Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Некоторые аспекты производства PI хранения молокосодержащих консервов с сахаром 7
1.2. Общие теоретические представления о процессе кристаллизации лактозы 9
1.2.1. Зародышеобразование 101
1.2.2. Рост кристаллов 12
1.3. Особенности кристаллизации лактозы 15
1.3.2. Влияние примесей 17
1.3.3. Способы кристаллизации лактозы в различных продуктах 19
1.4. Анализ конструкций аппаратов для проведения кристаллизации лактозы 20
1.5. Вихревые устройства 25
1.6. Задачи исследования 27
Глава 2. Исследование физико-химических свойств многокомпонентных растворов лактозы 29
2.1. Организация эксперимента и методики исследований 29
2.2. Результаты экспериментальных исследований 31
2.2.1. Растворимость лактозы в многокомпонентных системах 31
2.2.2. Влияние примеси СОМ на плотность многокомпонентных насыщенных растворов лактозы 32
2.2.3. Влияние примеси СОМ на вязкость многокомпонентных насыщенных растворов лактозы 34
2.3. Теоретические исследования свойств молокосодержащих консервов с сахаром как многофазных систем 35
Выводы по главе 2 47
Глава 3. Разработка математической модели процесса кристаллизации лактозы в молокосодержащих консервах с сахаром 48
3.1. Влияние гидродинамических условий на процесс кристаллизации лактозы 48
3.2. Математическое моделирование процесса кристаллизации лактозы в сгущенных молокосодержащих консервах с сахаром с внесением затравки 60
3.3. Теоретический анализ процесса вторичного зародышеобразования лактозы в сгущенных молокосодержащих консервах с сахаром 67
3.4. Теоретические предпосылки термодинамических процессов в вихревой трубе, связанных с кристаллизацией лактозы 78
Выводы по главе 3 86
Глава 4. Исследование влияния вихревой обработки на процесс кристаллизации лактозы 87
4.1. Экспериментальная установка 87
4.2. Экспериментальные исследования влияния обработки продукта в вихревом устройстве на процесс кристаллизации лактозы 91
4.3. Поиск оптимальных условий обработки продукта в вихревом устройстве 97
4.3.1. Выбор факторов 98
4.3.2. Выбор плана эксперимента 98
4.3.3. Реализация плана эксперимента 100
4.3.4. Анализ значимости коэффициентов уравнения регрессии 103
4.3.5. Проверка адекватности уравнения регрессии 104
4.3.6. Программа оптимизации 106
4.3.7. Реализация программы оптимизации 110
4.3.8. Анализ результатов реализации программы оптимизации 110 Выводы по главе 4 111
Глава 5. Разработка опытного вихревого устройства для обработки молокосодержащих консервов с сахаром 112
5.1. Усовершенствование конструкции вихревого устройства с учетом внесения затравки 112
5.2. Методика инженерного расчета вихревых устройств для обработки молокосодержащих консервов с сахаром 118
5.3. Ориентировочный инженерный расчет вихревых устройств... 122
Выводы по главе 5 129
Литература 130
Приложения 141
- Общие теоретические представления о процессе кристаллизации лактозы
- Результаты экспериментальных исследований
- Математическое моделирование процесса кристаллизации лактозы в сгущенных молокосодержащих консервах с сахаром с внесением затравки
- Экспериментальные исследования влияния обработки продукта в вихревом устройстве на процесс кристаллизации лактозы
Введение к работе
Актуальность исследования. На современном этапе развития нашего общества в числе главных задач государственной научно-технической политики России перед молочной промышленностью стоят проблемы: разработка технологий нового поколения, в основу которых заложено высокое качество получаемой продукции, экологическая безопасность, конкурентоспособность на мировом рынке и энергосбережение [1-8].
Молочноконсервное производство является наиболее рациональной отраслью молочной промышленности с точки зрения использования всех сухих веществ молока. Высокая пищевая ценность и длительные сроки хранения обусловливают большое значение молочных консервов для создания государственных резервов, запасов для чрезвычайных ситуаций, снабжения армии и т.д. При этом следует отметить, что во всех случаях требуются высокое качество консервов и их стойкость в процессе хранения [9, 10].
