СПОСОБ ГОМОГЕНИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОКО ГОМОГЕНИЗИРОВАННОЕ Российский патент 2006 года по МПК A01J11/16 A23C9/00 

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способам гомогенизации молока, и может быть использовано также для гомогенизации сливок.

Известен способ гомогенизации молока в многоступенчатом роторно-пульсационном аппарате [RU 2222952, 2002]. В таком аппарате гомогенизация происходит под воздействием энергии гидродинамической кавитации [1], которая возникает в результате появления градиентов давления в обрабатываемой жидкой среде. При увеличении площади поверхности жировой фазы молока в процессе гомогенизации на поверхности шариков жира возникает дефицит оболочечных веществ, стабилизирующих эмульсию молока, частью которых служат белки гидрозоля, являющегося его дисперсионной средой [2]. Для образования оболочек на увеличившейся границе раздела фаз при такой гомогенизации кроме дефицита белков недостаточно еще и других стабилизирующих веществ, таких как ди- и моноглицериды жирных кислот. Известно, что по максимально достижимым импульсам давления гидродинамическая кавитация аналогична акустической кавитации с амплитудой переменного звукового давления не выше 0,5·10⁵ Па [3]. Известно также, что условия, при которых происходит гидролиз жиров с образованием ди- и моноглицеридов жирных кислот, требуют преодоления порога кавитации в этих жирах [4], который при гидродинамической кавитации осуществим только в особых условиях [RU 2172207, 2001]. Такие условия существования непосредственного контакта поверхности, с которой распространяются колебания, с жиром, в молоке осуществить невозможно, так как оно является эмульсией прямого типа, в которой жир существует в виде эмульсионной фазы [5]. Все это впоследствии ведет к обратной гомогенизации и диспергированию процесса расслоения с образованием сливок с последующей коагуляцией и коалесценцией жира. Полученное таким способом гомогенизированное молоко как водно-жировая эмульсия нестабильно.

Из [SU 576998, 1977] известно устройство для гомогенизации молока, в котором также используется эффект гидродинамической кавитации, следовательно, обладающее в части достижения технического результата настоящего изобретения теми же недостатками.

Существует способ производства кисломолочного продукта [RU 2101969, 1998], в котором молочное сырье перед пастеризацией нормализуют сухим обезжиренным молоком. Белки сухого молока, добавляемые в цельное молоко без его гомогенизации, будут существовать в нем в виде самостоятельных белковых хлопьев и глобул в среде, а не на границах жировой фазы, оболочка которой в этом случае сохраняет целостность, так как удельная поверхность ее не меняется.

Известен способ приготовления сыра с нормализацией молока сливками и последующей ультразвуковой обработкой [RU 2095992, 1992]. Здесь в результате получают твердый продукт - сыр - то есть технический результат настоящего изобретения здесь вовсе не имеет смысла.

Известен способ, описанный в патенте на устройство, которое используется для гомогенизации, в том числе и молока по [СА 2111802, 1992]. В способе, реализуемом этим устройством, невозможно управление соотношением гидростатического давления и переменного звукового давления в пучностях акустической волны. Зазор, где протекает процесс, в устройстве настолько мал, что не содержит даже одной единственной пучности акустической волны, как известно, располагающейся на расстоянии от источника волны, равном четверти длины волны в жидкости [6-8], и содержащей максимум переменного давления в волне. То есть, хотя кавитация в этом устройстве по способу возбуждения и является акустической, но по трансформируемому уровню энергии она идентична гидродинамической, недостатки которой в достижении технического результата описаны выше.

Наиболее близким аналогом является способ гомогенизации молока [RU 2172107, 2000], включающий обработку молока путем рециркулирования через акустический излучатель в условиях кавитации. Обработку проводят при температуре +40...+85°С. Именно нагрев молока является недостатком этого способа, препятствующим достижению сформулированного ниже технического результата. Как известно [6], кавитационный порог в жидкостях при увеличении температуры снижается, но это сопровождается и снижением энергии самой кавитации. Вблизи температуры кипения жидкости кавитация в ней как физическое явление невозможна вообще. Поскольку температура кипения воды ниже, чем температура кипения молочного жира, то этим способом также невозможно создать условия преодоления порога кавитации в молочном жире.

Задачей настоящего изобретения является получение устойчивого к расслоению, коагуляции и коалесценции жира гомогенизированного молока.

Указанная задача решается тем, что на молоко воздействуют энергией акустической кавитации, причем амплитуда переменного звукового давления в пучностях давления акустических волн составляет не менее 2,5·Р₀, где Р₀ - статическое давление в молоке. Кроме того, перед гомогенизацией в молоко добавляют белки в количестве не менее, чем C_p·dS, где С_р - исходное содержание белка в молоке; dS - ожидаемое относительное увеличение удельной поверхности жировой фазы молока в результате гомогенизации.

