СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОЧНОЙ СМЕСИ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ БЕЛКА И ВЫСОКОБЕЛКОВАЯ МОЛОЧНАЯ СМЕСЬ Российский патент 2008 года по МПК A23C9/00 A23L3/30 A23C21/06 

Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к способам приготовления молочных смесей, и может быть использовано для получения высокобелкового молочного полупродукта, из которого производят кисломолочные напитки, творог или сыр.

Существует способ производства кисломолочного продукта [RU 2101969, 1998], в котором молочное сырье нормализуют сухим обезжиренным молоком. Сухое молоко, добавляемое в цельное молоко, существует в нем в виде хлопьев. Они слабо гидратируются водой, являющейся основой эмульсионной среды цельного молока, так как эта вода уже входит в состав коллоидного раствора, являющегося термодинамически равновесной системой. Поэтому частицы внесенного сухого молока, содержащие нерастворимые молочные белки с высокой молекулярной массой, набухая, не будут приобретать снижающие их плотность в растворе гидратные оболочки достаточной толщины, что приведет к седиментационной неустойчивости получаемой смеси.

Известен способ получения концентрированного стерилизованного молока (Заявка РФ 2002104921), включающий его гомогенизацию в клапанном гомогенизаторе, где в качестве одного из компонентов исходного сырья используют восстановленное в воде сухое обезжиренное молоко. Частицы восстановленного сухого молока за счет диспергирования в зазоре клапана гомогенизатора измельчаются и гидратируются. Но ни процесс восстановления сухого молока, проводимый при температуре 45°С, ни механическая гомогенизация не обладают энергией, способной разрушить водородные связи в самой воде, ослабляющие ее гидратационную способность [1]. Известен также способ обработки молока в роторно-пульсационном аппарате [RU 2222952, 2002], который может быть использован для обработки молочных смесей. В таком аппарате в результате появления градиентов давления возникает гидродинамическая кавитация, которая существует и действует вблизи кавитационного порога [1]. Поэтому ее наличие не приводит к значимому для увеличения гидратационной активности воды разрушению водородных связей. Значит, и полученная любым из этих способов молочная смесь также не будет седиментационно устойчивой.

Наиболее близким аналогом заявленного является способ гомогенизации молока [RU 2283584, 2006] путем воздействия на него энергией акустической кавитации при заданном значении амплитуды звукового давления, обеспечивающем гидролиз молочного жира с образованием стабилизирующих эмульсию ди- и моноглицеридов жирных кислот. Для повышения стабильности эмульсии молока на границе между жировой фазой и водной средой, увеличивающейся в процессе гомогенизации, искусственно создают разделительную белковую оболочку. Для этого в молоко перед гомогенизацией добавляют белки в количестве, пропорциональном ожидаемому увеличению удельной поверхности жировой фазы. Поэтому смесь получается высокобелковой. Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа является то, что в результате гидролиза молочного жира образуются также жирнокислотные остатки - ацилы, наличие которых в дисперсной системе, каковой является гомогенизированное молоко, повышает ее кислотность и снижает стабильность [2]. Это не позволяет достигнуть указанного ниже технического результата изобретения с помощью этого способа.

Изобретение направлено на получение устойчивых к расслоению высокобелковых молочных смесей.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, кавитация обладает диспергирующим действием на взвешенные в жидкости твердые и жидкие частицы [3] и дезинтегрирующим действием на структуру воды, образованную водородными связями молекул между собой, сопровождающимся выведением ее из термодинамического равновесия [1]. Вода на время релаксации неравновесного состояния приобретает аномально высокую гидратационную способность по отношению к биополимерам, в том числе к белкам [4]. Эффективность дезинтегрирующего действия ультразвуковой кавитации зависит от параметров ультразвука и физических свойств жидкости - ее плотности и скорости звука в ней, произведение которых называется удельным акустическим сопротивлением среды [5], и может характеризоваться интенсивностью вызывающего кавитацию ультразвука [6]. Мощность кавитации при прочих равных условиях зависит также от гидростатического давления в жидкости.

Экспериментально было установлено, что интенсивность порождающего кавитацию ультразвука, достаточная для разрушения водородных связей в водной среде коллоидной системы молока и диспергирования частиц сухого молока, сопровождающегося образованием свободных активных центров в структуре белка, умноженная на удельное акустическое сопротивление смеси и деленная на квадрат гидростатического давления в ней, является безразмерным критерием подобия процесса. Для достижения технического результата изобретения при условии, что акустическая кавитация в смеси имеет место, численное значение этого критерия должно быть ограничено сверху и не должно превышать 39.

Техническим результатом изобретения является получение устойчивой к расслоению молочной смеси с повышенным содержанием белка.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения высокобелковой молочной смеси путем акустической обработки механической смеси жидкой основы и источника белка отличие состоит в том, что значение произведения интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси, отнесенного к квадрату статического давления в ней, не превышает 39. В качестве жидкой основы смеси используют цельное молоко, пахту, молочную сыворотку либо их смеси, а в качестве источника белка - сухое обезжиренное молоко. Высокобелковая молочная смесь, полученная таким способом, устойчива к расслоению, имеет высокое содержание белка и допустимую для молода титруемую кислотность.

