Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Обзор литератур CLASS ы 8
1.1. Молоко как коллоидная система 8
1.2. Коагуляция молока 12
1.2.1. Изменение физико-химических свойств при коагуляции молока 16
1.2.2. Экспериментальные методы исследования коагуляции 20
1.2.3. Теоретические подходы, используемые при мониторинге оптических и реологических свойств 49
1.3. Заключение по обзору литературы и задачи исследований 53
2. Постановка эксперимента и методы исследований 56
2.1. Организация работы 56
2.2. Методы исследований 58
3. Разработка экспериментальных и теоретических основ термографического метода мониторинга процесса коагуляции молока 61
3.1. Принцип действия термографа 61
3.2. Термографический метод 62
3.3. Термограф 64
3.4. Прибор для точного определения момента начала гелеобразования в молоке 65
3.5. Автоматизированное двухканальное устройство для комплексного мониторинга процесса свертывания молока 68
3.6. Разработка теоретического обоснования термографического метода 70
3.6.1. Уравнения Навье-Стокса 71
3.6.2. Квазистационарные течения 75
3.6.3. Осесимметричные вертикальные течения 77
4. Применение термографического метода для исследования коагуляции молока 8 8
4.1. Исследование особенностей процесса сычужной коагуляции 88
4.1.1. Исследование влияния молокосвертывающего фермента на процесс коагуляции 88
4.1.2. Исследование влияния хлорида кальция на процесс коагуляции 91
4.1.3. Возможный механизм влияния кальция на сычужную коагуляцию 96
4.2. Применение термографического метода для контролирования процесса кислотной коагуляции 105
4.3. Исследование особенностей процесса кислотно-сычужной коагуляции 110
Выводы 116
Список литературы 118
- Теоретические подходы, используемые при мониторинге оптических и реологических свойств
- Прибор для точного определения момента начала гелеобразования в молоке
- Исследование влияния молокосвертывающего фермента на процесс коагуляции
- Исследование особенностей процесса кислотно-сычужной коагуляции
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных тенденций пищевой промышленности на современном этапе является создание автоматизированных поточных методов производства продукции. Это требует особого внимания к разработке методик точных и воспроизводимых измерений для контроля параметров технологических процессов, а также измерения качественных и количественных показателей пищевых продуктов. Исследование любого пищевого продукта представляет собой сложную аналитическую задачу. Из-за индивидуальности состава пищевых продуктов и их многокомпонентности необходимо приспосабливать стандартные аналитические методы к физико-химическим особенностям таких систем, т.е. в каждом конкретном случае требуется проведеіше в той или иной мере исследовательской работы. При этом необходимо учитывать физическое состояние исследуемого вещества и сопутствующих определяемому веществу компонентов.
Молоко представляет собой сложную физико-химическую систему, а его коагуляция является основной частью технологического процесса при производстве многих молочных продуктов. Важной задачей при свертывании молока является мониторинг процесса коагуляции и, в частности, точное определение момента начала гелеобразования в молоке.
В связи с этим разработка и внедрение методов комплексного мониторинга процесса гелеобразования и приборов для их непрерывного контроля является важной и актуальной задачей для молочной отрасли.
Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является разработка метода мониторинга процесса коагуляции и приборов для контроля, а также экспериментальное исследование свертывания белков молока под действием различных факторов.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи, требующие решения:
развитие термографического метода мониторинга процесса коагуляции молока;
разработка теоретического обоснования термографического метода;
разработка и изготовление прибора для точного определения момента начала гелеобразования в молоке;
разработка и изготовление автоматизированной установки для комплексного исследования и контролирования процесса коагуляции молока;
исследование эффективности разработанного метода для анализа особенностей процесса сычужной, кислотной и кислотно-сычужной коагуляции молока.
Научная новизна. Развит термографический метод мониторинга коагуляции молока, позволяющий наблюдать за кинетикой его свертывания в течение всего процесса.
Получен ряд численных решение уравнений Навье-Стокса, описываю-
ЧпипАЛЬНАЯ і
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і БИБЛИОТЕКА С. Петел
щих конвективный поток и теплообмен при термографических измерениях.
На основе полученных численных результатов сделан вывод о возможности оценки эффективной вязкости молока и структуры формирующегося сгустка во время его свертывания с помощью термографического метода.
Подтверждена эффективность использования термографического метода для анализа особенностей процесса сычужной, кислотной и кислотно-сычужной коагуляции молока.