Для обеспечения устойчивости к расслоению требуется ввести в состав оболочки жировых шариков эмульгирующие вещества. Например, молочный жир наружных слоев жирового шарика в молоке, содержит большое количество высокоплавких триглицеридов. Известно, что продукты гидролиза триглицеридов жира: ди- и моноглицериды, являются стабилизаторами эмульсий, так как обладают двойственной растворимостью [4]. При кавитации в жире и воде за счет локальных флуктуаций температуры и давления одновременно могут происходить отщепление ацилов от триглицеридов и диссоциация воды на ионы водорода и гидроксилы. В результате происходит реакция гидролиза, протекающая по схеме [7]:

где RCOOH - жирнокислотный остаток (ацил).

Таким образом, кавитационная гомогенизация может сопровождаться частичным кавитационным гидролизом молочных жиров водой, являющейся эмульсионной средой молока. Для этого необходимо, чтобы кавитация возникала не только в среде, но и в жировой фазе, или хотя бы на границе их раздела. Экспериментально было установлено, что порог акустической кавитации в липидах с температурой кристаллизации ниже +5°С при статическом давлении 10⁵ Па составляет 2,5·10⁵ Па. Наибольшее значение переменного давления достигается в пучности акустической волны, а при изменении статического давления амплитуда переменного звукового давления для сохранения соотношения потенциальной и кинетической энергии кавитации должна изменяться пропорционально [9].

Дисперсность молока как любой дисперсной системы обратно пропорциональна среднему диаметру частиц и определяется удельной поверхностью, то есть отношением общей поверхности частиц дисперсной фазы к единице объема этой дисперсной фазы - жира. Удельная поверхность является усредненным показателем дисперсности [10]. Следовательно, при гомогенизации и диспергировании увеличивающаяся площадь поверхности раздела фаз эмульсии молока пропорциональна увеличению удельной поверхности жировой фазы. Существует множество методов определения эффективности гомогенизации, основанных на явлении седиментации - расслоения под действием внешних сил, например гравитации (метод отстаивания) или центробежной силы (метод центрифугирования) [2], точно указывающих на изменение удельной поверхности.

Поскольку белки являются стабилизаторами эмульсии, то при гомогенизации нужно добавлять их в количестве, как минимум, пропорциональном увеличению удельной поверхности жира. Тогда продукты гидролиза жира и добавленные белки создадут оболочку, идентичную натуральной оболочке жировых шариков молока на вновь образовавшихся границах раздела фаз. Белки могут добавляться в виде коллоидного раствора или сухого вещества. Если эти белки будут добавлены в молоко перед гомогенизацией, то в процессе ее они также подвергнутся кавитационному диспергированию и гидратации [11], что лучше подготовит их к образованию оболочек на шариках жира.

Таким образом, анализ сущности заявленного способа и сравнение его с наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывают, что заявленный способ обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

Известен способ обработки рассола для посола мясного сырья воздействием энергии кавитации [RU 2245624, 2004], в котором осуществляют управление переменным звуковым давлением относительно гидростатического давления в рассоле. Однако целью такого управления является исключение из посолочного рассола неорганических влагоудерживающих и цветостабилизирующих добавок, а также снижение содержания консервантов за счет повышения диссоциирующей способности воды под воздействием кавитации. Кроме того, применение способа ограничено обязательным использованием аппарата, в котором акустические колебания образуют стоячую волну. Известно, что в стоячей волне всегда наблюдается эффект разделения взвешенных в жидкости частиц по размерам за счет действия сил Бьеркнеса и Бернулли [7], то есть эффект, обратный гомогенизации и способный привести к коагуляции жира.

Таким образом, при анализе отличительных признаков заявленного способа кавитационной гомогенизации не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к возбуждающему кавитацию переменному давлению, и соотношению содержания белка и удельной поверхности жировой фазы, с целью повышения стабильности гомогенизируемого молока - его устойчивости к расслоению.

Предлагаемый способ может быть проиллюстрирован следующим примером реализации. В качестве аппарата для поточной гомогенизации молока или сливок может быть использован аппарат для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред типа «Сиринкс 2500» (СИТБ.443146.002ТУ). Амплитуда переменного давления в акустической волне, образующейся в реакторе аппарата при его работе, известна из его технических характеристик и составляет 3,5·10⁵ Па. Таким образом, для выполнения первого отличительного признака изобретения, который требует амплитуды звукового давления в пучности давления не меньшей, чем 2,5·P₀, статическое давление P₀ в гомогенизируемом молоке должно быть не ниже 3,5·10⁵:2,5=1,4·10⁵ Па. Это обеспечивалось дросселированием потока молока на выходе из реактора аппарата, в который оно подавалось центробежным насосом.

В таблице 1 приведены данные о составе сырья использованного при реализации конкретного применения изобретения. В таблице 2 приведены примеры конкретного использования изобретения в сравнении с ближайшим аналогом.

