Лекция 10

Тема: Термическая обработка молока.

Вопросы:

1.Тепловая обработка молока. Влияние тепловой обработки на свойства составных компонентов молока. Пастеризация молока. Стерилизация молока.

2.Охлаждение молока. Замораживание молока. Влияние охлаждения и замораживания молока на его свойства.

1. Тепловая обработка молока. Влияние тепловой обработки на свойства составных компонентов молока. Пастеризация молока. Стерилизация молока.

Тепловую обработку сырого молока проводят с целью исключения передачи через него инфекционных заболеваний, а также с целью повышения сроков хранения молочных продуктов.

Тепловая обработка должна обеспечить не только надежное подавление жизнедеятельности микроорганизмов и инактивацию ферментов, но и максимально возможное сохранение исходных свойств молока. С целью уничтожения находящихся в молоке бактерий его подвергают нагреванию до определенной температуры. Сущность теплового разрушения микроорганизмов и ферментов состоит в тепловой денатурации белковых компонентов клеток, что приводит к потере их биологических свойств.

После нагрева молоко следует немедленно охладить до температуры 4-6 0 С для усиления эффекта пастеризации.

Факт обеззараживания различных материалов, в том числе продуктов, путем их нагревания установил выдающийся французский ученый Луи Пастер. По его имени этот процесс назван пастеризацией, а аппараты, в которых осуществляется этот процесс – пастеризаторами.

По мере развития науки и техники уничтожение вредных бактерий стали осуществлять не только нагреванием, но и другими физическими методами, однако процесс обеззараживания все равно называется пастеризацией.

Любое тепловое воздействие на молоко нарушает его первоначальный состав и физико-химические свойства.

104

Степень физико-химических изменений составных частей молока зависит главным образом от температуры и продолжительности тепловой обработки.

Молочные белки под действием тепла денатурируют.

Наиболее чувствительны к нагреванию сывороточные белки, которые денатурируют при температурах выше 650 С.

Казеин обладает высокой тепловой стойкостью.

При температурах выше 100 0С начинается частичное разложение лактозы, в результате которого молоко приобретает специфический вкус, запах и бурый цвет.

Молочный жир при нагревании до 100 0С практически не меняется.

В процессе тепловой обработки частично разрушаются витамины.

Особенно водорастворимые (витамин С, тиамин и др.). При пастеризации

витамины С и В1 разрушаются от 10 до 30 %, витамины А и В12 – от 10 до 20 %, В2 и В6 от 0 до 10 %, D, Е, биотин не разрушаются.

Стерилизация приводит к более заметному разрушению витаминов.

Также инактивируются ферменты (редуктаза, фосфатаза,

пероксидаза). По этому показателю контролируют эффект пастеризации.

Минеральные соли в результате перехода растворимых солей кальция и фосфора в нерастворимое состояние частично выпадают в осадок.

Изменение составных частей молока, отрицательно влияющее на пищевую ценность и органолептические показатели, должно быть незначительным.

К видам тепловой обработки относятся пастеризация и стери-

лизация. Разновидности пастеризации — это ультравысокотемпературная (УВТ) обработка и термизация. Также для уничтожения микроорганизмов в молоке можно применять кипячение.

Пастеризация молока подразделяется по способу обработки на термическую и холодную (уничтожение бактерий осуществляется различными физическими воздействиями - облучением ультрафиолетовыми или инфракрасными лучами, обработкой ультразвуком).

Термическая пастеризация молока — это его тепловая обработка с целью уничтожения вегетативных форм микрофлоры, в том числе пато- генной.

105

Эффект пастеризации, обусловленный степенью гибели патогенной микрофлоры, влияет на выбор режимов и способов пастеризации.

Пастеризаторы молока подразделяются

по способу обработки:

-на термические, в которых молоко нагревается ниже температуры кипения;

-холодные;

по источнику энергии:

-паровые;

-электрические;

-излучательные;

по характеру выполнения процесса:

-непрерывного действия;

-периодического действия;

по конструкции:

-пластинчатые;

-трубчатые;

-центробежные с вытеснительным барабаном;

-емкостные с рубашкой и мешалкой;

по числу секций:

-односекционные;

-двухсекционные;

-многосекционные;

по направлению жидкости и теплоносителя:

- прямоточные;

-противоточные.

