Масложировая промышленность

Сбивание сливок для производства сливочного масла

В этой статье:

Сбивание сливок представляет собой одну из операций технологического процесса производства масла, при выполнении которой осуществляется одна из стадий процесса маслообразования, включающая в себя объединение частично отвердевших разрозненных жировых шариков в комочки жира. Комочки жира образуются в результате сложных физико-химических и гидродинамических процессов, происходящих в сливках во время сбивания. Образовавшиеся комочки жира выделяют из плазмы сливок в виде масляного зерна. После выделения масляного зерна из плазмы остается обезжиренная часть сливок, именуемая пахтой, содержащая некоторое количество жира. Сбивание сливок сопровождается образованием пены. Пена представляет собой дисперсию воздушных пузырьков. Сливки сбивают в маслоизготовителях периодического и непрерывного действия. Для сбивания сливок может применяться и другое оборудование.

Сбивание сливок осуществляется в результате их гравитационного перемешивания в маслоизготовителях периодического действия и с помощью мешалки в маслоизготовителях непрерывного действия.

Современные представления о процессе маслообразования при сбивании сливок

Современные представления о сущности и механизме процесса маслообразования при сбивании сливок даны в так называемых теориях сбивания. Авторы этих теорий изложили свои представления о процессе сбивания сливок с учетом сложных физико-химических, микро- и макропроцессов, протекающих в сливках во время сбивания, и гидродинамических условий сбивания. В каждой теории рассматривается некоторая часть физико-химических и гидродинамических процессов. В общем эти теории отражают совокупность реальных процессов маслообразования при сбивании сливок и их роль в агрегации жировых шариков во время сбивания сливок.

Флотационная теория

Флотационная теория Данную теорию впервые предложили за рубежом В. Ван-Дам, Б. Хольверд, Н. Мульдер. В нашей стране флотационную теорию предложил и развил А.П. Белоусов. Авторы этой теории описывают процесс агрегации жировых шариков при их взаимодействии с воздушными пузырьками и поверхностью раздела воздух – сливки, образующегося при сбивании сливок.

А.П. Белоусов выделяет две стадии процесса агрегации жировых шариков в поверхности раздела сливки–воздух. Во время первой стадии жировые шарики с частично отвердевшим жиром и с частично разрушенной оболочкой во время физического созревания сливок флотируются воздушными пузырьками, количество которых в процессе сбивания увеличивается, происходит их сближение до взаимодействия и последующее соединение друг с другом в результате слипания. При этом образуются первичные поверхностные агрегаты.

Агрегация жировых шариков становится возможной благодаря их сжатию под воздействием поверхностного давления флотированных жировых шариков при деформации воздушных пузырьков во время перемещения в сливках под воздействием градиента скорости. Дальнейший рост агрегатов в большей степени происходит путем агрегации в объеме сливок по принципу ортокинетической коагуляции. Начиная с некоторого предельного размера, агрегаты перестают стабилизировать воздушные пузырьки, что влечет за собой разрушение пены.

Способность флотироваться жировые шарики приобретают в результате потери некоторой части оболочных веществ наиболее гидрофильных липопротеиновых комплексов во время физического созревания сливок. Причиной флотации является различная поверхностная активность липопротеинового комплекса оболочки жирового шарика и белков молока. Липопротеиновый комплекс оболочки жирового шарика более поверхностно-активен как на пограничной поверхности плазма–жир, так и на пограничной поверхности плазма–воздух по сравнению с любым другим веществом плазмы. При соприкосновении жирового шарика с воздушным пузырьком наиболее поверхностно-активные компоненты оболочки жирового шарика перемещаются на пограничную поверхность сливки–воздух, вытесняя из нее белки плазмы в плазму сливок. В результате такого перераспределения оболочного вещества происходит разрыв оболочки жирового шарика в точке его контакта с пограничной поверхностью; жировой шарик вовлекается (флотируется) на пограничную поверхность плазма–воздух.

Часть жидкого жира выделяется из жирового шарика и растекается в виде очень тонкого (мономолекулярного) слоя по внутренней поверхности пузырька, образуя первичный флотационный слой, состоящий из флотированных жировых шариков, слипшихся друг с другом посредством жидкой фракции жира. Растекание жидкого жира обусловлено более низкой удельной поверхностью энергии жира на границе с воздухом – 34,5 · 10–3 Н/м (34,5 дин/см) при температуре 20 °С по сравнению с поверхностной энергией жира на границе с плазмой – 49 · 10–3 Н/м (49 дин/см). На второй стадии происходит рост агрегатов жировых шариков.

При столкновении воздушных пузырьков с гидрофобизированными жировыми шариками или агрегатами, находящимися в плазме, происходит их прилипание к поверхности флотационного слоя воздушных пузырьков, а также агрегация воздушных пузырьков с флотированными отвердевшими жировыми шариками. В конце второй стадии образуется структурированная агрегатная пена. Агрегатная пена состоит из мелких пузырьков, отделенных друг от друга неподвижными прослойками жидкости (плазмы). Неподвижные связи в прослойках необратимо разрушаются под влиянием механических воздействий. Вторая стадия заканчивается разрушением агрегатной пены с образованием мелких комочков жира из слипшихся жировых шариков, именуемых маковым зерном.

А.П. Белоусов делит весь процесс сбивания сливок с учетом формирования агрегатной пены на три стадии:

  1. до начала формирования агрегатной пены;
  2. формирование агрегатной пены;
  3. заключительная стадия формирования масляного зерна.

Характеризуя процесс маслообразования при сбивании сливок в маслоизготовителях непрерывного действия, А.П. Белоусов отмечает, что в маслоизготовителе непрерывного действия процесс маслообразования в принципе не отличается от процесса, происходящего в маслоизготовителе периодического действия. Особенностью процесса маслообразования в маслоизготовителях непрерывного действия является то, что он протекает в условиях большей интенсивности механического воздействия на сливки. В этих условиях преобладающей является агрегация жировых шариков в свободной поверхности сливок, увеличивается роль свободной поверхности сливок, граничащей с воздухом. Поверхность раздела воздух – сливки образуется при разрыве потока сливок (кавитации) в результате интенсивного вращения мешалки. Эта свободная поверхность сливок выполняет ту же функцию, что и в маслоизготовителе периодического действия. В свободной поверхности воздушные пузырьки после столкновений с поверхностью коалесцируют (разрушаются).

