CC BY
50
УДК 637.115/637.12'639
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДОИЛЬНО-МОЛОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА КОЗОВОДЧЕСКИХ ФЕРМАХ
Г.П. Дегтерев, доктор технических наук, профессор Е.В. Машошина, ст. преподаватель РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева Е-шаП: electro@rgau-msha.ru
Аннотация. При машинном доении и контакте молока с поверхностью доильно-молочного оборудования возникает адгезионное взаимодействие белково-жировых частиц молока с рабочей поверхностью и образуются биопленки загрязнений. Их полное удаление является важнейшей санитарно-гигиенической задачей очистки. Состав и микроструктура козьего молока несколько отличается от коровьего. В нем больше белка, жира, кальция, железа, а размер жировых шариков примерно на порядок меньше жировых шариков коровьего молока, что приводит к более активной адсорбционной связи загрязнений с поверхностью оборудования. В настоящее время очистка доильно-молочного оборудования в козоводстве производится моющими средствами, применяемыми в молочном скотоводстве, которые не справляются с поставленной задачей и не обеспечивают качественную очистку молока. Поэтому мы рассмотрели механизм образования и удаления молочных загрязнений в процессе машинного доения в козоводстве, обусловленный особенностями состава и микроструктуры козьего молока. На основании известных и традиционно применяемых щелочных веществ, антикоррозионных добавок, поверхностно-активных веществ (ПАВ), ком-плексообразователей и дезинфицирующих веществ были разработаны и исследованы в лабораторных и производственных условиях три рецептуры моющих средств. В результате исследований была выбрана и запатентована композиция, обладающая лучшим моющим действием по отношению к загрязнениям на основе козьего молока, хорошей биоразлагаемостью моющего средства и умеренным пенообразованием. Ключевые слова: молочное козоводство, козье молоко, доильное оборудование, загрязнения, адсорбция.
Молоко, являясь оптимально сбалансированным продуктом, имеет в своем составе все необходимые элементы для роста и развития человеческого организма, особенно в первые месяцы со дня его рождения, и остается обязательным компонентом питания в течение всей его жизни - в чистом виде или в виде продуктов, производимых из него.
С древних времен человечество использует молоко различных животных: коров, буйволов, оленей, лошадей, яков, коз, овец. Наиболее распространенным в нашей стране и во всем мире является коровье молоко. Однако в странах Африки, Азии, Ближнего Востока и на Средиземноморском побережье все большее предпочтение отдается козьему молоку. Так, в странах Европы доля козьего молока составляет около 30% в общем производстве молока, а в арабских странах она достигает 50-58%. Благодаря возрастающему
интересу населения к здоровому образу жизни и диетическим и целебным свойствам козьего молока, козоводство становится перспективной отраслью животноводства и в нашей стране. Следует особо отметить достоинства, лечебные и диетические преимущества козьего молока по сравнению с коровьим: оно более богато минеральными веществами, витаминами и микроэлементами, лучше и быстрее усваивается, практически гипоаллергенно, тогда как почти у трети населения - аллергия на коровье молоко. Козье молоко рекомендуется медиками в целебных целях как для ослабленных детей, так и для взрослых при таких заболеваниях, как бронхиальная астма, колиты, язва желудка, артрит и др. Козье молоко считается практически идеальным сырьем для производства продуктов детского питания, являясь наиболее близким аналогом женского молока.
Еще в 1906 г. в Париже, на Всемирном конгрессе детских врачей, козье молоко было признано лучшим естественным заменителем женского молока, что подтверждается исследованиями и современных ученых [11]. Однако исследования сотрудников НИИ детского питания Российской академии сельскохозяйственных наук (НИИ ДП Россельхо-закадемии) свидетельствуют о низком качестве козьего молока-сырья, поступающего на промышленную переработку, что является одним из основных сдерживающих факторов широкого допуска козьего молока в качестве детского питания. Для решения этой проблемы предлагается усиление контроля санитарно-гигиенического качества молока на козоводческих фермах и строительство крупных козоводческих хозяйств с технологией машинного доения и первичной переработки молока. Именно на таких предприятиях с комплексной механизацией и автоматизацией всех технологических процессов, и в частности - доения, повышаются удои молока, снижается себестоимость производства и обеспечивается санитарно-гигиеническое и потребительское качество молока.
