Масложировая промышленность

Получение и нормализация высокожирных сливок для производства сливочного масла

Высокожирные сливки можно получить одно или двукратным сепарированием молока. Процесс получения высокожирных сливок из молока отличается от получения обычных сливок тем, что при получении высокожирных сливок на стадии концентрирования жира внутри барабана сепаратора происходит вытеснение веществ оболочки жировых шариков в результате взаимного трения их во время контакта. При получении обычных сливок вытеснение веществ оболочки жировых шариков отсутствует.

В производственных условиях обычно применяют двукратное сепарирование: сначала получают из молока сливки с массовой долей жира 32–37 % кислотностью плазмы не выше 250Т, которые затем пастеризуют и горячими в потоке сепарируют в специальных сепараторах периодического действия, получая высокожирные сливки.

Для обеспечения непрерывности получения высокожирных сливок используют три сепаратора, которые работают поочередно. Для обеспечения устойчивого режима работы сепаратора необходимо направлять на сепарирование сливки однородные по содержанию жира, сохранять постоянными частоту вращения барабана, приток сливок в барабан сепаратора и своевременно освобождать барабан сепаратора от осадка.

Процесс получения высокожирных сливок представляет собой концентрирование жира в молочной плазме под действием центробежной силы.

Данный процесс состоит из двух стадий: на первой стадии происходит сближение жировых шариков, в результате которого образуются сливки. На второй стадии в результате дальнейшего концентрирования жировой фазы имеют место уплотнение и деформация жировых шариков.

Заканчивается вторая стадия образованием высокожирных сливок при достижении содержания жира в них более 60 %.

Показателем, характеризующим процесс сепарирования, является скорость движения жирового шарика. Выражение, полученное на основании уравнения Стокса для определения скорости движения жирового шарика в центробежном поле сепаратора (V), приведено ниже:
скорость движения жирового шарика где r – радиус жирового шарика, мкм; n – частота вращения барабана сепаратора, с–1; R – средний диаметр рабочей части тарелки сепаратора, м; ρп и ρж плотность соответственно плазмы и жира, кг/м3;
μ – вязкость, Па·с.

Из формулы следует, что скорость выделения жировых шариков находится в прямой зависимости от частоты вращения барабана и радиуса тарелки сепаратора, размера жировых шариков, разности показателей плотности плазмы и жира и обратно пропорциональна вязкости сливок.

Содержание жира в сливках 62–64 % является предельным, выше которого происходит вытеснение в плазму веществ оболочки жировых шариков (фосфолипидов и других) в результате трения жировых шариков при контакте и деформации. Вещества оболочки удаляются вместе с пахтой из барабана сепаратора. Поэтому высоко жирные сливки содержат меньше оболочечного вещества, чем сливкис массовой долей жира менее 62 %.

В результате частичного удаления веществ оболочки с поверхности жирового шарика изменяются электрический заряд жировых шариков и их подвижность в электрическом поле, уменьшаются толщина и устойчивость оболочки жировых шариков.

Например, при выработке бутербродного масла (массовая доля жира в масле 61,5 %) жировые шарики еще не подвергаются деформации, поэтому устойчивость их оболочки не была дестабилизирована механическим воздействием. В этом случае высокожирные сливки как дисперсная система обладают высокой устойчивостью и для смены фаз при термомеханической обработке в маслообразователе потребуются значительные затраты механической энергии.

На второй стадии при повышении массовой доли жира в сливках с 62–64 % до 93–95 % изменяется механизм процесса концентрирования жира: под действием центробежной силы плазма вытесняется из капиллярных пор, образующихся между жировыми шариками при деформировании. Этот процесс можно рассматривать как фильтрацию плазмы через пористый слой, которому можно уподобить высокожирные сливки.

