CC BY
218
УДК 637.13
ИННОВАЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХОГО МОЛОКА КАК ФАКТОР УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА
Н.В. Попова
Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность процесса растворения сухого молока, и возможности интенсификации его посредством ультразвуковой обработки. Проведены исследования зависимостей индекса растворимости сухого молока, а также компонентного и дисперсного состава восстановленного продукта переработки молока от условий ультразвуковой обработки. Обоснованы предложения по модернизации традиционной технологии восстановления сухого молока.
Ключевые слова: ультразвуковая кавитация, восстановленный продукт переработки молока, молочный напиток, дисперсный состав.
Важной задачей на всех этапах развития пищевой отрасли России всегда было и остается производство продуктов питания, отвечающих установленным требованиям качества. Молочная промышленность не является исключением.
В связи с необходимостью ежедневного присутствия молочных продуктов в рационе питания человека, очень остро стоит вопрос создания определенного запаса молока-сырья, в том числе и в сухом состоянии, для обеспечения бесперебойного производства. Снижение объемов собственного производства сухого молока заводами России и увеличение поступления его импорта (рис. 1) приводит к возникновению затруднений в регулировании качества сухого молока. Значительная доля в переработке низкосортного молочного сырья и сырья, не отвечающего требованиям нормативных документов по показателям качества, отрицательно сказывается на процессе восстановления сухого молока, а, следовательно, и качестве восстановленного продукта переработки молока [5, 6].
С учетом существующих проблем в молочной отрасли вопросы инноваций существующих техно-
логических приемов производства молочных продуктов на основе восстановленного молока-сырья требуют серьезного исследования. В настоящее время актуальной задачей является повышение эффективности процесса восстановления сухого молока. Данный процесс представляет собой гетерогенную химическую реакцию, протекающую между твердым веществом и жидкостью, и сопровождается переходом вещества в раствор. Физика процесса переноса относительно чистых химических веществ исследована достаточно глубоко, однако в многокомпонентных системах, к которым и относится изучаемый нами объект, процесс может протекать совершенно по-разному [1].
Сущность процесса растворения заключается во взаимодействии сухих молочных продуктов с водой и включает несколько этапов: растворение лактозы и минеральных веществ, распределение белка и жира в растворе, гидратация дисперсной фазы, выделение из продукта избыточного воздуха. Интенсивность процесса и его эффективность определяется свойствами воды и сухого молочного продукта. Воду в указанной системе подразделяют
2007 2008 2009 2010 2011 2012 за 8 месяцев
год 2013*
• производство сухого молока в России, тыс. тонн —■— импорт сухого молока, тыс.тонн
Рис. 1. Объемы производства и импорта сухого молока в России по годам, тыс.тонн (по данным Росстата РФ) [5]
на растворяющую (в которой идет процесс растворения отдельных компонентов) и не растворяющую (вода, которая за счет молекулярноповерхностных сил собирается на поверхности тех или иных компонентов (жира, белка и др.)
Согласно анализу литературных источников нами конкретизированы факторы, определяющие эффективность процесса растворения сухих молочных продуктов (рис. 2) [3, 7].
Сухое молоко как фактор качества восстановленных молочных продуктов характеризуется определенными органолептическими свойствами; физико-механическими (плотность частиц, гранулометрический состав, масса, сыпучесть, текучесть), характеризующими поверхностные явления (удельную поверхность, адгезию, когезию); теплофизическими; а также свойствами, определяющими растворимость и др.
В промышленных условиях при восстановлении сухого молока используется продукт, который в силу различных причин имеет не только разные свойства и структуру, но также индивидуальные физико-химические изменения, происшедшие в результате нарушения режимов и условий хранения и транспортировки, что существенным образом усложняет процесс растворения. Особо необходимо отметить тот факт, что изначальные пороки молока-сырья при сушке усугубляются посредством концентрации сухого вещества при удалении воды, что влияет на восстановительные процессы сухого молока, показатели качества готовой продукции и затрудняет устранение пороков молочной продукции в дальнейшем [3, 9].
Основным процессом, определяющим качество восстановления, является растворение лактозы и минеральных веществ, сопровождаемое переходом жира и белка в эмульсионно-коллоидное состояние. На первом этапе при контакте с водой с поверхности частицы сухого молока выщелачивается лактоза, минеральные вещества и сывороточные белки, затем вода проникает в трещины и капилляры частицы, вытесняет воздух и выщелачивает лактозу и минеральные вещества из внутренней части сухих ве-
ществ. Все это ведет к распаду частицы и нерастворимые компоненты - жир и белок - диспергируются в растворе. Однако частицы в сухом молоке могут находиться не только по отдельности, но и в виде агломератов, которые длительное время не растворяются. Установлено, что при контакте агломератов с водой на их поверхности образуется жидкостный слой, имеющий высокую концентрацию и вязкость. Этот слой образует оболочку, препятствующую проникновению воды внутрь агломерата [3, 8, 9].
