Масложировая промышленность

Образование структуры и консистенции сливочного масла

Данные процессы тесно связаны между собой. Структура масла определяет его консистенцию.

В соответствии с современными представлениями о структуре пищевых масс под структурой готового продукта понимают пространственную структуру, образованную дисперсными частицами (твердыми, мицеллами, макромолекулами) в результате сцепления между частицами. По характеру связей между твердыми частицами, мицеллами и макромолекулами все структуры подразделяются на коагуляционные, конденсационно-кристаллизационные и смешанные – коагуляционно-кристаллизационные.

Коагуляционные структуры характеризуются сравнительно слабыми по силе взаимодействия контактами между частицами. Прочность контактов определяется вандервальсовыми молекулярными силами сцепления через тончайшие прослойки дисперсионной среды.

Коагуляционные структуры отличаются наличием упругих вязких свойств, зоны ползучести с практически постоянной вязкостью, а главное полной тиксотропной обратимостью свойств после снятия напряжения (тиксотропная коагуляционная структура).  Тиксотропия коагуляционной структуры заключается в восстановлении связей между частицами после механического разрушения в результате благоприятного соударения частиц, находящихся в броуновском движении.

Коагуляционные структуры характеризуются большой пластичностью, но пониженной прочностью.

Под кристаллизационной дисперсной структурой сливочного масла в соответствии с предложением А.П. Белоусова следует понимать дисперсную структуру жирового компонента масла, образованную твердыми частицами жира, объединенных в пространственную трехмерную сетку в результате сращивания (слипания) кристаллов глицеридов. Пространственная сетка пронизывает весь объем продукта.

Твердые частицы жира являются элементами пространственной структурной сетки в масле и представляют собой дисперсную фазу, а жидкий жир – дисперсионную среду.

Дисперсная фаза и дисперсионная среда активно участвуют в образовании структуры.

В сливочном масле образуется смешанная коагуляционно-кристаллизационная структура с преобладанием свойств коагуляционной структуры – пластичностью и др. Пластичность является основным показателем хорошей консистенции сливочного масла. При наличии структуры масло приобретает механические свойства (упругость, пластичность, вязкость).

Образование структуры масла начинается с кристаллизации глицеридов в молочном жире в жировых шариках при охлаждении сливок до температуры ниже температуры отвердевания молочного жира.

Дисперсная структура сливочного масла образуется из отдельных твердых частиц жира. В масле, выработанном методом сбивания сливок, дисперсная структура образуется из отвердевших во время физического созревания сливок структурированных жировых шариков с неразрушенной структурой (глобул) и «обломков» разрушенных структурированных жировых шариков и кристаллов глицеридов различной величины и формы, расположенных между глобулами.

При выработке масла методом преобразования высокожирных сливок дисперсная структура образуется из смешанных кристаллов глицеридов и их агрегатов.

В образовании дисперсной структуры участвует плазма масла как составная часть прослоек дисперсионной среды в виде капель и капилляров, наличие которых в жидком молочном жире оказывает влияние на физико-химические свойства прослоек – вязкость и др., на взаимодействие молекулярных сил между твердыми частицами жира, на структурообразование.

Структурообразование прослоек мешает коагуляционному взаимодействию между частицами и в то же время является сильным стабилизирующим фактором. От количества плазмы зависит толщина прослоек между твердыми частицами жира.

Образование смешанной структуры сливочного масла связано с разрушением оболочки жирового шарика. При выработке масла методом сбивания сливок оболочка жирового шарика разрушается при сбивании сливок. При этом при соприкосновении жировых шариков с разрушенной оболочкой между собой отвердевшие глицериды контактируются, сцепляются, образуют дисперсную структуру (кристаллическую сетку) масляного зерна.

При выработке масла методом преобразования высокожирных сливок оболочка жирового шарика разрушается во время обращения фаз на начальной стадии кристаллизации глицеридов при перемешивании продукта в маслообразователе. Прочность структуры масла понижается при увеличении интенсивности перемешивания. При повышенной подвижности твердых частиц затрудняется кристаллизационное сцепление между частицами.

Образование структуры масла при выработке методом преобразования высокожирных сливок

По данным С.С. Гуляева-Зайцева, структура масла начинает формироваться при критической концентрации твердого жира 4,0–7,0 % и степени дестабилизации высокожирных сливок 60–85 %.

Критическая концентрация твердого жира связана с критической температурой структурообразования, которая зависит от удельных затрат мощности на механическую обработку и скорости охлаждения высокожирных сливок.

