КИСЛОМОЛОЧНЫЕ И ПАСТООБРАЗНЫЕ ПРОДУКТЫ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОЖИРНЫХ СЛИВОК в МАСЛО
Разработка метода производства масла путем преобразования высокожирных сливок потребовала углубленного изучения процессов структурообразования в дисперсной системе, обраще
ния фаз, а также фазовых изменений глицеридов молочного жира при термомеханической обработке высокожирных сливок, выяснения их сущности и роли в маслообразовании, формировании структуры и консистенции готового продукта. Исследования советских ученых (М. М. Казанского, Г. В. Твердохлеб, А. Д. Грищенко, Ф. А. Вышемирского и их учеников) позволили внести определенную ясность в трактовку физико-химических процессов, происходящих при выработке масла методом преобразования высокожирных сливок.
Обобщим современные данные, рассмотрим, как происходят фазовые изменения глицеридов молочного жира, обращение фаз, образование структуры и консистенции сливочного масла, получаемого из высокожирных сливок. Эти процессы протекают как в маслообразователе, так и по выходе из него — в монолите, в условиях покоя.
Для образования масла необходимо провести концентрацию и сближение жировых шариков, кристаллизацию в них глицеридов под воздействием низких температур, обращение фаз и образование структуры. При получении высокожирных сливок достигаются максимальная концентрация и сближение жировых шариков. Между ними образуется очень тонкая адсорбционно - гидратная прослойка. Несмотря на максимальное сближение поверхностей жировых шариков, самопроизвольного разрушения их липопротеиновых оболочек не происходит, пока они пребывают при температуре выше точек затвердевания молочного жира и пока сохраняются прочные структурные связи между глицеридным ядром и оболочкой. Высокожирные сливки сохраняют свойства высококонцентрированных эмульсий прямого типа, обладая коагуляционной структурой.
Процессы обращения фаз и образования первичной структуры масла проходят в маслообразователях при охлаждении и перемешивании сливок в тонком слое. Скорость этих процессов возрастает с повышением скорости охлаждения и интенсивности перемешивания высокожирных сливок.
В маслообразователе охлаждение сливок и обращение фаз проходят одновременно. Процесс обращения фаз осуществляется при условии преодоления энергетического барьера — силы отталкивания жировых шариков друг от друга, которая уменьшается при их сближении, и преодоления структурно-механического барьера — разрушения оболочек жировых шариков. Поэтому процесс обращения фаз находится в прямой зависимости от толщины адсорбционно-гидратной прослойки между жировыми шариками, от величины прижимающей силы на шарикй при перемешивании сливок и от устойчивости оболочек, которая резко уменьшается при кристаллизации глицеридов в жировом шарике.
Охлаждение и механическая обработка высокожирных сливок в маслообразователях проходят одновременно, поэтому процесс кристаллизации глицеридов ускоряется.
При соприкосновении тонкого слоя сливок с очень холодной стенкой маслообразователя (от —3 до —7 °С) они быстро охлаждаются и образуют на ней затвердевший слой. При таком быстром охлаждении возникает большое число центров кристаллизации внутри жировых шариков, создающих предпосылки для образования смешанных кристаллов. В жировых шариках появляется около 25—35% отвердевшего. жира с дифференцированием двух основных групп глицеридов: легкоплавких (максимум плавления при 14 °С) и высокоплавких (29,7 °С) со значительным превалированием первой. Такое отвердевание глицеридов молочного жира вызывает структурные изменения в гли- церидном ядре и оболочке, резко снижается ее устойчивость, и она разрушается. Этому способствуют также быстрое охлаждение и более низкая температуропроводность глицеридного ядра по сравнению с его липопротеиновой оболочкой. Поэтому вещество оболочки сжимается быстрее, чем глицеридное ядро, отчего на оболочке могут образоваться трещины.
