В начале 2017 года ООО «СОЦИУМ-ПОСЕЛЕНИЯ» приобрело уникальную запатентованную технологию обработки молока. Первая партия продукции, выпущенной компанией по этой технологии, отправлена на сертификацию. Публикуем научное обоснование нового метода, автором которого является нижегородский изобретатель Сергей Сидоров.
Реферат. Изучено влияние различных режимов процесса биоризации на некоторые физико-химические показатели молока. Исследования проводились на роторном биоризаторе с угловой скоростью ротора 309 радиан/с, диаметр ротора составлял 0,31 метра. Зазор между рабочими поверхностями ротора и статора составлял 0,7 миллиметра.
Зона гидродинамических возмущений организовывалась на участке ротора диаметром от 0,15 до 0,3 м. При этом линейная скорость плёнки молока составляла 46,4 м/с при входе в зону обработки и 92,8 м/с на её выходе, где молоко подвергалось гидродинамическим колебаниям посредством знакопеременных импульсов давления, организуемых геометрией рабочей камеры биоризатора с определённой частотой колебаний, вследствие чего образовывались кавитационные пузырьки (полости).
Относительное перемещение поверхностей приводит к сдвиговому деформированию компонентов молока и его диссипативному разогреву за счёт межмолекулярного трения по поверхностям сдвига.
Одновременно на плёнку молока оказывается воздействие гидродинамических колебаний, приводящих к разрушению оболочек жировых шариков и микроорганизмов, которые являются в данном случае центрами кавитационных разрушений. Установлено, что температура молока повышается на 15-18 °С, вязкость повышается на 10-12 %, а титруемая кислотность – в среднем на 1,5-2,5 °Т. Наблюдается гомогенизация жировых шариков; после биоризации молока размеры его жировых шариков уменьшаются примерно до 1,0-2,5 мкм, число которых составляет 35-45 % от общего количества.
После обработки биоризатором микробиологические показатели молока существенно улучшились: бактериальная обсеменённость снизилась в среднем в 7-8 раз, а содержание соматических клеток – в 110-120.
Ключевые слова: биоризации, коллоидные системы, гомогенизация, титруемая кислотность, дисперсность жировой фазы, соматические клетки, питательные среды, микроорганизмы.
Введение. Производство молока – сырья высокого качества, соответствующего требованиям нормативных документов, – является необходимым условием безопасности и его эффективной переработки.
Полный цикл производства молока – сложный, многоступенчатый процесс. Качество молока может быть сохранено или потеряно на любом из этапов его производства.
Правильная подготовка коровы к доению и соблюдение технологии доения являются основополагающими при получении молока с высокими композиционными качествами (жир, белок, плотность, кислотность) и показателями безопасности (бактериальная обсеменённость, количество соматических клеток, патогенных микроорганизмов и др.).
Влияние механических воздействий на гетерогенные коллоидные системы (молоко и другие биологические жидкости) – одно из малоизученных направлений прикладной биологии. Установлено, что длительное механическое воздействие отрицательно влияет на белковые фракции, витаминный и ферментный состав молока; повышается активность всех ферментов, разрушаются водо- и жирорастворимые витамины, в значительной степени подвергаются изменениям оболочки жировых шариков; молочный жир контактирует с липолитическими ферментами молока, вызывая липолиз, в результате которого происходит гидролизное расщепление глицеридов с образованием свободных жирных кислот, которые ухудшают органолептические свойства жирномолочных продуктов и сокращают сроки их хранения .
В ряде работ [1-5] показано, что различные механические факторы – скорость движения жидкости, удары, внутреннее трение жидкости, гомогенизация и тому подобные – влияют на стабильность коллоидных систем молока и на ориентацию макромолекул и тем самым изменяют скорость или сущность протекания биологических и физико-химических процессов при производстве молочных продуктов.
Цель исследования – изучить влияние различных режимов процесса биоризации на некоторые физико-химические свойства (температура, вязкость, плотность, pH, титруемая кислотность, дисперсность жировой фазы) молока и показатели безопасности (бактериальная обсеменённость, количество соматических клеток).