Наибольшее распространение при обработке молока получили термические (тепловые) пастеризаторы.

При этом по режиму пастеризации они подразделяются на три типа: длительной пастеризации, кратковременной пастеризации, моментальной пастеризации, УВТпастеризации.

106

Режим пастеризации должен обеспечить получение заданных свойств готового продукта, в частности органолептических показателей (вкус, нужные вязкость и плотность сгустка).

В молоко от больных животных, с рук персонала, загрязненного корма, питьевой воды и т. д. Могут попасть такие патогенные микроорганизмы, как возбудители туберкулеза, бруцеллеза, чумы, сибирской язвы, кишечная палочка. Эти заболевания могут через молоко передаться человеку.

Как правило, патогенные микроорганизмы погибают при относительно невысоких температурах. Из патогенных микроорганизмов наиболее устойчивы к тепловой обработке бактерии туберкулеза. Считают, что возбудитель туберкулеза погибает при температуре 60-65 0 С в течении 30 минут. Поскольку работа по определению возбудителей туберкулеза сложна, то эффективность пастеризации принято определять по гибели не менее стойкой кишечной палочки.

Эффект пастеризации зависит от температуры

и

продолжительности тепловой обработки.

Эту взаимосвязь теоретически описал русский ученый Г. А. Кук применительно к туберкулезной палочке.

ln τ = 36,84 - 0,487t

Уничтожение микроорганизмов и инактивация ферментов от теплового воздействия протекают не мгновенно, а по истечении некоторого времени.

Для молока теоретические расчеты Кука следующие:

Температура, 0С	61,1	62	64	66	68	70	72	76
Время выдержки, сек.	1930	1188	456	174	67	25,6	9,8	1,4

На производстве фактическое время выдержки не должно быть меньше теоретического.

В зависимости от этих факторов различают три режима тепловой пастеризации:

-длительная пастеризация — при температуре 60...65 °С с выдержкой 30 мин;

-кратковременная — при 74...78 °С с выдержкой 20 с;

107

- мгновеннная — при температуре 85...87 °С с выдержкой 8-10 секунд или 95...98 °С без выдержки.

Выбор режимов пастеризации предопределяется технологическими условиями и свойствами продукта.

При содержании в продукте компонентов, отличающихся низкой термоустойчивостью, следует применять длительную пастеризацию.

Процесс длительной пастеризации обеспечивает надежное уничтожение патогенных микробов, но оказывает наибольшее влияние на изменение физико-химических свойств молока. А также требует больших затрат, связанных с использованием малопроизводительного оборудования.

Длительная пастеризация молока осуществляется в ваннах длительной пастеризации ВДП-300; Г6-ОПБ-300; Г6-ОПБ-600; Г6-ОПБ-1000. Все ванны одинаковы по устройству и имеют водяную рубашку вокруг рабочей емкости в которую подается горячая вода и мешалку с приводом.

Наиболее распространенный способ в производстве пастеризованного молока, кисломолочных продуктов и мороженого — кратковременная

пастеризация.

Этот способ надежен для инактивации микробов и максимального сохранения исходных свойств молока.

Кратковременная пастеризация осуществляется на пластинчатых пастеризационно-охладительных установках ОПФ-1; ОПУ-3М; ОП2-У5;

ОПЛ-25.

Все они работают в автоматическом режиме и включают пластинчатый пастеризатор, выдерживатель, регенератор, охладитель и молокоочиститель.

В качестве источника тепла используется горячая вода. Пастеризационные установки снабжены теплообменниками, в которых, кроме пастеризации молока, т.е. доведения его до нужной температуры с последующей выдержкой, предусмотрены регенерация теплоты в одной-двух секциях и охлаждение молока в двух секциях водой и рассолом или ледяной водой.

Мгновенная пастеризация по воздействию на микробы и свойства молока аналогична кратковременной. Она рекомендуется для пастеризации сливок, из которых вырабатывают масло, и при производстве молочных консервов.

