Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы 10
1.1 Физико-химические характеристики лактозы 10
1.2 Основы кристаллизации 13
1.2.1 Общие представления о кристаллизации 13
1.2.2 Зародышеобразование 13
1.2.3 Рост кристаллов 16
1.3 Традиционные способы кристаллизации лактозы в технологиях сгущенных молочных продуктов 19
1.4 Гетерогенное зарождение кристаллов 25
1.5 Критический анализ технологии производства молока сгущенного с сахаром 26
2 Методология исследований 28
2.1 Структура, организация и схема исследований 28
2.2 Объекты исследований 30
2.3 Методы исследований, приборное обеспечение 31
2.3.1 Стандартизованные экспериментальные методы 32
2.3.2 Общепринятые и оригинальные экспериментальные методы 33
2.3.3 Методы моделирования и статистической обработки экспериментальных данных 39
2.4 Лабораторный стенд для стандартизации имитационных зародышевых материалов 42
3 Теоритическое и экспериментальное подтверждение целесообразности применения ИЗМ 44
3.1 Выбор имитационных зародышевых центров 44
3.2 Результаты микроскопических исследований 56
3.3 Исследование эффективности гетерогенной кристаллизации лактозы в насыщенных растворах 59
4 Исследование гетерогенной кристаллизации лактозы в поликом понентных моделях 64
4.1 Математический аппарат и ПО оценки коэффициента однородности 64
4.2 Разработка инвариантной технологической схемы производства и моделей-аналогов продукта 67
5 Разработанные технологии сгущенных продуктов с сахаром на молочной основе 87
5.1 Технология продуктов молокосодержащих сгущенных с сахаром 87
5.2 Технология продуктов молочных сгущенных с сахаром вареных 94
5.3 Технология продуктов молочных и молочных составных сгущенных с сахаром 97
Основные результаты работы и выводы 102
Список использованной литературы 105
- Традиционные способы кристаллизации лактозы в технологиях сгущенных молочных продуктов
- Лабораторный стенд для стандартизации имитационных зародышевых материалов
- Исследование эффективности гетерогенной кристаллизации лактозы в насыщенных растворах
- Разработка инвариантной технологической схемы производства и моделей-аналогов продукта
Введение к работе
Актуальность. Обеспечение населения страны качественными продуктами питания в востребованном ассортименте и количестве является важной народнохозяйственной задачей. Априори в реализации соответствующих социально-экономических программ важное место занимает продукция молочной промышленности. С учетом географических особенностей и климатических условий России, стратегических соображений, сложившейся фрагментации потребительского рынка и экономических факторов особое значение приобретают исследования, направленные на совершенствование традиционных технологий молочных консервов, как высокопитательных продуктов с выраженным приоритетом повышенной хранимоустойчивости. Сгущенные молочные консервы с сахаром имеют стратегическое назначение - закладываются в Федеральное агентство по государственным резервам Минэкономразвития России. По данным Федеральной службы государственной статистики ежегодный объем производства сгущенных молочных консервов в России составляет более 300 тыс. тонн.
При производстве сгущенных консервов с сахаром на молочной основе одним из главных технологических процессов является кристаллизация лактозы, заключающаяся в создании условий для массового формирования и последующего регулируемого роста кристаллов. В традиционной технологии производства сгущенных молочных консервов с сахаром предусматривается проведение процесса кристаллизации с внесением затравки в виде мелкокристаллической лактозы или проведение ее частичного ферментативного гидролиза. Актуальная проблема первого варианта - при незначительном несоблюдение технологических режимов нарушается целостность системы, что приводит к неконтролируемому росту кристаллов лактозы. Применение второго варианта - ферментации, нецелесообразно из-за появления риска потемнения продукта в результате реакции Майяра и удорожания готового продукта.
