Маслов А.М. Технология молочных консервов - файл n1.doc

Маслов А.М. Технология молочных консервов
скачать (4765 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4765kb.03.11.2012 14:26скачать

n1.doc

  1   2

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет
низкотемпературных и пищевых технологий





А. М. Маслов


ТЕХНОЛОГИЯ МОЛОЧНЫХ КОНСЕРВОВ

Учебное пособие


Санкт-Петербург 1999



ББК 36.96

М 31

УДК 637:664(07)

М 31

Маслов А. М.

Технология молочных консервов: Учеб. пособие.  2-е изд., испр. и доп. СПб.: СПбГУНиПТ, 1999. 64 с.


ISBN 5-89565-027-9




Изложены теоретические основы современных способов консер-вирования молока. Рассмотрено влияние условий обработки на свойства молока и молочных консервов: приведена современная технология их производства; представлены схемы процессов стерилизации молока и молочных продуктов.

Пособие рекомендуется студентам старших курсов для выполнения курсовых и дипломных проектов по специальности “Технология молока и молочных продуктов”.

Рецензенты

Кафедра технологии молока и молочных продуктов Кемеровского технологического института пищевой промышленности (зав. кафедрой доктор техн. наук, проф. Л. А. Остроумов)

Канд. техн. наук В. Ф. Поляков (АО “Петмол”)


Одобрено советом технологического факультета


ISBN 5-89565-027-9  Ленинградский ордена трудового
Красного знамени технологический
институт холодильной
промышленности, 1983

 Cанкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых технологий, 1999

70-летию Санкт-Петербургского государственного университета низко- температурных и пищевых технологий

Густаву Антоновичу КУКУ  основателю кафедры процессов и аппаратов пищевых производств, создателю теории пастеризации молока  посвящается


ВВЕДЕНИЕ
При хранении и переработке пищевого сырья происходит дополнительное инфицирование его микроорганизмами от средств транспортировки и оборудования, воздуха производственных помещений, обслуживающего персонала и т. д.

Ни стерилизация, ни другие виды специальной обработки не обеспечивают стойкости готовой продукции, если на предприятии высокая микробная обсемененность сырья, технологического оборудования, помещений.

Предупредить контактные инфекции можно лишь при тщательном соблюдении санитарно-технических требований к условиям производства.

Метаболизм микроорганизмов приводит к химическому и физическому изменениям пищевых продуктов, вызывающих биологическую нестабильность и снижение их качества (изменение вкуса, запаха, консистенции или полная порча), возникновение пищевых отравлений и опасных для жизни инфекционных заболеваний.

Условия для развития микрофлоры зависят от вида перерабатываемого сырья (химического состава, структуры, консистенции) и различных внешних факторов (температуры, содержания кислорода в сырье, продукте и в воздухе), которые неодинаковы для различных отраслей пищевой промышленности.

Вредную микрофлору в зависимости от происхождения можно разделить на две основные группы: сапрофитную и патогенную. С точки зрения практической микробиологии пищевых продуктов, нет необходимости в четком разделении между этими группами микроорганизмов, однако, для разработки научно обоснованных методов дезинфекции такой анализ может быть полезным.

К сапрофитным относятся микроорганизмы, ухудшающие качество продукции или безвредные для нее. Они принадлежат к различным группам – бактериям, плесневым грибам, и дрожжам. По количеству представителей и причиняемому ущербу ведущее место занимают бактерии. При нарушении санитарно-технических, гигиенических требований сапрофитная микрофлора может развиваться в большинстве продуктов и образовывать токсичные продукты обмена, потребление которых может привести к тяжелым пищевым отравлениям и даже к смертельному исходу.

Значительное место в пищевом рационе занимают молоко и молочные продукты. Вместе с тем, молоко является скоропортящимся продуктом и представляет собой благоприятную среду для развития возбудителей различных пищевых инфекций и микроорганизмов, вызывающих отравления.

Микробное заражение молока может привести также к различным порокам готового продукта. Так, развитие бактерий Streptococcus laktis приводит к скисанию молока, присутствие бактерий Alcaligents viscosis вызывает свертывание молока и придает ему прогорклый вкус. Горький вкус также появляется при наличии в молоке протеолитических бактерий Streptococcus ligriefacines .

На микробиологические показатели при переработке молока и молочных продуктов существенное влияние оказывает качество дезинфекции производственных помещений, емкостей и технологического оборудования, которые могут послужить источниками вторичного обсеменения сырья нежелательной микрофлорой.

Устойчивость микроорганизмов к действию бактерицида обусловливает их способность к спорообразованию. В этом отношении всю микрофлору делят на образующую и не образующую споры.

В качестве санитарно-показательной микрофлоры при контроле качества дезинфекции обычно используется кишечная палочка, которая не образует спор и обладает средней устойчивостью.

Наиболее стойкими из спорообразующих микробов являются стафилококки и стрептококки, а из них  золотистый стафилококк (St. aureus), который служит эталоном для оценки эффективности обеззараживания.