Практическая ценность.
Разработан и изготовлен прибор, позволяющий непрерывно следить за свертыванием молока и определять момент начала гелеобразования. Прибор может использоваться для автоматической корректировки технологического процесса при изменении физико-химических показателей молока непосредственно в сырной ванне.
Разработана и изготовлена автоматизированная установка для комплексного исследования процесса коагуляции белков молока, позволяющая определять вязкость, активную кислотность молока и концентрацию ионов кальция в сыворотке.
Предложен метод одновременного контроля вязкости молока и его кислотности при кислотно-сычужном свертывании молока, который мог бы стать основой для стандартизации процесса производства мягких сыров.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов» (Кемерово, 2002), «Технология и техника пищевых производств» (Кемерово, 2003), «Пищевые продукты и здоровое питание» (Кемерово, 2004).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах. По результатам исследований получено два положительных решения на выдачу патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, результатов исследований, изложенных в трех главах, одной практической главы, выводов и списка литературы (126 источников).
Теоретические подходы, используемые при мониторинге оптических и реологических свойств
Для описания индукционного периода коагуляции молока de Kruif C.G разработал модель «липких» твердых сфер [80, 81, 82]. Мицелла представляется в виде твердой сферической частицы с поверхностью, покрытой стабилизирующим слоем гидрофильных волосков к-казеина. Разрушение защитного слоя сычужным ферментом приводит к возникновению взаимодействия между мицеллами. Основным достоинством модели является ее физичность, т.е. предсказание результата на основе структуры и свойств системы. В этом случае модель достаточно просто может быть модифицирована или расширена за счет уточнения или замены отдельных механизмов процесса в рамках данной модели.
Коллоидный раствор мицелл в молоке можно считать разбавленным раствором, в котором вероятность тройных (и более) встреч частиц ничтожно мала по сравнению с парными встречами. В этом случае взаимодействие между мицеллами можно с хорошей степенью точности описывать парным потенциалом.
Парный потенциал V(r) представляет собой бесконечную стенку на расстоянии г, равном диаметру ядра мицеллы 8, что означает невозможность проникновения мицелл друг в друга, или их абсолютную твердость (рис. 1.13).
На расстоянии 5 г 8+А стенка переходит в прямоугольную яму глубиной Б и шириной А, что в предельной форме описывает притяжение двух мицелл. При этом А определяет расстояние, на котором возникает притяжение, а є характеризует его среднюю энергию. На расстоянии г 5+Д потенциал равен 0, что означает отсутствие взаимодействия между мицеллами. В силу того, что ширина ямы мала по сравнению с размерами мицелл, такое притяжение проявляется как своеобразная "липкость" практически невзаимодействующих частиц.
В дальнейшем эта модель была применена для расчета вязкости молока на начальной стадии ферментативной коагуляции [81]. В этом случае глубина ямы є связана с плотностью гликогликомакропептидных остатков на мицелле, которая уменьшается в результате протеолиза. Результаты расчета временной зависимости вязкости молока в процессе коагуляции хорошо совпадают с экспериментом. Cichoki и Felderhof показали (рис 1Л4), что при небольших интенсивностях взаимодействия, характерных для начальной стадии дестабилизации коллоида, взаимодействие между частицами проявляется как липкость твердых частиц [77]. Расчет вязкости молока в процессе сычужного Зависимость относительной вязкости молока от времени в течение первичной стадии сычужной коагуляции молока. свертывания показал прекрасное совпадение с экспериментом, что убедительно свидетельствует в пользу гипотезы о снижении вязкости в результате остригання гидрофильных волосков к-казеина.
На основе описанной выше модели Mellema и др. [109] разработали новейший молекулярно обоснованный механизм сычужного свертывания. По мнению авторов Ван-дер-Ваальсового притяжения недостаточно для преодоления межмицеллярного отталкивания даже при практически полном протеолизе. Для решения этой проблемы в работе предлагается модель сополимеров, в которой к-казеин представляется как диблок, пара-к-казеин как диблок с укороченным растворимым блоком, а -казеин как триблок. Используя модель самосогласованного поля, они подтвердили, что диблок сополимеров и диблок сополимеров с укороченным растворимым блоком дают отталкивание, триблок сополимеров обуславливает притяжение.