В печатных публикациях и Интернет источниках, в том числе по кристаллизации солей, различных сплавов, биологических жидкостей, указывается, что центры кристаллизации могут быть гомогенными, зарождающиеся в результате локальных флуктуаций состава или структуры, так и гетерогенными - на примесных центрах инородной фазы. Имеющиеся данные по наличию гетерогенной кристаллизации сахаров позволили предположить гипотезу о возможности её направленного проведения в технологии сгущенных молочных продуктов с сахаром. При этом, развивая идею, было решено исследовать возможность применения нерастворимых в воде веществ, что при положительных результатах, то есть при подтверждении кристаллизационного эффекта, вероятно, в дальнейшем позволит сделать универсальным момент внесения зародышевых центров и существенно видоизменить традиционные технологии и оборудование.
Целью настоящей работы является разработка промышленных технологий сгущенных консервов с сахаром на молочной основе с интегрированным процессом гетерогенной кристаллизации лактозы.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и последовательно реализованы следующие задачи:
обосновать выбор нерастворимых в воде имитационных затравочных материалов кристаллической природы, с учетом их безопасности и технологичности;
создать модельные системы концентрированных лактозосодержащих продуктов, исследовать особенности формирования и роста гетерогенных кристаллов;
- разработать инвариантную модель технологической схемы сгущенных
продуктов с сахаром на молочной основе, установить рациональные дозировки
имитационных затравочных материалов и определить эффективность гетероген
ной кристаллизации лактозы в поликомпонентных системах;
разработать технологии сгущенных молочных продуктов с сахаром с интегрированным процессом гетерогенной кристаллизации, определить закономерности формирования/кинетики показателей качества, в первую очередь однородности консистенции;
разработать техническую документацию и провести промышленную апробацию технологии.
Научная новизна:
- теоретически и экспериментально доказана возможность направленного
проведения гетерогенной кристаллизации лактозы в моно- и поликомпонентных
(на молочной основе) концентрированных системах;
- установлены закономерности формирования и роста кристаллов лактозы с
гетерогенными зародышевыми центрами, в том числе в хранении, в зависимости
от вида, дозировки, момента внесения имитационных материалов в технологии;
- выявлены новые физико-химические и технологические закономерности
создания сгущенных консервов на молочной основе, предложены принципы
формирования их качества, во взаимосвязи позволяющие проектировать новые и
совершенствовать традиционные технологии концентрированных лактозосодер-
жащих продуктов.
Практическая значимость и реализация результатов:
- обоснованы виды, дозировки и рациональные моменты внесения имитаци
онных затравочных материалов;
- создан промышленный процесс гетерогенной кристаллизации лактозы
применительно к технологиям сгущенных молочных продуктов с сахаром;
усовершенствована методология оценки коэффициента однородности распределения кристаллов и создано программное обеспечение;
разработаны технологические принципы и приемы повышения качества и рационализированы производственные схемы молочных консервов в диапазоне промежуточной влажности с перспективой их применения в области продуктов с низкой влажностью;
разработаны и апробированы в производственных условиях 3 технологии сгущенных продуктов с сахаром на молочной основе, оформлена техническая документация на продукты сгущенные с сахаром вареные, продукты молокосодер-жащие сгущенные с сахаром и продукты молочные и молочные составные сгущенные с сахаром с интегрированным процессом гетерогенной кристаллизации лактозы.
Степень достоверности и апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на симпозиумах, конференциях, семинарах различного уровня: Международная научно-техническая конференция «Современные достижения биотехнологии» (Ставрополь, 2011); Международная конференция «Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока» (Барнаул, 2012); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); Международная научно-техническая конференция «Производство продуктов для здоровья человека – как составная часть науки о жизни» (Воронеж, 2012); VI Международная научно-практическая конференция «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2012); постерная сессия, проходившая в рамках XIV Всероссийского конгресса диетологов и нутриологов с международным участием «Алиментарно-зависимая патология: предиктивный подход» (Москва, 2012); постерная сессия, проходившая в рамках Международного Молочного Саммита ММФ (Йокогама, Япония, 2013); 7-ая ежегодная Конференция молодых ученых и специалистов институтов Отделения «Хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии (Москва, 2013) и др., а также на Ученых Советах ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии в рамках отчетов по бюджетным и хоздоговорным темам ежегодно с 2012 г.