Высокий спрос на сгущенные молочные продукты в смежных отраслях (фабрики мороженого, кондитерские производства и др), а также потребительский спрос привел к тому, что многим неспециализированным предприятиям, стало экономически выгодно производить сгущенные молочные, или молокосодержащие консервы с сахаром, способом смешения и растворением сухих и жировых компонентов. Тем более что для этого не требуется специального дорогостоящего и энергоемкого оборудования. Выработка сгущенных молочных продуктов методом смешения осуществляется, как правило, на оборудовании, имеющемся на любом молочном предприятии [9, 11].
К достоинствам указанного метода следует отнести:
возможность расширения ассортимента путем варьирования вкусовых и ароматических свойств, а также структурных свойств продукта;
расширение возможностей использования в технологиях различных видов альтернативных компонентов немолочного сырья (жиров, белков и др);
сглаживание сезонности производства;
упрощение технологии, существенное сокращение сырьевых и энергети-
ческих потерь, отсутствие необходимости в больших площадях и дорогостоящем оборудовании;
широкие возможности внедрения новых разработок с целью повышения пищевой ценности, сбалансированности и вкусовых качеств продукта; возможность варьирования свойств продукта по температурам хранения, широкие возможности переориентации производства на выпуск других видов продукции, в том числе пастообразных кондитерских масс, майонезов, соусов, плавленых сыров, кетчупов и др. Одним из важных преимуществ консервов является возможность их длительного хранения. Однако, в процессе хранения достаточно часто проявляются пороки консервов. Главными пороками органолептических свойств сгущенных молочных консервов с сахаром, в том числе полученных методом смешения, являются:
пороки физического происхождения (расслаивание и неоднородность продукта, отстой жира и белка, а также осаждение лактозы, мучнистость, песчанистость, крупные кристаллы сахарозы);
микробиологические (бомбаж, плесневение, загустевание, нечистый вкус и запах, свертывание);
биохимические (прогоркание, нечистый вкус, коагуляция белка);
пороки химического происхождения (карамелизация, привкус сахарного сиропа) [12-15].
Отстой жира и белка чаще всего связан с недостаточной степенью диспергирования сухих и жировых компонентов. Это, как правило, бывает вызвано тем, технически несложное перемешивающее устройство для смешения компонентов, входящих в сгущенный молокосодержащии продукт не обеспечивает требуемой высокой дисперсности ни по жиру, ни по белку. Тем более, что сухой белок требует некоторого времени для своего набухания. Та же причина, недостаточная эффективность перемешивания, приводит к появлению привкуса сахарного сиропа.
Появление ощутимой на вкус лактозы (мучнистость, песчанистость) и ее осаждение связано с образованием пересыщенных растворов лактозы и ро-
стом кристаллов. Чем больше размер образовавшихся при длительном хранении кристаллов, тем ощутимее вкусовые недостатки продукта. Применение специальных кристаллизаторов в виде емкостных аппаратов с мешалками и даже скребковых теплообменников не всегда дает ожидаемый результат.
Бомбаж, плесневение, загустевание, нечистый вкус и запах, а также свертывание чаще всего вызваны недостаточной эффективностью пастеризации. Напротив, карамелизацию вызывает повышенная температурная обработка продукта.
Таким образом, процесс производства сгущенных молокосодержащих продуктов с сахаром, приобретающий все большую популярность в промышленности, требует доработки, а кристаллизация лактозы - дополнительного изучения.
Анализ литературных источников показал, что значительный вклад в развитие молочноконсервної! отрасли в нашей стране внесли учёные: С.Ф. Кивенко, В.В. Страхов, И.А. Радаева, Л.В. Чекулаева, Н.М. Чекулаев, В.Д. Харитонов, Н.Н. Липатов, А.Н. Петров, А.Н. Фиалков, К.К. Полянский, А.И. Гнездилова, Л.В. Голубева и др. Однако работы в этой области посвящены в основном молочным консервам, вырабатываемым из традиционного молочного сырья, и практически отсутствуют исследования, направленные на повышение качества молокосодержащих консервов с сахаром.
Целью работы является повышение качества молокосодержащих консервов с сахаром на основе изучения процесса кристаллизации и разработки устройства интенсифицирующего зародышеобразование.
Объектом исследования являются гидродинамика и механизм процесса кристаллизации, а предметом - молокосодержащие консервы с сахаром и модельные растворы лактозы.
