доктор технических наук;
doctor of technical sciences;
Влияние параметров тепловой и механической обработки на первичном этапе переработки молока на формирование конечных физико-механических свойств кисломолочных продуктов исследовано не достаточно. Основной целью исследования было подтверждение гипотезы о влиянии параметров гомогенизации на этапе предварительной обработки, на формирование консистенции готовых кисломолочных продуктов. Для выявления зависимости реологических свойств кисломолочных продуктов от режимных параметров гомогенизации был проведен ряд исследований. Исследования про- водились в процессе подготовки исходной молочной смеси для производства кефира, а также сметаны. Нагретое до 45 °С молоко подавалось на сепарирование в сепаратор «Альфа-лаваль». Обезжиренное молоко (1 % содержания жира для производства кефира) подогревалось в пастеризаторе до температуры 55–60 °С и направлялось в гомогенизатор. Рабочие органы гомогенизатора клапанного типа, используемого для проведения экспериментов, позволили проводить гомогенизацию молока в диапазоне давления от 8 до 16 Мпа. Установлено, что давление гомогенизации является значимым фактором, оказывающим влияние на протекание процесса сквашивания при производстве кисломолочных продуктов, в частности кефира и сметаны, и оказывает существенное влияние на консистенцию и вкусовые качества готового кисломолочного продукта, определена оптимальная температура сквашивания кефира. Оптимизация давления исследуемого процесса позволяет снизить удельные энергозатраты на 4,4 кВт/ч на каждую тонну продукции, что составляет 24,4 %, а использование гелиоколлекторов для предварительного подогрева молока перед гомогенизацией позволяет снизить удельные энергозатраты минимум на 10,5 кВт/ч на тонну по исходной продукции. Это существенно снижает себестоимость производимого натурального молочного продукта и делает его конкурентоспособным.
For fermented milk products, consistency plays a leading role: it provides a quality product and shapes consumer demand. There have been numerous studies of the effect of the technological process on the properties of sour cream, kefir, etc. However, these studies were performed after the introduction of ferment. Thus, the effect of parameters of thermal and mechanical treatment during the primary stage on the physical and mechanical properties of fermented milk products remains understudied. The research objective was to confirm the following hypothesis: the parameters of homogenization during the primary stage affect the consistency of the fermented milk products. A set of experiments made it possible to expose the dependence of the rheologic properties of sourmilk products from the regime parameters of homogenization. The research featured initial mix for kefir and sour cream production. The milk was preheated to 45C in an Alfa-Laval pasteurizer and separated in an Alfa-Laval separator. The fat-free milk (1% of fat for kefir production) was heated in a pasteurizer to 55–60C and homogenized at 8–16 mPa. The homogenizing device of the manometer was additionally equipped with a phase separator delimiter of the S-homogenizer type. The acidity and viscidity for the sour cream and kefir were measured at different pressure values. The power expenses on homogenization depended on the pressure and the volume of milk. The pressure of homogenization proved to be a meaningful factor and affected the fermentation process. It rendered a substantial influence on the consistency and taste qualities of the fermented milk product. The experiment defined the optimal temperature of fermentation for kefir production. The optimization of pressure decreased the energy consumptions by 4.4 kW/h (24.4%) per ton. Solar thermal collectors were used to preheat the milk before homogenization, which decreased the specific energy consumption by 10.5 kW/h per ton. The new parameters lower the prime cost of the dairy products and raise their competitiveness.
