Молочная сыворотка как объект гранулирования

14-05-2014, 16:03

С точки зрения возможности гранулирования молочной сыворотки интерес представляют только те составляющие, которые оказывают влияние на физико-химические и физико-механические показатели процесса — лактоза, белковые вещества, минеральные вещества и молочный жир. Устойчивое образование гранул и их прочность в существенной мере зависит от свойств поровой суспензии. При гранулировании сыворотки в качестве порового вещества выступает высококонцентрированная сыворотка, которая вносится извне или образуется вследствие растворения мелкодисперсных фракций твердой фазы сухого порошка. При определенных условиях, определяющее из которых — влагосодержание, молочная сыворотка способна образовать прочные структуры.
При влагосодержании менее 25 % и охлаждении до 10 °С сыворотка образует так называемый блок, процесс образования которого связан с кристаллизацией лактозы и связыванием части свободной воды в виде кристаллогидратов, а также гелеобразованием благодаря значительному присутствию белковых веществ. Последние являются высокомолекулярными соединениями и одновременно содержат ионизирующие группы, т.е. обладают свойствами полиэлектролитов. Они проявляют ряд специфических коллоидно-химических свойств.
Согласно классификации связей по Румпфу для дисперсных систем, подвергаемых гранулированию возможно образование следующих связей, возникающих с участием белковых фракций:
— связи твердого тела в результате химических реакций;
— механические связи, вызванные переплетением волокон белков;
— взаимодействия в виде адгезионных и когезионных сил;
— для амфолитных ПАВ характерно возникновение связей, обусловленных поверхностным натяжением и капиллярным давлением подвижных поверхностей жидкости;
Согласно классификации Румпфа лактоза может образовывать связи между твердыми частицами в результате кристаллизации растворяющихся веществ, а так же участвовать в возникновении связей обусловленных поверхностными явлениями.
Жировые шарики, содержащиеся в сыворотке, имеют средний размер меньший, чем у исходного молока (табл. 12.1), поэтому эта фракция сыворотки имеет более высокую удельную поверхность и обладает высокой реакционной активностью.

При концентрировании сыворотки и удалении воды происходит разрушение жировой эмульсии, и жировая фракция приводится в соприкосновение с твердой фазой (лактоза, белки, соли). Состав липидов молочной сыворотки характеризуются большим многообразием входящих в них жирных кислот (миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и др.), при этом до 80% массы липидов сухой сыворотки находится в связанном состоянии.
В силу незначительного относительного содержания жиров в сыворотке, жировая составляющая сухой сыворотки дисперсно распределена в ней и на начальных этапах структурирования системы не участвует в образовании связей, а лишь влияет на взаимодействия, обусловленные поверхностными эффектами. Это влияние обусловлено наличием границы раздела жидкость-жидкость между сплошной водной средой и капельками (шариками) жира. На последующих этапах возможно образование связей, обусловленных поверхностными явлениями в тех случаях, когда жировая фракция участвует в образовании мостиков в качестве жидкой фазы (твердое тело-жидкость-твердое тело). He исключено также участие жировой фракции в связях, обусловленных химическими реакциями, склеиванием твердых частиц и адгезионно-когезионных связях.
Минеральные составляющие исходной сыворотки представлены в основном следующими диссоциирующими соединениями: (NaCl, KCl, К (H2PO4), K3 (C6H5O7), MgHPO4, Ca3(PO4)2, Na2CO3, K2CO3, CaCl2, Na3 (C6H5O7), Mg (H2PO4)2, KC3H5O3 и др. Известно, что минеральные соли образуют сложные соединения с белками. Можно предположить, что минеральные составляющие при концентрировании могут кристаллизоваться как в виде индивидуальных соединений, так и вступать в химические реакции, т. е. образовывать химические связи.
Определенную роль при рассмотрении состава сыворотки как объекта гранулирования, играют содержание и формы связи влаги с сухим веществом. Рассмотрение формы связи воды целесообразно начать с концентрации сухого вещества сыворотки около 70%, т.к. до такого состояния реально технологически удается сконцентрировать сыворотку путем испарения воды. При таком содержании воду можно рассматривать в связи с твердым телом. В первую очередь, это химическая связанная вода, которая входит в состав ряда соединений образующих сухое вещество сыворотки, например, углеводы. Кроме того, могут иметь место кристаллогидраты лактозы. Так как при гранулировании эта формы связи воды с твердым веществом сыворотки не нарушается, ее рассмотрение не целесообразно.
Анализ исследований показывает, что при концентрировании происходит удаление в основном физико-химически связанной влаги входящей в состав водного раствора. По мере концентрирования, а точнее, начиная с содержания сухого вещества порядка 35-40 %, происходит выделение твердой фазы в виде кристаллов лактозы, и, следовательно, появление новых форм связи влаги, обусловленных появлением свободной твердой: адсорбционной поверхности. При дальнейшем удалении влаги содержание твердой фазы прирастает быстрее, чем следовало ожидать из теоретических расчетов. При концентрациях твердой фазы от 51 % до 70% и более белки, входящие в состав сухого вещества сыворотки, начинают образовывать гели, связывая воду.
На начальных этапах концентрирования сыворотка представляет собой монофазную жидкую среду, вязкость которой описывается уравнением:

где E — содержание сухих веществ, %;
t — температура сыворотки, °С.
Данная зависимость справедлива в интервале t = (20-60) °С и E = (6,5-30)%. Начиная с 35-40% сухого вещества сыворотка представляет собой двухфазную систему в результате начала кристаллизации лактозы. Эффективная вязкость такой двухфазной системы удовлетворительно описывается зависимостями:

Зависимости справедливы в интервале значений E от 40 до 60%, t от 15 до 75 °С. В этом интервале происходит нарастание количества кристаллов лактозы и гелеобразование белковой составляющей сухого вещества сыворотки. При достижении концентрации сухого вещества более 70%, при отсутствии внешнего воздействия, сыворотка приобретает свойства твердого тела, при этом во взаимных контактах образуется своеобразный клетчатый каркас, скрепленный гелем белков. Приложение внешнего механического воздействия достаточной интенсивности приводит к разрушению структуры и переводу ее в вязко-текучее состояние. Снятие механического воздействия приводит к структурированию и образованию так называемой белковой структуры. По данным такое состояние сохраняется сывороткой до содержания сухого вещества 85 %. Влага в массе сыворотки с этой концентрацией представляет собой сплошную среду в виде насыщенного раствора. Дальнейшее концентрирование сопровождается образованием прочных мостиков между кристаллами лактозы. Мостики образуются в результате сушки белкового геля, а также дальнейшей кристаллизации лактозы и минеральных солей.