Общие теоретические представления о процессе кристаллизации лактозы
Кристаллизация лактозы подчиняется общим теоретическим представлениям о процессе кристаллизации из растворов. Теорию возникновения новой фазы в растворах разработали и развивали Гиббс, Фольмер, Странский и Каишев, Френкель и др. [39-42]. Она основывается на термодинамических представлениях. Кристаллизация из растворов, как и любой фазовый переход, связана с изменением свободной энергии AF или термодинамического потенциала АФ. Кристаллизация идет спонтанно при АФ 1, при АФ 1 — раствор ненасыщен и в нем имеет место растворение, а при АФ = 1 кристаллический осадок находится в динамическом равновесии с насыщенным раствором [39].
Установлено, что работа, затрачиваемая на образование новых зародышей при гетерогенном механизме меньше, чем при гомогенном [40]. Однако не все гетерогенные примеси могут служить центрами кристаллизации, например, несмачиваемые поверхности [43].
Поскольку акт одновременного столкновения некоторого количества частиц, приводящий к образованию зародыша, маловероятен, то было высказано предположение о существовании в насыщенных и ненасыщенных растворах дозародышевых ассоциатов, они представляют собой комплексы из различного числа частиц не имеющие кристаллической структуры. Обычные частицы и дозародыши находятся в равновесии между собой, но как только раствор становится пересыщенным, метастабильным, начинается образование новой фазы [44]
Минимальное количество новой фазы, способное к самостоятельному существованию, называется зародышем. Он является центром кристаллизации [45]. В процессе кристаллизации из растворов образование зародышей происходит только при наличии пересыщения. На природу зародыша имеются различные точки зрения. Согласно одной из них, зародыш представляет собой очень маленький кристалл. Другие исследователи полагают, что зародыш не обязательно должен иметь кристаллическую структуру и может представлять собой устойчивый комплекс ионов или молекул, способный к дальнейшему росту, либо аморфную частицу. Переход от аморфной частицы к кристаллической происходит, по мнению этих авторов, позже в процессе роста зародыша. [45-50].
Однако независимо от их природы образование зародышей подчиняется ряду общих закономерностей. К их числу относится связь между степенью пересыщения раствора и числом образующихся зародышей в единице объема за единицу времени, т.е. скорость образования зародышей [45]. С увеличением пересыщения скорость образования зародышей резко возрастает, а размеры их уменьшаются. [45, 47, 51]. На нее оказывают влияние примеси, механическое воздействие, наличие затравочных кристаллов и др.
Размеры зародышей в различных растворах могут быть самые разнообразные и зависят от условий кристаллизации. Зародышем становится частица, достигнувшая определенной минимальной величины. Частицы, размер которых меньше этой величины, растворяются или распадаются на составные элементы. [45]
Критический размер зародыша кристалла лактозы по расчетам А.Г. Шестова и К.К. Полянского которые исходили из теории активных центров, составляет от 2 до 5 нм [52].
Зародышем может служить не только мельчайшая частица кристаллизующегося вещества. Им может стать любая другая твердая частица, способная адсорбировать на своей повернхности ионы или молекулы кристаллизующегося вещества. В результате адсорбции на посторонней поверхности также может образоваться частица новой фазы, но условия ее возникновения будут определяться тогда другими факторами. В таком случае говорят о кристаллизации на подложке.
Образование зародышей по мнению Гиббса и Фольмера, происходит следующим образом. В пересыщенном растворе имеются флуктуации по концентрации, вязкости, плотности и прочим параметрам. В этих точках возникают центры кристаллизации [39, 40]. Френкель считает, что необходимо рассматривать гетерофазные флуктуации, однако оба взгляда приходят к экспоненциальной зависимости скорости образования зародышей от температуры и физических параметров раствора [42]. Странский и Каишев шли к раскрытию механизма возникновения новой фазы иным путем, но получили аналогичный результат [41]. Л.Н. Матусевич считает, что причиной вторичного зародышеобразования может стать наличие возле поверхности кристалла полуупорядоченного слоя, который при движении раствора «смывается», способствуя образованию новых зародышевых центров [53]. Заслуживает внимания механизм образования вторичных зародышей, согласно которому прилегающий к затравочному кристаллу слой жидкости отличается от остального раствора по причине изменения структуры растворителя. Это может привести к снижению растворимости, увеличению локального пересыщения и стимулированию зародышеобразования. К сожалению, данное объяснение не имеет пока экспериментального подтверждения [44].
