CC BY
71
УДК 637.345
Разработка температурного режима для охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом
Виноградова Юлия Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования е-так vinogradova_vgmha@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В.Верещагина"
Гнездилова Анна Ивановна, доктор технических наук, профессор кафедры технологического оборудования e-mai:gnezdilova.anna@mail.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В.Верещагина"
Бурмагина Татьяна Юрьевна, аспирант кафедры технологического оборудова-
e-mai:tatyana_sharova1990@mal.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В.Верещагина»
Аннотация. В работе рассчитан двухступенчатый температурный режим охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом, основанный на принципе, что скорость охлаждения должна опережать скорость кристаллизации лактозы. В результате проведенной опытно-промышленной проверки было установлено, что двухступенчатый способ охлаждения позволяет улучшить качество готовой продукции по сравнению с традиционным за счет снижения среднего линейного размера кристаллов лактозы.
Ключевые слова: кристаллизация, коэффициент пересыщения, коэффициент насыщения, скорость охлаждения.
В настоящее время растут объемы производства новых видов молочных продуктов, в которых молочные компоненты заменяются ингредиентами немолочного происхождения. Известно, например, использование солода или солодового экстракта в производстве консервированных молочных продуктов с сахаром [1, 2]. Однако изменение компонентного состава продуктов влечет за собой и некоторые изменения технологических параметров, так как качество молочных консервов должно соответствовать требованиям нормативной технической документации по физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям качества в течение всего срока хранения. Так, например, консистенция консервированных молочных продуктов в значительной степени определяется гранулометрическим составом кристаллов лактозы, а, следовательно, процессом кристаллизации лактозы на стадии охлаждения.
Целью исследований является разработка рационального температурного режима охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом.
Объектом исследований явился температурный режим охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом.
Процесс кристаллизации лактозы, как известно [3, 4], проводится с целью максимально возможного снятия пересыщения за счет образования мелких однородных, органолептически не ощущаемых кристаллов. В результате этого предупреждается последующий неуправляемый рост кристаллов при хранении, и повышается качество продукта.
Нами был разработан температурный режим, согласно которому охлаждение консервированных молочных продуктов с сахаром рекомендуется проводить в две ступени [5-7].
Интенсивное охлаждение на первой ступени обеспечивает создание достаточно высокого пересыщения, при котором возникают условия для преобладания скорости зародышеобразования над скоростью роста. В результате на второй ступени после внесения затравки будет происходить эффективное снятие пересыщения за счет образования большого количества мелких однородных, органолептически не ощущаемых кристаллов лактозы.
Интенсивное охлаждение продукта на первой ступени предлагается осуществлять в пластинчатом скребковом теплообменном аппарате, где тепловая обработка проводится в тонком слое и обеспечивает охлаждение со скоростью 10-15 град/ мин [8, 9]. Охлаждение на второй ступени рекомендуется проводить в аппарате с регулируемыми параметрами охлаждения.
В работах [9-11] проведен тепловой и гидравлический расчет вышеуказанных аппаратов, который подтвердил возможность реализации в них предлагаемого режима охлаждения.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в работах [3, 4, 12] позволяет сформулировать основные условия проведения процесса кристаллизации лактозы на второй ступени охлаждения:
скорость охлаждения продукта должна быть соотнесена с параметрами межкристального раствора: массовой долей сухих веществ, лактозы и кристаллов;
скорость охлаждения должна опережать скорость кристаллизации лактозы.
В соответствии с первым условием для расчета скорости охлаждения прежде всего необходимо знать концентрационную зависимость состава пересыщенного раствора от температуры.
тт
На основе данных о растворимости лактозы в воде 01, а также с учетом коэффициентов насыщения Кн и пересыщения Кпер предложена эмпирическая зависимость концентрации пересыщенного раствора лактозы Ь^ от температуры 1 [6]:
Л^ ■ Кн =(0,1325 + 6,75 10^-1 +1,14 ■10^ КП€р - К^ (1)
Поскольку изменение температуры происходит во времени, поэтому эмпирическая зависимость (1) является неявной функцией продолжительности охлаждения у.
С учетом этого скорость изменения концентрации пересыщенного раствора составит:
<Ш .. __ (______, ______, \ ш
1 пер
ат
К„ - Кяйр (6,75 10^ +2,28-10^ • ¿У
ат
где
, (2)
- скорость охлаждения, которую обозначим через W.
ан
Скорость изменения концентрации пересыщенного раствора ат может быть выражена через скорость кристаллизации и, состав жидкой фазы кристаллизата и площадь поверхности кристаллов V в 100 кг кристаллизата:
сШ ЮО -17 - /•
(3)
ат {юо-свг){юо - кт)
где и - скорость кристаллизации, кг /(м2-час);
СВ4 - массовая доля сухих веществ в жидкой фазе по интервалам температур,
К - массовая доля кристаллов по интервалам температур, %;
F - площадь поверхности кристаллов, м2.