Введение Консистенция является важным элементом в общем органолептическом (сенсорном) восприятии, получаемом при употреблении пищи. По данным С. А. Матца, под консистенцией понимают «сум- му свойств пищевого продукта, воспринимае- мую глазами, а также кожей и чувствительными мускулами рта, включающую жесткость, мягкость, зернистость и т. д.». Более узкое понимание – «сме- шанное ощущение, остающееся во рту после про- глатывания продукта». Консистенция представляет собой совокупность реологических свойств вязкой жидкости, вязкоэластичного или вязкопластичного тела, степень твердости, плотности продукта. Ис- следованиями формирования консистенции кисло- молочных продуктов занимались И. А. Тихомирова, А. М. Шалыгина, Б. К. Аксенова, С. К. Касымов, О. И. Далматова, А. Г. Гребенкина, Л. Н. Горбунова, Н. Г. Догарева [1–21]. При производстве кисломолочных продуктов консистенция играет ведущую роль в оценке уровня качества произведенного продукта, а также в форми- ровании потребительского спроса. Многочисленные исследования по изучению зависимости свойств молочных продуктов, например, сметаны, кефира от параметров технологических процессов, прово- дились на этапе производства после внесения заква- ски. Результаты исследований отражены в работах Ю. А. Мачихина, В. Д. Косого, Я. И. Виноградова, Г. Н. Крусь, А. М. Шалыгиной. Влияние параметров тепловой и механической обработки на первичном этапе переработки на формирование конечных физи- ко-механических свойств кисломолочных продуктов исследовано не достаточно [2–5]. Исследования зависимости физико-механических свойств кефира и сметаны от температуры пастериза- ции исходного молока проведены нами ранее [1, 2]. Основная цель исследования – подтверждение гипотезы о влиянии параметров гомогенизации на этапе предварительной обработки на формирование консистенции готовых кисломолочных продуктов. Объекты и методы исследования Для выявления зависимости реологических свойств кисломолочных продуктов от режимных параметров гомогенизации нами проведен ряд исследований в учебно-технологической лаборатории переработки молока Академии биоресурсов и природопользования Крымского федерального университета. Исследования проводились в процессе подго- товки исходной молочной смеси для производства кефира, а также сметаны. Молоко направлялось на подогрев в пастеризатор «Альфа-лаваль». Нагретое до 45 °С молоко подавалось на сепарирование в се- паратор «Альфа-лаваль». Обезжиренное молоко (1 % содержания жира для производства кефира) подо- гревалось в пастеризаторе до температуры 55–60 °С и направлялось в гомогенизатор. Рабочие органы гомогенизатора клапанного типа, используемого для проведения экспериментов, позволяют проводить гомогенизацию молока различной жирности в диапа- зоне давления до 16 Мпа. На гомогенизирующей го- ловке был установлен манометр с разделителем сред типа S-гомогенизатор. Разделитель предназначен для отделения измерительного прибора от измеряемой среды. Данный разделитель сред является функ- циональным аналогом разделителей типа РМ5322. Конструкция разделителя защищает измерительный прибор от воздействия гидроударов и пульсаций ра- бочей среды. Применение встроенного в разделитель гидравлического демпфера и вакуумной технологии заполнения комплекта значительно увеличивает точ- ность измерений. Для проведения замеров использовался манометр WIKA модель EN 837-1 с трубкой Бурдона и элек- троконтактом (рис. 1). Данный прибор относится к механическим средствам измерения давления с элек- трическим выходным сигналом. Рабочая температура окружающей среды: от –40 до +60 °C измеряемой среды: +60 °C (максимум). Дополнительная темпе- ратурная погрешность при изменении температуры окружающей среды от +20 °C, не более ± 0,4 %. Диа- пазон измерений: от 0–2,5 до 0–400 бар (40 мПа). Значение давления гомогенизации изменяли путем регулировки давления на первой и второй ступени гомогенизации с помощью регулировочных винтов, предусмотренных конструкцией гомогениза- тора. Значения величин давления, при которых отби- рались пробы, приведены ниже. Данные, полученные в результате эксперимента, приведены в таблицах. Пробы молока, нормализован- ного по жиру для определенного продукта (кефира, сметаны) и прошедшего гомогенизацию, отбирали с помощью специального отборника, установленного в трубе на входе в пастеризатор. Для контроля качества процесса гомогенизации использовалась стандартная методика с применением бинокулярного микроскопа XSP-128B, имеющего and the volume of milk. The pressure of homogenization proved to be a meaningful factor and affected the fermentation process. It rendered a substantial influence on the consistency and taste qualities of the fermented milk product. The experiment defined the optimal temperature of fermentation for kefir production. The optimization of pressure decreased the energy consumptions by 4.4 kW/h (24.4%) per ton. Solar thermal collectors were used to preheat the milk before homogenization, which decreased the specific energy consumption by 10.5 kW/h per ton. The new parameters lower the prime cost of the dairy products and raise their competitiveness. Keywords. Homogenization, fermentation, viscosity, acidity, pressure For citation: Gerber Yu.B, Gavrilov AV. Machine Processing of Milk in Dairy Production. Food Processing: Techniques and Technology. 