Мгновенная пастеризация молока осуществляется на аппаратах с вытеснительным барабаном ОПД-1М, П-12. Молоко в них проходит в зазоре между стенками вытеснительного барабана и неподвижного резервуара, имеющего параболоидную форму. Внутрь барабана и снаружи резервуара пускается пар. Барабан приводится во вращение от электродвигателя

108

Все способы пастеризации позволяют получить продукт, безвредный для непосредственного употребления в пищу, но имеющий ограниченный срок хранения.

Важный фактор – это сопротивляемость микроорганизмов тепловой обработке.

Она увеличивается при повышении содержания жира и сухих веществ в продуктах (сливки, смесь для мороженого), так как жировые и белковые вещества оказывают защитное действие на микробные клетки. Поэтому для продуктов с повышенным содержанием жира и сухих веществ температура пастеризации должна быть увеличена на 10... 15 0С по сравнению с температурой пастеризации молока.

Ультравысокотемпературная (УВТ) обработка молока проводится при температурах выше 100 0С без выдержки или с выдержкой 1...3 с. В технологии кисломолочных напитков используют УВТ-обработку при 102 ± 2 °С без выдержки.

Термизация — это тепловая обработка молока с целью увеличения продолжительности его хранения путем снижения общей бактериальной обсемененности молока. Проводят ее при температуре 65 °С в течение 15 с.

Термизация в качестве низкотемпературной кратковременной тепловой обработки рекомендована для повышения стойкости сырого молока при хранении. В сыроделии термизацию применяют для обработки молока с повышенной бактериальной обсемененностью и предназначенного для созревания, а в производстве молочных консервов — для повышения термостойкости молока.

Холодная пастеризация сводится в основном к ультрафиолетовому облучению непрерывно движущегося тонкого слоя молока или воздействию на него колебаний звуковой частоты (8...10 * 103 Гц) магнитострикционными вибраторами.

Ко всем пастеризаторам предъявляются следующие требования:

-полное уничтожение микробов всех форм;

-обработка не должна ухудшать свойств молока;

-простота устройства и эксплуатации;

-поверхности, соприкасающиеся с молоком, должны быть стойкими к химическому воздействию молока и моющих жидкостей.

Стерилизация молока

Стерилизация молока — это тепловая обработка молока при температурах выше 100 °С с целью повышения стойкости при хранении

109

путем уничтожения как вегетативных, так и споровых форм микроорганизмов.

Эффективность стерилизации определяется по разности десятичных логарифмов первоначальной концентрации спорообразующих микроорганизмов в исходном молоке и конечной концентрации спор в продукте после тепловой обработки.

Эффект стерилизации должен находиться в пределах 9-10. Это значит, что количество спор в результате стерилизации должно уменьшиться в 109 раз, например из 109 спор выживет только 1(100 ). При производстве стерилизованного молока считается допустимым присутствие 1 споры в 100 л молока.

Эффективность стерилизации находится в такой же прямой зависимости от температуры и продолжительности ее воздействия, как и при пастеризации.

Количество спор, уничтожаемых в процессе стерилизации, зависит от скорости и глубины передачи теплоты. Для того, чтобы уничтожить максимальное количество спор, необходима такая выдержка, при которой весь продукт будет нагрет до температуры стерилизации.

Стерилизацию по сравнению с пастеризацией проводят при более высоких температурах, но с менее продолжительной выдержкой, поэтому физико-химические свойства молока претерпевают почти такие же изменения, как при пастеризации.

В производстве стерилизованных молочных продуктов учитывают такой показатель, как термоустойчивость молока.

Термоустойчивость, в свою очередь, зависит от стойкости казеина и сывороточных белков и сохранения коллоидной суспензии при воздействии высоких температур. Все это связано с химическим составом молока, который зависит от периода лактации, времени года, породы и индивидуальных особенностей коров и т. д. Так, молозиво и стародойное молоко обладают низкой термоустойчивостью. Термоустойчивость молока, полученного весной и осенью, низкая, поэтому для производства стерилизованных молочных продуктов наиболее оптимальным по термоустойчивости будет молоко, полученное летом.