Высокое качество и безопасность молока-сырья складывается из физико-химических показателей молока и санитарно-гигиенического состояния доильно-молочного оборудования. Если физико-химический состав молока обусловлен генетическими особенностями животного, временем года, рационом кормления и т.п., то санитарно-гигиенические характеристики, включая бакобсеменен-ность, наличие болезнетворных организмов, ингибирующих веществ и механических включений, а также общее количество соматических клеток в молоке, определяются, как правило, санитарно-гигиеническим качеством очистки доильного оборудования и общей культурой производства молока в условиях фермы. При контакте молока с поверхностью доильного оборудования в процессе доения возникает адгезионное взаимодействие белково-жировых частиц молока. В результате этого взаимодействия после каждого доения на рабочих поверхностях оборудования образуются молочные биопленки,
являющиеся прекрасной питательной средой для размножения вредных микроорганизмов. Эти биопленки и представляют собой молочные загрязнения.
В условиях машинного доения около 90% вредной микрофлоры, как правило, формируется за счет этих загрязнений. Их полное удаление является важнейшей санитарно-гигиенической задачей очистки доильного оборудования с целью получения качественного и безопасного молока. При удалении загрязнений с поверхности возможен либо адгезионный отрыв по границе «молочная биопленка-твердая поверхность доильного оборудования», либо когезионный отрыв. Коге-зионный отрыв возникает, когда разрыв происходит по границе между самими молочными загрязнениями. Тогда наблюдается неполная очистка. На практике в основном наблюдается адгезионно-когезионное удаление загрязнений с очищаемого оборудования [1].
В настоящее время изучены и разработаны классические основы теории адгезии и смачивания: природа адгезионного взаимодействия, зависимость адгезии от свойств контактирующих твердых поверхностей, параметры, характеризующие эти процессы, и некоторые другие явления в простых жидких средах [2]. Однако натуральное молоко животных - это сложная жидкая полидисперсная система, содержащая множество взаимосвязанных структурных образований в виде жировых шариков различных размерностей, молочных телец, белков, коллоидных частиц и ионов растворимых солей [3]. Механизм адгезии и образования молочных загрязнений и технология очистки поверхности доильного оборудования в молочном скотоводстве достаточно хорошо изучены в многочисленных изданиях [1, 4, 5, 6, 7, 9]. Все это можно представить в виде следующей схемы, разработанной и предложенной профессором Дегтеревым Г.П. [6], рис. 1.
На процессы образования «молочного камня» отрицательное влияние оказывают минеральные соли жесткости как в самом молоке, так и в воде, используемой для санитарного ухода за доильными аппаратами и молочным оборудованием [9].
Адгезионно-связанные загрязнения 5 ? 2
Адсорбционно-связанные загрязнения
Прочно (глубинно) связанные загрязнения Рис. 1. Виды загрязнений на доильно-молочном оборудовании: 1 - жировые шарики; 2 - белково-
липидная оболочка; 3 - молекулы воды; 4 - поверхность оборудования; 5 - точки слипания жировых шариков; 6 - молочный камень
Как показали многочисленные эксперименты и практика очистки - адгезионно-связанные загрязнения (в виде остатков молока и устойчивых частиц молочного жира) могут удаляться водой, а нестабилизирован-ный молочный жир и отложения на его основе, и особенно пристенная биопленка в виде адсорбционно-связанных загрязнений, водой и растворами неэффективных моющих средств практически не удаляются. В этих случаях загрязнения, оставшиеся на поверхности доильно-молочного оборудования, провоцируют очень быстрый процесс образования минеральных отложений с возникновением самых разнообразных кристаллических образований, которые со временем уплотняются, видоизменяются и превращаются в прочные глубинно-связанные загрязнения (налет в виде «молочного камня»).
«Молочный камень» не поддается очистке щелочными моющими средствами и требует применения агрессивных кислых моющих средств. «Молочный камень» является очагом постоянного размножения вредных микроорганизмов, служит причиной преждевременного старения и разрушения сосковой резины. Кроме того, создает «наждачный» эффект болезненного механического воздействия на соски животного при доении, что в свою очередь приводит к маститу.
Актуальность проблемы, наличие теоретических основ и многочисленные фактические сведения создали предпосылки для изучения вопроса и выполнения данных исследований в молочном козоводстве.
Состав и микроструктура козьего молока несколько отличается от коровьего - в нем более высокое содержание белка, жира, кальция и железа. Также ключевой особенностью жирового состава козьего молока является сравнительно малый размер жировых шариков, которые примерно на порядок меньше жировых шариков коровьего молока. Сравнительный минеральный состав коровьего и козьего молока представлен в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, количество микро- и макроэлементов, ионы металлов которых обуславливают повышенную жесткость в козьем и коровьем молоке, различно. Так, железа в козьем молоке в 1,5 раза больше, чем в коровьем, марганца - почти в 3 раза, а кальция - в 1,2 раза.