Объекты, условия и методы исследования. Опыты проводились на экспериментальном образце биоризатора, эффективность и целесообразность которого защищены патентами РФ (№ 110236 от 20.11.2011 г., № 2841048 от 10.05.2013 г.) на базе КФХ «В. А. Дубнева». Повторность проведения опытов была пятикратной. Принцип действия биоризатора заключается в обработке молока следующими друг за другом мощными сдвиговыми ударами, при относительной скорости удара не менее 110-120 м/с и градиенте скорости сдвига продукта не менее 10000 c в 1 степени .
Определение дисперсности молочного жира осуществляли методом микроскопирования. Микросколирование проводили в проходящем свете на светлом поле – при прямом освещении с использованием зелёного светофильтра биологического микроскопа и счётной камеры Горяева. Определение числа жировых шариков и распределение их по размерам осуществляли с помощью специальной сетки (сетка Горяева), цена деления которой составляет 1 мкм. Количество шариков, подсчитанное в пяти больших квадратах, суммируют, вычисляют среднее их количество X, которое содержится в 1 мм молока, учитывая степень разведения, по формуле:
где: М – количество жировых шариков в 80 квадратиках; 100 – степень разведения; 80 – количество квадратиков, в которых проведён подсчёт количества жировых шариков; 25 х 10 в 5 степени – ёмкость квадратика, мм в 3 степени.
Для более точного определения количества жировых шариков в молоке подсчёт произвели от 3 до 5 раз, заправляя каждый раз камеру Горяева новой каплей молока той же пробы (рассчитывали среднее арифметическое значение полученных величин и построили график распределения). Измерение вязкости молока проводилось на вискозиметре по методу Гепплера. Плотность молока определяли с помощью лактоденсиметра при температуре 20 ± 1 °С.
Результаты исследования и обсуждение. Исследования показали, что в результате биоризации молоко не ухудшает своих органолептических показателей, в то же время некоторые технологические свойства улучшаются. Так, плотность молока, после его обработки повысилась на 0,0010,0015 г/см в 3 степени, по-видимому, за счёт частичного испарения влаги. Установлено, что изменение температуры при биоризации молока зависит от многих факторов: скорости вращения ротора по отношению к статору; зазора между ними; суммарной площади рабочих поверхностей; времени обработки; исходных физико-химических показателей молока и др. Температура молока от механического воздействия в процессе обработки повышается на 15-18 °С (в зависимости от интенсивности обработки).
Повышение вязкости молока после биоризации примерно на 10-12 %, вероятно, обусловлено возрастанием общей поверхности жировой фазы, увеличением адсорбции белков молока на оболочках жировых шариков.
Титруемая кислотность в сыром молоке при биоризации в среднем повышается на 1,5–2,5 °Т (в зависимости от режимов обработки). Чтобы определить дальнейшее нарастание кислотности молока в динамике, контрольные и экспериментальные пробы молока хранили в холодильнике при средней температуры 4 °С и проводили измерение через каждые 4, 8, 12, 24, 36 часов и в течение пяти суток.
Незначительное повышение титруемой кислотности на 0,8–1,2 °Т за весь период процесса хранения молока после биоризации можно объяснить незначительным воздействием активной липазы на молочный жир и выделением свободных жирных кислот, а также увеличением содержания молочной кислоты в результате жизнедеятельности микроорганизмов.
В контрольных образцах молока после 24-часового хранения, титруемая кислотность увеличилась до 42–45 °Т, а через 36 часов хранения образовался сгусток с выделением сыворотки. Механическое воздействие влияет и на концентрацию водородных ионов (pH): в молоке наблюдается понижение величины pH на 0,20–0,25 единиц сразу после обработки, а в процессе хранения молока значение pH не изменилось.