Во время второй стадии образуется слой высокожирных сливок с плотной упаковкой жировых шариков в объеме сливок. По мере сближения жировых шариков между ними образуется очень тонкая прослойка плазмы, но жировая эмульсия (высокожирные сливки) остается неразрушенной в результате того, что во время сепарирования при некотором отношении объемов плазмы к жиру вся свободная влага переходит в связанное состояние; поверхность жирового шарика находится в состоянии предельной гидратированности. Этому способствует расплавленное состояние молочного жира (температура сливок выше точки отвердевания молочного жира).

По данным А.П. Белоусова, разрушение жировой эмульсии при сепарировании наступает при критической толщине оболочки жировых шариков, равной около 40 мкм. Критическая толщина оболочки достигается в результате уплотнения и деформации жировых шариков при увеличении содержания жира в сепарируемых сливках до 93–95 %.

При разрушении жировой эмульсии из рожка сепаратора вытекает молочный жир, барабан сепаратора быстро заполняется осадком, резко снижается производительность сепаратора и повышается содержание жира в пахте.

Стадии концентрирования жира различаются между собой по затратам механической энергии, потребной для концентрирования жира. На первой стадии энергия расходуется на преодоление сопротивления среды движению жирового шарика, а на второй – на деформацию и спрессовывание жировых шариков, вытеснение плазмы из капилляров, при этом увеличивается поверхность раздела фаз плазма – жир. С повышением содержания жира в получаемых высокожирных сливках повышаются затраты энергии на концентрирование жира в связи с увеличением сопротивления движению плазмы по узким капиллярам и увеличением поверхности раздела плазма – жир в результате дополнительной деформации жировых шариков.

Стадии различаются между собой скоростью процесса концентрирования жира. На первой стадии процесс концентрирования жира протекает быстрее, чем на второй. Замедление процесса концентрирорвания жира на второй стадии связано с тем, что скорость процесса фильтрации плазмы через мелкие поры сливочного слоя меньше, чем скорость движения жировых шариков в плазме сливок.

По мере увеличения содержания жира и уменьшения содержания влаги в получаемых высокожирных сливках скорость процесса концентрирования жира на второй стадии снижается, что приводит к снижению производительности сепаратора. По данным Ф.А. Вышемирского, при массовой доле влаги в высокожирных сливках 24,3; 19,3 и 15,3 % производительность сепаратора (марки Г9-ОСК) уменьшается соответственно до 1700, 1200 и 700 кг/час.

При сепарировании сливок получают высокожирные сливки и обезжиренную часть сливок, именуемую пахтой по аналогии с пахтой, получаемой при сбивании сливок. Молочная плазма входит в состав высокожирных сливок и обезжиренной части сливок.

Пользуясь термином «пахта», следует иметь в виду, что обезжиренная часть сливок (пахта), полученная при сепарировании сливок, значительно отличается по составу и физико-химическим свойствам от пахты, полученной при сбивании сливок в маслоизготовителях.

Поэтому термин «пахта», принятый для наименования обезжиренной части сливок, полученной при сепарировании сливок, является условным.

Факторы, влияющие на процесс сепарирования сливок при получении высокожирных сливок

На процесс получения высокожирных сливок оказывают влияние следующие факторы: массовая доля жира, степень дисперсности жировых шариков, степень дестабилизации в сепарируемых сливках и их кислотность, а также массовая доля жира в получаемых высокожирных сливках, температура сливок при сепарировании, производительность сепаратора, продолжительность непрерывной работы сепаратора.

При снижении массовой доли жира в сепарируемых сливках, при равнозначных условиях работы сепаратора, снижается массовая доля жира в получаемых высокожирных сливках, а содержание сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО) в них повышается.

По данным Ф.А. Вышемирского, при повышении массовой доли жира в сепарируемых сливках с 30 до 40 % производительность сепаратора увеличивается в 1,5 раза. При этом содержание СОМО в получаемых высокожирных сливках снижается с 1,92 до 1,66 %, а степень дестабилизации жировой дисперсии повышается на 6,5 %.