Таблица 1. Сравнительный минеральный состав
Минеральные вещества Молоко
козье коровье
Макроэлементы (мг/100 мл)
Калий 145 146
Магний 14 14
Натрий 47 50
Кальций 143 120
Фосфор 89 90
Соотношение Са:Р 1,6 1,3
Микроэлементы (мкг/100 мл)
Железо 100 67
Цинк 410 400
Медь 20 12
Марганец 17 6
Молибден 7 5
Можно предположить, что при машинном доении в начальный период контакта козьего молока с поверхностью оборудования происходит перестройка полярных связей несвязанных свободных ионов кальция, железа, магния, марганца с активными полярными компонентами молока, например, с лецитином, что приводит к частичному «оголению» защитного слоя вокруг жировых шариков, что приводит к их налипанию на поверхности доильного оборудования. Наличие указанных ионов металлов и белков, отличающихся низким порогом коагуляции, при контакте с рабочей поверхностью доильного оборудования должно приводить к более высокой адсорбции и адгезии частиц козьего жира по сравнению с коровьим.
С целью подтверждения данного предположения и учитывая, что физико-химические процессы образования загрязнений на доильном оборудовании при доении на производстве происходят в довольно сложных динамических и нестабильных условиях, при интенсивном механическом воздействии и попадании воздуха в молоко, предварительные исследования процесса образования молочных биопленок (загрязнений) из коровьего и козьего молока на образцах из нержавеющей пищевой стали были проведены в лабораторных условиях по следующей методике. Заливали свежевыдоенное коровье и козье молоко в емкости объемом 0,5 л, опускали в них стальные образцы и выдерживали их 10 часов при комнатной температуре (20-23°С). Предварительно незагрязненные чистые образцы взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. После образования загрязнений на образцах в виде биопленки также проводили взвешивание. Результаты, полученные в условиях эксперимента, проведенного в лабораторных условиях (табл. 2), подтвердили наши предположения - формирование и масса биопленочных загрязнений из козьего молока практически в 2 раза выше, чем из коровьего. В настоящее время очистка доильно-молочно-го оборудования в козоводческих хозяйствах производится при помощи моющих средств, применяемых в молочном скотоводстве.
Таблица 2. Масса биопленочных загрязнений на стальных образцах из нержавеющей пищевой стали, образующихся из молока коз и коров
№ Масса чисто- Масса образца с Масса за-
образца го образца, г загрязнением, г грязнения, г
Молоко козье
1 49,1210 49,2910 0,1500
2 48,2905 49,0815 0,1710
3 48,9100 49,0820 0,1720
4 48,6070 48,7945 0,1875
5 49,2395 49,3205 0,182
Среднее значение 0,1765
Молоко коровье
1 48,5915 48,6705 0,079
2 49,3155 49,3940 0,0785
3 48,0895 48,1685 0,079
4 49,1620 49,2385 0,0765
5 48,9000 48,9765 0,0765
Среднее значение 0,0773
В итоге эти моющие средства «не справляются» с поставленной задачей, т.к. происходит неполное удаление загрязнений. В результате адгезионно- и когезионно- связанные загрязнения переходят в адсорбционно-связанные, со временем перерождаясь в прочносвязанные («молочный камень»). Для удаления таких загрязнений требуются уже более эффективные, специальные моющие средства, которые позволяют предотвратить проблемы, вызываемые «молочным камнем», приводящие к снижению качества молока и существенным экономическим потерям.
В связи с этим нами был рассмотрен механизм образования загрязнений, обусловленный особенностями состава и микроструктуры козьего молока, и даны рекомендации по выбору компонентов, необходимых при создании нового щелочного моющего средства для удаления загрязнений с поверхности доильного оборудования в молочном козоводстве [12]. Для этого был проведен анализ веществ, входящих в состав композиций известных и широко применяемых в молочном производстве жидких щелочных моющих средств. На основании выбранных известных и традиционно применяемых щелочных веществ, антикоррозионных добавок, поверхностно-активных веществ (ПАВ), комплексообразователей и дезинфицирующих веществ были разработаны и исследованы в лабораторных условиях три рецепта
моющих средств. Опытная партия разработанных средств была изготовлена на предприятии опытно-технологической фирмы «Этрис» (г. Торжок, Тверской обл.).
