Спосіб гомогенізації молока і молочних продуктів

Винахід відноситься до способу гомогенізації молока і молочних продуктів і може знайти використання в молочній промисловості для придания молочним продуктам однорідної консистенції і диспергування молочного жиру. Відомий спосіб гомогенізації молока, який здійснюється в потоці при одночасному впливі на нього гідромеханічних коливань (Беззубов А.Д., Гарлинская Е.И., Фридман В.М. Ультразвук и его применение в пищевой промышленности. - М.: Пищ. пром-сть, 1964, 196с.). Недоліком зазначеного способу є невисока ефективність обробки, яка обумовлена нерівномірним впливом на середовище. Відомий спосіб гомогенізації молока і молочних продуктів, який здійснюється в потоці в зоні оброблення з джерелом коливань за допомогою резонансних коливань з певними частотою і амплітудою (Авт. св. СРСР №1709967, кл. A01J11/16, опубл. 07.12.92, Бюл. №5). Недоліком зазначеного способу є відносно невисока ефективність гомогенізації, яка пов'язана з особливостями проведення процесу гомогенізації. Накладання пульсацій на технологічний потік викликає в зоні оброблення (тобто в зоні, що оточує джерело пульсацій), турбулентне перемішування і при певних умовах створює можливість виникнення розривів суцільності середовища, тобто виникнення, дрібних кавітаційних бульбашок. Але при таких умовах збудження кавітації, кавітаційні бульбашки концентруються і схлопуються безпосередньо біля джерел коливань. Як відомо, при схлопуванні бульбашок виникають фізико-механічні умови, які і спричиняють гомогенізуючий вплив на середовище. Таким чином, не весь продукт оброблюється рівномірно, а утворення розривів середовища, виникнення кавітаційних бульбашок в зоні оброблення поблизу джерел коливань і їх схлопування викликає кавітаційно-ерозійне руйнування їх поверхонь. Крім того, інтенсивність кавітаційного впливу, що відбувається при реалізації способу-прототипу, відносно невисока. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу гомогенізації молока і молочних продуктів при якому, шляхом зміни умов його здійснення, забезпечується підвищення ефективності гомогенізації. Поставлена задача вирішується тим, що при способі гомогенізації молока і молочних продуктів в потоці, який здійснюється в зоні оброблення з джерелом коливань, відповідно до винаходу, гомогенізацію здійснюють за джерелом коливань циркуляційно в режимі гідродинамічної кавітації, причому, довжина зони оброблення становить 0,5 - 4 максимальних розмірів джерела, а кратність циркуляції вибирають від 2 до 10. Спосіб гомогенізації молока і молочних продуктів здійснюється таким чином. Середовище оброблюється в потоці в зоні оброблення за джерелом коливань (приєднаною кавітаційною каверною, яка пульсує) в режимі гідродинамічної кавітації. Він характеризується утворенням кавітаційних каверн, які при розпаді утворюють поле кавітаційних бульбашок (т.з. кавітаційне поле), що насичують оброблюване середовище в зоні оброблення і при схлопуванні спричиняють ефективний перемішуючий і диспергуючий вплив на середовище. Інтенсивність впливу можна підбирати таким чином, щоб не завдавати надмірного впливу на оброблюваний продукт, що викликає коагуляцію (з'єднання жирових кульок через руйнування їх ліпідних оболонок), і, в той же час, піддавати середовище гомогенізації у відповідності з технологічними вимогами. Це досягається вибором відносної довжини зони оброблення, яка визначається максимальним розміром джерела гідродинамічної кавітації, а також кратністю циркуляційного оброблення. Циркуляційна схема гідродинамічної кавітаційної гомогенізації дозволяє гарантовано обробити весь об'єм середовища і, в залежності від характеристик середовища і умов здійснення технологічного процесу, визначає необхідну кількість циклів гомогенізації в зоні оброблення. Схлопування кавітаційних бульбашок поблизу границі розподілу фаз "рідина - молочний жир" супроводжується дробленням однієї рідини (молочного жиру) в іншій з утворенням емульсії. Тобто відбувається руйнування границі розподілу суцільних середовищ - її ерозія. Процес кавітаційного диспергування (або гомогенізації) пов'язаний з утворенням кумулятивних мікрострумників. Внаслідок взаємодії ударної хвилі, що утворюється при схлопуванні кавітаційної бульбашки, з бульбашками, які знаходяться на границі розподілу фаз, виникають кумулятивні мікрострумники. Інтенсивне перемішування і гомогенізація пояснюється утворенням мікровихорів і подальшим розпадом кумулятивних мікрострумників. Процес подрібнення рідини обумовлений впливом на неї дотичних напружень, які виникають на границях мікровихорів, а диспергування твердих частинок відбувається внаслідок гідродинамічного проникнення кумулятивного мікрострумника в частинку. Крім ерозійних ударно-хвильових ефектів, які виникають при схлопуванні кавітаційних бульбашок, проявляються і інші фізико-механічні ефекти, що є додатковим фактором інтенсифікації технологічного процесу гомогенізації. Для обробки різних рідких молочних продуктів в залежності від виду технологічного процесу потрібен різний енергетичний вплив. Для подрібнення, наприклад, молочного жиру, особливо при температурах 20 - 30°C потрібна інтенсивна "жорстка" обробка. Менший вплив потрібен для змішування, розчинення, наприклад, сухого молока. Ще менший - при необхідності, наприклад, обробки напівпродукта при виготовленні сиру. Параметрами, які визначають інтенсивність кавітаційної гомогенізації, є відносна довжина зони оброблення і кратність оброблення. Регулюючи кожний з цих параметрів, можна впливати на технологічні результати процесу. Ось чому для обробки різних видів молочних продуктів застосовується відповідна довжина зони оброблення: від 1 при приготуванні суміші для подальшого виробництва сиру, до 2,8 - 3 при гомогенізації молока. Для кожного молочного продукту вона регулюється в залежності від температури процесу оброблення. На ефективну ударно-хвильову активність кавітаційних бульбашок впливають також фізичні характеристики оброблюваного середовища. Наприклад, збільшення в'язкості (обробка вершків) знижує інтенсивність кавітаційного впливу, яка зменшує його ефективність підвищена газомісткість продукту. При таких умовах ефективність здійснення процесу кавітаційної гомогенізації забезпечується підвищенням температури процесу оброблення (ближче до температури пастеризації, коли розплавляються практично всі фракції молочного жиру і відбувається термодеаерація продукту), або збільшенням кратності оброблення продукту. Реалізація способу гомогенізації молока і молочних продуктів пояснюється прикладами його використання, результати яких зведено в таблицю. Гомогенізацію молока проводили циркуляційно в режимі гідродинамічної кавітації. Ефективність оброблення визначали методом відстоювання. Аналіз наведених в таблиці результатів дозволяє виявити певні закономірності ефективності гомогенізації молока і молочних продуктів. Оптимальна кратність оброблення молока жирністю 2,7% становить 2 рази, причому, ефективність гомогенізації майже однакова при температурі 17 - 20°C і 47 - 50°C і відносній довжині зони оброблення 3,0 (відповідно 83,5% і 85,7%). В першому випадку це пояснюється зниженням в'язкості жирових частинок, розм'якшенням їх ліпідних оболонок і розплавленням навіть найбільш важкоплавких фракцій молочного жиру. При цьому утворюється система "рідина - рідина", відбувається часткова термодеаерація продукту, при якій ефективність гідромеханічного впливу кавітації підвищується. З другого боку, інтенсивність кавітаційного впливу підвищується при відносно низьких температурах, які забезпечують знижену пружність водяної пари. При цьому, вплив кавітації відбувається в середовищі, яке містить рідину з розподіленими в останній твердими жировими кульками, тобто в системі "рідина - тверде тіло". В цьому випадку механізм кавітаційного впливу на жирові частки інший, ніж в першому випадку, і забезпечує взбивания продукту за рахунок емульгування молочного жиру через те, що найбільш важкоплавкі фракції молочного жиру піддаються цьому краще за інші фракції. При кратності оброблення 4, ефективність гомогенізації знижується в усіх досліджених діапазонах. При кратності оброблення 10 ефективність гомогенізації знижується також в усіх випадках, що, вірогідно, обумовлюється руйнуванням ліпідних оболонок жирових кульок і їх подальшим укрупненням. Підвищення жирності молока практично не змінює загальних закономірностей оброблення. Так, гідродинамічна кавітаційна гомогенізація вершків жирністю 35,5% при температурі 47 - 50°C забезпечує ефективність гомогенізації при дворазовому обробленні, 86,5% - при чотириразовому і 83,8% - при десятиразовому. Відносна довжина зони оброблення, яка дорівнює 3,0 - найбільш ефективна в усіх дослідженнях. При зменшенні жирності молока до 1% (сировина для знежиреного сиру) оптимальна кратність оброблення знижується до чотирьох. Таким чином, як показують проведені дослідження і наведені в таблиці приклади, використання способу гомогенізації молока і молочних продуктів дозволяє підвищити ефективність оброблення, причому, умови його здійснення визначаються гідродинамічними характеристиками процесу і властивостями продуктів.