Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Коллоидные основы получения пенообразных дисперсных систем 12
1.1. Теоретические принципы формирования пенообразных масс 13
1.2. Разрушение и синерезис в межфазных пленочных структурах 27
1.3. Реологические характеристики пенообразных дисперсных систем 44
ГЛАВА 2. Обоснование базовых направлений исследований, их цель и задачи 53
2.1. Прикладное использование пенообразных дисперсных систем в технологии молочных продуктов 53
2.2. Обоснование основных направлений исследований, их цель и задачи.,.. 76
ГЛАВА 3. Методология проведения исследований 81
3.1. Организация выполнения работы 81
3.2. Объекты исследований 84
3.3. Методы исследований 85
ГЛАВА 4. Взаимосвязь состава и свойств молока с его пенообразующими характеристиками 94
4.1. Белки 94
4.2. Липиды 110
4.3. Лактоза 122
4.4. Дисперсионная среда 125
4.5. Активная и титруемая кислотность 133
4.6. Заключение по четвертой главе 138
ГЛАВА 5. Влияние технологических факторов и процессов на пенообразующие свойства молока 143
5.1. Сезонность производства молока 143
5.2. Транспортировка сырья на молочные заводы 146
5.3. Резервирование сырья 149
5.4. Гомогенизация 154
5.5. Пастеризация 160
5.6. Продолжительность гидромеханического воздействия 164
5.7. Заключение по пятой главе 166
ГЛАВА 6. Развитие микроорганизмов в молочных пенообразных дисперсных системах 169
6.1. Исследование влияния режимов пастеризации на развитие микрофлоры
в молочных межфазных пленках 169
6.2. Исследование флотационной способности межфазных пленок в отношении микроорганизмов 178
6.3. Моделирование распространения микроорганизмов в каналах Плато-Гиббса в зависимости от способа получения межфазных пленок
6.4. Исследование трансформации пенообразующих свойств молока под воздействием заквасочной микрофлоры 188
6.5. Заключение по шестой главе 194
ГЛАВА 7. Пенообразующие свойства ферментированного молока 197
7.1. Исследование влияния протеолитической обработки молока на его пенообразующие свойства 198
7.2. Исследование биохимических закономерностей в ферментированном молоке с учетом его способности к образованию межфазных пленок 209
7.3. Разработка методологии оценки свойств ферментных препаратов с целью биотехнологической трансформации свойств молока при формировании межфазных пленок 219
7.4. Заключение по седьмой главе 221
ГЛАВА 8. Концепция формирования молочных пенообразных дисперсных систем 224
8.1. Характеристика коллоидных явлений 224
8.2. Исследование взаимосвязи межфазной поверхности и устойчивости молочных межфазных пленок 230
8.3. Механизм формирования дисперсной фазы молочных пенообразных дисперсных систем на основе парадокса Даламбера 235
8.4. Исследование капиллярной силы взаимодействия дисперсных частиц на основе геометрии межфазных пленок 242
8.5. Классификация молочных пенообразных дисперсных систем 245
8.6. Заключение по восьмой главе 250
ГЛАВА 9. Управление процессом пенообразования в молочной промышленности 254
9.1. Методологические аспекты и некоторые проблемы анализа молочных межфазных пленок 254
9.2. Принципы регулирования физико-химических свойств и состава молочных пенообразных дисперсных систем 259
9.3. Исследование и разработка способов управления нежелательным пенообразованием в молочной промышленности 264
9.3.1. Физические способы борьбы с нежелательным ценообразованием 265
9.3.2. Химические способы борьбы с нежелательным пенообразованием 273
9.4. Заключение по девятой главе 285
ГЛАВА 10. Технологические принципы производства продуктов на основе молочных пенообразных дисперсных систем 288
10.1. Технология, состав и свойства молочных взбитых продуктов 288
10.1.1. Взбитые десерты на основе восстановленного обезжиренного молока (ТУ 9224-040-02068315-99, патент РФ №2167542) 288
10.1.2. Фризерованные молочные продукты (ТУ 9228-007-4621144-01, патент РФ №2216990) 290
10.1.3. Взбивные продукты на основе пахты (патент РФ №2208321) 294
10.1.4. Молочные бифидодесерты (ТУ 9224-080-02068315, положительное решение о выдаче патента РФ по заявке №2001111983/13) 295
10.1.5. Сбивной полуфабрикат на молочно-растительной основе (ТУ 9224-094-02068315-02, заявка на выдачу патента РФ №2003100101/13) 297
10.1.6. Цельномолочные взбивные десерты (ТУ 9228-075-02068315-01, патент РФ №220833) 299
10.1.7. Аналог взбитых сливок (ТУ 9224-093-2068315-01, заявка на выдачу патента РФ 200310002/13) 301
10.1.8. Коктейли молочно-яичные структурированные (ТУ 9228-103- 02068315-01) 306
10.1.9. Десерты творожные взбивные (ТУ 9224-087-02068315-01, патент РФ №2216984) 309
10.1.10. Муссы творожные (ТУ 9224-084-02068315-01) 310