Таблица 1ПАРАМЕТР/СЫРЬЕСОСТАВ, %БелокЖирУглеводыМолоко цельное коровье2,8 3,24,6Молоко сухое обезжиренное32,01,550,0Пахта (обезжиренное молоко)3,30,4...0,74,7

Молоко обрабатывали в аппарате «Сиринкс 4000» с производительностью процесса 450 л/ч, гидростатическим давлением 1,5 атм, при температуре +18...+19°С. При сравнении заявленного способа с ближайшим аналогом по достижению с их помощью технического результата изобретения молоко во втором случае нагревали до температуры +40°С.

Величина изменения удельной поверхности жировой фазы при гомогенизации предварительно определялась следующим образом.

Известно, что увеличение удельной поверхности фазы эмульсии, состоящей из сферических частиц, при диспергировании пропорционально уменьшению среднего радиуса частицы. Средний радиус капельки жира в молоке определяется посредством вычисления из значений оптических плотностей, измеренных при пропускании через образец молока световых потоков с двумя разными длинами волн 400 и 1000 нм, монохроматического излучения известным методом, используя спектрофотометр для этого [12]. Этим методом было установлено, что гомогенизация молока в режиме, соответствующем первому признаку изобретения, привела к разделению жирового шарика среднего диаметра приблизительно на 4 шарика меньшего в 1,6 раза диаметра. Следовательно, при неизменной массе жира в молоке удельная поверхность жировой фазы увеличилась в раза. Значит, приращение dS составило 0,6. Это в соответствии со вторым признаком изобретения требует добавления перед гомогенизацией на один килограмм молока (см. таблицу 1) 1000·0,028·0,6=16,8 г молочных белков, которые содержатся в 52,5 г сухого обезжиренного молока или в 510 г пахты.

Устойчивость полученного гомогенизированного молока к расслоению проверялась методом центрифугирования посредством известного и используемого в молочной промышленности параметра, характеризующего седиментационную устойчивость и называемого «степень гомогенизации» [2]. Результаты сравнения с прототипом в виде средних значений по 10 экспериментам сведены в таблицу 2.

Таблица 2ПАРАМЕТР/ВАРИАНТ ввода белкаСТЕПЕНЬ ГОМОГЕНИЗАЦИИ, %Заявленный способПрототип1-й признакоба признакаВ виде сухого обезжиренного молока82±2,085±1,965±1,7В виде пахты83±1,989±1,9 

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

Литература

1. Пастеризация молока и сыворотки в суперкавитирующем аппарате роторно-пульсационного типа // Молочная промышленность, 1999, 8, с.32-33.

2. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - Санкт-Петербург: ГИОРД, 2003.

3. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. Ч.1 // Хранение и переработка сельхозсырья, 2004, 7, с.24-28.

4. Шестаков С.Д. Кавитационный реактор как средство приготовления и стабилизации эмульсий // Хранение и переработка сельхозсырья, 2003, 3, с.27-30.

5. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. Т.1. - М.: ИИЛ, 1955.

6. Knapp R., Daily J., Hammitt F. Cavitation. - New York: McGraw Book Company, 1970.

7. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора. - М.: ЕВА-пресс, 2001.

8. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956.

9. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность. Ч.2 // Хранение и переработка сельхозсырья, 2004, 10, с.9-13.

10. Большая Советская Энциклопедия. - М: Изд. Советская Энциклопедия, т.8, ст. «Дисперсность», 1972.

11. Шестаков С.Д. Энергетическое состояние воды и ее связываемость биополимерами пищевого сырья: Новые возможности // Хранение и переработка сельхозсырья, 2003, 4, с.35-37.

12. Г.Н.Крусь, А.М.Шалыгина, З.В. Волокитина. Методы исследования молока и молочных продуктов. - М.: Колос, 2002.

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способам гомогенизации молока. Способ гомогенизации молока заключается в воздействии на молоко энергией акустической кавитации с амплитудой переменного звукового давления в пучностях давления акустических волн, не менее чем в 2,5 раза превышающей статическое давление в молоке. Перед гомогенизацией в молоко добавляют белки в количестве не менее чем С_р·dS, где С_р - исходное содержание белка в молоке; dS - ожидаемое относительное увеличение удельной поверхности жировой фазы молока в результате гомогенизации. Представлено также молоко гомогенизированное, полученное этим способом. Способ позволяет повысить стабильность гомогенизируемого молока - его устойчивость к расслоению. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ гомогенизации молока путем воздействия энергией акустической кавитации, отличающийся тем, что амплитуда переменного звукового давления в пучностях давления акустических волн составляет при этом не менее 2,5 Р₀, где Р₀ - статическое давление в молоке.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед гомогенизацией в молоко добавляют белки в количестве не менее чем С_р·dS, где С_р - исходное содержание белка в молоке; dS - ожидаемое относительное увеличение удельной поверхности жировой фазы молока в результате гомогенизации.3. Молоко, гомогенизированное в соответствии с п.1 или 2.