Минеральный состав молочного сырья является определяющим для его тепловой стабильности, в особенности содержание цитрата и фосфата кальция или магния. Действие солей кальция и магния противоположно действию цитратов и фосфатов. Излишек или недостаток любой из этих солей способствует быстрому свертыванию молока. При оптимальном их соотношении молоко наиболее устойчиво к высоким температурам. В большинстве случаев коагуляция белков происходит при излишке солей

110

кальция или магния. Добавление цитратов или фосфатов делает молоко более термоустойчивым. Контроль термоустойчивости молока проводят при поступлении его напредприятие и далее - после нормализации перед направлением на стерилизацию. Термоустойчивость определяют с помощью алкогольной, тепловой, кальциевой и фосфатной проб.

В зависимости от особенностей производства и способа фасовки про- дукта различают периодическую стерилизацию в таре и непрерывную в потоке с асептическим розливом.

Периодическую стерилизацию в таре осуществляют после фасования и герметического укупоривания продукта при 110... 120 °С в течение 15...30 мин.

Для периодической стерилизации в таре служат стерилизаторы периодического действия — автоклавы. При периодической стерилизации продукт в таре загружают в автоклав, создавая в нем разрежение 0,08 Мпа, что соответствует температуре 121 0 С, нагревают паром, выдерживают определенное время и охлаждают водой или воздухом до 40...50 °С.

Периодическая стерилизация обеспечивает высокую стойкость продукта при хранении даже в неблагоприятных условиях (при 50 °С) в течение 12 мес и более. Однако этот способ малопроизводителен и вызывает физико-химические изменения составных частей молока вследствие продолжительного теплового воздействия. В результате этих изменений молоко приобретает сильно выраженный кипяченый вкус, буроватокремовую окраску.

Наиболее распространена непрерывная стерилизация в потоке с одноступенчатым и двухступенчатым режимами.

При стерилизации с одноступенчатым режимом в потоке продукт подвергают кратковременной ультравысокотемпературной обработке (УВТ) при температуре 130... 150 0 С в течение 2-4 секунд, после чего фасуют в асептических условиях в стерильную тару.

Стерилизацию в потоке проводят прямым или косвенным нагревом.

Прямой нагрев осуществляют путем смешивания теплоносителя (пара) с продуктом, а косвенный нагрев — через теплопередающую поверхность.

Прямой нагрев эффективен в случае необходимости моментального нагрева молочного сырья до температуры стерилизации.

При смешивании с паром продукт нагревается практически мгновенно, что позволяет использовать молоко более низкой термоустойчивости. Кроме того, мгновенное тепловое воздействие вызывает наименьшие

111

физико-химические изменения. К существенным недостаткам этого способа относятся низкий коэффициент регенерации теплоты, повышенные требования к качеству пара (его следует подвергать особой очистке), используемого для нагревания продукта.

Кроме того, в результате прямого нагрева молочное сырье имеет повышенную влажность из-за попадания в него конденсата, в который превращается пар при соприкосновении с более холодным молоком. Конденсат удаляется из молока в вакуум-камере, куда поступает стерилизованное молоко из выдерживателя. В вакуум-камере поддерживается разрежение 0,04 МПа, при котором молоко кипит при температуре около 80 °С. Конденсат, попавший в молоко в камере стерилизации, удаляется вместе с паром из молока при кипении.

Для стерилизации продукта способом косвенного нагрева применяют трубчатые, пластинчатые, а для вязких продуктов — скребковые теплообменники.

Пластинчатый теплообменник состоит из пакета пластин, стянутых в одну конструкцию и разделенных на секции. Секций может быть несколько. В секциях осуществляют различные этапы обработки молока (первичный нагрев, стерилизацию, охлаждение). Нагревающей средой является горячая вода, охлаждающей – холодная (ледяная). Температура воды для стерилизации должна быть 157 0 С, ее подогревают путем впрыскивания пара. Охлажденное молоко поступает по асептическому молокопроводу в асептический резервуар, из которого оно подается в автомат для асептического розлива.

