Как и в большинстве отраслей пищевой промышленности, так и в большинстве государств экономика придает большое значение потреблению молока как в цельном, так и в концентрированном и сухом виде. Концентрированные и сухие молочные консервы удобны для транспортировки, занимают меньше места, легче и пригодны в пищу в течение более длительного промежутка времени по сравнению с цельным молоком и могут запасаться впрок. Они обладают рядом функциональных свойств, которые делают их особенно полезными, в частности, при использовании в качестве обезжиренного сухого молока, при приготовлении сухих смесей в кондитерской промышленности. Концентрированные источники сухой части молока требуются при приготовлении ряда продуктов, которые в дальнейшем можно разбавить менее концентрированными формами молока.
При производстве молочных консервов обязательно требуется удалить из молока воду, что является достаточно простой операцией. Однако сложная природа исходного сырья, его отношение к высоким температурам, способность подвергаться различным химическим и физическим превращениям открывает широкие перспективы в изучении этих вопросов учеными.
Необходимо иметь четкое представление о терминологии, применяемой при производстве сухих и сгущенных молочных продуктов. Продукты, описанные в данном разделе, являются концентрированными, то есть содержат больше сухих веществ по сравнению с исходным молоком и другими жидкими продуктами. Общее название «сгущенное молоко» подразумевает продукт, из которого удаляется определенное количество воды, и содержание молочного жира составляет по крайней мере 7,5%, а СОМО по крайней мере - 25,5%. Сгущенное молоко пастеризуется, но не стерилизуется для предотвращения порчи. Оно хранится охлажденным, как пастеризованное молоко, но для этого требуется гораздо меньше места и затрачивается меньше средств на его транспортировку и реализацию. Большая часть сгущенного молока, вырабатываемого в США, производится из цельного молока и используется как ингредиент для производства других продуктов.
Сгущение - это процесс, при котором происходит удаление воды из исходного сырья. Однако общее название «сгущенное» относится и к сладким видам концентрированного молока. Сахар является ингредиентом, который используется в качестве консервирующего вещества вследствие создаваемого им высокого осмотического давления; при этом увеличивается срок хранения его при комнатной температуре.
Выпаривание есть процесс, при котором вода превращается в пар и удаляется из молока и молочных продуктов. При этом концентрация сухих веществ в молочных продуктах повышается. Название «сгущенное стерилизованное молоко» применяется для продукта, полученного из гомогенизированного молока путем его концентрирования при нагревании в вакууме. Такое молоко содержит не менее 25,5% СОМО и 7,5% молочного жира. Молоко стерилизуется в банках или перед расфасовкой в асептических условиях. Витамин D добавляется в таком количестве, чтобы 28,375 г продукта содержали 25 ИЕ (максимум при хорошо налаженном производстве). Витамин А добавляется из расчета 125 ИЕ на 28,375 г продукта. Высокотемпературная обработка сгущенного молока, кроме стерильности, придает ему привкус слегка пригоревшего молока, коричневатый оттенок, а при длительном нагревании на водяной бане оно густеет. При ультравысокотемпературной обработке и асептической расфасовке сгущенного молока в банки привкус и запах карамели менее выражены; оттенок продукта светлее. Высококачественное сгущенное молоко может храниться при комнатной температуре в течение нескольких месяцев без порчи.
Сухие молочные продукты обычно при хранении портятся в меньшей степени, чем сгущенное молоко. Однако те из них, в которых содержатся значительные количества молочного жира, постепенно окисляются, если не было предпринято специальных мер для их защиты. Сухие молочные продукты можно вырабатывать из молока класса А или молока производственной марки, но для выработки сухого молока, которое добавляют при производстве других продуктов, замаркированных классом А, требуется молоко того же класса. Наиболее широко распространены следующие виды сухого молока: сухое обезжиренное молоко, сухое молоко, сухая пахта, сухая сыворотка, сухой; казеин.
Технологические операции получения сгущенного и сухого молока
Во многих отношениях технологические операции получения сгущенного и сухого молока аналогичны, поэтому ниже они будут обсуждаться одновременно.
Стандартизация
Поскольку каждый продукт имеет определенный состав, то нужно ввести стандарты на основные его компоненты. Обычно имеется в виду добавление или удаление части жира. Из сыворотки лактозу, минеральные соли или белок можно избирательно извлекать до или в процессе сгущения. Отношение жира к общему количеству сухих веществ строго контролируется при производстве сгущенного молока. Это отношение должно составлять 1,0:3,4. Разработана специальная технология практически полного извлечения жира из молока или сыворотки перед высушиванием.
Пастеризация и предварительное нагревание сырья
Степень нагревания перед сгущением зависит от типа получаемого продукта и технологического процесса. При пастеризации, назначение которой состоит в уничтожении патогенных бактерий и дезактивации ферментов, продукт нагревают минимально. Для активации бактериальных спор, стабилизации белков при стерилизации и денатурации сывороточных белков требуется дополнительное нагревание. При температуре около 80° С споры прорастают. Проросшие споры в отличие от покоящихся, подвержены разрушающему действию высоких температур в такой же степени, как и вегетативные формы. Это приводит к уменьшению затрат тепла при стерилизации сгущенного молока.
Предварительное нагревание обычно производится перед сгущением и пастеризацией. При производстве сгущенных молочных продуктов время и температура предварительного нагревания могут колебаться от 65 до 140° С в течение нескольких секунд и от 70 до 90° С в течение 30 минут при высокотемпературной стерилизации молока и сгущенного молока с сахаром. Предварительное нагревание до ультравысоких температур при производстве сгущенного молока с сахаром приводит к увеличению вязкости продукта при его хранении. При производстве сгущенного молока предварительное нагревание почти не оказывает влияния на стабилизацию белков.
Предварительное нагревание при выработке сгущенного молока производится при более высокой температуре - около 140°С в течение 25 с; 120° - в течение 3-4 минут или от 90 до 100° - в течение 10-25 минут. При этом получают стабильный при хранении продукт желаемой вязкости. Вязкость может быть очень высокой, если продолжительность предварительного нагревания малая и оно проводилось при слишком низкой температуре. Предварительное нагревание должно предшествовать сгущению, так как молоко в концентрированной форме менее устойчиво к теплу. Для нагревания обычно используются теплообменники трубчатого типа. После нагревания молоко не охлаждают в течение определенного времени перед сгущением.
Молоко, нагретое до высокой температуры, свертывается медленно. Гелеобразная структура, образующаяся при нагревании молока без перемешивания, связана с агрегацией и расщеплением мицелл казеина. Кроме того, сывороточные белки денатурируются, и b-лактоглобулин образует комплекс с казеином.
Растворимые соли фосфатов и цитратов переходят в коллоидные формы. Термоустойчивость молока к коагуляции при нагревании выражается временем, необходимым для свертывания белков при постоянном нагревании молока при заданной температуре. На термоустойчивость молока влияют сезонные изменения в содержании фосфатов и цитратов. Небольшие количества динатрийфосфата и лимоннокислого натрия можно добавлять для повышения термоустойчивости молока. Количество, которое надо добавить в молоко, определяется при пробной стерилизации.
Сгущение или выпаривание молока
Основная цель получения сгущенного молока - удаление достаточного количества влаги и сохранение вкусовых качеств, присущих пастеризованному молоку и свежему продукту. Кипячение молока при атмосферном давлении приводит к удалению влаги в виде пара, однако такие свойства продукта, как его запах и цвет, претерпевают значительные изменения. Понижение давления приводит к понижению точки кипения и позволяет проводить сгущение при такой температуре, которая не влияет на изменение качества продукта. Влагу можно удалять также замораживанием (лиофильная сушка), но стоимость такого процесса значительно выше. Таким образом, выбор температуры определяется как компромисс между стоимостью удаления влаги и степенью изменения свойств продукта, вызываемого нагреванием.
Испарители, используемые в молочной промышленности, работают в диапазоне температур от 38 до 82° С и величине давления от 380 до 730 мм рт. ст. В многосекционных испарителях используются различные уровни температур и давления. Существует несколько типов испарителей, однако во всех конструкциях имеются общие узлы: 1) поверхности нагрева; 2) пространство для пара; 3) отделитель пара; 4) вакуумный насос и 5) конденсатор. Функции испарителя заключаются в эффективной передаче тепла, удалении пара и отделении сухих веществ от пара.