Из уравнений (2) и (3) была получена зависимость для определения скорости охлаждения раствора, причем произведение величины скорости массовой кристаллизации и на площадь поверхности F - это усредненная величина скорости кристаллизации dM/dт, которая рассчитывалась методом графического дифференцирования кинетических кривых [4]:
г • юо • <1М / <1т
"г
(|9,000675 + 0,000228 г) (100 -СБГ) (Ю0 - Кг)
кн 'к и
(4)
Поскольку скорость охлаждения должна опережать скорость кристаллизации лактозы, был введен эмпирический коэффициент Z, учитывающий соотношение скоростей охлаждения и кристаллизации.
Коэффициент Z был определен опытным путем и аппроксимирован уравнением для диапазона температур (20-60 °С) при коэффициенте корреляции (Я=0,98):
Z= -0,0026^3 + 0,2122^2 - 5,8241^ + 53,229 , (5) По уравнению (4) была рассчитана скорость охлаждения, а затем продолжительность охлаждения для заданных интервалов температур:
М
Ат =
(6)
По приведенным выше уравнениям выполнены расчеты, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Параметры кристаллизата, скорость и продолжительность охлаждения по интервалам темпера__тур, при КеР = 1,5, 1у.к = 38°С, К=0,9__
Ь, °С И4, кг/кг к % Wt град/мин Дт мин
1 2 3 4 5
40 0,4515 -0,73 0 0,00
39 0,4383 -0,31 0 0,00
38 0,4255 0,10 0,6759 1,48
37 0,4129 0,50 1,7349 0,58
36 0,4007 0,89 2,2252 0,45
35 0,3888 1,27 2,4634 0,41
34 0,3772 1,64 2,5530 0,39
33 0,3659 2,00 2,5487 0,39
32 0,3550 2,36 2,4839 0,40
31 0,3443 2,70 2,3809 0,42
30 0,3340 3,03 2,2548 0,44
29 0,3240 3,35 2,1162 0,47
28 0,3143 3,66 1,9723 0,51
27 0,3049 3,96 1,8282 0,55
26 0,2958 4,25 1,6875 0,59
25 0,2871 4,53 1,5523 0,64
24 0,2787 4,80 1,4243 0,70
23 0,2706 5,06 1,3042 0,77
22 0,2628 5,31 1,1925 0,84
21 0,2553 5,55 1,0892 0,92
20 0,2481 5,77 0,9944 1,01
Итого 11,96
Пример разработанного режима охлаждения (по данным таблицы 1) представлен на диаграмме состояния (рисунок 1).
С В
г
Б
У /
А м Е
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Концентряцияллктсны, Н. кг кг
Рис. 1. Диаграмма состояния для водных растворов лактозы:
АВ - линия насыщения; МЫ - граница метастабильности; СD - изменение температуры на первой ступени охлаждения; DE - изменение температуры на второй ступени охлаждения
Как следует из рисунка 1, продукт при температуре выше 50 °С находится в ненасыщенном состоянии. При 50 °С раствор достигает состояния насыщения (точка F), а затем в точке й - температуры усиленной кристаллизации ^ ). Быстрое
у.к.
охлаждение на первой ступени со скоростью 5-15 град/мин до температуры усиленной кристаллизации приводит к значительному росту пересыщения (точка й), а, следовательно, обеспечивает массовое зарождение большого количества центров кристаллизации.
Затем на второй ступени охлаждение следует вести таким образом, чтобы поддерживать постоянное снятие пересыщения. Создание таких условий возможно за счет регулирования скорости охлаждения. Скорость охлаждения рассчитывается по уравнению (4). Как следует из этого уравнения, она зависит от параметров межкристального раствора, массы кристаллов, а главное, от скорости кристаллизации. Поскольку, скорость кристаллизации уменьшается при понижении температуры, то и охлаждение на второй ступени следует вести с падающей скоростью.
Разработанный двухступенчатый способ охлаждения моделировался в лабораторных условиях в сравнении с традиционным способом охлаждения, рекомендованным технологической инструкцией [13], и дал положительные результаты, которые послужили основанием для разработки промышленного способа.
Промышленная апробация двухступенчатого способа охлаждения проводилась на ФГУП «Учебно-опытный молочный завод ВГМХА им. Н.В. Верещагина». Для проведения апробации был использован скребковый пластинчатый охладитель и емкости с рубашкой и мешалкой. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики гранулометрического состава кристаллов лактозы
Способ охлаждения Средний размер кристаллов лактозы, мкм Коэффициент однородности
Традиционный способ охлаждения 5,72 0,77
Двухступенчатый способ охлаждения 4,50 0,82
Как следует из таблицы 2, при реализации предложенного двухступенчатого способа охлаждения образуются более мелкие и равномерные кристаллы, продолжительность процесса сокращается на 65 %. Экономические затраты на осуществление двухступенчатого способа охлаждения на 10 % ниже чем при традиционном способе охлаждения в вакуум-охладителях [9].
