На поверхности частиц сухого цельного молока

Сухое молоко представляет собой полидисперсную систему, которую можно охарактеризовать кривыми; распределения, величинами среднего диаметра и удельной поверхностью частиц, а также рядом других показателей. Для определения размеров частиц сухого молока существует много способов, из которых наибольшее распространение получили методы микроскопирования. Положительной стороной этих методов является возможность непосредственного определения размера частиц и их формы, а также высокая точность измерений. Одной из основных характеристик гранулометрического состава сухого молока является фактическое распределение частиц, включая как единичные частицы, так и агломерараты.

На рисунке 4.5 приведены кривые счётного распределения частиц в сухом молоке, полученном на различных сушильных установках: 1 - сушилка "Нема-500", 2 - сушилка ЦАН-300, 3 - сушилка "Блау-Нокс, 4 - сушилка "Ниро-Атомайзер".

Рисунок 4.5 – Кривые счётного распределения частиц в сухом молоке, полученном на различных сушильных установках:

А - фактического, Б - одиночных частиц

В таблице 4.2 приведены результаты анализа различных образцов сухого молока, полученного методом распылительной сушки.

Как видно из данных этой таблицы, быстрорастворимое и агломерированное сухое молоко (образцы 1, 4) можно по результатам ситового анализа дифференцировать от обычного сухого молока (образцы 2, 3) по размерным классам частиц. В обычном сухом молоке количество единичных частиц значительно, превышает количество агломератов, в то время как в агломерированном, сухом молоке наблюдается обратная картина.

Таблица 4.2 – Оценка гранулометрического состава сухого молока

Номер образца	Сухое молоко	Массовая доля частиц (в % общей массы размером, мм)
≥1	≥0,5	≥0,25	менее 0,25
	Быстро растворимое полученное на лабораторной сушилке	1,04	15,8	45,1	33,6
	Обычное полученное на лабораторной сушилке		0,9	9,5	89,5
	обычное на промышленной сушилке	0,23	0,35	5,18	94,24
	Агломерированное, полученное на промышленной сушилке	14,96	16,47	33,28	35,29

Пористость частиц сухого молока. Частицы сухих молочных продуктов обладают капиллярно-пористой структурой, которая существенно влияет на свойства готового продукта. На пористость сухих молочных продуктов влияет их температура и влажность. К сожалению, вопрос зависимости пористости сухого молока от этих параметров изучен крайне недостаточно. Известно, однако, что при поглощении паров воды структура частиц сухого молока претерпевает существенные изменения. Это объясняется тем, что повышение содержания влаги в сухом молоке приводит к возникновению ряда процессов в частицах, обусловленных главным образом переходом лактозы сухого молока из аморфного состояния в кристаллическое, а части белка - в коллоидное. В результате этих процессов значительно изменяется пористость частиц сухого молока. При поглощении влаги белком происходит его набухание, следовательно, часть пор, капилляров и трещин частично закрывается. Кристаллизация лактозы вызывает появление новых пор, капилляров и трещин. Этот процесс преобладает, в результате чего пористость частиц сухого молока вследствие их увлажнения существенно увеличивается. По мере перехода лактозы в кристаллическое состояние пористость частиц сухого молока возрастает, при этом содержание свободного жира повышается.

Воздушные включения в частицах сухих молочных продуктов. Как показали, микроскопические исследования, частицы сухого молока часто содержат одну или несколько пустот (вакуолей), заполненных воздухом. Разрушенная частица сухого молока внутри которой расположена большая воздушная вакуоль, показана на рис.. Относительный объем вакуолей в небольших частицах сухого молока меньше, чем в более крупных. В большинстве мелких частиц, например в циклонных фракциях молочного порошка, вакуоли отсутствуют.