Испарение происходит в том случае, когда молекулы воды получают достаточную энергию для того, чтобы вырваться из раствора и перейти в пар. Степень испарения зависит от температуры жидкости, давления над ней и степени удаления пара в месте его скопления.
Нагревающие поверхности испарителей обычно состоят из паровой рубашки ванны с нагревательными змеевиками. Поверхность испарителя очень большая; например, внутри камеры помещается около 500 нагревательных трубок длиной от 2,43 до 3,04 м каждая общей площадью поверхности примерно от 2787 до 3716 м2. Пространство для пара должно быть достаточно велико, чтобы отделить сухие вещества молока от пара. Дальнейшее отделение сухих веществ происходит в испарительном разделителе, на поверхности которого сухие вещества молока осаждаются и затем стекают с нее. Это происходит под действием центробежной силы. Количество веществ, содержащихся в паре, увеличивается с увеличением степени испарения.
В конденсаторе происходит превращение пара в жидкость и охлаждение несконденсировавшихся газов для уменьшения их объема. Практически во всех конденсаторах для охлаждения используются водоразбрызгивающие установки с охлажденной водой, масса которой в 20-50 раз превышает массу пара. При конденсации пар быстро переходит в жидкое состояние, при этом давление в пространстве над молоком быстро снижается. Это также уменьшает нагрузку на вакуумный насос. Для предварительного нагревания продукта используют тепло образовавшегося в процессе производства пара. При этом снижаются затраты как топлива, так и холодной воды.
Охлажденную воду, сконденсированный пар и несконденсированные газы можно удалять одним насосом или раздельно - воду одним; а несконденсированные газы - другим. Воду можно также удалять с помощью барометрического устройства.
Барометрическое устройство помещается на дно конденсатора. Оно состоит из длинной трубки, заполненной водой. Удаление конденсата по мере его образования происходит за счет силы тяжести.
Разрежение создается с помощью обычных или пароструйных насосов. Последние используются, если необходимо получить достаточно большое разрежение (около 610 мм рт. ст.). Разрежение до 757 мм рт. ст. можно получить с помощью пароструйных насосов в три этапа.
Пар, получаемый под разрежением, содержит значительное количество скрытой теплоты и при испарении в одной емкости может использоваться для нагревания новой порции входящего продукта.
Скрытой теплотой называется теплота, которую необходимо затратить для превращения продукта, находящегося при температуре кипения, в пар. Эта величина возрастает при понижении давления, так, при давлении 595 мм рт. ст. для испарения 1 кг воды требуется 26 ккал. Теплота, необходимая для нагревания жидкости до кипения, носит название естественной теплоты. Для нагревания 1 кг молока на 1°С требуется 0,93 ккал.
Естественно, что температура продукта во второй ступени испарителя должна быть ниже, чем в первой. Таким образом, для удаления влаги необходимо создавать большее разряжение, что достигается снижением температуры на 7 или 8° С. Можно использовать последовательно до четырех испарителей. При эксплуатации трех испарителей температура в них варьирует соответственно от 60 до 77, от 52 до 63 и от 38 до 50° С.
Преимущество использования нескольких испарителей заключается в том, что для испарения 1 кг воды требуется меньше пара. Расход пара при эксплуатации одного, двух, трех и четырех испарителей на испарение 1 кг воды составляет 0,54; 0,27; 0,18 и 0,135 кг соответственно. Кроме того, поскольку пар от первой ступени испарения конденсируется молоком во второй (при эксплуатации двух испарителей), то для конденсирования потребуется меньше воды, чем при использовании одного испарителя. Большие капиталовложения для многоступенчатых испарителей сдерживают их внедрение. Экономия пара достигается также использованием тепла любого испарителя. Это тепло используется для нагревания молока внутри испарителя. Дополнительная энергия в таком случае подводится с помощью парофорсунки или механического компрессора. Она необходима для повышения температуры пара до точки, превышающей уровень температуры конденсации для того, чтобы полностью использовать скрытую теплоту.
Сгущенные молочные продукты
Производство таких продуктов из цельного или обезжиренного молока, пахты, сыворотки или кисломолочных изделий достаточно просто и состоит из трех этапов: стандартизации исходного сырья, предварительного нагревания и сгущения. Эти продукты можно получать из молока сорта А или товарного молока в зависимости от цели использования и наличия сырого молока. Свежее сгущенное молоко, вырабатываемое для непосредственного употребления в пищу или для добавления к другим продуктам сорта А, должно вырабатываться из молока сорта А. Если сгущение составляет 2,5:1, то добавление 1,5 части воды на одну часть сгущенного продукта восстанавливает состав исходного продукта.
Высокое содержание кислоты или охлаждение обеспечивают длительный срок хранения таких продуктов. Сгущенные продукты, полученные из скисшего обезжиренного молока, пахты или сыворотки, содержат до 5% молочной кислоты, что предотвращает развитие бактерий. Расфасовка под вакуумом предотвращает развитие в продуктах плесени и дрожжей. Частичное удаление лактозы из цельного молока производят при изготовлении сгущенного молока, предназначенного для производства мороженых десертов, так как при избытке лактозы она кристаллизуется, что нежелательно. Содержание лактозы можно понизить путем ее кристаллизации и отделения кристаллов, ферментативного гидролиза ее до глюкозы и галактозы или агрегации казеина и частичного удаления сыворотки.
Сгущенное стерилизованное молоко
Обычно термин «сгущенное стерилизованное молоко» применяется для концентрированного молока, которое расфасовано в жестяные банки и стерилизовано нагреванием. Однако, согласно правилам, разрешается проводить стерилизацию продукта до расфасовки, которая должна выполняться в асептических условиях. Разрешается также добавление эмульгаторов и стабилизаторов, таких, как динатрийфосфат, лимоннокислый натрий (до концентрации 0,1% для каждого или обоих) и каррагинина - продукта переработки морских водорослей (до 0,015%).
Добавление стабилизаторов предотвращает осаждение белков при хранении сгущенного стерилизованного молока в жестяных банках. Несбалансированность между содержанием катионов (кальция и магния) и анионов (фосфатов и цитратов) увеличивает нестабильность продукта, поэтому на каждые 3780 л молока добавляют от 0,028 до 0,16 кг фосфатов или цитратов. Присутствие молочной кислоты в сыром продукте приводит к дестабилизации белков при нагревании, поэтому титруемая кислотность не должна превышать величины 0,18-0,22%, в зависимости от содержания СОМО. Для определения стабильности продукта применяется тест с добавлением 70%-ного спирта к равному объему молока при интенсивном перемешивании. Коагуляция молока указывает на нестабильность его по отношению к температуре стерилизации. Нестабильность молока увеличивается при больших концентрациях сухих веществ и проведении гомогенизации при высоком: давлении, однако эти факторы не оказывают большого влияния при производстве сгущенного молока. Казеин значительно увеличивает вязкость молока при достижении изоэлектрической точки. Степень сгущения наивысшая в течение нескольких последних минут нагревания. После осаждения белков перемешивание продукта приводит к снижению степени загустения. При хранении иногда также происходит разжижение продукта. Добавление каррагинина в продукт задерживает отделение жира, белка и нерастворимых солей, что способствует поддержанию стабильности его в течение хранения. Эти вещества, а также другие стабилизирующие соли добавляются перед предварительным нагреванием (если полагают, что они будут необходимы).
Обычно молоко сгущают несколько больше, чем требуется. Степень сгущения определяется с помощью гидрометра, градуированного по шкале Бауме. Концентрат гомогенизируют до получения жировых шариков диаметром около 1 мкм или меньше. Это препятствует отстаиванию жира и увеличению вязкости при хранении.
Стандартизация до 7,52% содержания жира и 25,6% содержания СОМО проводится в больших танках. При этом в продукт добавляют витаминные концентраты и другие необходимые соли (определенные на основе вспомогательного анализа). Жестяные банки можно заполнять через небольшое отверстие в центре крышки, которое затем запаивают или же перед закаткой. Все банки проверяются автоматически на герметичность.