Результаты работы неоднократно номинировались. Получены: Серебряная медаль в номинации «Инновационные разработки в области сельскохозяйственной науки: «За разработку технологий и промышленного оборудования для модернизации новых предприятий по производству молочных консервов», (Москва, 2012); Диплом II степени конкурса «Эстафета поколений 2012», проведенной в ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, в номинации «Лучшая аналитическая работа» за работу «Анализ научно-технического материала по гомогенной и гетерогенной кристаллизации лактозы из насыщенных растворов»; Диплом за I место на VII научно-практической конференции молодых ученых и специалистов отделения хранение и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Научный вклад молодых ученых в развитие пищевой и перерабатывающей промышленности АПК» за работу «Теоретические исследования температурной депрессии при впрыскивании лактозосодержащего продукта в вакуум-камеру».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе: 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 11 в научных трудах институтов, материалах научных чтений, семинаров, конференций и симпозиумов; получены 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической части, результатов собственных исследований и их анализа (3 главы), а также выводов, списка использованных источников литературы и приложений. Основной текст работы изложен на 112 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 30 рисунков, 136 источников научно-технической информации, в том числе 18 Internet источников.
Традиционные способы кристаллизации лактозы в технологиях сгущенных молочных продуктов
Кристаллизация лактозы – важная технологическая операция при производстве молочных консервов с сахаром. Главной задачей данного технологического процесса является снятие пересыщения за счет формирования центров кристаллизации, и предотвращение их последующего роста при хранение готового продукта [105,111].
Важным показателем, предъявляемым действующим стандартом при ор-ганолептической оценке молочных консервов с сахаром, является эффективность кристаллизации лактозы, которая характеризует консистенцию. Зависимость оценки консистенции от размеров и количества кристаллов лактозы представлена в табл. 1.3 [7,11,54,88,91
Эффективность кристаллизации оценивают средним линейным размером кристалла, коэффициентом однородности и количеством кристаллов в 1 мм3 продукта [15,88].
Правильно проведенный процесс кристаллизации лактозы, т.е. обеспечение условий для одновременного формирования большого числа зародышей и последующего их роста до мелких кристаллов, обеспечивает однородную консистенцию готового продукта [10,55]. На скорость зарождения и роста кристаллов лактозы оказывают влияние степень пересыщения, температура, интенсивность перемешивания и наличие затравки. Затравку используют для инициирования направленного процесса, т.к. она способствует образованию мелких кристаллов, размеры которых не превышают 10 мкм. Для использования в роли затравки разрешены: мелкокристаллический рафинированный молочный сахар, специальные препараты лактозы, пересыщенные растворы лактозы с зародышами кристаллов, водорастворимые высокомолекулярные органические вещества в кристаллическом состоянии в смеси с лактозой [86,87,94]. Использование мелкокристаллической лактозы размерами 2-3 мкм в роли затравки является наиболее эффективным способом кристаллизации. Данные подтверждены многочисленными исследованиями [48,49,90,101,110,121,123].
На массовую кристаллизацию лактозы оказывает влияние правильный выбор температуры внесения затравки и ее количество. Затравку вносят при температуре усиленной кристаллизации, которая зависит от концентрации лактозы в системе [56]. Максимальное пересыщение лактозы быстро достигается при данной температуре, а вязкость молока минимально увеличивается. Ее определяют по графику Гудзона, приведенному на рис. 1.3.
Для определения температуры усиленной кристаллизации молочного сахара устанавливают массовую долю лактозы в водной части сгущенного молока (лактозное число) и по графику находят точку пересечения вертикальной линии, соответствующей данной массовой доле лактозы, с кривой усиленной кристаллизации. По этой точке пересечения определяют температуру массовой кристаллизации на оси ординат.
Массовую долю лактозы в водной части сгущенного молока (лактозное число) Лкон (%) рассчитывают по формуле 1.2: где Лпр - массовая доля лактозы в сгущенном молоке с сахаром, %; Впр - массовая доля влаги в сгущенном молоке с сахаром, % [11,15,56].
