Хомогенизирането е механична обработка на суровини, преминали през млечни филтри, в резултат на което мастните топчета се разпръскват (натрошават) под действието на външна сила - налягане, високочестотен ток, ултразвук и др.

Защо е необходима хомогенизация?

При съхранение се изсипва в консерви от млякопродукт, мазнината изплува на повърхността поради факта, че е по-лека от плазмата (обратно). Суровината се защитава. Голяма буца мазнини, издигаща се до горните слоеве, се сблъсква с други подобни. Под въздействието на имуноглобулините възниква аглутинация (слепване на отделни елементи и тяхното утаяване от хомогенна смес). В резултат на това се променя консистенцията и намалява качеството, което не е желателно. Ако мастните топчета се натрошат на малки парченца, те няма да се слепят във филм на повърхността.

Скоростта на изкачване на мастната топка зависи от нейния размер – колкото по-голям, толкова по-бърз. Според формулата на Стоукс той е право пропорционален на квадрата на радиуса на бучката. Размерът на мастните топчета варира от 0,5 до 18 микрона. След хомогенизиране, той намалява с коефициент приблизително 10 ( средният размеризход - 0,85 µm). Това означава, че те ще плуват 100 пъти по-бавно. Освен това в малки бучки, по-малки от 1 микрон, силите на взаимното отблъскване са по-големи от силите на привличане.

По време на раздробяването на мазнините веществото на нейната черупка се преразпределя. Част от фосфатидите преминават в плазмата, а плазмените протеини отиват към външната обвивка на малки глобули. Благодарение на тези фактори мастната емулсия се стабилизира в млякото. При висока степен на дисперсия не се наблюдава процесът на утаяване, мазнината не изплува, колбите за мляко се пълнят с по-качествен продукт. Сметана, извара, масло и др., произведени от хомогенизирани (хомогенни) суровини, имат най-добри органолептични характеристики и консистенция, хранителните вещества се усвояват по-бързо и по-пълно от организма.

Хомогенизирането помага за:

• Пастьоризирано мляко или сметана, налива се контейнери от неръждаема стоманапридобито еднакво съдържание на мазнини, цвят и вкус.
• Стерилизираното мляко и сметана се съхраняват по-добре.
• Върху ферментирали млечни продукти не се образува мастен филм, а протеиновите съсиреци са по-силни и с по-добра консистенция.
• В консервираните храни с кондензирано мляко при продължително съхранение маслената фаза не се откроява.
• В пълномасленото мляко на прах имаше по-малко свободни мазнини, без черупки от протеини - това води до окисляване.
• Реконституираните ферментирали млечни напитки, сметана и мляко не развиха воднист послевкус, а вкусът на продукта стана по-интензивен.
• Млякото с пълнител (например какао) се оказа по-вискозно, без утайка, с по-добър вкус.

Механизъм за хомогенизиране

Хомогенизирането се препоръчва да се извърши след преминаване на млякото дългосрочна пастьоризираща вана.

За това кандидатствайте различни видовеустройства. Най-често срещаните са модулите от клапанен тип. В основата си те са бутални помпи. високо налягане. Течността преминава през много малки дупки. В същото време скоростта на потока се увеличава рязко. Мастните глобули се смачкват, получените малки бучки веднага се покриват с протеинова обвивка. Защо това се случва, ще разгледаме във втората част на статията.

Хомогенизирането се превърна в стандартен производствен процес, широко практикуван като средство за предпазване на мастната емулсия от отделяне поради гравитацията. Голен, който разработва този процес през 1899 г., му дава следната дефиниция на френски: "Fixer la compostion des liquides".

Първо, хомогенизирането води до разделяне на мастните глобули на много по-малки (виж фиг. 1). В резултат на това кремообразуването се намалява и тенденцията на топчетата да се слепват заедно или да образуват големи агломерати също може да бъде намалена. По принцип хомогенизираното мляко се произвежда механично. Задвижва се с висока скорост през тесен канал.

Разрушаването на мастните глобули се постига чрез комбинация от фактори като турбуленция и кавитация. В резултат на това диаметърът на топките намалява до 1 микрон и това е придружено от четири до шесткратно увеличение на площта на междинната повърхност между мазнините и плазмата. В резултат на преразпределението на черупката, която е покрила изцяло мастните глобули преди тяхното унищожаване, новообразуваните глобули имат недостатъчно здрави и дебели черупки. Тези мембрани включват също адсорбирани млечни плазмени протеини.