Стерилизация жестяных банок проводится при их постоянном вращательном движении; при этом они лучше прогреваются и не пригорают внутри. Температура стерилизации зависит от типа и количества спорообразующих бактерий в продукте и колеблется от 116 до 118° С в течение 15 минут. Эффективной считается такая стерилизация, при которой случайно оставшиеся жизнеспособные споры не могут размножаться и вызывать порчу продукта. При высокой концентрации спор требуется более высокая температура обработки. Высокотемпературная стерилизация проводится при температуре 140-150° С с выдержкой до 9 с. После высокотемпературной стерилизации продукт гомогенизируется и расфасовывается в асептических условиях.
Приобретение коричневого оттенка (изменение окраски) происходит в первую очередь из-за карамелизации лактозы и реакции Мэйлларда, в которой карбоксильные группы лактозы взаимодействуют с аминогруппами казеина (-NH2). Ухудшение качества продукта происходит быстрее при повышении температуры хранения и количества стабилизирующих солей. Небольшое изменение окраски происходит и при высокотемпературной стерилизации и асептической расфасовке сгущенного молока. Отстаивание жира и седементация проявляются в большей степени при высокотемпературной стерилизации сгущенного молока. Эти пороки связаны с низкой вязкостью. Часто происходит образование геля, которое однако можно устранить добавлением полифосфатов (в настоящее время запрещено).
Сгущенное молоко хранится при температуре от 5 до 15° С. Влажность воздуха склада при хранении продукта должна быть ниже 50% для предотвращения появления ржавчины на банках, порчи этикеток и маркировки коробок. Периодическое перевертывание банок при хранении препятствует образованию плотного осадка минеральных солей, в особенности трикальцийфосфата, а также жира. При этом отстой в банке получается очень нежный, похожий на сливки.
Сгущенное обезжиренное молоко концентрируется до 20% СОМО. Технология изготовления и пороки его такие же, как и сгущенного молока. Сгущенное молоко в основном используется в пищу для детей и для приготовления различных блюд.
Сгущенное молоко с сахаром
Этот продукт получают путем частичного удаления воды из смеси молока с сахаром. Смесь пастеризуют и при необходимости гомогенизируют. Готовый продукт должен содержать не менее 8,5% молочного жира и 28% обезжиренного молочного остатка от массы продукта. Количество сахара составляет 43,5-44,8%, что достаточно для предотвращения порчи продукта.
Обезжиренное сгущенное молоко с сахаром обычно содержит около 20% общего молочного остатка.
Впервые производство сгущенного молока с сахаром начато в 1858 г. в Нью-Йорке Г. Борденом. Сгущенное молоко с сахаром является одним из широко распространенных молочных продуктов в ряде тропических стран, в которых холодильники имеются не во всех домах. В некоторых странах смесь молока и сахара концентрируют кипячением в открытых котлах (в Мексике, в Индии). Эти продукты имеют выраженный запах карамели и темную окраску.
Сгущенное молоко с сахаром в основном используется в кондитерской промышленности, при производстве мороженых десертов и сладостей. Сгущенное молоко, предназначенное для промышленного использования, выпускается в крупной расфасовке - бочках, барабанах, танках, а для розничной торговли - в жестяных банках. Расфасовку можно производить под вакуумом, что снижает окисление продукта. Только достаточно устойчивые осмофильные дрожжи и плесени могут развиваться в сладком сгущенном молоке. Однако для их развития необходим кислород, поэтому закатка банок под вакуумом позволяет уменьшить степень их развития. Необходимо также соблюдать меры, предупреждающие загрязнение продукта спорами плесени после предварительного нагревания. Отличие в технологии сгущенного молока с сахаром от сгущенного стерилизованного молока заключается: 1) в добавлении сахара и 2) в удалении избытка лактозы. Сахар может быть внесен непосредственно в вакуум-аппарат вместе со сгущаемым молоком. Однако в современной технологии соотношение сухих веществ молока и сахара (а значит, и добавку сахара в случае необходимости) устанавливают до процесса непрерывного сгущения. Сахар, растворяясь в водной фазе, ингибирует развитие микроорганизмов. Под концентрацией сахара понимается отношение массы сахара к массе смеси сахара и воды и рассчитывается следующим образом:
Процент сахара = [Масса сахара : (Масса сахара+масса воды)] х 100.
Этот показатель может быть меньше 60% для продукта, который будет реализован оптом в течение ближайших нескольких недель. Однако в случае мелкотоварной расфасовки и реализации в розничной продаже в течение нескольких месяцев этот показатель должен составлять 63% для поддержания условий, при которых ингибируется развитие бактерий. В качестве добавляемого сахара используют 65%-ный сахарный сироп, однако до 25% его можно заменять декстрозой, но с риском, что это может привести к сгущению продукта при длительном хранении. И сахароза и декстроза при таких концентрациях находятся в растворенном состоянии. Другие растворенные в продукте вещества также увеличивают осмотическое давление и подавляют рост бактерий. Эти вещества включают в себя: лактозу (приблизительно 10%) и соли молока (около 1,6%). Тем не менее только половина лактозы растворяется в небольшом количестве оставшейся воды, поэтому при охлаждении конечного продукта происходит ее кристаллизация.
Неконтролируемая кристаллизация обычно приводит к росту больших кристаллов, что способствует появлению пороков, таких, как: зернистая, пескообразная и грубая консистенция. Кристаллизацию можно ускорить резким охлаждением концентрата для получения перенасыщенного раствора лактозы, который можно осадить добавлением инициирующих кристаллов лактозы при интенсивном перемещении. При этом образуются кристаллы небольшого размера, что способствует получению однородной консистенции продукта. Кристаллизацию можно ускорить перемешиванием, увеличением числа кристаллов стимулирующих кристаллизацию. При порционном методе получения продукта процесс регулируемой кристаллизации прекращается приблизительно за час перед проведением охлаждения и расфасовки. Непрерывное осаждение кристаллов можно также проводить в теплообменнике.
Длина самой большой стороны у кристаллов лактозы, которые не ухудшают однородность продукта, должна составлять около 10 мкм, а их число 300 тыс. и более в 1 мм3. Грубая консистенция сгущенного молока с сахаром характеризуется наличием кристаллов лактозы длиной более 15 мкм и не превышающих 100 тыс/мм3. Вязкость продукта обычно бывает достаточной для предотвращения седиментации кристаллов лактозы.
Увеличение вязкости или загущение продукта в некоторых случаях может происходить из-за образования микроорганизмами кислоты или сычужноподобных ферментов. Этот процесс загущения продукта отличается от такового при длительном хранении, когда увеличение вязкости происходит в результате физико-химических изменений мицелл казеина. В данном случае происходит агрегация мицелл казеина, а поливалентные ионы, так же как фосфаты и цитраты, увеличивают дестабилизацию. Предполагается, что с их помощью образуются связи между атомами кальция в мицеллах казеина.
Сухое молоко и другие сухие молочные продукты
Еще в армии Чингисхана получали порошок молока при высушивании его на солнце, обеспечивая этим своеобразную концентрированную форму питательных веществ для длительных походов.
Сухие молочные продукты могут быть получены из многочисленных компонентов молока путем удаления влаги. Заводы имеют возможность вырабатывать сухие молочные продукты для различных пищевых целей. Вырабатываемые продукты подразделяются на три вида: 1) получаемые при низком, 2) среднем и 3) высоком нагревании. Вследствие нагревания происходят изменения ,в структуре белка. Они утрачивают устойчивую пространственную ориентацию и приобретают более произвольную конфигурацию. Они стремятся, но не могут возвратиться к исходной структуре. Такие изменения молекулярной структуры сказываются на растворимости и поглощении. Молоко, получаемое при низкой тепловой обработке (63° С при недлительной выдержке), обычно используется непосредственно в пищу, для изготовления кексов и других аналогичных продуктов. Порошок, получаемый при высокотемпературной обработке (85° С и длительной выдержке), в основном применяется в хлебопекарной промышленности, поскольку дестабилизированный казеин связывает больше воды, а денатурированные сывороточные белки улучшают объем выпекаемого хлеба (высокое нагревание инактивирует вещество, уменьшающее объем хлеба). В белом хлебе 1 кг обезжиренного сухого вещества молока может абсорбировать 1 кг воды и удерживать практически все это количество при выпечке. Тестом при тепловой обработке сухого молока служит определение белкового азота сыворотки, что характеризуется количеством неденатурированного сывороточного белка.
