Стерилизация молока. 2
Введение |
5 | |
1 |
Характеристика процесса стерилизации молока |
6 |
1.1 |
Стерилизованное молоко |
6 |
1.2 |
Достижение стерильности на практике |
8 |
1.3 |
Действие тепловой стерилизации на питательную ценность молока |
9 |
1.4 |
Стерилизация при высокотемпературном режиме |
10 |
1.5 |
Способы стерилизации |
12 |
1.6 |
Ультразвуковая стерилизация |
16 |
2 |
Оборудование для стерилизации и их назначение |
19 |
2.1 |
Аппараты для стерилизации молока в таре |
19 |
2.2 |
Аппараты для стерилизации молока в потоке |
25 |
3 |
Производственные расчеты |
29 |
3.1 |
Расчет стерилизатора П8-ОСО-5 |
29 |
3.2 |
Расчет стерилизатора СОУ-10 |
30 |
3.3 |
Расчет стерилизатора ПМР-02-ВТ |
30 |
Заключение |
31 | |
Список использованной литературы |
32 | |
Приложение А Сравнительные диаграммы |
33 | |
Приложение Б Пневмогидростатический стерилизатор |
34 |
Молочная промышленность – одна из важнейших среди пищевых отраслей народного хозяйства. Сырьем в молочной промышленности являются цельное молоко и его отдельные компоненты, в частности, жир, белок, казеин, лактоза. Молоко и молочные продукты в питании населения нашей страны имеют исключительно большое медико-биологическое значение, являются важным фактором здоровья нации. Поэтому проблемы, связанные с производством и потреблением молочных продуктов, в перспективе не теряют актуальности.
Усвояемость молока и молочных продуктов колеблется от 95 до 98 %. Молоко также способствует усвоению других пищевых продуктов. Особенно большое значение для организма имеют кисломолочные продукты, обладающие высокой диетической и лечебной ценностью. Кисломолочные продукты широко применяют для профилактики и лечения многих заболеваний, особенно желудочно-кишечного тракта.
При переработке молока образуется так называемое вторичное молочное сырье – обезжиренное молоко, пахта, сыворотка. Их нельзя считать отходами производства, так как они содержат полноценные белки, молочный жир, сахар, витамины, минеральные соли, молочную кислоту и могут быть использованы для выработки продуктов питания для человека.
Тепловую обработку (пастеризацию и стерилизацию) молока применяют для предохранения молочных продуктов от порчи и повышения стойкости при хранении. Вместе с тем, в процессе тепловой обработки изменяются основные компоненты молока, а также вязкость, кислотность, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал, вкус, запах, цвет молока, его способность к отстою сливок, сычужному свертыванию [1].
Целью курсовой работы является изучение технологии, способов стерилизации молока, а также изучение конструкции установок для стерилизации, принцип действия и производственный расчет.
1 Характеристика процесса стерилизации молока
В компонентном составе цельного молока содержатся различные микроорганизмы, в том числе и болезнетворные (патогенные). Для уничтожения микроорганизмов молоко подвергается тепловой обработке.
В молочной промышленности применяют два вида тепловой обработки: пастеризацию (нагревание молока до температуры ниже 100 оС) и стерилизацию (нагревание молока до температуры выше 100 оС).
Стерилизация – это тепловая обработка продукта, при которой все микроорганизмы и их споры полностью уничтожаются. Молоко стерилизуют для увеличения термостойкости при длительном хранении и дальних перевозках. К положительным свойствам стерилизованного молока относится значительная стойкость при повышенной температуре хранения [2].
В процессе стерилизации изменяются характерные свойства молока. При длительной тепловой обработке в банках или бутылках может вытапливаться или отстаиваться молочный жир. При кратковременной тепловой обработке в потоке иногда наблюдается уменьшение размеров жировых шариков, при этом степень дробления их увеличивается с повышением температуры.
Стерилизация, наряду с определенными изменениями белков, жиров и углеводов вызывает разрушение витаминов. При этом на содержание витаминов в стерилизованном молоке влияет не только способ обработки, но и витаминная активность исходного молока, которая зависит от времени года, кормов, породы скота и периода лактации.
В результате стерилизации молоко теряет способность к свертыванию сычужным ферментом. Питательная ценность стерилизованного молока, по сравнению с нестерилизованным, существенно не изменяется. Кроме того, стерилизованное молоко в бактериологическом отношении лучше пастеризованного молока.
На уничтожение спорообразующей микрофлоры влияет не только температура стерилизации, но и продолжительность выдержки.
Молоко можно стерилизовать при 150 °С с выдержкой 1 с, при 140 °С – 10 с, при 135 °С – 30 с, при 130 °С – 60 с, при 120 °С – около 15 мин, при 115 °С – 20 - 30 мин, при 110 °С – 35 - 40 мин [3].