При повышении массовой доли жира в получаемых высокожирных сливках с 61,5 до 72,5 % и с 80 до 82,5 % содержание СОМО в них снижается с 3,5 до 2,5%; с 2 до 1,6 % соответственно. Производительность сепаратора по высокожирным сливкам снижается с 2075 до 700 кг/ч.

При увеличении содержания крупных жировых шариков в сепарируемых сливках производительность сепаратора повышается, потери жира при сепарировании уменьшаются.

Степень дестабилизации сливок характеризует состояние жировой дисперсии. Степень дестабилизации жировой дисперсии повышается при повышении кислотности сливок, снижении в них устойчивости белковой фазы, повышении массовой доли жира и температуры сливок при сепарировании, а также массовой доли жира в получаемых высокожирных сливках.

По данным Г.В. Твердохлеб, с повышением массовой доли жира в сепарируемых сливках с 30 до 41 % степень дестабилизации увеличивается на 6,5 %, СОМО уменьшается с 1,92 до 1,66 %. Содержание СОМО в высокожирных сливках увеличивается с 1,87 до 2,4 % при сепарировании сливок, выдержанных в течение суток при температуре 0–2 0С. Повышение степени дестабилизации сепарируемых сливок способствует увеличению производительности сепаратора и снижению жирности пахты.

Повышение кислотности плазмы в сепарируемых сливках обусловливает переход в плазму липопротеиновых мицелл с поверхности оболочки жирового шарика, уменьшение толщины оболочки жирового шарика, вследствие чего степень дестабилизации высокожирных сливок повышается, увеличивается вязкость, ускоряется накопление осадка в барабане сепаратора, сокращается продолжительность работы сепаратора, повышается массовая доля жира в пахте.

По данным Ф.А. Вышемирского, при увеличении кислотности плазмы сепарируемых сливок с 18,4 до 23,8 0Т степень дестабилизации увеличивается на 37,5 %, а массовая доля жира в пахте – в 1,5 раза.

Для предупреждения увеличения массовой доли жира в пахте при сепарировании сливок с кислотностью плазмы более 25 0Т уменьшают производительность сепаратора.

Температура сливок при сепарировании может колебаться от 60 до 85 0С (предпочтительно 65–70 0С). При сепарировании сливок при температуре 65–70 0С увеличивается долговечность и продолжительность непрерывной работы сепаратора, а также уменьшается испарение влаги. В результате понижения температуры сепарируемых сливок появляется возможность получать высокожирные сливки с относительно низкой температурой (60–65 0С); направлять их в маслообразователь, что позволяет увеличить производительность маслообразователя, а качество масла при этом не ухудшается.

При снижении температуры сепарируемых сливок (ниже 65 0С) независимо от содержания влаги в получаемых высокожирных сливках повышается содержание газовой фазы и жира в пахте вследствие повышения вязкости сепарируемых и высокожирных сливок, снижается количество СОМО.

С повышением температуры сливок при сепарировании с 80 до 90–95 0С содержание СОМО увеличивается на 0,1–0,15 % и степень дестабилизации – на 12–17 % преимущественно в результате глубоких изменений сывороточных белков в плазме и переходом их на поверхность оболочек жировых шариков, что стабилизирует устойчивость жировой эмульсии и снижает отход белков в пахту.

При температуре 85 0С степень денатурации сывороточных белков составляет 22–30 %, а при температуре 90 0С сывороточные белки коагулируют полностью.

Производительность сепаратора регулируют изменением притока сливок в барабан. При выработке сливочного масла традиционного состава (с содержанием влаги 16 %) производительность сепаратора Г9-ОСК регулируют по высокожирным сливкам в пределах 700–800 кг/час.