Интересна точка зрения Я. Нывлт, согласно которой вблизи поверхности твердой фазы концентрация растворенного вещества будет выше, чем в объеме раствора, что облегчает образование вторичных зародышей [54].
Полагают также, что поскольку вторичное зародышеобразование стимулирует появление не только зародышей, но и «дозародышей», то оно нарушает существующее стационарное распределение дозародышевых ассоциатов и, таким образом, смещает равновесие в сторону образования критических зародышей, а, следовательно, инициирует первичное зародышеобразование.
Результаты экспериментальных исследований
Экспериментальные данные по растворимости лактозы, выраженные через коэффициент насыщения Кн, приведены на рис. 2.1. На графике зависимости коэффициента насыщения от концентрации примеси (линия 1 рис. 2.1) следует выделить три области. В первой концентрационной области наблюдается увеличение коэффициента насыщения, которое связано, по всей видимости, со способностью лактозы более интенсивно растворяться в присутствии белка. Во второй области имеет место постоянное значение растворимости. Наличие этой области можно объяснить компенсирующим влиянием всех компонентов, содержащихся в СОМ. Белки оказывают растворяющее, а соли высаливающее действие. Третья область - это область дальнейшего нарастания растворимости. На этом участке кривой имеет место совместное влияние белков и солей. Причем концентрация примесей относительно велика, а при высоких концентрациях соли оказывают растворяющее действие. Также можно предположить, что растворимость увеличивается за счет гидратной воды, высвобождающейся при укрупнении мицелл казеина.
В системе «Вода-Сахароза-СОМ-Лактоза» (кривая 2 рис. 2.1) с ростом концентрации СОМ, проявляется снижение коэффициента насыщения, в результате дегидратирующего действия сахарозы. Так как во всех опытах концентрация сахарозы оставалась постоянной, а варьировалась только массовая доля СОМ, то при более высоких концентрациях примеси проявляется растворяющее действие белка, что приводит к росту коэффициента насыщения и, следовательно, к увеличению растворимости лактозы.
Реологические свойства молокосодержащих консервов с сахаром стремятся приблизить к классическому цельному сгущенному молоку с сахаром, вырабатываемому по ГОСТ 2903-78. Для свежевыработанного продукта показатель вязкости должен составлять от 2 до 10 Па-с [15, 17]. Полагая, что сгущенные консервы с сахаром имеют коагуляционно-кристаллизационную структуру, иногда их относят к вязко-пластичным, неньютоновским системам, особенно, если добавляют в них структурные стабилизаторы . Тогда полагают, что их вязкость зависит от скорости деформации среды. Но существует и противоположная точка зрения на вязкость сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром, в соответствии с которой эти продукты считаются ньютоновскими жидкостями [113, 114]. Чтобы дать достоверный ответ на вопрос о классификации молочных консервов с сахаром, а, следовательно, и молокосодержащих консервов с сахаром, так как их реологические свойства стараются приблизить к натуральным консервам, проведем ориентировочный анализ поведения дисперсных фаз (жировых шариков и кристаллов лактозы) в процессе хранения.
Расчет показал, что скорость движения в продукте, как кристаллов лактозы, так и жировых шариков очень мала и не превышает 40-10"9 м/с даже для самых крупных частиц (20 мкм) (рис. 2.4). Проведем анализ степени применимости формулы Стокса для описания движения жировых и кристаллических частиц лактозы в сгущенных консервах.
Даже такая незначительная скорость кристаллов и жировых шариков, тысячные доли микрона в секунду приводит к заметному расслоению продукта. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают факт заметного расслоения как сгущенного молока, так и сгущенных молокосодержащих консервов с сахаром при длительном хранении [35, 115, 116]. Длительность хранения молочных консервов может достигать года. Тогда, как показали дальнейшие наши ориентировочные расчеты, и кристаллы и жировые шарики переместятся на вполне ощутимые расстояния .
Ориентировочная скорость движения кристаллов лактозы - VK и жировых шариков - Уж в зависимости от их размера d, мкм, вычисленная по формуле Стокса, для плотности кристалла рк = 1550 кг/м ; плотности жирового шарика рш =930 кг/мЗ; плотности сгущенного продукта рс„ =1200 кг/м3; динамической вязкости /и =2 и 10Па-с.
