Принципиальные подходы к снижению термического воздействия в технологиях производства сухих молочных продуктов

Продолжение. Начало здесь.

Часть 2. Переработка молока на молочном заводе

Очистка молока на молочных заводах

Следующий этап производства молочных продуктов после охлаждения молока на фермах — обработка с целью обеспечения микробиологической чистоты. Речь идет не только о пастеризации и стерилизации. Эти процессы подробно исследованы, описаны в многочисленных фундаментальных трудах и закреплены в технологических инструкциях. Задача настоящих исследований показать, что существует ряд технологических приемов и правил, позволяющих, используя минимально допустимые режимы тепловой обработки (температуру и время выдержки), — обеспечить сохранность компонентов молока в натуральном состоянии после всего цикла производства сухих консервов.

Применительно к молочному производству — есть современные нетермические способы снижения бактериальной обсемененности молока — это бактофугирование и микрофильтрация. В отличие от пастеризации, они не оказывают видимого воздействия на белковую фазу молока.

В ходе исследований проведена оценка эффективности нетепловых методов снижения бактериальной обсемененности молока-сырья. Бактофугирование чаще всего используется в сыроделии для очистки молока от спорообразующих микроорганизмов.

Для осаждения микроорганизмов необходима более высокая частота вращения, чем в сепараторахмолокоочистителях; центробежное ускорение при этом составляет 7000–9000 g. Бактерии удаляются
в виде суспензии, сконцентрированной в осадке. Объем суспензии (бактофугата) — от 1 до 4 % обрабатываемого
молока. Эффективность бактоотделения выражают в процентах количества бактерий (или спор), удаляемых вместе со шламом в процессе центрифугирования, от первоначального их количества в молоке.

Эффективность бактофугирования в отношении микроорганизмов в производственных условиях сложно отделить от эффективности тепловой обработки.

Это объясняется тем, что процесс центрифугирования происходит при высоких температурах. Однако в связи с тем, что споры практически не инактивируются при пастеризации, оценку проводили по количеству спорообразующих микроорганизмов. При оценке результатов считали, что эффект снижения количества спор после центробежной обработки обеспечен в значительной мере именно за счет бактофугирования. Степень удаления спор также зависит от температуры бактофугирования.

По данным [1–6], в диапазоне температур от 60 до 75 °С эффективность удаления спор составляет 95,8–97,0 % и достигает 99,7 % при температуре 80 °С.

Микрофильтрация представляет собой процесс концентрирования высокомолекулярных соединений и посторонних частиц, а также бактерий с последующим их удалением, которое проходит при пропускании молочного сырья
сквозь полупроницаемые мембраны.

Для проведения процесса микрофильтрации применяют керамические мембраны с порами размерами 0,2–1,4 мкм. При микрофильтрации цельного молока удаляется одновременно и большая часть жира, при этом мембраны
с размерами пор 0,2 мкм удаляют 99,9 % жировых частиц, а мембраны с размерами пор 1,4 мкм — 90–98 % жира.

Содержание бактерий в молоке, профильтрованном через мембраны, снижается на два порядка без заметной задержки протеинов.

Микрофильтрация обезжиренного молока протекает при значительно большей скорости по сравнению с аналогичным процессом для цельного молока. При этом в концентрат уходит 3–7 % от обрабатываемого молока. Этот ретентат, содержащий концентрат бактерий, после жесткой термической обработки может быть использован для производства технических или кормовых продуктов.

Микрофильтрация также применяется в технологии переработки сыворотки. При этом удаляются бактерии, фосфолипиды и остатки мицелл казеина. Этот процесс позволяет увеличить скорость потока при последующей ультрафильтрации и получить сывороточно-протеиновый концентрат более высокого качества.

С целью оценки эффективности нетепловых методов снижения бактериальной обсемененности проведены исследования исходного молока-сырья и молочного сырья после бактофугирования и микрофильтрации (табл. 1, 2).

Анализ полученных результатов показывает, что для снижения количества микроорганизмов, главным образом спорообразующих, обладающих повышенной термостойкостью, подтверждена эффективность бактофугирования и
микрофильтрации. Процессы обеспечивают уменьшение КМАФАнМ в 4–10 раз, дрожжей — в 2–10 раз, плесеней — до 10 раз; в 100–10  000 раз КМАФАнМ, споры, дрожжи и плесени практически полностью удаляются из продукта.

Концентрирование и сгущение

Предваряя наши дальнейшие рассуждения, хотелось бы отметить, что определения понятий «концентрирование» и «сгущение», представленные в действующем ТР ТС 033/2013, крайне неудачные и приводят к значительным,
на мой взгляд, совершенно необоснованным сложностям при классификации молочных продуктов.

В качестве определения продукта процесса концентрирования в молочном производстве можно было бы использовать следующее: концентрат — жидкий продукт с измененным по отношению к нативному состоянию содержанием сухих веществ, достигнутым путем удаления воды (в отдельных случаях с растворенными в ней низкомолекулярными компонентами).

При концентрировании не только увеличивается содержание сухих веществ в продукте, но возможно также изменение соотношения компонентов сухих веществ. Пример концентрирования с изменением соотношения компонентного состава: концентрат молочного белка, концентрат сывороточного белка, сыворотка нанофильтрованная и др. Тогда сгущение — это частный случай концентрирования, при котором изменение соотношения сухих веществ продукта не наступает. Пример сгущения в молочном производстве: обратноосмотическая обработка, выпарка на вакуум-выпарной установке.

В процессе сгущения и сушки молока увеличиваются молекулярная масса и средний диаметр казеиновых частиц, то есть снижается дисперсность казеина. Это происходит как за счет агрегации частиц, так и за счет частичного
осаждения на мицеллы казеина сывороточных белков. Заметное увеличение молекулярной массы частиц казеина начинается лишь при сгущении молочной смеси до содержания сухих веществ более 25 %. Так, при 30%-ной концентрации сухих веществ молекулярная масса частиц увеличивается более чем в 4 раза, а при концентрации
42 % — в 7 раз.

По данным Н. С. Панасенкова и других, при повышении концентрации сухих веществ в сгущенном молоке с 27,5 до 59,5 % размер белковых частиц увеличивается с 155,0 до 306,4 нм, в сухом восстановленном— с 184,5 до 328,2 нм, то есть по сравнению с исходным молоком дисперсность частиц после сгущения и сушки в среднем уменьшается в 2,3 и 2,5 раза. В сгущенном молоке содержатся агрегаты казеиновых мицелл неправильной формы, соединенные в виде цепочек; сухое восстановленное молоко содержит агрегаты разнообразной формы, состоящие из большого количества белковых частиц и их фрагментов.

Во время сгущения молока происходят денатурация сывороточных белков и взаимодействие казеиновых мицелл с солями кальция, приводящие к образованию структурированной (конденсационной) системы. Длительное нагревание вызывает изменение заряда и степени гидратации белковых молекул, а также освобождение на их
поверхности активных участков, способных к взаимодействию.

Снижению заряда и дегидратации казеиновых мицелл также способствуют уменьшение рН молока и увеличение концентрации солей кальция в процессе сгущения. Так, по данным Ю. А. Заварина и Л. В. Чекулаевой, рН молока уменьшается с 6,6 до 6,3 и далее до 6,06 в готовом продукте. Как известно, ионы кальция ускоряют агрегирование
казеиновых мицелл за счет снижения их заряда и образования межмолекулярных связей. Концентрация ионов кальция во время сгущения молока повышается, и ее увеличение идет пропорционально увеличению общего количества сухих веществ.

Рассмотрим методы снижения температурного воздействия при концентрировании перед сушкой. Безусловно, следует обратить внимание на наметившуюся тенденцию применения обратного осмоса в качестве предварительной стадии сгущения молока — как обезжиренного, так и цельного.

Необходимо четко понимать, что это временная мера, пока на заводах эксплуатируются малоэффективные,
энергозатратные вакуум-выпарные аппараты циркуляционного типа. В общем случае применение обратного осмоса
для концентрирования молока не обосновано. Неправильная конструкция мембранных установок, необоснованно выбранные режимы работы могут безнадежно испортить продукт и дискредитировать процесс. При этом следует
четко просчитывать, с какими параметрами необходимо получить продукт и куда его можно экспортировать,
так как при сгущении происходят значимые структурные изменения белковой части молока.

Целесообразно еще на стадии проработки проекта обратиться к специалистам, имеющим опыт эксплуатации таких установок. Если рассматривать технологически обоснованные пределы применимости мембранных технологий
в качестве вспомогательной операции для предварительного концентрирования перед основным сгущением на вакуум-выпарном аппарате, то в настоящее время граница находится на уровне 5–7 % сухих веществ, характерном для сыворотки. Если в вашем продукте содержание сухих веществ меньше, то применение мембранных технологий окупается, если нет — необходима дополнительная проработка вопроса.

С другой стороны, те производители, кто эксплуатирует нанофильтрацию для сгущения сыворотки, почувствовали, что этот процесс не только позволяет сконцентрировать продукт в 3,5–4 раза быстрее, но и за счет частичного
удаления моновалентных ионов значительно уменьшить его гигроскопичность при сушке. Сыворотка сушится гораздо лучше даже без кристаллизации и глубокой деминерализации. Кроме того, качественный процесс дает воду, которую легко доработать и вернуть в производство. Развитие мембранных процессов достигло высокого
уровня, и они являются важной составляющей технологии концентрирования молочного сырья.

Проведение технического аудита молочных предприятий позволило накопить большой опыт технического анализа применяемого оборудования и, скажем честно, при выпуске сухих молочных продуктов используются вакуум-выпарные аппараты 30–50-летней давности, в лучшем случае — их возраст до 20 лет. И лишь единичные предприятия работают на современном оборудовании — однопроходных аппаратах с падающей пленкой. Как результат — затраты топливно-энергетических ресурсов на сгущение недопустимо высокие.

Анализ показывает, что стоимость нового вакуум-выпарного аппарата мощностью испаренной влаги 8–10 т/ч составляет 1,2–1,5–2,0 млн долларов. Окупаемость по энергетической экономии происходит за три-пять лет для условий Республики Беларусь.

Кроме того, стоит обратить внимание на временной разрыв между сгущением продукта и направлением его на сушку. Очень важно закрыть вопрос по времени «жизни» промежуточного молочного продукта («сгущенки») перед сушкой, особенно при относительно высоких температурах хранения.

При достижении высокой концентрации сухих веществ в продукте происходят сложнейшие биохимические и химические процессы синтеза высокомолекулярных соединений: образуются гели, уплотняется структура, повышается вязкость.

Хранение в нагретом состоянии (да и в охлажденном тоже) сгущенного продукта в течение 1–3 часов после сгущения приводит к значительному усложнению процесса распылительной сушки. При распыле образуются крупные капли, которые медленнее сохнут, сильнее прогреваются, в результате страдает качество конечного продукта.

Рассмотрев процесс сгущения, следует отметить, что современное оборудование в нормальном режиме эксплуатации позволяет гарантированно получать продукцию с низкой температурной нагрузкой.

Но иногда потребителю нужен продукт с повышенным температурным воздействием, например, для кондитерской промышленности. В этом случае перед вакуум-выпарным аппаратом устанавливается специальный теплообменник, который позволяет не только нагреть молоко до нужной температуры, но и точно задать необходимое время
выдержки.

Сушка молока

Как было отмечено выше, собственно распылительная сушка практически не влияет на класс термообработки сухих молочных продуктов. Вместе с тем в настоящее время происходит техническое перевооружение сушильных
производств. И, выбирая направления модернизации/закупки нового оборудования, необходимо четко понимать долгосрочные перспективы работы предприятия.

Обоснованно закладывать возможность последующего технического развития производства. Как показал опыт работы, сушильная башня до капительного ремонта может служить и 50 лет, поэтому выбор ее конструкции, которая определяет возможность ее работы с определенной группой продуктов, — нетривиальная задача. Первое,
что подлежит выбору, — это тип распылителя. Он определяется потенциальной номенклатурой производимой продукции и, в свою очередь, влияет на конструкцию башни. Затем следует определиться с необходимостью встроенного кипящего слоя, наличие которого в современных сушильных установках далеко не столь очевидно необходимая «фича».

А вот внешний инстантайзер при грамотной настройке и эксплуатации серьезно может расширить производственные возможности оборудования.

В ходе исследований был проведен мониторинг показателей качества образцов сухих молочных продуктов (СОМ, СЦМ), производимых в Республике Беларусь, с учетом класса термообработки.

Анализ показал, что из восьми образцов сухого обезжиренного молока и семи образцов сухого молока только один образец имел класс низкотемпературной обработки, один — класс высокотемпературной обработки, остальные
образцы — класс умеренной высокотемпературной обработки. На текущий момент аппаратное обеспечение технологических процессов производства сухих молочных продуктов в Республике Беларусь позволяет изготавливать продукцию с умеренным и высоким термическими воздействиями на продукт.

Получение продукта с низким температурным воздействием тоже возможно, но для этого необходимо знать особенности работы собственного оборудования, понимать биохимию происходящих процессов и соблюдать высокую технологическую культуру производства на каждом этапе изготовления сухих продуктов. Адаптация
и внедрение технологий, позволяющих получать молоко низкотемпературной обработки, является важной задачей текущего периода.

Совокупность технологических принципов, которые объединяет название low-heat-технология, — это концепция развития технологий и техники по всему технологическому процессу производства сухих молочных продуктов, которая позволит гарантированно получать продукцию высокого качества. А с нею можно уже конкурировать
на мировом рынке с коллегами из Новой Зеландии и Европы.

Источник: ПРОДУКТ.BY