Незначительное количество воздуха может быть растворено во влаге сухого молока, жире, а также адсорбировано на поверхности частиц. Непосредственно после распылительной сушки общее содержание воздуха внутри частиц меньше, чем в сухом продукте после 4-12-часовой выдержки. Общее количество воздуха V в частицах сухого молока в процентах к общему объему порошка можно определить по формуле:

V = 100 [(ρ₁ – ρ₂)/ ρ₁, (4.2)

где ρ₁, ρ₂ - соответственно фактическая и теоретическая плотность сухого молока, кг/м³.

Порозность. Частицы сухих молочных продуктов в силу своей формы образуют порошкообразную систему, в. которой между частицами заключен воздух. Пространство между частицами принято называть пустотами. Показатель, характеризующий объем пустот между частицами молочного порошка, называется порозностью.

Расчетным путем порозность можно определить по формуле

ε_o = 1- (V₂/V₁)1 = 1 – (ρ/ М_о.у), (4.3)

где V₂,V₁ - соответственно объем, занимаемый частицами продукта и слоем продукта, м³;

ρ - плотность сухого продукта, кг/м³;

М_о.у - объемная масса сухого продукта с уплотнением до постоянного объема, кг/м^3.

Аналитическим путем установлено, что порозность обычного цельного молока составляет 0,537, агломерированного – 0,653

Структура жира в частицах сухого молока. Состояние молочного жира в частицах сухого молока зависит от режимов обработки молока перед сушкой, способа и параметров сушки, а также; особенностей транспортировки и последующей обработки сухого молока. В сухом молоке распылительной сушки основное количество жира находится в виде включений, равномерно распределенных внутри частиц. Форма включений близка к шарообразной. В отдельных случаях происходит контактирование нескольких жировых шариков между собой. Часть молочного жира располагается на внешней поверхности частиц и на поверхности капилляров внутри сухих частиц. В сухом негомогенизированном молоке размер жировых включений (жировых шариков) составляет 0,1-4,0 мкм, а в сухом гомогенизированном молоке, как правило, не превышает 1 мкм. Большинство жировых шариков: имеет оболочки.

Часть молочного жира, называемая свободным жиром, при определенных условиях может экстрагироваться из сухих молочных продуктов жирорастворителями. Свободный жир не имеет оболочки и находится или на поверхности частицы сухого продукта, или во внутренних капиллярах ее. Среди многих вопросов, связанных с качеством сухих молочных продуктов, проблема свободного жира является одной из важнейших. Именно поэтому изучению свободного жира в сухих молочных продуктах наряду с изучением их пористости в последние годы уделяется все большее внимание.

Взаимосвязь между содержанием общего и свободного жира уже давно вызывает интерес исследователей. Результаты изучения образцов сухого молока с различным содержанием общего жира показали, что при его увеличении более чем на 24-26 % наблюдается резкое возрастание количества свободного жира. Содержание свободного жира в сухом молоке зависит как от режимов сушки, так и длительности хранения сухого молока.

Анализу влияния свободного жира на качество сухого молока посвящено довольно большое количество работ. В результате были получены данные, подтверждающие предположение о решающем воздействии на качественные показатели не всего свободного жира, а главным образом той его доли, которая расположена на поверхности частиц. Для наглядности на рис. представлена физическая модель частицы сухого молока с указанием особенностей распределения, жировой фазы; Как видно из физической - модели, доступным для жирорастворителя является жир на внешней поверхности частицы, жир, контактирующий с ней, с капиллярами и трещинами, а также жир, расположенный на поверхности внутренних полостей частицы, если в эти полости доступ жирорастворителя свободен.

При детальном изучении поверхности частиц сухих продуктов можно обнаружить, что на ней в виде мельчайших шариков и скоплений неправильной формы располагается свободный жир. Электронно-микроскопические исследования показывают, что он может находиться также в складках поверхности и в местах контакта различных частиц (рисунки 4.6, 4.7). Размер включений свободного жира на поверхности частиц сухого молока распылительной сушки, по данным микроскопических исследований, как правило, не превышает 1 мкм. Степень покрытия поверхности части свободным жиром в основном тем больше, чем выше содержание жира в продукте. Так, если на поверхности частиц сухого молока наблюдаются лишь отдельные участки, покрытые жиром, то на поверхности частиц сухих сливок свободный жир занимает значительно большую ее часть. Характер распределения свободного жира на поверхности частиц зависит от количества микропор и трещин, по которым часть жира может мигрировать из внутренних областей частицы к поверхности, изменяя ее свойства.