Фокс, заедно с колегите си, изследва мастно-протеиновия комплекс, получен чрез хомогенизиране на млякото. Той доказа, че казеинът е протеиновият компонент на комплекса и че вероятно е свързан с мастната фракция чрез полярни сили на привличане. Той също така установи, че казеиновите мицели се активират, когато преминават през клапана на хомогенизатора, предразполагайки ги да взаимодействат с мастната фаза.

Изисквания за процеса

Физическото състояние и концентрацията на мастната фракция по време на хомогенизирането влияят върху размера на мастните топчета. Хомогенизирането на студено мляко, в което мазнините присъстват предимно в втвърдено състояние, практически не е осъществимо. Преработката на мляко при температура 30-35°C води до непълно разпръскване на мастната фракция. Хомогенизацията е наистина ефективна, когато цялата мастна фаза е в течно състояние и при концентрации, които са нормални за млякото. Храните с високо съдържание на мазнини са склонни да образуват големи мастни топчета, особено при ниски концентрации на суроватъчен протеин с високо съдържание на мазнини. Сметана с масленост над 12% не може да бъде успешно хомогенизирана при стандартно повишено налягане, тъй като поради липсата на мембранен материал (казеин), мастните топчета се слепват в клъстери. За достатъчно ефективна хомогенизация един грам мазнина трябва да съдържа 0,2 грама казеин.

Процесите на хомогенизация под високо налягане водят до образуването на малки мастни топчета. С повишаване на температурата на хомогенизиране дисперсността на мастната фаза се увеличава - пропорционално на намаляването на вискозитета на млякото при повишени температури.

Обикновено хомогенизирането се извършва при температура от 55 до 80°C, под налягане от 10 до 25 MPa (100-250 bar), в зависимост от вида на обработвания продукт.

Характеристики на потока

Когато потокът преминава през тесен канал, скоростта му се увеличава (виж фиг. 2). Скоростта ще се увеличава, докато статичното налягане намалее до ниво, при което течността кипи. Максималната скорост зависи главно от входното налягане. Тъй като течността напуска слота, скоростта намалява и налягането започва да се повишава. Кипенето на течността спира и парните мехурчета експлодират.

Теории за хомогенизиране

През годините на прилагане на процеса на хомогенизация са възникнали много теории, които обясняват механизма на хомогенизация при високи
налягане. Две теории, обясняващи дисперсната система масло-вода по аналогия с млякото, където диаметърът на повечето капчици е по-малък от 1 микрон, не са остарели до момента.
Те дават обяснение за влиянието на различни параметри върху ефективността на хомогенизирането.

Теорията за разрушаването на топки от турбулентни водовъртежи ("микровихри") се основава на факта, че в течност, движеща се с висока скорост, голям бройтурбулентни микропотоци.

Ако турбулентен микропоток се сблъска с капка, сравнима с него, последната се разрушава. Тази теория дава възможност да се предвидят промени в резултатите от хомогенизация с промени в приложеното налягане. Тази връзка е открита в много проучвания.

От друга страна, теорията за кавитацията гласи, че мастните капчици се унищожават ударни вълнипроизтичащи от експлозията на парни мехурчета. Според тази теория хомогенизирането настъпва, когато течността напусне празнината. По този начин противоналягането, необходимо за кавитация, е от голямо значение в този случай. Това е потвърдено на практика. Въпреки това, хомогенизирането е възможно без кавитация, но в този случай е по-малко ефективно.

Фиг.3 Разрушаване на мастните глобули на първия и втория етап на хомогенизиране.
1 След първия етап
2 След втория етап

Едноетапна и двуетапна хомогенизация

Хомогенизаторите могат да бъдат оборудвани с една хомогенизираща глава или две свързани последователно. Оттук и името: едноетапна хомогенизация и двуетапна хомогенизация. И двете системи са показани на фигури 5 и 6. При едноетапна хомогенизация се използва целият спад на налягането
в една единствена стъпка. С двустепенна хомогенизация, общата
налягането се измерва преди първия етап P 1 и преди втория етап P 2 .

За оптимална ефективност на хомогенизиране обикновено се използва двустепенен вариант. Но желаните резултати могат да бъдат получени, ако съотношението P 2: P 1 е приблизително 0,2. За хомогенизиране се използва едноетапна версия

• продукти с ниско съдържание на мазнини
• продукти, изискващи висок вискозитет (образуване на определени агломерати).
• в продукти, изискващи нисък вискозитет
• за постижение максимална ефективностхомогенизиране (микронизиране).

Фигура 3 показва образуването и разрушаването на натрупвания на мастни глобули във втория етап на хомогенизиране.