Трубчатые теплообменники работают по схеме: труба в кожухе. По этой схеме продукт течет по параллельным трубам, а нагревающая или охлаждающая жидкость между ними и вокруг них противотоком. Трубчатые теплообменники включают в себя секции для подогрева, стерилизации и охлаждения продукта. Стерилизация осуществляется горячей водой с температурой 137-140 0 С, циркулирующей под давлением. После стерилизации продукт поступает в асептический резервуар или асептический упаковочный автомат.

Теплообменники косвенного нагрева характеризуются надежностью в работе, простотой обслуживания и высокой степенью использования теплоты. Недостатком этого способа является то, что при стерилизации в таких теплообменниках быстрее образуется пригар на теплопередающих поверхностях.

Непрерывную стерилизацию с двухступенчатым режимом осу- ществляют в такой последовательности: первоначально продукт

112

стерилизуют в потоке при 13О...15О°С в течение нескольких секунд, затем после розлива и укупоривания вторично стерилизуют продукт в таре при

110... 118 °С в течение 15...20 мин.

Двухступенчатый режим стерилизации предназначен для уничтожения микроорганизмов, не только имеющихся в сырье, но и попавших в продукт при его фасовании.

Продукт, полученный при двухступенчатом режиме стерилизации, имеет высокую стойкость при длительном хранении.

При выборе способа стерилизации и типа установок следует учитывать условия эксплуатации, качество исходного сырья, вид вырабатываемого продукта и экономическую целесообразность.

Чтобы проверить эффективность стерилизации продукта проводят бактериологический анализ на наличие вегетативных клеток и спор аэробных и анаэробных микроорганизмов. Чтобы проверить продукт на наличие спор, образцы хранят 2 недели при температуре 30 0С, после чего

проводят баканализ.

Качество готового продукта определяют также на соответствие требованиям промышленной стерильности. Для этого упаковки со стерильным продуктом выдерживают в течении 3 суток при 370С, после чего проводят визуальный осмотр упаковки. При вздутии упаковки продукт считают не соответствующим требованиям промышленной стерильности. Упаковку без признаков вздутия вскрывают и проводят органолептический анализ. Продукт отвечает требованиям промышленной стерильности, если нет изменений консистенции и вкуса.

2. Охлаждение молока. Замораживание молока. Влияние охлаждения и замораживания молока на его свойства.

Предотвращения развития микробов в молоке можно достичь не только при помощи его тепловой обработки, но и с помощью понижения температуры молока.

Для торможения развития микроорганизмов и действия ферментов молоко охлаждают до температуры 2 - 10 0 С.

В зависимости от температуры охлаждения в молоке в большей или меньшей степени протекают физико-химические и микробиологические процессы.

Интенсивность развития микробиологических процессов при пониженных температурах зависит от наличия воды, находящейся в доступной для микроорганизмов форме.

113

Понижение температуры приводит к подавлению жизнедеятельности микроорганизмов. Это объясняется нарушением обмена веществ микробной клетки.

Низкие температуры не одинаково действуют на различные виды микроорганизмов. Некоторые их виды способны достаточно быстро развиваться при температуре 0- 5 о С. В основном это гнилостные бактерии.

Поэтому охлаждение молока не исключает его микробиологической

порчи.
Эффективность	подавления жизнедеятельности микроорганизмов

зависит не только от конечной температуры, но и от скорости охлаждения. При медленном охлаждении молока ферменты ксантиоксидаза и каталаза, связанные с казеином и белковыми оболочками жировых шариков, переходят

вплазму молока, что приводит к появлению окисленного вкуса. При высокой скорости охлаждения переход этих ферментов в плазму незначительный.

При длительном хранении охлажденного молока, а также при его интенсивном перемешивании, в нем повышается активность ферментов протеиназ и липаз, при этом в результате протеолиза и липолиза появляется горький и прогорклый вкус.

При охлаждении молока и молочных продуктов происходит частичное отвердевание и кристаллизация молочного жира в жировых шариках. Это является положительным фактором при производстве сметаны и масла.