2019;49(3):375–382. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-3-375-382. 377 Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 375–382 устройство на 4 объектива, увеличение от 40х до 100х. При проведении исследований отобраны про- бы в 4 вариантах давления гомогенизации: 8,0 мПа; 10,0 мПа; 12,0 мПа; 14,0 мПа; 16,0 мПа. С помощью микроскопа изучена каждая из проб (рис. 2–4), в результате чего выявлено: – в варианте 1 (рис. 2) структура неоднородная, с образованием небольших участков соединений жиро- вых частиц, движение пузырьков газа наблюдается в отдельных зонах между указанными соединениями; – в варианте 2 (рис. 3) структура также неоднород- ная, но участки соединений жировых частиц меньше, чем в первом варианте, движение пузырьков также неравномерно в исследуемой зоне; – в варианте 3 (рис. 4) структура более однородная, чем в первых двух вариантах, распределение зон соединений жировых шариков более упорядочено и равномерно; – в варианте 4 структура однородная, с равномерным распределением жировых шариков по всему объему, движение пузырьков газа также равномерно распре- делено по всему объему; – в варианте 5 структура пробы молока практически не отличается от варианта 4, также наблюдается рав- номерное распределение жировых шариков по всему объему. Дальнейший порядок проведения эксперимента был следующий. Во все отобранные пробы объе- мом 500 мл каждая внесена закваска: для кефира – ALBAmk, для сметаны – ALBAcck – бактериальный препарат прямого внесения. Закваску отбирали из одной упаковки и вносили строго в соответствии с Рекомендациями по приме- нению. Каждой пробы (из пяти вариантов, проводи- мых при разных значениях давления гомогенизации) отобрано по три образца: один из них помещали в термостат с установленной температурой 30 °С, вто- рой – с температурой 35 °С, третий – с температурой 40 °С. В связи с этим температура сквашивания моло- ка была различной, что отразилось на качественных показателях полученного продукта в различных изу- чаемых вариантах. Равное распределение закваски в пробах получено следующим образом. Общее коли- Рисунок 1. Узел замера давления в головке гомогенизатора (манометр WIKAEN 837-1) Figure 1. Node pressure measurement in the homogenizer (pressure gauge WIKAEN 837-1) Рисунок 2. Структура пробы сметаны при Рг = 8 мПа Figure 2. Sour cream sample structure at 8 MPa Рисунок 4. Структура пробы сметаны при Р г = 14 мПа Figure 4. Sour cream sample structure at 14 MPa Рисунок 3. Структура пробы сметаны при Рг = 12 мПа Figure 3. Sour cream sample structure at 12 MPa 378 Gerber Yu.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 3, pp. 375–382 чество закваски в перерасчет на все пробы растворя- ли из расчета 1 к 200. Полученный раствор делили на равные части и вносили в пробы. Затем пробы поме- щали в термостат с постоянной температурой. Через некоторое время после внесения закваски периодиче- ски проводился замер кислотности во всех пробах по указанной выше стандартной методике. Результаты и их обсуждение Процесс сквашивания заканчивали в тот момент, когда в последней изучаемой пробе значение пока- зателя кислотности входило в интервал значений, предусмотренных стандартом. Для кефира рекомен- дуемый интервал значений кислотности продукта в конце сквашивания составляет 80–110 °Т, для сме- таны 70–85 °Т. На практике процесс заканчивается на нижних точках диапазона, так как в дальнейшем технологическом процессе (охлаждение, фасовка, хранение) кислотность еще продолжает незначитель- но повышаться. Результаты замеров кислотности для сметаны и кефира приведены в таблицах 1 и 2. Анализ полученных данных при различных зна- чениях давления гомогенизации позволяет сделать следующие выводы: – оптимальная температура сквашивания сметаны наблюдается при температуре 31 °С, требуемая кис- лотность достигается в максимально короткое время. По аналогии с кефиром условия сквашивания обе- спечивают максимальные качественные показатели готового продукта; – в диапазоне значений давления гомогенизации 8,0–10,0 МПа кислотность сквашиваемого продукта растет медленно, что отрицательно сказывается на эффективности и управляемости процесса. Качество полученной сметаны низкое; – в диапазоне значений давления гомогенизации 10,0–12,0 МПа течение процесса