Влияние на хомогенизацията върху структурата и свойствата на млякото

Ефектът на хомогенизиране има положителен ефект върху физическа структура
и свойства на млякото и се проявява в следното:

• Намаляване на размера на мастните топчета, което предотвратява утаяването на крема
• По-бял и апетитен цвят
• Повишена устойчивост на окисляване на мазнините
• Подобрен аромат и вкус
• Повишена безопасност на ферментирали млечни продукти, произведени от хомогенизирано мляко.

Въпреки това, хомогенизацията има и някои недостатъци. Между тях:

• Невъзможност за отделяне на хомогенизирано мляко
• Леко повишената чувствителност към светлина, както от слънцето, така и от луминесцентните лампи, може да доведе до така наречения слънчев вкус.
• Намалена устойчивост на топлина - особено изразена при тестване на първия етап на хомогенизиране, хомогенизиране на обезмаслено мляко и в други случаи, които допринасят за образуването на натрупвания на мастни топчета
• Непригодността на млякото за производство на полутвърди и твърди сирена, тъй като съсирекът не отделя добре суроватката.

Хомогенизатор

Обикновено са необходими хомогенизатори с високо налягане, за да се осигури максимална ефективност на хомогенизиране.

Продуктът влиза в помпения агрегат, където се натиска от бутална помпа. Нивото на генерирано налягане зависи от противоналягането, определено от разстоянието между буталото и седлото в хомогенизиращата глава. Налягането P 1 винаги означава налягане на хомогенизиране. P 2 е противоналягането на първия етап на хомогенизиране или налягането на входа към втория етап.

Фиг.4 Хомогенизаторът е голяма помпа за високо налягане с устройство за противоналягане.
1 Главен задвижващ двигател
Задвижване с 2 клинови ремъци
3 Манометър
4 Колянов механизъм
5 бутало
6 Уплътнение на буталото
7 Помпен блок от лят неръждаема стомана
8 клапана
9 Хомогенизираща глава
10 Хидравлична система

Фиг.5 Едноетапна хомогенизация. Схема на хомогенизиращата глава:
1 клапан
2 Ударен пръстен
3 Седло
4 Хидравлично задвижване

Помпа за високо налягане

Буталната помпа се задвижва от мощен електродвигател (поз. 1 на фиг. 4). колянов вали свързващи пръти - тази трансмисия преобразува въртенето на двигателя в възвратно-постъпателно движение на буталата на помпата.

Буталата (поз. 5) се движат в блока на цилиндъра с високо налягане.
Изработени са от материал с висока якост. Буталата са оборудвани с двойни уплътнения. В пространството между уплътненията се подава вода за охлаждане на буталата. Там може да се подава и горещ кондензат, за да се предотврати повторно замърсяване на продукта с микроорганизми по време на работа на хомогенизатора. Също така е възможно да се използва горещ кондензат за поддържане на условията на асептично производство на продукта по време на работа на хомогенизатора.

Хомогенизираща глава

Фигури 5 и 6 показват хомогенизиращата глава и нейната хидравлична система. Буталната помпа повишава налягането на млякото от 300 kPa (3 bar) на входа до налягане на хомогенизиране от 10-15 MPa (100-240 bar), в зависимост от вида на продукта. Налягането на входа на първия етап преди механизма (налягане на хомогенизиране) автоматично се поддържа постоянно. Налягането на маслото върху хидравличното бутало и хомогенизиращото налягане върху клапана се балансират взаимно. Хомогенизаторът е оборудван с един общ резервоар за масло, независимо дали е едностепенен или двустепенен вариант. Въпреки това, в двустепенния хомогенизатор има две хидравлични системи, всяка със собствена помпа. Новото налягане на хомогенизиране се задава чрез промяна на налягането на маслото. Налягането на хомогенизиране е показано на манометъра за високо налягане.

Процесът на хомогенизиране протича в първия етап. Вторият служи основно за две цели:

Създаване на постоянно и контролирано обратно налягане в посока на първия етап, като по този начин се осигурява оптимални условияхомогенизиране

Разрушаване на лепкави клъстери от мастни глобули, които се образуват непосредствено след хомогенизиране (виж фиг. 3).

Имайте предвид, че налягането на хомогенизиране е налягането преди първия етап, а не диференциалното налягане.

Частите на хомогенизиращата глава са прецизно обработени машина за мелене. Ударният пръстен е поставен на мястото си по такъв начин, че вътрешната му повърхност да е перпендикулярна на изхода на процепа. Седалката е скосена под ъгъл от 5 градуса, за да даде на продукта контролирано ускорение, като по този начин предотвратява ускореното износване, което иначе би било неизбежно.

Млякото под високо налягане прониква между седлото и клапана. Ширината на пролуката е приблизително 0,1 mm, което е 100 пъти диаметъра на мастното налягане, произведено от буталната помпа, преобразувано в кинетична енергия. Част от тази енергия след преминаване през механизма отново се превръща в налягане. Другата част се отделя като топлина; всеки спад на налягането от 40 бара след преминаване през механизма повишава температурата с 1°C. По-малко от 1% от цялата тази енергия се изразходва за хомогенизиране и все пак хомогенизирането под високо налягане остава най- ефективен методот всички налични в момента.

Фиг.6
двуетапна хомогенизация.
1 Първи етап
2 Втори етап

Ефективност на хомогенизиране

Целта на хомогенизирането зависи от това как се прилага. Съответно се променят и методите за оценка на ефективността.

В съответствие със закона Стокс, скоростта на нарастване на частица се определя по следната формула, където: v е скоростта

q - ускорение свободно падане p е размерът на частиците η hp е плътността на течността η ip е плътността на частиците t е вискозитетът

Или v = константа x p 2

От формулата следва, че намаляването на размера на частиците е ефективен начиннамаляване на увеличаването на скоростта. Следователно, намаляването на размера на частиците в млякото води до забавяне на скоростта на утаяване на сметаната.

Аналитични методи

Аналитични методи за определяне на ефективността на хомогенизирането могат да бъдат
разделени на две групи:

I. Определяне на скоростта на утаяване на сметаната

Повечето стар начинОпределянето на времето за утаяване на крема е да се вземе проба, да се задържи за определено време и след това да се анализира съдържанието на мазнини в различните й слоеве. Методът USPH се основава на този принцип. Например, проба от един литър престоява 48 часа, след което съдържанието на мазнини в горен слой(100 мл), както и във всяко друго мляко. Хомогенизацията се счита за задоволителна, ако масовата част на мазнините в долния слой е 0,9 пъти по-малка от тази в горния слой.

Методът NIZO се основава на същия принцип. Съгласно този метод проба от, да речем, 25 ml се подлага на центрофугиране в продължение на 30 минути при 1000 rpm при 40°C и радиус от 250 mm. След това съдържанието на мазнини в долния слой от 20 ml се разделя на съдържанието на мазнини в цялата проба и резултатът се умножава по 100. Това съотношение се нарича стойност на NIZO. За пастьоризираното мляко обикновено е 50-80%.

II. Фракционен анализ

Разпределението на размерите на частиците или капчиците в пробата може да се определи чрез добре установен метод, като се използва настройка за лазерна дифракция (виж фиг. 7), която изпраща лазерен лъч в пробата в кюветата. Степента на разсейване на светлината ще зависи от размера и броя на частиците, съдържащи се в изследваното мляко.

Резултатът е показан под формата на графики за разпределение на размера на частиците. Процентът на мазнините по маса е представен като функция от размера на частиците (размер на мастните топчета). Фигура 8 показва три типични графики за разпределение на размера на мастните топчета. Имайте предвид, че с увеличаване на налягането на хомогенизиране графиката се измества наляво.

Консумация на енергия и нейното влияние върху температурата

Вложената електрическа мощност, необходима за хомогенизиране, се изразява със следната формула:

Хомогенизатор в производствената линия

Обикновено хомогенизаторът се монтира в началото на линията, т.е. преди крайната нагревателна секция в топлообменника. Повечето инсталации за пастьоризацияза производство на питейно мляко за потребителския пазар хомогенизаторът е след първата регенеративна секция.

При производството на стерилизирано мляко обикновено се поставя хомогенизатор в началото на процеса на високотемпературна обработка, който протича в система с индиректно нагряванепродукт, и винаги в края на процеса в система с директно нагряване на продукта, т.е. в асептичната част на растението след секцията за стерилизация на продукта. В този случай се използва асептичен вариант на хомогенизатора, оборудван със специални бутални уплътнения, уплътнения, стерилен кондензатор и специални асептични амортисьори.

Асептичният хомогенизатор се монтира след стерилизационната секция на растенията с директно нагряване на продукта при производство на млечни продукти с маслена фракция над 6-10% и/или с високо съдържание на протеини. Факт е, че при много високи температури на обработка в мляко с високо съдържаниемазнини и/или протеини, образуват се натрупвания на мастни глобули и казеинови мицели. Асептичен хомогенизатор, разположен след стерилизационната секция, разгражда тези агломерирани частици.