Предлагаемый способ был сравнен посредством лабораторного эксперимента с прототипом. Для акустической обработки молочной смеси использовался лабораторный аппарат, имеющий четыре режима излучения ультразвука с интенсивностями 1,0; 2,0; 3,0 и 4,0 Вт/см². В качестве жидкой основы приготавливаемой смеси использовалось цельное молоко, содержащее 2,8% белка, 3,2% жира и 48% углеводов. В качестве источника белка использовалось сухое обезжиренное молоко (СОМ), содержащее 32,4% белка, 0,7% жира и 50% углеводов. Обработка производилась при атмосферном давлении. Объем образца смеси составлял 170 мл, время обработки 20 с. Амплитуда звукового давления, как известно, равная корню квадратному из интенсивности звука, умноженной на удвоенное удельное акустическое сопротивление [5], составляет для четырех режимов работы аппарата соответственно 0,17; 0,24; 0,29 и 0,34 МПа. Поэтому для реализации прототипа, где амплитуда звукового давления должна превышать в данном случае атмосферное давление в 2,5 раза, то есть быть не менее 0,25 МПа, использовался третий режим.

Для реализации заявленного изобретения, где выполнение условия, диктуемого отличительным признаком, обеспечивается в данном случае превышением интенсивностью ультразвука порога кавитации в смеси, использовался первый режим. Относительная седиментационная устойчивость образцов измерялась фотометрическим методом [7]. Для этого у проб каждого из образцов, взятых из нижней и верхней четвертей объема мерного стакана после восьмичасового отстаивания при температуре +8°С, спектрофотометром СФ-46 на длине волны 550 нм были измерены значения относительных коэффициентов пропускания (относительно жидкой основы смеси - цельного молока). Средние по пяти замерам значения характеристик образцов и проб приведены в таблице. В графе «Коэффициенты пропускания» числителем дроби показано значение, измеренное в пробе, взятой из верхней четверти объема мерного стакана, знаменателем - из нижней.

У смесей, приготовленных способом-прототипом, оптическая плотность в целом выше, так как у них выше получаемая в результате гомогенизации дисперсность. Но по отношению коэффициентов пропускания образцов, взятых из разных уровней объема смеси после ее отстаивания, расслоение под действием гравитации проб, приготовленных заявленным способом, меньше. То есть седиментационная устойчивость у них выше и технический результат достигнут.Таким образом, сравнение заявленного способа 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 отличиями. При анализе отличительных признаков заявленного способа не выявлено каких-либо известных решений, касающихся установления требований к соотношению интенсивности ультразвука, гидростатического давления и акустического сопротивления среды, выраженному в виде безразмерного критерия подобия процесса акустической обработки высокобелковой молочной смеси с целью повышения ее устойчивости к расслоению.

Для кавитационной обработки высокобелковой молочной смеси в промышленном масштабе может быть использован, например, аппарат для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред типа «СИРИНКС 4000» [8] или индустриальный ультразвуковой процессор UIP4000 фирмы Hielscher systems GmbH (Германия) [9]. 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/м². Чтобы обрабатывать на нем молочную смесь с удельным акустическим сопротивлением равным, например, 1,5·10⁶ кг/(м²·с), заявленным способом, необходимо, чтобы давление ней было не меньше (3,6·10⁵·1,5·10⁶/39)^0,5=1,2·10⁵ Па. Этого можно легко добиться, подавая смесь в аппарат посредством нагнетающего насоса и дросселируя ее на выходе.

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. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность // Хранение и переработка сельхозсырья, 7, 10, 2004. - с.24-28, 9-13.

2. Кроит Г.Р. Наука о коллоидах., т.1. - М.: Изд. ин. литературы, 1955.

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

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

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

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

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

8. Аппараты «Сиринкс» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред. Технические условия СИТБ.443146.002ТУ, 2002.

9. www.hielscher.com.

Способ получения высокобелковой молочной смеси заключается в акустической обработке механической смеси жидкой основы и источника белка. Обработка осуществляется при заданном значении безразмерного критерия подобия процесса. Этим критерием является произведение интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси, деленное на квадрат гидростатического давления в ней. В качестве жидкой основы смеси используют цельное молоко, пахту, молочную сыворотку либо их смеси, а в качестве источника белка - сухое обезжиренное молоко. Высокобелковая молочная смесь, получаемая таким способом, устойчива к расслоению, имеет высокое содержание белка и допустимую для молока титруемую кислотность. 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения высокобелковой молочной смеси путем акустической обработки механической смеси жидкой основы и источника белка, отличающийся тем, что значение произведения интенсивности ультразвука на удельное акустическое сопротивление смеси, отнесенного к квадрату гидростатического давления в ней, не превышает 39.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой основы используют цельное молоко.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой основы используют пахту.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой основы используют молочную сыворотку.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой основы используют механическую смесь цельного молока, пахты и молочной сыворотки, составленную в любом сочетании и любых пропорциях.6. Способ по п.1 и любому из пп.2-5, отличающийся тем, что в качестве источника белка используют сухое обезжиренное молоко.7. Высокобелковая молочная смесь, полученная в соответствии с пп.1-6.