1.1 Стерилизованное молоко
При многочисленных исследованиях понятие «стерилизованное молоко» формулировали по-разному, как правило, не совсем точно. Для более точного и полного определения его рассматривали с трех точек зрения: способности достаточно долго сохранять свои качества после стерилизации, отсутствия любых микроорганизмов, способных размножаться после стерилизации, и отсутствия микроорганизмов, вредных для здоровья человека (патогенных и токсиногенных зародышей), а также токсинов.
В результате стерилизации значительно увеличивается срок хранения молока, но:
- в стерилизованном молоке со временем происходят физико-химические изменения. Несмотря на то, что молоко гомогенизируют, в результате чего значительно уменьшается отстой жировых частиц, при хранении наблюдается дестабилизация жировой эмульсии под действием окружающей температуры, то есть образуются сливки при снижающейся вязкости продукта;
- если из молока перед стерилизацией не удалили воздух, то возможно окисление жира, что иногда приводит к появлению горького вкуса; в стеклянных бутылках это явление прогрессирует под действием света;
- под действием силы тяжести при длительном хранении нарушается стабильность коллоидной фазы молока и образуется осадок фосфорно-кальциевого казеината.
В стерилизованном молоке хорошего качества перечисленные изменения протекают очень медленно и только через определенный период времени продукт непригоден к употреблению. С практической точки зрения они не препятствуют выработке стерилизованного молока, однако служат критерием, характеризующим продолжительность его хранения.
Для получения стерильного продукта необходимо уничтожать микроорганизмы, которые могут вызвать порчу молока. Стерильный продукт характеризуется полным отсутствием жизнедеятельных микроорганизмов, однако их наличие не всегда приводит к порче, что объясняется двумя причинами.
Порчу продукта могут вызвать бактерии, присутствующие в достаточном количестве. Жизнедеятельный, но не способный к размножению зародыш, находящийся в большом объеме среды, из-за индивидуального метаболизма не вызывает ее порчи. Чтобы в молоке накопилось достаточное количество микроорганизмов, они должны быть способны к размножению. Определенные зародыши в молоке не могут размножаться в результате действия внутренних факторов, связанных с микроклеткой, и внешних, связанных с химическим или биологическим строением среды. Возможное размножение зародышей не всегда вызывает порчу продукта – даже после инкубации размножение зародышей, переживших тепловой процесс, не всегда вызывает физико-химические изменения в молоке.
На основании изложенного можно считать, что стерилизованное молоко должно быть свободно от микроорганизмов, размножающихся путем новообразований, и от зародышей, вызывающих порчу. Следовательно, стерилизованное молоко, предназначенное для реализации, не обязательно должно быть абсолютно стерильным.
Добиться полного уничтожения всех микроорганизмов и осуществить контроль стерильности молока можно при высокой технике стерилизации и контроля. Но если применить самые лучшие методы контроля для обнаружения жизнедеятельного микроорганизма, правильный результат получится только для исследуемого образца, а не для всего стерилизованного молока.
Следовательно, определение стерилизованного молока, основанное на абсолютной стерильности, нельзя рекомендовать для практических целей. На практике следует учитывать не отсутствие микроорганизмов вообще, а микроорганизмов, способных к размножению. Некоторые микроорганизмы, находящиеся в стерилизованном молоке, даже не размножаясь и не вызывая его порчи, могут нанести серьезный вред человеку. К ним относятся споры патогенных микроорганизмов, токсиногенные зародыши и термостойкие токсины.
Исходя из изложенных точек зрения, стерилизованное молоко должно:
- достаточно долго храниться после стерилизации без порчи, чтобы удовлетворять требованиям потребителя;
- не содержать вредных для здоровья человека микроорганизмов (патогенные и токсиногенные зародыши) и токсинов;
- не содержать микроорганизмов, способных размножаться после стерилизации, то есть должен отсутствовать бактериальный рост, вызывающий порчу [4].
1.2 Достижение стерильности на практике
В чистых культурах молочнокислых бактерий, а также в их симбиозах встречаются спорообразуюшие виды различной термостойкости. На приобретаемую термостойкость влияют внешние факторы: агглютинация, селективная абсорбция некоторых элементов среды на самих организмах, изменение строения среды и др. Следовательно, в комплексной бактериологической среде, такой как молоко, находятся клетки с различной термостойкостью.
Термостойких клеток в молоке в обычных условиях немного, поэтому вероятность обнаружения зародышей с исключительной термостойкостью повышается с увеличением количества организмов, загрязняющих среду. Чтобы достигнуть стерильности, продукт подвергают термической обработке (при определенной комбинации температуры и продолжительности нагрева), при которой разрушаются наиболее стойкие организмы. Чем больше организмов содержится в среде, тем более строгими должны быть условия обработки, поэтому стерилизация очень загрязненной среды вызывает большие трудности.