Производительность сепаратора независимо от вида вырабатываемого масла регулируют так, чтобы массовая доля жира в пахте не превышала 0,4 %. При регулировании производительности сепаратора по высокожирным сливкам учитывают массовую долю жира в сепарируемых и высокожирных сливках. С увеличением массовой доли жира в сепарируемых сливках повышается производительность сепаратора и увеличивается массовая доля жира в пахте. Однако суммарный отход жира в пахту не увеличивается в связи с одновременным уменьшением ее количества. При уменьшении массовой доли жира в сливках наоборот снижаются производительность и массовая доля жира в пахте. При повышении массовой доли жира в высокожирных сливках снижаются указанные показатели, при снижении массовой доли жира производительность сепаратора соответственно увеличивается, а массовая доля жира в пахте снижается.

Продолжительность непрерывной работы сепаратора зависит от качества сепарируемых сливок. При получении высокожирных сливок из высококачественных сливок и технически исправном сепараторе продолжительность его безостановочной работы составляет 1,5–3,0 часов. При увеличении количества осадка в барабане сепаратора сокращается рабочий цикл сепаратора. Скорость накопления осадка в шламовом пространстве и между тарелками в барабане сепаратора зависит от кислотности, механической загрязненности, кратности тепловой обработки, продолжительности выдержки в горячем состоянии сепарируемых сливок и др.

Нормализация высокожирных сливок

Во время сепарирования следует получать высокожирные сливки с заданным содержанием влаги, что позволит исключить последующую нормализацию их и тем самым обеспечить высокую степень дисперсности влаги в готовом продукте без дополнительной затраты энергии на диспергирование добавленной влаги во время нормализации. Нормализация приводит к понижению производительности маслообразователя. По данным Ф.А. Вышемирского, при использовании высокожирных сливок без нормализации производительность маслообразователя на 10–25 % выше, чем в случае нормализации их пахтой или сливками. При исключении нормализации повышается качество масла, включая его консистенцию, вкус и запах.

Получать высокожирные сливки с требуемым содержанием влаги представляется возможным в процессе сепарирования исходных сливок посредством регулирования работы сепаратора (производительностью).

Однако в практике нередко получают высокожирные сливки, в которых содержание компонентов отличается от требуемого, возникает необходимость нормализации высокожирных сливок по влаге, СОМО.

При нормализации высокожирных сливок необходимо знать их объем, массовую долю влаги и содержание СОМО. Объем высокожирных сливок определяют, пользуясь мерной линейкой, поставляемой в комплекте с нормализационными ваннами. Градуируют линейку путем внесения в ванну заданного объема воды при температуре 20 0С. Объем (V) высокожирных сливок в литрах пересчитывают на массу Мв.с, кг, пользуясь формулой:

Мв.с = V·  0,904, где 0,904 – плотность высокожирных сливок при массовой доле жира 83 % и температуре 65 0С, кг/м3.

Плотность высокожирных сливок при массовой доле жира 78,0; 72,5 и 61,5 % составляет соответственно 0,913; 0,920 и 0,933 кг/м3.

Массовую долю влаги и СОМО определяют аналитически.

Во время анализа на содержание влаги из высокожирных сливок испаряется не вся влага, остается влага, прочно связанная с белком, так называемая связанная влага. Количество связанной влаги не является постоянной величиной и зависит от состава и качества сепарируемых сливок, массовой доли жира и СОМО в высокожирных сливках, периода года, а также от температуры высокожирных сливок. При снижении температуры высокожирных сливок от 70–75 0С до 30–35 0С содержание связанной влаги уменьшается в среднем на 0,5 %. Поэтому во избежание ошибок (что может быть причиной неправильного учета выхода масла) следует не допускать до начала анализа охлаждение пробы высокожирных сливок. Количество связанной влаги колеблется в пределах от 0,4 до 1,2 %. В расчетах по нормализации массовую долю связанной влаги принимают равной 0,6 %. Фактическое содержание связанной влаги в высокожирных сливках следует периодически уточнять путем сопоставления содержания влаги в неохлажденных высокожирных сливках после нормализации и в полученном из них масле.