более интенсивное, чем в предыдущем указанном диапазоне, но скваши- вание идет нестабильно. В результате полученный продукт имеет среднее качество: он может иметь как удовлетворительную, так и нестабильную структуру в зависимости от параметров, учесть которые доволь- но сложно; – в диапазоне значений давления гомогенизации 12,0–14,0 МПа наблюдалось стабильное динамичное течение процесса. Требуемое значение кислотности достигалось в короткое время, что обеспечивает бла- гоприятные условия для эффективного сквашивания продукта и получения сметаны хорошего качества; – при обработке исходного продукта давлением, пре- вышающим 14,0 МПа, наблюдался результат, анало- гичный гомогенизации с давлением 10,0–12,0 МПа. Определение вязкости готового продукта в от- носительных единицах (время истечения жидкости объемом 100 мл) в исследуемых пробах проводили по стандартной методике, указанной выше с исполь- зованием вискозиметра ВЗ-246. В зависимости от консистенции исследуемого продукта в вискозиметр устанавливали сопла с калиброванными отверстиями различного диаметра: d = 2,0; 4,0; 6,0 мм. Анализ полученных данных по показателю вязко- сти позволяет сделать следующие выводы: – при обработке в диапазоне давлений гомогенизации 6,0–9,0 МПа наблюдается незначительное повыше- ние вязкости сметаны. Готовый продукт имеет жид- кую неоднородную консистенцию; – при давлении гомогенизации 11,8–14,0 МПа полу- чаемый продукт имеет хорошую однородную конси- стенцию и требуемые стандартом вкусовые качества; – максимальная вязкость сметаны зафиксирована при давлении 15,0 МПа, хотя рост этого показателя в диа- пазоне давлений 14,0–15,0 МПа незначительный при ощутимом росте энергозатрат на гомогенизацию; – повышение температуры сквашивания ведет к снижению вязкости сметаны. Оптимальная конси- стенция продукта наблюдается при температуре сква- шивания около 30 °С. Анализ полученных данных при различных зна- чениях давления гомогенизации позволяет сделать следующие выводы: – оптимальная температура сквашивания кефира на- Таблица 1. Данные качественных показателей продукта при различных значениях давления гомогенизации (сметана) Table 1. Quality indicators of sour cream at different values of homogenization pressure Вариант показатель № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 Давление, (Мпа) 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 Кислотность, °Т tск = 30 °С tск = 35 °С tск = 40 °С 73,0 70,0 69,0 73,5 70,0 69,5 74,5 72,0 70,5 75,5 73,0 72,0 73,5 71,5 70.5 Вязкость, с tск = 30 °С tск = 35 °С tск = 40 °С 79,0 77,0 74,5 86,0 81,5 81,5 104,0 100,0 100,0 141,0 133,0 129,0 145,0* 140,0* 136,5* * отбор проб для определения зависимости вязкости от давления проведен при давлении гомогенизации 15,0 Мпа; * the homogenization pressure was 15.0 MPa during the sampling to determine the effect of viscosity on the pressure. Таблица 2. Данные качественных показателей продукта при различных значениях давления гомогенизации (кефир) Table 2. Quality indicators of kefir at different values of homogenization pressure Вариант показатель № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 Давление, (Мпа) 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0/15,0* Кислотность, оТ tск = 30 °С tск = 35 °С tск = 40 °С 8 3,5 83,5 82,5 86,0 85,0 83,0 88,0 87,0 84,5 90,0 88,5 85,0 87,0 87,5 83,5 Вязкость, с tск = 30 °С tск = 35 °С tск = 40 °С 91,5 87,0 78,0 97,5 90,5 83,0 106,5 97,0 88,5 113,0 109,0 96,5 113,5* 111,5* 97,5* * отбор проб для определения зависимости вязкости от давления проведен при давлении гомогенизации 15,0 Мпа; * the homogenization pressure was 15.0 MPa during the sampling to determine the effect of viscosity on the pressure. 379 Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 375–382 ходится в диапазоне значений 30–35 °С. При темпе- ратуре 31–33 °С требуемая кислотность достигается в максимально короткое время. Действие закваски достигает максимального эффекта, что позволяет эффективно регулировать ход процесса и получать продукт с прогнозируемыми показателями качества; – в диапазоне значений давления гомогенизации 8,0–10,0 МПа кислотность сквашиваемого продукта растет медленно, что отрицательно сказывается на эффективности и управляемости процесса: для того, чтобы достичь требуемой кислотности кефира, необ- ходимо длительное время. Результат – низкое каче- ство готового продукта; – в диапазоне значений давления гомогенизации 12,0–14,0 МПа наблюдалось динамичное течение процесса. Требуемое значение кислотности дости- галось в короткое время, что обеспечивает благо- приятные условия для эффективного сквашивания продукта и получения кефира хорошего качества; – в диапазоне значений давления гомогенизации выше 14,0 МПа значительных изменений в динамике процесса сквашивания не наблюдалось. Это указыва- ет