Сычужный процесс вызывается повышением отношения пара-к-казеина к к-казеину при фиксированной концентрации а3і-казеина. А потенциал сдвигается от отталкивания к притяжению. Как следует из результатов работы, otsi-казеин играет важнейшую роль в процессе ферментативной коагуляции.
Прибор для точного определения момента начала гелеобразования в молоке
Для точного определения момента свертывания молока (гель-точки) обычно не требуется высокой линейности термочувствительного элемента, как в случае определения различных стадий процесса, но для обеспечения надежности измерений, например в промышленных условиях, необходима высокая чувствительность термодатчика к изменению температуры. Задача по созданию достаточно простого и, вместе с тем, очень чувствительного термографического датчика вязкости была решена, благодаря применению в разработанном нами приборе (положительное решение на выдачу патента РФ заявка № 2003135666/13(038280)) в качестве термочувствительных элементов полупроводниковых резисторов (термисторов).
На рис. 3.3 представлена принципиальная схема прибора. Полная электрическая схема устройства для точного определения момента свертывания молока с указанием номиналов используемых элементов представлена в приложение 1. R +U №) О Ri
R Принцип действия устройства основан на регистрации перепада температур между двумя полупроводниковыми термометрами сопротивления (термисторами) R3 и R4. Термисторы помещены в стеклянные или металлические капсулы и оформлены в виде выносного датчика, погружаемого в исследуемый коллоидный раствор. На одной из капсул намотана константановая проволока, служащая нагревателем (RH) 67 Мощность, подводимая к подогреваемому термистору от блока питания БП2, поддерживается постоянной.
Для увеличения чувствительности измерительной установки использована мостовая схема (резисторы R1-R4), в плечи которой включены термисторы (R3 и R4). Для предварительной балансировки моста используется резистор R.
Особенностью схемы является ее питание переменным напряжением частотой около одного килогерца (БПі). Это обусловлено, во-первых, тем, что при длительном прохождении через термисторы постоянного тока происходит их поляризация. Во-вторых, при питании переменным током устраняются также нестабильности операционного усилителя по постоянному току.
Сигналы с термисторов подаются на два входа операционного усилителя. Так как сигналы измерения температуры молока подаются на входы синфазно, на выходе операционного усилителя они не появляются. Схема реагирует только на дифференциальную составляющую, которая возникает после раз балансировки моста при свертывании молока, когда температура подогреваемого термистора немного увеличивается из-за исчезновения конвекционной составляющей теплопроводности. Дифференциальная составляющая с выхода операционного усилителя используется для управления устройством сигнализации, которым в нашем устройстве служит звуковой сигнал, получаемый непосредственным усилением дифференциальной составляющей. Параллельно звуковому сигнализатору включен стрелочный индикатор для визуального наблюдения разбалансировки моста.
К выходу устройства легко может быть присоединен аналого-цифровой преобразователь для сопряжения прибора с управляющим устройством на базе компьютера. 3.5. Автоматизированное двухканальное устройство для комплексного мониторинга процесса свертывания молока
Большое значение при изучении сложных многофакторных процессов, к которым относится и коагуляция молока, имеет возможность одновременного параллельного контроля нескольких определяющих процесс параметров. В связи с этим нами была разработана комплексная автоматизированная экспериментальная установка для одновременного мониторинга вязкости и активной кислотности молока.
Блок-схема прибора приведена на рис. 3.4. У него имеется два идентичных аналоговых входа с уровнем входного сигнала 0+5 В, к одному из которых подключен термометрический датчик вязкости, а к другому рН-метр. Сигналы оцифровываются двумя идентичными АЦП и через плату сопряжения поступают на персональный компьютер (положительное решение на выдачу патента РФ заявка № 2004122322/28(023996)).
. Блок-схема автоматизированного двухканального устройства для комплексного мониторинга процесса свертывания молока.
В качестве термометра использован сенсор на основе кремниевого датчика температуры. Благодаря использованию компьютерной обработки данных, удалось исключить элемент сравнения из схемы измерения. Момент свертывания определяется по резкому изменению температуры датчика. В температурном диапазоне от -50 С до +150 С кремниевые датчики имеют большие преимущества. Они обладают достаточной чувствительностью, хорошей линейностью характеристик, дешевы и доступны.
Наличие второго канала позволяет проводить комплексный мониторинг процесса свертывания, отслеживая одновременно два параметра, например, вязкость и активную кислотность молока (или активность ионов кальция и т.п.).
