Содержание СВ в молочной основе может быть увеличено одним или несколькими из рассмотренных ниже способов.
3.3.3.1 Традиционный способ
Кипячение молока может производиться в резервуаре, аналогичном емкостному пастеризатору. Целью этого способа является испарение одной трети всего объема молока при атмосферном давлении, однако в промышленных условиях этот способ повышения концентрации СВ в молоке не используется (главным образом, из-за высоких
затрат и выделения в рабочей зоне больших объемов пара, что вредно для персонала).
3.3.3.2 Добавление сухого молока
Для обогащения молока при производстве йогурта (см. главу 2) могут быть использованы различные виды сухого молока, причем чаще всего применяется обезжиренное сухое молоко. Сухие добавки смешиваются с жидкой фазой, которая может быть цельным молоком, сливками или водой, причем предназначенное для этого оборудование
должно обеспечивать: а) полное диспергирование сухих компонентов в жидкости; б) полное растворение сухих частиц без образования комков; в) минимальное поступление воздуха для уменьшения количества пены; г) возможность беспроблемной мойки и дезинфекции установки.
Применение в молочной промышленности того или иного оборудования для работы с сухим молоком зависит от количества перерабатываемого за день сырья и способа подачи сыпучих ингредиентов. В основном сухое молоко поступает либо в небольших (25-50-килограммовых) бумажных мешках с полиэтиленовыми вкладышами, в средних по величине (до 1 т) контейнерах — металлических или пластмассовых, либо в металлических цистернах для хранения и перевозки порошка (насыпью). Погрузочно-разгрузочное оборудование также разнообразно, так что если мешки (относительно небольшие количества сухого молока) могут опорожняться непосредственно в устройства для восстановления молока, то большие объемы порошка сначала проходят через устройства типа рассева, и только затем подаются в смешивающее устройство. Сухое молоко, хранящееся в металлических или пластмассовых
бункерах или накопительных резервуарах, подается либо норией (винтовым шнеком) с различными скоростями, либо воздушным потоком. При этом должны использоваться пылеуловители, особенно на заводах с высокой производительностью. Ниже приведены некоторые примеры смешивающих устройств.
Загрузочно-смесительный патрубок. Процесс восстановления молока происходит «порционно», и для этого требуется замкнутая система, состоящая из бака, трубопровода, центробежного насоса и загрузочно-смесительного патрубка. Бак обычно заполняется жидкостью (водой), имеющей температуру 40-50 °С, после чего начинается
ее циркуляция. При этом важно положение патрубка по отношению к центробежному насосу. Здесь допускаются два варианта (рис. 3.18): если патрубок установлен со стороны всасывания центробежного насоса, то это дает то преимущество, что благодаря действию насоса происходит быстрое распределение и равномерное растворение порошка; недостатком при этом является то, что в патрубке могут довольно часто возникать «пробки»; патрубок помещают на стороне нагнетания центробежного насоса непосредственно после специально оборудованного устройства — трубки Вентури; при этом проблема засорения преодолевается, так как трубка Вентури создает
внутри трубопровода вакуум, заставляя порошок всасываться в циркулирующий раствор. Полное растворение порошка в этом случае идет несколько медленнее.
Следует отметить, что при втором подходе всасываемый воздух возвращается в бак, а не во всасывающую часть
насоса, так как если воздух попадает в систему, то действие крыльчатки насоса может увеличить объем воздуха, попадающего в продукт. Помимо этого, уменьшения аэрации и/или вспенивания можно достичь путем установки на загрузочном патрубке специального клапана и обеспечения того, чтобы уровень возвратной линии в баке находился ниже уровня жидкости. Если требуется дополнительное смешивание с сухим молоком, то возможно применение следующих узлов, а) встроенного в линию статического смесителя, б) высокоскоростной мешалки в баке для смешивания и в) высокоскоростного жидкостного распылителя. Альтернативой установке загрузочно-смесительного патрубка служат встроенные в линию смесители, некоторые примеры которых представлены ниже.
