Текст (PDF):
Читать
Скачать
Введение На российском рынке молочных продуктов основная часть ассортимента кисломолочных напитков вырабатывается преимущественно резервуарным способом. Зачастую такие продукты имеют жидкую, неоднородную, хлопьевидную консистенцию с отстоем сыворотки, что обусловливается влиянием интенсивного механического воздействия на сформированный кислотный сгусток [1]. Анализ наиболее эффективных методов, применяемых с целью улучшения и коррекции структуры кисломолочных напитков с нарушенным сгустком, в целом выявляет односторонность подходов, поскольку многие из них сводятся к внесению стабилизирующих компонентов [2]. Следует отметить, что наряду с указанной выше тенденцией развития рынка, в последние годы наблюдается положительная динамика спроса на традиционные кисломолочные продукты с ненарушенным сгустком термостатного производства. Термостатное производство имеет ряд технологических ограничений, связанных главным образом с тем, что стационарные условия термостатных и хладостатных камер, в которых поддерживаются постоянные температурные режимы, резко сокращают возможности регулирования процесса гелеобразования сгустков. В таком случае крайне затруднительно оперативно и своевременно скорректировать условия сквашивания молока и охлаждения сгустков при отклонении процессов от заданных режимов. Решение задачи, позволяющей устранить обозначенные издержки производства, представляется возможным путем применения методов контроля технологических процессов (а именно, операции охлаждения), обеспечивающих гибкость в управлении температурно-временными режимами. В этой связи возникает ряд вопросов, касающихся определения времени окончания процесса сквашивания и, соответственно, времени начала операции охлаждения сформированных кислотных сгустков, а также выбора оптимальных условий охлаждения. Объект и методы исследования Исследования, в ходе которых нами рассматривался процесс охлаждения кислотных сгустков при производстве йогуртов термостатным способом, основывались на анализе математической модели нестационарного теплообмена. Аналитическое описание процесса нестационарной теплопроводности включает в себя дифференциальное уравнение и условия однозначности [3]. Дифференциальное уравнение теплопроводности при отсутствии внутренних источников теплоты имеет вид: (1) Принимая, что поле избыточной температуры автомодельно по времени, т.е. остается подобным при изменении времени, то начиная с некоторого момента времени избыточная температура отдельных точек тела престает зависеть от начальных условий и приведенное выше дифференциальное уравнение (1) можно выразить следующим образом [4]: (2) где m - темп нагрева или охлаждения, 1/мин; τ - продолжительность нагрева или охлаждения, мин. Для среднемассовой температуры тела получаем: (3) Зная температуру охлаждающей среды t0 и изменения среднемассовой температуры тела в диапазоне от t1 дo t2 в течение времени τ и решая вышеприведенное уравнение, можно установить темп охлаждения и, следовательно, время достижения требуемой температуры (температуры прекращения развития молочнокислого брожения, равной (12±2) ºС: (4) В ходе эксперимента исследовали теплофизические свойства кислотных сгустков с различной массовой долей жира и СОМО (сухого обезжиренного молочного остатка) в составе нормализованной смеси (образованных при температуре сквашивания t1 = =40 ºC) в процессе их охлаждения при варьировании условий внешней охлаждающей среды t0. План эксперимента с указанием параметров исследуемой системы представлен в табл. 1. Таблица 1 Параметры исследуемой системы Входные параметры Регулируемые внешние параметры Выходные параметры Температура сквашивания продукта, t1= 40 ºC Температура охлаждающей среды: t0= 10 ºС; t0= 4 ºС; t0= 0 ºС; t0= -10 ºС; t0= -18 ºС. Температура продукта после охлаждения, t2 Массовая доля жира в продукте Продолжительность операции охлаждения, τ Массовая доля СОМО в продукте Испытания проводились на базе Магнитогорского молочного комбината, где в холодильных технологических камерах с различными температурными режимами обеспечивались заданные в эксперименте условия охлаждающей воздушной среды. Опытные образцы йогурта вырабатывали по традиционной технологии. Измерение температуры готового продукта в полимерной потребительской упаковке объемом 0,25 мл и 0,50 мл осуществлялось посредством двухканального терморегулятора марки «2ТРМ-1» с использованием термопар, расположенных в трех точках опытного образца: - с внешней стороны потребительской упаковки; - с внутренней стороны тары в пристеночном слое; - в центре