Принципиальная схема термометрического датчика вязкости с номиналами элементов и схема подключения датчика температуры изображена в приложение 2.
Кремниевый датчик температуры помещен в капсулу из термореактивного материала, для уменьшения тепловой инерции, и оформлен в виде выносного датчика, погружаемого в молоко. На капсуле намотана изолированная водостойким лаком константановая проволока, служащая нагревателем. Мощность, подводимая к подогреваемому нагревателю, поддерживается постоянной.
Увеличение кинематической вязкости молока во время его свёртывания уменьшает конвекционный отвод тепла от нагревателя и отражается в увеличении температуры кремниевого датчика.
Порог срабатывания прибора можно настроить на определенную границу или на скорость изменения температуры.
Конструкция прибора позволяет использовать его для мониторинга процесса гелеобразования непосредственно в сырной или творожной ванне.
Разработанный прибор обладает высокой надежностью, хорошей чувствительностью и сравнительно невысокой стоимостью, а многоканальность делает его вполне универсальным. Следует отметить, что данный прибор может быть особенно полезным для мониторинга процесса смешанного, кислотно-сычужного, свертывания молока. Данная методика является в настоящее время основой производства большой группы мягких сыров, обладающих широким спектром технологических, биологических и пищевых характеристик. Применение такого прибора для одновременного мониторинга вязкости и кислотности молока на этапе коагуляции молока может стать основой для стандартизации и автоматизации процесса производства таких сыров.
Исследование влияния молокосвертывающего фермента на процесс коагуляции
С помощью термографа проведены исследования процесса сычужной коагуляции молока. На рис. 4.1 приведена типичная зависимость разности температур между спаями термопары от времени, прошедшего после внесения фермента.
Восстановленное обезжиренное молоко получено растворением 90 г сухого обезжиренного молочного порошка в I л дистиллированной воды с добавлением 10% раствора СаС12. Перед проведением экспериментов молоко выдерживалось при температуре 6±2 С в течение 24 часов. Все эксперименты проводились в термостате при температуре 30±1С.
Демонстрирует влияние различных доз фермента на продолжительность свертывания. Для свертывания использовался фермент «Фромаза». В этой серии экспериментов количество внесенного при восстановлении молока хлорида кальция составляло 4 мл 10% раствора на 1 л молока.
Из рис. 4.1 видно, что, как и следовало ожидать, от количества добавляемого сычужного фермента зависит ход свертывания молока. Увеличение дозы сычужного фермента ускоряет процесс сычужного свертывания молока - сокращается общая продолжительность гелеобразования и его отдельных стадий.
В табл. 4.1 представлены сравнительные результаты исследования влияния концентрации различных молокосвертывающих ферментов на продолжительность свертывания молока.
Как видно из приведенных данных исследований влияния концентрации и разновидностей ферментов на процесс сычужной коагуляции молока, наибольшей молокосвертывающей активностью обладает рекомбинантный химозин «Максирен», несколько меньшую активность проявляет препарат микробного синтеза «Фромаза», а наменьшей активностью обладает смесь куриного и говяжьего пепсина в соотношении 50:50 «КГ 50». Таким образом, с помощью термографа можно определять не только момент свертывания молока, но и активность молокосвертывающих ферментов.
Концентрациямолокосвертывающегофермента, (мг/л) Температура свертывания, (С) 30 Продолжительность свертывания молока, (сек)
Роль температурного фактора и молокосвертывающего фермента в процессе свертывания молока видна из табл. 4.2. В ней приведены сведения, характеризующие продолжительность свертывания молока при 20, 30 и 40 С. С повышением температуры происходило ускорение процесса гелеобразования молока. Особенно это заметно при повышении температуры свертывания с 20 до 40 С. Сокращение продолжительности свертывания молока с повышением температуры связано с усилением активности молокосвертывающего фермента, оптимум действия которого находится около 41 С, а также с активизацией деятельности молочнокислой миклофлоры.
При сычужном свертывании молока значительное влияние на продолжительность коагуляции оказывает концентрация ионов кальция в растворе. На рис. 4.2 и 4.3 представлены полученные данные по влиянию различных доз внесенного хлорида кальции на продолжительность свертывании молока.
На рис. 4.2 изображена зависимость разности температур, прошедшая после внесения 25 мг фермента на 1 л молока, с предварительным добавлением четырёх различных концентраций 10% раствора СаС12, в качестве молокосвертывающего фермента использовали «Фромазу», а на рис. 4.3 в качестве фермента использовали «КГ 50».