Самые крупные кристаллы и жировые шарики размером свыше 20 мкм при минимальной допустимой ГОСТом вязкостипроходят за сутки путь около одного метра. Тогда как высота емкости для хранения сгущенных молочных или молокосодержащих продуктов, как правило, не превышает 0,1 м. На рис. 2.5 видно, что при минимальной вязкости /л =2 Пас, лишь кристаллы размером меньше 5 мкм проходят путь меньше 0,1 м, то есть не успевают отстояться за год в емкости высотой 0,1 м. То же относится и к жировым шарикам, имеющим размер меньше 7 мкм. Если при этом учитывать рост кристаллов и агрегацию жировых шариков, то скорость их движения может быть несколько выше, но нарастающая в процессе хранения, вязкость продукта является препятствием к увеличению скорости отстоя. Для повышения вязкости используют специальные добавки. Полагают, что рост вязкости в процессе хранения связан с с агрегатированием молекул казеина, а также сывороточных белков [10, 117].
Следует учесть, что плотность жира, например, молочного (рш =930 кг/м ) меньше, чем плотность сгущенного продукта (рсп =1200 кг/м ), следовательно, жировые шарики перемещаются вверх, а кристаллы лактозы имеют плотность (рк =1550 кг/м3) выше плотности продукта, поэтому они оседают. Многочисленные эксперименты для сгущенного молока и молокосодержащих продуктов показали, что при хранении содержание жира возрастает в емкости по направлению снизу вверх. Тогда как средний размер кристаллов лактозы и их концентрация наоборот, уменьшается по направлению снизу вверх. Проведем анализ допустимости применения формулы Стокса для описания отстоя жира и лактозы в сгущенных молочных консервированных продуктах. Для этого необходим сравнительный (с экспериментами [16]) ориентировочный расчет содержания жировых шариков и кристаллов лактозы по высоте банки при хранении готового сгущенного продукта, поскольку широко известны эксперименты по расслоению продукта во время его хранения.
Примем изначально равномерное распределение жировых шариков по всему объему банки. Рассмотрим средние жировые шарики d=3 мкм. Разделим емкость на 3 зоны: верхнюю, среднюю и нижнюю. Примем высоту каждой зоны /Z=0,1/3=0,03M. Следуя данным эксперимента [115], допустим, что процент жира в каждой зоне свежевыработанного продукта составляет 8,5 %. Полагая, что вязкость продукта в процессе хранения изменяется от 2 до 10 Па-с, проведем расчет скорости отстоя жировых шариков по Стоксу, а также смещения жировых шариков (табл. 2.3.)
Проанализируем процесс оседания кристаллов молочного сахара, опираясь на тот же закон Стокса. Условно разделим банку для хранения сгущенного молока с сахаром на две части: верхнюю и нижнюю. Для стандартных банок высота каждой части составляет 0,05 м. Кристаллы постепенно перемещаются из верхней части банки в нижнюю, но при этом они укрупняются, растут, так как находятся в пересыщенном растворе.
Экспериментальные данные [16] показали, что если в свежем продукте содержание лактозы 32,4%, то в результате годового хранения в верхней части банки концентрация лактозы составила 12,6%, а в нижней 59,2%. Поскольку по этим данным трудно сориентироваться по общему количеству лактозы в банке, то пришлось искать компромиссное решение этого вопроса и пересчитывать данные эксперимента на всю лактозу. Если принять, что вся лактоза, содержащаяся в банке составляет 100%, то изначально 50% лактозы находилось в верхней части банки, 50% - в нижней (табл. 2.4).
Математическое моделирование процесса кристаллизации лактозы в сгущенных молокосодержащих консервах с сахаром с внесением затравки
Процесс кристаллизации состоит из двух фаз: первая — образование центров кристаллизации (зародышей), вторая - их рост.
Для создания большого количества дополнительных центров кристаллизации в сгущенные молочные продукты вносится затравка — мелкокристаллическая лактоза со средним размером кристаллов 5 мкм в количестве 0,02% от массы продукта.
Типовой состав и физические свойства сгущенных молокосодержащих консервов с сахаром и их компонентов приведен в таблице 3.8.
