наблюдается в весенне-летний период года, и, наоборот, увеличивается с уменьшением йодного числа в осенне-зимний период года, когда в молочном жире преобладают высокоплавкие глицериды, содержащие полунасыщенную миристиновую кислоту. При повышении йодного числа с 33 до 42 количество твердого жира уменьшается на 15 % при 0 °С. С увеличением в молочном жире свободных жирных кислот скорость кристаллизации глицеридов возрастает.

Влияние содержания жира

При охлаждении сливок с более высоким содержанием жира количество в них твердого жира и скорость отвердевания уменьшаются в связи с уменьшением скорости кристаллизации глицеридов, так как сливки с большим содержанием жира охлаждаются медленнее, в жировых шариках образуется меньше центров кристаллизации, особенно заметно при низких температурах вследствие быстрого повышения вязкости сливок. Сливки с большим количеством жира охлаждаются медленнее по сравнению с менее жирными сливками ввиду их меньшей тепло- и температуропроводности.

Влияние дисперсности жира

При увеличении степени дисперсности жира количество твердого жира в сливках и скорость отвердевания уменьшаются. С повышением массовой доли жира в сливках влияние степени дисперсности жира на процесс кристаллизации глицеридов усиливается.

Влияние перемешивания

При перемешивании кристаллизация глицеридов в охлажденном молочном жире начинается при меньшей степени переохлаждения, сокращается продолжительность нахождения жира в переохлажденном состоянии, увеличивается количество центров кристаллизации, ускоряются полиморфные превращения в молочном жире, раньше наступает равновесное состояние твердый – жидкий жир, увеличивается количество твердого жира и сокращается продолжительность отвердевания.

Такое же влияние оказывает перемешивание сливок на процессы кристаллизации глицеридов в молочном жире, в жировом шарике – на скорость отвердевания жирового шарика. При перемешивании, благодаря более интенсивному теплообмену между сливками и окружающей средой (хладоносителем), происходит ускорение отвердевания жировых шариков, чему способствует отвод теплоты, выделяемой при кристаллизации глицеридов.

Ускорению образования центров кристаллизации способствуют различные удельные объемы глицеридов, которые перемещаются с различной скоростью при вращательном движении жировых шариков в потоке сливок при перемешивании до момента образования кристаллической структуры внутри жировых шариков.

Чем ниже температура сливок при охлаждении, тем в большей степени перемешивание оказывает влияние на кристаллизацию глицеридов, на количество отвердевшего жира. Особенно эффективное влияние оказывает перемешивание сливок во время массовой кристаллизации глицеридов. При перемешивании более низкоплавкие глицериды могут кристаллизоваться при более высокой температуре благодаря увеличению скорости кристаллизации, что приводит к совмещению зон массовой кристаллизации глицеридов. Установлено совмещение двух зон массовой кристаллизации глицеридов с температурными границами 20–23 °С и 12–14,7 °С в одну зону при удельной мощности порядка 45–50 Вт.

Совмещение зон означает, что при интенсивном механическом воздействии одновременно отвердевают триглицериды различных групп, при этом сохраняется принцип их группового отвердевания. При механическом воздействии наблюдается более значительная дифференциация триглицеридов при образовании смешанных кристаллов. Перемешивание используют для ускорения физического созревания сливок. В. Н. Сирин впервые использовал с этой целью перемешивание охлажденных сливок при создании аппарата для низкотемпературной подготовки сливок, названного им сливкоподготовителем.

Влияние других факторов

Процесс кристаллизации триглицеридов ускоряется при понижении атмосферного давления, а также в момент соприкосновения жирового шарика, содержащего переохлажденный жир, с пограничной поверхностью воздух – сливки под влиянием молекулярных сил, действующих на пограничной поверхности.

Режимы физического созревания сливок

Различают одноступенчатые и двухступенчатые режимы физического созревания сливок для летнего и зимнего периодов года. При одноступенчатых режимах затрудняется регулирование глицеридного состава отвердевшего жира. Двухступенчатые режимы используются для регулирования структуры и консистенции сливочного масла при различном химическом составе молочного жира. При использовании ступенчатых режимов можно компенсировать неблагоприятное влияние, которое оказывают на свойства твердого жира сезонные изменения глицеридного состава молочного жира, так как при использовании ступенчатых режимов имеется возможность осуществить раздельное отвердевание низко- и высокоплавких глицеридов во время физического созревания сливок.

Одноступенчатые режимы физического созревания сливок можно характеризовать тремя параметрами: скоростью охлаждения, температурой и продолжительностью выдержки при конечной температуре. Каждый из этих параметров оказывает влияние на глицеридный состав отвердевшего жира, а следовательно, на структуру и консистенцию сливочного масла.

Двухступенчатые режимы характеризуются наличием двух ступеней подготовки сливок к сбиванию с различными температурами, что и позволяет обеспечить при термостатировании раздельное выкристаллизовывание из молочного жира низко- и высокоплавких глицеридов.

При выборе режимов физического созревания сливок учитывают следующее:

  1. содействие успешному протеканию процесса маслообразования при сбивании сливок;
  2. предотвращение высоких потерь жира с пахтой;
  3. выработка масла с твердой пластичной термоустойчивой консистенцией, преимущественно с коагуляционно-кристаллизационной структурой, способное к намазыванию.

С помощью выбранных режимов должно быть обеспечено достаточное количество отвердевшего жира в сливках до начала сбивания, желаемое соотношение между низко- и высокоплавкими группами смешанных кристаллов в отвердевшем жире.

При использовании двухступенчатого режима регулирование консистенции сливочного масла осуществляется посредством варьирования температур сливок и скорости охлаждения или нагревания на каждой ступени их физического созревания. Изменяя скорость охлаждения или нагревания и температуру сливок, можно обеспечить желаемое соотношение между низко- и высокоплавкими группами смешанных кристаллов и необходимое количество отвердевшего жира.

Путем варьирования температур на отдельных стадиях подготовки сливок к сбиванию можно регулировать выделение молочного жира из жировых шариков при сбивании сливок для завершения агрегации жировых шариков и формирования масляного зерна. Режимы физического созревания сливок выбирают с учетом вида вырабатываемого масла и сезона года.

Одноступенчатый режим физического созревания сливок для весенне-летнего периода года – летний режим (йодное число – более 39): сливки после пастеризации быстро (2 °С/с) охлаждают до температуры 4–6 °С (температурная зона массовой кристаллизации глицеридов).

При быстром охлаждении исключается развитие остаточной микрофлоры, сохраняются вкус, приобретенный при пастеризации, и запах. Высокая скорость охлаждения сливок способствует образованию большого количества центров кристаллизации глицеридов в молочном жире, последующему более интенсивному отвердеванию и получению масла с хорошими упругопластическими свойствами, мелкокристаллической структурой, с развитой поверхностью, поэтому масло, выработанное из быстро охлажденных сливок, способно лучше удерживать жидкий жир.

После охлаждения сливки выдерживают не менее 3 ч. Сокращение выдержки охлажденных сливок не допускается. Сокращение выдержки сливок до 2 ч приводит к увеличению механической прочности масла и ухудшению его консистенции в результате дополнительной кристаллизации глицеридов в переохлажденном жире в процессе отвердевания. Во время выдержки сливки перемешивают 12–18 мин.

В сливках, охлажденных до низких положительных температур, массовая кристаллизация глицеридов в молочном жире наблюдается в течение 1–2 ч, в основном с образованием низкоплавких смешанных кристаллов 2 и 3 полиморфных форм. Полиморфные превращения при охлаждении и последующем нагревании сливок до температуры, необходимой для сбивания и в процессе сбивания, протекают в основном в низкоплавкой группе глицеридов.

Одноступенчатый режим физического созревания

Одноступенчатый режим физического созревания сливок для осенне-зимнего периода года – зимний режим (йодное число менее 39): сливки после пастеризации быстро охлаждают до температуры 5–7 °С в потоке и при этой температуре выдерживают не менее 7 ч. Допускается выдержка сливок до 16–17 ч, при этом во избежание нарастания кислотности сливки пастеризуют при температуре 105–115 °С, и физическое созревание сливок осуществляется при 6–8 °С. Характерной особенностью одноступенчатых режимов является наличие пропорциональной зависимости между продолжительностью выдержки охлажденных сливок и конечной температурой охлажденных сливок: на каждый градус температуры требуется около одного часа времени для выдержки сливок.

В масле, выработанном из сливок, подготовленных по одноступенчатому режиму, увеличивается содержание твердого жира, плавящегося при температуре выше 24 °С, что способствует повышению термоустойчивости масла. Одноступенчатый режим подготовки сливок к сбиванию прост и менее трудоемок по сравнению со ступенчатыми режимами. Однако при одноступенчатом режиме твердый жир при кристаллизации глицеридов в жировых шариках обладает свойствами, неблагоприятными для консистенции масла (узкая зона плавления, минимальное количество жира, не расплавляющегося при 20 °С).

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для весенне-летнего периода года

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для весенне-летнего периода года применяется при повышенном содержании в жире низкоплавких глицеридов (йодное число более 39). Сливки после пастеризации охлаждают в потоке до температуры 13–15 °С и выдерживают при этой же температуре не менее 3 ч для кристаллизации высокоплавких и среднеплавких глицеридов.

Затем сливки охлаждают в ваннах при перемешивании до температуры 4–6 °С и вторично выдерживают при этой же температуре не менее 6 ч с перемешиванием через каждые 1,5 ч по 3–5 мин. Скорость охлаждения сливок не должна превышать 2–5 °С/мин.

Для повышения термоустойчивости летнего масла можно повысить температуру сливок на первой ступени их созревания до 16–20 °С. Однако при этом появляется опасность порчи масла в результате активизации микробиологических процессов, протекающих в сливках во время физического созревания, количество отвердевшего жира по сравнению с количеством отвердевшего жира при одноступенчатом режиме охлаждения уменьшается до 15 %.

На второй ступени выкристаллизовываются низкоплавкие группы глицеридов в виде смешанных мелких кристаллов. С понижением температуры на первой ступени на второй ступени увеличивается содержание отвердевшего жира и быстрее достигается равновесное состояние твердый – жидкий жир, что является результатом влияния на отвердевание молочного жира предварительного отвердевания при других температурах. После окончания второй выдержки сливки подогревают водой температурой 27 °С до температуры, необходимой для сбивания, и направляют их на сбивание.

Характерными особенностями летнего ступенчатого режима являются пониженная скорость охлаждения сливок после пастеризации, а также двукратная выдержка сливок: первая при температуре, превышающей температуру сбивания сливок на 3–8 °С, вторая – при температуре ниже температуры сбивания на 3–5 °С.

В результате снижения скорости охлаждения сливок уменьшаются скорость кристаллизации глицеридов и содержание низкоплавких глицеридов в отвердевшем жире, что приводит к увеличению способности масла к удерживанию жидкого жира.

Выдержка сливок при повышенной температуре (13–15 °С) способствует увеличению содержания в твердом жире глицеридов высокоплавких групп, расплавляющихся при температуре 20–32 °С, что приводит к увеличению твердости масла и повышению его термоустойчивости. При снижении количества низкоплавких глицеридов и увеличении количества высокоплавких глицеридов в твердом жире повышается температура его плавления.

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для осенне-зимнего периода года

Двухступенчатый режим физического созревания сливок для осенне-зимнего периода года применяется при повышенном количестве высокоплавких глицеридов в жире (йодное число – менее 39).

Сливки после пастеризации охлаждают в потоке до температуры 5–7 °С, выдерживают 2–3 ч. Во время выдержки сливки перемешивают 2–3 раза по 5 мин, затем медленно, в течение 40–60 мин, подогревают до 13–15 °С водой температурой 27 °С и при этой же температуре вторично выдерживают не менее 3 ч с перемешиванием по 3–5 мин через каждые 1,0–1,5 ч. После окончания выдержки сливки охлаждают до температуры, при которой их подвергают сбиванию.

В результате быстрого охлаждения сливок на первой ступени в отвердевшем жире увеличивается содержание глицеридов низкоплавких групп. Это приводит к снижению прочности структуры и твердости масла.

Термоустойчивость масла повышается вследствие выкристаллизовывания глицеридов в виде мелких кристаллов при повышении скорости охлаждения.

Температуру сливок при второй выдержке подбирают с таким расчетом, чтобы она находилась в пределах температурной зоны плавления глицеридов высокоплавких групп. Во время выдержки сливок при температурах в пределах температурной зоны плавления глицеридов высокоплавких групп создаются благоприятные условия для перераспределения глицеридов этой группы, в результате чего уменьшается содержание твердого жира, плавящегося при низких температурах (0–20 °С). Это приводит к снижению твердости масла и формированию его пластичной консистенции. Применение зимнего ступенчатого режима наиболее эффективно при производстве масла методом периодического сбивания сливок. Применяя ступенчатые режимы физического созревания сливок, можно обеспечить низкое содержание жира в пахте и выработать термоустойчивое масло со структурой преимущественно коагуляционного типа как в осеннезимний, так и в весенне-летний периоды года. К особенностям ступенчатых режимов следует отнести наблюдаемое уменьшение количества твердого жира при длительной выдержке сливок при каждой промежуточной температуре.

Ускоренная низкотемпературная подготовка сливок к сбиванию

Применение перемешивания с целью сокращения продолжительности физического созревания сливок впервые предложили советские ученые. В 1936 г. В.И. Сирин создал для этой цели аппарат, названный им сливкоподготовителем. Для ускоренной низкотемпературной подготовки сливок в ЛТИХП разработаны аппараты с диском.

Ускоренная низкотемпературная подготовка сливок в сливкоподготовителе осуществляется посредством их перемешивания мешалкой или диском в течение 2–5 мин со скоростью 2,3–4,5 м/с, в периферии – 3,5м/с. Чтобы избежать повышенного отхода жира в пахту и получения масла пониженной формо- и термоустойчивости, ЛТИХП рекомендует после сливкообработника выдержать сливки при температуре 3–5°С в весенне-летнее время 1,2–2 ч; в осенне-зимнее время – 45–50 мин. ВНИИМС рекомендует после сливкообработника выдержку до 2,5 ч при 7–8 °С. Затем сливки нагревают в потоке до температуры 8–12 °С, дополнительно выдерживают 20–30 мин, после чего сбивают в маслоизготовителе непрерывного действия.

Во ВНИИМС разработан оригинальный метод ускоренной подготовки сливок к сбиванию в дисперсном состоянии в среде (атмосфере) азота. Сливки после пастеризации охлаждают до температуры 18–20 °С, затем распыляют и охлаждают в атмосфере паров жидкого азота при 2–4 °С. Охлажденные сливки поступают в резервирующую емкость, где их выдерживают в течение 6 мин при перемешивании при удельной затрате мощности 1,6 Вт/кг. Затем сливки подогревают до температуры, предусмотренной для сбивания, выдерживают 20–30 мин, после чего подают в маслоизготовитель. При использовании маслоизготовителя периодического действия выдержка сливок не нужна.

Влияние низкотемпературной подготовки на физические свойства сливок

В результате отвердевания жировых шариков сливки из эмульсии превращаются в суспензию. Появление кристаллических агрегатов в жировом шарике существенно влияет на состояние оболочки жирового шарика и физические свойства сливок. Это влияние усиливается выдержкой сливок, т. е. «старением суспензии жира».

На поверхности жирового шарика между плазмой и жиром расположен липопротеиновый слой, гидрофобные цепи которого связаны с прилегающей к оболочке поверхностью жира – глицеридным ядром, а гидрофильные цепи ориентированы к плазме сливок. С появлением твердого жира внутри жировых шариков уменьшается прочность связи оболочки с нижележащим слоем жира, сольватация внутренней поверхности оболочки нарушается компонентами глицеридного ядра (по-видимому, высокоплавкими триглицеридами), что влечет за собой десорбцию (переход) липопротеиновых комплексов в молочную плазму некоторой части веществ оболочки.

По данным А.П. Белоусова, количество белка, связанного с оболочкой жирового шарика, в результате отвердевания глицеридов уменьшается на 15–20 %, что обеспечивает разрушение оболочки при сбивании сливок. Оболочные вещества, как более поверхностноактивные, располагаются на границе воздух–сливки. В результате перераспределения поверхностно-активных веществ (ПАВ) удельная поверхностная энергия на границе жир–плазма повышается, а на границе воздух–сливки снижается, уменьшаются толщина и механическая прочность оболочки, а также ее стабилизирующая способность. Поэтому снижается устойчивость суспензии жира в сливках (дестабилизация жировой дисперсии), что имеет большое значение для маслообразования при сбивании сливок. При снижении механической прочности оболочки периферийный слой глицеридного ядра сохраняет высокую пластичность.

При отвердевании жировые шарики становятся гидрофобизированными, что приводит к возникновению структурных связей между ними. Степень дестабилизации жировой дисперсии в сливках зависит от температуры охлаждения и последующей выдержки. Она повышается с увеличением времени выдержки и понижением температуры. Наибольшая степень дестабилизации жировой дисперсии наблюдается при ступенчатом режиме физического созревания сливок.

При ускоренной подготовке сливок к сбиванию с применением интенсивного механического воздействия степень дестабилизации жировой дисперсии сливок увеличивается на 12–15 %. В сливках с отвердевшим жиром образуются флокуляты (скопления, кучки жировых шариков). При достаточной их концентрации возможно образование локальных пространственных структур с преобладанием элементов коагуляционной структуры.

Образованию кучек жировых шариков способствует значительное снижение электрического заряда жировых шариков во время физического созревания сливок. Их способность к отталкиванию как одноименно заряженных частиц уменьшается. Образование структурных связей между жировыми шариками и гидратация белков влекут за собой повышение эффективной вязкости сливок.

При увеличении содержания жира в сливках возможно образование агрегатов (жировых частиц), состоящих из слипшихся отвердевших жировых шариков. На агрегацию жировых частиц влияют метод и режимы охлаждения сливок, продолжительность термостатирования. При снижении температуры охлаждения сливок и увеличении продолжительности их выдержки дисперсность частиц снижается, что также снижает устойчивость жировой дисперсии сливок.

Продолжительность выдержки сливок оказывает влияние тем больше, чем ниже температура охлаждения. Агрегация жировых частиц также влечет за собой повышение вязкости сливок при их низкотемпературной подготовке. Однозначной зависимости вязкости сливок от степени отвердевания молочного жира не установлено.