Рисунок 4.6 – Физическая модель частицы сухого молока:

1 - свободный жир на поверхности частицы; 2 - то же, в поверхностном слое (жировые шарики контактируют с поверхностью); 3 - то же, в капиллярах, разломах и трещинах (жировые шарики контактируют с капиллярами, разломами и трещинами); 4 - то же, на поверхности внутренних полостей частицы; черными кружочками обозначен жир, не извлекаемый жирорастворителем в обычных условиях

Рисунок 4.7 – Электронно-микроскопиче­ская фотография частицы сухого цельного молока распылитель­ной сушки:

Ж - жировые шарики; СЖ - включения свободного жира; ВВ - включения воздуха.

Физические модели частиц сухого молока. Согласно физической модели (рисунок 4.8) одиночная частица имеет полость (1-7) и пронизана сетью трещин и капилляров, часть которых сообщается с внутренними полостями (1, 2, 5, 7).Допускается, что ввиду сравнительно высокой массовой доли молочного белка его мицеллы в частице контактируют друг с другом и ближе образуют пространственный каркас.

Рисунок 4.8 – Физические модели одиночной (а) и агломерированной (б) частиц молока цельного:

1 - кристаллы лактозы; 2 - поверхностный свободный жир; 3 - свободный жир; 4 - защищенный жир; 5 - капилляры

Определенная часть лактозы в частице может находиться в кристаллическом состоянии. При этом кристаллы лактозы могут располагаться как на поверхности, так и внутри частицы, а количественная массовая доля кристаллизованной лактозы оказывает непосредственное влияние на пористость частиц.

Включения молочного жира, имеющие форму, близкую к шарообразной, в основном равномерно распределены в частицах, располагаясь как на их поверхности, так и внутри, включая поверхность полостей и стенок капилляров. При этом, поскольку аморфная лактоза непроницаема для жидкостей и газов, для жирорастворителей доступен лишь жир, располагающийся на внешней поверхности частицы, включения жира, контактирующие с поверхностью, с капиллярами и трещинами, а также жир, находящийся на поверхности внутренних полостей, если эти полости сообщаются с поверхностью. Экстрагирование происходит не только через капилляры и трещины, но и через жировые шарики, контактирующие друг с другом.

Ввиду этого молочный жир в частицах сухого молока условно можно подразделить на три основные группы: поверхностный свободный жир, содержащий экстрагируемые жировые включения, располагающиеся на поверхности частиц и в приповерхностном слое, свободный жир, содержащий остальной экстрагируемый жир во внутренних областях частиц, защищенный жир, т. е. молочный жир, не экстрагируемый жирорастворителем при отсутствии механического воздействия на частицы сухого молока в ходе этого процесса.

Частицы связаны между собой переходным мостиком, по составу не отличающимся от состава частиц, близких по своей физико-химической структуре частицам модели.

Удельная поверхность обычного молока цельного сухого составляет 160-240 м²·кг^-1, а агломерированного 140-240 м²·кг^-1. Массовая доля свободного поверхностного жира колеблется от 0,5 до 20,0 %. Непрерывной фазой частиц является лактоза. Размеры частиц зависят от их структуры и места накопления. Частицы циклонной фракции имеют размеры в среднем 20 мкм, камерной – 50 мкм, агломерированные – от 100 до 250 мкм и более. В продуктах содержится воздух как между частицами (порозность), так и внутри них. Массовая доля его колеблется от 10 до 60 % и зависит от кратности сгущения, способа сушки. Объемная масса проду1стов зависит от способа сушки и колеблется от 300 до 690 кг·м^-3. Продукты с частицами в форме агломератов характеризуются более высокими показателями скорости растворения. Увеличивается скорость растворения и с увеличением плотности и объемной массы частиц.