Типовой технологической инструкцией (ТТИ к ГОСТ Р 53436-001 «Консервы молочные. Молоко и сливки сгущенные с сахаром. Технические условия») по производству молока цельного сгущенного с сахаром предусмотрено внесение затравки в количестве не менее 0,02% к массе готового продукта при температуре усиленной кристаллизации лактозы [18,78,79,88]. Возможна корректировка этой величины опытным путем или по критерию метастабильности [78,79], который рассчитывается с учетом изменения вязкости продукта.
Довольно крупные кристаллы лактозы могут образовываться при длительном хранение готового продукта при низких температурах, за счет того, что даже с использованием затравки практически не удается полностью снять пересыщение [53,72,82]. Это объясняется медленным переходом р-формы лактозы в а-форму на стадии охлаждения продукта [5,17].
При неконтролируемых колебаниях температуры хранения возможны процессы рекристаллизации - рост более крупных кристаллов за счет мелких. Это приводит к значительному ухудшению качества молочных консервов [50,54,99,103].
Кристаллизация лактозы при производстве сгущенных консервов с сахаром проходит во время охлаждения продукта. В настоящее время существуют различные режимы охлаждения: невакуумный и вакуумный, которые могут быть в свою очередь периодическими или поточными [1,42,71,87].
Периодический способ охлаждения сгущенных молочных продуктов с сахаром получил широкое распространение. Сгущенное молоко с сахаром охлаждают в вакуум-кристаллизаторах закрытого типа и ваннах кристаллизаторах открытого типа. В вертикальных кристаллизаторах открытого типа (рис. 1.4) продукт получается хорошего качества, за счет возможности регулирования режимов охлаждения продукта и кристаллизации лактозы. Охлаждение происходит путем теплообмена с охлаждающей поверхностью. Мешалка лопастями счищает сгущенное молоко с сахаром с охлаждающей стенки цилиндра. Продолжительность процесса охлаждения в данных ваннах длится 4-6 часов и проходит в три этапа: первый – охлаждение до температуры массовой кристаллизации; второй - выдержка при температуре массовой кристаллизации в течение 40-60 минут, третий - доохлаждение до конечной температуры. В вакуум-кристаллизаторах охлаждение сгущенного молока с сахаром ранее проводили в три этапа с двукратной выдержкой при температуре массовой кристаллизации. Дальнейшие наблюдения за процессом показали, что вторая выдержка не улучшает консистенцию готового продукта – это позволило перейти на двухступенчатое охлаждение.
На рис. 1.5 показан вакуум-кристаллизатор горизонтального типа. Охлаждение в нем происходит не только за счет самоиспарения, но и при помощи хладагента, который подается в мешалку.
Лабораторный стенд для стандартизации имитационных зародышевых материалов
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 53436-001 и иными техническими документами [78,79] размеры затравочного материала не должны превышать 4 мкм. Предварительные исследования гранулометрического состава ИЗМ, проведенные с применением оптической микроскопии, показали, что вышеуказанным требованиям соответствует только TiO2, размеры частиц которого не превышали 1 мкм. Для стандартизации частиц SiO2 и СаСO3 создан лабораторный стенд (рис. 2.2) на базе мельницы Сyclone Sample Mill.