В маслоизготовителе непрерывного действия возрастают скорость образования новых поверхностей раздела сливки – воздух и скорость перемещения воздушных пузырьков в направлении свободной поверхности, что приводит к ускорению процесса вовлечения жировых шариков на поверхность раздела, а также к ускорению их агрегации. Разрушение воздушной дисперсии начинается, когда число единичных (дискретных) жировых шариков становится недостаточным для стабилизации вновь образующихся воздушных пузырьков.

В маслоизготовителях непрерывного действия вследствие резкого возрастания интенсивности механического воздействия увеличивается роль агрегации жировых шариков при их столкновении с участием жидкого жира в объеме сливок.

Теория Н. Кинга и Р. Фритца

Механизм агрегации жировых шариков с участием воздушных пузырьков был рассмотрен Н. Кингом и Р. Фритцем. Авторы теории считают, что слипание жировых шариков происходит при внезапном разрыве оболочки воздушного пузырька; при этом жировые шарики, находящиеся внутри оболочки, сдвигаются и прижимаются друг к другу так, что часть из них слипается. Для агрегации жировых шариков необходимы следующие условия: выделение из жировых шариков свободного жира; близкое расположение жировых шариков внутри оболочки; энергия, сближающая жировые шарики при разрыве оболочки воздушного пузырька, должна превышать сопротивление оболочки жировых шариков разрушению.

Физико-химическая теория М.М. Казанского

Автором показана роль физического созревания сливок в процессе маслообразования при сбивании сливок. Согласно теории, объединение жировых шариков происходит вследствие частичного отвердевания жира и одновременного снижения отрицательного электрического заряда адсорбционных оболочек жировых шариков.

При отвердевании жира вследствие перехода части оболочных веществ с поверхности жировых шариков в плазму снижаются стабильность и прочность оболочки; образование пены в сливках во время сбивания способствует переходу оболочного вещества в плазму, а затем во вновь образующуюся поверхность раздела сливки – воздух.

Во время физического созревания происходит деформация жировых шариков, вследствие чего оболочка подвергается действию напряжений, способных вызвать появление трещин на оболочке, через которые просачивается жидкий жир, вызывая фобизацию и комкование жировых шариков. Жировые шарики, на которых оболочка сохранилась, не участвуют в образовании комочков и переходят в пахту.

Кавитационная теория

Данная теория была предложена В.Д. Сурковым. При перемешивании сливок при определенных скоростях движения в объеме сливок создаются условия, благоприятные для образования пустот – каверн, в результате разрыва потока при критической скорости в местах пониженного давления. При этом появляются новые поверхности раздела внутри объема сливок.

Различают два цикла агрегации жировых шариков в кавитационной полости. В течение первого цикла жировые шарики выделяются на вновь образующуюся поверхность раздела. Во втором цикле происходит обрушение полости потоками жидкости повышенного давления. При этом конденсируются пары и растворяются газы.

Обрушение полости имеет характер гидравлического удара. В течение второго цикла жировые шарики сдавливаются и соединяются оплавленными поверхностями, образуя комочки жира. По мнению А.П. Белоусова, физико-химические процессы на поверхности кавитационных полостей и на поверхности воздушных пузырьков протекают аналогично.

Гидродинамическая теория

Согласно гидродинамической теории, жировые шарики могут слипаться в жидкостных вихрях, образующихся в объеме сливок. Процесс вихреобразования в сливках впервые был изучен Г.А. Куком, предложившим гидродинамическую теорию маслообразования, основанную на том, что в процессе сбивания сливок возникают микро- и макровихри. Микровихри, характерные для ламинарного режима, вызывают вращение жировых шариков. Температура поверхности вращающегося жирового шарика заметно повышается в результате затраты работы на трение. Тепло от места его возникновения распространяется в окружающую жидкость и внутрь жирового шарика, вызывая плавление наиболее низкоплавких триглицеридов. Вследствие стремительного вращения жирового шарика его диффузный слой разрушается.

Жировой шарик, подвергнувшийся такой обработке, выбрасывается в турбулентный поток сливок и попадает в сферу действия макро-вихрей, представляющих собой маленькую центрифугу. Сепарирующая способность макровихря достаточна для сближения жировых шариков вплоть до контакта их поверхностей. На оси вихря жировые шарики концентрируются, и благодаря высокому давлению происходит их спрессовывание между собой, которое и приводит к агрегации жировых шариков с образованием первичных комочков жира.

Сбивание сливок в маслоизготовителях периодического действия

В настоящее время в промышленности используются безвальцовые металлические маслоизготовители с емкостями из нержавеющей стали цилиндрической, конической и других форм. В емкостях размещены лопасти для интенсивного перемешивания сбиваемой массы и сбрасывания пласта масла в период обработки.

Сливки в емкость подаются насосом или засасываются при создании соответствующего разрежения. Масло выгружается через люк.

Стадии сбивания сливок

Различают три стадии сбивания сливок:

  • образование дисперсии воздушных пузырьков;
  • разрушение дисперсии воздушных пузырьков, включая стадии образования и разрушения агрегатной пены;
  • заключительная стадия формирования масляного зерна.

На стадии образования дисперсии воздушных пузырьков в период сбивания сливок происходят образование и разрушение пузырьков. Пузырьки образуются в результате диспергирования воздуха в сливках во время их перемешивания, а разрушаются в поверхностном слое сливок, граничащем с воздухом.

Пузырьки воздуха появляются в поверхностном слое сливок и вновь увлекаются потоками жидкости внутрь объема сливок до тех пор, пока не разрушаются в результате коалесценции со свободной поверхностью. Пузырек разрушится в том случае, если продолжительность пребывания пузырька в поверхностном слое сливок достаточна для растягивания оболочки пузырька до критической толщины.

Степень заполнения маслоизготовителя сливками должна быть такой, чтобы продолжительность контакта пузырьков с воздухом соответствовала необходимой скорости их разрушения.