Споровая группа микроорганизмов наиболее устойчива к бактерицидному воздействию различных неблагоприятных факторов. Так, например, споры сибирской язвы сохраняют жизнеспособность в сухой садовой земле в течение 15 лет, в сырой  4 года, в мокрой воде – от 8 до 12 лет.

Учебное пособие составлено с учетом изложенного применительно к молоку и молочным продуктам. Рассмотрено влияние различных способов обработки молока (нагревание горячей водой, водяным паром, электричеством, воздействием лучистой энергии, бактофугированием и т. д.) на устойчивость разных видов и форм микроорганизмов. Приведены наиболее рациональные режимы проведения обработки, а также схемы аппаратов и технологических процессов.


ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ КОНСЕРВИРОВАНИЯ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Способы консервирования пищевых продуктов основаны на принципах биоза, ценоанобиоза, абиоза и анабиоза.

Под биозом понимают возможность поддержания в продуктах жизненных процессов, противодействующих поражению его вредными микроорганизмами. На этом принципе, в частности, основано сохранение свежевыдоенного молока в некоторых оптимальных условиях, позволяющих как можно дольше продлить в нем так называемую бактерицидную фазу. Для этого молоко подвергают охлаждению до возможно низких плюсовых температур.

Подавление жизнедеятельности вредной микрофлоры, могущей вызвать порчу продукта, путем введения в него полезной микрофлоры и создания для нее благоприятных условий существования и развития основано на принципе ценоанабиоза. Так, например, введение в молоко молочнокислых микроорганизмов повышает срок его хранения как пищевого продукта.

Под анабиозом понимают подавление жизни как самого продукта питания, так и населяющей его микрофлоры. Это достигается с помощью применения тепловой обработки, использования лучистой энергии, химических средств, копчения и т. д.

Анабиоз – принцип консервирования, в основе которого заложено использование физических и физико-химических факторов; к ним, в частности, относится применение антибиотиков и фитонцидов. Например, для подавления термочувствительных и споровых микроорганизмов и ферментов в сгущенном молоке применяется низин.

К физико-химическим способам консервирования молока также относятся: охлаждение, замораживание, сгущение, высушивание, хранение в газах, создание высокого осмотического давления.

В настоящее время для консервирования молока чаще других используются способы, основанные на принципах анабиоза и абиоза. Принцип ценоанабиоза применяется при производстве кисломолочных напитков и творога, однако, эти продукты не относят к категории молочных консервов ввиду малой продолжительности их хранения в сравнении со стерилизованными, сгущенными и сухими молочными продуктами и смесями.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТЕРИЛИЗАЦИИ МОЛОКА
ПОСРЕДСТВОМ НАГРЕВАНИЯ
Под стерилизацией понимают такие способы воздействия на молоко, в результате которых должны погибнуть все без исключения обитающие в нем микроорганизмы. Стерилизовать молоко можно различными способами: путем облучения ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами, посредством ультразвуковой, тепловой обработки и т. д.

Несмотря на многообразие способов стерилизации молока, в настоящее время в промышленности получил распространение метод тепловой обработки.

Рассмотрим теоретические основы этого способа. Если взвесь микроорганизмов в воде или продукте поместить в тонкослойный сосуд, например, капиллярную трубку из стекла или металла, погрузить капилляр в условия с высокой температурой, то, спустя некоторое время, микроорганизмы погибнут. Время, в течение которого это произойдет, называют смертельным, или летальным временем. (Понятие “смертельного” или “летального” времени является условным, используется лишь в порядке идеализации процесса, для того чтобы было удобнее его описать). Вместе с тем, для достижения заданной температуры нагревания продукта тоже требуется некоторое время. Кроме того, взаимное расположение частиц не гарантирует для каждой из них одинаковое время прогрева. Это обусловлено многими факторами, к числу которых можно отнести геометрические особенности бутылок и банок, их взаимное расположение в стерилизаторе, конструкцию самого стерилизатора, условия подвода тепла к каждой из банок и т. д.

Важную роль в процессе прогреваемости консервов играет сама нагреваемая среда. Бытует мнение о том, что, если в центре банки продукт нагрет до заданной температуры и выдержан при ней необходимое время, то остальные частицы его тем более должны получить необходимую дозу теплового воздействия. К сожалению, это не всегда так. Когда мы имеем дело с высоковязким продуктом, то тепло от стенки банки к ее центру передается, главным образом, по закону теплопроводности, и в этом случае данное мнение будет правильным, но, если рассматривать такой продукт, как молоко, вязкость которого всего в полтора раза выше вязкости воды, то картина резко меняется. При нагревании молока в банке или бутылке возникают достаточно интенсивные конвекционные токи, направленные от днища банки ( бутылки) вверх у стенки и ниспадающие вдоль по вертикальной ее оси. Причем, скорость конвекции, как показали наблюдения А. А. Кийс и других исследователей, достигает нескольких метров в секунду. Отмеченное обстоятельство существенно затрудняет теоретическое решение задачи о времени прогрева молочных консервов в бутылках и банках. Поэтому рассмотрение данного вопроса придется начать исходя из самых простейших представлений об условиях прогревания продукта в банках или бутылках, пренебрегая конвекцией.