Возникающие силы трения между плотно упакованными шариками, напряжение внутри их вследствие кристаллизации глицеридов способствуют выжиманию через трещины и гидрофоби- зированные участки оболочек жидкого жира с повышенным содержанием легкоплавких глицеридов. Жидкий жир способствует образованию агрегатов жировых шариков с частично отвердевшим жиром. Снятые ножами затвердевшие слои дестабилизированных высокожирных сливок, в которых в значительной степени прошли обращение фаз и агрегация, перемешиваются с теплыми и нагреваются. При этом большая часть легкоплавкого отвердевшего жира расплавляется. Жир, выделенный из дестабилизированных жировых шариков и при частичном расплавлении отвердевшего жира, вновь образует эмульсию.
В процессе термомеханической обработки высокожирных сливок образуются два типа эмульсий: прямая — молочный жир в плазме сливок и обратная — плазма сливок в молочном жире. Вначале преобладает первый тип эмульсии, по мере механической обработки и прохождения обращения фаз они уравновешиваются, в конце маслообразования вторая практически остается единственной.
Так, многократное перемешивание резко охлажденных пристенных слоев сливок с теплыми приводит к снижению температуры всей их массы в рабочем объеме нижнего цилиндра маслообразователя до 18—22 °С, что способствует массовому образованию центров кристаллизации преимущественно из высокоплавких глицеридов.
Для получения масла хорошей консистенции решающую роль играет не общее механическое воздействие на высокожирные сливки в маслообразователе, а продолжительность их перемешивания в зоне кристаллизации. Период до достижения температуры ниже точек массовой кристаллизации в объеме сливок можно условно назвать зоной охлаждения, а период после— зоной кристаллизации. Но надо учитывать, что это весьма условное деление, так как процессы кристаллизации в пристенном слое протекают с первых мгновений поступления сливок в маслообразователь. Именно в зоне кристаллизации регулируются структура и консистенция масла. Чем раньше наступает зона кристаллизации, чем ниже температура и длительнее их перемешивание в зоне кристаллизации жира, тем выше его дисперсность, тем лучше условия для образования в регулируемых условиях структуры коагуляционного типа и пластичной консистенции масла.
С повышением температуры и продолжительности обработки сливок в зоне кристаллизации уменьшаются образование центров кристаллизации глицеридов жира и степень их отвердевания. Основное отвердевание жира и формирование структуры масла пройдет после его выхода из аппарата в условиях покоя и медленного охлаждения монолита масла с образованием крупных, срастающихся друг с другом многослойных кристаллов. Такая кристаллизационная структура характеризуется излишней твердостью при пониженных температурах (5—7 °С) и не - термоустойчивостью при повышенных температурах (выше 17°С). Консистенцию масла также можно регулировать интенсивностью механической обработки.
Поскольку отвердевание происходит в условиях перемешивания, то в отвердевшие группы включаются помимо высокоплавких среднеплавкие и частично легкоплавкие глицериды. Пристенные слои сливок с большим числом центров кристаллизации, перемешиваясь с остальной массой, играют роль затравки и тем самым ускоряют процессы отвердевания. Наступает критический момент лавинной дестабилизации оболочек жировых шариков, и происходит обращение фаз. Смена фаз наиболее интенсивно проходит при температуре от 18 до 22°С.
Чем быстрее сливки достигают термической зоны отвердевания и чем дольше они обрабатываются в этой зоне, тем больпк образуется центров кристаллизации, тем больше отвердевает глицеридов жира, тем мельче кристаллические образования, тем гомогеннее будет структура и пластичнее консистенция.
При обращении фаз жидкий жир образует непрерывную среду. Адсорбционно-гидратные прослойки под действием поверхностных сил натяжения образуют мелкие капельки плазмы, которые распределяются в жидком жире наряду с кристаллами и
кристаллитами жира. В капельки плазмы могут включаться отдельные жировые шарики с неразрушенными оболочками.
Таким образом, процессы дестабилизации жировой диспепсии и эмульгирования жидкого жира, кристаллизация глицеридов в жировых шариках и из расплава свободного жира в объеме перемешиваемой массы проходят одновременно. Сначала при повышенных температурах в сливках кристаллизация проходит преимущественно в пристенном слое, и в основном в жировых шариках, а при снижении температуры сливок до точек отвердевания жира (18—20 и 12—14 °С) кристаллизация в объеме нарастает и после обращения фаз преимущественно проходит из расплава жира.