продукта. Показания терморегулятора «2ТРМ-1» фиксировались через интервал времени ∆τ = 3 мин. Анализировали изменение температуры продукта (в диапазоне от t1 до t2) в течение охлаждения, температуру продукта после охлаждения t2 и продолжительность этой операции τ. Полученные экспериментальные данные использовались для вычисления темпов охлаждения опытных образцов йогурта по формуле (4). Результаты и их обсуждение Согласно расчетным данным, при варьировании состава йогурта по массовой доле молочного жира и СОМО, а также объемных единиц исследуемых образцов (0,25 мл; 0,50 мл) изменения темпов охлаждения в целом незначительны и определяющими темп охлаждения кислотных сгустков факторами являются условия внешней среды. В этой связи на следующем этапе исследования осуществлялся анализ процессов теплопередачи в кислотных гелях, компонентный состав которых распространен в ассортименте кисломолочных продуктов с массовой долей жира 4,0 % и СОМО 12,0 %. С помощью программы MS Excel были установлены эмпирические уравнения темпов охлаждения опытного образца йогурта с массовой долей жира 4,0 % и СОМО 12,0 % в пристеночном пространстве и в центре продукта: (5) (6) Установленные выше эмпирические уравнения темпов охлаждения (5) и (6) использовались в разработке метода подбора температурно-временных режимов охлаждения кисломолочных продуктов. Зависимость темпов охлаждения опытного образца йогурта с массовой долей жира 4,0 % и СОМО 12,0 % от температуры внешней охлаждающей среды представлена на рис. 1. Рис. 1. Зависимость темпов охлаждения опытного образца йогурта с массовой долей жира 4,0 % и СОМО 12,0 % от температуры внешней охлаждающей среды Предлагаемый механизм регулирования процессов охлаждения кисломолочных напитков предусматривает соблюдение следующих условий: - с целью предотвращения возможного замораживания кислотного геля и кристаллизации влаги температуру в пристеночном пространстве принимаем равной не ниже 0 °С; - с целью предотвращения развития молочнокислого брожения температуру сформированного сгустка в центре потребительской упаковки принимаем равной (12±2) °С. Сформулированные выше технологические ограничения обусловлены необходимостью сохранения качества готовой продукции. На основании полученных экспериментальных данных и установленных технологических ограничений был осуществлен подбор температурно-временных режимов охлаждения по следующей схеме (рис. 2). Рис. 2. Блок-схема метода установления рациональных температурно-временных режимов охлаждения кисломолочных продуктов Результаты реализации модели в соответствии с приведенной выше схемой представлены на рис. 3. Рис. 3. Зависимость предельно допустимого времени охлаждения и температуры продукта, достигаемой за это время, от условий охлаждающей среды Проведенный анализ позволил установить следующие температурно-временные режимы охлаждения кислотных сгустков с учетом введенных технологических ограничений (табл. 2): 1) для достижения продуктом температуры 15 ºС в центре потребительской упаковки продолжительность охлаждения должна составлять 60 мин при температуре в хладостатной камере -10 ºС; 2) для достижения продуктом температуры 10 ºС в центре потребительской упаковки продолжительность охлаждения должна составлять 84 мин при температуре в хладостатной камере -6,5 ºС и т.д. Таблица 2 Режимы охлаждения сформированных кислотных сгустков Технологические ограничения Температурно-временные параметры режима охлаждения Требуемая температура продукта в центре упаковки, ºС Продолжительность охлаждения, мин Температура охлаждающей среды, ºС 15 60 -10,0 14 66 -9,0 13 72 -8,0 12 76 -7,5 11 80 -7,0 10 84 -6,5 В технологическом процессе производства кисломолочных продуктов термостатным способом, исходя из условий конкретного предприятия, рекомендовано проведение операции охлаждения сформированных кислотных сгустков в течение 60…85 мин при температуре внешней среды -10…-6 ºС. Выводы Таким образом, в результате произведенных исследований теплообмена при охлаждении йогуртов в процессе их производства термостатным способом была установлена зависимость продолжительности охлаждения йогурта от температуры охлаждающей среды. На основании полученной зависимости были разработаны рекомендации для проведения технологического процесса охлаждения в условиях реального производства. Выполнение предложенных рекомендаций позволит интенсифицировать производственный процесс, предотвратить как замораживание кислотного геля, так и развитие молочнокислого брожения, что в конечном итоге позволит повысить качество производимой продукции и эффективность ее производства.