Таким образом, говоря о смертельном времени для микроорганизмов, будем иметь в виду клетки, находящиеся в центре банки (бутылки). Это означает, что отсчет времени необходимо проводить от момента достижения заданной температуры стерилизации в центре банки, а не от начала прогревания ее содержимого до этой температуры. При таком условии общее время процесса стерилизации будет являться суммой времени прогрева содержимого банки до центральной части и смертельного времени, т.е. времени, необходимого для уничтожения микробов при заданной температуре. При этом микроорганизмы, расположенные ближе к стенке банки, погибнут несколько раньше, ибо до температуры стерилизации они прогреются раньше, чем микробы, находящиеся в центре.

Фактически время достижения заданной температуры стерилизации жидких молочных продуктов будет менее продолжительным, чем в принятой нами идеализированной схеме, вследствие образования конвективных токов.

К факторам, определяющим продолжительность процесса стерилизации, прежде всего следует отнести: вид микроорганизмов, населяющих продукт; вид среды их обитания; начальную концентрацию микроорганизмов в продукте; продолжительность пребывания продукта при высокой температуре; температуру стерилизации.

Здесь необходимо заметить, что в литературе часто ограничиваются обсуждением температуры стерилизации, но этого недостаточно. Следует говорить еще и о продолжительности ее воздействия на микроорганизмы. Чем ниже температура стерилизации, тем продолжительнее должна быть выдержка продукта при ней.

Многочисленные работы по изучению влияния температуры стерилизации пищевых продуктов и продолжительности ее воздействия на микроорганизмы показали, что скорость уничтожения микроорганизмов может быть охарактеризована кинетическим уравнением первого порядка.

Обозначив количество микроорганизмов до стерилизации через N, можно записать

dN/d = K0N, (1)

где K0  коэффициент скорости уничтожения микроорганизмов,  время, dN/d  скорость уничтожения микроорганизмов.

Знак “минус” указывает на уменьшение количества живых микроорганизмов в продукте при нагревании.

После разделения переменных в уравнении (1) получим
dN/N = K0d, (2)

Интегрирование уравнения (2) приводит к выражению
lnN = K0 + С,
где С постоянная интегрирования, может быть определена из начального условия, когда N = Nн  количеству микроорганизмов, подлежащих уничтожению. Тогда
lnN = K0 + lnNн,
или

lnNн/N = K0. (3)

Переходя от натуральных логарифмов к десятичным, т. е. вводя в К0 соответствующий коэффициент пересчета, можно записать
lqNн/Nк = K,
или

K = 1/ lgNн/Nк, (4)
где Nк  количество микроорганизмов, переживших стерилизацию.

Отсюда

Nк = Nн /10k, (5)
где k  коэффициент пропорциональности.

Эффект стерилизации часто определяют как
S = lgNн /Nк. (6)
Необходимо иметь в виду, что количество выживших клеток будет тем больше, чем выше первоначальная обсемененность молока. Поэтому очень важно, чтобы на всех этапах, начиная от получения молока и заканчивая его переработкой, поддерживалось высокое санитарное состояние как на молочно-товарных фермах, так и на предприятиях молочной промышленности.

Если в формуле (4) 1/К обозначить через D, то для определения времени стерилизации получим следующее уравнение:
 = D lg (Nн/Nк). (7)
Таким образом, находим, что

S =  /D, (7а)
где D  время, за которое количество микроорганизмов уменьшится в 10 раз.

После замены K на D уравнение (5) примет вид
Nк = ,

или

lg Nк = lgNн   /D.
Графическая зависимость эффекта стерилизации при заданной температуре от продолжительности стерилизации представлена на рис. 1.




Рис. 1. Зависимость эффекта
стерилизации S от ее

продолжительности
При температуре стерилизации T1, которая выше температуры стерилизации T2, D1 меньше, чем D2, т. е. время уменьшения числа живых микроорганизмов в 10 раз менее продолжительно при более высокой температуре стерилизации.

Для проверки эффекта стерилизации в молоко обычно вводят наиболее стойкие

термофильные В. Stearothermofilus и мезо-фильные B. Subtilis микроорганизмы и выполняют исследования, в результате которых строят графические зависимости S от  для различных температур стерилизации и определяют минимальное значение D1, при котором получается удовлетворительный эффект стерилизации S и происходят минимальные физико-химические изменения в стерилизуемом продукте.

На рис. 2, 3 приведены результаты исследований по выживаемости указанных микроорганизмов в зависимости от продолжительности их выдержки при различных температурах стерилизации [1, 2]. На оси ординат отложены значения величин, равные 1/S.



Рис. 2. Выживаемость
B. Stearothermophilus


Рис. 3. Выживаемость
B. Subtilis


На рисунках показано, что достигнуть желаемого эффекта стерилизации можно тем быстрее, чем выше температура стерилизации, следовательно, с повышением температуры уменьшается величина D. Во многих случаях это происходит по экспоненциальному закону, и при построении зависимости между lg D и T на графике получается прямая линия (рис. 4). На графике Z  повышение температуры, при которой D уменьшается в 10 раз.