10.1.11. Сбивной полуфабрикат (ТУ 9195-076-02068315-02, заявка на выдачу патента РФ №203100101/13) 312
10.1.12. Пенообразователь для молочной промышленности (ТУ 9228-081-02068315-02) 321
10.1.13. Взбитое молочко и взбитая сыворотка (ТУ 9228-104-02068315-02).. 323
10.1.14. Пенки десертные (ТУ 9228-080-02068315-01) 325
10.1.15. Молочно-яичные белковые муссы (заявка на выдачу патента РФ Ш №2003100101/13) 328
10.1.16. Крем молочный (патент РФ №2218801) 330
10.1.17. Молоко топленое «Солнышко», не пенящееся при розливе (ТУ 9222-050-02068315-00, патент РФ №2202215) 332
10.1.18. Пеногаситель для молочной промышленности (ТУ 9143-105-02068315-02) 335
10.2. Эффективность выработки 336
10.3. Заключение по десятой главе 337
Выводы 340
Список литературы 343
Приложения 382
- Разрушение и синерезис в межфазных пленочных структурах
- Исследование трансформации пенообразующих свойств молока под воздействием заквасочной микрофлоры
- Механизм формирования дисперсной фазы молочных пенообразных дисперсных систем на основе парадокса Даламбера
- Физические способы борьбы с нежелательным ценообразованием
Введение к работе
Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований в наиболее перспективных направлениях развития отечественного агропромышленного комплекса создает технологическую основу для совершенствования процессов производства продовольствия и является важнейшим фактором реализации Концепции государственной политики в области питания населения Российской Федерации на период до 2005 года.
Практическое достижение целей Концепции неизбежно связано с созданием технологий переработки молока, поскольку оно содержит все пищевые вещества, необходимые для поддержания жизни и здоровья организма человека. Высокая пищевая ценность молока обусловлена не только содержанием в нем белков, липидов, углеводов, минеральных солей и благоприятным их соотношением, но и специфическим составом указанных компонентов. Этим объясняется наличие широкого ассортимента продуктов, вырабатываемых предприятиями молочной промышленности.
Молоко и его составные части с момента доения до получения готовой молочной продукции подвергаются разнообразным энергетическим воздей-
ствиям. Постоянно увеличивающаяся доля механизации и автоматизации технологических процессов обработки первичного продукта и получения готовой продукции приводит к повышению механической нагрузки - прежде всего гидродинамического и термического характера. Одновременно с целенаправленными энергетическими воздействиями неизбежно влияние механических нагрузок при перекачивании и транспортировке по трубопроводам и в емкостях, при перемешивании, работе насосов и т.д. Одним из последствий механического воздействия на молоко является ценообразование.
Из практики молочной промышленности известно, что при производстве классических молочных продуктов пенообразование является крайне нежелательным явлением, поскольку на границе образующихся фаз интен-сивно протекают фазовые, микробиологические, окислительно-восстановительные процессы, липолиз, а образующаяся пена ухудшает рабо-
ту сепараторов, насосов, пастеризационных установок и другого оборудования. Вместе с тем, существует ряд молочных продуктов (взбитые сливки, коктейли, десерты) и процессов (производство масла сбиванием сливок, сушка белково-углеводного сырья во вспененном состоянии), где образование пены является решающим условием получения качественного продукта.
В то время как различные продукты питания со взбитой (пенной) структурой должны обладать определенной устойчивостью, при транспортировке и технологических процессах пенообразование может отрицательно сказываться на качестве продуктов, вырабатываемых из молока. Следствием этого может быть.ухудшение сенсорных и физико-химических показателей молочной продукции, которые невозможно улучшить никакими технологическими приемами. Поэтому изучение сущности образования пенообразных масс (пенообразных дисперсных систем, ПДС) и факторов, влияющих на их свойства и состав, является актуальным вопросом для современного молочного производства, что позволяет создавать обоснованные рекомендации по устранению отрицательных последствий этого явления. Однако влияние температуры, свойств молока, обусловленных белками, липидами, углеводами, дисперсионной «средой, а также воздействие других технологических факторов и процессов, изучены недостаточно, а имеющие в литературе сведения крайне противоречивы. Концепция управления данным явлением в молочной отрасли не развита, а накопленный материал имеет некоторый антисистемный характер.