Опыты показали, что процесс биоризации молока даёт гомогенизирующий эффект жировой фазы. На рисунке 1 приведены результаты исследования дисперсности молочного жира.
Как видно из графика, при биоризации размеры жировых шариков молока уменьшаются примерно до 1,0–2,5 мкм, число которых составляет 35–45 % от общего количества содержания жировых шариков. Зависимость процентного отношения степени дисперсности жировых шариков – почти линейная функция от скорости удара и градиента скорости сдвига молока в рабочей камере биоризатора.
Исследования проводились на роторном биоризаторе с угловой скоростью ротора 309 радиан/с, диаметр ротора составлял 0,31 м. Зазор между рабочими поверхностями ротора и статора составлял 0,7 мм.
Рис. 1. Дифференциальные кривые распределения жировых шариков по размерам:
– молоко необработанное (контрольное);
– молоко, подвергнутое механическим воздействиям на установке «Биоризатор».
Зона гидродинамических возмущений организовывалась на участке ротора диаметром от 0,15 до 0,3 м. При этом линейная скорость плёнки молока составляла 46,4 м/с при входе в зону обработки и 92,8 м/с на её выходе, где молоко подвергалось гидродинамическим колебаниям посредством знакопеременных импульсов давления, организуемых геометрией рабочей камеры биоризатора с определённой частотой колебаний, вследствие чего образовывались кавитационные пузырьки (полости). За счёт расширения кавитационных пузырьков изменялась вязкость обрабатываемого молока. Чтобы выявить во сколько раз снижается вязкость при увеличении скорости сдвига за счёт расширения кавитационного пузырька, можно провести следующую оценку. Поле радиальной скорости движения среды вокруг пузырька определяется согласно следующему выражению:
где: R – мгновенный радиус кавитационного пузырька, м, r – расстояние от центра кавитационного пузырька, м, v – радиальная скорость движения жидкости, м/с.
Тогда градиент скорости составляет:
Таким образом, градиент скорости вблизи стенок кавитационного пузырька составляет (4):
где: f – частота колебаний, с в 1 степени; Т – период колебаний, с.
При таком градиенте скорости вязкость среды вблизи стенок пузырька снижается до 100 кратно и более, тем оказывая значительное влияние на изменение импульса жидкости вблизи пузырька. Вследствие этого при обработке молока при указанном режиме часть микробных клеток получает механические повреждения, снижающие их жизнеспособность.
Свидетельством этого служат результаты исследований, приведённые ниже.
При опытно-промышленных испытаниях биоризатора на базе молочных ферм в качестве исходного сырья было выбрано сборное молоко – сырьё с высокой степенью бактериальной обсеменённое™ – КМАФАнМ, со средним значением (22-25) х х 10 в 6 степени КОЕ/см в 3 степени и средним содержанием соматических клеток (3,6-3,9) х 10 в 6 степени КОЕ/см в 3 степени, не соответствующих требованиям ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции» .
После обработки биоризатором микробиологические показатели молока существенно улучшились: бактериальная обсеменённость снизилась в среднем до (2,5-3,5)х106 КОЕ/см в 3 степени, а содержание соматических клеток в среднем до (6,8-8,5)х10 в 4 степени КОЕ/см в 3 степени. При этом необходимо отметить, что молоко приобрело приятный сладковатый сливочный вкус.
Известно, что на питательных средах, используемых для учёта жизнеспособных клеток микроорганизмов, не все клетки дают рост. Повреждённые клетки могут не образовывать колоний на обычных питательных средах и образовывать их в средах, обогащённых факторами роста. Мы использовали этот эффект для определения микробных клеток с пониженной жизнеспособностью в сборном молоке до и после его механообработки.