Смачиваемость белка зависит от степени его денатурации: чем меньше денатурирован белок, тем хуже он смачивается, но имеет высокую скорость растворения. Таким образом, свойства сухого молока определяют протекание поверхностных и капиллярных явлений, и как следствие, - растворимость продукта, в частности смачиваемость, пенетрабельность, диспергируемость, погружаемость (оседаемость) порошка.
При анализе фактора количественного соотношения сухих молочных продуктов и воды установлено, что наиболее эффективно процесс растворения протекает при предварительном смачивании сухого молока. Оптимальной для растворения температурой является температура воды в пределах 45...60 °С, температура сухого молока -35...60 °С.
Зависимость эффективности растворения от интенсивности механического воздействия в настоящее время изучена недостаточно, однако результаты сравнительных экспериментов свидетельствуют, что интенсивность механического воздействия является более важным фактором, чем его продолжительность [3, 7, 10].
Таким образом, процесс восстановления сухого молока зависит от многих факторов, одновременно привести которые к равновесному состоянию довольно проблематично.
В качестве инновационного метода создания благоприятных для растворения сухого молока условий нами был предложено внедрение ультразвуковой обработки определённой частоты и мощности, способствующей возникновению в обраба-
Рис. 2. Факторы эффективности процесса растворения сухого молока
Инновации в технологии восстановления сухого молока как фактор управления качеством...
тываемой среде (жидкости) ультразвуковой кавитации, т. е. массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Движение пузырьков в различных направлениях, их схлопы-вание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, что способствует локальному нагреванию среды, возникновению ионизации. В результате указанных эффектов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), жидкость перемешивается, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы [2, 4, 11].
Следовательно, можно предположить вероятное положительное воздействие на структуру сухого молока (разрушение агломератов до отдельных частиц, выравнивание по дисперсному составу) и свойства воды-растворителя (активация за счет разрушения кластеров воды), что в целом может способствовать интенсификации процесса восстановления сухого молока и доведению свойств восстановленного молочного продукта до свойств продукта из натурального молока.
Результаты предварительных опытов по влиянию ультразвуковой обработки различной мощности (120, 180 и 240 Вт) и продолжительности воздействия (1.. .5 минут) на свойства воды свидетельствуют о снижении уровня ее рН (на 0,43.4,39 %) и жесткости воды на 3,9.8,09 % (рис. 3).
Ультразвуковая кавитация способствует переводу растворимых бикарбонатов в нерастворимую карбонатную форму, что обуславливает снижение жесткости воды. Также при ультразвуковой обработке повышается температура воды (в пределах 10.15 °С), что позволяет в дальнейшем отказаться от отдельного этапа нагревания.
Наиболее благоприятные значения контролируемых параметров наблюдались при ультразву-
ковой обработке мощностью 120 Вт и продолжительностью не более пяти минут.
Ультразвуковая обработка (экспозиция: мощность 120 Вт, продолжительность 3 минуты) осуществлялась нами на разных этапах восстановления сухого молока:
1) только воды с последующим внесением в нее навески сухого молока (образец 1);
2) совместная обработка механической смеси сухого молока и воды (образец 2);
3)двухэтапная обработка: сначала воды и затем совместно механической смеси сухого молока и обработанной воды (образец 3).
Результаты оценки качества образцов свидетельствуют о положительном влиянии ультразвуковой кавитации на процессы восстановления сухого молока. В частности, в результате обработки снижается индекс растворимости сухого молока и наиболее полно протекают процессы набухания белковой фракции молока, что выражается в увеличении массовой доли белка в восстановленном молочном продукте (в пределах 3,3.4,8 % относительно контроля). Результаты увеличения массовой доли белка в образцах восстановленного молочного напитка коррелируют с результатами снижения индекса растворимости в молоке-сырье (рис. 4) - коэффициент корреляции -0,94 (сильная обратная корреляционная зависимость).
Наиболее полному восстановлению белковой фракции способствует совместная ультразвуковая обработка смеси сухого молока и водыза счет повышения растворимости сухого молока. Снижение индекса растворимости сухого молока при различных условиях обработки ультразвуком составляет от 50 до 75 % и его значение находится в пределах
0,1.0,2 см3.
Оценка массовой доли лактозы в образцах, полученных при разных условиях ультразвуковой
Рис. 3. Зависимость жесткости воды от мощности и продолжительности ультразвуковой обработки
Рис. 4. Относительное изменение значений индекса растворимости и массовой доли белка в полученных при разных условиях образцах восстановленного молочного продукта, %
обработки, показала, что обработка воды перед внесением сухого молока вследствие разрыва водородных связей и возникновения кавитационных процессов имеет тенденцию к интенсификации процесса выщелачивания лактозы с поверхности частиц, что повышает долю лактозы в восстановленном продукте переработки молока до (3,55 ± ± 0,03)%.
Этот показатель также коррелирует с показателем индекса растворимости (-0,8). В среднем повышение массовой доли лактозы при ультразвуковой обработке составляет 0,9.. .6,5 %.