Смешивающее устройство Tri-Blender поставляется американской компанией Tri-Clover Inc. Его отличительным признаком является то, что трубка Вентури смесителя заменена узлом двухступенчатого смешивания (рис. 3.20). Эта система предназначена для непрерывного или порционного смешивания сухих ингредиентов со скоростью до
45 кг в мин. Продукт проходит через камеру смешивания жидкой основы с сухими ингредиентами во вторую камеру для смешивания, которая эффективно работает как нагнетающий насос. Такое двойное перемешивание улучшает консистенцию конечного продукта и обеспечивает более однородное смешивание. При наличии функции нагнетания, предусмотренной в самой мешалке, становится возможным достичь значительно более высокой степени разрежения при различных условиях производства. Повышенная степень разрежения способствует быстрому и устойчивому потоку продукта по всей производственной линии, и в такой системе смешивания не требуется применения дополнительных фильтров и насоса для подачи продукта. Такое устройство весьма компактно и занимает площадь 50 х 75 см (рис. 3.20).
Мешалки Silverson работают с очень большой скоростью и создают гомогенизирующий эффект в ходе перемешивания сухих ингредиентов. Модели, которые могут использоваться для восстановления молока, известны как модели «Inline» и «Flashmix». Эти машины предназначены для непрерывной работы с высокими скоростями и каждая из них снабжена встроенной роторностаторной рабочей головкой быстрого сдвига. У модели «Inline» такая головка одна, а у «Flashmix» — две. Верхняя головка обычно выполняет функцию распыления, а нижняя имеет квадратную форму с экраном быстрого сдвига.
По данным производителя рабочие головки функционируют следующим образом:
• под действием силы тяжести или с помощью насоса жидкость подается в загрузочный патрубок и быстро отводится вниз двумя роторно-статорными головками; в образованную потоком жидкости вихревую воронку подается порошок,
• смесь жидкости и порошка увлекается вихревой воронкой в камеру смешивания и не может обойти узел рабочей головки; тем самым обеспечивается полное растворение всех твердых фракций до того, как смесь покинет камеру смешивания.
У такого устройства отмечены два достоинства: возможность замены рабочих головок в зависимости от конкретного продукта, а также то, что соотношение порошок/жидкость может точно контролироваться при помощи cоответствующих подающих и измерительных приспособлений. Для быстрого увлажнения и растворения порошков в жидкости можно применить и иное (аналогичное) устройство, известное под названием «Flashblend» с другим режимом работы. Использование только мешалки «Inline» имеет свои ограничения, так как подача сухого молока через воронку в линию с рециркулирующей жидкостью неизбежно приводит к образованию «мостиковых» эффектов. У мешалок «Flashmix» эти трудности не возникают из-за того, что жидкость и твердые ингредиенты перед тем, как засасываться в верхний ротор/статор, одновременно подаются в специально сконструированный резервуар. Эта рабочая головка (ротор/статор) преобразует молочную жидкостно-порошковую фазу в суспензию, которая затем полностью растворяется в результате эффекта высокоскоростного сдвига в нижней или второй головке. Очевидно, что каждая мешалка предназначена для конкретных целей, и совместное использование в процессе смешивания двух типов мешалок позволяет использовать преимущества обеих, так как в процессе смешивания участвуют даже три рабочие головки, гарнатируя таким образом полное растворение порошка с минимальным попаданием воздуха. Та или иная степень гомогенизации смеси может быть достигнута с использованием разных типов статорных головок или экрана на высокоскоростной мешалке, так что, например, эффект дезинтеграции достигается с использованием больших круглых отверстий или щелей , причем тонкий экран дает гомогенизирующий/эмульгирующий эффект, а экран с квадратными отверстиями обеспечивает эффект быстрого сдвига.