В одной тонне продукта содержится VB = 0,29м воды и 142 кг лактозы. Таким образом, начальная концентрация пересыщенного раствора, Сп =483кг/м . Предельный допустимый размер кристалла, не влияющий на качество сгущенки, составляет 10 мкм, то есть в 2 раза больше кристалла затравки. Тогда масса предельного кристалла в 8 раз больше кристалла затравки. Общая масса кристаллов затравки на тонну продукта составит mf= 1000-0,02%=0,2 кг. Кристаллы могут дорасти до 10 мкм, не ухудшая, при этом качество сгущенки. Тогда их масса составит т3к =0,2-8=1,6 кг. Еще раз отметим, что в одной тонне сгущенки содержится 142 кг молочного сахара и 0,29 м воды. Если полагать, что кристаллы затравки растут, за счет лактозы, растворенной в продукте, то количество молочного сахара, растворенного в тонне продукта уменьшится от 482 до (142-1,6)/0,29 = 478 кг/м3. Элементарные расчеты показывают, что после того как кристаллы затравки дорастут до размера 10 мкм, они присоединят к себе всего 1,6 кг молочного сахара из раствора, практически не уменьшив концентрацию молочного сахара.
Подставляя в полученное выражение все входящие в него величины, получим время т роста кристалла затравки от начального размера до предельного допустимого, при котором качество продукта остается в пределах нормы. т=73,13 суток. Не смотря на то, что в процессе роста кристаллов затравки пересыщение растворенной лактозы в продукте несколько снижается, существенного снижения скорости кристаллизации, а также существенного увеличения времени кристаллизации также не происходит. Это, как уже отмечалось, объясняется тем, что относительное количество кристаллов затравки невелико и масса выкристаллизовшейся на ней лактозы незначительна. Чем больше масса затравки, тем большее количество растворенной лактозы будет переходить в кристаллическое состояние, способствуя росту кристаллов затравки. Определим массу затравки, которая обеспечила бы сохранность вкусовых свойств продукта в течение года хранения. Для этого построим график зависимости времени роста кристаллов затравки от среднего начального d0 до критического размера d от массы затравки на тонну продукта. Учтем, что максимальное количество кристаллов затравки не должно превосходить некоторого предельного значения, которое вытекает из формулы (3.24).
Время роста кристаллов затравки от начального до предельного размера в зависимости от массы затравки, внесенной на тонну продукта, представлено ниже (рис. 3.6). Как видно из расчетной диаграммы, полученной по формуле (3.29), существенное влияние первоначальной массы затравки на скорость роста отдельных кристаллов имеет место при больших массах ее внесения.
Для того чтобы максимально приблизиться к реальному процессу кристаллизации лактозы в пересыщенных растворах, следует учитывать явление зародышеобразования в процессе кристаллизации, которое многократно интенсифицируется, благодаря внесению затравки. Количество вторичных за родышей растет с ростом размера кристаллов затравки и степени пересыщения раствора [121].
Упрощенная модель процесса кристаллизации в пересыщенном растворе с учетом вторичного зародышеобразования будет представлять собой многоступенчатый процесс, когда, наряду с ростом кристаллов затравки, и по причине присутствия этих кристаллов в растворе, будут образовываться вторичные зародыши, которые тоже будут расти, а, затем могут служить затравкой, способствуя образованию новых вторичных зародышей. Размер зародыша, по данным [73] примем ориентировочно d3 10 ь м. Допустим, что масса вторичных кристаллов будет составлять некоторую часть / от массы лактозы, выкристаллизовавшейся на поверхности затравочных кристаллов (например, 0,1; 0,01; 0,001; 0,0001; 0,00001; 0,000001; 0,0000001). Дискрети-зируем процесс, разобьем его на отдельные промежутки времени т, за которые кристалл затравки вырастает так, что его средний размер увеличивается на 1 мкм.
Это говорит о том, что масса зародышей за это время практически не увеличилась. Если взять все время роста затравочных кристаллов от начального размера 5 мкм до критического 10 мкм, то есть, 73 сут, то за это время зародыш вырастает до d3K =1,001-10" . Следовательно, и за время свыше семидесяти трех суток масса зародыша не возросла, а пересыщение раствора лактозы в продукте Сп - Сн практически не изменилось. Отсюда можно сделать вывод, что образование зародышей не влияет на рост кристаллов затравки и через 73 суток вкусовые качества молокосодержащих консервов начнут ухудшаться. Однако практика производства сгущенного молока с сахаром показала достаточную эффективность влияния затравки на повышение качества продукта при его длительном хранении. Следовательно, представляется сомнительным столь малый размер зародыша. Если рассчитать продолжительность его роста по формуле (3.23) от предполагаемого минимального размера сізк =Ю" м до, например, сіз =10" м =1 мкм, то получим т 73-10 суток, или 202 года, что противоречит здравому смыслу. Вызывает некоторые сомнения и количество вторичных зародышей. По литературным данным их число не превышает шестого порядка [121]. Тогда следует предположить, что начальный размер зародыша существенно больше, чем предполагается по теории [55].