Исключительное многообразие молочных продуктов, относящихся к дисперсным системам, их важное прикладное значение предопределяют не-обходимость изучения свойств и разработки методов физико-химического управления качеством на разных стадиях технологических процессов получения и переработки дисперсных систем. Есть все основания утверждать, что физико-химия дисперсных систем является научной основой технологических процессов, протекающих в гетерогенных системах, в том числе процессов создания пищевых продуктов. Эта идея впервые была высказана акаде-
хмиком П.А. Ребиндером, внесшим существенный вклад в развитие физико-химии дисперсных систем, поверхностных явлений и показавшим, насколько плодотворным является использование достижений в этой области науки для решения прикладных задач в технике и технологии.
Исследования физико-химических характеристик пены и пенных пленок началось около 100 лет назад, однако прогресс в изучении состава и свойств пенообразных масс был достигнут в XX веке благодаря исследованиям П.А. Ребиндера, И.Н. Влодавца, А.Д. Зимона, Е.Д. Щукина, Н.Б. Урье-ва, А.А. Трапезникова, А.В. Думанского, Б.В. Дерягина, А. Шелудко, В.Н.Измайловой, А.А. Абрамзона, П.М.Круглякова и других.
Известно, что пены представляют собой системы с сильно развитой поверхностью раздела фаз, что определяет их свойства. ПДС нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, и предъявляемые к ним требования зависят от технического назначения.
В отличие от истинного раствора, получаемого в результате растворения вещества до молекулярного уровня и являющегося гомогенной системой, в газожидкостной системе частички дисперсной фазы состоят не из отдельных молекул, а из их конгломератов, которые обладают термодинамическими свойствами фазы. Именно поэтому показатели качества и другие физические характеристики продуктов зависят от дисперсности, однородности, концентрации и удельной поверхности частиц.
В теоретическом плане применительно к молочному производству данная проблема еще недостаточно изучена и поэтому до сих пор остается открытым вопрос о механизме формирования пенных пленок и физико-химическая концепция этого явления. Фундаментальные исследования в аспекте получения молочных пенообразных дисперсных систем отнесены, как правило, к конкретному процессу (например, в работах А.П. Белоусова рассмотрено получение масла сбиванием сливок). Отдельные аспекты теории и практики пенообразования молочных объектов рассмотрены в трудах Г.А.Кука, П.А. Ребиндера, А.Г. Храмцова, И.Н.Влодавца, Н.Н.Липатова,
А.П.Белоусова, В.Д.Харитонова, Ю.Я.Свириденко, Н.Н.Липатова (мл.), Г.В.Твердохлеб, К.К.Полянского, Н.И.Дунченко, В.Д.Суркова, З.С.Зобковой, С.М.Кунижева, И.А.Евдокимова, П.Г.Нестеренко, С.С.Гуляева-Зайцева, J.R.Brunner, H.Mulder, P.Walstra и других ученых.
В молочной промышленности используют большое количество пенообразных масс. Условно их делят на 2 группы: продукты с пенной структурой, которые немедленно используют после их изготовления (суфле, коктейли, пенные напитки), и продукты, которые сохраняют длительное время свои свойства после определенной их технологической обработки (муссы, кремы, стабилизированные десерты). Однако влияние различных технологических факторов, таких как состав исходной системы, участие отдельных компонентов (плазмы, белков, жиров, углеводов, сырья немолочного происхождения), воздействие технологических процессов (например, гомогенизации, термообработки, интенсивности гидромеханического воздействия (взбивания)) изучены недостаточно, а имеющиеся в литературе сведения крайне противоречивы, особенно в тех положениях, которые теоретически объясняют экспериментально установленные закономерности.
Кроме того, в настоящее время возникла необходимость в разработке таких молочных продуктов, которые по пищевой и биологической ценности превышали бы таковые у имеющихся традиционных продуктов, удовлетворяли спрос потребителей и позволяли наиболее полно и эффективно использовать все составные части молока, что в конечном итоге способствовало рациональному использованию сырья в молочной промышленности. Однако реализация намеченного направления невозможна без научно обоснованного подхода к производству продукции данного вида. Решение этой задачи усложняется в силу того, что газожидкостные молочные продукты являются сложной гетерогенной дисперсной системой, состоящей из нескольких составляющих - суспензии, эмульсии и пены. Именно поэтому показатели качества и физические характеристики молочных взбитых продуктов залзисят от дисперсности, однородности, концентрации и удельной поверхности частиц,
входящих в состав смеси, а гетерогенность и наличие нескольких фаз определяют все многообразие их существующих видов.
В связи с этим, изучение сущности образования пенообразных дисперсных систем и факторов, влияющих на их свойства и состав, является актуальным вопросом для современного молочного производства, что позволяет сформулировать новые теоретические положения и внести уточнения в существующие.