Оценка дисперсного состава образцов восстановленного при разных условиях молока-сырья методом лазерного динамического светорассеива-ния (рис. 5) показала изменение размерных рядов частиц в меньшую сторону. Контрольный образец - без обработки - характеризуется наличием двух размерных фракций: около 41 % частиц размером в среднем (409 ± 10) нм, 53 % - (174 ± 10) нм, разница в значениях определяет неоднородность системы. Ультразвуковая обработка воды перед внесением в нее сухого молока вследствие возникновения кавитационных процессов и дополнительной энергии воздействия на частицы способствует формированию однородной структуры молока с единой фракцией частиц размерами в пределах 275,2.305,6 нм. Увеличение длительности ультразвукового воздействия фактически выравнивает размеры частиц, доводя их до истинных систем. Таким образом, перераспределение поф-ракционного состава характеризует явное влияние процесса кавитации на дисперсность частиц восстановленного молока-сырья и свидетельствует о гомогенизации продукта.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что ультразвуковая обработка на этапе восстановления сухого молока:
• положительно влияет на процессы восстановления, интенсифицирует их, что отражается на снижении индекса растворимости сухого молока;
• способствует формированию однородного состава восстановленного продукта переработки молока за счет измельчения частиц и гомогенизации структуры в целом;
• обуславливает улучшение компонентного состава восстановленного молочного напитка, влияя на полноту восстановления белковой фракции и лактозы.
Также необходимо отметить, что этап внедрения ультразвуковой обработки (условия 1, 2 или З эксперимента) в технологический цикл получения восстановленного молока варьирует результаты по исследованным показателям, что предполагает таким образом наличие возможности управления качеством восстановленных продуктов переработки молока.
Литература
1. Галстян, А.Г. Нетрадиционные способы подготовки воды для растворения сухих продуктов / А.Г. Галстян, А.Н. Петров // Молочная промышленность. - 2006. - № 10.
2. Дежкунов, Н.В. Оптимизация активности
кавитации в импульсно модулированном ультразвуковом поле / Н.В. Дежкунов, П.В. Игнатенко, А.В. Котухов // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2007. - № 16. - http://
www.ejta.org.
3. Липатов, Н.Н. (ст.) Восстановленное молоко (теория и практика производства восстановленных молочных продуктов) / Н.Н. Липатов и др. - М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с.
4. Маргулис, М.А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях): учеб. пособие для хим. и хим.-технол. спец. вузов /М.А. Маргулис. - М.: Высш. шк., 1984. - 272 с.
5. Официальный сайт Федеральной службы государственной статистики //http://www.gks.ru.
6. Рынок молока - текущая ситуация. Мони-
торинг сельскохозяйственных товаров // АгроХХ1. Новости. Аналитика. Комментарии. -
http://www.agroxxi.ru.
7. Тёпел, А. Химия и физика молока / А. Тёпел; пер. с нем. под ред. канд. техн. наук, доц. С.А. Фильчаковой. - СПб.: Профессия, 2012. - 832 с.
8. Харитонов, В.Д. Двухстадийная сушка молочных продуктов / В.Д. Харитонов. - М.: Агро-промиздат, 1986. - 216 с.
9. Чекулаева, Л.В. Технология продуктов консервирования молока и молочного сырья / Л.В. Чекулаева, К.К. Полянский, Л.В. Голубева. - М.: Де-Липринт, 2002. - 249 с.
10. Швырев, В.Ф. Разработка режимов процесса растворения сухого молока и аппарата для его проведения: дис. ... канд. техн. наук / В.Ф. Швырев. - М., 1984. - 214 с.
11. Шестаков, С.Д. Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции / С.Д. Шестаков, О.Н. Красуля, В.И. Богуш, И.Ю. Потороко. - М.: Изд-во «ГИОРД», 2013. - 152 с.
молока как фактор управления качеством.
Рис. 5. Кривые распределения частиц дисперсной системы образцов восстановленного молока-сырья, нм
Попова Наталия Викторовна. Старший преподаватель кафедры товароведения и экспертизы потребительских товаров, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск). Область научных интересов - исследование факторов качества молочной продукции. Контактный телефон: (351) 297-92-88, e-mail: [email protected].
INNOVATIONS IN MILK POWDER RECOVERY TECHNOLOGY AS A FACTOR OF QUALITY MANAGEMENT FOR REDUCED PRODUCTS OF MILK PROCESSING
N.V. Popova
Factors affecting the efficiency of milk powder dissolution and its possible intensification by means of ultrasonic treatment are considered. The research of dependence of solubility index of milk powder as well as component and dispersed composition of reduced product of milk processing on the conditions of ultrasonic treatment is performed. Modernization of traditional milk powder recovery technologies is suggested.
Keywords: ultrasonic cavitation, reduced product of milk processing, milk beverage, particulate composition.
Natalia V. Popova, senior lecturer of the Department of Commodity and Consumer Goods Expertise, South Ural State University (Chelyabinsk). Research interests: study on the quality of dairy products. Contact number: (351) 297-92-88, e-mail: [email protected].
Поступила в редакцию 22 октября 2013 г.