Продолжительность пребывания воздушных пузырьков в свободной поверхности сливок при сбивании в маслоизготовителе может быть недостаточной для их разрушения при значительном заполнении емкости маслоизготовителя (55 %) сливками или обильном их вспенивании. В этом случае принимают специальные меры для разрушения пены. В первые 5–10 мин сбивания объем воздуха, заключенного в воздушных пузырьках, достигает 90 % от объема сливок, и поверхность воздушных пузырьков в 1 л смеси составляет 80 м2.

На первой стадии сбивания разрушается меньше пузырьков, чем образуется. В результате: увеличиваются общее число пузырьков, объем воздушной дисперсии и поверхность контакта воздух – сливки; образуется структурированная подвижная пена вследствие превращения некоторого количества или всего объема сливок в тонкие прослойки между пузырьками пены. На первой стадии завершается процесс включения новых объемов воздуха в сбиваемые сливки.

Первая стадия заканчивается, когда число образующихся воздушных пузырьков равно числу разрушенных.

На второй стадии происходит разрушение дисперсии воздушных пузырьков вследствие уменьшения свободных жировых шариков, стабилизирующих воздушные пузырьки. При этом резко уменьшается скорость образования воздушных пузырьков, что приводит к резкому снижению количества воздушных пузырьков в сбиваемых сливках после достижения максимальной величины. При этом в сливки включается меньше воздуха, чем удаляется, а объем воздушной дисперсии уменьшается.

В конце второй стадии образуется структурированная система, представляющая собой агрегатную пену. Стадией агрегатной пены завершается период сбивания, в течение которого в сливках продолжает существовать воздушная дисперсия. Агрегатная пена представляет собой структурированную дисперсную систему, обладающую механической прочностью. Объем агрегатной пены увеличивается, главным образом, в результате включения в нее не воздуха, а плазмы сливок. Плазма сливок расходуется на создание новой поверхности, образующейся в результате раздробления крупных пузырьков на мелкие. Часть плазмы сливок механически удерживается агрегатной пеной.

Вторая стадия заканчивается разрушением агрегатной пены и образованием мелких комочков жира из слипшихся жировых шариков, именуемых маковым зерном.

На третьей стадии завершается образование масляного зерна путем соединения первичных агрегатов жировых шариков, образовавшихся на предыдущих стадиях сбивания сливок, и в результате распада структуры агрегатной пены.

Характеристика процесса сбивания сливок

Основными показателями, характеризующими процесс сбивания сливок, являются: продолжительность сбивания; содержание жира в пахте; изменение температуры сливок; размеры и консистенция масляного зерна, образовавшегося при сбивании сливок; затраты мощности. Эти показатели служат для оценки степени завершенности процесса сбивания сливок в маслоизготовителях как периодического, так и непрерывного действия и влияния условий сбивания на процесс сбивания.

Продолжительность сбивания сливок

При выработке масла с массовой долей влаги 16, 20 и 25 % продолжительность сбивания сливок в безвальцовых маслоизготовителях допускается от 45 до 60 мин независимо от формы рабочей емкости маслоизготовителя.

Содержание жира в пахте

По действующим нормативам массовая доля жира в пахте не должна превышать 0,4 % при сбивании сливок в маслоизготовителе периодического действия и 0,7 % при сбивании сливок в маслоизготовителях непрерывного действия.

Степень использования жира исходных сливок при их сбивании рассчитывают по формуле

Степень использования жира исходных сливок при их сбивании рассчитывают по формуле

где Жмс, Жсл, Жпх – массовая доля жира в масле, сливках, пахте, %; П – норма потерь жира, %.

Изменение температуры сливок

При сбивании температура сливок постепенно возрастает. Главным источником теплоты является превращение механической энергии в тепловую. Повышение температуры сливок в процессе их сбивания связано также с теплообменом между сливками и окружающим воздухом помещения через стенку маслоизготовителя, с изменением агрегатного состояния молочного жира и поверхностными явлениями при сбивании сливок.

Повышение температуры в результате изменений агрегатного состояния молочного жира имеет место в том случае, когда сбиваются сливки, содержащие молочный жир, который частично отвердевает в процессе сбивания. Количество выделяемой при этом скрытой теплоты плавления возрастает с увеличением содержания жира и более низкой начальной степени отвердевания жира. Скрытая теплота плавления молочного жира составляет 7,0 кДж/кг. Во время сбивания сливок возможно расплавление некоторых наиболее низкоплавких триглицеридов с поглощением теплоты. Влияние этого фактора незначительно. Прирост температуры сливок за весь период сбивания не должен превышать 1,5–2 °С.

Размеры и консистенция масляного зерна

Размеры и консистенция масляного зерна оказывают существенное влияние на формирование структуры и консистенции сливочного масла. От размера и консистенции масляного зерна зависят влагоудерживающая способность пласта масла, образующегося при механической обработке масляных зерен, и содержание влаги в готовом продукте.

Масляные зерна образуются при разрушении агрегатной пены. Масляное зерно представляет собой слипшиеся друг с другом частично или полностью отвердевшие жировые шарики, содержит плазму сливок, которая удерживается в капиллярах, состоит из агрегатов кристаллов триглицеридов молочного жира, объединенных в комочки со сложной структурой, характерной для эмульгосуспензий.

Из кристаллов триглицеридов образуется кристаллический каркас, благодаря чему масляное зерно сохраняет форму. Жидкий молочный жир в масляном зерне является основной непрерывной фазой. Основой жесткого каркаса образующихся масляных зерен являются связи между частицами твердого жира кристаллизационного типа. В капиллярах жидкого жира содержатся капли диспергированной плазмы, внутри которых возможно наличие отдельных жировых шариков.

Внутри зерна содержится небольшое количество влаги, смачивающей неразрешенные участки оболочки жировых шариков, включенных в агрегаты. Поверхность масляного зерна в значительной степени покрыта жидким жиром. Масляное зерно должно быть получено определенных размеров с желаемой структурой и консистенцией.

Оптимальный размер масляного зерна при сбивании сливок в маслоизготовителе периодического действия находится в пределах 3–5 мм, но возможно отклонение в сторону увеличения в зависимости от конструкции маслоизготовителя, химического состава молочного жира, режима подготовки сливок к сбиванию.

При выработке масла с повышенным содержанием влаги увеличивают размер масляного зерна с целью повышения влагоудерживающей способности. При правильно выбранных условиях и режиме сбивания в маслоизготовителях периодического действия образуется масляное зерно с компактной структурой правильной округлой формы с гладкой поверхностью; в маслоизготовителях непрерывного действия – рыхлое с неровной поверхностью.

