Стерилизация молока

При косвенном нагреве продукт и греющая среда разделены теплопередающей стенкой. Греющим агентом может быть пар или горячая вода, обеспечивающие нагревание молока до 136 - 138 оС в течение 12 - 20 с. Повышение температуры стерилизации ведет к образованию пригара на теплопередающей поверхности, уменьшению питательной ценности продукта и поэтому не рекомендуется.

Косвенный нагрев при ультравысокотемпературной обработке молока и молочных продуктов может осуществляться в пластинчатых, трубчатых и роторных (скребковых) теплообменниках.

При косвенном нагреве исключаются проблемы, возникающие в связи с высокими требованиями к качеству инжектируемого пара. Этот процесс более простой, надежный, менее энергоемкий, рекуперация тепла составляет             70 - 90 %.

Однако время работы установок косвенного нагрева меньше и больше зависит от качества исходного сырья. Оно составляет 6 - 12 ч с промежуточной мойкой.

Основная трудность, возникающая при использовании косвенных систем, особенно с пластинчатыми теплообменниками, заключается в пригарообразовании в секциях предварительного нагрева и стерилизации. Эти отложения образуются из смесей, денатурированных при нагревании белков и солей, и могут снизить время непрерывной работы до 4 ч и менее между мойками.

2) Прямой нагрев  молока.

При прямом нагреве продукт и греющая среда находятся в прямом контакте, т е. смешиваются. Нагрев продукта осуществляется паром двумя способами; либо инжекцией пара в молоко, либо введением молока в пар. В первом случае пар под большим давлением вводится в молоко, нагревая его при этом до 140 - 150 оС в течение долей секунды (уперизация). Во втором случае молоко инжектируется в атмосферу пара в виде капель, струй или пленки (вакреация).

Качество продукта, стерилизованного путем прямого нагрева, во многом зависит от качества вводимого пара. Он должен быть сухим, насыщенным, без посторонних примесей и запахов, полученным из питьевой воды в специальных парогенераторах («кулинарный» пар).

Основным преимуществом прямого нагрева перед косвенным является практически мгновенное нагревание всей массы продукта без теплопередающей поверхности, что позволяет обрабатывать более вязкие продукты использовать молоко более низкой термоустойчивости и работать в течение более длительного времени без промежуточной мойки (при сырье высокого качества до 15 - 20 ч).

В то же время прямой нагрев имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость и стоимость, низкий коэффициент рекуперации тепла (40 - 50 %), повышенные требования к чистоте пара, вводимого в продукт, и сложность регулирования процесса удаления конденсата на стадии охлаждения продукта в вакуум камере.

В процессе тепловой обработки (пастеризация, стерилизация, сгущение и сушка) углеводы, липиды и аминокислоты молока и сливок подвергаются глубоким изменениям с образованием многочисленных соединений, обладающих специфическими вкусом и запахом. В процессе хранения молочных продуктов изменения составных частей молока могут продолжаться, а продукты распада при взаимодействии между собой образуют новые компоненты, ухудшающие их вкус и запах.

Длительная выдержка или высокая температура обработки (от 130 до   150 °С) могут вызвать появление в молоке (и сливках) более резкого привкуса – привкуса перепастеризации, не исчезающего при хранении. К соединениям, ответственным за образование привкуса перепастеризации, помимо сульфогидрильных относятся диацетил, лактоны, метилкетоны, мальтол, ванилин, бензальдегид и ацетофенон [6].

Таким образом, преимущество в технологическом смысле сохраняется за контактной стерилизацией молока.

 

1.6 Ультразвуковая стерилизация

 

Способ заключается в обработке молока ультрафиолетовым излучением. При этом создают герметичный контролируемый по толщине слой молока. Его облучают в диапазоне длин волн 165 - 185 нм. Причем толщина контролируемого слоя составляет 80 - 120 мкм для указанного диапазона длин волн. Контролируемый по толщине слой молока может быть облучен одновременно в диапазоне длин волн 165 - 185 и 280 - 310 нм. Изобретение позволяет упростить процесс обработки молока путем достижения максимальной глубины обрабатываемого слоя при одновременном повышении качества молока.

Известно также, что способность проникновения ультрафиолетовых лучей с длиной волны 254 нм через слой молока невелика и не превышает       40 - 50 микрон (мкм). В связи с этим, в известных способах обработки молока ультрафиолетовым излучением для увеличения слоя обрабатываемого молока применяют перемешивание, турбулизацию и т.п. Однако эти приемы, как правило, усложняют технологический процесс и далеко не всегда дают требуемый результат. С целью устранения недостатков, связанных с низкой прозрачностью молока для ультрафиолетовых лучей, предложен целый ряд разновидностей этих способов обработки (стерилизации) молока. Так, известен способ стерилизации жидкостей, в частности молока, в котором жидкость диспергируют, затем насыщают озоном и турбулизуют с последующим перемешиванием и одновременным облучением ультрафиолетовыми лучами. Этот способ обеспечивает более высокую степень стерилизации и улучшает органолептические свойства молока, однако он довольно сложен в технологическом оформлении и не устраняет основной недостаток известных способов обработки молока ультрафиолетовым облучением – низкой прозрачности молока в применяемом на практике диапазоне длин волн.