Рис. 4. Зависимость D
от температуры
стерилизации Т

Согласно формуле (7), время необходимое для достижения заданного и достаточного эффекта стерилизации, прямо пропорционально D.

Точно так же, как нельзя говорить о стопроцентном уничтожении всех обитающих в молоке микроорганизмов, нельзя и понятию “смертельное время” придавать абсолютный смысл. Под смертельным временем как при пастеризации, так и при стерилизации следует понимать время, за которое будет достигнута заданная степень стерильности, когда в молоке может остаться очень малое, по сравнению с исходным, количество микроорганизмов.

Величина D зависит от агрессивного характера среды, в которой находятся микроорганизмы, от степени устойчивости данного вида микроорганизмов к температуре и от температуры стерилизации.

Одинаковый эффект стерилизации может быть достигнут при различных значениях температуры, каждому из которых соответствует свое время выдержки. Поэтому часто эмпирическим путем находят время выдержки, необходимое для достижения заданного эффекта стерилизации при некоторой температуре, принятой за эталон (обычно Тэ = 121,1С), и далее делают пересчет на другую температуру по формуле
lg (н.дт/н.дэ) = (Tэ T)/Z, (8)
где н.дт  необходимое и достаточное время выдержки при температуре Т; н.дэ  необходимое и достаточное время выдержки при эквивалентной температуре Тэ.

В литературе время стерилизации при 121,1С обозначают через F, тогда

lg н.дт/F = (121,1  T)/Z. (9)
Из формулы (9) находим, что

F = Т (1/10121,1T/Z). (10)
Время стерилизации F принято называть стерилизующим эффектом, или F-эффектом.

Обозначив дробь в правой части уравнения (10) через KF, его можно записать

F = Т KF. (11)

Эта формула позволяет определять переводной коэффициент KF с любой точностью, ибо в KF все величины, кроме T1, постоянны.

Кривую графика изменения температуры продукта в бутылке или банке при стерилизации можно разбить на небольшие интервалы, в пределах которых температура почти не изменяется. Для каждой средней в пределах интервала температуры по формуле (11) можно вычислить KF, умножить КF на соответствующий отрезок времени, затем просуммировать все эти произведения, в результате получится значение F для данного конкретного технологического процесса.


СПОСОБЫ ТЕПЛОВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ МОЛОКА
Стерилизация молока и молочных продуктов осуществляется двумя основными способами: после и перед расфасовкой.

В первом случае после расфасовки бутылки, банки или тубы стерилизуют в автоклавах периодического действия или в стерилизаторах непрерывного действия. В автоклавы бутылки, банки или тубы помещаются уложенными в перфорированные корзины. В различных типах автоклавов корзины могут пребывать в неподвижном состоянии, качаться или вращаться. Качание или вращение уменьшают время прогрева продукта до заданной температуры стерилизации, так как при этом интенсифицируется процесс теплоотдачи от тары к ее содержимому. Для стерилизации расфасованного и упакованного продукта применяются также роторные, туннельные и гидростатические стерилизаторы непрерывного действия.

Молочные продукты стерилизуют в непрерывно действующих теплообменных аппаратах поверхностного и пароконтактного типа с последующей расфасовкой в асептических условиях. Высокие значения коэффициента теплопередачи позволяют очень быстро нагреть продукт до заданной температуры стерилизации и после короткой выдержки также быстро его охладить. В молочной промышленности такой способ стерилизации называется УВТ-обработка молока (и молочных продуктов), т. е. ультравысокая температурная обработка молока. В отдельных случаях УВТ-обработка молока может предшествовать последующей его стерилизации в расфасованном виде.


РАЗРУШЕНИЕ ТЕРМОСТОЙКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ТЕПЛОВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ МОЛОКА
Наиболее устойчивыми при стерилизации являются споры бакте-рий: Bac. Subtilis, Bac. Stearothermophilus, Bac. Mesenterieus, Bac. Cereus, а также Cl. Sporogenes и Cl. Buturisum. Установлено [2], что тепловая устойчивость их при УВТ-обработке молока достигает значения Z = 10,75С.

Величина D при 133С и продолжительности выдержки при ней 60 с составляет 6,66 с.

В других работах приводятся близкие значения, которые зависят от времени года, т. е. от условий содержания скота (летом – на пастбищах, зимой – в стойлах) и вида продукта, в котором обитают мезофильные и термофильные спорообразующие микроорганизмы. Так, например, в табл. 1 приводятся следующие значения D и Z при 121С для молока и сливок с содержанием жира 30% [1]:

Таблица 1

Значения D121C и Z для времени термической гибели спор





Мезофильные споры

Термофильные споры

Показатели

Цельное
молоко

Сливки
30%

Цельное
молоко

Сливки
30%

D121C, с

11

31

25

46

Z, С

10,4

10,6

10,3

10,6


Из табл. 1 следует, что для цельного молока и сливок с содержанием жира 30% значения Z практически одинаковые, в то время как значения D121C существенно разнятся. Это означает, что для достижения одинакового эффекта стерилизации сливки должны быть выдержаны при температуре стерилизации более длительное время, чем цельное молоко.





