СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХОГО МОЛОКА Российский патент 2008 года по МПК A23C9/00 A23C9/18 A23L3/54 

Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к способам восстановления сухого, преимущественно обезжиренного молока для последующего получения из него сбалансированного молочного продукта путем, например, нормализации или использования его в качестве полуфабриката при производстве кисломолочных напитков, творога, сыра, а также сгущенного молока с сахаром и мороженого.

В молочно-консервной промышленности существует способ получения сгущенного молока [RU 2265339, 2005], который предусматривает восстановление сухого молока цельным молоком или водой и механическую гомогенизацию или диспергирование смеси. Поскольку при реализации способа по его назначению сразу же за этапом восстановления сухого молока следует этап сгущения полученной смеси, то ее стабильность не имеет большого значения. Но низкая стабильность препятствует достижению поставленной цели настоящего изобретения при получении восстановленного молока, которая сформулирована ниже. Компоненты сухого молока, механически смешиваемого с цельным молоком, слабо гидратируются водой, являющейся основой его эмульсионной среды, так как эта вода уже входит в состав термодинамически равновесной коллоидно-дисперсной системы. Поэтому нерастворимые молочные белки сухого молока могут приобрести гидратные оболочки, только нарушив равновесие системы цельного молока, что приведет к низкой стабильности всей получаемой смеси. В случае использования воды вместо цельного молока для обеспечения достаточного уровня гидратации компонентов сухого молока и обеспечения тем самым стабильности полученной смеси требуется предварительный подогрев воды, для которого, в свою очередь, необходимы дополнительные затраты энергии.

Известен способ гомогенизации цельного молока путем воздействия энергией кавитации [RU 2283584, 2006], порождаемой акустическими волнами заданной амплитуды звукового давления. При его осуществлении за счет вызываемых пульсациями кавитационных пузырьков локальных флуктуаций температуры и давления происходит частичный гидролиз молочного жира. При этом образуются обладающие двойственной растворимостью ди- и моноглицериды жирных кислот, которые являются стабилизаторами эмульсии молочного жира. Белки также являются стабилизаторами эмульсии и при гомогенизации их добавляют в состав сухого обезжиренного молока в количестве, как минимум, пропорциональном увеличению удельной поверхности жира в результате его диспергирования. То есть здесь также осуществляют восстановление сухого молока цельным в процессе гомогенизации последнего. Продукты гидролиза жира и белки добавленного сухого молока создают на вновь образовавшихся границах раздела эмульсионных фаз молока разделительную оболочку, препятствующую коалесценции молочного жира. Но отщепленные от жира в процессе гидролиза жирнокислотные остатки - ацилы - увеличивают кислотность и снижают рН получаемой смеси, что обуславливает предрасположенность казеина цельного молока к коагуляции, агрегации и снижению тем самым общей стабильности смеси [1]. Это не позволяет получить сформулированный ниже технический результат при использовании этого способа для восстановления сухого обезжиренного молока.

Известен способ приготовления заменителя цельного молока [RU 2264718, 2005], заключающийся в том, что сухие компоненты растворяют в воде, которую предварительно подвергают униполярной обработке постоянным электрическим током, добавив в нее неорганическую соль или смесь солей. Известно, что при униполярной электрохимической обработке раствора электролита в нем образуется избыток ионов одного знака, который может препятствовать диффузии раствора внутрь твердых частиц [2], в данном случае частиц сухого молока, состоящих в основном из казеина. Это ослабляет гидратацию казеина и иммобилизацию им молекул воды, а также несмотря на достаточно высокое значение рН используемого при осуществлении способа раствора снижает стабильность получаемой смеси. Кроме того, этим способом нельзя воздействовать на компоненты сухого молока, если их предварительно растворить в воде. Многие компоненты сухого молока, например соли кальция, натрия, калия и магния, а также некоторые органические кислоты являются электролитами и могут вызвать электродные реакции с образованием газов, жидких и твердых веществ, не свойственных составу молока или молочной смеси. Все это не позволяет использовать способ для достижения сформулированного ниже технического результата.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ гидратации биополимеров [RU 2279918, 2006], при котором обработку воды кавитацией также производят при звуковом давлении вызывающей кавитацию ультразвуковой волны, не менее чем в 5,5 раза превышающем гидростатическое давление в воде. Затем смешивают воду с биополимерной массой, например компонентами сухого молока. Способ исключает термическую и химическую денатурацию гидратируемых биополимеров, так как при его осуществлении исключено непосредственное воздействие на них кавитации. Он также используется для приготовления заменителей цельного молока и для восстановления сухого молока.