В процессе исследования обработка опытных данных претерпела некоторые изменения. На начальном этапе данные записывались вручную каждую минуту с вольтамперметра, затем обрабатывались с помощью программы Excel, в результате чего получались термограммы, которые представлены на рис. 4.2. В ходе проведения исследований в связи с этим для автоматизации процесса сбора данных использован персональный компьютер. Накопление данных с помощью компьютера и их дальнейшая электронная обработка существенно облегчала процесс измерения и заметно сглаживала случайные ошибки. Для считывания и записи выходных данных разработано программное обеспечение на языке Turbo Pascal (Приложение 3). Полученные результаты записываются в файл и в дальнейшем могут быть представлены в графическом виде (рис. 4.3) при помощи математического пакета Matlab (Приложение 4) или обработаны программными средствами.
В табл. 4.3 представлены результаты влияния концентрации хлорида кальция на продолжительность сычужного свертывания молока.
Исследование особенностей процесса кислотно-сычужной коагуляции
Как было выше упомянуто, в литературном обзоре, кислотно-сычужная коагуляция мало изучена и исследование свертывания молока при помощи комплексного устройства может дать много ценной информации.
Особый интерес представляют исследования комплексного воздействия кислотного и ферментативного факторов на мицеллу казеина и возможностей их регулирования при кислотно-сычужном способе коагуляции. Кислотно-сычужное свертывание молока лежит в основе получения особой группы мягких сыров, обладающих ценными пищевыми и технологическими качествами.
Для исследования особенностей кислотно-сычужной коагуляции молока было проведено комплексное исследование влияния концентрации молочной кислоты, молокосвертывающего фермента и величина рН.
Молоко восстановили по выше упомянутой методике 90 г/л и выдержали при б±2 С в холодильной камере. Эксперимент проводился в термостате при температуре 30±1 С. Молочную кислоту вносили в виде 10% раствора. В качестве молокосвертывающего фермента использовали «Максирен» из расчета 25 мг/л. Величина активной кислотности молока в момент начала исследования составляла 6,73 единиц рН.
Результат исследования влияния молочной кислоты и молокосвертывающего фермента на процесс свертывания молока представлен на рис. 4.11.
В качестве контрольного образца произвели коагуляцию молока с добавлением только одного молокосвертывающего фермента образец №4. В последующих опытах одновременно добавляли фермент и молочную кислоту с различными концентрациями.
Влияние различных доз внесенной молочной кислоты на продолжительность кислотно-сычужного свертывания молока: а - термограмма кислотно-сычужного свертывания; б - изменение активной кислотности. Концентрация молочной кислоты: (1) - 5 мл/л; (2) - 3 мл/л; (3) - 1 мл/л; (4) 0 -мл/л. 112 Как видно из рис. 4.11 увеличение дозы молочной кислоты от 0 мл/л до 5 мл/л при постоянном количестве молокосвертывающего фермента снижает величину активной кислотности сгустков от рН 6,73 до 6,28 и увеличивает скорость процесса коагуляции белков молока, активизируя молочнокислый процесс. Для анализа процесса кислотно-сычужного свертывания молока большой интерес представляет динамика изменений величин активной кислотности. Особенно существенно этот фактор действует при незначительных дозах фермента.
На рис. 4.12 представлен результат исследования влияния закваски и молокосвертывающего фермента на процесс кислотно-сычужной коагуляции молока.
Ацидофильную закваску вносили в количестве 10 %. Величина активной кислотности закваски в момент добавления к молоку составляла 4,52 единиц рН, а исследуемого молока составляла 6,73 единиц рН. В качестве фермента использовали «Максирен».
Из приведенного рис. 4.12 (б) видно, что в момент свертывания молока активная кислотность образца №1 меньше, чем образца №2. Это можно объяснить тем, что увеличение количества молокосвертывающего фермента при постоянной дозе бактериальной закваски не только сокращает продолжительность свертывания молока, но и сдерживает активность молочнокислого процесса.
Известно, что кислотно-сычужное свертывание связано с изменением активной кислотности молока. Особенно существенно этот фактор действует при незначительных дозах фермента.
В табл. 4.5 показано влияние различных доз молокосвертывающего фермента и бактериальной закваски на продолжительность свертывания молока и активной кислотности сгустка.