В порошках, получаемых при низкой тепловой обработке, содержится 5,5 мг неденатурированного сывороточного белка на 1 г белкового азота сыворотки, а для порошков, получаемых при высокой тепловой обработке, около 1,5 мг на 1 г. Порошок, в котором содержание неденатурированного сывороточного белка составляет от 1,5 до 5,5 мг на 1 г, носит название сухого молока, подвергнутого средней степени нагревания.
Большое количество сухого молока с 28-28,5% жира, вырабатываемого из цельного молока, в США используется в кондитерской промышленности. При производстве шоколада предпочитают использовать сухое молоко, получаемое с помощью контактной сушки (на барабанной сушилке), так как при этом сохраняется больше свободного (неглобулярного) жира. Молоко, высушенное с помощью распылительной сушки, при его использовании дает пенообразование, поэтому оно в основном применяется при производстве сухих смесей или в качестве добавки в порошок какао. Выделенные белки сухого молока сохраняют свои питательные и функциональные свойства. Например, казеинат натрия, получаемый при нейтрализации казеина кислотой, является универсальным средством кофейных отбеливателей. Казеинаты используются как прекрасные структурообразующие агенты в мороженых пудингах и аналогичных продуктах. Лактоальбумин и лактоглобулин являются основными высокопитательными и кислоторастворимыми белками сыворотки. Они используются при производстве фруктовых ароматизированных напитков. Большим спросом пользуется сухая пахта из-за высокого, около 5%, содержания фосфолипидов натурального гидрофильного эмульгатора, поскольку он придает продукту тонкий аромат. Сухая пахта применяется в большей степени при производстве некоторых изделий, включая приготовление сухих смесей.
Сыворотку традиционно использовали для кормления животных или просто сливали в канализацию. Однако технический прогресс и недостаток продуктов питания увеличили спрос на производство сухой сыворотки, которая стала использоваться в питании человека. В сладкой сыворотке содержится около 5% лактозы (в сухой - 72%), которая может быть удалена при кристаллизации. После удаления лактозы сыворотка остается богатой минеральными солями, которые можно удалить с помощью обратного осмоса или ультрафильтрации. Из сыворотки могут быть получены четыре вида сухих продуктов после удаления из нее лактозы и минеральных веществ (эти продукты обозначают, как А, В, С, D: продукт А содержит 29% белка, 55% лактозы и 8% минеральных солей; продукт Б - 35% белка, 45% лактозы и 3% минеральных солей; С - 50% белка, 33% лактозы и 3% минеральных солей; продукт D - 75% белка, 9% лактозы и 2% минеральных солей). Сыворотку часто смешивают с различными зерновыми кормами, в частности с соевой мукой, а затем высушивают. В пекарной промышленности эти смеси используются как заменители сухого обезжиренного молока. Лактоза сыворотки вызывает реакцию побурения в корке и в жареном хлебе (реакция Мэйлларда), а соевые белки смеси энергично поглощают воду. Такие качества получаемых смесей; как питательность, буферная емкость, структурообразующие свойства аналогичны обезжиренному сухому молоку.
Сухие молочные продукты с высоким содержанием жира вырабатываются в незначительных количествах вследствие тенденции их к быстрому окислению. Сухие сливки и масло являются особенно ценными продуктами при производстве хлебных изделий, сухих смесей, смесей для фруктового льда, мороженых десертов различных наполнителей. Сухое масло, технология которого разработана в Австралии, получается высушиванием смеси, содержащей 45,3 кг сливок (50% молочного жира); 2,72 кг сахарозы, 0,34 кг глицериллактостеарата (эмульгатор); 0,07 кг цитрата натрия; 0,018 кг лимонной кислоты. Сухие продукты с высоким содержанием жира следует быстро охладить после окончания сушки для стабилизации жира. Всякое перемещение и расфасовку проводить также очень осторожно, чтобы уменьшить разрушение тонких оболочек, состоящих из сухих веществ молока и окружающих жировые глобулы.
Сыр может быть высушен на лотках, на ленточном транспортере или с помощью распылительной сушки. Такой твердый сыр, как пармезан, высушивается на лотках или транспортере, в то время как чеддар и голубые сыры хорошо высушиваются методом распылительной сушки. Вначале сыр размельчают и смешивают с теплым раствором цитрата натрия для получения сгустка, содержащего 40% сухого вещества, затем смесь пастеризуют, гомогенизируют и распыляют в сушилке в виде больших капель для уменьшения потери летучих веществ.
Другими молочными продуктами, которые можно высушивать, являются смеси для сливочного мороженого, сметана, солодовое молоко и молоко с наполнителями. Существует не только большое разнообразие сухих молочных продуктов, но и методов, и оборудования для их получения.
Вальцовая сушка молока и молочных продуктов
Молоко и молочные продукты могут быть высушены при распылении их в виде тонкого слоя на нагретую поверхность вальца, который вращается со скоростью от 6 до 24 оборотов в минуту по отношению к ножу-скребку. Обычно два вальца располагаются горизонтально и параллельно друг другу. Один из них может перемещаться для регулирования толщины зазора. Неконцентрированное молоко или молочный продукт обмывает поверхность вращающихся вальцов. Тепло, исходящее от вальцов, высушивает молоко, а пар удаляется через клапан. Для уменьшения затрат энергии при сушке рекомендуется проводить частичное сгущение молока в низкотемпературном испарителе, а затем распылять его на вальцы. Для удаления низкотемпературного пара конструкция вальцов сушилки может быть такова, что они могут находиться под вакуумом. Обычно применяется давление от 685 до 735 мм рт. ст. Пар поступает в вальцы через отверстия, проходящие по их оси.
Температура используемого насыщенного сухого пара составляет около 150° С. Температура сухого продукта, удаляемого с вальцов, обычно на 2-3° С отличается от температуры внешней поверхности вальцов. Пригорание и, следовательно, дестабилизация продукта при сушке могут происходить при следующих условиях: 1) неравномерное поступление молока; 2) неполное удаление пленки сухого продукта с вальцов; 3) разбалансировка вальцов сушилки; 4) шероховатые вальцы; 5) слишком высокая температура и 6) малая скорость вращения вальцов. При работе на сушильной установке при атмосферном давлении требуется от 1,19 до 1,28 кг пара на 1 кг выпариваемой воды. При нормальных условиях работы сушильной установки тонкая, слегка окрашенная пленка сухого продукта соскабливается с вальцов в желоб. Шнековый транспортер доставляет комковатый продукт в молотковую дробилку. В США данный метод в основном применяется для получения сухой сыворотки и в меньшей степени при получении цельного и обезжиренного сухого молока.
Распылительная сушка молока и молочных продуктов
При этом процессе сушки воду из капель сгущенного молока (40-48% сухих веществ) удаляют с помощью большого объема нагретого воздуха. Оборудование для сгущения молока является неотъемлемой частью завода для получения сухих продуктов.
В сушилке распылительного типа различают шесть следующих основных узлов: воздушный фильтр, нагреватель воздуха, распыляющее устройство, сушильная камера, коллектор или воздушно-порошковый сепаратор и регулятор потока воздуха. Воздушный фильтр служит для удаления пыли и примесей, содержащихся в поступающем воздухе и предотвращения загрязнения продукта. Нагреватели воздуха могут быть прямого и непрямого типа. В первом случае воздух нагревается непосредственно над газовым пламенем. Хотя этот способ и является более эффективным, но несгоревший газ и продукты неполного сгорания могут загрязнять воздух. Сухое молоко, полученное прямым нагреванием, содержит большее количество нитратов, чем молоко, полученное при использовании нагревателей непрямого типа. Воздух можно нагревать (непрямой способ) путем пропускания его через электрические нагревательные элементы или через змеевики, содержащие пар, или нагревательные материалы, такие, как терминол. Терминол является препаратом, предназначенным только для непрямого нагревания. Температура воздуха обычно варьирует от 50 до 260° С при относительно низкой влажности. Относительная 100%-ная влажность воздуха при температуре 37° С понизится на 3-4% при 150° С. Тепло отработанного воздуха может быть также использовано для непрямого предварительного нагревания новых порций холодного молока.