Этот способ принят за прототип.

Достижению при его использовании сформулированного ниже технического результата препятствуют следующие обстоятельства. Известно, что в молоке молекулы воды, являющейся его дисперсионной средой, связаны полярными группами биомакромолекул молочных белков и фосфатов кальция и подвергают их, как и другие биополимеры, гидратационной структуризации [3]. Фосфаты кальция слабо растворяются в воде и имеют незначительную степень диссоциации, то есть лишь небольшая их часть может образовать истинный раствор, а большая образует коллоидный раствор с гидрофобной фазой. Таким образом, если вода при использовании прототипа для восстановления сухого молока после кавитационного воздействия на нее оказывается подготовленной к реакции гидратации, так как молекулярные ассоциаты в ней, образованные водородными связями молекул между собой, разрушаются под воздействием кавитации [2], то сухое молоко - нет. Известно, что аномально высокая растворяющая способность воды после кавитационного воздействия, выводящего ее из термодинамического равновесия, ослабляется по мере релаксации этого неравновесного состояния. Это происходит довольно быстро. Например, равновесие между фазами истинного и коллоидного раствора электролитов типа А⁺B^- устанавливается менее чем за минуту после прекращения воздействия кавитации [4]. Поэтому в процессе механического перемешивания с водой до состояния однородной суспензии порошок сухого молока будет гидратирован мономолекулами воды лишь частично, а равновесие между коллоидным и диссоциированным фосфатом кальция установится раньше, чем казеин образует устойчивые мицеллы. Значит, дисперсность коллоидной фазы будет пониженной, а коллоидная система в целом - нестабильной.

Изобретение направлено на получение стабильного, устойчивого к расслоению под действием внешних сил (в том числе гравитации) восстановленного молока при минимальных энергозатратах.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, кавитация обладает диспергирующим действием на взвешенные в жидкости твердые и жидкие частицы [5] и дезинтегрирующим действием на структуру воды, сопровождающимся выведением ее из термодинамического равновесия [4]. То есть для подготовки компонентов сухого молока к вступлению в реакцию гидратации и максимального сохранения гидратационной активности воды следует сначала механически смешать сухое молоко с водой, а затем обработать смесь кавитацией. Явления кавитационной дезинтеграции по уровням мощности подразделяются на кавитационную сегрегацию (разрушение адгезионных связей), кавитационную эрозию (разрыв межмолекулярных связей) и кавитолиз (разрыв внутримолекулярных связей) [6]. При обработке воды, используемой для гидратации биополимеров, выбран уровень мощности кавитации, соответствующий кавитолизу. Если же кавитолизу подвергать смесь сухого молока и воды с целью диспергирования его частиц, то высокая мощность кавитации, соответствующая этой разновидности дезинтеграции, приведет к необратимой денатурации и неферментативному расщеплению белков [5]. Эффективность дезинтегрирующего действия ультразвуковой кавитации зависит от параметров вызывающего ее ультразвука, удельного акустического сопротивления жидкости z [7] и характеризуется интенсивностью ультразвука I [8]. Мощность кавитации зависит также от гидростатического давления в жидкости p_h. Для получения технического результата изобретения интенсивность ультразвука должна быть достаточна для разрушения кавитацией водородных связей в воде и диспергирования частиц сухого молока с образованием активных центров в структуре белка. Но при этом она не должна приводить к расщеплению белка на аминокислоты. Установлено, что для выполнения этих условий величина, равная интенсивности порождающего кавитацию ультразвука, отнесенной к квадрату гидростатического давления в смеси, не должна превышать 2,3·10^-5 Вт/(м²·Па²) или 23 м/(МПа·с).

Техническим результатом изобретения является получение с минимальными затратами энергии устойчивого к расслоению под действием гравитации и других внешних сил восстановленного молока.

Технический результат достигается за счет того, что в способе восстановления молока с использованием ультразвуковой обработки, отличие состоит в том, что механическую смесь сухого молока с водой обрабатывают при отношении интенсивности ультразвука, вызывающего в ней кавитацию, к квадрату статического давления в смеси не выше 23 м/(МПа·с).

