CC BY
48
УДК 36.95:28.072
В.А. Ермолаев, Н.С. Чесноков, Г.А. Масленникова, С.К. Дуйсембаева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ НА ПРОЦЕСС ВАКУУМНОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
ЖИДКИХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
Данная работа посвящена исследованию технологических параметров для вакуумного концентрирования жидких молочных продуктов. Отмечено, что концентрирование является перспективным способом сохранения пищевых продуктов при длительном хранении. Исследовано влияние относительной поверхности испарения на органолептические и физико-химические показатели, плотность и вязкость концентрируемых продуктов, скорость (продолжительность) концентрирования, удельные затраты теплоты, изменение температуры и относительной массы концентрируемых жидких молочных продуктов.
Вакуумное концентрирование, молоко, сыворотка, молочный гидролизат.
Введение
Основными и наиболее ценными компонентами молочного сырья являются белки, молочный жир, углеводы, минеральные вещества. Кроме того, в это сырье переходят витамины, ферменты, органические кислоты и другие вещества, содержащиеся в молоке [1, 2].
Белки в обезжиренном молоке, молочной сыворотке и молочных гидролизатах состоят в основном из следующих фракций: казеина, альбумина, глобулина. В молочных белках содержатся все незаменимые аминокислоты, необходимые для нормального роста и развития организма. Некоторые аминокислоты представлены в белках молочной сыворотки (альбумин и глобулин) даже в большем количестве, чем в основной фракции белков молока - казеине.
Важными особенностями обезжиренного молока являются отсутствие в нем холестерина и повышенное по сравнению с цельным молоком содержание холина и сухих веществ.
Отличительной особенностью молочных белков является то, что при их расщеплении образуются пептиды и другие компоненты, которые всасываются непосредственно в кровь. Усвояемость молочных белков человеческим организмом практически полная. Растительные белки таким свойством не обладают.
Наиболее целесообразный и перспективный вид обработки молока, молочной сыворотки, молочного гидролизата - биологическая обработка. При этом возрастает биологическая и пищевая ценность получаемых продуктов. Продукты биологической обработки (молоко сгущенное, сыворотка сгущенная, гидролизат сгущенный) все шире используются при выработке хлеба и кондитерских изделий, мороженого, плавленых сыров, колбасных изделий, напитков [1]. Выработка концентратов (сухих и сгущенных) позволит получить из молочной сыворотки продукты долговременного хранения, которые находят широкое применение в пищевой промышленности и производстве кормов [2].
Консервирующее действие в сгущенном молоке, молочной сыворотке, молочном гидролизате обеспечивается за счет осмотического давления и молочной кислоты. В натуральной молочной сыворот-
ке осмотическое давление составляет 0,74 мПа. Следовательно, для микроорганизмов, имеющих внутриклеточное давление на уровне 0,6 мПа, создаются осмотические (изотонические) условия для развития. Этим объясняется быстрая порча молочной сыворотки во время хранения. При сгущении сыворотки в 5 раз осмотическое давление повышается до 7,4 мПа, то есть в 10 раз, что создает неблагоприятные (гипертонические) условия для развития микроорганизмов [3].
Целью данной статьи является исследование влияния относительной поверхности концентрирования на качественные показатели концентрируемых продуктов, скорость (продолжительность) концентрирования, удельные затраты теплоты, изменения температуры и относительной массы концентрируемых жидких молочных продуктов от относительной поверхности испарения.
Материалы и методы
Объектами исследования являются молоко, молочная сыворотка, молочный гидролизат.
К технологическим параметрам вакуумного концентрирования молока, молочной сыворотки, молочных гидролизатов относится относительная поверхность испарения.
Относительная поверхность испарения 5'отн определяется отношением площади открытой поверхности £ с которой происходит кипение, к полному объему V, в котором находится концентрируемая жидкость:
£ота = S/V. (1)
Рассмотрим изменение относительной поверхности испарения Sотн с изменением количества жидкости в емкости. Допустим, И1 = Н2 = И3, следовательно, VI = V2 = V?,. Например, при й1 = й2 = й3 = 20 см и И1 = 1 см, Н2 = 2 см, И3 = 3 см:
Sотн1 = S/V1 = 314/314 = 1 см2/см3;
Sотн2 = S/V2 = 314/628 = 0,5 см2/см3;
Sотн3 = S/V3 = 314/942 = 0,33 см2/см3.
То есть при одинаковой площади испарения с увеличением объема жидкости происходит уменьшение относительной площади испарения.
Можно сделать предварительный вывод: чем меньший объем занимает жидкость и чем больше ее поверхность испарения, тем быстрее произойдет концентрирование жидкости. Однако на практике не менее важное значение, кроме скорости концентрирования, имеют качественные показатели концентрируемого продукта.