Для распыления продукта применяются как форсуночные, так и дисковые устройства. Форсунки работают под давлением от 105 до 350 тыс. кг/см2. Дисковые распылители вращаются со скоростью до 50 тыс. об/мин при диаметре диска 5,08 см и менее, 3,5 тыс. об/мин при диаметре диска 76,2 см. В обоих случаях необходимо получать однородные частицы размером от 50 до 150 мкм в диаметре. Такие частицы обладают оптимальным соотношением поверхности и объема для проведения эффективной сушки. При распылении 3,78 л концентрата на частицы диаметром 50 мкм образуется поверхность в 1308,2 тыс. см2. Необходимо, чтобы частицы были приблизительно одинаковые по размеру. Неоднородность по размеру частиц будет сказываться в перенагревании маленьких и неполном высушивании больших, что будет приводить к их прилипанию к стенкам оборудования. Степень дробления зависит от объема воздуха, плотности и способности продукта распадаться на частицы. Величина образующихся капель, в форсунке зависит от размера отверстия, давления и угла разбрызгивания (чем меньше острый угол наклона, тем крупнее капли).
Воздух может поступать в частицы молока двумя путями: 1) при распылении и 2) при замещении в трещинах воды по мере ее высушивания (вторичный воздух). При проведении распыления с помощью форсунок лишь небольшое количество воздуха включается в молоко. При проведении распыления с помощью дисков воздуха включается в молоко больше по сравнению с форсуночным методом, и поэтому образующийся сухой порошок получается менее плотным. При применении дисков вогнутой конструкции образуются капли с незначительным включением воздуха, так как действие центробежной силы разделяет воздух и концентрат на поверхности диска. Прокаливание внутренней полости дисков паром также уменьшает включение воздуха в капли. Пар интенсивно заменяет воздух в каплях. Затем он конденсируется, диффундирует и испаряется с поверхностей капель. Непосредственное (вторичное) содержание воздуха в продукте определяется процессом сушки. Интенсивное движение капель в горячем воздухе приводит к быстрому образованию твердой внешней пленки на их поверхности. Водяной пар диффундирует сквозь эту пленку, при этом внутри капель образуются трещины. Вода переходит из непрерывной в прерывистую фазу примерно при 15%-ном содержании влаги в продукте. Из этого следует, что более тяжелые частицы могут быть образованы при медленном проведении сушки, что позволяет частицам уменьшаться в объеме по мере удаления влаги.
Конструкция сушильной камеры должна обеспечивать оптимальную полноту перемешивания частиц продукта с воздухом, допуская лишь минимальную возможность столкновения частиц. Это препятствует прилипанию невысохших частиц к стенкам и ограничивает возникновение вихревых потоков, которые могут приводить к перенагреванию некоторых частиц. Траектория движения частиц при сушке должна быть достаточной для полного обезвоживания больших частиц независимо от наличия второй сушилки. Воздух в сушилке может двигаться в одном направлении, в противоположных направлениях или в различных направлениях. Наибольшая эффективность достигается применением одностороннего воздушного потока. Однако иногда это приводит к образованию больших капель и получению более рыхлого продукта. Кроме того, однонаправленное движение влияет на испарение вблизи от распылителя, что приводит к уменьшению температуры стенки сушильной камеры и поддерживает достаточно низкую температуру продукта. Спиральное движение потока воздуха с успехом можно применять в вертикальных сушильных башнях для увеличения времени высушивания. Однонаправленное движение воздуха применяется в сушилках закрытого типа.
Конструкция сушильной камеры влияет (и испытывает влияние) на направление воздушного потока, степень распыления, метод удаления готового продукта, свойства продукта, время высушивания, величину воздушного потока. Когда необходимо отделить большие частицы от мелких, как в сушилках для непосредственного получения агломированных частиц, в среднем отсеке помещается специальный коллектор (лоток). Небольшие по размеру частицы удаляются через него с помощью сухого воздуха, а крупные частицы удаляются через воздушный шлюз, расположенный в вершине пирамиды.
На степень высушивания влияют следующие свойства продукта: 1) влажность; 2) количество связанной воды; 3) теплоемкость; 4) поверхностное натяжение; 5) плотность и 6) вязкость.
По мере сгущения продукта и перехода его из жидкой формы в полутвердую, далее в твердую, степень испарения влаги уменьшается. Она постоянна до тех пор, пока вся свободная вода не испарится с поверхности капли. Затем твердая фаза становится барьером на пути удаления влаги, поэтому процент испарения влаги уменьшается. При высушивании протекают одновременно два процесса, а именно: передача тепла от воздуха к каплям продукта и диффузия влаги из внутренней части к поверхности капель, с которой происходит ее испарение. При этом капли охлаждаются. Однако при уменьшении степени испарения охлаждение также уменьшается, что может нарушить тепловой баланс. Обычно следят за температурой отработанного воздуха, и нагревание прекращают или усиливают при необходимости. Высушиваемый продукт должен подвергаться воздействию воздуха при температуре 150°С не более 2 с. Теоретически достаточной является температура, необходимая для испарения влаги (скрытая теплота испарения), а температура самих капель не должна увеличиваться. При этих условиях можно сушить молоко при низких температурах, например при 30° С.
Однако при этом продолжительность сушки увеличивается, кроме того, в этом процессе необходимо использовать очень сухой воздух. Например, в БИРС-процессе капли большого диаметра (от 300 до 1000 мкм) впрыскиваются в сухой воздух с относительной влажностью от 0,5 до 3%. Воздух поступает вниз вертикальной башни высотой 70 м и от 15 до 46 м в диаметре и медленно поднимается со скоростью от 0,09 до 0,5 м/с. Противоположно направленные потоки сухого воздуха при своем движении встречают практически все высушиваемые частицы молока, чем обеспечивается высокая эффективность высушивания. Воздух выходит из башни примерно при 95%-ном насыщении влагой. Такая система является самофильтрующейся - сухие частицы малого размера, которые захватываются направленным вверх потоком воздуха, улавливаются падающим распыленным молоком, что обеспечивает до 99,5% удержания сухих веществ.
Обычно наиболее широко распространенными коллекторами в аппаратах являются циклоны, один или несколько (пустотелые перевернутые металлические конусы), которые работают на том же принципе, что и отделители пара в испарителях: частицы продукта, находящиеся в воздухе, стремятся вырваться из коллектора, но под действием сил гравитации возвращаются обратно. Воздух, обычно содержащий небольшое количество частиц порошка, удаляется через выходное отверстие наверху. Уже использованный воздух можно направить через распылитель для молока, которое «очищает» его. Смесь молока и собранных мельчайших частиц сухого продукта поступает на автоматические весы, а затем - в распылитель. Коллекторы, снабженные фильтрами, высокоэффективны, но они громоздки, дорогостоящи, очистка их требует больших затрат труда.
Воздух обычно нагнетается в сушильную камеру с помощью вентилятора, который прогоняет его через всю систему. В некоторых аппаратах используются дополнительные сушильные устройства, в которые направляется порошок с потоком нагретого воздуха, проходит через вертикальную сушильную камеру и осаждается в циклоне. Вторичное высушивание также может проводиться во флюидизированных установках.