Предлагаемый способ был сравнен посредством лабораторного эксперимента с прототипом и традиционным способом восстановления сухого молока подогретым до +45°С (от комнатной температуры). В качестве жидкой среды использовалась вода, соответствующая СанПиН 2.1.4.1116-02. Сухое обезжиренное молоко, содержащее 32,4% белка, 0,7% жира и 50% углеводов, механически до полного растворения комочков смешивалось с водой в пропорции 1:6. Удельное акустическое сопротивление смеси составляло 1,5·10⁶ кг/(м²·c). Обработка смеси ультразвуком производилась в течение 20 с в реакторе объемом 170 мл при температуре +22°С, атмосферном давлении и с амплитудой колебательного смещения рабочего торца излучателя А_х, равной при одном режиме около 2,5, а при другом - около 4,5 мкм. Амплитуда звукового давления, равная [7, 8] А_p=ωzA_x (ω - угловая частота ультразвуковых колебаний, равная в эксперименте 2·π·22 кГц), составляла для двух этих режимов 0,38 и 1,14 МПа или 4,7p_h и 8,5p_h, а интенсивность излучения, отнесенная к квадрату гидростатического давления, соответственно, 7 и 24 м/(МПа·с). Таким образом, заявленному изобретению соответствовал первый режим, а прототипу, где амплитуда звукового давления не ограничена сверху, - второй. Из трех образцов первый изготавливался традиционным способом восстановления сухого молока подогретой водой, второй - способом, выбранным прототипом заявленного изобретения, и третий - заявленным способом.

Относительная устойчивость к расслоению образцов измерялась фотометрическим методом [9, 10]. Для этого у проб каждого из образцов, взятых из верхней и нижней четверти объема мерного стакана после суточного отстаивания при температуре +8°С, с помощью спектрофотометра были измерены коэффициенты пропускания на длине волны 550 нм и вычислено их отношение. Полученные значения приведены в таблице. Мощность, затрачиваемая на восстановление с использованием ультразвуковой кавитации, вычислялась как I·S, где S - площадь рабочего торца излучателя ультразвука, равная 11 см² [7]. Теплоемкость смеси при вычислении удельной энергоемкости традиционного процесса восстановления принималась равной 3,9 кДж/(кг·К).

ПараметрСпособтрадиционныйпрототипзаявленныйОтношение коэффициентов пропускания0,890,920,94Удельные энергозатраты, кВт·ч/т24,97,84,7

Из таблицы видно, что самая высокая стабильность смеси при самых низких энергозатратах получена заявленным способом. То есть технический результат изобретения достигнут, а сравнение заявленного способа с аналогами, характеризующими известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, в том числе наиболее близким, показывают, что заявленный способ обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличиями. При анализе отличительных признаков заявленного способа не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к соотношению интенсивности ультразвука и гидростатического давления в смеси сухого молока и используемой для его восстановления воды с целью повышения стабильности восстановленного молока при минимальных энергозатратах на восстановление.

Для восстановления сухого молока в промышленном масштабе может быть использован, например, индустриальный ультразвуковой процессор UIP4000 фирмы Hielscher systems GmbH (Германия) [11]. Последний имеет электрическую мощность преобразователя 4000 Вт, КПД 90% и площадь излучающей плоскую ультразвуковую волну поверхности сонотрода KS20d65L6 около 0,01 м². Таким образом, он может излучать в жидкость ультразвук интенсивностью 0,9·4000:0,01=3,6·10⁵ Вт/см². Чтобы обрабатывать на нем, например, смесь сухого молока с водой с удельным акустическим сопротивлением равным, например, 1,5·10⁶ кг/(м²·с) заявленным способом, необходимо, чтобы статическое давление в реакторе аппарата было не меньше (3,6·10⁵:2,3·10^-5)^0,5=1,25·10⁵ Па или 1,25 атм.

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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - М: Легкая и пищевая промышленность, 1984.

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

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

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

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

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

7. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959.

8. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974.

9. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. Т.1. - М.: Изд-во иностр. литературы, 1955.

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

11. www.hielscher.com.

В способе восстановления молока с использованием ультразвуковой обработки механическую смесь сухого молока с водой обрабатывают при отношении интенсивности ультразвука, вызывающего в ней кавитацию, к квадрату гидростатического давления в смеси не выше 23 м/(МПа·с). Изобретение направлено на получение стабильного, устойчивого к расслоению под действием гравитации и других внешних сил восстановленного молока при минимальных энергозатратах на восстановление. 1 табл.

Способ восстановления молока с использованием ультразвуковой обработки, отличающийся тем, что механическую смесь сухого молока с водой обрабатывают при отношении интенсивности вызывающего кавитацию ультразвука к квадрату гидростатического давления в смеси не выше 23 м/(МПа·с).