Исследование эффективности моющего действия растворов щелочных средств (согласно составам №1, №2, №3) проводили на лабораторной установке по методике, разработанной в МИИСП им. В.П. Горячкина [10]. Установка представляет собой емкость в форме цилиндра с механической мешалкой и водяной рубашкой, которая обеспечивает заданную температуру режимов очистки и сопоставимость условий испытаний.
В качестве модельных загрязнений использовали свежее козье сливочное масло. Модельные образцы представляют собой шлифованные пластины из пищевой нержавеющей стали размером 70х35х2 мм.
Перед нанесением модельного загрязнения экспериментальные образцы тщательно промывались в горячем растворе (t = 60°С) щелочного моющего средства с использованием волосяной щетки. Ополаскивали образцы дистиллированной водой в двух последовательно установленных емкостях. Вначале высушивали между двумя листами фильтровальной бумаги, затем обезжиривали спиртом и еще раз высушивали. Загрязнитель, растопленный на водяной бане при температуре 50°С, равномерным слоем в количестве 0,90-0,95 г наносился с помощью мягкого шпателя на поверхность образца с одной стороны. После этого загрязненный образец помещался в термошкаф, прогретый до 50°С, и выдерживался в течение 30 минут для равномерного распределения загрязнений на пластине и лучшей их адгезии с поверхностью. Затем образец охлаждался при комнатной температуре, в результате чего масло затвердевало. Очищающую способность растворов оценивали весовым способом по массе остаточного загрязнения на образце после очистки. Экспериментальные образцы взвешивали в чистом виде, с нанесенным загрязнением и после очистки на аналитических весах «Vibra HTR-80E» (специальный (I) класс точности, ГОСТ 24104). Остаточное загрязнение образца М, выража-
емое в граммах на единицу площади поверхности (г/м ), определяли по отношению разницы массы образца после очистки т1 и массы чистого образца т к площади поверхности 8 по формуле М = т^ т . Воду использовали при жесткости 8 ммоль/л. Опыты проводили в пяти повторностях при температурах моющего раствора 40 и 50°С при концентрации моющего средства 10 г/л и времени очистки 3 мин. (табл. 3).
Таблица 3. Результаты испытаний моющих __средств_
Испытывае- Остаточная загрязненность на очи-
мые моющие щенной поверхности, г/м2- S, (mj-m)/S
средства при 40°С при 50°С
Состав №1 0,30 0,26
Состав №2 0,22 0,18
Состав №3 0,20 0,16
Катрил 0,48 0,42
ЩМС-5 0,36 0,30
Как видно из таблицы 3, растворы предложенного моющего средства обеспечивают эффективную очистку твердой поверхности от козьего сливочного масла как при низкой температуре - 40°С, так и при повышенной -50°С. Зачастую в козоводстве проведение санитарно-гигиенической очистки доильных аппаратов, молочного оборудования и молочной посуды в производственных условиях приходится выполнять вручную при допустимых низких температурах (40-45°С). Из трех исследуемых композиций окончательно была выбрана и запатентована композиция №3, обладающая лучшим моющим действием по отношению к загрязнениям на основе козьего молока, хорошей биоразлага-емостью моющего средства и умеренным пенообразованием. Моющее средство представляет собой прозрачный раствор с легким желтым оттенком, плотностью 1138 кг/м3; при концентрации 10 г/л (1% по массе) раствор моющего средства имеет рН=10,3, умеренное пенообразование (20 мм) и поверхностное натяжение 45,5х10 н/м, что обеспечивает необходимое качество очистки оборудования. Прозрачность, расслоение, помутнение, запах и щелочность указанных составов в течение 6 месяцев остаются постоянными.
Предложенное щелочное моющее средство может использоваться как для ручной, так и для механизированной очистки доильных аппаратов и молочной посуды в козоводстве. Низкое и неустойчивое пенообразо-вание данного моющего средства позволяет эффективно применять его при С1Р-мойке доильно-молочного оборудования в замкнутых системах очистки молокопроводящих систем доильных установок.
Таким образом, разработка данного моющего средства, предназначенного для удаления молочных загрязнений, обусловленных особенностями козьего молока, является актуальной задачей, позволяющей решить одну из проблем, сдерживающих развитие молочного козоводства - повышение качества молока, поступающего на промышленную переработку.
Литература:
1. Дегтерев Г.П. Механизм очистки загрязненных поверхностей молочного оборудования // Молочная промышленность. 1999. №7.
2. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М., 1974.
3. Тиняков Г.Г., Тиняков В.Г. Микроструктура молока и молочных продуктов. М., 1972. 256 с.