Охлаждение порошка должно производиться вскоре после высушивания, особенно высокожирных продуктов. Иногда бывает достаточно сделать подводку холодного воздуха ко дну основного высушивающего устройства для охлаждения и отвердевания жира, что предотвращает склеивание массы. Важно, чтобы охлажденный воздух был свободен от микроорганизмов, в особенности сальмонелл. Воздух можно охлаждать в змеевиках, но охлаждение не должно приводить к конденсации влаги в порошке. Сухое обезжиренное молоко после высушивания охлаждается до температуры 35-40° С. Если продукт не охлаждается, то он приобретает комковатую структуру, коричневый цвет, а пороки запаха появляются быстрее. Сухое молоко плохо проводит тепло, поэтому охлаждение продукта внутри пакета протекает медленно.
Порошок обычно просеивается перед расфасовкой в пакеты, барабаны и банки большого объема. При расфасовке сухих молочных продуктов с высоким содержанием жира нужно принимать специальные меры предосторожности. Для уменьшения содержания кислорода расфасовку рекомендуется проводить под вакуумом. Если порошок будет подвержен воздействию воздуха в течение длительного периода времени и поглотит достаточное количество кислорода, то необходимо время для удаления его из продукта и каждая расфасовка должна проводиться под вакуумом.
Продувка внутренней поверхности расфасовочной тары смесью, состоящей из 90%, азота и 10% водорода, содержащей в качестве катализатора палладий, значительно увеличивает время хранения продукта. Кислород диффундирует в трещины и взаимодействует с водородом, образуя воду, которая удерживается в структуре пакета силой поверхностного натяжения. Это приводит к значительному снижению содержания кислорода - до 0,001 % и менее. Добавление антиоксидантов, таких, как: галатат лаурила, галатат пропила, нордигидрогуаритиловая кислота - увеличивает срок хранения продуктов. Требования, предъявляемые к идеальной упаковке для сухих молочных продуктов: она должна защищать продукт от действия света, влаги, газов, насекомых, коррозии, иметь низкую стоимость, легко заполняться и запечатываться, быть удобной в транспортировке и опорожнении.
Вакуумная сушка молока и молочных продуктов
Существует метод вакуумной сушки молочной пены, которая образуется при продувке азота через сгущенное молоко. Охлажденное до 13° С молоко затем распыляется через форсунку на поверхность сушильного барабана из нержавеющей стали. Теплообменники поставляют энергию для испарения влаги. Тепло и вакуум (19 мм рт. ст.) способствуют испарению азота. Сухое молоко соскребается с двигающейся ленты с помощью ножей-скребков и падает в приемник. При заполнении приемника поток сухого продукта переключается в следующий, а в заполненный приемник открывается клапан для впуска азота, который и выравнивает атмосферное давление, так как последующая операция - расфасовка порошка должна проводиться в атмосфере, лишенной кислорода для предотвращения окисления.
Кроме описанных способов проведения сушки, существует также сушка в кипящем слое, радиационная сушка, сушка токами высокой частоты, ультразвуком, сублимационная сушка. При сушке в кипящем слое влага удаляется из слоя взвешенных гранулированных частиц. Радиационная сушка осуществляется облучением продукта инфракрасными лучами, источником которых служат мощные электрические лампы. Потери тепла при этом процессе незначительны. Таким способом можно проводить высушивание казеина, молочного сахара. Недостатками являются возможность местного перегрева, высокий расход энергии.
Сушка токами высокой частоты может применяться для удаления влаги, прочно связанной с составными частями высушиваемого продукта. В электрическом поле, создаваемом между пластинами, через которые подается продукт, возникает интенсивное колебание молекул продукта. Тепло, за счет которого происходит высушивание, выделяется при трении. Недостатками этого способа являются сложность установки и высокий расход энергии. При сублимационной сушке влага, находящаяся в продукте, сначала переводится в замороженное состояние, а затем удаляется под высоким вакуумом.
Физические свойства сухих молочных продуктов
Существует тесная взаимосвязь между применяемым способом сушки и физическими свойствами получаемых сухих молочных продуктов. При барабанной сушке тонкий слой сухого продукта соскабливается с вальца, размельчается с помощью шнеков для получения достаточно однородного мелкого порошка. Порошок состоит из крупинок неправильной, остроугольной формы с неровной поверхностью и краями. В этих частицах нет трещин, удерживающих воздух.
Мелкогранулярный продукт, получаемый распылительным методом высушивании, не требует дополнительного измельчения. Обычно крупинки такого порошка имеют сферическую форму и содержат клетки воздуха. Размер клеток воздуха зависит от количества воздуха, включенного во время распыления (первичный воздух) и количества образовавшихся вакуолей в процессе высушивания. Воздух затем диффундирует в эти вакуоли (вторичный воздух).
Состояние лактозы
Лактоза представляет собой основной компонент сухого молока. В молочном порошке содержится приблизительно 38% лактозы и в обезжиренном сухом молоке около 50%. Лактоза содержится в виде концентрированного (перенасыщенного) сиропа и образует непрерывную фазу частиц. Однако кристаллизация не происходит, поскольку высокая вязкость ограничивает подвижность молекул лактозы. Из-за высокой гигроскопичности лактозы сухие частицы легко адсорбируют влагу из воздуха, образуя раствор до такой степени, что его молекулы получают достаточную свободу движения (примерно при 7% влажности) для образования ими кристаллической решетки и выпадения кристаллов.
В начале кристаллизации раствор становится менее насыщенным, но более испаряемым. Это приводит к тому, что некоторая часть абсорбированной влаги может испаряться и порошок начинает спекаться. Вместе с тем изменяется проницаемость частиц порошка вследствие появления общей сети кристаллических связей, вдоль которых могут образовываться трещины.
Сухая сыворотка содержит до 75% лактозы, которая может быть как в кристаллической (альфа-моногидратной) форме при условии негигроскопичности порошка, так и в аморфном состоянии. Кристаллы должны быть мелкими. В сгущенной сыворотке лактозу необходимо выкристаллизовывать возможно полнее (до 85%) до начала сушки, так как кристаллизация проходит легче в жидкости. При этом в условиях регулируемой температуры в сгущенную сыворотку можно вносить мелко измельченную лактозу для затравки или инициации кристаллизации, а образующийся поверхностный слой на кристаллах разрушается при интенсивном перемешивании (все это невозможно осуществить в сухой сыворотке).
Дальнейшая кристаллизация должна происходить по мере высыхания продукта. Предварительно кристаллизованный сывороточный концентрат (приблизительно с 50% содержанием сухого остатка) высушивается в сушильном устройстве распылительного типа с низкой температурой продукта на выходе (около 55°С). Порошок при выходе из сушильной камеры содержит 10-14% влаги. Попадая на транспортер, в порошке снова идет процесс кристаллизации. Во второй сушильной камере удаляют остатки влаги. Порошок состоит из больших агломератов, имеющих незначительную плотность. Таким методом удаляют до 85% лактозы. При сушке методом распыления температура продукта на выходе позволяет удерживать около 6-7% влаги, что способствует хорошей агломерации. Продукт направляется во флюидизированные установки для агломерации и завершения процесса высушивания. Мелкие частицы вместе с воздухом возвращаются через основной циклон к распылительному устройству.
Образующиеся небольшие по размеру агломераты имеют высокую плотность. Важно, чтобы процесс кристаллизации протекал непрерывно. Если при распылительной сушке будет сразу удалено большое количество влаги, вязкость резко увеличится и процесс кристаллизации будет ингибироваться. Если температура будет очень высокой с одного края флюидизированной установки, то может произойти вместо образования новых растворение уже полученных кристаллов.
Состояние белков
Растворимость сухих молочных продуктов определяется в первую очередь способностью белков быть редиспергированными в стабильные коллоидальные частицы. Тепло, конечно, в основном ответственно за дестабилизацию белков. Возможно, что при переходе лактозы из жидкого в кристаллическое состояние это связано и с поглощением влаги. Белки размещаются вдоль кристаллических решеток и соединяются друг с другом и с солями. Это может приводить к снижению редисперсности белков. Также могут образовываться амино-сахарные комплексы. Эта реакция сопровождается изменением цвета (побурением) и усиливается при неблагоприятных условиях хранения, а именно: при высокой влажности воздуха, значительном содержании влаги в продукте, высоких температурах при хранении. При относительно низкой испаряемости казеин связывает воду, однако это происходит лишь после того, как влага связалась лактозой и солями при относительном давлении пара, составляющем более 0,5% от значения, при котором происходит дестабилизация белков.