Если следовать формуле (3.30), то один затравочный кристалл (приу=1) во втором периоде образует 127 зародышей. За время второго периода все кристаллы затравки образуют 3,81-10 зародышей размером 1 мкм, которые вырастают за второй период х2 = 17,4 сут до 1,02-10" м. В каждый последующий период образуется некоторое количество зародышей, при этом вырастают те зародыши, которые образовались в предыдущих периодах. В результате растворенная лактоза переходит в кристаллическую форму и пересыщение раствора снижается. Снижение пересыщения веде, в свою очередь, к снижению скорости роста и затравочных кристаллов и зародышей.
Сведем в таблицу расчетные физические параметры продукта по пе-риодам, а, именно, степень пересыщения Сп кг/м , количество вторичных кристаллов, образованных в каждом периоде на один затравочный кристалл из расчета, что/=1, т.е. масса вторичных кристаллов равна массе лактозы, выкристаллизовавшейся на кристаллах затравки N-j (табл. 3.14).
Расчет показал, что дальнейший рост кристаллов затравки при рассмотренном механизме вторичного зародышеобразования не прекратится и, даже не смотря на положительное влияние зародышеобразования на качество сгущенного продукта, желаемое качество достигнуто не будет. Продолжительность роста кристаллов затравки от среднего начального размера 5 мкм до предельно допустимого 10 мкм увеличиться всего на несколько суток от 72,6 сут (ф-ла 3.23) до 80,53 суток (24,2+17,38+13,14+10,33+8,38), (табл. 3.14).
Если допустить, что число вторичных кристаллов на каждый кристалл зародыша в 10 раз больше, чем в предыдущем варианте, то и тогда время роста кристаллов затравки до предельно допустимого размера увеличится всего до 85,8 суток, чего явно недостаточно для консервов с годовым сроком хранения. Покажем зависимость продолжительности каждого периода, то есть время роста условных кристаллов затравки на каждый микрон по диаметру (рис. 3.7).
Экспериментальные исследования влияния обработки продукта в вихревом устройстве на процесс кристаллизации лактозы
Основным недостатком молокосдержащих консервов с сахаром является снижение качества в процессе хранения за счет неуправляемого процесса кристаллизации лактозы, вызывающей появление пороков консистенции: мучнистости и песчанистости. В соответствии с целью работы, заключающейся в разработке вихревого устройства для управления процессом кристаллизации лактозы в молокосодержащих консервах с сахаром, необходимо провести предварительные исследования по вихревой обработке продукта. Как правило, для производства молокосодержащих консервов с сахаром используют следующие ингредиенты: - молочное нежирное сырье (молоко сухое обезжиренное, сухая пахта, кон центрат молочных белков, казеинат, концентрат сывороточных белков, сухая сыворотка, лактоза); - жиры (безводный молочный жир, замороженный молочный жир, заморо женное масло, специальные молочные жиры, сухие сливки, замороженные сливки, растительные жиры и жировые композиции); - сахароза; - специальные компоненты (ароматизаторы, красители, стабилизаторы, эмульгаторы)
Вышеперечисленные компоненты влияют тем или иным образом на кристаллизацию лактозы. Из этого списка можно исключить жир, так как он находится в другой фазе и не принимает участия в формировании условий для кристаллизации лактозы. Влияние специальных компонентов также не будем принимать во внимание, поскольку это выходит за границы данной работы. Однако влияние основных компонентов - молочного сырья и сахарозы на процесс обработки продукта в вихревом устройстве и на кристаллизацию лактозы нужно рассмотреть более подробно.
Движущей силой процесса кристаллизации является высокое пересыщение лактозы в продукте. На степень пересыщения лактозы прямо, или косвенно влияют практически все основные ингредиенты продукта. В связи с чем, целесообразно было подвергать вихревой обработке модельную смесь, состоящую из белковых компонентов, лактозы и сахарозы. Чтобы максимально приблизиться к реальному продукту смесь составлялась из сухого обезжиренного молока и сахарозы, которые растворялись в питьевой воде. В состав про дукта, подвергающегося вихревой обработке входили: сухое обезжиренное молоко 21,5%, сахар 43,5 %, вода 26,5%.