Рис. 5. Зависимость гибели термофильных (1, 3)
и мезофильных (2, 4)

микроорганизмов в
сливках и молоке от
температуры и времени выдержки

График зависимости гибели спор мезофильных и термофильных микробов от температуры и времени выдержки при ней приведен на рис. 5. Линии 1, 2 на графике характеризуют гибель термофильных (1) и мезофильных (2) микроорганизмов в сливках с содержанием жира 30%, а линии 3, 4 – соответствующих микроорганизмов в цельном молоке.

Из этого графика следует, что если считать эффект стерилизации удовлетворительным при условии выживания одной споры в 1000 л молока при первоначальном содержании 1000 спор в одном миллиметре, то значение Z должно быть не менее 9.

Фактически количество спорообразующих микроорганизмов в молоке может, в зависимости от различных факторов, существенно отличаться от данных, приведенных в этом примере. Поэтому на практике обычно задают желаемый эффект стерилизации и, исходя из него и первоначального количества спорообразующих микроорганизмов, устанавливают значение S, которое необходимо достичь в результате стерилизации. В соответствии с этим и определяют режим стерилизации молока.

Из формулы (7а) следует, что время выдержки молока при температуре стерилизации  должно, как минимум, быть равно D.

Необходимо заметить, что особенно при УВТ-обработке молока, когда высокие температуры его нагревания сочетаются с очень непродолжительной выдержкой, важнейшую роль в достижении заданного эффекта стерилизации играет равномерное распределение скорости движения молока в теплообменнике. Так, например, по данным Н. В. Барановского, скорость движения молока в зазоре между пластинами пластинчатого теплообменника может различаться по ширине пластины до 80% в зависимости от ее конфигурации. Исследования пароконтактных стерилизаторов показали, что в аппаратах, в которых молоко вводится в паровое пространство, отклонение времени пребывания молока от расчетного значения достигает 1/3, тогда как в аппаратах, в которых пар вводится в молоко, оно составляет 0,85 от среднего расчетного значения [3]. И тогда, чтобы получить D = 10 в установках первого типа при 145С, необходимо время выдержки 5 с, а в аппаратах второго типа требуется выдержка всего 2,5 с, т. е. выдержка в два раза меньше.

Одновременно отмечено, что при обработке молока, вводимого в паровое пространство, денатурирует приблизительно 50% растворимых белков, а при введении пара в молоко – на 22% меньше.

Необходимо иметь в виду, что тепловое воздействие отрицательно сказывается не только на обитающих в молоке микроорганизмах, но и на составных частях молока.
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ НА
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МОЛОКА

В коровьем молоке присутствуют разнообразные витамины, многие из которых относятся к жирорастворимым (A, D, E и др.), а также к растворимым в воде (C, B, P, H и др.).

Губительное действие высокой температуры и времени выдержки при ней обычно выбираются так, чтобы можно было достичь желаемого эффекта стерилизации.

Процесс стерилизации следует проводить таким образом, чтобы в молоке и содержащихся в нем полезных для человека веществах происходило как можно меньше изменений.

Наиболее чувствительными к температурному воздействию являются витамины группы В. Установлено [4], что распад витамина В1 происходит согласно реакции первого порядка, начиная с Z = 29,4С. Имеются и противоположные данные [5], согласно которым в результате тепловой УВТ-обработки снижение содержания желатина является результатом реакции второго порядка. В литературе [4] приводится формула, позволяющая учесть степень разрушения витамина В1 (в процентах) при тепловой обработке

В1потеря = . (12)

Необходимо заметить, что значение Z для витамина В1 более чем в два раза превосходит этот показатель для термостойких микроорганизмов. На рис. 6 приведено сопоставление расчетов по этой формуле с результатами экспериментов, проведенных различными авторами.







Рис. 6. Степень разрушения
витамина В1 при тепловой
обработке молока
(в процентах)

Тепловая обработка молока прежде всего отрицательно сказывается на состоянии сывороточных белков, коагуляция которых возможна при температуре выше 70С. Она прогрессирует с возрастанием температуры и увеличением продолжительности теплового воздействия.

При нагревании происходят реакции между казеином и лактозой молока, которые вызывают его побурение. Это наиболее выражено в сгущенном молоке.

Воздействие тепловой обра-ботки на молоко, приводящей к потере тиамина не более чем на 3%, можно считать не опасным [6].

На рис. 7 приведены данные о влиянии температуры и времени ее воздействия на происходящие в молоке изменения и гибель спорообразующих микроорганизмов, показаны оптимальные условия стерилизации расфасованного и нерасфасованного молока.

На графике также отмечены условия стерилизации молока, при которых происходят наименьшие изменения его качества (заштрихо-ванная зона).

Остановимся на последних сведениях науки о молоке, подвергнутом УВТ-обработке.

