CC BY
0
Международная научно-практическая конференция , t „Молоко 2050: наукоемкие РЕШЕНИЯ
Научная статья УДК 637.1
DOI: 10.52653/РР1.2022.3.3.007
Влияние условий сушки на некоторые функциональные свойства сухих молочных продуктов
Павел Владимирович кузнецов1, Валентина Тихоновна Габриелова2
2ВНИИ молочной промышленности, Москва, p_kuznetsov@vnimi.org
Аннотация. Рассмотрены вопросы интенсификации процесса распылительной сушки и одновременного улучшения качества вырабатываемых сухих молочных продуктов путем использования двухстадийного метода. Выявлена зависимость влажности циклонной фракции от влажности камерной фракции высушенного продукта, на основании чего показана возможность ведения процесса сушки в две стадии без угрозы забивания циклонных отделителей. Осуществление процесса в две стадии приводит к снижению свободного жира в частицах высушиваемого продукта. Получено выражение для расчета данного показателя (для диапазона изменения влажности камерной фракции 3-8 %). Предложена расчетная формула, позволяющая произвести оценку относительной покрытой жировой фазой поверхности частиц сухого продукта, в зависимости от массовой доли в нем жира, полученная в предположении, что распределение жировой фазы в объеме и на поверхности частиц подчиняется вероятностному закону. Формула справедлива для свежевыработанного продукта. В процессе хранения происходит перераспределение жировой фракции как в объеме частиц, так и на их поверхности, что приводит к изменению доли свободного жира на поверхности частиц в сторону увеличения и, следовательно, к ухудшению восстановительных свойств продукта. Кроме того, экспериментально показано, что увеличение количества жировой фазы на поверхности частиц приводит также к ухудшению сыпучести продукта, о чем свидетельствует изменение тангенса угла естественного откоса при увеличении влажности камерной фракции до 6 %. Дальнейшее повышение влажности камерной фракции не приводит к существенному изменению этого показателя. Ухудшение гидрофильных свойств сухого продукта распылительной сушки в процессе хранения объясняется в основном перераспределением жировой фазы на поверхности частиц.
Ключевые слова: процесс распылительной сушки, сухие молочные продукты, циклонная фракция, камерная фракция, свободный жир, восстановительные свойства, сыпучесть, тангенс угла естественного откоса
Для цитирования: Кузнецов П. В., Габриелова В. Т. Влияние условий сушки на некоторые функциональные свойства сухих молочных продуктов // Пищевая промышленность. 2022. № 3. С. 28-31.
Original article
The influence of drying conditions on some functional properties of dry milk products
Pаvel V. Kuznetsov1, Valentina T. Gabrielova2
'' 2All-Russian Dairy Research Institute, Moscow, p_kuznetsov@vnimi.org
Abstract. The issues of intensification of the spray drying process and the simultaneous improvement of the quality of the produced dry milk products by using a two-stage method are considered. The dependence of the moisture content of the cyclone fraction on the moisture content of the chamber fraction of the dried product was revealed, on the basis of which the possibility of conducting the drying process in two stages without the threat of clogging of the cyclone separators was shown. Carrying out the process in two stages leads to a decrease in free fat in the particles of the dried product. An expression is obtained for calculating this indicator (for the range of variation in the humidity of the chamber fraction of 3-8 %). A calculation formula has been proposed that makes it possible to assess the relative surface of the dry product particles covered with the fat phase, depending on the mass fraction of fat in it, obtained on the assumption that the distribution of the fat phase in the volume and on the surface of the particles obeys a probability law. The formula is correct for a freshly developed product. During storage, a redistribution of the fat fraction occurs both in the volume of particles and on their surface, which leads to a change in the proportion of free fat on the surface of the particles in the direction of its increase and, consequently, to a deterioration in the restorative properties of the product. In addition, it has been experimentally shown that an increase in the amount of the fat phase on the surface of the particles also leads to a deterioration in the flowability of the product, as evidenced by the change in the tangent of the angle of repose with an increase in the humidity of the chamber fraction to 6 %. A further increase in the humidity of the chamber fraction does not lead to a significant change in this indicator. The deterioration of the hydrophilic properties of the spray-dried dry product during storage is mainly due to the redistribution of the fat phase on the surface of the particles.