В работе с позиции коллоидной химии обоснованы физико-химические закономерности формирования молочных пенообразных дисперсных систем, установлены биотехнологические принципы пенообразования, определены технологические особенности производства продуктов на основе молочных ПДС, а также разработаны теоретические положения, позволяющие управлять пенообразованием в промышленности.
На основании исследований поверхностной активности раскрыт механизм участия компонентов молока в образовании межфазных пенных пленок. Выявлена взаимосвязь казеина, сывороточных белков, небелковых азотистых веществ, жировой фазы (агрегатного состояния триглицеридов и диаметра жировых шариков), фосфолипидов, лактозы, дисперсионной среды, активной и титруемой кислотности, поверхностного натяжения, вязкости, активности воды и температуры молока с его пенообразующей активностью.
Исследовано влияние технологических факторов и процессов (транспортировки, резервирования, гомогенизации, пастеризации, продолжительности воздействия) на пенообразующие свойства молока, показано их влияние на основные свойства пенообразных масс (пенообразующую способность, устойчивость, дисперсность).
Изучено развитие микроорганизмов в межфазных пленках молочных ПДС, впервые определено влияние температуры, массовой доли жира и продолжительности процесса пенообразования на степень флотации микроорганизмов в межфазные пенные структуры, полученные различными способами. Обоснована температура пастеризации молока для производства продуктов
на основе ПДС. Доказана возможность использования отдельных видов молочнокислых бактерий с целью направленного регулирования пенообразую-щих свойств молока.
Исследованы пенообразующие свойства молока, обработанного протеазами различного происхождения. Установлена взаимосвязь биохимических процессов, происходящих с белками (изменение диаметра мицелл казеина и относительного содержания аминогрупп), и пенообразующими свойствами.
Обоснована концепция формирования молочных ПДС. Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в результате насыщения дисперсионной среды молока, газом. Установлено влияние типа контакта и геометрии межфазных пленок на величину капиллярной силы взаимодействия воздушных пузырьков. Выполнены расчеты межфазной поверхности пенных пленок для прогнозирования устойчивости ПДС. Разработана классификация молочных пенообразных дисперсных систем, основу которой составляют уровни, определяющие многообразие характеристик пенообразных масс.
Раскрыт механизм управления пенообразованием в молочной промышленности на основе закономерностей формирования ПДС. Изучена пенопре-дотвращающая способность растительных масел в эмульгированном и не-эмульгированном виде в отношении молочных ПДС. Выявлена взаимосвязь между диаметром жировых шариков эмульсии пеногасителя и их пенопре-дотвращающими свойствами. Исследованы физические способы борьбы с нежелательным пенообразованием. Изучено влияние жидкого азота, ультразвука и поля СВЧ на устойчивость молочных пен. Теоретически обоснованы и реализованы экспериментально регламенты выработки молочных продуктов на основе ПДС.
По материалам диссертационной работы опубликовано более ста пятидесяти работ, в том числе три монографии общим объемом 47 печатных листов, более пятидесяти статей в отраслевых журналах, рекомендованных ВАК, новизна предлагаемых технических решений защищена патентами РФ.
Разрушение и синерезис в межфазных пленочных структурах
Особенности важнейших свойств ПДС состоят в том, что значительная доля всех молекул или атомов располагается на поверхности раздела фаз. Эта часть вещества по своему положению находится в несимметричном силовом поле и отличается особенностями своего энергетического состояния. Действительно, создание межфазной поверхности требует применения усилий по разрыву связей. При этом значительная часть энергии накапливается здесь же, на межфазной границе.