Известны способы облучения молока ультрафиолетовыми лучами в тонком слое жидкости. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ обработки молока, в котором молоко центрифугируют до полного осаждения микрофлоры в тонкий слой более       0,1 мм на прозрачном для ультрафиолетового излучения основании, а облучение осуществляют через это основание до достижения энергетической экспозиции 210 - 250 Дж/см2. Недостатками процесса являются его периодичность, малая производительность, сложность контроля полноты осаждения всей микрофлоры в тонкий слой, прозрачный для ультрафиолетового излучения, неселективность обработки. А также усложнение процесса обработки, связанное, как уже выше отмечалось, с малой прозрачностью ультрафиолетового излучения для молока в применяемой на практике области длин волн.

Задачей изобретения было упрощение процесса обработки молока путем достижения максимальной глубины обрабатываемого слоя ультрафиолетовым излучением при одновременном повышении качества получаемого продукта.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ обработки молока в тонком слое ультрафиолетовым излучением, при котором облучение осуществляют в герметичном контролируемом по толщине слое молока в диапазоне длин волн 165 - 185 нм, при этом толщину контролируемого слоя выбирают не более оптической толщины для указанного диапазона длин волн, определяемой законом Бугера-Ламберта. Кроме того, можно осуществлять обработку молока одновременным облучением в диапазоне длин волн 280 - 310 и 165 - 185 нм.

Способ основан на том, что автор, изучая спектральные характеристики молока (зависимость коэффициента поглощения от длины волны) нашел, что в диапазоне 280 - 220 нм коэффициент поглощения ультрафиолетового излучения практически неизменен. Далее, двигаясь в область коротких волн, до 195 нм наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения молока почти вдвое, экстремум в области 195 нм и последующий резкий спад практически в 5 - 6 раз при приближении к 185 нм. Таким образом, в области 185 нм и менее автором обнаружено наличие спектрального «окна прозрачности» в спектре поглощения молока, что позволяет проводить облучение на максимальную глубину молока, уничтожая болезнетворные бактерии и в то же время не меняя природную белковую и аминокислотную структуру молока. Кроме того, смещение диапазона облучения в область более коротких волн по сравнению с традиционно известной бактерицидной длиной волны 254 нм приведет к тому, что возросшая энергия квантов в среднем с 5 эВ до 7 эВ позволит значительно сократить время бактерицидной обработки молока при одном и том же расходе. Это, в свою очередь, позволит максимально сохранить природную микробиологию и органолептику молока и улучшить качество его обработки. Обработка молока при длине волны менее 165 нм нецелесообразна, поскольку начинает происходить диссоциация воды и связанная с этим деструкция молока. Создание герметичной контролируемой по толщине пленки молока необходимо в связи с тем, что ультрафиолетовое излучение разлагает кислород воздуха с образованием озона, являющегося сильным окислителем и отрицательно воздействующего на молочный жир, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на органолептических свойствах молока. Для максимального прохода ультрафиолетового излучения необходимо выбирать контролируемую толщину пленки молока величиной не более ее оптической толщины для конкретной длины волны, определяемой из закона Бугера-Ламберта. В частности, для длины волны 185 нм толщина пленки не должна превышать 120 мкм, а для длины волны 165 нм – 100 мкм. Поскольку известно, что при облучении ультрафиолетовым излучением в диапазоне       280 - 310 нм в молоке происходит синтез витамина D, так необходимого для детского питания, то возможно одновременно с бактерицидной обработкой в диапазоне 165 - 185 нм и синтезировать витамин D, облучая молоко дополнительным источником ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 280 - 310 нм [7].

Способ осуществляется следующим образом. Молоко из емкости подают под избыточным давлением в контролируемый по толщине зазор в виде пленки толщиной 40 - 45 мкм для традиционной длины волны 254 нм и 80 - 120 мкм для «окна прозрачности» в области 185 нм. Контролируемый зазор создается между полированными плоскопараллельными пластинами, одна из которых или обе могут быть прозрачными для ультрафиолетового излучения с необходимой длиной волны. В качестве источника излучения служат газоразрядные лампы типа ДРБ-20U, дающие линейчатый спектр ультрафиолетового излучения в областях 254 нм и 185 нм. Излучение, проходя через пленку молока контролируемой толщины, проводит его бактерицидную обработку.

Для длины волны излучения 185 нм в области «окна прозрачности» при величине зазора 120 мкм расход молока составил порядка 160 литров в час при том же перепаде давления на пленке молока, как и в первом случае, и той же интенсивности ультрафиолетового излучения микробиологическое тестирование не смогло обнаружить ни в одной из проб наличия бактерий        E. Coli и не обнаружено никаких изменений вкусовых свойств молока и его органолептики. Данный способ можно осуществить как в непрерывном, так и в периодическом вариантах [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Оборудование  для стерилизации и их назначение

 

 

В молочной отрасли оборудование для стерилизации можно разделить на две основные группы: для стерилизации молока в таре и стерилизации молока в потоке.

 

2.1 Аппараты  для стерилизации молока в  таре

 

К этой группе относят аппараты периодического действия (автоклавы), полунепрерывного (стерилизаторы туннельного типа) и непрерывного (гидростатические стерилизаторы) действия.

1) Аппараты периодического  действия.

Наиболее широкое применение для стерилизации консервов в стеклянной и металлической таре в при температуре выше 100 °С получили автоклавы периодического действия вертикального типа. Они выпускаются двух- и четырехкорзиночными.

Автоклав (рисунок 2) представляет собой цилиндрический резервуар со сферическими дном и крышкой. Аппарат оборудован устройствами для подачи внутрь воды, пара и снятого воздуха. Внизу резервуара имеется вентиль, через который спускаются отработавшая вода и конденсат. Крышка автоклава прижимается к корпусу через уплотнительную прокладку и зажимается кольцевым зажимом.

Процесс стерилизации консервов в автоклаве периодического действия осуществляется следующим образом. Корпус аппарата с открытой крышкой заполняется водой, которая подогревается острым паром, подаваемым в массу воды через барботер, до температуры на 10 - 20 °С выше температуры продукции, направляемой на стерилизацию. В подогретую воду электроталью опускаются корзины со стерилизуемой продукцией. Затем крышку закрывают, зажимают замок, создавая герметичность, и открывают паровой вентиль.

В стеклянных банках стерилизация проводится в воде, при этом противодавление создается паром или сжатым воздухом. Скорость подъема температуры воды составляет 3 - 4 °С в 1 мин. При работе с водяным избыточным давлением под крышкой автоклава оставляют слой воздуха. При конденсировании пара объем воды увеличивается, чем создается избыточное давление внутри автоклава. При создании противодавления сжатым воздухом последний подается в автоклав от системы сжатого воздуха давлением            0,3 - 0,4 МПа. После подогрева воды до температуры стерилизации осуществляют поддержание ее на постоянном уровне путем регулирования подачи пара и спуска воды. После окончания выдержки продукта при заданной температуре начинают его охлаждение.

Этот процесс осуществляют осторожно, чтобы избежать срыва крышек и термического боя банок с продуктом. Охлаждающая вода подается через барботер под крышкой автоклава, и при этом холодная вода не должна попадать на горячие банки. Для этого спуск воды из автоклава регулируется таким образом, чтобы банки всегда полностью находились под водой. Скорость снижения температуры должна составлять 2 - 3 °С в минуту. Конечная температура воды 35 - 40 °С. При охлаждении постепенно снижается давление в автоклаве до атмосферного.

 

      

 

1 – корпус автоклава; 2 – термометрическая коробка с циркуляционной трубой; 3 – продувочный краник; 4 – сливной вентиль; 5 – барботер; 6 – обратный клапан. 

 

                              Рисунок 2 – Вертикальный автоклав

 

Автоклав имеет устройство, предупреждающее возможность открытия крышки при наличии некоторого избыточного давления внутри автоклава. Это необходимо в соответствии с требованиями техники безопасности.

При паровой стерилизации продукции, преимущественно фасованной в металлические банки, процесс проводят следующим образом. Корзины с продукцией загружаются в пустой автоклав, и после герметизации крышки внутрь автоклава подается пар. При этом в крышке автоклава открывают продувочный вентиль для спуска воздуха. Вытеснение воздуха осуществляют примерно в течение 10 мин до тех пор, пока из продувочного крана не пойдет обильная струя пара. Закрыв продувочный кран, начинают постепенный подъем давления и температуры внутри автоклава. Достигнув температуры стерилизации, подачу пара почти прекращают и слегка спускают конденсат. После выдержки продукции при температуре стерилизации подачу пара полностью прекращают. Путем открытия продувочного крана и спускного вентиля давление внутри автоклава снижается. С целью предупреждения деформации банок сброс давления проводят медленно. После достижения давлением величины, равной атмосферному, крышку открывают и охлаждают банки орошением холодной водой до температуры 40 °С.