Пълна хомогенизация

Пълната хомогенизация е най-разпространеният метод за хомогенизиране на мляко за пиене и мляко, предназначено за производство на ферментирали млечни продукти. Съдържанието на мазнини в млякото, а понякога и съдържанието
сухи обезмаслени остатъци (при производството на кисело мляко например) се нормализират преди хомогенизиране.

Отделно хомогенизиране

Отделно хомогенизиране означава, че по-голямата част от обезмасленото мляко не е хомогенизирана. Сметаната и малко количество обезмаслено мляко се хомогенизират. Този метод на хомогенизиране обикновено се използва за пастьоризирано мляко за пиене. Основното предимство на отделната хомогенизация е нейната относителна икономичност. Общата консумация на енергия се намалява с до 65% поради по-малкото мляко, преминаващо през хомогенизатора.

Тъй като най-високата ефективност на хомогенизиране може да се постигне, ако млякото съдържа най-малко 0,2 g казеин на 1 g мазнина, препоръчителното максимално съдържание на мазнини е 12%. Почасовата мощност на инсталацията, в която се извършва отделна хомогенизация, може да се определи по следната формула.

Производството на пастьоризирано нормализирано мляко (Q sm) на час ще бъде приблизително 9690 литра. Ако заместим тази цифра във формула 2, получаваме,
че почасовата мощност на хомогенизатора е приблизително 2900 литра,
тоест около една трета от общото му представяне.

Схемата на потоците в инсталацията за частично хомогенизирано мляко е показана на фиг.10.

Ефектът на хомогенизираните млечни продукти върху човешкото тяло

В началото на 70-те години на миналия век американският учен К. Остър (K. Oster) предположи, че хомогенизирането на млякото позволява на ензима ксантин оксидаза да проникне през червата в кръвоносна система. (Оксидазата е ензим, който катализира добавянето на кислород към или отстраняването на водород от субстрат.) Според Остър, ксантин оксидазата допринася за процеса на увреждане на кръвоносните съдове и води до атеросклероза.

Тази хипотеза беше отхвърлена от учените с мотива, че самото човешко тяло произвежда хиляди пъти повече от този ензим, отколкото хомогенизираното мляко теоретично може да внесе в него.

Така че не може да има вреда от хомогенизирането на млякото. От хранителна гледна точка хомогенизирането не носи особени промени, освен може би, че мазнините и протеините се разграждат по-бързо и по-лесно в хомогенизираните продукти.

Остер обаче е прав, че процесите на окисление могат да бъдат вредни за човешкото тяло и че диетата е важна за здравето.

Хомогенизиране - механично раздробяване на мастните топчета в млякото (сметаната) с цел равномерно разпределение на мазнините в общата маса на продукта и предотвратяване на утаяването му. Различната плътност на мазнините и плазмата в състава на млякото и сметаната води до отделяне на мастната фракция при съхранение на продуктите. За стабилизиране на консистенцията на млечната структура и подобряване на вкуса на диспергираната смес се използва хомогенизатор за храна.

Млечният хомогенизатор оказва механично въздействие върху преработените суровини. Процесът на диспергиране осигурява стабилизиране на силно диспергирана мастна емулсия и придава на продукта хомогенизирана консистенция, а именно, веществото в черупката и структурата на мазнините, съдържащи се в млякото, претърпява преразпределение, плазмените протеини се мобилизират, фосфатидите преминават от черупката на млякото. мастни глобули в плазмата на продукта.

Принцип на действие

Принципът на действие на основните видове млечни хомогенизатори се основава на разликата в налягането в системата, при която течности с полидисперсни характеристики се превръщат в продукти с хомогенна консистенция. Оборудването може да бъде оборудвано с работна глава от едно- или двустепенен тип. Последната модификация на агрегатите е предназначена за обработка на суровини с висок процент на мазнини.

Млечните продукти играят важна роля в храненето на хората, особено децата, възрастните и болните. Диетичните свойства на ферментиралите млечни продукти са преди всичко, че подобряват метаболизма, стимулират отделянето на стомашен соки предизвикват апетита. Наличието в състава им на микроорганизми, които могат да се вкоренят в червата и да потискат гнилостната микрофлора, води до инхибиране на гнилостните процеси и прекратяване на образуването на токсични продукти от разпад на протеини, които влизат в човешката кръв.

Важен етап в производството на ферментирали млечни продукти е механичното въздействие върху изходната суровина, т.е. хомогенизиране. Той не само предотвратява утаяването на мазнините, но и допринася за производството на висококачествени ферментирали млечни продукти с подобрена текстура и вкус, повишавайки усвояемостта им от организма и по-пълноценно използване на съдържащите се в тях мазнини и витамини.