При недостаточной степени отвердевания молочного жира образуется мягкое масляное зерно с повышенной способностью к смачиванию и слипанию, что затрудняет механическую обработку масла. При избыточном отвердевании молочного жира получается излишне твердое масляное зерно. С повышением твердости масляного зерна уменьшается его способность к смачиванию.

Масляное зерно отделяется от пахты путем стекания пахты из смеси, при этом формируется масса масляных зерен. Масляные зерна являются средой, через которую фильтруется пахта при стекании. Содержание влаги в масляных зернах иногда именуют влагоемкостью массы масляных зерен, содержание влаги в готовом масле – конечной влагоемкостью масляных зерен после механической обработки.

Основное количество влаги, удерживаемой массой масляных зерен, находится вне зерен в виде влаги, связанной с поверхностью масляных зерен в результате прилипания (адгезии). В массе масляных зерен содержится больше капиллярной влаги, чем влаги, связанной с поверхностью зерен. При образовании капилляров поверхностная влага входит в состав капиллярной влаги.

В соответствии с классификацией форм связи жидкой фазы в пористых телах, предложенной П. Ребиндером, влага смачивания и капиллярная влага относятся к механически связанной влаге. Некоторое количество влаги, удерживаемой массой масляных зерен, находится внутри единичных масляных зерен в виде диспергированной влаги, изолированной в жидком жире. Количество диспергированной влаги увеличивается внутри масляного зерна с увеличением его размера. Содержание влаги в массе масляных зерен колеблется в широких пределах (от 15 до 50 %) и зависит от размера масляного зерна и степени отвердевания молочного жира.

При уменьшении размера зерна увеличивается массовая доля влаги, заполняющей промежутки между масляными зернами, поэтому при мелком масляном зерне в пласт масла врабатывается больше поверхностной влаги. С увеличением размера масляных зерен общее содержание влаги уменьшается.

Условия, влияющие на сбивание сливок

Наиболее важными условиями, влияющими на сбивание сливок, являются: начальная температура сливок, степень наполнения емкости маслоизготовителя, число оборотов емкости маслоизготовителя, степень отвердевания жира, содержание жира в сливках, химический состав и свойства молочного жира. Влияние условий на результаты сбивания необходимо учитывать при выборе начальной температуры сливок.

Температура сливок

Начальная температура сливок является одним из основных условий получения масляного зерна желаемой консистенции и эффективности процесса маслообразования.

Температура сбиваемых сливок оказывает влияние на продолжительность сбивания и содержание жира в пахте. Путем изменения начальной температуры сливок можно регулировать процесс сбивания.

При повышенной начальной температуре сливок во время сбивания образуется крупнодисперсная пена, малоустойчивая при механическом воздействии; понижается количество отвердевшего жира в результате расплавления некоторых низкоплавких триглицеридов; увеличивается количество жидкой фракции молочного жира.

Под избытком жидкого жира понимается устойчивость образующихся пузырьков пены. Жидкий жир может перейти в плазму, где диспергируется, повышая содержание жира в пахте. Поэтому при повышенной начальной температуре сливок продолжительность сбивания сокращается, содержание жира в пахте увеличивается, масляное зерно получается излишне мягким.

Чем выше температура сбиваемых сливок, тем больше жира переходит в пахту. В случае сбивания сливок при температуре ниже рекомендуемой образуется устойчивая пена, содержащая мелкие воздушные пузырьки, вследствие чего затрудняется ее разрушение и увеличивается продолжительность процесса сбивания.

Степени наполнения емкости маслоизготовителя

Рекомендуются следующие степени наполнения емкости маслоизготовителя при сбивании сливок: минимальная 25 %, максимальная 50 %. Степень наполнения емкости маслоизготовителя снижают с увеличением содержания жира и повышают с понижением содержания жира. При заполнении емкости маслоизготовителя на 40 % достигается максимальная поверхность воздушных пузырьков, что способствует снижению содержания жира в пахте.

При наполнении емкости маслоизготовителя более чем на 50 % уменьшается высота падения сливок, вследствие чего замедляется образование пены, и процесс сбивания сливок удлиняется.

Если при вспенивании сливки заполняют емкость маслоизготовителя полностью, то сбивания не происходит. В таком случае часть сливок удаляют, и продолжают сбивание.

В случае недостаточного наполнения емкости маслоизготовителя сливками процесс образования масляного зерна протекает ускоренно, в силу чего часть жировых шариков не успевает агрегировать и остается в пахте, понижая степень использования жира.

Однако при минимальном наполнении емкости маслоизготовителя продолжительность сбивания не сокращается, а увеличивается в результате растекания сливок по стенкам и медленного их перемещения по поверхности. Минимальная степень наполнения емкости маслоизготовителя составляет 25 %. При степени наполнения емкости маслоизготовителя менее 25 % центробежная сила прижимает сливки к стенке маслоизготовителя тонким слоем. Прекращается перемешивание сливок, вследствие чего сбивания сливок не происходит. При излишнем и недостаточном наполнении емкости маслоизготовителя затрудняется механическая обработка масла.

Число оборотов емкости маслоизготовителя

Число оборотов емкости маслоизготовителя должно быть таким, чтобы обеспечить при сбивании подъем сливок на максимально возможную высоту с последующим их свободным падением или стеканием под действием силы тяжести, что необходимо для возникновения градиента скорости в объеме сливок и диспергирования воздуха в сливках.  Необходимые условия для сбивания сливок достигаются, когда центробежное ускорение (w2 · R = a) меньше земного ускорения (g), а именно a < g.

При нормальном наполнении число оборотов емкости маслоизготовителя в минуту определяется по формуле:

При нормальном наполнении число оборотов емкости маслоизготовителя в минуту

где b = 0,7–0,8; R – внутренний радиус рабочей емкости маслоизготовителя.

Если число оборотов емкости маслоизготовителя окажется чрезмерно высоким (выше критического), то центробежное ускорение превысит ускорение силы тяжести, сливки прижмутся к стенке емкости маслоизготовителя центробежной силой, падения сливок не произойдет, агрегация жировых шариков прекратится. Скорость движения сливок в рабочей емкости маслоизготовителя – 5–7 м/с.

