Файл: Гуляев-Зайцев, С. С. Физико-химические основы производства масла из высокожирных сливок.pdf

реохлаждения, выделение твердой фазы в одной температурной области, повышение скорости фазового превращения и уменьше­ ние отрицательного влияния эффектов вторичного отвердевания можно использовать для дальнейшего совершенствования про­ цессов производства сливочного масла.

ГЛАВА IV. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В МОЛОЧНОМ ЖИРЕ

В формировании структуры и консистенции сливочного мас­ ла решающее значение имеют свойства пространственных струк­ тур, образуемых его жировой фазой. ч

Под структурой следует понимать не только строение кри­ сталлической решетки отдельных дисперсных частиц, но и дис­ персную структуру, представляющую собой пространственную сетку, образованную кристалликами за счет сил взаимодействия между ними [11, 14, 15, 16]. Поэтому структура характеризуется строением дисперсных частиц, их количественным содержанием в единице объема и развитостью поверхности, размером, формой и картиной распределения кристалликов по размерам, а также условиями их взаиморасположения и срастания.

Форма и размеры кристаллов зависят от условий охлаждения жира. В молочном жире и сливочном масле образуются одни

ите же формы кристаллического жира [23]. Чем выше скорость

лниже температура охлаждения, тем больше возникает кристал­ лических зародышей, которые затем вырастают во множество мелких кристалликов, приближающихся по величине к коллоид­ ным частицам [22]. При медленном охлаждении образуется мало центров кристаллизации и формируются очень крупные кристаллы. Этому же способствует выдержка уже отвердевшего жира при повышенных температурах. Механическая обработка, особенно на стадии выделения дисперсной фазы, способствует формированию мелких плотных кристаллов и значительно увели­ чивает число дисперсных частиц в единице объема.

По данным Демана [20], при быстром охлаждении жира в продукте преобладают мельчайшие кристаллы диаметром ме­ нее 1—2 мкм, при медленном — образуются крупные сферолиты диаметром 10—20 мкм, а при особо благоприятных условиях 50—100 мкм. Сферолиты состоят из игольчатых кристаллов с бо­ лее плотным образованием в центре. Они имеют непрочную структуру и при малейшем механическом воздействии разру­ шаются на отдельные игольчатые кристаллы.

Крупные сферолиты в масле встречаются редко [23]. Мед­ ленное охлаждение масла и хранение его при высоких темпера­ турах приводит к формированию крупных кристаллов, способ­ ствующих возникновению порока «мучнистость».

73

По-вндимому, можно считать, что в жировой фазе после охлаждения присутствует целый спектр кристаллов различных размеров, дисперсность которых в зависимости от условий тер­ момеханической обработки до сих пор недостаточно изучена.

В условиях быстрого охлаждения, которое имеет место при производстве масла из высокожирных сливок, дисперсная жиро­ вая фаза выделяется в виде мельчайших иглообразных кристал­ лов. Повышенные температуры охлаждения продукта в маслообразователе, медленное охлаждение его в холодильной камере, а также хранение уже охлажденного масла при температурах выше 19—12° С способствуют получению более крупных кристал­ лов молочного жира.

Выделение твердой фазы из переохлажденного раствора три­ глицеридов сопровождается образованием дисперсной структуры.

По П. А. Ребиндеру [15, 16], простым и наиболее распространенным типом дисперсных структур являются коагуляционные структуры, образован­ ные сцеплением частиц ван-дер-ваальсовыми силами. Наиболее характерны коагуляционные структуры при небольшом объемном содержании дисперсной фазы, когда количество частиц достаточно велико в единице объема при вы­ сокой дисперсности. При образовании коагуляционной сетки и отдельных ее элементов — агрегатов или цепочек — в местах контакта остаются тонкие прослойки дисперсионной среды.

Кристаллизационные структуры образуются в результате срастания (с по­ мощью фазовых контактов) и переплетения мельчайших частиц дисперсной фазы. Вероятность образования контактов срастания при сближении растущих кристалликов повышается с увеличением пересыщения и продолжительности его существования.

Наличие пространственной структуры в продукте определяется с помощью измерения его механических свойств.

Коагуляционные структуры обладают пониженной прочностью и большой пластичностью. Тонкие пластифицирующие прослойки среды в местах контакта частиц обеспечивают полную тиксотропию таких структур, т. е. их способ­ ность обратимо разрушаться при механических воздействиях, постепенно вос­ станавливаясь во времени до первоначальных значений прочности в резуль­ тате броуновских соударений частиц.

Вследствие непосредственных фазовых контактов между частицами кри­ сталлизационные структуры обладают высокой механической прочностью, хрупкостью и после механического разрушения не восстанавливают первона­

В переохлажденном молочном жире возникают структуры смешанного типа — кристаллизационно-коагуляционные [2, 4, 10, 18].

По Хайгтону [21] структурная сетка в жирах также обра­ зуется за счет связей двух видов между частицами. Кристаллы могут быть связаны первичными или необратимыми прочными связями, которые возникают при кристаллизации пе­ реохлажденного раствора без перемешивания. Вторич­ ные или обратимые связи обеспечиваются силами ван- дер-ваальсового притяжения, которые действуют на расстояниях, не превышающих размера частиц. С помощью вторичных связей

74

кристаллы жира вначале образуют цепи, которые, соединяясь друг с другом, формируют структурный каркас.