Неограниченное диспергирование гетерогенной ПДС переводит ее в гомогенное состояние. Этот переход сочетает единство непрерывности и скачка, как и обратный процесс - возникновение новой фазы в гомогенной среде, т.е. происходит переход количественных изменений в качественные. Избыток свободной энергии приводит пенообразные дисперсии к системам, стремящимся к уменьшению дисперсности. При этом пена, оставаясь неизменной по химическому составу, изменяет энергетические характеристики и, следовательно, коллоидно-химические свойства. Все эти особенности имеют большое значение в различных областях промышленности. Потенциальные возможности использования данного направления, основанные на знании свойств пенообразных масс, практически неограниченны, однако с прикладных позиций требуют большего развития. В связи с многообразием свойств ПДС проанализируем наиболее значимые из них. Как ранее было отмечено, пены относятся к термодинамически неустойчивым системам, так как имеют сильно развитую поверхность раздела фаз. В связи с этим, процессы в них имеют тенденцию к коалесценции, связанную с сокращением поверхности, а следовательно, и с уменьшением поверхностной энергии. Устойчивое состояние системы соответствует полной коалесценции, то есть, расслоению системы с превращением в две объемные фазы - жидкость и газ с минимальной поверхностью раздела. Современные представления коллоидной химии, сформулированные в теориях устойчивости, не до конца объясняют поведение пены во времени [299]. Выявление основных закономерностей устойчивости позволяет определить кинетику многих других процессов (диффузии газа, синерезиса) и на их основе качественно, а иногда и количественно оценить установленные закономерности [111, 349,363,369,373,397,413]. Терминология, описывающая проблему устойчивости, довольно неод нозначна. В традиционной коллоидной химии исходят из сравнения энергии» Гиббса, полученной диспергированием одной фазы в другой и системы, со- стоящей из этих же контактирующих фаз, но не в диспергированном состоя нии. Поскольку при таком сравнении у лиофобных дисперсных систем меньшей оказывается энергия Гиббса недиспергированных фаз, то такие дисперсные системы считают неустойчивыми, а под кинетической устойчивостью понимают приближенное постоянство различных свойств дисперсной системы (дисперсности, содержания дисперсной фазы) во времени (или очень медленное изменение этих параметров) [183]. Различают два вида устойчивости ПДС: - кинетическая (седиментационная) устойчивость - способность систе мы сохранять неизмененным во времени распределение частиц дисперсной фазы в объеме системы, то есть способность системы противостоять силе тяжести; - агрегативная устойчивость - способность сохранять неизменными во времени размеры частиц дисперсной фазы (дисперсность) и их индивидуальность. Приближенным показателем дисперсности может служить средний диаметр газовых пузырьков в ПДС. Как правило, чем выше дисперсность пе ны, т.е. чем меньше размер пузырьков, тем выше ее устойчивость. Чем больше диаметр пузырька, тем сильнее его форма отличается от сферической, тем выше амплитуда колебаний и больше скорость всплывания. Все эти факторы снижают устойчивость единичного пузырька, ухудшая, тем самым, условия пенообразования [77, ИЗ, 127, 130]. Лиофильные дисперсные системы, частицы которых имеют радиус менее 1 мкм, в соответствии с критерием самопроизвольного диспергирования термодинамически устойчивы, так как из-за участия частиц в броуновском движении они не могут образовывать структуру. Критерий самопроизвольного диспергирования определяет нижнюю границу области значений радиусов частиц, способных к структурообразованию. Верхней границей области значений радиусов частиц, способных к структурообразованию, является размер более 100 мкм, так как возникающая структура разрушается под действием силы тяжести. Однако, если концентрация дисперсной фазы большая, то вследствие агрегативной неустойчивости в системе образуется непрерывная структура, фиксирующая частицы и обеспечивающая седиментационную устойчивость дисперсной системы в статических условиях [72, 142]. Главным фактором устойчивости пены во времени являются стабилизирующие свойства ПАВ. Критериями оценки эффективности ПАВ являются величина адсорбции на границе раздела жидкость - газ, понижение поверхностного натяжения, предельная адсорбция [1]. В качестве характеристик пенообразователей используют способность ПАВ адсорбироваться на поверхности пленки, определяя плотность зарядов и, соответственно, потенциала диффузионной части двойного электрического слоя. Установлено, что адсорбционные слои ионогенных ПАВ имеют потенциалы 70-100 мВ, а неионогенных ПАВ 30-40 мВ.
Исследование трансформации пенообразующих свойств молока под воздействием заквасочной микрофлоры
Результаты, приведенные в табл. 4.8, показывают, что с понижением температуры взбивания пенообразующая способность сливок увеличивается. Это связано с отвердеванием основной части триглицеридов молочного жира, которые сорбируются на границе раздела фаз и, тем самым, формируют прочные межфазные слои ПДС. Установлено, что в рассматриваемом диапазоне концентраций с повышением массовой доли жира значения пенообра зующей способности так же увеличиваются. Естественно предположить, что характер поверхностных явлений имеет направленность к полному завершению образования структуры межфазных слоев, при которой происходит стабилизация дисперсной фазы.
Характерной чертой жировой фазы молока является полиморфизм триглицеридов, для которой отмечено более длительное установление равновесия «жидкий жир - твердый жир» в охлажденных сливках по сравнению с расплавом молочного жира. При этом кристаллизация триглицеридов молочного жира в дисперсном состоянии (в эмульсии) существенно отличается от кристаллизации в объемной фазе. Начало отвердевания (образование кристаллических зародышей) происходит в эмульгированном жире при более низкой температуре, то есть требует более значительной степени переохлаждения. В связи с этим естественно предположить, что созревание сливок (выдержка при низких положительных температурах) должно способствовать повышению пенообразующей способности сливок. Результаты, подтверждающие правильность выдвинутой гипотезы, приведены на рис. 4.13.