Для определения микроорганизмов с пониженной жизнеспособностью был использован агар с гидролизованным молоком, обогащённый дрожжевым автолизатом (в количестве 4%). Результаты учёта микроорганизмов, образующих колонии на агаре с гидролизованным молоком (АГМ) и на агаре с гидролизованным молоком и дрожжевым автолизатом (АГМ+ДА) приведены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние обработки молока на установке «Биоризатор»на жизнеспособность его микрофлоры
|
Питательные среды,
|
Логарифм числа КОЕ в 1 мл сырого молока |
|
| Не обработанного |
Обработанного на установке «Биоризатор» |
|
| АГМ | 5,4 + 0,12 | 5,8 + 0,05 |
| АГМ+ДА | 5,6 + 0,09 | 10,4 + 0,03 |
Из полученных данных следует, что в исходном молоке микроорганизмы с пониженной жизнеспособностью составляли 3,7 % от общего количества жизнеспособных клеток, в молоке, обработанном в биоризаторе, их доля возросла почти в 1,8 раза.
Резюмируя результаты микробиологических исследований, можно предположить, что:
• реакция микроорганизмов, составляющих микрофлору сырого молока, проявляется в основном в разрушении их агрегатов;
• эффект механического воздействия обусловлен режимами обработки, а также, по-видимому, размерами бактериальных клеток, степенью их агрегации, физиологическим состоянием;
• в наиболее выраженном виде механическое воздействие на бактериальные клетки проявляется при увеличении частоты вращения ротора и уменьшении зазора между рабочими органами ротора и статора.
Выводы. Таким образом, процесс биоризации основан на сочетании явления диссипативного разогрева и гидродинамической кавитации при сдвиговом деформировании плёнки продукта (молока), пропускаемой в зазоре между относительно подвижными поверхностями.
Относительное перемещение поверхностей приводит к сдвиговому деформированию компонентов молока и его диссипативному разогреву за счёт межмолекулярного трения по поверхностям сдвига. Одновременно на плёнку молока оказывается воздействие гидродинамических колебаний, приводящих к разрушению оболочек жировых шариков и микроорганизмов, которые являются в данном случае центрами кавитационных разрушений.
Процесс идёт практически без повышения температуры обрабатываемого молока. Гидродинамическое воздействие в сочетании с воздействием диссипативного разогрева обладает синергизмом в процессе биоризации, что обеспечивает эффект значительного снижения общего количества микроорганизмов и соматических клеток.
***
Литература:
1. Р. В. Гиноян, Влияние различных режимов механической обработки молока на степень дисперсности жира / Р. В. Гиноян, В. П. Головков, В. А. Самодуров, О. С. Бурдина, Н. В. Васильева // Тезисы научно-технической конференции. В сборнике Проблемы и пути рационального использования сырья в маслодельной и сыродельной промышленности, – Каунас, 1986. – С. 12-13.
2. Р. В. Гиноян, Рациональное использование составных компонентов молока путём механоимпульсной обработки / Р. В. Гиноян, В. Л. Головков, В. А. Н. М. Кушаков, Е. М. Жарова, Н. В. Васильева // Тезисы научно-технической конференции. В сборнике Проблемы и пути рационального использования сырья в маслодельной и сыродельной промышленности. – Каунас, 1986. – С. 10-11.
3. В. В. Вайткус, Гомогенизация молока. – М.: Издательство Пищевая промышленность, 1967, – 215 с.
4. И. А. Рогов, Пастеризация молока и сыворотки в суперкавитирующем аппарате роторно-пульсационного типа / И. А. Рогов, С. Д. Шестаков // Молочная промышленность. – 1999. – № 8, С. 32-33.
5. С. Д. Шестаков, Кавитационный реактор как средство приготовления и стабилизации эмульсий // Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. – 2003. – № 3, С. 27-30.
6. Т. М. Чистякова, Технология производства высококачественного молока в хозяйствах // Молочное дело. – 2007. – № 3, С. 18-20.
7. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции» {ТР ТС 033/2013). Принят Решением Совета ЕЭК от 09 октября 2013 г. № 67.
Авторы: С. М. Сидоров, инженер-изобретатель, Р. В. Гиноян, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Опубликовано в научно-практическом журнале
«Вестник Нижегородской сельскохозяйственной академии»