Принцип работы мельницы заключается в создании воздушного вихревого потока, обеспечивающего контакт частиц с абразивной поверхностью из карбида вольфрама, их помол и просеивание до размеров 5-10 мкм при однократном прохождении через сетчатый фильтр (установлено экспериментально). Для более дисперсного дробления предложена система циркуляции воздушно-пылевой смеси (рис. 2.2 Б). Суть работы стенда следующая. Исходную фракцию CaCO3 или SiO2 загружают через дозатор 1 в перемалывающие устрой ство 2 (мельница Сyclone Sample Mill), на выходе из которого измельченный ИЗМ разделяется на 2 потока. Поток I с размерами частиц до 10 мкм рецирку-лирует, возвращаясь в исходный дозатор 1 на дополнительное измельчение. Поток II (пылевая фракции с размерами частиц не более 3 мкм, за счет дополнительно размещенной секции сетчатых фильтров) направляется в емкость 3 (cотношение H/=15) заполненную кольцами Рашига (для повышения эффективности процесса задержания частичек, т.к. поток водно-воздушно-пылевой смеси будет измельчаться, таким образом увеличивая поверхность контакта, и, как следствие, поглощение пыли жидкой фазой будет более эффективно), в которую противотоком потоку II с помощью перистальтического насоса 5 подавали водно-пылевую смесь. После прохождения жидкой фазы воздушный поток (с частичками пыли) через верхний отвод емкости 3 направляли в линию рецикла. Жидкую фазу, содержащую измельченный ИЗМ, через нижний отвод емкости 3 направляли на узел накопления 4. Из узла накопления 4, водно-пылевую смесь с помощью насоса 5 подают обратно в емкость 3. Полученный после фильтрации измельченный ИЗМ, после тщательной осушки и определения размеров (не более 3 мкм), был опробован в качестве затравочного материала.
Следует отметить, что часть вопросов организации экспериментов, их аппаратурного обеспечения и практического исполнения сознательно освещена в соответствующих разделах.
При базовой выборке потенциальных имитационных затравочных центров задавались такие критерии как: вещество кристаллической структуры, нерастворимое в воде (в 100 г H2O меньше 0,01 г вещества) [120]. Данная выборка позволила предварительно выделить 7 добавок – таблица 2.1, основные характеристики которых представлены ниже.
Е 170, КАРБОНАТ КАЛЬЦИЯ, СаСО3, (углекислый кальций) – неорганическое химическое соединение, соль угольной кислоты и кальция; молярная масса 100,0869 г/моль [121,122,125]; бесцветные кристаллы гексагональной сингонии - минерал кальцит (а = 0,499 нм, с = 1,706 нм, z = 6, пространственная группа R3с, плотность 2,72 г/см3); известны также ромбическая модификация -арагонит (а = 0,4959 нм, b = 0,7968 нм, с = 0,5741 нм, z = 4, пространственная группа Рmcn; плотность 2,94 г/см3) и псевдогексагональная (а = 0,716 нм, с = 0,849 нм, z = 6, пространственная группа P63/mmc) [35,133]. Растворимость в воде при 18С: кальцита 14 мг/л, арагонита 15 мг/л. В присутствие СО2 растворимость резко повышается вследствие образования хорошо растворимого в воде гидрокарбоната Са(НСО3)2 (известен только в водных растворах, при кипячении разлагается на СаСО3, СО2 и Н2О). Растворимость карбоната кальция с ростом температуры уменьшается. На растворимость карбоната кальция влияет также рН среды. В кислой среде растворимость кальцита значительно выше, чем в щелочной. По мере увеличения рН вероятность выпадения карбоната кальция повышается. Это связано с тем, что растворимость СО2 также зависит от рН водных растворов: чем он выше, тем больше растворяется в среде диоксида углерода. Кальцит - главный породообразующий минерал карбонатных пород (мела, известняка, мрамора) - широко распространен в природе, арагонит встречается реже. Получают карбонат кальция взаимодействием известкового молока с СО2 или СаСl2 с Na2CO3 в водном растворе [85,126].
В пищевой промышленности используется в качестве антислеживающего агента, красителя, стабилизатора и носителя. Считается безвредным [13,74].