Внутрирезервуарная мешалка обеспечивает эффективное смешивание порошка в резервуаре, что обеспечивается предусмотренной системой перемешивания. На типичные направления потоков, возникающих во время перемешивания жидкостей в основном влияют:
• форма и размеры элементов системы перемешивания (лопастей, турбины, степени шероховатости поверхности и др.);
• расположение мешалки (то есть подается ли жидкость сверху или снизу, перпендикулярно или наклонно расположены лопасти, расположена ли мешалка в центре или нет);
• скорость вращения мешалки;
• форма резервуара, в котором происходит перемешивание, хотя эффективность смешивания более заметно связана со скоростью вращения мешалки и разностью скоростей между нею и жидкой средой, возникновением вихревых воронок, попаданием в жидкую массу воздуха и другими эффектами.
Все эти факторы важны для распределения порошка в жидкой массе, и производитель оборудования имеет возможность выбора различных вариантов конструкции.
В простых резервуарах для смешивания, сходных с емкостным пастеризатором, могли бы быть использованы различные типы высокоскоростных мешалок, но эти резервуары не снабжены соответствующим образом расположенной системой перемешивания. Поэтому в производстве йогуртов для подготовки молочной основы два
таких резервуара должны устанавливаться параллельно — пока один резервуар опорожняется, второй обычно наполняется. В этом случае может быть обеспечена непрерывная подача молока в резервуары для сквашивания. Обычно резервуар заполняют водой или молоком, нагретыми примерно до 40-50 С, и туда из пакетов высыпают сухое молоко. Растворение осуществляется с использованием мешалки/гомогенизатора, причем мешалки могут устанавливаться как в каждом резервуаре, так и перемещаться из одного резервуара в другой при помощи гидравлического подъемного устройства.
Crepaco «Multiverter» —специально разработанный резервуар, в котором обеспечивается быстрое и полное распределение сухих ингредиентов в жидкости. Резервуар имеет коническое дно с углом 15 или 35°, которое облегчает и ускоряет разгрузку. Кроме того, он снабжен высокоскоростным двигателем, вращающим специальную мешалку. Такая единственная в своем роде мешалка представляет собой конструкцию типа "беличья клетка", создающую эффект двойного перемешивания и сочетающего глубокую вихревую воронку с полным вращением среды. что позволяет быстро и эффективно распределять сухое молоко в жидкой фазе с минимальным образованием пены. Несмотря на то, что этот резервуар специально предназначен для получения эмульсии двух или более несмешиваемых продуктов, его перемешивающее действие особенно эффективно при диспергировании в молоке некоторых жиросодержащих компонентов. Кроме того, такой резервуар может быть оснащен системой CIP.
Crepaco «Liquiverter» - это высокоскоростная мешалка-блендер, которая может осуществлять как растворение сухих ингредиентов, так и введение жира в жидкую фазу. Мешалка типа крыльчатки монтируется в центре дна квадратного резервуара, и под действием устройства добавляемый порошок проникает в вихревую воронку в центре, а смесь, непрерывно циркулируя, поднимается по стенкам.
При крупномасштабном производстве молочной основы могут быть использованы две системы типа Large scale recombination plant. В первой системе жиры дозированно добавляются в резервуар для смешивания.
Высококачественная питьевая вода подогревается в теплообменнике для лучшего смачивания частиц сухого обезжиренного молока (СОМ) и подается в один из резервуаров для выдержки. Циркуляционный насос 5 включается, когда резервуар заполнен наполовину и вода поступает по байпасной линии из резервуара
к высокоскоростному узлу для перемешивания 4. Скорость подачи СОМ по системе перемешивания достигает 45 кг в минуту. Вакуум создается взаимодействием между циркуляционным 5 и нагнетающим 6 насосами. Последний заставляет мешалку-блендер выбрасывать ингредиенты в поле действия центробежной крыльчатки.
Мешалка в резервуаре для смешивания включается одновременно с циркуляционным насосом. Вода продолжает поступать в резервуар во время смешивания до тех пор, пока не накопится заданное количество смеси.