Состояние жира
При восстановлении сухого молока, содержащего плохо эмульгированный жир, на поверхности стенок образуются пленки. Значит, эмульгирование и дисперсность жира следует увеличить путем проведения более интенсивной гомогенизации молока перед высушиванием. Однако лишь тонкая мембрана защищает жировые шарики, разрыв которой может происходить в процессе сушки, с высвобождением жира. Особенно важно проводить охлаждение продукта сразу же после сушки для того, чтобы предотвратить расщепление жира. На поверхности сухих частиц продукта находится пленка свободного жира, что приводит к отталкиванию воды. Количество свободного жира на поверхности частиц хорошо изготовленного порошка колеблется от 0,5 до 3%. Для преодоления водоотталкивающих свойств частиц необходимо присутствие поверхностно-активного вещества на их поверхности. Было установлено, что агломерированные частицы (размером от 100 до 250 мкм) сухого молока покрыты пленкой лецитина, растворенного в жире масла. Выделенный из продукта такой лецитин хорошо растворялся в холодной воде. Применяются разнообразные установки для получения и использования этих свойств лецитина.
Бума разработал модель свободного жира из сухого молока, полученного методом распылительной сушки. Свободный жир состоит из четырех компонентов.
На основании анализа производных этой модели Бума заключил следующее: 1) зависимости между количеством экстрагируемого жира и пороком окисленного, прогорклого вкуса нет; 2) несмотря на то, что поверхностный жир влияет на такие свойства, как дисперсность и смачиваемость продукта, корреляции между количеством свободного жира и этими свойствами не наблюдается до тех пор, пока концентрация свободного жира не достигнет 20%; 3) имеется незначительная корреляция между количеством свободного жира и отстаиванием сливок, пенообразованием и образованием комков при восстановлении сухого молока; 4) прилипание при восстановлении сухого молока, полученного методом распылительного высушивания, зависит лишь от поверхностного жира, а не от всего экстрагируемого (свободного) жира.
Поверхность частиц сухого молока, полученного распылительным методом
Прекрасные фотографии поверхностей частиц цельного и обезжиренного сухого молока и сухой сыворотки были сделаны Бума и Хенстра. Яблокоподобные структуры на фотографиях, очевидно, образовывались на поздних стадиях высушивания. Различия во внешнем виде сухого обезжиренного молока и сухой сыворотки позволяют предполагать, что глубокие складки поверхности образуются в присутствии казеина. Различия в структуре поверхности частиц, приготовленных в одних и тех же условиях, указывают на различия в условиях сушки.
Растворимость сухого молока
При внесении сухого порошка продукта в воду протекают следующие три стадии при его восстановлении: 1) смачивается поверхность частиц; 2) истинно растворимые компоненты: лактоза, минеральные соли и сывороточные белки - растворяются; 3) растворившиеся сухие вещества, жировые частицы и другие компоненты должны образовать однородную суспензию.
Смачиваемостью называется способность газовой среды (воздух) на поверхности твердой фазы заменяться жидкой фазой. Все три фазы существуют при смачивании. Натяжение между частицами определяет скорость смачивания. В тесте Мора для определения смачиваемости 13 г порошка помещают в 100 мл воды, находящейся в спокойном состоянии при температуре 20° С в 400-мл колбе. При этом порошок должен смачиваться в течение 15 с.
По мере растворения и диспергирования отдельных компонентов молока вокруг каждой частицы образуется концентрированный раствор; если плотность частиц выше плотности воды, то они начинают тонуть. Это весьма желательное свойство носит название набухание. Плотность частиц зависит от их состава и количества окружающего воздуха. На начальных стадиях восстановления сухого продукта плотность частиц уменьшается из-за того, что лактоза и минеральные соли более тяжелые компоненты - растворяются в первую очередь. Одновременно с этим плотность окружающего раствора увеличивается из-за увеличения его концентрации, поэтому разница в плотности между частицами и окружающим раствором уменьшается. Восстановление является свойством, определяющим легкость, с которой сухое молоко соединяется с водой и зависит от дисперсности, смачиваемости, набухания и растворимости.
Для улучшения набухания частиц необходимо уменьшить количество поглощенного ими воздуха.
Восстановление большой массы порошка является еще более сложным процессом. По капиллярам вода поступает в частицы со всех сторон. Однако обычно в порошок поступает ограниченное количество воды, и в нем остаются пузырьки воздуха. Вскоре после начала процесса восстановления пространства между частицами заполняются растворимыми веществами молока, иногда в высокой концентрации. При этом образуются сухие внутри и смоченные водой снаружи комки продукта. Для получения полностью восстановленного молока в короткий промежуток времени и с минимальными затратами необходимо, чтобы вода по капиллярам не проникала в частицы порошка. Поступление воды в частицы минимально, когда порошок состоит из больших конгломератов. Однако неудобство таких больших конгломератов в том, что у них сравнительно малая поверхность подвергается воздействию воды. Такие конгломераты хорошо смачиваются и диспергируются, но медленно восстанавливаются.
Плотность сухих молочных продуктов
Показатель плотности сухих молочных продуктов имеет важное практическое значение. От плотности зависит объем тары, транспортные затраты, набухание продукта в воде, способность мелких частиц возвращаться в циклон. Под истинной плотностью понимается масса единицы, объема при отсутствии пустот. Плотность сухого цельного молока колеблется от 1,31 до 1,32 г/мл и для сухого обезжиренного молока от 1,44 до 1,46. Однако от 50 до 75% объема, занимаемого сухими молочными продуктами, которые получены на распылительной сушилке, составляет воздух. Видимая плотность определяется как единица массы, отнесенная к единице объема, при наличии пустот. Можно определить плотность рыхлой или спрессованной массы. Для определения плотности рыхлой массы порошок без утрамбовки засыпают в 100-мл мерный цилиндр, взвешивают и рассчитывают общую массу. Для определения плотности спрессованной массы порошок утрамбовывают до постоянного объема, затем общую массу делят на объем. Например, если сухое обезжиренное молоко, занимающее без утрамбовки объем 100 мл, весит 60 г, то плотность рыхлой массы равна 0,6. Если объем при определении плотности спрессованной массы составил 80 мл, то плотность будет равна 0,75 (60:80=0,75).
Преимущества низкого содержания воздуха в порошке заключаются в том, что продукт имеет меньший объем, а следовательно, снижаются затраты на расфасовку, он быстрее растворяется в воде.
Обезжиренное сухое молоко, получаемое на вальцовой сушилке, имеет видимую плотность 0,3-0,5 г/мл. Неровные контуры и угловатая форма частиц препятствуют плотной упаковке. Сферическая форма частиц порошка, получаемого при распылительном методе сушки, позволяет проводить плотную упаковку продукта. Важным фактором является и величина воздушного пространства внутри частиц. Видимая плотность обезжиренного сухого молока обычно колеблется от 0,5 до 0,6 г/л. В сухом обезжиренном молоке, содержащем частицы с небольшим количеством окружающего воздуха, величина видимой плотности может достигать значения около 0,8 г/л. Быстрорастворимые порошки имеют меньшую видимую плотность (примерно на 50% ниже, чем аналогичный неагломерированный продукт), поскольку пакуются менее плотно.
Быстрорастворимые сухие молочные продукты
Потребители уделяют большое внимание такому качеству продукта, как удобство его использования. Питьевое молоко и многие другие виды молочных продуктов поступают на рынок в форме, сразу же пригодной для использования. Однако перед употреблением сухих молочных продуктов необходимо растворить их в воде. Растворение, хотя и является достаточно простой операцией, на самом деле представляет сложный физический процесс из-за сложного состава молочных продуктов. Частицы продукта, полученные на распылительной сушилке, в норме обладают хорошей растворимостью, однако плохо смачиваются, диспергируются и набухают в воде. Более того, при смешивании их с водой они частично растворяются, образуя массу липкой консистенции с комочками сухого порошка, в результате чего полное растворение в воде при восстановлении сухого молока затруднено даже при интенсивном перемешивании. В промышленности используется оборудование, которое позволяет проводить восстановление и диспергирование сухих молочных продуктов. Однако в домашних условиях это довольно трудно, поэтому на молочных заводах были вынуждены модифицировать технологию производства и получать сухие молочные продукты с улучшенными смачиваемостью, растворимостью, набуханием и диспергированием. Однако процесс агломерации не улучшает общую растворимость сухих продуктов.