Keywords: spray drying process, dry milk products, cyclonic fraction, chamber fraction, free fat, reducing properties, flowability, tangent of repose
For citation: Kuznetsov P. V., Gabrielova V. T. The influence of drying conditions on some functional properties of dry milk products // Food processing industry. 2022;(3):28-31 (In Russ.).
Автор, ответственный за переписку: Павел Владимирович Кузнецов, p_kuznetsov@vnimi.org Corresponding author: Pаvel V. Kuznetsov, p_kuznetsov@vnimi.org
© Кузнецов П. В., Габриелова В. Т., 2022 28 3/2022 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
AND TECHNOLOGY
Введение. Процесс обезвоживания жидких продуктов характеризуется, как правило, значительным расходом энергии, а также существенным тепловым и механическим воздействием на продукты. С последним связано ухудшение ряда показателей, характеризующих качество конечного сухого продукта. В наибольшей степени указанное выше относится к процессу распылительной сушки. Стремление интенсифицировать данный процесс и одновременно улучшить качество вырабатываемых сухих молочных продуктов привело к созданию комбинированных двухстадийных сушильных установок, характерной особенностью которых является разделение процесса сушки на две стадии [1, 2, 3, 4, 5]. На первой стадии - распылительная сушка в сушильной камере до влажности продукта несколько выше стандартной и на второй стадии - досушка продукта до стандартной влажности в псевдоожиженном слое, например, в конвективном вибрационном аппарате [2, 6].
Цель исследования. Настоящая работа посвящена изучению влияния режимов двухстадийной сушки на свойства готового продукта.
объекты и методы исследования.
Объектами исследования являлись сухое молоко, двухстадийные сушильные установки, влияние режимов обезвоживания на свойства сухого продукта. Исследования проводили на дисковой распылительной сушильной установке, снабженной конвективным вибрационным аппаратом для досушки продукта, а также системой циклонной очистки отработанного воздуха. Режим процесса обезвоживания варьировали либо путем изменения температуры горячего воздуха, либо путем изменения расхода подаваемого на сушку продукта. в ходе опытных сушек режимные параметры установок регистрировали по штатным приборам сушилок, массовую долю влаги и массовую долю жира в сухих продуктах определяли по ГОСТ 29247-91, массовую долю свободного жира - по ГОСТ Р 55332-2012, массовую долю сухих веществ в продуктах, направляемых на сушку, -рефрактометром типа РПЛ, угол естественного откоса - путем непосредственного измерения угла между горизонтальной плоскостью и образующей горки свободно высыпавшейся из воронки с выходным отверстием диаметром 20 мм навески порошка (50 г) измеряемого продукта.
результаты и их обсуждение. В целом процесс обезвоживания жидких продуктов характеризуется на различных стадиях рядом параметров, основными из которых являются температурные факторы, массовая доля сухих веществ в начале и в конце конкретной стадии, режимы рас-пыливания и др. [4, 5, 7, 8]
Эти параметры во многом определяют качественные показатели готовых продуктов, в частности их способность к восстановлению. Следует также отметить, что данное обстоятельство оказывает существенное влияние на экономичность процесса в целом, что, в свою очередь, является решающим фактором при выборе сушильного оборудования [2, 9, 10, 11, 12, 13].
В процессе распылительной сушки в отработанном воздухе содержится значительное количество захваченных им мелких частиц, так называемая циклонная фракция, частицы которой после отделения в циклонах или фильтрах смешиваются, как правило, с основным продуктом. В результате этого свойства готового продукта определенным образом изменяются.
В этой связи представлялось необходимым провести исследования зависимости влажности циклонной фракции от значения аналогичного показателя камерной фракции. Данная зависимость приведена на рис. 1.
Из графика следует, что в исследуемом диапазоне изменения влажности камерной фракции от 3 до 7 % влажность циклонной фракции увеличивается приблизительно на 2 %. Это позволяет при ведении процесса сушки поддерживать влажность камерной фракции вплоть до 7 %, то есть ведение процесса в две стадии, без угрозы забивания циклонных отделителей.
Ранее проведенные исследования свидетельствуют, что изменение свойств готового сухого продукта можно рассматривать только в зависимости от влажности частиц после первой стадии сушки, то есть влажности камерной фракции продукта. На рис. 2 представлены зависимости массовой доли свободного жира (СЖ) от влажности камерной фракции, полученные в результате опытных сушек на распылительной сушильной установке.