Требуемое количество нормализующих молочных добавок (пахты, молока, сливок, молочного жира, сухого, сгущенного обезжиренного молока и др.), используемых для нормализации высокожирных сливок, рассчитывают по формулам. В формулах при расчетах, связанных с определением недостающего количества влаги, массовую долю влаги в нормализованных высокожирных сливках принимают ниже, чем требуется по стандарту, чтобы выработать масло с массовой долей влаги в пределах, допустимых стандартом. Эта массовая доля влаги именуется нормативной массовой долей влаги. Соответственно составляет для сладкосливочного, любительского, крестьянского и бутербродного масла 15,8; 19,7; 24,7; 34,3 %. Превышение массовой доли влаги в масле на 0,2 % против установленного стандартом не допускается.

Нормализация высокожирных сливок по массовой доле влаги

При получении высокожирных сливок обычно завышают массовую долю жира в них, а затем нормализуют по содержанию влаги путем добавления в высокожирные сливки пахты или пастеризованного молока или сливок. При выработке вологодского масла высокожирные сливки нормализуют высококачественными пастеризованными сливками. Не рекомендуется использовать для нормализации воду и обезжиренное молоко. При внесении их в высокожирные сливки ухудшается вкус и запах масла, а в случае нормализации водой снижается массовая доля СОМО в масле.

Требуемое количество пахты (Мп) для нормализации высокожирных сливок до заданной массовой доли влаги рассчитывают, пользуясь формулой

Требуемое количество пахты (Мп) для нормализации высокожирных сливок до заданной массовой доли влаги

где Мв.с – масса нормализуемых высокожирных сливок, кг;  К – коэффициент нормализации, определяющий массу пахты, которую требуется добавить на каждые 100 кг высокожирных сливок для повышения в них массовой доли влаги на 1 %.

Численное значение коэффициента нормализации пахтой (Кп) рассчитывают по формуле:

исленное значение коэффициента нормализации пахтой (Кп)

где Впх – массовая доля влаги в пахте, используемой для нормализации; Вмс – нормативная массовая доля влаги в масле, %.

При нормализации высокожирных сливок пахтой величина коэффициента нормализации изменяется в зависимости от массовой доли сухих веществ в пахте: увеличивается с 1,3 до 1,34 при увеличении массовой доли сухих веществ в пахте с 7 до 9,5 % в пахте, спользуемой для нормализации высокожирных сливок при массовой доле влаги в масле 15,8 %.

Недостающее содержание влаги в нормализуемых высокожирных сливках Нв, %, определяют, пользуясь уравнением:

Нв = Вм.с – Вв.с – Св,

где Вмс – нормативное содержание влаги в масле, %; Вв.с – фактическая массовая доля влаги в неохлажденных высокожирных сливках до нормализации, %; Св – массовая доля связанной влаги, до нормализации в неохлажденных высокожирных сливках, не испарившейся во время лабораторного анализа, %.

Требуемое количество молока и сливок для нормализации высокожирных сливок по содержанию массовой доли влаги рассчитывают, пользуясь уравнением, приведенным выше для нормализации пахтой. Численное значение коэффициента нормализации (К) при нормализации сливками (Ксл) и молоком (Км) определяют по формулам:

Численное значение коэффициента нормализации (К) при нормализации сливками (Ксл) и молоком (Км)

где Всл и Вм – массовая доля влаги в сливках и молоке, используемых для нормализации.

Нормализация высокожирных сливок молочным жиром

Если массовая доля влаги в высокожирных сливках завышена, их нормализуют доброкачественным молочным жиром, топленым маслом или высокожирными сливками с более низкой массовой долей влаги.

Требуемое для нормализации высокожирных сливок количество молочного жира (Мж) рассчитывают по формуле:

Требуемое для нормализации высокожирных сливок количество молочного жира (Мж)

где Мв.с – масса нормализуемых высокожирных сливок, кг; Вв.с – массовая доля влаги в нормализуемых высокожирных сливках до нормализации; Вмс – нормативная массовая доля влаги в масле, %; Вж – массовая доля влаги в молочном жире, используемом для нормализации, %.