на нецелесообразность повышения давления при производстве кефира свыше 14,0 МПа, так как это ведет к неоправданным энергозатратам. Анализ полученных данных по показателю вязко- сти кефира показывает следующее: – повышение давления гомогенизации ведет к уве- личению вязкости кефира. При давлении свыше 11,5 МПа получаемый продукт имеет хорошую од- нородную консистенцию и требуемые стандартом вкусовые качества; – повышение давления гомогенизации свыше 15,0 МПа нецелесообразно, так как существенных изменений качества продукта не наблюдается. В то же время энергозатраты на осуществление процесса возрастают; – повышение температуры сквашивания ведет к сни- жению вязкости кефира. Оптимальная консистенция продукта наблюдается при температуре сквашивания около 30 °С. Данный эксперимент проводился при постоянном значении температуры пастеризации 83 °С. Так как реализация процесса гомогенизации тре- бует создания высокого давления, соответственно энергетические затраты на процесс довольно высо- кие. Кроме того, по технологическим требованиям необходим подогрев исходного продукта (молока, сливок, обезжиренного молока) до 60 °С. Предлагаемые в настоящей работе технические и технологические рекомендации дают предпосылки снижения энергозатрат по следующим направлениям: – снижение рабочего давления гомогенизации путем оптимизации в рамках рекомендованного диапазона; – использование гелиоколлекторов для подогрева моло- ка перед гомогенизацией посредством теплоносителя. Данные рекомендации опубликованы в работах [1, 2]. Экспериментальные исследования проводились в учебно-технологической лаборатории переработки молока Академии биоресурсов и природопользова- ния Крымского федерального университета. На рисунке 5 приведена зависимость показателя энергозатрат от давления гомогенизации. Приведенная зависимость носит линейный ха- рактер. Из графика видно, что повышение рабочего давления на 1 мПа потребует дополнительно около 1,1 кВт/ч электроэнергии на привод гомогенизаци- онной установки. В связи с этим снижение давления с 18 мПа, которое рекомендуется для работы гомо- генизатора, до 14 мПа, обоснованное в результате исследований, дает возможность экономии 4,4 кВт/ч электроэнергии [5]. На рисунке 6 приведены сравнительные графи- ческие зависимости удельных энергетических затрат Рисунок 5. Зависимость мощности на привод гомогенизатора от давления (производительность процесса = 0,83×10–3м3/с) Figure 5. Effect of the pressure on the power of the homogenizer (process productivity = 0.83×10–3m3/s) Рисунок 6. Сравнительная характеристика удельных энергетических затрат на гомогенизацию: 1 – существующая технология (Рг = 18 мПа); 2 – давление гомогенизации 14 мПа; 3 – использование гелиоподогрева, давление 14 мПа; 4 – использование гелиоподогрева при оптимизированном давлении 14 мПа Figure 6. Comparative characteristics of the specific energy consumption for homogenization: 1 – existing technology (18 MPa); 2 – homogenization pressure of 14 MPa; 3 – solar heating at 14 MPa; 4 – solar heating at 14 MPa. 380 Gerber Yu.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 3, pp. 375–382 на гомогенизацию для существующего варианта при работе с оптимизированным давлением, а также с использованием гелиоподогрева при оптимизирован- ном давлении. Выводы 1. Давление гомогенизации Рг является значимым фактором, оказывающим влияние на протекание про- цесса сквашивания при производстве кисломолочных продуктов, в частности кефира и сметаны, и оказыва- ет существенное влияние на консистенцию готового кисломолочного продукта. 2. Оптимальные значения давления гомогени- зации для получения кисломолочных продуктов с высокими вкусовыми качествами и хорошей конси- стенцией находятся в интервале 13,5–14,5 МПа. 3. Оптимальная температура сквашивания кефира составляет 31–33 °С, сметаны – 30–34 °С. 4. Оптимизация давления исследуемого процес- са позволяет снизить удельные энергозатраты на 4,4 кВт/ч на тонну продукции, что составляет 24,4 %. Использование гелиоколлекторов для предваритель- ного подогрева молока перед гомогенизацией позво- ляет снизить удельные энергозатраты минимум на 10,5 кВт/ч на тонну по исходной продукции. Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов. Благодарности Авторы выражают благодарность руководству университета в доступе к технологической лабора- тории переработки молока Академии биоресурсов и природопользования (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В. И. Вернадского» для получения экспери- ментальных данных. Финансирование Статья выполнена согласно тематического плана инициативных научно-исследовательских работ на 2015–2019 годы (с корректировкой в 2017 г.) Ака- демии биоресурсов и природопользования (струк- турное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В. И. Вернадского».