Охлаждение и хранение сырого молока приводит к разрушению витаминов.

При охлаждении сырого молока происходит изменение состава микрофлоры. Замедляется рост мезофильной и термофильной микрофлоры. Преобладают психрофильные бактерии, развивающиеся при температуре 5 – 15 0 С. Психрофильные бактерии выделяют протеолитические и липолитические ферменты, сохраняющие свою активность и после тепловой обработки, поэтому их наличие в молоке наиболее опасно для качества молочных продуктов.

Всвязи со всем сказанным выше, нежелательно использовать при производстве молочных продуктов, особенно сыров и творога, длительно хранившееся при низких температурах молочное сырье.

Некоторые молочные продукты, такие, как творог, сметану, сливки, замораживают для длительного хранения и использования в качестве резерва

взимне-весенний период года.

Низкотемпературную обработку применяют в технологии мороженого, а также в производстве молочных продуктов сублимационной сушки.

При замораживании происходят более заметные изменения физикохимических и биохимических процессов, чем при охлаждении, причем глубина их зависит от скорости замораживания и температуры хранения замороженных продуктов. Изменения обусловлены процессами кристаллизации воды, перераспределением влаги между структурными

114

образованиями компонентов молока, повышением концентрации растворенных в жидкой фазе веществ.

Влага, содержащаяся в молоке и молочных продуктах, как и в других биологических материалах, обусловливает консистенцию и структуру продукта, определяя его устойчивость при хранении.

Замораживание молочного сырья происходит неравномерно: сначала слой чистой воды на границе раздела фаз (на стенках, вверху и на дне сосуда), в оставшейся части концентрируются компоненты молока. Так как кристаллы, образующиеся из первоначального раствора, отличаются составом, замораживание водных растворов представляет собой процесс расслоения.

Молочное сырье при медленном замораживании расслаивается. Это явление можно наблюдать при доставке молока во флягах в зимние месяцы. Образующийся во флягах «молочный» лед содержит больше воды, чем остальная жидкость, которая отличается повышенным содержанием сухих веществ.

В сливках процессы расслоения не так ярко выражены, как в молоке. Однако при медленном замораживании сливок наступают известные явления дестабилизации, которые проявляются в виде появления «свободного» жира после оттаивания сливок. Это явление вызвано тем, что давление льда вызывает деформацию и повреждение оболочек жировых шариков. Жировые шарики после оттаивания сливок образуют конгломераты, в результате чего и появляется свободный жир. Результатом деэмульгирования является липолиз в сыром молоке после замораживания и оттаивания.

Наряду с механическим разрушением оболочек жировых шариков в результате эффекта высаливания остаточной жидкости денатурируют оболочечные белки.

Кристаллизация молочного жира и дестабилизация оболочек жировых шариков в результате замораживания приводят к появлению свободного жира, активизации ферментов и быстрой порче размороженного продукта, а также к увеличению содержания жира в пахте при производстве масла из сливок.

Замораживание сопровождается уменьшением количества и активности микроорганизмов без их полного уничтожения.

Из-за изменения состояния белковолипидных комплексов и механического разрушения микробной клетки кристаллами льда возможны повреждения мембранных структур клетки. Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от рода и вида микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания, состава среды обитания. В пределах температур замораживания до —30 0С разрушение многих микроорганизмов происходит при достаточно небольших минусовых температурах. Так, наиболее высокая степень гибели микроорганизмов приходится на температуры -4...-6 0С. Однако в этих условиях сохраняют свою жизнедеятельность и способность к росту некоторые психрофильные

115

микроорганизмы. Для предотвращения их развития необходимы более низкие температуры. Почти полностью исключается рост микроорганизмов при температурах -10...-12°С. Хранение при таких температурах позволяет сохранять продукты без микробиологической порчи.

Но все же при замораживании и хранении при этих температурах молочных продуктов в них остается часть жизнеспособных микроорганизмов, а ферменты длительное время сохраняют активность. Поэтому при размораживании продукта могут начаться процессы, отрицательно влияющие на его качество.

116