Нормализация высокожирных сливок по СОМО

Массовая доля СОМО в сливочном масле составляет 1 % по отношению к массовой доле влаги в нем, соответственно в сладкосливочном, любительском, крестьянском и бутербродном 1,5; 2,0; 2,5; 3,5 %. В случаях, если массовая доля СОМО в масле меньше нормативной, рекомендуется нормализовать высокожирные сливки по влаге пахтой, содержащей повышенное количество сухих веществ (в результате использования сухого или обезжиренного молока или пахты, которые предварительно восстанавливают в натуральной пахте). Требуемое для нормализации количество сухого или сгущенного обезжиренного молока или пахты (Мсом), рассчитывают по сухому веществу, используя формулу:

для нормализации количество сухого или сгущенного обезжиренного молока или пахты (Мсом), рассчитывают по сухому веществу

где Мв.с – количество нормализуемых высокожирных сливок, кг; Смсн –нормативная массовая доля СОМО в масле, %; Смсф – фактическая массовая доля СОМО в масле, %; Ссом – массовая доля СОМО в сухом или сгущенном обезжиренном молоке, %.

Затем по формуле, приведенной выше, или по таблице находят количество пахты, требуемое для нормализации по влаге высокожирных сливок. Сухое или сгущенное обезжиренное молоко растворяют в небольшом количестве пахты при температуре 30–35 0С, процеживают, смешивают с оставшимся количеством горячей пахты и вносят в нормализационную ванну.

Порядок нормализации высокожирных сливок

Высокожирные сливки нормализуют в нормализационных ваннах. Линию для получения масла методом преобразования высокожирных сливок комплектуют обычно тремя ваннами для нормализации. Пока одна ванна наполняется, во второй осуществляется нормализация, а из третьей нормализованные высокожирные сливки подаются винтовым насосом в маслообразователь.

Требуемое количество нормализующих добавок вносят в горячие высокожирные сливки при работающей мешалке. Перемешивают высокожирные сливки мешалками в течение 1–2 минут через каждые 10–15 минут, чтобы обеспечить равномерное распределение составных частей в объеме высокожирных сливок и избежать выделение свободного жира в поверхностном слое. Ванны заполняют поочередно и в том же порядке их освобождают. Ванны закрывают крышками, чтобы избежать испарения влаги, что влечет за собой различную массовую доли влаги в отдельных блоках (ящиках). Пахту, используемую для нормализации, отбирают непосредственно на выходе из сепаратора.

Нормализованные высокожирные сливки, содержащиеся в одной ванне, должны быть подвергнуты термомеханической обработке в маслообразователе в течение 30–40 минут. Задержка влечет за собой ухудшение вкуса и консистенции масла.

От способа нормализации зависят содержание СОМО в нормализованных высокожирных сливках, их вязкость, а также твердость масла. В нормализованных высокожирных сливках пахтой вязкость ниже, а массовая доля СОМО выше, чем в высокожирных сливках без нормализации.

По данным Ф.А. Вышемирского, вязкость высокожирных сливок при массовой доле влаги 24,2 %, СОМО 2,56; 2,55; 2,60, температуре 60 0С составляет соответственно при нормализации сливками 258,4 ± 34,7, пахтой – 240,5 ± 38,7, без нормализации – 292,1 ± 33,2 ·103 Па·с.

Твердость масла, выработанного из высокожирных сливок, нормализованных пахтой, сравнительно выше, а восстанавливаемость структуры ниже, чем у масла, выработанного из высокожирных сливок без нормализации.

Зависимость между способами нормализации и прочностными характеристиками масла связана с тем, что с пахтой при нормализации вносят вещества, которые оказывают влияние на процесс структурообразования в масле (ди- и моноглицериды и др.).

При производстве бутербродного масла нормализация высокожирных сливок пахтой или сливками не оказывает существенного влияния на свойства масла.