Время, в течение которого половина всех дисперсных частиц перейдет в состояние структурного каркаса, вычисляют по формуле [21]

_

х- SKTп ’

тде т) — вязкость дисперсионной среды;

К— константа Больцмана;

Т— абсолютная температура;

п— число дисперсных частиц в 1 см3 дисперсии.

Выделение дисперсной фазы сопровождается увеличением вязкости системы, в которой при определенных условиях обра­ зуется структурный каркас. В УкрНИИММПе были проведены исследования [6, 8, 9], позволившие установить характер измене­ ния состояния молочного жира в процессах охлаждения и изу­ чить формирование в нем пространственных структур.

Кривые изменения вязкости и содержания твердой фазы при охлаждении молочного жира с различными скоростями показа­ ны на рис. 28. Вначале вязкость дисперсии возрастает незначи­ тельно, но затем за сравнительно короткий промежуток проис­ ходит ее стремительное увеличение до 2,5—3,5 Па-с. Резкий скачок вязкости обусловлен появлением сил взаимодействия между дисперсными частицами, т. е. начальной стадией образо­ вания пространственной структуры. Пока содержание твердой фазы в жире невелико вязкость системы определяется главным образом дисперсионной средой. Когда количество кристаллов в единице объема достигает необходимого минимума, в жире

Рис. 28. Изменение вязкости tj жира (/) и содержания в нем твердой фа ' зы Т (2) во времени т при охлаждении со скоростями (в °С/мин):

а — 0 ,1 3 ; 0 — 0 ,2 8 ; в — 1 ,2 1 ; г — 2 ,

76

начинается образование пространственной структуры. Данный1 эффект связан со скоростью охлаждения жира, и при низком темпе снижения его температуры структурирование проходит при меньших концентрациях дисперсной фазы, чем при высоких скоростях охлаждения.

Низкая скорость охлаждения жира обусловливает продолжи­ тельное пребывание его в переохлажденном состоянии, что спо­ собствует росту кристаллов и их взаимной ориентации с обра­ зованием структурной сетки при малой концентрации твердой фазы. При высокой скорости охлаждения, когда время нахожде­ ния жира в метастабильном состоянии исчисляется несколькими минутами, мелко диспергированная твердая фаза образует про­ странственную сетку лишь при значительных концентрациях кристаллического жира.

При низкой скорости охлаждения жира вязкость его дости­ гает 2 Па-с, когда содержание твердого жира составляет 10%. Жир, охлажденный с высокой скоростью, даже при концентра­ ции дисперсной фазы 30% имеет значения вязкости, не превы­ шающие 1 Па-с.

Анализ зависимости вязкости жира от температуры показы­ вает, что с увеличением скорости его охлаждения в большей сте­ пени переохлаждаются триглицериды. При более низких тем* пературах проходит массовая кристаллизация и создается кон* центрация дисперсной фазы, обусловливающая структурирова­ ние системы.

Механическая обработка, снижая переохлаждение триглице­

ностью 45 Вт/кг, а также кривая выделения жидкого жира из продукта после структурообразования, показана на рис. 29

[6, 8, 9].

Характерно, что скачок вязкости и минимум на кривой выде­ ления жидкого жира хорошо совпадают по времени. Увеличение вязкости охлаждаемого молочного жира при постоянной частоте вращения мешалки вызывает также повышение удельной мощ­ ности механической обработки.

Таким образом, в переохлажденном молочном жире на опре­ деленной стадии выделения дисперсной фазы вязкость и мощ­ ность, затрачиваемая на обработку, резко увеличиваются [7]. Чем выше удельная мощность механической обработки и ско­ рость охлаждения, тем больше твердых частиц содержится в единице объема дисперсии при равном объемном содержании твердой фазы. В определенный момент концентрация дисперсной фазы достигает такого уровня, когда кристаллики настолько сближаются, что между ними становится возможным появление сил взаимодействия. С .увеличением степени дисперсности обра­ зующейся фазы и длительности пребывания жира в переохлаж­

76

денном состоянии повыша­ ется вероятность образова­ ния контактов между час­ тицами и их количество.

Хотя механическая обра­ ботка препятствует объеди­ нению частиц дисперсной фазы с образованием про­ странственной сетки, пере­ мешивание, вероятно, не ис­ ключает возможности обра­

регатов находится в обратной зависимости от удельной мощно­ сти механической обработки жира и скорости его охлаждения.

Агрегаты образуются при критической концентрации дис­ персной фазы [11, 17, 19], которая по данным автора составляет около 4—7%, и обусловливает резкое увеличение вязкости жира.

Критическая температура tK, при которой в охлаждаемом жире возникает критическая концентрация твердой фазы, зави­ сит от удельной мощности механической обработки и скорости охлаждения (табл. 16) [8].

Т А Б Л И Ц А 16

Критическая температура структурообразования (в ° С) при различной Скорость удельной мощности механической обработки жира, Вт/кг

■охлаждения, ° С мин

Изменение химического состава молочного жира также влия­ ет на критическую температуру структурообразования. Добавка к цельному молочному жиру фракции высокоплавких триглице­ ридов в количестве 30% повышает критическую температуру структурообразования на 3—3,3° С.

Выделение твердой фазы триглицеридов, проходящее при охлаждении жира и его механической обработке, и связанное с этим изменение структурно-механических свойств жира можно разделить на две стадии. Переход от I ко II стадии (условная граница раздела) происходит при критической концентрации твердой фазы.

На I стадии процесса в области выше критической темпера­ туры структурообразования в переохлажденном жире появ­ ляются центры кристаллизации, по мере охлаждения высоко-

77