Содержание жира в сливках

Массовая доля жира в сливках оказывает существенное влияние на результаты сбивания. С ее увеличением повышается концентрация жировых шариков в единице объема сливок. При прочих равных условиях в этом случае сокращается одна стадия сбивания и, соответственно, образование масляного зерна. Существенная роль при сбивании сливок с повышенной концентрацией жира принадлежит гидродинамическим факторам вследствие чрезмерного повышения вязкости сливок. Это необходимо учитывать при выборе частоты вращения рабочей емкости маслоизготовителя.

При сбивании сливок с повышенным содержанием жира рекомендуется снижать число оборотов емкости маслоизготовителя, чтобы сливки успели оторваться от ее стенок и процесс сбивания не затянулся, а также получить масляное зерно более крупного размера, что облегчает регулирование состава масла при последующей обработке. При сбивании сливок с повышенным содержанием жира начальную их температуру понижают.

В сливках с массовой долей жира до 37 % продолжительность сбивания сокращается в связи с ускорением агрегации жировых шариков, при этом повышается содержание жира в пахте. С увеличением массовой доли жира в сливках выше 37 % продолжительность сбивания сливок увеличивается в связи с замедлением скорости разрушения воздушных пузырьков и агрегатной пены из-за увеличения вязкости сливок.

Особенно большое увеличение вязкости сливок наблюдается в период образования структурированной агрегатной пены, при этом увеличивается степень прилипания сливок к стенке емкости маслоизготовителя. Сливки, прилипшие к стенкам, вращаются вместе с емкостью маслоизготовителя с одинаковой скоростью. Если перемешивание сливок прекращается, то прекращается и образование масляного зерна. Во избежание подобных явлений рекомендуемое содержание жира в сливках, предназначенных для сбивания в маслоизготовителях периодического действия, составляет 32-37 %.

Увеличение содержания жира в пахте при сбивании сливок с повышенным содержанием жира связано с тем, что более жирные сливки, по сравнению с менее жирными, содержат в единице объема больше мелких жировых шариков, переходящих при сбивании в пахту.

Увеличение содержания жира в пахте при сбивании сливок с более высоким содержанием жира оказывает незначительное влияние на степень использования жира, так как пахты получается меньше.

Размер жировых шариков

На сбивание сливок оказывает влияние размер жировых шариков. При сбивании гомогенизированных сливок масляное зерно получить невозможно, так как в этом случае при малых размерах жировых шариков (менее 1 мкм) сила давления одного шарика на другой, возникающая при их столкновении, недостаточна для преодоления энергетического и структурно-механического барьера между ними. При сбивании сливок, содержащих мелкие жировые шарики, что наблюдается при получении сливок из стародойного молока и молока некоторых пород скота, продолжительность сбивания увеличивается, жирность пахты повышается вследствие уменьшения вероятности слипания жировых шариков при столкновении.

Степень отвердевания жира

Во время низкотемпературной подготовки сливок достигается устойчивое состояние между содержанием твердого и жидкого жира. В сливках, которые не достигли устойчивого состояния во время низкотемпературной подготовки, часть жира отвердевает во время их сбивания, что неблагоприятно отражается на сбивании и консистенции масла. Процесс сбивания протекает нормально при массовой доле отвердевшего жира в сливках 32–35 %; при этом достигается необходимая степень гидрофобности (несмачиваемость поверхности водой) жировых шариков, что обеспечивает лучшее использование жира.

В сливках с пониженным содержанием отвердевшего жира – ниже 30 % (недозревшие сливки) – повышаются удельная поверхностная энергия и вязкость, что при сбивании приводит к образованию малоустойчивой пены, содержащей крупные воздушные пузырьки, которая быстро разрушается, от чего продолжительность сбивания сокращается. Разрушению пены способствует излишнее количество жидкого жира, адсорбированного на поверхности воздушных пузырьков.

При излишнем количестве жидкого жира образуется неравномерное по размерам мягкое масляное зерно, содержащее в большом количестве диспергированную плазму, которая не удаляется во время промывки и обработки, от чего повышается содержание влаги в масле и возникают пороки масла – крупные капли влаги. Сливки с недостаточным содержанием отвердевшего жира следует сбивать при пониженных температурах.

В сливках с повышенным содержанием отвердевшего жира – выше 35 % («перезревшие сливки») понижается удельная поверхностная энергия и повышается вязкость, что приводит при их сбивании к образованию прочной устойчивой пены, которая медленно разрушается, вследствие чего продолжительность сбивания увеличивается. Замедлению процесса сбивания способствует также недостаток жидкого жира. Получается грубое твердое масляное зерно.

При механической обработке такого масляного зерна влага плохо врабатывается. Чтобы улучшить консистенцию масла и добиться нормальной продолжительности сбивания, сливки с излишним содержанием отвердевшего жира следует сбивать при повышенной температуре.

Степень отвердевания жира (в физически созревших сливках) рекомендуется регулировать с учетом начальной температуры сбиваемых сливок. Если начальная температура сбиваемых сливок выше температуры сливок при физическом созревании, то степень отвердевания жира в сливках повышают до 37–42 %, и, наоборот, если начальная температура сбиваемых сливок ниже температуры при их физическом созревании, то степень отвердевания жира понижают до 32–26 %.

Пенообразующая способность сливок

Продолжительность сбивания сливок определяется, главным образом, затратой времени на образование воздушной дисперсии и ее разрушение и тесно связана с пенообразующей способностью сливок. Поэтому факторы, влияющие на пенообразующую способность сливок, влияют на продолжительность их сбивания. Пенообразующую способность сливок можно характеризовать удельной высотой воздушной дисперсии Нуд, образующейся при сбивании сливок,

Сбивание сливок для производства сливочного масла

где hnвысота сливок в момент достижения максимального объема воздушной дисперсии; h0 – высота исходных сливок перед началом сбивания; Нуд = 0,5–1,5.

Продолжительность сбивания сливок сб находится в обратной зависимости от пенообразующей способности сливок и в прямой – от скорости разрушения агрегатной пены. Эту зависимость можно выразить уравнением:

Сбивание сливок для производства сливочного масла где С – константа.

Из уравнения следует, что скорость процесса маслообразования должна возрастать с увеличением объема воздушной дисперсии (пены). Для ускорения сбивания сливок следует повысить пенообразующую способность сливок в допустимых пределах, понизить устойчивость образующейся агрегатной пены и создать благоприятные условия для ее разрушения.

Режимы сбивания сливок

Условия и режимы сбивания сливок подбирают с таким расчетом, чтобы наряду с желаемой структурой и консистенцией масла обеспечить нормальную продолжительность сбивания сливок, прирост температуры сбиваемых сливок в пределах нормы, оптимальные размеры масляного зерна, а также возможно низкое содержание жира в пахте.

При сбивании сливок в маслоизготовителях как периодического, так и непрерывного действия, также учитывают вид вырабатываемого масла, массовую долю жира в сливках, режимы их физического созревания, конструкцию маслоизготовителя.

При производстве сладкосливочного масла (массовая доля влаги 16 %) в маслоизготовителях периодического действия рекомендуется в весенне-летний период сбивать сливки при температуре 7–12 °С, в осенне-зимний 8–13 °С. При повышенном содержании жира в сливках и недостаточной степени отвердевания жира температуру сливок при сбивании понижают на 1–2 °С, чтобы избежать образования мягкого масляного зерна с повышенным содержанием влаги, а также повышения содержания жира в пахте.

Начальную температуру сбиваемых сливок при повышенной степени отвердевания жира повышают на 1–2 °С, чтобы расплавить частично отвердевший жир и, таким образом, избежать замедления сбивания сливок и получения излишне твердого масляного зерна.

При сбивании сливок с повышенным содержанием жира начальную их температуру понижают, чтобы избежать излишне быстрого образования масляного зерна и, тем самым, предотвратить увеличение содержания жира в пахте и обеспечить благоприятные условия для формирования масляного зерна во время его образования. Сливки с массовой долей жира менее 32 % сбивают при температуре, которая на 1–2 °С выше рекомендуемой. Следует избегать как снижения, так и завышения температуры сбиваемых сливок.

При снижении температуры сбиваемых сливок увеличивается продолжительность сбивания сливок, что может привести к выработке масла с невработанной влагой и засаленной консистенцией. При завышении начальной температуры сбиваемых сливок увеличивается содержание жира в пахте и получается масло с мягкой, мажущейся консистенцией. Чтобы избежать возможного появления пороков консистенции масла, следует нормализовать низкожирные сливки.

Для достижения минимального содержания жира в пахте следует сбивать сливки при возможно низкой начальной температуре, при которой можно обеспечить в допустимых пределах длительность сбивания сливок в маслоизготовителях периодического действия или производительность маслоизготовителей непрерывного действия.

Наиболее высокой граничной температурой сбиваемых сливок является такая температура, при которой жировые шарики вследствие низкой степени гидрофобизации поверхности утрачивают способность флотироваться воздушными пузырьками; наиболее низкой – температура, при которой количества жидкого молочного жира, выделяющегося из жировых шариков, недостаточно для обеспечения приемлемой скорости агрегации жировых шариков.

Конечная температура сбиваемых сливок должна находиться в области максимальных значений сил слипания молочного жира (аутогезии), чтобы стадия формирования масляного зерна протекала нормально. Соответствующая этой величине температура определяется составом жира и режимом его охлаждения: для зимнего периода при температуре 15–16 °С, для летнего – ниже 15 °С.

При правильно выбранном режиме физического созревания сливок и среднем составе молочного жира (йодное число 32–37) наилучшая консистенция масла и максимальная степень использования жира достигаются при конечной температуре сбиваемых сливок 12–14 °С (по теории М.М. Казанского).

Сбивание сливок в маслоизготовителях непрерывного действия

Характеристика процесса сбивания сливок

В маслоизготовителях А1-ОЛО, МБ-1 сливки сбиваются в специальном устройстве – сбивателе, представляющем собой цилиндр с вращающейся мешалкой и охлаждающей рубашкой. Для увеличения интенсивности сбивания используется сетчатая вставка. Процесс сбивания сливок в сбивателе осуществляется в условиях интенсивного перемешивания.

В маслоизготовителях ФБФК/1, КМ-1500 и КМ-3000 кроме сбивателя имеется разделительный цилиндр, в котором завершается процесс формирования масляного зерна, осуществляются удаление пахты и промывка зерна.

В маслоизготовителях непрерывного действия сливки сбиваются в течение нескольких секунд (5–7 с), а в маслоизготовителях периодического действия процесс сбивания сливок увеличивается в 700–1000 раз. Большая скорость сбивания сливок достигается благодаря интенсивному перемешиванию сливок с помощью мешалки, вращающейся с большой окружной скоростью (18–22 м/с). В результате большой скорости сбивания сливок обеспечивается высокая производительность маслоизготовителей.

Высокая интенсивность перемешивания сливок сопровождается значительным выделением теплоты и повышением температуры в результате перехода механической энергии в тепловую. Чтобы избежать значительного повышения температуры сливок в процессе сбивания, часть выделившейся теплоты удаляется охлаждающей водой, циркулирующей в рубашке сбивателя.

Повышение температуры сбиваемых сливок не должно превышать 2–3 °С.

Конечная температура и разность между температурами сливок и пахты могут изменяться в зависимости не только от выбранной начальной температуры сливок, но и от условий их охлаждения во время сбивания.

Если избыточная теплота, образующаяся во время сбивания сливок, не отводится потоком охлаждающей воды, поступающей в рубашку сбивателя, то температура сливок может повыситься на 3–4°С. При недостаточно интенсивном отводе теплоты возможны частичное расплавление ранее отвердевшего жира и последующее его отвердевание в полученном масле, что приводит к ухудшению консистенции масла.

При нормальных условиях сбивания масляное зерно образуется достаточно упругим, хорошо уплотняется в пласт, пахта легко отделяется от масляного зерна и свободно стекает в текстуратор по внутренней стенке крышки в виде капель и прерывающихся струй.

При выработке сладкосливочного масла, содержащего 16 % влаги, размер зерна допускается в пределах от 1 до 10 мм при эксплуатации маслоизготовителей с разделительным цилиндром (КМ, ФБФЦ/1 и др.) и при выработке масла в маслоизготовителях без него (А1-ОЛО и др.) при переходе в текстуратор от 1 до 3 мм. Для регулирования размера зерна по периодам года применяется изменение начальной температуры сбивания сливок, скорости вращения мешалки, а также притока сливок в сбиватель.