По данным С.С. Гуляева-Зайцева, критическая температура структурообразования колеблется в пределах от 17 до 20 0С при увеличении удельной мощности на механическую обработку от 20 до 60 Вт/кг и при скорости охлаждения высокожирных сливок до 10 0С/мин.

При скорости охлаждения выше 10 0С/мин критическая температура структурообразования колеблется от 15 до 18 0С при увеличении удельной мощности в тех же пределах.

Важная особенность процесса образования структуры масла при выработке методом преобразования высокожирных сливок заключается в том, что процесс структурообразования под влиянием более интенсивной механической обработки высокожирных сливок смещается в область повышенных температур.

При выработке масла методом преобразования высокожирных сливок различают два периода структурообразования: первичное и вторичное.

В зоне первичного структурообразования формируется структура масла коагуляционного типа. Коагуляционные контакты одновременно разрушаются и восстанавливаются, кристаллизационные контакты при механическом воздействии разрушаются необратимо, формируются кристаллизационные агрегаты различной степени дисперсности. Интенсивное перемешивание продукта способствует первичному структурообразованию. Интенсивность и продолжительность перемешивания продукта должна быть такой, чтобы не допустить образование излишне мелких или излишне крупных кристаллических агрегатов, чтобы количество кристаллических агрегатов было достаточным для формирования пластичной структуры масла в монолите в состоянии покоя.

Размеры образующихся кристаллических агрегатов зависят от скорости их образования и разрушения, которая изменяется при различной интенсивности перемешивания продукта в маслообразователе, различной температуре и скорости охлаждения. С увеличением скорости охлаждения и понижения температуры размеры кристаллов уменьшаются.

Дисперсность твердых частиц жира зависит от интенсивности механического воздействия на продукт в зоне кристаллизации.

Мерой интенсивности механического воздействия являются удельные затраты механической энергии на перемешивание продукта в зоне кристаллизации. Механическая энергия расходуется на преодоление сопротивления продукта деформации сдвига.

Сопротивление продукта деформации сдвига при механическом воздействии возникает вследствие взаимодействия элементов структуры друг с другом и молекулами дисперсионной среды.

Механическое воздействие на продукт в зоне кристаллизации способствует ускорению процесса кристаллизации глицеридов в молочном жире и диспергированию твердых частиц жира, образующихся в маслообразователе в зоне кристаллизации во время перемешивания продукта.

Показателями, характеризующими степень завершенности первичного структурообразования, являются: количество отвердевшего жира, степень дисперсности и прочность кристаллизационных структур (кристаллизационных агрегатов). Степень дисперсности и количество отвердевшего жира (кристаллизационных структур) должны быть достаточными для завершения первичного структурообразования до выхода продукта из маслообразователя и получения масла с оптимальными физико-механическими показателями при вторичном структурообразовании.

После вытеснения продукта из аппарата процесс кристаллизации глицеридов продолжается в молочном жире, который находится в переохлажденном состоянии. Коагуляционные контакты между отвердевшими глицеридами, разрушенные при механическом воздействии на продукт, в аппарате восстанавливаются, возникают новые кристаллизационные контакты вследствие чего продукт, попадая в тару, очень быстро (30–90 с) принимает твердообразное состояние.

Степень завершенности первичного структурообразования может быть определена по методу Ф.А. Вышемирского и П.В. Никуличева, предложенного ими для оценки и прогнозирования консистенции масла: по скорости отвердевания масла, вытесняемого из маслообразователя, и приросту его температуры в монолите в течение 10 минут после выхода из маслообразователя.

Процесс первичного структурообразования является завершенным, если отвердевание масла, вытекаемого из маслообразователя, продолжается в летний период года в течение 30–70 секунд и в зимний период – 40–100 секунд, температура масла в монолите повышается на 1,5–2,0 и 1,5–2,5 0С соответственно.

Во время вторичного структурообразования образуется смешанная коагуляционно-кристализационная структура в состоянии покоя в монолите масла, упакованного в тару после выхода из маслообразователя. В образовании коагуляционно-кристаллизационной структуры в масле участвуют глицериды молочного жира, отвердевшие после выхода масла из маслообразователя, и кристаллические агрегаты глицеридов, образовавшиеся из отвердевших глицеридов во время перемешивания продукта в маслообразователе.

Во время вторичного структурообразования образуются смешанные кристаллы глицеридов различных размеров в зависимости от скорости кристаллизации глицеридов, которая определяется температурой продукта. При более низкой температуре образуются мелкие частицы жира и в большем количестве. Чем выше температура продукта, тем более крупные частицы жира образуются в маслообразователе.