Карбонат кальция играет важную роль в организме человека, участвуя в процессах свертывания крови, обеспечения постоянного осмотического давления крови, регулируя различные внутриклеточные процессы. Применяется в медицине в качестве лекарств, компенсирующих недостаток кальция, а также в виде БАД [46,124]. В то же время при чрезмерном поступлении карбоната кальция в организм и его переизбытке у человека может возникнуть "молочно-щелочной синдром", который имеет высокое токсическое действие и в тяжелых случаях может приводить к смерти. При небольшой передозировке карбоната кальция у человека может возникнуть гиперкальциемия - осложнения, которые включают рвоту, боли в животе и изменения психического состояния [46]. Рекомендуемая ежедневная профилактическая доза приема карбоната кальция составляет от 1,2 до 1,5 г в день [62]. Максимальная допустимая дозировка карбоната кальция в готовых продуктах - согласно ТР ТС 029/2012. Е 171, ДИОКСИД ТИТАНА, TiO2, (диоксид титана, двуокись титана, титановые белила) – неорганическое химическое соединение, амфотерный ок сид четырёхвалентного титана, молярная масса 79,866 г/моль [121,122,125]; бесцветные кристаллы, при нагревание желтеет, но обесцвечивается после охлаждения; известен в виде нескольких модификаций. Помимо рутила (тетра гональная сингония, а=0,45929 нм, с=0,29591 нм, пространственная группа Р42/mnm, плотность=4,235 г/см3), анатаза (тетрагональная сингония, а=0,3785 нм, с=0,9486 нм, пространственная группа I4/amd, плот ность=4,05 г/см3) и брукита (ромбическая сингония, а = 0,51447 нм, b = 0,9184 нм, с = 0,5145 нм, пространственная группа Рbса, плотность = 4,12 г/см3), известных в виде минералов, получены две модификации высокого давления: ромбическая IV (а = 0,4531 нм, b = 0,5498 нм, с = 0,4900 нм, пространственная группа Рbса) при 4-12 ГПа и 400-1500С, гексагональная V (а = 0,922 нм, с = 0,5685 нм) при давлении выше 25 ГПа. Брукит при всех условиях метастабилен. При нагревании анатаз и брукит необратимо превращаются в рутил соответственно при 400-1000С и 750С. В основе структур этих модификаций октаэдры ТiO6 [35,133]. TiO2 не растворяется в воде. Получают TiO2 либо прокаливанием гидроксида, образующегося при гидролизе сульфатных растворов (при сульфатной переработке титановых концентратов), либо сжиганием TiCl4 (при 1200-1700С). ТiO2 высокой чистоты можно получить гидролизом титанорганических соединений, Ti(OC4H9) с последующим прокаливанием [85,126]. В пищевой промышленности разрешен к применению в роли красителя [13,74]. Допустимое суточное потребление Е171 не установлено [62].Согласно клиническим исследованиям, пероральный прием диоксида титана не влечет каких-либо негативных последствий: добавка Е171 не растворяется в желудочном соке и не всасывается в организм через стенки кишечника – не накапливаясь, диоксид титана полностью выводится из организма [46,128].
Исследование эффективности гетерогенной кристаллизации лактозы в насыщенных растворах
Для подтверждения эффекта кристаллизации разработаны модельные системы на основе 30% раствора лактозы и ИЗМ. В качестве контроля исследовали насыщенный раствор лактозы при аналогичных условиях проведения эксперимента. Суть эксперимента заключалась в следующем: в 700 г нагретой до (85±2)С дистиллированной воды растворяли расчетное количество лактозы (300 г). Растворимость лактозы оценивали визуально. Из полученного раствора отмеряли по 100 г и переносили в плоскодонные колбы, которые устанавливали на магнитные мешалки для обеспечения равномерного охлаждения и перемешивания. В раствор с температурой (72±2)С вносили 0,02 г ИЗМ. Колбу с раствором герметично укупоривали и оставляли охлаждаться до температуры (25±2)С с постоянным перемешиванием при комнатной температуре в течение 1,5-2,0 часов. При достижении указанной температуры 0,3-0,5 мл раствора переносили на предметное стекло с размерами 1х1 см и высушивали для дальнейшего мик-роскопирования. Оставшуюся часть (в колбе) хранили при температуре (6±2)С в течение 3 месяцев, периодически (раз в месяц) определяли динамику роста кристаллов. При этом для исключения возможности образования пластов кристаллов первый месяц хранения осуществляли припостоянном перемешивание на магнитных мешалках.