Повышение температуры сливок в нижнем цилиндре масло - образователя приводит к превалированию в отвердевшем жире высокоплавких и среднеплавких глицеридов в более стабильных кристаллических формах j}'-2, {$ и частично а-2. Хотя отвердевание глицеридов в пристенном слое происходит с преобладанием легкоплавких групп и метастабильных а-3 форм, перемешивание со слоями сливок более высокой температуры вызывает то, что наиболее легкоплавкие из них расплавляются, а другие сокристаллизуются с более высокоплавкими, а формы а-3 при перемешивании быстро превращаются в более стабильные а-2 и р-2.
Термомеханическая обработка кристаллизующейся массы во втором и третьем цилиндрах маслообразователя при температуре 12—16 °С способствует дальнейшему отвердеванию глицеридов в виде мелких смешанных кристаллов, стабилизации полиморфных форм, образованию агломератов кристаллизационной структуры, равномерному распределению их и жидкого жира, образованию первичной структуры в масле.
Во втором цилиндре термомеханическая обработка продукта осуществляется при температуре 10—13°С; здесь наиболее интенсивно проходят процессы отвердевания жира с выделением значительного количества теплоты. Поэтому необходимо особенно интенсивно охлаждать второй цилиндр, а также тщательно контролировать температуру и количество подаваемого рассола.
В третьем цилиндре, где отвердевание, полиморфные и другие фазовые изменения глицеридов молочного жира проходят особенно активно, вязкость сливок резко повышается. На перемешивание таких сливок затрачивается большая механическая энергия. При этом выделяется значительное количество теплоты, а если не обеспечить ее своевременного отвода, то температура продукта повысится на 3—4 °С. В то же время высокая вязкость препятствует интенсивному прохождению фазовых изменений глицеридов жира и структурообразованию масла. Чтобы уменьшить вязкость системы, в третий цилиндр подают утепленный рассол со второго цилиндра или ледяную воду.
Параметры термомеханической обработки кристаллизующейся массы определяют полноту обращения фаз, фазовое состояние и характер образования первичной структуры масла по выходе из маслообразователя. Характер первичного структурооб - разования регулируется температурными режимами, интенсивностью и продолжительностью термомеханической обработки высокожирных сливок в маслообразователе с учетом химического состава жира.
От максимально возможной завершенности фазовых изменений глицеридов молочного жира, характера образования первичной структуры зависит формирование вторичной структуры в покое. Повышение температуры, усиленное механическое перемешивание могут вызвать значительное расплавление легкоплавких полиморфных форм и групп отвердевших кристаллов глицеридов, не успевающих пройти перекристаллизацию и дифференциацию с образованием более стабильных и высокоплав - лих форм.
В этих условиях процессы фазовых изменений, структурооб - разования в значительной мере пройдут после маслообразователя, в монолите при медленном охлаждении его в состоянии покоя с образованием вторичной структуры кристаллизационного типа. В таком продукте после холодильного хранения будет преобладать кристаллизационная структура с дефектами консистенции.
Масло на выходе из аппарата имеет жидкую консистенцию преимущественно коагуляционной структуры, так как отвердевшего жира в нем содержится всего около 9—12% в виде зародышевых кристаллов и мелких кристаллитов. В ящике оно быстро затвердевает благодаря бурно происходящим экзотермическим процессам группового отвердевания глицеридов на базе имеющихся зародышевых кристаллов и вновь образующихся, вследствие чего температура в монолите повышается на 0,5— 4 °С, происходят процессы вторичного структурообразования с преобладанием контактов кристаллизационного типа и тиксотропного уплотнения.
В условиях покоя вторичная структура проходит две стадии образования: стадию вторичного кристаллизационного структурообразования в течение 1,5—3 ч и стадию окончательного формирования структуры масла. На первой стадии протекают процессы кристаллизации на базе многочисленных зародышевых кристаллов молочного жира, возникает большое число новых контактов дисперсных частиц и происходит тиксотропное уплотнение структуры. Эта стадия ограничивается периодом термо- статирования масла, стадия окончательного формирования вторичной структуры протекает в процессе охлаждения и хранения в холодильных камерах при отрицательных температурах (—12+—24°С).