Выводы
Предложен двухступенчатый температурный режим охлаждения концентрированного молочного продукта с сахаром и солодовым экстрактом, согласно которому охлаждение на первой ступени осуществляется со скоростью 5-15 град/мин, а затем на второй ступени после внесения затравки охлаждение осуществляют с падающей скоростью.
В результате проведенной опытно-промышленной проверки было установлено, что двухступенчатый способ охлаждения позволяет улучшить качество готовой продукции, по сравнению с традиционным, за счет снижения среднего линейного размера кристаллов лактозы и увеличения коэффициента однородности, что также подтверждает органолептическая оценка.
Список литературных источников:
1. Пат. 2525666 Российская Федерация, МПК А 23 С 9/18. Способ производства молокосодержащего концентрированного продукта с сахаром [Текст] / Гнездилова А.И., Шарова Т.Ю., Куленко В.Г; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГМХА имени Н.В. Верещагина (Яи). - №2012143272/10(069428); заявл. 09.10.2012; опубл. 20.08.2014, Б.И. - №23. - 6 с.
2. Гнездилова, А. И. Консервированный молочный продукт с сахаром и солодом / [Текст] / А. И. Гнездилова, Т. Ю. Шарова // Молочная промышленность. - 2014. - №9. - С. 54-55.
3. Гнездилова, А. И. Развитие научных основ кристаллизации лактозы и сахарозы в многокомпонентных водных растворах [Текст]: Автореф. дисс. докт. техн. наук. - М., 2000. - 46 с.
4. Гнездилова, А.И. Влияние некоторых параметров на кинетику кристаллизации лактозы /[Текст] / А. И. Гнездилова, Ю. В. Виноградова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - №12. - С. 24-26.
5. Патент № 2374324. Российская Федерация, МПК А 23 С 9/18. Способ кристаллизации лактозы в сгущенном молоке с сахаром [Текст] / Гнездилова А.И., Виноградова Ю.В., Червецов В.В., Бурыкина И.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ВГМХА имени Н.В. Верещагина (Яи). -№2008124195/13; заявл. 06.06.2008; опубл. 27.11.2009. - Б.И. - №33. - 4 с.
6. Гнездилова, А. И. Двухступенчатый режим охлаждения консервированных молочных и молокосодержащих продуктов с сахаром / [Текст] / А. И. Гнездилова, Ю. В. Виноградова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. - №5. - С. 70-71.
7. Гнездилова, А. И. Охлаждение сгущенных молочных и молокосодержащих консервов с сахаром / [Текст] / А. И. Гнездилова, Ю. В. Виноградова, В. В. Червецов / Молочная промышленность. - 2011. - №3. - С. 3.
8. Червецов, В. В. Интенсификация процессов кристаллизации при производстве молочных продуктов : монография / [Текст] / В. В. Червецов, А. И. Гнездилова : монография. - М. : Типография Россельхозакадемии, 2011. -196 С.
9. Червецов, В. В. Уточнение методики теплового расчета пластинчатого скребкового теплообменника / В. В. Червецов, А. И. Гнездилова, Ю. В. Виноградова // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2011. - №2. - С. 68-70.
Ю.Виноградова, Ю. В. Разработка режима охлаждения при кристаллизации лактозы в сгущенных молочных консервах с сахаром : автореф. дис. ... канд. тех.наук: 05.18.04 / Ю. В. Виноградова. - Вологда ; Молочное, 2010. - 21 с.
11.Червецов, В. В. Тепловой расчет скребкового кристаллизатор / В. В. Червецов, Ю. В. Виноградова, А. И. Гнездилова // Молочнохозяйственный вестник. - 2011. - №2. - С. 34-36.
12.Гнездилова, А. И. Физико-химические основы мелассообразования и кристаллизации лактозы и сахарозы в водных растворах / А. И. Гнездилова, В. М. Перелыгин. - Воронеж : Изд. ВГУ, 2002. - 91 с.
13.Технологическая инструкция по производству молочных консервов. Часть 1, 2. - М. : ЦНИИТЭИММП, 1985. - 165 с.
Scientific development for the cooling temperature of the concentrated dairy product with sugar and malt extract
Vinogradova Yuliya Vladimirovna, Candidate of science (Technology), assistant professor of the Processing Equipment Chair
e-mail: vinogradova_vgmha@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Gnezdilova Anna Ivanovna, Doctor of science (Technology), professor of the Processing Equipment Chair
e-mail: gnezdilova.anna@mail.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Burmagina Tatyana Yur'evna, post graduate student of the Processing Equipment Chair
e-mail: tatyana_sharova1990@mal.ru
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract: A two-stage cooling method of the concentrated dairy product with sugar and malt extract is calculated in the article. The given method is based on the principle that cooling rate must outpace lactose crystallization rate. As a result of a pilot check it was found that two-stage cooling method can improve the quality of a finished product compared to a conventional one due to reducing an average size of lactose crystals.
Keywords: crystallization, supersaturation coefficient, saturation factor, cooling
rate.