4. Организация производственного контроля качества молока-сырья / Родионов Г.В. и др. М., 2009. 156 с.
5. Дегтерев Г.П. Технологии и средства механизации животноводства. М., 2010. 384 с.
6. Обухов П.А. Обработка молока и уход за молочным оборудованием. М., 1971. 166 с.
7. Дегтерев Г.П. Механизм образования и классификация молочных загрязнений // Молочная промышленность. 1999. №6.
8. Химический состав пищевых продуктов. М., 1987.
9. Остроухов А.И. Повышение эффективности очистки доильно-молочного оборудования щелочными моющими растворами в воде различной жесткости: автореф. дис. к. т. н. М., 2013. 20 с.
10. Применение моющих средств. М., 1981. 239 с.
11. Симоненко С.В. Физико-химические и микробиологические показатели качества молока коз // Доклады РАСХН. 2010. №6. С. 55-57.
12. Дегтерев Г.П., Машошина Е.В. Механизм образования загрязнений на доильном оборудовании в козоводстве и моющие средства для их удаления // Овцы, козы, шерстяное дело. 2014. №4. С. 34-37.
Literatura:
1. Degterev G.P. Mekhanizm ochistki zagryaznennyh po-verhnostej molochnogo oborudovaniya // Molochnaya promyshlennost'. 1999. №7.
2. Zimon A.D. Adgeziya zhidkosti i smachivanie. M., 1974.
3. Tinyakov G.G., Tinyakov V.G. Mikrostruktura moloka i molochnyh produktov. M., 1972. 256 s.
4. Organizaciya proizvodstvennogo kontrolya kachestva moloka-syr'ya / Rodionov G.V. i dr. M., 2009. 156 s.
5. Degterev G.P. Tekhnologii i sredstva mekhanizacii zhi-votnovodstva. M., 2010. 384 s.
6. Obuhov P.A. Obrabotka moloka i uhod za molochnym oborudovaniem. M., 1971. 166 s.
7. Degterev G.P. Mekhanizm obrazovaniya i klassifika-ciya molochnyh zagryaznenij // Molochnaya promyshlennost'. 1999. №6.
8. Himicheskij sostav pishchevyh produktov. M., 1987.
9. Ostrouhov A.I. Povyshenie ehffektivnosti ochistki doi-l'no-molochnogo oborudovaniya shchelochnymi moyush-chimi rastvorami v vode razlichnoj zhestkosti: avtoref. dis. k. t. n. M., 2013. 20 s.
10. Primenenie moyushchih sredstv. M., 1981. 239 s.
11. Simonenko S.V. Fiziko-himicheskie i mikrobiologi-cheskie pokazateli kachestva moloka koz // Doklady RASKHN. 2010. №6. S. 55-57.
12. Degterev G.P., Mashoshina E. V. Mekhanizm obrazovaniya zagryaznenij na doil'nom oborudovanii v kozo-vodstve i moyushchie sredstva dlya ih udaleniya // Ovcy, kozy, sherstyanoe delo. 2014. №4. S. 34-37.
THE FEATURES OF THE MECHANISM OF MILKING EQUIPMENT'S INTERNAL SURFACES CONTAMINATION'S FORMATION
AND CLEANING ON GOAT FARMS
G.P. Degtjerev, doctor of technical sciences, professor E. V. Mashoshina, senior teacher RGAU-MSHA named after K.A. Timiryazev
Abstract. During machine milking, and the milk contact with the milking equipment's surface, adhesive milk protein-fat particles' Interaction with a working surface is occurred and biofilms' contamination is formed. Their complete removal is essential sanitary-hygiene cleaning's task. Goat milk composition and microstructure are differed from cow one. It has more of protein, fat, calcium, iron, and the fat globules' size is about an order of magnitude less than cow milk fat globules, that leads to more active adsorption communication of contamination with the equipment's surface. Currently goat milking equipment cleaning is produced by detergents used in dairy cattle, that cannot cope with the assigned task and provide quality milk cleaning. Therefore, we've examined the mechanism of milk contamination's formation and removal during machine milking, due to the peculiarities of the goat's milk composition and microstructure. On the known and traditionally used alkaline substances, anti-corrosion additives, surface-active substances (surfactants), complex formation agents and disinfectants' basis, three detergents' compositions were investigated and developed in laboratory and industrial conditions. /Is a result of this researches a composition with better cleaning effect in relation to contamination on the goat milk basis, with good biodegradability and modest detergent foaming was selected and patented. Keywords: dairy goat, goat milk, milking equipment, contaminations, adsorption.