Анализ приведенных кривых позволяет констатировать положительную роль созревания сливок перед взбиванием. При этом значения пенообра зующей способности сливок повышаются, причем в сливках с массовой долей жира 35, 30, 25, 20, 15 и 10% это увеличение через 12 часов составляет 3,2; 9,4; 11,9; 18,8; 22,7 и 13,5%, соответственно. Наибольшее увеличение пенообразующей способности отмечено у сливок с массовой долей жира 15%. Это, вероятно, связано с тем, что при созревании сливок происходит увели-чение размеров жировых ассоциатов, что является причиной более сильного стабилизирующего воздействия на межфазные пленки жировой фазы взбитых сливок. Триглицериды в сливках с массовой долей более 25% в силу особенностей своих поверхностно-активных свойств не оказывают аналогичного усиления свойств к формированию сливочных ПДС. То количество жиpa, которое содержится в сливках с массовой долей жира более 15% после охлаждения, но без созревания, является достаточным для завершения формирования межфазных пенных пленок во взбитых сливках.
При использовании сливок с массовой долей жира 10% количество жировой фазы недостаточно для стабилизации образованных воздушных пузырьков, наблюдается дефицит поверхностно-активных веществ, и значения пенообразующей способности не отличаются повышенными показателями. Это подтверждено устойчивостью сливочных ПДС, которые при температуре хранения не выше основной области плавления триглицеридов имеют значения устойчивости 100%.
Таким образом, важным критерием в производстве молочных продуктов на основе ПДС являются дисперсное и агрегатное состояние молочного жира. Молоко, жир которого представлен крупными жировыми шариками, обладает более выраженной пенообразующей активностью.
Способность молочных систем к формированию межфазных структур при фризеровании предопределило направление дальнейшего исследования -изучить влияние жировой фазы на данный процесс (в работе изучали влияние исключительного молочного жира на особенности формирования структур ПДС, полученных при совместном влиянии взбивания и замораживания).
В целом полученные данные показывают активное участие жировой фазы в процессе фризерования. Достижение степени взбитости 120% возможно в контрольном образце при критерии продолжительности фризерования, равном 100%. Увеличение массовой доли жира на 6% сокращает продолжительность фризерования до заданного показателя на 5,5%; при увеличении массовой доли жира по сравнению с контрольным образцом на 12,5; 18,8; и 25,0% аналогичное сокращение продолжительности процесса составляет 14; 20; 29%, соответственно.
При фризеровании происходит отвердевание основной части триглице-ридов молочного жира, значительная часть утрачивает сферическую форму, что оказывает более интенсивное влияние на формирование полидисперсной структуры фризерованных молочных продуктов. В общем виде физико-химические процессы при фризеровании сводятся к тому, что стойкая эмульсия молочного жира при замораживании и взбивании вовлекается в межфазную поверхность дисперсионная фаза - молочный жир - воздух и, тем самым, повышает степень взбитости. Этому способствуют низкие температуры на выходе из фризера (порядка минус 5,5С).
Учитывая современные достижения коллоидной химии, следует конкретизировать, что находящиеся в твердом состоянии жировые шарики обладают гидрофобными свойствами по отношению к образующимся кристаллам льда и, не подчиняются закону взаимодействия дисперсных частиц. Это подтверждено тем, что замороженная смесь, подвергнутая фризерованию, не содержит повышенного количества жира по сравнению с исходной системой.
В результате частичного отвердевания жировой фазы молочной смеси после фризерования происходит уменьшение количества оболочечного вещества на поверхности жировых шариков. Это приводит к дестабилизации эмульсии и нарушению структуры готовой продукции, что усиливается низкими температурами (отмечен достоверный рост концентрации деэмульгиро-ванного жира). В связи с этим, актуальным является изучение термоустойчивости образцов с различной массовой долей жира. Результаты исследований приведены в табл. 4.10.
Механизм формирования дисперсной фазы молочных пенообразных дисперсных систем на основе парадокса Даламбера
Анализ разработанного алгоритма показал, что реальное значение площади межфазной поверхности дисперсных систем S05Ui зависит от объемной доли газа, количества частиц дисперсной фазы и их размера.
Интерпретация алгоритма для IBM приведена в приложении 7. В табл. 8.3 приведено изменение рассматриваемого показателя в зависимости от среднего размера пузырьков и объемной доли воздушной фазы.
Выявлено, что реальные значения межфазной поверхности приближаются к тем, которые получены при допущении о возможных контактах пузырьков друг с другом. Как и следовало ожидать, с увеличением доли воздушной фазы отмечено увеличение вероятных возможностей контакта между пузырьками газа.