Результаты и их обсуждение
В табл. 1 приведена продолжительность концентрирования жидких молочных продуктов до различной массовой доли влаги сухих веществ в зависимости от относительной поверхности испарения. Исследования проводили при температуре в вакуумной камере 70 °С и величине тепловой нагрузки 7,36 кВт/м2.
Таблица 1
Продолжительность концентрирования жидких молочных продуктов до различной массовой доли сухих веществ в зависимости от относительной поверхности испарения, минут
С уменьшением относительной поверхности испарения происходит увеличение продолжительности концентрирования до определенной массовой доли сухих веществ. Необходимо отметить, что продолжительность консервирования увеличивается у всех исследуемых продуктов (обезжиренное молоко, молоко с массовой долей жира 3 и 5 %, молочная сыворотка, молочный гидролизат).
Молоко с массовой долей жира 5 % концентрируется при относительной поверхности испарения 1 см2/см3 до массовой доли сухих веществ: 40 % за 150 минут; 50 % - 210 минут; 60 % - 280 минут; при
относительной поверхности 0,5 см2/см3: 40 % -200 минут; 50 % - 260 минут; 60 % - 320 минут; при относительной поверхности 0,33 см2/см3: 40 % -260 минут; 50 % - 320 минут; 60 % - 380 минут.
В среднем при изменении относительной поверхности испарения от 1 до 0,5 см2/см3, от 0,5 до 0,33 см2/см3 время достижения одинаковой массовой доли сухих веществ увеличивается на 40-60 минут.
В табл. 2 приведены удельные затраты теплоты на удаление влаги при концентрировании жидких молочных продуктов при различной относительной поверхности испарения. Концентрирование обезжиренного молока, молока с массовой долей жира 3 и 5 % производили до массовой доли сухих веществ 43-48 %, молочной сыворотки - 58-60 %, молочного гидролизата - 48-52 %.
Таблица 2
Удельные затраты теплоты на удаление влаги при концентрировании жидких молочных продуктов, кВт-ч на кг удаленной влаги
Продукт Относительная поверхность, см2/см3
1 0,5 0,33
Обезжиренное молоко 1,3 1,39 1,7
Молоко 3 % 1,3 1,4 1,9
Молоко 5 % 1,35 1,45 2,1
Молочная сыворотка 1,4 1,55 2,3
Молочный гидролизат 1,4 1,5 2,3
При уменьшении относительной поверхности испарения от 1 до 0,5 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 6,9-10,7 %; от 0,5 до 0,33 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 22,3-53,3 %.
Следовательно, при уменьшении относительной поверхности (увеличении слоя концентрируемой жидкости) происходит увеличение удельных затрат теплоты на удаление влаги при концентрировании. Особенно сильно удельные затраты теплоты увеличиваются при относительной поверхности испарения 0,33 см2/см3, которая соответствует толщине слоя 30 мм.
При уменьшении относительной поверхности от 1 до 0,5 см2/см3 (увеличение толщины слоя концентрирования от 10 до 20 мм) удельные затраты теплоты увеличиваются на 6,9-10,7 % при увеличении продолжительности концентрирования на 14,3-23,8 %. Однако при относительной поверхности испарения 0,5 см2/см3 (толщине слоя концентрирования 20 мм) концентрируется в два раза больше жидкого молочного продукта, чем при относительной поверхности испарения 1 см2/см3 (толщине слоя 10 мм).
Таким образом, при относительной поверхности испарения 0,5 см2/см3 процесс концентрирования проводить более выгодно, чем при относительной поверхности испарения 1 см2/см3. Увеличение удельных затрат теплоты на удаление влаги при уменьшении относительной поверхности (увеличении слоя концентрируемого продукта - массы) испарения связано с возрастанием коэффициентов рабочего времени десублиматора (холодильной машины) и вакуумных насосов. Коэффициенты рабочего
Относи- тельная поверх- ность испаре- ния, см2/см3 Продукт Массовая доля влаги, %
20 30 40 50 60
1 Обезжиренное молоко 40 90 150 220 280
Молоко 3 % 35 100 170 230 300
Молоко 5 % 50 110 150 210 280
Молочная сыворотка 50 100 160 240 320
Молочный гидролизат 50 110 160 210 260
2 Обезжиренное молоко 60 120 190 260 320
Молоко 3 % 55 130 210 270 340
Молоко 5 % 70 120 200 260 320
Молочная сыворотка 60 140 210 280 360
Молочный гидролизат 60 120 180 240 310
3 Обезжиренное молоко 80 160 230 300 390
Молоко 3 % 90 180 250 330 420
Молоко 5 % 90 190 260 320 380
Молочная сыворотка 70 150 240 340 450
Молочный гидролизат 70 140 230 290 370
времени холодильной машины и вакуумных насосов при относительной поверхности испарения 1 см2/см3 равны 0,55-0,7, при 0,5 см2/см3 - 0,7-0,8 соответственно. Коэффициенты рабочего времени с уменьшением относительной поверхности испарения возрастают из-за увеличения количества испаренной влаги, которую необходимо удалить из камеры концентрирования.