Содержание жира в пахте должно быть минимальным и, в зависимости от сезона года, может колебаться в пределах 0,3–1,1% (по данным Ф. Вышемирского) при сбивании сливок в маслоизготовителях с разделительным цилиндром (ФБФЦ/1, КМ-1500, КМ-3000) и в маслоизготовителях без него (А1-ОЛО, МБ-1): 0,4–0,9 % в весенне-летний период и соответственно 0,3–0,9 и 0,3–0,6 % в осеннезимний. Нормативное содержание жира в пахте допускается 0,7 %.

Условия сбивания сливок

Сливки подаются в маслоизготовитель винтовым насосом через уравнительный бак с поплавковым регулятором из резервуара, где они подвергались физическому созреванию.

Предварительно сливки перемешивают в резервуаре в течение 10–12 мин с целью усреднения состава и некоторого снижения вязкости. Это обеспечивает нормальное образование масляного зерна при сбивании сливок, минимальные колебания содержания влаги в готовом продукте и наименьший отход жира в пахту.

При поступлении в сбиватель сливки попадают на вращающийся распределительный конус с направляющими и стекают к лопастям мешалки тангенциально. Сливки постепенно приобретают скорость вращения, равную скорости вращения лопастей мешалки, что предотвращает дробление жировых шариков, способствует уменьшению содержания жира в пахте, интенсифицирует процесс сбивания, а также позволяет при сохранении той же производительности аппарата снижать бесступенчато число оборотов мешалки сбивателя на 30–40 % (с 2045 до 1363 об/мин). В рубашку сбивательного цилиндра подают холодную воду температурой 3–4 °С. При помощи холодной воды можно регулировать температуру сбиваемых сливок.

Необходимо следить за тем, чтобы температура и давление воды, подаваемой в рубашку сбивателя, были постоянными. В противном случае очень трудно обеспечить стабильное содержание влаги в масле. В зимнее время не следует охлаждать сбиватель.

Число оборотов мешалки сбивателя

Число оборотов мешалки сбивателя устанавливают в зависимости от типа маслоизготовителя, его производительности, периода года, содержания жира в сливках, вида вырабатываемого масла. В осенне-зимний период года, когда в молочном жире увеличивается содержание высокоплавких триглицеридов (йодное число выше 39), повышают число оборотов мешалки сбивателя с целью ускорения флотации и агрегации жировых шариков как в поверхности раздела плазма – воздух, так и в объеме сливок. Ускорение флотации и агрегации достигается благодаря ускорению гидрофобизации жировых шариков, увеличению степени дисперсности воздушной фазы и степени деформации воздушных пузырьков.

В результате сокращения продолжительности сбивания сливок увеличивается производительность маслоизготовителя.

При установлении числа оборотов мешалки учитывают зависимость производительности маслоизготовителя от массовой доли жира в сливках. С увеличением содержания жира в сливках число оборотов мешалки снижают, и одновременно увеличивают производительность маслоизготовителя во избежание ускоренного образования масляного зерна. При использовании маслоизготовителя ФБФЦ/1 при сбивании сливок с различным содержанием жира рекомендуются следующее число оборотов мешалки и соответствующая производительность маслоизготовителя (таблица 1). Число оборотов мешалки сбивателя в маслоизготовителе А1-ОЛО при производстве сладкосливочного масла с массовой долей влаги 16 % устанавливают для весенне-летнего периода года в пределах 16,6–25,0 с–1, в осенне-зимний 23,3–30 с–1.

Таблица 1 - Число оборотов мешалки и производительность в зависимости от массовой доли жира в сливках
Таблица 1 — Число оборотов мешалки и производительность в зависимости от массовой доли жира в сливках

При выработке масла с более высоким содержанием влаги число оборотов мешалки увеличивают с целью получения более крупного масляного зерна, обладающего повышенной влагоудерживающей способностью. С этой же целью при выработке масла в маслоизготовителе с разделительным цилиндром (ФБФЦ и др.) число оборотов мешалки повышают. С повышением скорости вращения мешалки сбивателя содержание жира в пахте несколько снижается, что связано с более полным вовлечением жировых шариков в процесс их агрегации. При высокой интенсивности механического воздействия (при числе оборотов мешалки выше 25 с–1) содержание жира в пахте повышается, что может быть следствием излишнего выделения жидкого жира из агрегатов на стадии формирования масляного зерна.

Снижение скорости вращения мешалки сбивателя приводит к снижению содержания жира в пахте даже в том случае, если для ускорения сбивания температуру сливок повышают на 1–2 °С. Число оборотов мешалки сбивателя устанавливают не более чем предусмотрено техническим паспортом во избежание преждевременного износа аппарата. Путем изменения числа оборотов мешалки сбивателя регулируют содержание влаги в масле.

Производительность маслоизготовителя

От количества подаваемых сливок в маслоизготовитель зависит время их пребывания в сбивателе. Это время должно соответствовать времени, необходимому для образования масляного зерна нормальных размеров и желаемой структуры, обладающего необходимой влагоудерживающей способностью.

При определении количества сливок, подаваемых в сбиватель, учитывают вид вырабатываемого масла, содержание жира в сливках, степень отвердевания жира в сливках, тип маслоизготовителя. Количество сливок, подаваемых в сбиватель, должно соответствовать паспортной производительности маслоизготовителя. Паспортная производительность маслоизготовителей при выработке сладкосливочного масла с массовой долей влаги 16 % составляет при различных типах маслоизготовителей, кг масла/ч: А1-ОЛО – 1000; МБ-5 – в пределах 800–1000; МБ-7 – 1500–1800; КМ-1500 – 1500; ФБФЦ/1 –до 2000.При выработке масла с повышенным содержанием влаги производительность маслоизготовителя при выработке масла с массовой долей влаги 20, 25 и 35 % снижают соответственно на 5–10, 10–20 и 20–40 %. Производительность маслоизготовителя должна быть постоянной в течение всего периода работы аппарата.

При поступлении в сбиватель массы сливок выше установленной нормы сокращаются продолжительность пребывания сливок в сбивателе и время, необходимое для образования масляного зерна. В этих условиях образуется рыхлое масляное зерно крупных размеров с большим содержанием плазмы сливок, трудно удаляемой из него при механической обработке. При излишнем поступлении сливок в сбиватель масляное зерно может не образоваться.

При значительном снижении количества сливок, поступающих в сбиватель, образование масляного зерна прекращается в связи с тем, что лопасти мешалки не погружаются в кольцевой слой сливок.

Массовая доля жира в сливках

С увеличением массовой доли жира в сливках сокращается продолжительность сбивания, а производительность маслоизготовителя увеличивается. В маслоизготовителе непрерывного действия можно сбивать сливки с более высоким содержанием жира, чем в маслоизготовителях периодического действия, несмотря на то, что с увеличением массовой доли жира в сливках значительно повышается их вязкость. Сливки с повышенной вязкостью могут сбиваться в маслоизготовителе непрерывного действия благодаря интенсивному механическому воздействию. Содержание жира в сливках устанавливают в зависимости от типа применяемого маслоизготовителя. Массовая доля жира в сливках рекомендуется 36–42 %.

При сбивании сливок с повышенным содержанием жира увеличивается массовая доля жира в пахте. Содержание жира в пахте можно понизить, если сбивать сливки с повышенным содержанием жира при пониженном числе оборотов мешалки. Установлено, что между продолжительностью сбивания и содержанием жира в сливках и пахте существует сложная зависимость, что видно из уравнения

между продолжительностью сбивания и содержанием жира в сливках и пахте существует сложная зависимость, что видно из уравнения где τ – продолжительность сбивания сливок, с; Ка – константа скорости агрегации жировых шариков; Жсл – массовая доля жира в сливках, %; Жпх – массовая доля жира в пахте, %.

Температура сливок, степень отвердевания жира

Эти условия оказывают такое же влияние на сбивание сливок, как и при сбивании в маслоизготовителе периодического действия.

Величина зазора между краем лопасти мешалки и внутренней стенкой цилиндра сбивателя

От величины зазора зависит эффективность сбивания сливок. Величина зазора определяет интенсивность механического воздействия на сливки, характеризуемую градиентом скоростей. Независимо от размеров цилиндра сбивателя и числа оборотов мешалки средний градиент скоростей находится в пределах 9000–11000 с–1. Величина градиента скоростей находится в прямой зависимости от радиуса, скорости вращения мешалки сбивателя и в обратной – от величины зазора между краем лопасти мешалки сбивателя и внутренней стенкой цилиндра.

Сливки следует сбивать при оптимальной величине зазора. Оптимальная величина зазора, необходимая для сбивания сливок, колеблется от 2 до 6 мм в зависимости от состава перерабатываемых сливок и вида вырабатываемого масла. Продолжительность сбивания сливок увеличивается при изменении величины зазора как в сторону увеличения, так и уменьшения, начиная от среднего значения зазора.

Продолжительность сбивания сливок находится в экспоненциальной зависимости от расчетной толщины кольцевого слоя сливок, движущихся под действием мешалки, и в обратной зависимости от скорости обратного течения сливок в зазоре между кромкой лопасти и стенкой цилиндра.

Продолжительность сбивания сливок сокращается обратно пропорционально скорости обратного течения сливок в зазоре.

Оптимальный зазор также зависит от содержания жира в сливках. С увеличением содержания жира в сливках ширину зазора увеличивают. В осенне-зимний период года при переработке менее жирных сливок и для интенсификации процесса их сбивания величину зазора следует уменьшать и использовать сетчатую вставку при сбивании сливок.

Интенсивность механического воздействия

От интенсивности механического воздействия зависит продолжительность сбивания сливок. Зависимость между продолжительностью сбивания сливок τм и интенсивностью механического воздействия М описывается уравнением, предложенным Г.Г. Бержинскасом,

Зависимость между продолжительностью сбивания сливок τм и интенсивностью механического воздействия М описывается уравнением

где G – градиент скоростей, G = — (dv/dx)

Величина М является мерой механической стабильности жировой дисперсии при постоянных технологических параметрах и константой процесса сбивания сливок. Численное значение константы М колеблется в пределах 20 500–2850 (по данным Г.Г. Бержинскаса).

Режимы сбивания

Начальную температуру сливок при сбивании рекомендуется устанавливать в тех же пределах, которые указаны для сливок, направляемых для сбивания в маслоизготовители периодического действия. При этом учитывают: период года, содержание жира в сливках, условия и режимы физического созревания сливок. Рекомендуется в весенне-летний период сбивать сливки при температуре 7–12 °С. В осенне-зимний период начальную температуру сбиваемых сливок повышают до 8–13 °С, чтобы ускорить сбивание. В этот период года сливки сбиваются медленнее из-за наличия в составе оболочки жировых шариков значительного количества триглицеридов пальмитиновой кислоты. При их кристаллизации увеличивается прочность оболочки жировых шариков.

При наличии перфорированной вставки и повышении числа оборотов мешалки увеличивается интенсивность механического воздействия на сливки. В этих случаях снижают начальную температуру сливок, чтобы избежать получения масляного зерна излишне мягкой консистенции. С этой же целью следует снижать температуру сливок при отсутствии циркуляции охлаждающей воды в рубашке сбивателя.

При выработке масла с повышенным содержанием влаги температуру сбиваемых сливок повышают.

При сбивании сливок с повышенным содержанием жира рекомендуется повышать начальную температуру сливок на 1–2 °С, при этом уменьшать число оборотов мешалки, что обеспечивает нормальное содержание жира в пахте. При массовых долях жира в сливках 36 и 43 % следует их сбивать соответственно при температуре 8–9, 13 °С и устанавливать число оборотов мешалки 30…31,6–18,3…20с–1. При повышении начальной температуры сливок снижается их вязкость, что способствует ускорению агрегации жировых шариков. При снижении числа оборотов мешалки уменьшается степень раздробления жировых шариков и переход жира в пахту.

При этих условиях сбивания содержание жира в пахте снижается на 0,05 % при снижении числа оборотов мешалки сбивателя каждые 2,5 с–1. При сбивании сливок с повышенным содержанием жира получают более крупное масляное зерно, что облегчает регулирование состава масла при последующей механической обработке.