Выявлено, что с увеличением доли газа при прочих равных параметрах значения устойчивости снижались, что обусловлено увеличением площади межфазной поверхности. В реальных условиях практически не существует монодисперсных ПДС. В этой связи алгоритм расчета площади межфазной поверхности имеет особенности, обусловленные количеством воздушных пузырьков и их дифференциальным распределением по фракциям. Однако экспериментально достаточно сложно соотнести дисперсность и объемную долю воздушной фазы. В этой связи нами была разработаны справочные таблицы, позволяющие определять межфазную поверхность дисперсных систем в зависимости от указанных факторов (приложение 8). Использование в прикладных целях полученных значений поверхности раздела фаз, в первую очередь, позволяет прогнозировать устойчивость дисперсных систем на основе пенообразных масс, а также рассчитывать количество ПАВ, необходи-. мых для стабилизации единицы межфазной поверхности.
С целью облегчения восприятия материала нами были получены аналитические зависимости, позволяющие определять площадь межфазной поверхности в зависимости от содержания воздушной фазы. В качестве молочных систем были выбраны сливки, сыворотка, белковое молоко (молоко, нормализованное по массовой доле белка) и цельное молоко. Это обусловлено спецификой проявления пенообразующих свойств в конкретных условиях.
Следует признать, что в приведенных уравнениях при отсутствии газосодержания в системе (полагая ф=0) значения межфазной поверхности имеют определенные значения, которые не достоверны. В целом максимальная искомая величина в рассматриваемых случаях была характерна для сливок и составила 85,996 м . Это полностью соответствует результатам экспериментов - наибольшей устойчивостью при прочих равных условиях характеризовались сливки с массовой долей жира не менее 35%.
Свойства ПДС являются интегральной характеристикой исходных систем и отдельных технологических операций, в процессе осуществления которых формируется конечная дисперсная структура взбитых продуктов. В соответствии с положениями физико-химии дисперсных систем, пенообразные массы занимают промежуточное положение между жидкостями и газами, приближаясь по свойствам к тому веществу, которое в большей степени обуславливает структуру пены в результате гидромеханических и физико-химических процессов, протекающих на границе раздела фаз, формируя всё многообразие общих и частных свойств рассматриваемых сложных объектов. При этом некоторые характеристики дисперсий сочетают в себе единство непрерывности и скачка. Этот постулат распространяется на весьма широкий диапазон концентраций частиц дисперсной фазы.
Следует признать, что молочные ПДС по сравнению с классическими дисперсиями жидкость - газ, образованными мицеллярными ПАВ, имеют некоторые особенности в своей структуре, что связано с полидисперсной структурой молока. Молочный жир, находясь в фазе устойчивой эмульсии, а также коллоидный раствор белков не только влияют друг на друга, но и в силу своих поверхностно-активных свойств способны к образованию дополнительных элементов дисперсной структуры пены. Например, молочный жир в охлаждённом состоянии переводит ПДС в трёхфазную путём блокирования дисперсионной среды в каналах Плато-Гиббса. С другой стороны, гидрати-рованные белки при недостатке дисперсионной среды способны к образованию дополнительной фазы в пене в виде суспензии, стабилизирующей межфазные оболочки.
Для математической интерпретации процессов пенообразования и физико-химического описания возникающих структур разработано много методов. Первоначально для этих целей нами использован полуэмпирический метод Гриффина, в основу которого положен расчет гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Теоретическое обоснование использования данного метода основано на том, что в рассматриваемом частном случае молекулы ПАВ (коллоидного раствора белков и эмульсии триацилглицеридов) состоят как из гидрофобных, так и гидрофильных участков молекул. Способность к взаимодействию с водой (в данном случае, плазмой молока или, как её иначе можно назвать дисперсионной средой) определяет значение ГЛБ и влияет на пенообразующую активность молока.
В табл. 8.6 показано участие различных веществ в стабилизации межфазной поверхности. Расчётные количества стабилизаторов немолочного происхождения были меньше тех, которые определены эмпирически. Для казеина отмечена противоположная зависимость, связанная с синергитическим эффектом ПАВ и технологическими факторами, участвующими в процессе пенообразования (температурой, интенсивностью гидромеханического воздействия).
Физические способы борьбы с нежелательным ценообразованием
Одновременно с целенаправленным энергетическим воздействием в процессе получения и переработки молока неизбежно влияние механических нагрузок при перекачивании и транспортировке по трубопроводам и в емкостях, при перемешивании, которое служит для поддержания первоначального состояния распределения составных частей молока, при работе насосов и т. д. Одним из последствий хмеханического воздействия на молоко является ценообразование. Сильное вспенивание молока представляет собой крайне нежелательное явление. При пенообразовании происходит десорбция оболочек жировых шариков, наблюдаются потери составных частей молока, главным образом, - молочного жира.