На рис. 1, 2 и 3 представлены зависимости плотности и вязкости от массовой доли сухих веществ обезжиренного молока, молочной сыворотки и молочного гидролизата.
Плотность молочных продуктов зависит от температуры (понижается с ее повышением) и химического состава (понижается при увеличении содержания жира и повышается при увеличении количества белков, лактозы и солей). Вязкость концентрированных молочных продуктов зависит от содержания сухого вещества и белка в растворе, величины и формы молекул.
Массовая доля сухих веществ, %
Рис. 1. Зависимости плотности и вязкости обезжиренного молока от массовой доли сухих веществ
• 2,8 • 2,6 • 2,4
,8 £
,6 §
и й
,4 СО
Массовая доля сухих веществ, %
Рис. 2. Зависимости плотности и вязкости молочной сыворотки от массовой доли сухих веществ
2.5 с Є
2 І
1.5 М
Массовая доля сухих веществ, %
Рис. 3. Зависимости плотности и вязкости молочного гидролизата от массовой доли сухих веществ
Из графиков, представленных на рисунках 1, 2 и 3, следует, что с увеличением массовой доли сухих веществ концентрируемых продуктов происходит увеличение плотности и вязкости.
При массовой доле сухих веществ 6 % плотность и вязкость: молочной сыворотки - 1023 кг/м3 и 1,55-10"3 Па-с; обезжиренного молока - 1032 кг/м3 и
1,75-10- Па-с; молочного гидролизата - 1029 кг/м3 и 1,8-10-3 Па-с.
При массовой доле сухих веществ 30 % плотность и вязкость: молочной сыворотки - 1140 кг/м3 и 2,2-10-3 Па-с; обезжиренного молока - 1165 кг/м3 и
2.4-10-3 Па-с; молочного гидролизата - 1157 кг/м3 и
2.5-10-3 Па-с.
При массовой доле сухих веществ 60 % плотность и вязкость: молочной сыворотки - 1310 кг/м3 и 2,7-10-3 Па-с; обезжиренного молока - 1350 кг/м3 и 3,1-10-3 Па-с; молочного гидролизата - 1330 кг/м3 и
3.5-10-3 Па-с.
При увеличении массовой доли сухих веществ концентрируемых продуктов от 6 до 30 % плотность изменяется на 87-133 кг/м3, вязкость - на 0,55-10-30,7-10-3 Па-с; от 30 до 60 % плотность изменяется на 173-200 кг/м3, вязкость - на 0,6-10-3-1,0-10-3 Па-с.
Резкий скачок вязкости на промежутке от 38 до 42 % сухих веществ при концентрировании сыворотки (см. рис. 2) вызван удалением свободно связанной влаги и, как следствие, переходом продукта из жидкого состояния в гигроскопическое.
Таким образом, при увеличении концентрации массовой доли сухих веществ от 30 до 60 % происходит более сильное увеличение плотности и вязкости, чем при концентрации массовой доли сухих веществ от 6 до 30 %.
Плотность и вязкость концентрированных продуктов от относительной поверхности испарения зависит косвенно. На плотность и вязкость концентрированных продуктов первостепенное влияние оказывает массовая доля сухих веществ. При различных относительных поверхностях (1; 0,5;
0,33 см2/см3) испарения можно добиться одинаковой массовой доли сухих веществ только при различной продолжительности процесса.
В табл. 3 приведена суммарная органолептическая оценка концентрированных жидких молочных продуктов в зависимости от относительной поверхности испарения.
Таблица 3
Суммарная органолептическая оценка концентрированных жидких молочных продуктов, баллов
Продукт Относительная поверхность испарения, см2/см3
1 0,5 0,33
Обезжиренное молоко 39 39 38
Молоко 3 % 38 39 37
Молоко 5 % 39 39 38
Молочная сыворотка 39 38 38
Молочный гидролизат 39 39 38
Концентрированные продукты имеют достаточно высокую органолептическую оценку 37-39 баллов. Высокая органолептическая оценка объясняется тем, что концентрирование проводят при рациональных режимных параметрах (температура, тепловая нагрузка, остаточное давление, температура конденсатора).
3,5
При относительной поверхности испарения 0,33 см2/см3 наблюдается незначительное снижение органолептической оценки концентрированных продуктов (на 1-2 балла) по сравнению с относительной поверхностью испарения 1 и 0,5 см2/см3. Органолептическая оценка снижается из-за слабо-выраженного вкуса и запаха, появления небольшого осадка, изменений в цвете.