Данные, приведенные на рис. 2, свидетельствуют, что сушка продукта при повышенной влажности камерной фракции, то есть осуществление процесса в две стадии, приводит к снижению в его части-
6.5
3 4 5 6 7
Влажность камерной фракции, %
Рис. 1. Зависимость влажности циклонной фракции от влажности продукта на выходе из сушильной камеры
Влажность камерной фракции, %
Рис. 2. Зависимость массовой доли свободного жира от влажности камерной фракции: 1 - готовый продукт, 2 - циклонная фракция
Молоко 2050: наукоемкие решения
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
цах свободного жира. При этом характер этих изменений аналогичен. Это свидетельствует о том, что основные изменения содержания свободного жира происходят вслед за изменениями данного показателя в частицах циклонной фракции продукта, что связано с длительным воздействием на эти частицы температурных и механических факторов.
Обработка полученных результатов позволила выявить следующую взаимосвязь между массовой долей свободного жира в готовом продукте и влажностью камерной фракции (для диапазона изменения влажности камерной фракции 3-8 %):
СЖ =
0,99 - С с
(1)
— F
F— ж =
ж- ~~ _ 1
(2)
у -ä±L
' Ж '
Рж М -
V =
r Dfat
Р
м, ж м.
(3)
(4)
(5)
F„ = Ж ■
Рж
(8)
где СЖ - массовая доля свободного жира в готовом продукте, %; ССГ - массовая доля сухих веществ в продукте, поступающем на сушку, доли; - влажность камерной фракции продукта, %.
Выражение (1) получено с учетом того, что минимально возможная влажность готового продукта соответствует массовой доле не удаляемой при данном способе сушки влаги (около 1%), а максимально возможная массовая доля свободного жира в продукте равна 100 %, то есть весь жир в частицах сухого продукта дестабилизирован и доступен для проникновения к нему жирорастворителя.
Способность сухих продуктов распылительной сушки к восстановлению во многом определяется гидрофильными свойствами поверхности частиц. Наибольшее влияние на гидрофильные свойства сухого продукта оказывает наличие на поверхности частиц жировой фазы. Для оценки относительной покрытой жировой фазой поверхности частиц сухого продукта, в зависимости от массовой доли в нем жира, будем считать, что распределение жировой фазы в объеме и на поверхности частиц подчиняется вероятностному закону, то есть в любом объеме частицы содержится пропорциональный ему объем жировой фазы.
Тогда относительную покрытую жировой фазой поверхность частиц можно представить в виде следующего соотношения:
где МЖ - масса жировой фазы в частицах, кг; Мобщ - полная масса частиц, кг; Ж - массовая доля жира в частицах, доли; рт - плотность жировой фазы, кг/м3; р' ~ теоретическая плотность частиц, кг/м3.
На основании выражений (2-5) получаем:
(6)
Плотность составляющих продукт частиц без учета включенного воздуха, так называемую теоретическую плотность, можно определить на основании соотношения составляющих их компонентов, используя следующее выражение:
где р ~ теоретическая плотность частиц, кг/м3; р. - истинная плотность г-компонента продукта, кг/м3; с. - массовая доля г -компонента продукта, доли; рОБ - плотность обезжиренной фазы, кг/м3.
окончательно для расчета относительной покрытой жировой фазой поверхности частиц получаем следующее выражение:
Формула (8) справедлива для свеже-выработанного продукта. В процессе хранения происходит перераспределение жировой фракции как в объеме частиц, так и на их поверхности, что приводит к изменению доли свободного жира на поверхности частиц в сторону ее увеличения и, следовательно, к ухудшению восстановительных свойств продукта. Кроме того, увеличение количества жировой фазы на поверхности частиц приводит к ухудшению сыпучести продукта. Последний показатель можно характеризовать величиной угла естественного откоса. На рис. 3 представлена зависимость тангенса угла естественного откоса от влажности камерной фракции, полученная в результате опытных сушек на распылительной сушильной установке.
Из приведенного на рис. 3 графика видно, что повышение влажности продукта, выгружаемого из сушильной камеры, до 5-6 % приводит к улучшению сыпучести готового продукта, о чем свидетельствует уменьшение угла естественного откоса. Дальнейшее повышение влажности камерной фракции - свыше 6 % - существенного влияния на сыпучесть готового продукта не оказывает.