Отрицательная роль пенообразования выражается в снижении эффективности пастеризации молока, нарушении отдельных технологических процессов (при резервировании, выработке сухого обезжиренного молока, упаковке молочных продуктов и т.д.), снижении качества вырабатываемых продуктов, нарушении режима работы оборудования (насосов, сепараторов).
В современной отечественной и зарубежной научной литературе вопросы нежелательного пенообразования молока и методы борьбы с ним освещены недостаточно. Дальнейшие исследования в данном направлении нуждаются в постоянном обновлении с целью создания научно-обоснованных рекомендаций по борьбе с нежелательным пенообразованием и снижению отрицательных последствий, связанных с данным явлением в молочной промышленности.
Значительный вклад в теоретическое обоснование и практическое освоение способов борьбы с нежелательным пенообразованием в молочной промышленности внесла школа академика РАСХН А.Г. Храмцова (И.А. Евдокимов, П.Г. Нестеренко, И.В. Москаленко, Г.С. Варданян и другие) [265].
Основными направлениями регулирования (борьбы) с пенообразованием являются: - применение антивспенивателей, то есть веществ, которые вытесняют пенообразователь с границы раздела фаз благодаря высокой способности растекаться на жидкостных пленках. При растекании они захватывают слой нижележащей жидкости толщиной около 10 мкм и, вследствие этого, вызывают разрыв пленок. Антивспениватели — это вещества, малорастворимые в пенящемся растворе, например силиконы и высшие алифатические спирты, главным образом октанол и трибутилфосфат; - энергетическое воздействие в форме охлаждения или нагревания, а также воздействие электромагнитных и звуковых волн с достаточно высокой интенсивностью. Однако в случае применения этих способов для разрушения пены, содержащей молочный жир, может возникнуть опасность деэмульги-рования; - механическое удаление пены струей газа с поверхности молока (однако, это ведет к снижению его жирности); - соблюдение технологических режимов производства, при которых не должно наблюдаться турбулентного движения молока в трубопроводах, процесса кавитации при работе насосов, превышение допустимого уровня механических воздействий. К физическим методам пеногашения следует отнести не только те, которые предусматривают особое аппаратурно-технологическое оформление, управляющее ходом технологических процессов, при которых ценообразование невозможно, но разнообразные электрофизические методы, использование которых, по мнению академика И.А. Рогова, в пищевой промышленности позволяет в ряде случаев по-новому строить технологический процесс [301].
Считаем, что проектирование конструктивных особенностей аппаратов в молочной промышленности является научно-технической задачей, которую требуется решить при борьбе с нежелательным пенообразованием путем проведения комплексных исследований при создании нового модульного оборудования. Оценка возможностей данного направления в настоящей работе не входила в задачи исследований, отметим лишь, что в основу проектирования нового оборудования должны быть положены принципы мало-энергоемкости, экономичности, поточности, ограничении проникновения газов в молочные системы при их транспортировке и резервировании, а также создание вакуума путем отсасывания газов и проектирования специальных устройств автоматики для этих целей.
Использование энергетических полей представляет собой сложную научно-техническую задачу (большинство генерирующих устройств имеет сложные конструктивные особенности). Выбор конкретной технологии пено-гашения должен учитывать экономическую эффективность с учетом рационального сочетания их с традиционными технологическими решениями, а также изучении состава и свойств молочных систем, подвергшихся энергетическим воздействиям.
К моменту выполнения работы отсутствовали убедительные доказательства эффективности использования энергетических полей для борьбы с нежелательным пенообразованием, имелись лишь отрывочные сведения об использовании некоторых способов пеногашения в биотехнологической, пивоваренной, консервной промышленности. Для гашения пены, образующейся в промышленных условиях, предложены аэродинамические излучатели типа свистка Гартмана и магнитнострикционные излучатели. Сравнительно редко применяют термический эффект, при котором пена, соприкасаясь с горячей поверхностью или находясь вблизи нее, обычно разрушается. Такое действие обусловлено, по-видимому, испарением дисперсионной среды. После того как достаточное количество жидкости выделится из стенки пузырька, он разрушается. Известно, что электрическое поле ослабляет или разрушает пену, хотя механизм этого явления неясен. Для пеногашения предлагали использовать коронный разряд, искровой разряд, обработку пены между двумя электродами, к которым приложено импульсное высокое напряжение, разрушение пены при помощи а-частиц [301].
Анализ научной отечественной и зарубежной информации позволил ограничить возможные направления исследования в отношении изучения влияния энергетических полей на пенообразование. Исследования были проведены в отношении акустических методов (ультразвуковое поле) и переменного электрического тока (СВЧ) (табл. 9.2), а также жидкого азота.