Исследования физико-химических показателей концентрированных жидких молочных продуктов позволяют сделать вывод о том, что относительная поверхность испарения не оказывает влияния на качественный и количественный состав физикохимических показателей. Физико-химические показатели в основном зависят от массовой доли сухих веществ в концентрируемом продукте, которые, в свою очередь, зависят от режимных параметров процесса и продолжительности процесса концентрирования.
На основании проведенных исследований установлено, что при уменьшении относительной поверхности испарения происходит увеличение продолжительности концентрирования.
Исследованы кривые изменения тепловой нагрузки, температуры в камере и продукте, относительной массы в зависимости от относительной поверхности испарения (1; 0,5; 0,33 см2/см3). При уменьшении относительной поверхности испарения от 1 до 0,5 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 6,9-10,7 %; от 0,5 до 0,33 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 22,353,3 %. Особенно сильно удельные затраты теплоты увеличиваются при относительной поверхности испарения 0,33 см2/см3, которая соответствует толщине слоя 30 мм. Плотность и вязкость концентрированных жидких молочных продуктов практически не зависит от относительной поверхности испарения. При относительной поверхности испарения
0,33 см2/см3 наблюдается незначительное снижение органолептической оценки концентрированных продуктов. Незначительное снижение органолептической оценки происходит из-за изменений в цвете (он становится кремовым), что вызвано денатураци-
ей сывороточных белков и карамелизацией лактозы. В целом можно сделать вывод, что относительная поверхность испарения не оказывает влияния на качественный и количественный состав физикохимических показателей.
Таким образом, на основании исследований по влиянию относительной поверхности концентрирования на органолептические и физико-химические показатели, плотность и вязкость концентрируемых продуктов, скорость (продолжительность) концентрирования, удельные затраты теплоты, изменение температуры и относительной массы концентрируемых жидких молочных продуктов в качестве рациональной относительной поверхности испарения при концентрировании обезжиренного молока, молока с массовой долей жира 3 и 5 %, молочной сыворотки, молочного гидролизата считаем 0,5 см2/см3, которая соответствует толщине слоя 20 мм.
Вследствие того что качественные показатели концентратов практически не зависят от относительной поверхности испарения, основополагающим критерием выбора рациональной поверхности испарения были удельные затраты теплоты. Как уже упоминалось выше, при уменьшении относительной поверхности от 1 до 0,5 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 6,9-10,7 % при увеличении продолжительности концентрирования на 14,323,8 %. Однако при относительной поверхности испарения 0,5 см2/см3 (толщине слоя концентрирования 20 мм) концентрируется в два раза больше жидкого молочного продукта, чем при относительной поверхности испарения 1 см2/см3 (толщине слоя 10 мм). Таким образом, при относительной поверхности испарения 0,5 см2/см3 процесс концентрирования проводить более выгодно, чем при относительной поверхности испарения 1 см2/см3. При уменьшении относительной поверхности испарения от 0,5 до 0,33 см2/см3 удельные затраты теплоты увеличиваются на 22,3-53,3 %, к тому же происходит снижение органолептической оценки концентрированных жидких молочных продуктов.
Список литературы
1. Храмцов, А.Г. Молочная сыворотка / А.Г. Храмцов. - М.: Агропромиздат, 1990. - 240 с.
2. Храмцов, А.Г. К вопросу ресурсосберегающей и экологощадящей переработки молочного сырья / А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - № 10. - С. 12-13.
3. Храмцов, А.Г. Использование сгущенной творожной сыворотки: обзорная информация / А.Г. Храмцов, В.В. Василисина, А.С. Тихомирова, А.Н. Баха. - М.: ЦНИТЭИ, 1977. - 19 с.
ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», 650056, Россия, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.
Тел./факс: (3842) 73-40-40 е-mail: office@kemtipp.ru
SUMMARY V.A. Yermolaev, N.S. Chesnocov, G.A. Maslennicova, S.K. Duisembayeva
The Effect of Specific Concentrating Surface Size on Vacuum Liquid Dairy Products Concentration
The given work is devoted to the investigation of technological parameters for vacuum concentration of liquid dairy products. It is noticed that concentration is a perspective way of foodstuff preservation at long-time storage. The effect of relative evaporation surface on organoleptic, physical and chemical characteristics, density and viscosity of products being concentrated, the rate of concentration, specific heat expenses, change of temperature and relative weight of concentrated liquid dairy products has been investigated.
Vacuum concentration, milk, whey, dairy hydrolysate.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology 47, Boulevard Stroiteley, Kemerovo, 650056, Russia Phone/Fax: +7(3842) 73-40-40 e-mail: office@kemtipp.ru