Установлено, например [5], что УВТ-обработка молока при прямом или косвенном нагреве вызывает лишь несущественное разрушение витаминов. Но при длительном хранении такого молока некоторые витамины могут незначительно разрушаться. Однако способы УВТ-обработки во многом влияют на стойкость витаминов молока при его длительном хранении. Так, если при непосредственном нагреве молока паром с последующим охлаждением его в вакуумной камере, содержание кислорода оказывается минимальным, то молоко, подвергнутое косвенному нагреву, почти им насыщено. Следовательно, витамины, например витамин С, в молоке, подвергнутом нагреву в контакте с паром, оказываются устойчивыми при длительном хранении молока, а в молоке, подвергнутом УВТ-обработке в аппаратах поверхностного типа, витамины в процессе взаимодействия с кислородом, присутствующим в молоке, достаточно быстро разрушаются.






Рис. 7. Влияние температуры и времени ее воздействия на изменения в молоке и гибель спорообразующих микроорганизмов:

1 – 90%-я инактивация PS липазы; 2 – отсутствие обесцвечивания молока; 3 – 90%-я инактивация PS протеазы; 4 – 1%-е разрушение лизина; 5 – 3%-е разрушение этиамина; 6 – разрушение лизина на 1%; 6 – разрушение термофильных спор; 7 – разрушение мезофильных спор

В результате УВТ-обработки в молоке происходит очень сильная, но не полная денатурация сывороточных белков. Высвобождаются SH- группы, а их отщепления в виде H2S придают молоку характерный привкус кипячения, который, однако, ослабевает при хранении, вследствие окисления и, наконец, может вовсе исчезнуть. Этот привкус исчезает быстрее в молоке, подвергнутом УВТ-обработке при косвенном нагреве, так как такое молоко содержит больше кислорода.

Здесь необходимо заметить, что деление условий УВТ-обработки молока по способу его нагрева весьма условно. При прямом нагреве молока паром оно очень быстро нагревается до заданной температуры, а потом его также быстро охлаждают в вакуумной камере, при этом, вместе с водяными парами из молока удаляется и значительная часть присутствующего в нем кислорода. При косвенном нагреве обычно не используют вакуумное охлаждение, поэтому в молоке кислорода оказывается больше, чем в первом случае. Однако, если в установках косвенного нагрева предусмотреть вакуумную камеру для удаления из молока воздуха, то оба способа нагревания молока могут привести к сопоставимым результатам.

При УВТ-обработке белки молока остаются в структурном отношении на критической стадии. Они могут образовать структуру геля, что при хранении может привести к гелеобразованию. При длительной стерилизации молока в бутылках и банках белки переходят эту критическую стадию, и гель не образуется. Несколько снижается точка замерзания молока, подвергнутого УВТ-обработке. Молоко, подвергнутое УВТ-обработке, стоит ближе к пастеризованному, чем к стерилизованному в бутылках и банках. Такое молоко содержит меньше денатурированного альбумина.

Таким образом, молоко, подвергнутое УВТ-обработке, выигрывает в качестве у молока, стерилизованного в бутылках и банках.

К недостаткам такого способа стерилизации относится возможность повторного обсеменения молока вследствие случайной нестерильности бутылок и банок, а также ввиду неустойчивого состояния белков и возможности их перехода в состояние геля. Поэтому на отдельных предприятиях последовательно проводят оба способа стерилизации ( перед расфасовкой и после нее).


ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА
В отличие от стерилизации, когда стремятся к подавлению жизнедеятельности всей микрофлоры, населяющей пищевой продукт, целью пастеризации является подавление жизнедеятельности вредных для здоровья человека микроорганизмов.

Процесс пастеризации, наряду с вредной патогенной микрофлорой, попутно уничтожает и значительную часть прочей микрофлоры, однако наиболее термостойкие термофильные и мезофильные микроорганизмы пастеризацией не уничтожаются, так как она проводится при более низких температурах и с меньшей выдержкой при них, чем это имеет место при стерилизации молока.

В результате большой работы, проведенной в 1936 г. на Ленинградском молочном комбинате (ныне АО “Петмол”) под руководством Г. А. Кука, было установлено, что время, необходимое и достаточное для подавления жизнедеятельности патогенных микроорганизмов в молоке, может быть охарактеризовано формулой
lnн.д =   t, (13)
где ,   эмпирические постоянные, соответственно равные 36,84 и 0,48; t  температура пастеризации, С.

В практике пастеризации возможны три случая, когда фактическое время пастеризации может оказаться меньше, равно или больше необходимого и достаточного для этого времени. Первый случай не допустим, ибо процесс пастеризации окажется незавершенным и цель пастеризации не будет достигнута. Третий случай не желателен, так как продукт будет подвергаться тепловому воздействию излишне долго, что может вызвать изменения в продукте. Поэтому оптимальным условием процесса пастеризации является второй случай.

Мгновенно достичь температуры пастеризации нельзя. Требуется определенное время на нагревание молока до этой температуры. Гибель патогенной микрофлоры начинается с момента достижения молоком температуры пастеризации 76 и 8590С. Поэтому, если в формулу (12) подставить значение температуры пастеризации, то полученное время выдержки молока может оказаться завышенным, так как не будет учтено губительное действие температуры на микроорганизмы за время нагревания молока от 60С до температуры пастеризации. С тем чтобы учесть это обстоятельство, Г. А. Кук ввел понятие “критерия Пастера”.