Когда добавлена вся порция СОМ, работа мешалки и циркуляция прерываются, а содержимое резервуара остается в покое, пока СОМ полностью не растворится (при температуре воды 35-45 °С это занимает около 20 мин). В конце этого периода снова включается мешалка. Тем временем блендер переключается на следующую порцию, причем теперь из резервуара 1 добавляется ОМЖ. Количество жира отмеривается воронкой с весами 3. Мешалка, специально сконструированная для получения оптимальной дисперсии жира, включается на несколько минут и окончательно распределяет жир в обезжиренном молоке. Трубопровод для нагретой жировой фракции обычно
изолируется, чтобы предотвратить падение температуры ниже точки плавления жира.
Когда все ингредиенты перемешаны и добавлены в один резервуар, процесс повторяется в следующем резервуаре. Смесь обезжиренного молока и жира удаляется из полного резервуара для смешивания насосом через сдвоенные фильтры. После предварительного нагрева в теплообменнике продукт нагнетается в гомогенизатор, где завершается диспергирование жировых шариков. В процессе рекомбинации в молочную основу может попасть воздух, и чтобы исключить это, на магистрали перед гомогенизатором может быть установлен вакуумный деаэратор; такое устройство может понизить содержание воздуха с 1,3—1,8% до 0,1—0,2%, что в свою очередь способствует улучшению структуры и консистенции йогурта (см. [137]). Перед подачей в деаэратор продукт предварительно нагревается до температуры на 7—8 оС выше тем пературы гомогенизации. В деаэраторе создается вакуум, обеспечивающий на выходе требуемую температуру гомогенизации, — обычно 65 оС. Гомогенизированное молоко пастеризуется и охлаждается в теплообменнике 10 и затем подается в резервуары для промежуточного хранения или непосредственно на фасовку. Для производства йогурта молоко нагревается до более высокой температуры.
Другая система - с добавлением жиров в потоке - также может быть использована для получения рекомбинированного молока. В этой системе процесс протекает следующим образом. После наполнения резервуара и выдержки для более полного набухания частиц сухого молока, восстановленное обезжиренное молоко нагнетается через сдвоенные фильтры в уравнительный бачок. Это гарантирует постоянство скорости потока. Центробежный насос подает обезжиренное молоко в секцию предварительного нагрева теплообменника. Хотя добавление жира может сдерживать образование пены в обезжиренном молоке, требуется установка деаэратора. Молочная основа предварительно нагревается и гомогенизируется. Однако после деаэратора молоко проходит через встроенную в трубопровод форсунку, куда с помощью возвратно-поступательного насоса-дозатора непрерывно подается жидкий жир из резервуара. Перемешивание завершается во встроенной ниже форсунки по ходу движения потока мешалке. Сразу после смешивания восстановленное молоко попадает в высокопроизводительный гомогенизатор и затем возвращается в теплообменник для дальнейшей обработки.
При проведении операций по восстановлению молока необходимо следить за выполнением двух условий. Во-первых, в процессе восстановления не все частицы сухого молока могут раствориться полностью, что связано с использованием сухого молока низкого качества, недостаточно хорошей работой оборудования и/или присутствием пригоревших частиц. Все нерастворившиеся частицы должны быть удалены с помощью встроенных сеток из нержавеющей стали или так называемого сдвоенного фильтра (состоящего из сетки из нержавеющей стали и нейлонового фильтра), или с помощью центробежных сепараторов. Эти сепараторы прекрасно подходят для удаления любых мелких или нерастворившихся частиц и любых посторонних примесей, но на практике чаще используют фильтры. Обычно на линии восстановления молока устанавливаются два взаимозаменяемых фильтра (особенно на крупных молокоперерабатывающих предприятиях), так что в случае засорения, пока один из фильтров очищается, поток молока может быть легко отведен к другому. Удаление нерастворившихся частиц является очень важным, так как их присутствие в молоке может повредить жиклеры гомогенизатора и/или засорить теплообменники. Во-вторых, для полного растворения сухого молока требуется до 15 мин, в противном случае наблюдается заметное осаждение частиц. Этот эффект при изготовлении йогурта может оказаться не столь важным, поскольку промежуток времени между восстановлением и завершением тепловой обработки молока в любом случае составляет не менее 15 мин.