Заключение. Проведенными исследованиями установлено, что влияние режимов обезвоживания на свойства сухого продукта и их прогнозирование целесообразно оценивать по влажности камерной фракции. Повышение влажности камерной фракции до 6-7 %, то есть применение двухстадийного процесса на этапе сушки, приводит к улучшению каче-
где -доля поверхности частиц, покрытая жировой фазой, доли; ~ поверхность частиц, покрытаяжировой фазой, м2; Робщ - полная поверхность частиц, м2; УЖ - объем жировой фазы в частицах, м3; V „ - полный объем частиц, м3.
общ
Величины в формуле (2) определяются следующими выражениями:
30
3/2022 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
МОЛОКО 2050: НАУКОЕМКИЕ РЕШЕНИЯ^
_BHI
AND TECHNOLOGY
ственных показателей готового продукта: увеличивается его сыпучесть, уменьшается массовая доля свободного жира. Дальнейшее же повышение влажности не приводит к существенному изменению этих показателей. Получено выражение для оценки взаимосвязи между массовой долей свободного жира в готовом продукте и влажностью камерной фракции (для диапазона изменения влажности камерной фракции 3-8 %), а также формула для расчета покрытой жировой фазой поверхности частиц свежевыработанного сухого продукта. Показано, что ухудшение гидрофильных свойств сухого продукта распылительной сушки в процессе хранения объясняется в основном перераспределением жировой фазы на поверхности частиц. Ее наличие на поверхности приводит к ускоренной окислительной порче жира под воздействием кислорода воздуха.
Список источников
1. Kharitonov V. D., Burlev M. Ya., Kuznetsov P. V., Mertinc P. Some Reculiazities related to formation of Dried Milk Products properties // Food and Raw Materials. 2017. Vol. 5. No. 2. P. 161-167.
2. Харитонов В. Д. Двухстадийная сушка молочных продуктов. Москва: Агропромиз-дат, 1986. 215 с.
3. Masters K. Spray Drying. Handbook. New York: Halstead Press, 1985. 696 p.
4. Долинский А. А., Малецкая К. Д. Распылительная сушка. Технологии и оборудование для получения порошковых материалов. Киев: Академпериодика, 2015. Т. 2. 390 с.
5. Радаева И. А., Илларионова Е. Е., Туровская С. Н., Рябова А. Е., Галстян А. Г. Принципы обеспечения качества отечественного сухого молока // Пищевая промышленность. 2019. № 9. С. 54-57. DOI: 10.24411/02352486-2019-10145
6. Галстян А. Г., Петров А. Н., Радаева И. А., Туровская С. Н., Червецов В. В., Илларионова Е. Е., Семипятный В. К. Теория и практика молочно-консервного производства. М.: ИД «Федотов Д. А.», 2016. 181 с. ISBN: 978-59908238-7-7.
7. Куцакова В. Е., Бурыкин А. И., Макеева И. А. Современное оборудование для сушки мо-
лочных продуктов. М.: АгроНИИТЭИММП, 1988. С. 52.
8. Хомяков А. П. Процессы и аппаратурное оформление производств для получения порошкообразных химических веществ: 05.17.08 «Процессы и аппараты химической технологии»; автореферат диссертации на степень д-ра техн. наук / Хомяков Анатолий Павлович. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет, 2007. 49 с.
9. Кузнецов П. В., Габриелова В. Т., Мертин П. О выборе оборудования для сушки молока и сыворотки // Молочная промышленность. 2015. № 3. С. 34-37.
10. Гнездилова А. И. Процессы и аппараты пищевых производств. 2-е издание. М.: Юрайт, 2018. 270 с.
11. Сажин Б. С., Сажин Б. В., Сажин М. Б. Активность гидродинамического режима как фактор повышения эффективности процесса сушки во взвешенном слое // Успехи в химии и химической технологии. 2008. № 6. С. 111-119.
12. Halavach T. M., Savchuk E. S., Bobovich A. S., et al. Antimutagenic and antibacterial activity of p cyclodextrin clathrates with extensive hydrolysates of colostrum and whey // Biointerface Research in Applied Chemistry. 2021. Vol. 11. No. 2. P. 8626-8638. https:// doi.org/10.33263/BRIAC112.86268638.
13. Гурова Н. В. Физико-химические принципы технологии жидких белоксодержащих эмульсионных продуктов для специализированного питания; дис. ... на степень д-ра техн. наук / Гурова Наталья Викторовна. М., 2003. 341 с.
References
1. Kharitonov V. D., Burlev M. Ya., Kuznetsov P. V., Mertin P. Some Reculiazities related to formation of Dried Milk Products. Produkti pi-taniya u sir'yo = Food and Raw Materials. 2017;5(2):161-167.
2. Kharitonov V. D. Two-stage drying of dairy products. Moscow: Agropromizdat, 1986. P. 215 (In Russ.).
3. Masters K. Spray Drying. Handbook. New York: Halstead Press, 1985. P. 696.
4. Dolinskij A. A., Maleckaja K. D. Spray drying. Technologies and equipment for obtai-
ning powder materials. Kiev: Academperiodika, 2015. Vol. 2. P. 390 (In Russ.).
5. Radaeva I. A., IUarionova E. E., Turo-vskaja S. N., Rjabova A. E., Galstjan A. G. Principles of quality assurance of domestic milk powder. Pischevaja promyshlennost' = Food industry. 2019;(9):54-57 (In Russ.). DOI: 10.24411/0235-2486-2019-10145
6. Galstjan A. G., Petrov A. N., Radaeva I. A., Turovskaja S. N., Tschervecov V. V., IUarionova E. E., Semipjatnij V. K. Theory and practice of dairy and canning production. Moscow: Publishing house «Fedotov D. A.», 2016. P. 181 (In Russ.). ISBN: 978-5-9908238-7-7.
7. Kutsakova B. E., Burykin A. I., Makeeva I. A. Modern equipment for drying dairy products. Moscow: AgroNIITEIMMP, 1988. P. 52 (In Russ.).
8. Khomyakov A. P. Processes and hardware design of production facilities for the production of powdered chemicals: 05.17.08. «Processes and devices of chemical technology». Dissertation Abstract of Doctor of Technical Sciences. Ekaterinburg: Ural State Technical University, 2007. P. 49 (In Russ.).
9. Kuznetsov P. V., Gabrielova V. T., Mertin P. About the choice of equipment for drying milk and whey. Molotschnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2015;(3):34-37 (In Russ.).
10. Gnezdilova A. I. Processes and devices of food production. Moscow: Yurajt, 2018. P. 270 (In Russ.).
11. Sazhin B. S., Sazhin B. V., Sazhin M. B. The activity of the hydrodynamic regime as a factor of increasing the efficiency of the drying process in the suspended layer. Us-pehi himii v himitscheskoj tehnologii = Advances in chemistry and chemical technology. 2008;(6):111-119 (In Russ.).
12. Halavach T. M., Savchuk E. S., Bobo-vich A. S., et al. Antimutagenic and antibacterial activity of p cyclodextrin clathrates with extensive hydrolysates of colostrum and whey. Biointerface Research in Applied Chemistry. 2021;11(2):8626-8638. https://doi. org/10.33263/BRIAC112.86268638.
13. Gurova N. V. Physical and chemical principles of technology of liquid protein-containing emulsion products for specialized nutrition: 05.18.04; thesis of Doctor of Technical Sciences. Moscow, 2003. P. 341 (In Russ.).
Информация об авторах
Кузнецов Павел Владимирович, канд. техн. наук, Габриелова Валентина Тихоновна
ВНИИ молочной промышленности, 115093, Москва, ул. Люсиновская, д. 35, к. 7, p_kuznetsov@vnimi.org, v_gabrieLova@vnimi.org
Information about the authors
Pavel V. Kuznetsov, Candidate of Technical Sciences, Valentina T. Gabrielova
All-Russian Dairy Research Institute, 35, bld. 7, Lusinovskaya str., Moscow, 115093, p_kuznetsov@vnimi.org, v_gabrielova@vnimi.org
Статья поступила в редакцию 19.01.2022; одобрена после рецензирования 23.01.2022; принята к публикации 25.01.2022. The article was submitted 19.01.2022; approved after reviewing 23.01.2022; accepted for publication 25.01.2022.