Под критерием Пастера понимают отношение фактического времени теплового воздействия на микрофлору при заданной температуре к необходимому и достаточному для ее гибели времени. Тогда в первом из рассматриваемых случаев критерий Пастера Pа окажется меньше единицы, во втором – равным единице и в третьем – больше ее.

Процесс пастеризации следует осуществить таким образом, чтобы с учетом нагревания молока от 60С до температуры пастеризации, выдержки при ней какого-то промежутка времени и последующего охлаждения до 60С суммарное значение критерия Пастера равнялось единице.

В процессе нагревания молока изменяется его температура, каждому из значений которой соответствует свое значение н.д, которое тоже изменяется. Лишь за очень короткий промежуток времени d можно условно принять t и н.д постоянными, тогда элементарный эффект пастеризации составит d/н.д.

Суммарный эффект пастеризации будет равен d/н.д, причем для всей пастеризационно-охладительной установки в идеальном случае он должен быть равен единице.


РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВЫДЕРЖИВАНИЯ
МОЛОКА ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПАСТЕРИЗАЦИИ
График изменения температуры молока в простейшей пастеризационно-охладительной установке представлен на рис. 8.







Рис. 8. Изменение температуры
молока в простейшей
пастеризационно-охладительной установке
Значение критерия Пастера для всей бактерицидной зоны должно быть равно единице. Продолжительность нагревания и охлаждения молока обусловлена конструкцией теплообменников установки. Изменить продолжительность невозможно, так как это повлечет за собой изменение температуры молока на выходе из аппаратов. Поэтому для достижения указанного условия необходимо правильно определить продолжительность выдержки молока при тем-пературе пастеризации в выдерживателе. Исходя из того, что
н.д + в/н.д + н.д = 1, (14)
находим

в = н.д (1  н.дн.д). (15)
Значение н.д при температуре пастеризации можно вычислить по формуле (14). Фактическое время пребывания молока в выдерживателе будет меньше, что следует из формулы (15).

Существует несколько способов определения суммарных эффектов пастеризации для теплообменных аппаратов, в которых температура молока непрерывно изменяется [7,8]. Рассмотрим простейший из них  графоаналитический – на примере одного из теплообменников установки – пастеризатора.

В теплообменнике непрерывно изменяется температура молока, поэтому также непрерывно с повышением температуры уменьшается значение н.д.

Если всю продолжительность нагревания молока в аппарате представить как сумму большого числа достаточно коротких промежутков времени, то в пределах каждого из них можно в первом приближении считать постоянной температуру, равную среднему значению ее в каждом из промежутков. Следуя этой методике по формуле (14) можно определить значение н.д для каждого из промежутков времени. Тогда взамен температурного графика можно построить эквивалентный ему график, на котором вместо ординаты t будет ордината 1/н.д (рис. 9).




Рис. 9. Иллюстрация
графического определения
критерия Пастера
для теплообменного аппарата

Площадь под кривой для некоторого i-го очень короткого промежутка времени равна dн.дi. Следовательно, суммарный эффект пастеризации соответствует сумме аналогичных площадей для всех участков, т. е. площади трапеции, образованной всей кривой на графике.

Аналогичным образом можно определить значение критерия Пастера и для остальных аппаратов установки, где температура молока выше 60С, после чего воспользоваться формулой (15) и найти необходимое время выдержки молока.

Этот и другие способы определения времени или продолжительности, как говорят, “собственно пастеризации” в полной мере приемлем и для процесса стерилизации молока. Различие заключается в том, что постоянные  и  в формуле (13) тогда будут иметь другие числовые значения.


ТЕОРИЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА
И МОЛОЧНЫХ КОНСЕРВОВ
Основные положения теории пастеризации Г. А. Кука [7] отражены в формуле (14). Режимы стерилизации стремятся выбирать таким образом, чтобы подавить обитающие в молоке наиболее термостойкие споры – это споры термо- и мезофильных микробов (B. Stearother-mophilus, B. Subtilis и др.), полагая при этом, что менее термостойкие микробы в таком случае тем более будут уничтожены. До недавнего времени воспользоваться предложенным Г. А. Куком математическим аппаратом не представлялось возможным ввиду отсутствия сведений о значениях постоянных  и  для спор, обитающих в молоке и молочных продуктах. При помощи графика зависимости гибели спор термофильной и мезофильной микрофлоры от температуры и времени выдержки при термической обработке молока и сливок [1, 2] получены следующие значения этих коэффициентов (табл. 2):

Таблица 2


Микроорганизмы

Молоко цельное

Сливки, 30 % жира












Термофильные

14,9

0,103

15,7

0,106

Мезофильные

14,8

0,104

15,6

0,106


Из табл. 2 следует, что угловой коэффициент  во всех случаях приблизительно одинаковый, а мезофильные споры несколько более чувствительны к тепловому воздействию, чем термофильные. Если учесть, что в качестве тест-культур при выборе режимов стерилизации главным образом используют именно эти виды микроорганизмов, появляется возможность использовать при расчете режимов стерилизации математический аппарат, предложенный Г. А. Куком для расчета режимов пастеризации молока.