Пиблес и Клери предложили метод производства быстрорастворимых продуктов. Он включает в себя следующие моменты, на которых основано современное производство: 1) однородное смачивание поверхности частиц сухих продуктов в турбулентном потоке пара или минимальном количестве капель воды; 2) агломерация частиц, которая достигается при их столкновении и слипании; 3) стандартизация количества влаги в смоченных частицах; 4) высушивание комков в горячем воздухе или вакууме; 5) охлаждение и стандартизация частиц по величине (последнее включает в себя разрушение больших комков и отделение маленьких частиц). Частицы достаточно смочить для увеличения содержания в них влаги от 12 до 14%, при этом может измениться состояние лактозы (переход, от аморфного в кристаллическое). Количество выкристаллизовавшейся лактозы находится в прямой зависимости от времени выдерживания смоченного порошка перед высушиванием. В результате выдержки перед сушкой продукт становится зернистым и текучим. Частицы диспергируются и быстро набухают, но растворение продукта может протекать медленно, если частицы слишком крупные. Размеры частиц, которые образуют агломераты, составляют от 25 до 50 мкм. Предпочтение отдается порошку, полученному при низкотемпературном и среднетемпературном способе сушки, так как порошки, полученные при высокой температуре, комкуются и чрезмерно дробятся.
При использовании некоторых сушильных установок происходит агломерация сухого молока в процессе его получения. В таких установках сухое молоко распыляется с помощью диска на частицы диаметром 100 мкм и меньше. Получение частиц различного диаметра придает падающим каплям неодинаковую скорость, приводя к столкновению больших и малых частиц. Это приводит к первичной агломерации. Мелкие частицы с воздухом возвращаются из циклона в зону повышенной влажности в сушильной камере, где протекает их агломерация с каплями (процесс вторичной агломерации). Третичной агломерации могут подвергаться частицы, содержащие около 5-9% влаги, по мере их движения в конической части сушильной камеры. В зоны 1, 2 и 3 подается вверх воздух различной температуры через перфорированные устройства, по которым происходит движение частиц. В дальнейшем агломераты стабилизируются, высушиваются до конечного содержания влаги и охлаждаются.
Необходимо осуществлять строгий контроль за температурой при конечном высушивании из-за того, что реакция Мэйлларда имеет максимальную скорость при 15%-ном содержании влаги. При этой влажности достаточно всего лишь 0,1 с для денатурации 50% казеина при температуре 100° С.
В системе Вибро-Флюидайза частицы сухого молока можно покрыть лецитином для улучшения их смачиваемости.
Восстановленные и рекомбинированные молочные продукты
Многие сухие продукты регидрируются перед употреблением. Этот процесс называется восстановлением. Когда происходит добавление больше чем одного компонента молока, то этот процесс носит название рекомбинации. Можно проводить одновременно восстановление и рекомбинацию молочных продуктов.
Многие народности южной части Азии снабжаются жидким молоком, получаемым путем восстановления сухого продукта, в основном обезжиренного сухого молока и обезвоженного молочного жира. Для рекомбинирования молока в отдаленных районах имеются передвижные установки. В Индии восстановленное обезжиренное сухое молоко используется для разбавления натурального молока буйволиц. Таким образом, достаточно высокий процент жира в молоке буйволиц (около 12%) разбавляется до 6%. Это разбавленное молоко удовлетворяет местный спрос на молоко и сохраняет большинство свойств, присущих свежему молоку буйволиц.
Из восстановленного сухого молока некоторые молочные продукты можно вырабатывать. В частности, можно вырабатывать домашний сыр, а также ряд других сыров при ограниченных источниках молока.
Качество сухих молочных продуктов
Как молочная промышленность, так и потребители молочных консервов заинтересованы в получении высококачественных и однородных продуктов. Ни один фактор не оказывает такого влияния на реализацию продукции, как ее привлекательность и качество.
Для преодоления сформировавшихся представлений о продукте низкого качества требуются значительные затраты. Кроме того, молочный завод вынужден изъять свой товар с рынка. Многие молочные заводы включают спецификации в свои заказы на поставки, и при несоответствии продукта этой спецификации магазины отказываются его принять.
Введение стандартов способствует выработке однородной по качеству продукции с присущими ей индивидуальными свойствами, известной везде под одним названием. При этом риск приобрести продукт низкого качества уменьшается.
В стандартах не только характеризуются свойства конечного продукта, но и гарантируется, что продукт, отнесенный к данному сорту, выработан с соблюдением соответствующих санитарных норм. Для производства должно использоваться только свежее молоко, предварительно пастеризованное перед высушиванием. В стандартах США количество бактерий, определенное при непосредственном подсчете под микроскопом для сухого обезжиренного молока, полученного как на вальцовых сушилках, так и распылительных, составляет 100 млн/г. Поскольку для производства 1 кг сухого обезжиренного молока требуется около 10 кг обезжиренного молока, то содержание бактерий в исходном свежем молоке, используемом для сушки, допускается не выше 10 млн/г.
Подсчет количества бактерий производится на препаратах, приготовленных путем нанесения на предметные стекла 0,01 мл восстановленного сухого обезжиренного молока на поверхность в 1 см2. Мазок нанесенного на стекло молока высушивают и красят. Поскольку неживые бактерии окрашиваются так же, как и живые, их тоже подсчитывают под микроскопом. Из-за этого количество бактерий при непосредственном подсчете под микроскопом намного выше значения, получаемого при стандартном методе определения количества бактерий.
При последнем методе определения содержания бактерий подсчитывают только жизнеспособные бактерии в пробе, так как при этом проводится посев пробы на агар.
Присвоение сорта сухим молочным продуктам службами Министерства сельского хозяйства не является обязательным. Сухие молочные продукты сорта А вырабатываются из молока сорта А и в соответствии с правилами, приведенными в инструкции для молока этого сорта.
Смешивание сухого молока с сухой сывороткой можно обнаружить определением содержания белка или отношения белок:лактоза. Из-за значительных колебаний в составе молока эти методы позволяют лишь ориентировочно судить о подобной фальсификации. Более точным тестом является определение нораминовой кислоты, содержащей гликомакропептид, высвобождающийся при действии сычужного фермента на К-казеин. Этот пептид растворяется в трихлоруксусной кислоте и может быть количественно определен с помощью фосфорновольфрамовой кислоты. С помощью этого метода можно установить примесь 2% сухой сыворотки к обезжиренному сухому молоку, полученному методом распылительной сушки. Однако при получении сухого молока пленочным методом высушивания (на вальцовой сушилке) происходит незначительное высвобождение гликомакропептида, что снижает точность метода.
Для сохранения молока и уменьшения его массы и объема его можно сгущать или высушивать. Сгущение обычно производится при кипении в условиях пониженного давления. Концентрат можно обработать таким образом, что он будет хорошо храниться в данном состоянии. Например, стерилизацией получают сгущенное молоко, а добавлением сахара получают сладкое сгущенное молоко. Сухие молочные продукты обычно вырабатываются из предварительно сгущенных молочных продуктов. Продукт, предназначенный для сушки, тонким слоем наносится на вальцы (барабаны), а сухой продукт в виде пленки соскребается с помощью ножей-скребков. Другим способом получения сухого продукта является метод распыления в атмосфере горячего сухого воздуха, который отбирает из него влагу. Продукты, высушенные распылительным методом, можно переработать в быстрорастворимые для улучшения их восстановления. Этот процесс обычно включает в себя смачивание, агломерацию и повторное высушивание.
Различные составные части молока можно высушивать отдельно или в различных комбинациях: обезжиренное молоко, сливки, пахту (при взбивании сливок), сметану, сыр, казеин и изолированные сывороточные белки.