Для предварительного эксперимента в соответствии с расчетами (глава. 3) выбрано вихревое устройство с диаметром камеры энергетического разделения 12 мм длиной 180 мм и диаметрами диафрагмы и входного сопла 2 мм. Давление на входе в камеру поддерживалось на уровне 10 МПа.
Сухое молоко смешивали с сахаром, затем добавляли воду с температурой t = 40±2С в требуемом количестве и тщательно перемешивали. Полученную смесь оставляли для набухания белков на 30-40 минут, затем пастеризовали при t=85±2C с выдержкой 10-15 минут. Далее смесь охлаждали до 32±1С и при данной температуре проводили обработку в вихревом устройстве. Обработка проводилась с использованием экспериментальной установки (рис. 4.1), которая перед подачей продукта промывалась и стерилизовалась горячей водой с температурой t = 85±2С в течение 10-15 минут в циркуляционном режиме. Небольшая часть смеси подавалась в бак 1 для вытеснения воды из установки. Затем заливалась остальная часть смеси, и настраивалось заданное давление. Первые порции обработанного продукта отбрасывались и, после перехода в установившийся режим, отбирали пробы. Размер кристаллов оценивали стандартным микроскопическим методом по ГОСТ 29245-91, концентрацию сухих веществ до начала хранения определяли рефрактометрически по ГОСТ 8764-73.
Пробы продукта, прошедшего вихревую обработку хранили 30 суток при температуре не выше 10С. В процессе хранения концентрацию сухих веществ определяли рефрактометрически. Измерения проводили при температуре хранения, чтобы выкристаллизовавшаяся лактоза не перешла в раствор, коэффициент преломления пересчитывали на температуру t = 20С в соответствии с таблицей поправок.
Это можно объяснить тем, что при вихревой обработке возникает большое количество центов кристаллизации для лактозы. Это говорит о том, что в центральной части вихревой трубы образуется зона низкого давления, в которой температура продукта падает, а пересыщение многократно возрастает, что вызывает спонтанное образование большого количества зародышей кристаллов лактозы. Определение появления зародышей кристаллов в продукте представляет существенные технические трудности. В связи с этим были проведены дополнительные опыты по обработке чистого водно-лактозного раствора с концентрацией 36%. После прохождения через вихревое устройство при давлении Р = 10 МПа, раствор становился мутным. Это говорит о том, что там образовались молекулярные ассоциаты лактозы, рассеивающие световой поток. Определить их наличие с помощью оптического микроскопа не представлялось возможным, так как их размер соизмерим с длиной световой волны. В связи с этим представляло интерес микроскопическое исследование продукта в процессе хранения. Тем более что именно размер кристалла определяет некоторые органолептические свойства продукта и влияет на его качество.
Для микрофотографирования препаратов была укомплектована микрофо-тоустановка, включающая поляризационно-интерференционный микроскоп BIOLAR с набором окуляров 8х, 10х, 15х и объективов 10х, 20х, 40х и 100х, видеоокуляр НВ - 35 и персональный компьютер на базе процессора Intel Pentium IV. Это позволяло выводить изображение, наблюдаемое в микроскоп, на монитор компьютера и сохранять его в памяти компьютера. Микроскопические препараты готовили общепринятыми методами. Исследуемый образец продукта тщательно перемешивали, затем, с помощью оплавленной стеклянной палочки, наносили каплю продукта на предметное стекло, накрывали покровным стеклом и фотографировали. Наиболее типичные поля зрения для соответствующих образцов приведены ниже. Увеличение на рис. 4.8 - 4.10 составляет 250х.
После 3 суток хранения в препарате необработанного продукта видны отдельные довольно крупные кристаллы. В образце, подвергнутом обработке в вихревом устройстве, наблюдается большое количество относительно мелких кристаллов.
Через 10 суток хранения в необработанном продукте количество кристаллов резко увеличивается, их средний размер достигает 12-10" м. В обработанном продукте количество кристаллов также возрастает по сравнению с предыдущими снимками (рис. 4.8. б). Однако появляется большое количество мелких кристаллов, вероятно выросших из зародышей или появившихся в результате вторичного зародышеобразования.