Экспериментальные образцы рассматривались при увеличении от 100 до 10000 раз. При малом увеличении: 100500 раз оценивали размер и форму частиц, наличие в исследуемом продукте агломератов, а также выбирали участок поверхности образца для исследований при большем увеличении. Увеличение 5002000 раз дает возможность рассматривать целиком отдельные частицы. И, наконец, при увеличении 200020000 раз хорошо видны характерные детали микрорельефа поверхности частиц.
Микрофотографии типовых гетерогенных кристаллов при увеличении х2000 представлены на рис. 3.5.
На основании исследований микроструктуры гетерогенных кристаллов получены следующие результаты: - Форма полученных гетерогенных кристаллов различаются в зависимости от вида применяемого ИЗМ.
- Выявлены отличия в форме гетерогенных и гомогенных кристаллов лактозы.
- Особенности строения кристаллов позволяет предположить о неравновесных условиях их образования и роста, что выражается, в том числе, наличием слоев на гранях. Характерные признаки: изменение габитуса (исчезновение некоторых граней), выклинивание граней (непараллельность граней призмы), образование макроступеней на гранях. Это может быть связано как с воздействием растворенных примесей (ионов, молекул) и механических частиц, так и с относительно низкой связанностью влаги в системе.
- Все исследуемые препараты представлены многочисленными кристаллами с различной степенью дисперсности и разнообразным микрорельефом поверхности. Для гетерогенных кристаллов характерно наличие на стенках осколков различной формы.
- Выявлено, что размеры гетерогенных кристаллов не превышали 4мкм, в то время как гомогенные существенно превышали 10 мкм (до 200 мкм).
Результаты динамики роста кристаллов в растворах при хранении в течение 3 месяцев представлены на рис. 3.6.
Как видно из представленного материала размеры кристаллов лактозы при гомогенной кристаллизации не соответствуют требованиям ТТИ, что коррелирует с общепринятыми данными. Отмечен рост кристаллов в течение всего срока хранения для всех размерных групп. На 3 месяц хранения количество кристаллов с размерами более 200 мкм превышало 70% для контрольных образцов. Экспериментальные данные подтвердили наличие эффекта гетерогенной кристаллизации при использовании ИЗМ. При этом по эффективности применения ИЗМ предварительно получена следующая градация: SiO2 CaCO3 TiO2.
Полученные результаты подтвердили целесообразность дальнейших исследований на моделях-аналогах продуктов сгущенных с сахаром.
Разработка инвариантной технологической схемы производства и моделей-аналогов продукта
Для последующей реализации полученных результатов в промышленные технологии в лабораторных условиях разработаны приближенные модели-аналоги продуктов. Исследовали модельные системы сгущенного молока с сахаром и сгущенного молока с сахаром «вареного». Образцы получали путем восстановления сухого цельного молока в расчетном количестве воды, диспергирования жира и дальнейшего внесения соответствующего количества сахара.
Так как прототипом данной продукции является молоко цельное сгущенное с сахаром по ГОСТ Р 53436 и молоко сгущенное ссахаром “вареное” по ГОСТ Р 54540, то операторные модели сводились к получению в готовом продукте приближенных значений нормируемых показателей.
С целью минимизации возможных рецептурных вариантов принято решение ограничится четырехкомпонентной рецептурой, представленной в таблице 4.2. При этом фактически рассматривалась трехкомпонентная – поскольку смесь, полученная после растворения СЦМ и внесения ангидрированного жира, рассматривалась в единстве в рамках процесса нормализации.
Сравнительная характеристика состава продуктов по ГОСТР 53436 и ГОСТ Р 54540 с фактическими данными модели-аналога представлены в таблице 4.3 и 4.4 соответственно.