Необходимо заметить, что константа термоустойчивости микроорганизмов, используемая в классической теории стерилизации консервов, развитая Б. Л. Флауменбаумом [9], превышает в 100 раз числовое значение коэффициента  в формуле (14).


КРИТЕРИЙ ПАСТЕРА ДЛЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОВОЙ
СТЕРИЛИЗАЦИИ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
В ТЕПЛООБМЕННИКАХ
Известно, что одинакового эффекта стерилизации можно достичь при различных температурах, выбрав соответствующим образом время выдержки. Эмпирическим путем устанавливают время выдержки при некоторой температуре , принятой за эталон (обычно 121С), а необходимое и достаточное время для достижения такого же эффекта стерилизации при другой температуре Т () вычисляют по форму- ле (8), тогда
= . (16)

Следовательно, критерий Пастера для процесса стерилизации
Pa =  d/ =  d/10 = 1/10. (17)


Рис. 10. Схема процесса
тепловой обработки молока
в непрерывно действующих
теплообменниках

Обратимся к традиционной схеме процесса тепловой обработки молока в непрерывно действующих теплообменниках (рис. 10), включающей в себя подогрев в регенераторе тепла, нагрев до температуры стерилизации, выдержку при ней и охлаждение в регенераторе тепла.

Губительное действие тепла на болезнетворные микроорга- низмы, населяющие молоко, начинается еще в регенераторе при достижении молоком температуры 60С. Поэтому за время рн в регенераторе температура молока изменится от 60С до Тр, где рн  время воздействия тепла на микроорганизмы в процессе нагрева молока от 60С до Тр.

Темп изменения температуры будет (Тр – 60) / рн, а за время Тр

dT = (Tp  60/dрн) d,

отсюда

d = (рн/Тр  60) d. (18)

Подставляя это значение d в уравнение (14) и интегрируя в пределах от 60С до Тp, получим

Pa= 0,435Zрн/Tэ (Tp  60) 10 (10 10). (19)

Значение критерия Пастера для охлаждаемого в регенераторе потока молока можно найти аналогичным образом
Рapo = 0,435Zpo/Tэ (T 60) (10  10), (20)

где po  время охлаждения молока от температуры стерилизации до 60С.

Для парообогреваемого стерилизатора
d = (JC/FKст) ст (dT/TстT), (21)
где J  производительность стерилизационной установки, кг/ч; Fст  теплопередающая поверхность стерилизатора, м2; Кст  коэффициент теплопередачи в аппарате, Вт/(м2К) ;   время пребывания продукта в аппарате, с; Тст  температура стерилизации, С.

В отличие от регенератора тепла в секции стерилизации или просто в стерилизаторе молоко нагревается перегретой горячей водой либо просто водяным паром. Для этого случая можно также получить формулу критерия Пастера.
Рaст = (ст/Sст  10) 10 (dT /Tст Т), (22)
где S = FКст/Gc.

Сделаем подстановку TстT = W, тогда

10 dW/W = 10 dW/W +
+10 dW/W.

Интеграл такого вида нельзя выразить через элементарные функции, однако числовые его значения Эйлер табулировал.

Таким образом, уравнение (22) окончательно должно быть записано так
Pa= ст 10TпараTэ/Z/Sстэ [Ei(ТпараT/Z) + Ei(TпараTp/Z)]. (23)

Значения Еi следует находить из таблиц, представленных в литературе [7, 8], по параметрам (ТпараТст)/Z.

Таким образом, расчет процесса стерилизации молока можно вести по формулам, выведенным профессором Г. А. Куком, решившим аналогичную задачу для условий пастеризации молока. Здесь рассмотрим более сложный вопрос, когда стерилизуют молоко в патоке, в аппарате, где есть регенератор тепла. При стерилизации молока в бутылках и банках формулы (19) и (20) утрачивают смысл. Далее следует поступать, как при расчете процесса пастеризации молока. Необходимо заметить, что расчет основан на определенном времени пребывания молока и обитающих в нем микроорганизмов в аппарате. При тепловой обработке молока в теплообменниках (например, в трубчатых) следует учитывать поле скоростей, ибо в центральной части трубы молоко с микробами движется быстрее в 1,22 раза, чем у ее стенки. Как показали опыты Н. В. Барановского, даже в пластинчатых аппаратах скорости движения частиц жидкости различаются в 1,51,73 раза. Во сколько же раз следует увеличить продолжительность выдержки, чтобы достичь желаемого эффекта стерилизации.

Дополнительную сложность при стерилизации молока представляет тот факт, что многие молочные продукты являются псевдопластическими неньютоновскими жидкостями, поле скоростей которых при их движении по трубам или другим каналам отличается от такового при движении ньютоновских жидкостей [10].


СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ
СТЕРИЛИЗАЦИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
  1   2


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации