ВведениеКонсистенция является важным элементом вобщем органолептическом (сенсорном) восприятии,получаемом при употреблении пищи. По даннымС. А. Матца, под консистенцией понимают «сум-му свойств пищевого продукта, воспринимае-мую глазами, а также кожей и чувствительнымимускулами рта, включающую жесткость, мягкость,зернистость и т. д.». Более узкое понимание – «сме-шанное ощущение, остающееся во рту после про-глатывания продукта». Консистенция представляетсобой совокупность реологических свойств вязкойжидкости, вязкоэластичного или вязкопластичноготела, степень твердости, плотности продукта. Ис-следованиями формирования консистенции кисло-молочных продуктов занимались И. А. Тихомирова,А. М. Шалыгина, Б. К. Аксенова, С. К. Касымов,О. И. Далматова, А. Г. Гребенкина, Л. Н. Горбунова,Н. Г. Догарева [1–21].При производстве кисломолочных продуктовконсистенция играет ведущую роль в оценке уровнякачества произведенного продукта, а также в форми-ровании потребительского спроса. Многочисленныеисследования по изучению зависимости свойствмолочных продуктов, например, сметаны, кефираот параметров технологических процессов, прово-дились на этапе производства после внесения заква-ски. Результаты исследований отражены в работахЮ. А. Мачихина, В. Д. Косого, Я. И. Виноградова,Г. Н. Крусь, А. М. Шалыгиной. Влияние параметровтепловой и механической обработки на первичномэтапе переработки на формирование конечных физи-ко-механических свойств кисломолочных продуктовисследовано не достаточно [2–5].Исследования зависимости физико-механическихсвойств кефира и сметаны от температуры пастериза-ции исходного молока проведены нами ранее [1, 2].Основная цель исследования – подтверждениегипотезы о влиянии параметров гомогенизации наэтапе предварительной обработки на формированиеконсистенции готовых кисломолочных продуктов.Объекты и методы исследованияДля выявления зависимости реологических свойствкисломолочных продуктов от режимных параметровгомогенизации нами проведен ряд исследований вучебно-технологической лаборатории переработкимолока Академии биоресурсов и природопользованияКрымского федерального университета.Исследования проводились в процессе подго-товки исходной молочной смеси для производствакефира, а также сметаны. Молоко направлялось наподогрев в пастеризатор «Альфа-лаваль». Нагретоедо 45 °С молоко подавалось на сепарирование в се-паратор «Альфа-лаваль». Обезжиренное молоко (1 %содержания жира для производства кефира) подо-гревалось в пастеризаторе до температуры 55–60 °Си направлялось в гомогенизатор. Рабочие органыгомогенизатора клапанного типа, используемого дляпроведения экспериментов, позволяют проводитьгомогенизацию молока различной жирности в диапа-зоне давления до 16 Мпа. На гомогенизирующей го-ловке был установлен манометр с разделителем средтипа S-гомогенизатор. Разделитель предназначен дляотделения измерительного прибора от измеряемойсреды. Данный разделитель сред является функ-циональным аналогом разделителей типа РМ5322.Конструкция разделителя защищает измерительныйприбор от воздействия гидроударов и пульсаций ра-бочей среды. Применение встроенного в разделительгидравлического демпфера и вакуумной технологиизаполнения комплекта значительно увеличивает точ-ность измерений.Для проведения замеров использовался манометрWIKA модель EN 837-1 с трубкой Бурдона и элек-троконтактом (рис. 1). Данный прибор относится кмеханическим средствам измерения давления с элек-трическим выходным сигналом. Рабочая температураокружающей среды: от –40 до +60 °C измеряемойсреды: +60 °C (максимум). Дополнительная темпе-ратурная погрешность при изменении температурыокружающей среды от +20 °C, не более ± 0,4 %. Диа-пазон измерений: от 0–2,5 до 0–400 бар (40 мПа).Значение давления гомогенизации изменялипутем регулировки давления на первой и второйступени гомогенизации с помощью регулировочныхвинтов, предусмотренных конструкцией гомогениза-тора. Значения величин давления, при которых отби-рались пробы, приведены ниже.Данные, полученные в результате эксперимента,приведены в таблицах. Пробы молока, нормализован-ного по жиру для определенного продукта (кефира,сметаны) и прошедшего гомогенизацию, отбирали спомощью специального отборника, установленного втрубе на входе в пастеризатор.Для контроля качества процесса гомогенизациииспользовалась стандартная методика с применениембинокулярного микроскопа XSP-128B, имеющегоand the volume of milk. The pressure of homogenization proved to be a meaningful factor and affected the fermentation process.It rendered a substantial influence on the consistency and taste qualities of the fermented milk product. The experiment definedthe optimal temperature of fermentation for kefir production. The optimization of pressure decreased the energy consumptionsby 4.4 kW/h (24.4%) per ton. Solar thermal collectors were used to preheat the milk before homogenization, which decreased thespecific energy consumption by 10.5 kW/h per ton. The new parameters lower the prime cost of the dairy products and raise theircompetitiveness.Keywords. Homogenization, fermentation, viscosity, acidity, pressureFor citation: Gerber Yu.B, Gavrilov AV. Machine Processing of Milk in Dairy Production. Food Processing: Techniques and Technology.2019;49(3):375–382. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-3-375-382.377Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 375–382устройство на 4 объектива, увеличение от 40х до100х. При проведении исследований отобраны про-бы в 4 вариантах давления гомогенизации: 8,0 мПа;10,0 мПа; 12,0 мПа; 14,0 мПа; 16,0 мПа.С помощью микроскопа изучена каждая из проб(рис. 2–4), в результате чего выявлено:– в варианте 1 (рис. 2) структура неоднородная, собразованием небольших участков соединений жиро-вых частиц, движение пузырьков газа наблюдается вотдельных зонах между указанными соединениями;– в варианте 2 (рис. 3) структура также неоднород-ная, но участки соединений жировых частиц меньше,чем в первом варианте, движение пузырьков такженеравномерно в исследуемой зоне;– в варианте 3 (рис. 4) структура более однородная,чем в первых двух вариантах, распределение зонсоединений жировых шариков более упорядочено иравномерно;– в варианте 4 структура однородная, с равномернымраспределением жировых шариков по всему объему,движение пузырьков газа также равномерно распре-делено по всему объему;– в варианте 5 структура пробы молока практическине отличается от варианта 4, также наблюдается рав-номерное распределение жировых шариков по всемуобъему.Дальнейший порядок проведения экспериментабыл следующий. Во все отобранные пробы объе-мом 500 мл каждая внесена закваска: для кефира –ALBAmk, для сметаны – ALBAcck – бактериальныйпрепарат прямого внесения.Закваску отбирали из одной упаковки и вносилистрого в соответствии с Рекомендациями по приме-нению. Каждой пробы (из пяти вариантов, проводи-мых при разных значениях давления гомогенизации)отобрано по три образца: один из них помещали втермостат с установленной температурой 30 °С, вто-рой – с температурой 35 °С, третий – с температурой40 °С. В связи с этим температура сквашивания моло-ка была различной, что отразилось на качественныхпоказателях полученного продукта в различных изу-чаемых вариантах. Равное распределение закваски впробах получено следующим образом. Общее коли-Рисунок 1. Узел замера давления в головке гомогенизатора(манометр WIKAEN 837-1)Figure 1. Node pressure measurement in the homogenizer(pressure gauge WIKAEN 837-1)Рисунок 2. Структура пробы сметаны при Рг = 8 мПаFigure 2. Sour cream sample structure at 8 MPaРисунок 4. Структура пробы сметаны при Р г = 14 мПаFigure 4. Sour cream sample structure at 14 MPaРисунок 3. Структура пробы сметаны при Рг = 12 мПаFigure 3. Sour cream sample structure at 12 MPa378Gerber Yu.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 3, pp. 375–382чество закваски в перерасчет на все пробы растворя-ли из расчета 1 к 200. Полученный раствор делили наравные части и вносили в пробы. Затем пробы поме-щали в термостат с постоянной температурой. Черезнекоторое время после внесения закваски периодиче-ски проводился замер кислотности во всех пробах поуказанной выше стандартной методике.Результаты и их обсуждениеПроцесс сквашивания заканчивали в тот момент,когда в последней изучаемой пробе значение пока-зателя кислотности входило в интервал значений,предусмотренных стандартом. Для кефира рекомен-дуемый интервал значений кислотности продукта вконце сквашивания составляет 80–110 °Т, для сме-таны 70–85 °Т. На практике процесс заканчиваетсяна нижних точках диапазона, так как в дальнейшемтехнологическом процессе (охлаждение, фасовка,хранение) кислотность еще продолжает незначитель-но повышаться. Результаты замеров кислотности длясметаны и кефира приведены в таблицах 1 и 2.Анализ полученных данных при различных зна-чениях давления гомогенизации позволяет сделатьследующие выводы:– оптимальная температура сквашивания сметанынаблюдается при температуре 31 °С, требуемая кис-лотность достигается в максимально короткое время.По аналогии с кефиром условия сквашивания обе-спечивают максимальные качественные показателиготового продукта;– в диапазоне значений давления гомогенизации8,0–10,0 МПа кислотность сквашиваемого продуктарастет медленно, что отрицательно сказывается наэффективности и управляемости процесса. Качествополученной сметаны низкое;– в диапазоне значений давления гомогенизации10,0–12,0 МПа течение процесса более интенсивное,чем в предыдущем указанном диапазоне, но скваши-вание идет нестабильно. В результате полученныйпродукт имеет среднее качество: он может иметь какудовлетворительную, так и нестабильную структурув зависимости от параметров, учесть которые доволь-но сложно;– в диапазоне значений давления гомогенизации12,0–14,0 МПа наблюдалось стабильное динамичноетечение процесса. Требуемое значение кислотностидостигалось в короткое время, что обеспечивает бла-гоприятные условия для эффективного сквашиванияпродукта и получения сметаны хорошего качества;– при обработке исходного продукта давлением, пре-вышающим 14,0 МПа, наблюдался результат, анало-гичный гомогенизации с давлением 10,0–12,0 МПа.Определение вязкости готового продукта в от-носительных единицах (время истечения жидкостиобъемом 100 мл) в исследуемых пробах проводилипо стандартной методике, указанной выше с исполь-зованием вискозиметра ВЗ-246. В зависимости отконсистенции исследуемого продукта в вискозиметрустанавливали сопла с калиброванными отверстиямиразличного диаметра: d = 2,0; 4,0; 6,0 мм.Анализ полученных данных по показателю вязко-сти позволяет сделать следующие выводы:– при обработке в диапазоне давлений гомогенизации6,0–9,0 МПа наблюдается незначительное повыше-ние вязкости сметаны. Готовый продукт имеет жид-кую неоднородную консистенцию;– при давлении гомогенизации 11,8–14,0 МПа полу-чаемый продукт имеет хорошую однородную конси-стенцию и требуемые стандартом вкусовые качества;– максимальная вязкость сметаны зафиксирована придавлении 15,0 МПа, хотя рост этого показателя в диа-пазоне давлений 14,0–15,0 МПа незначительный приощутимом росте энергозатрат на гомогенизацию;– повышение температуры сквашивания ведет кснижению вязкости сметаны. Оптимальная конси-стенция продукта наблюдается при температуре сква-шивания около 30 °С.Анализ полученных данных при различных зна-чениях давления гомогенизации позволяет сделатьследующие выводы:– оптимальная температура сквашивания кефира на-Таблица 1. Данные качественных показателей продукта приразличных значениях давления гомогенизации (сметана)Table 1. Quality indicators of sour cream at different valuesof homogenization pressureВариантпоказатель№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5Давление, (Мпа) 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0Кислотность, °Тtск = 30 °Сtск = 35 °Сtск = 40 °С73,070,069,073,570,069,574,572,070,575,573,072,073,571,570.5Вязкость, сtск = 30 °Сtск = 35 °Сtск = 40 °С79,077,074,586,081,581,5104,0100,0100,0141,0133,0129,0145,0*140,0*136,5** отбор проб для определения зависимости вязкости от давленияпроведен при давлении гомогенизации 15,0 Мпа;* the homogenization pressure was 15.0 MPa during the sampling to determinethe effect of viscosity on the pressure.Таблица 2. Данные качественных показателей продуктапри различных значениях давления гомогенизации (кефир)Table 2. Quality indicators of kefir at different values ofhomogenization pressureВариантпоказатель№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5Давление, (Мпа) 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0/15,0*Кислотность, оТtск = 30 °Сtск = 35 °Сtск = 40 °С8 3,583,582,586,085,083,088,087,084,590,088,585,087,087,583,5Вязкость, сtск = 30 °Сtск = 35 °Сtск = 40 °С91,587,078,097,590,583,0106,597,088,5113,0109,096,5113,5*111,5*97,5** отбор проб для определения зависимости вязкости от давленияпроведен при давлении гомогенизации 15,0 Мпа;* the homogenization pressure was 15.0 MPa during the sampling to determinethe effect of viscosity on the pressure.379Гербер Ю. Б. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 375–382ходится в диапазоне значений 30–35 °С. При темпе-ратуре 31–33 °С требуемая кислотность достигаетсяв максимально короткое время. Действие закваскидостигает максимального эффекта, что позволяетэффективно регулировать ход процесса и получатьпродукт с прогнозируемыми показателями качества;– в диапазоне значений давления гомогенизации8,0–10,0 МПа кислотность сквашиваемого продуктарастет медленно, что отрицательно сказывается наэффективности и управляемости процесса: для того,чтобы достичь требуемой кислотности кефира, необ-ходимо длительное время. Результат – низкое каче-ство готового продукта;– в диапазоне значений давления гомогенизации12,0–14,0 МПа наблюдалось динамичное течениепроцесса. Требуемое значение кислотности дости-галось в короткое время, что обеспечивает благо-приятные условия для эффективного сквашиванияпродукта и получения кефира хорошего качества;– в диапазоне значений давления гомогенизациивыше 14,0 МПа значительных изменений в динамикепроцесса сквашивания не наблюдалось. Это указыва-ет на нецелесообразность повышения давления припроизводстве кефира свыше 14,0 МПа, так как этоведет к неоправданным энергозатратам.Анализ полученных данных по показателю вязко-сти кефира показывает следующее:– повышение давления гомогенизации ведет к уве-личению вязкости кефира. При давлении свыше11,5 МПа получаемый продукт имеет хорошую од-нородную консистенцию и требуемые стандартомвкусовые качества;– повышение давления гомогенизации свыше15,0 МПа нецелесообразно, так как существенныхизменений качества продукта не наблюдается. В тоже время энергозатраты на осуществление процессавозрастают;– повышение температуры сквашивания ведет к сни-жению вязкости кефира. Оптимальная консистенцияпродукта наблюдается при температуре сквашиванияоколо 30 °С.Данный эксперимент проводился при постоянномзначении температуры пастеризации 83 °С.Так как реализация процесса гомогенизации тре-бует создания высокого давления, соответственноэнергетические затраты на процесс довольно высо-кие. Кроме того, по технологическим требованиямнеобходим подогрев исходного продукта (молока,сливок, обезжиренного молока) до 60 °С.Предлагаемые в настоящей работе технические итехнологические рекомендации дают предпосылкиснижения энергозатрат по следующим направлениям:– снижение рабочего давления гомогенизации путемоптимизации в рамках рекомендованного диапазона;– использование гелиоколлекторов для подогрева моло-ка перед гомогенизацией посредством теплоносителя.Данные рекомендации опубликованы в работах [1, 2].Экспериментальные исследования проводилисьв учебно-технологической лаборатории переработкимолока Академии биоресурсов и природопользова-ния Крымского федерального университета.На рисунке 5 приведена зависимость показателяэнергозатрат от давления гомогенизации.Приведенная зависимость носит линейный ха-рактер. Из графика видно, что повышение рабочегодавления на 1 мПа потребует дополнительно около1,1 кВт/ч электроэнергии на привод гомогенизаци-онной установки. В связи с этим снижение давленияс 18 мПа, которое рекомендуется для работы гомо-генизатора, до 14 мПа, обоснованное в результатеисследований, дает возможность экономии 4,4 кВт/чэлектроэнергии [5].На рисунке 6 приведены сравнительные графи-ческие зависимости удельных энергетических затратРисунок 5. Зависимость мощности на приводгомогенизатора от давления(производительность процесса = 0,83×10–3м3/с)Figure 5. Effect of the pressure on the power of the homogenizer(process productivity = 0.83×10–3m3/s)Рисунок 6. Сравнительная характеристика удельныхэнергетических затрат на гомогенизацию:1 – существующая технология (Рг = 18 мПа); 2 – давлениегомогенизации 14 мПа; 3 – использование гелиоподогрева,давление 14 мПа; 4 – использование гелиоподогрева приоптимизированном давлении 14 мПаFigure 6. Comparative characteristics of the specific energyconsumption for homogenization: 1 – existing technology (18 MPa);2 – homogenization pressure of 14 MPa; 3 – solar heating at 14 MPa;4 – solar heating at 14 MPa.380Gerber Yu.B. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 3, pp. 375–382на гомогенизацию для существующего варианта приработе с оптимизированным давлением, а также сиспользованием гелиоподогрева при оптимизирован-ном давлении.Выводы1. Давление гомогенизации Рг является значимымфактором, оказывающим влияние на протекание про-цесса сквашивания при производстве кисломолочныхпродуктов, в частности кефира и сметаны, и оказыва-ет существенное влияние на консистенцию готовогокисломолочного продукта.2. Оптимальные значения давления гомогени-зации для получения кисломолочных продуктов свысокими вкусовыми качествами и хорошей конси-стенцией находятся в интервале 13,5–14,5 МПа.3. Оптимальная температура сквашивания кефирасоставляет 31–33 °С, сметаны – 30–34 °С.4. Оптимизация давления исследуемого процес-са позволяет снизить удельные энергозатраты на4,4 кВт/ч на тонну продукции, что составляет 24,4 %.Использование гелиоколлекторов для предваритель-ного подогрева молока перед гомогенизацией позво-ляет снизить удельные энергозатраты минимум на10,5 кВт/ч на тонну по исходной продукции.Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликта инте-ресов.БлагодарностиАвторы выражают благодарность руководствууниверситета в доступе к технологической лабора-тории переработки молока Академии биоресурсов иприродопользования (структурное подразделение)ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университетимени В. И. Вернадского» для получения экспери-ментальных данных.ФинансированиеСтатья выполнена согласно тематического планаинициативных научно-исследовательских работ на2015–2019 годы (с корректировкой в 2017 г.) Ака-демии биоресурсов и природопользования (струк-турное подразделение) ФГАОУ ВО «Крымскийфедеральный университет имени В. И. Вернадского».