3.3.3.3 Выпаривание молока
Сгущение нормализованной молочной основы может быть выполнено с использованием выпарного устройства, в котором среднее количество испаренной влаги составляет 10-25 г на 100 г молока, и общее содержание СВ возрастает на 1,5-3 г на 100 г молока (что соответствует рекомендуемой степени обогащения сухим молоком) [34].
Чтобы удалить необходимое количество воды и предотвратить нежелательные изменения молочных компонентов при высоких температурах, процесс выпаривания обычно проводится в вакууме.
Непосредственно в линии производства йогуртов могут быть использованы однокорпусные выпарные аппараты. Молочная основа насосом подается из уравнительного бачка в конденсатор сгуститель, где она предварительно нагревается и попадает затем в пластинчатую секцию испарителя для дальнейшего нагревания. После достижения заранее заданной температуры молоко поступает в пароотделитель, где водяной пар удаляется из молока; этот цикл повторяется до тех пор, пока в молочной основе не будет достигнуто желаемое содержание СВ. Поддержание теплового режима во время испарения обеспечивается термокомпрессором, и таким образом технический пар смешивается с паром из испарителя.
Другой тип однокорпусного аппарата, который можно также использовать для сгущения молочной основы, поставляется компанией Tetra-Pak А/В. В нем нормализованное молоко предварительно нагревается до 70 °С в секции регенерации теплообменника с использованием конденсата, поступающего из испарителя.
Затем молоко нагревается до 85- 90 Ц в секции нагрева теплообменника, и попадает в вакуумную камеру, где вход молокопровода имеет форму широкого раструба для предотвращения подгорания молока. Так молоко циркулирует 4-5 раз, пока не будет достигнута желаемая степень сгущения. Скорость циркуляции определяется производительностью вакуумной камеры, насоса для выгрузки продукта и измерителя потока, причем во время каждого цикла удаляется около 3-4 г воды на 100 г. Производительность подобных аппаратов достигает 8000 л/ч, но для более крупных производств используются вакуум-выпарные установки производительностью до 30 000 л/ч.
Как правило, они имеют минимальные габариты, эффективно поддерживают тепловой режим и готовы к немедленному использованию. Более того, йогурт, изготовленный из сгущенного таким образом молока, обладает исключительно высокими вкусовыми свойствами.
3.3.3.4 Мембранное концентрирование молока
Альтернативный способ концентрирования молочной основы заключается в сгущении молока (цельного или обезжиренного) при помощи мембранной фильтрации (ультрафильтрации УФ или обратного осмоса ОО). Основные различия между системами УФ и ОО - это, во-первых, то, что в технологии ОО величины рабочих давлений намного больше, и, во-вторых, то, что мембрана ОО менее проницаема, чем мембрана УФ; размер пор в ОО-мембране составляет менее 4 Е, а в УФ-мембране - более 20 Е (1 мм = 107 Е).
Компоненты молока, прошедшие через мембрану, называются пермеатом, а вещества, которые не проходят через мембрану (сгущенные фракции), — ретентатом. Присутствующие в молоке компоненты могут быть по молекулярному весу разделены на три основные группы: крупные молекулы (белки и жиры), средние (лактоза
и соли) и малые (вода). При ОО сквозь мембранные поры проходят лишь молекулы (воды), и ретентат содержит все молочные компоненты, тогда как сквозь поры УФ-мембраны проходят и малые, и средние молекулы (например, молекулы воды, лактозы и солей); в этом случае ретентат содержит макромолекулы белков и жиров.
Применение мембранной фильтрации в производстве йогурта чаще всего предполагает использование УФ-систем (см. [40,123,124]), так как такое фильтрование повышает содержание белков, но уменьшает уровень лактозы в молочной основе. Не так давно в работе [96] было показано, что йогурты с ненарушенным и нарушенным
сгустком, изготовленные из обезжиренного и сгущенного по технологии УФ молока (16 г СВ/100 г) имеют более прочный сгусток по сравнению с йогуртом, который был получен из молока с добавлением СОМ или применением вакуумного испарителя.