Для рационализации возможных вариантов очередности ввода компонентов на базе экспертной оценки было введено первое ограничение: последовательность внесения. Соответствующая кодировка полученных смесей на различных этапах осуществлялась по принципу очередности вводимого компонента и выражалась последовательностью соответствующих индексов при Х, таблица 4.2. Кодировка готового продукта была принята как Х5. В дальнейшем при организации технологического цикла было введено второе ограничение: последовательность технологических процессов. При этом принципиальная технологическая схема производства моделей-аналогов представлена на рис. 4.4.Перечень и принятая условная кодировка характерных технологических процессов в рамках технологий моделей-аналогов представлена в таблице 4.5.
Так как технологический процесс – перемешивание (Y10), по сути является универсальной процедурой интенсификации массо- и энергообменных процессов, то при разработке операционных моделей было принято, что в диапазоне воздействий Y1…Y8 она априори присутствует, без детализации уровня интенсивности.
В таблице 4.6 представлены исследуемые операторные модели технологического процесса сгущенного молока с сахаром и сгущенного молока с сахаром «вареное». Момент внесения затравочного материала выделен серой область.
Предварительно для определения рациональной дозировки ИЗМ проведена серия исследований. Суть этапа работы заключалась в создании моделей-аналогов продукта в соответствии с операторными моделями и определения в них среднего размера кристаллов лактозы на 120 сутки хранения (из литературных источников предельный период формирования размера кристаллов [15,17,53,89]). Дозировка ИЗМ – 0,01, 0,02 …0,06% к массе продукта. В качестве контрольных образцов рассматривались аналоги продукта без процесса кристаллизации, в которых, как установлено, на 120 сутки хранения средний размер кристаллов превышал допустимое ограничение в 10 мкм более чем в 2 раза. Значения средних размера гетерогенных кристаллов на 120 сутки хранения представлены на рис.4.5.
Анализ полученных результатов позволил определить рациональные дозировки ИЗМ: варианты А и С операторных моделей - в количестве 0,04% к массе продукта при внесении на этапе нормализации (с учетом возможных механических и химических потерь в ходе технологии) и 0,02% к массе продукта для вариантов В и D операторных моделей при внесении на этапе охлаждения. Коэффициент однородности кристаллов для всех групп находился в значениях обобщенной функции желательности выше нижней границы приемлемости (0,3679).
В соответствии с полученными результатами и предложенными операторными моделями в лабораторных условиях получены образцы продуктов, которые укупоривали в жестяные банки массой 400 г. Часть продукции подвергали дополнительной тепловой обработке в соответствии с вариантами С и D операторных моделей. Образцы продукции хранили в течение 15 месяцев при температуре (6±2)С. В свежеприготовленном продукте (через 3-4 ч после достижения температуры (15±2)С) - 0, далее 48 часов (температура (8±2)С), 1, 2, 3, 4, 9, 12 и 15 месяц хранения в образцах исследовали размеры кристаллов лактозы и коэффициент их однородности. Рецептура продукта – в соответствии с таблицей 4.2. Динамическая вязкость продукции для вариантов операторных моделей А и В – в пределах нормируемых значений (3,28±0,66 – 48 ч, 12,6±0,93 – 15 мес.), что обусловлено идентичностью применяемого сырья и однотипностью технологии. Динамика показателя – монотонное повышение в течение первых 4-6 месяцев хранения и последующий более активный рост. В продукции по вариантам операторных моделей C и D по экспертной оценке (визуально) динамика вязкости – однотипна. Полученные результаты в соответствии с операторными моделями представлены на рис. 4.6…4.10.
Как видно из представленных данных формирование и динамика анализируемых показателей непосредственно связана с вариантом операторной модели и вида применяемого ИЗМ. Наилучшие результаты эффективности кристаллизации получены для SiO2, худшие – TiO2. Совокупный анализ динамики нормируемых показателей продукции и роста кристаллов позволил предварительно рекомендовать следующие предельные (возможные) и рекомендуемые (с учетом коэффициента хранения) сроки годности продукции в зависимости от вида применяемого ИЗМ и операторной модели – табл. 4.7.
Похожие диссертации на Разработка технологии гетерогенной кристаллизации лактозы в производстве сгущенных молочных продуктов с сахаром