При дополнительном отвердевании молочного жира в монолите масла вследствие отсутствия механического воздействия образуются более крупные твердые частицы жира, чему способствует отсутствие ограничений для роста кристаллов после разрушения оболочки жировых шариков. Образование крупных кристаллов нежелательно, так как они могут быть причиной появления порока консистенции масла – мучнистости.

По данным ВНИИМС, при излишнем механическом воздействии уменьшается скорость и увеличивается продолжительность отвердевания масла, выработанного в трехцилиндровом маслообразователе, через 10 минут после выхода из маслообразователя до 100 с и прирост температуры масла при отвердевании уменьшается и достигает 1,5 0С, что свидетельствует о недостаточном количестве отвердевшего жира в монолите масла в состоянии покоя при вторичном структурообразовании.

По данным ВНИИМС, при недостаточном механическом воздействии на продукт через 10 минут после выхода из маслообразователя увеличивается скорость и уменьшается продолжительность отвердевания масла, выработанного в трехцилиндровом маслообразователе, до 30 с и прирост температуры масла при отвердевании увеличивается и достигает 3,0 ÷ 5,0 0С, что свидетельствует об излишнем количестве отвердевшего жира в монолите масла в состоянии покоя при вторичном структурообразовании.

Для увеличения количества отвердевшего жира в маслообразователе уменьшают его производительность.

При выработке масла методом сбивания сливок прочность кристаллической сетки, соответственно консистенцию продукта регулируют при выполнении технологических операций, связанных с фазовыми изменениями молочного жира: при физическом созревании сливок, при сбивании сливок, при механической обработке масляного зерна путем подбора рекомендуемых параметров технологического процесса с учетом химического состава (сезона года).

Во избежание появления пороков консистенции сливочного масла, вызванных изменением прочности дисперсной структуры сливочного масла, следует строго соблюдать рекомендуемые режимы выработки масла методом сбивания сливок и методом преобразования высокожирных сливок.

При регулировании прочности структуры рекомендуется использовать дифферинцированные режимы физического созревания сливок. Эти режимы удобны для регулирования дисперсности твердых частиц жира и их жирнокислотного состава. Чем ниже температура и выше скорость охлаждения сливок, тем выше дисперсность твердых частиц жира.

Образование термоустойчивой структуры сливочного масла

Для характеристики термоустойчивости структуры сливочного масла используют такой показатель, как термоустойчивость (формоустойчивость) масла (способность сохранять форму при температурах плавления молочного жира). Показатель термоустойчивости (формоустойчивости) Кт, характеризующий степень деформируемости образца масла при температуре 29 ÷ 31 0С, определяют, пользуясь выражением

Кт = Д01,  где Д0 – начальный диаметр основания цилиндра; Д1 – диаметр основания цилиндра после термостатирования в течение 2 часов.

При хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной термоустойчивости масла величина Кт соответственно составляет 1,0 ÷ 0,6; 0,65 ÷ 0,7; менее 0,7.

Термоустойчивость структурной сетки в масле зависит от жирнокислотного состава смешанных кристаллов глицеридов, участвующих в образовании кристаллизационных фазовых контактов при формировании кристаллической сетки и определяющих их термостабильность. Более термостабильные контакты образуются, если в формировании кристаллической сетки участвуют группы смешанных кристаллов глицеридов, в составе которых преобладают насыщенные жирные кислоты с повышенной температурой плавления (27 ÷ 30 0С).

Образованию термостабильных контактов способствуют уменьшение скорости охлаждения и увеличение конечной температуры сливок при охлаждении до 18 ÷ 200С вследствие уменьшения скорости кристаллизации глицеридов. При выработке масла методом преобразования высокожирных сливок скорость кристаллизации глицеридов зависит от интенсивности механического воздействия на продукт в зоне кристаллизации маслообразователя. С увеличением интенсивности механического воздействия на продукт увеличивается скорость образования смешанных кристаллов глицеридов, участвующих в образовании кристаллической сетки, и в их состав вовлекаются в большом количестве низкоплавкие группы смешанных кристаллов глицеридов и метастабильные полиморфные формы кристаллов глицеридов, вследствие чего в масле уменьшается число термостабильных фазовых кристаллизационных контактов и масло становится менее термоустойчивым.

Аналогичное влияние на образование термоустойчивых фазовых кристаллизационных контактов в структурной сетке оказывает увеличение продолжительности механического воздействия на продукт в зоне кристаллизации.

При повышении температуры масла менее термостабильные кристаллизационные контакты разрушаются (распадаются), увеличивается число коагуляционных контактов в единице объема, прочность структуры снижается и масло становится менее термоустойчивым.

Нетермоустойчивое масло получается при заниженной производительности маслообразователя вследствие увеличения продолжительности механической обработки продукта в зоне кристаллизации.

Повышение термоустойчивости масла достигается путем уменьшения числа оборотов и повышения конечной температуры продукта при охлаждении. Конечную температуру масла, выходящего из маслообразователя, регулируют в пределах, рекомендуемых технологической инструкцией.

При выработке масла методом сбивания сливок нетермостабильные контакты появляются при излишне быстром охлаждении жира до более низких температур во время физического созревания сливок. При более медленном охлаждении меньше расплавляется жира при дальнейшем нагревании.

Изменение структуры масла при охлаждении в состоянии покоя

Отвердевание масла

Отвердевание масла связано с изменением прочности структуры масла с момента его выработки как методом сбивания сливок, так и методом преобразования высокожирных сливок.

Отвердевание масла является характерным процессом для масла, вырабатываемого методом преобразования высокожирных сливок.

Масло начинает отвердевать сразу после выхода из маслообразователя. Отвердевание продолжается до окончания процесса вторичного структурообразования и кристаллизации глицеридов в переохлажденном жире, не закристаллизовавшихся в маслоизготовителе. Отвердевание масла связано с образованием кристаллической сетки.

Масло после выхода из маслообразователя отвердевает в результате физико-химических процессов, протекающих во времени: тиксотропного восстановления коагуляционных контактов, разрушенных в маслообразователе под влиянием механического воздействия на продукт во время образования коагуляционной структуры, и дополнительной кристаллизации глицеридов, участвующих в образовании кристаллической сетки. Кинетика тиксотропного восстановления структуры зависит от дисперсности твердых частиц жира. При высокой дисперсности твердых частиц жира отвердевание масла замедляется из-за уменьшения интенсивности броуновского движения мелких частиц отвердевшего жира. На кинетику тиксотропного восстановления коагуляционных контактов оказывает влияние механическое воздействие на продукт.

С увеличением интенсивности механического воздействия на продукт увеличивается дисперсность твердых частиц жира и соответственно уменьшается скорость восстановления коагуляционных контактов.

Процесс отвердевания масла завершается после истечения некоторого времени, необходимого для дополнительной кристаллизации глицеридов, для вторичного структурообразования масла (образования кристаллической сетки).

Отвердевание масла длится около 1,5–2,0 часов после выхода из маслообразователя. При отвердевании масла повышается его температура за счет скрытой теплоты кристаллизации глицеридов.

С увеличением количества коагуляционных контактов скорость отвердевания масла замедляется. Этот показатель используют для оценки завершенности процесса первичного структурообразования в масле.

Регулирование структуры и консистенции сливочного масла

Общие принципы регулирования структуры и консистенции сливочного масла сформулированы академиком П.А. Ребиндером и его учениками. В соответствии с этими принципами «структуру и консистенцию сливочного масла регулируют путем подбора соответствующей температуры кристаллизации молочного жира и изменением удельных затрат энергии на механическую обработку в процессе твердения продукта. Чем выше температура, при которой происходит кристаллизация, тем меньше количество образовавшейся твердой фазы и тем выше пластичность масла; чем больше выкристаллизовывается жира в условиях механического перемешивания, тем меньше возможность образования хрупких и прочных кристаллических структур, тем лучше пластичность масла».

Чтобы летнее масло сделать более твердым, менее склонным к вытеканию жидкого жира, необходимо обеспечить переход в твердую фазу максимального количества низкоплавких глицеридов и дать возможность развиться прочным кристаллизационным структурам.

Чтобы зимнее масло сделать более пластичным, понизить его твердость, устранить ломкость, необходимо обеспечить сохранение возможно большего количества жира в жидкой фазе, а также воспрепятствовать образованию прочных кристаллизационных структур.  Эти цели могут быть достигнуты путем изменения условий проведения технологического процесса.

При регулировании структуры и консистенции сливочного масла ставится цель – обеспечить желаемое соотношение между коагуляционной и кристаллизационной структурами, между содержанием твердого и жидкого жира, между содержанием высокоплавких и низкоплавких групп смешанных кристаллов глицеридов.

Цель регулирования структуры и консистенции сливочного масла заключается в том, чтобы предотвратить появление пороков консистенции.

Регулирование структуры и консистенции масла осуществляется путем подбора рекомендуемых параметров при выполнении технологических операций, связанных с фазовыми изменениями молочного жира.