В среде могут оказаться клетки с ультравысокой термостойкостью, количество которых зависит от загрязненности среды. Для надежной стерилизации десятков тонн молока, которое является мутной и почти нейтральной средой, требуются высокотемпературные тепловые режимы. Однако при таких режимах изменяются органолептические свойства молока (и большинства пищевых продуктов), поэтому практически невозможно достигнуть стерильности молока по причинам, не относящимся к бактериологии. Следовательно, невозможно стерилизовать большие объемы молока до действительной стерильности без изменения его свойств.
Например, при стерилизации 50 м3 молока для уничтожения самых устойчивых спор весь объем необходимо подвергнуть очень жесткой тепловой обработке. Если 50 м3 разделить на 50000 емкостей по 1 л, то термостойкие споры будут находиться не во всех емкостях, а только в некоторых. Следовательно, допускаются менее жесткие условия тепловой обработки с сохранением органолептических свойств продукта. В результате может получиться, что емкости, в которых находились наиболее термостойкие споры, не разрушившиеся при выбранных условиях, содержат нестерильный продукт, а емкости, в которых не было этих спор или имелись менее стойкие формы, – стерильный.
Следовательно, в емкостях, где микроорганизмы разрушились при менее жестком режиме стерилизации, была достигнута абсолютная стерильность. На практике необходимо снизить до определенного процентного соотношения количество емкостей этих видов. Процентное соотношение количества емкостей, содержащих стерильный и нестерильный продукт, зависит:
- от присутствия в сырье спор с высокой термостойкостью (чем меньше таких спор, тем меньше получается емкостей с нестерилизованным продуктом);
- от жесткости режимов обработки (комбинация температуры и времени), при которых сохраняются органолептические свойства продукта (при более жестком режиме большее количество термостойких спор может быть уничтожено и получается больше емкостей со стерилизованным продуктом).
Стерильность, полученная распределением молока в емкостях, – это результат статистической (количественной) вероятности. Она отвечает приведенной формулировке стерилизованного молока. Емкости могут содержать микроорганизмы, способные развиваться в молоке (продукт не соответствует определению стерилизованного молока), и микроорганизмы, не развивающиеся в молоке (продукт соответствует определению стерилизованного молока).
На практике хорошие результаты по тепловой обработке молока можно получить двумя методами:
- предупредительный – для стерилизации следует выбирать молоко с минимальным первоначальным обсеменением и, следовательно, с малым содержанием термостойких бактерий; большое внимание уделяют чистоте оборудования, тары;
- действительный – применение возможно жестких режимов стерилизации, не вызывающих изменения органолептических свойств молока.
1.3 Действие тепловой стерилизации на питательную ценность молока
При нагревании пищевых продуктов частично разрушаются их питательные компоненты, меняется их химическая структура и возможна потеря определенного физиологического действия. Тепловая стабильность различных составляющих (аминокислот, углеводов, жирных кислот, солей, витаминов) различна. Степень их разрушения зависит не только от продолжительности и температуры тепловой обработки, но и от рН, присутствия кислорода, катализаторов и т. д.
При стерилизации молока, которое содержит питательные вещества, потери некоторых из них неизбежны:
- содержание витаминов А, D, В2, В3, РР, Н и каротина не изменяется или незначительно уменьшается при стерилизации;
- часть витаминов B1, В6, В12 и С, полиненасыщенных жирных кислот, лизина и цистина разрушаются во время стерилизации.
Рост детей несколько замедлен при кормлении стерилизованным молоком (по сравнению с пастеризованным), однако разница настолько мала, что это молоко можно применять для питания детей (необходимо дополнительно давать витамин С). Для питания взрослых стерилизованное молоко вполне пригодно, потому что оно содержит все необходимые белки и минеральные соли [4].
1.4 Стерилизация при высокотемпературном режиме
При нагреве в молоке не только уничтожаются микроорганизмы, но и изменяется его цвет и вкус, биологическая ценность некоторых белков и разрушаются витамины. Степень этих изменений зависит от температуры стерилизации. Скорость уничтожения микроорганизмов при повышении температуры увеличивается быстрее скорости нежелательных химических изменений. Следовательно, если молоко нагревается до высокой температуры за более короткое время, то химические изменения будут меньше при той же степени уничтожения микроорганизмов. Отношение бактерицидного эффекта к одному из химических изменений (побурение молока) изменяется незначительно в пределах температур, применяемых для стерилизации молока в бутылках. При температурах свыше 130 oС это отношение увеличивается значительно (рисунок 1), что и используют при высокотемпературных режимах. Стерилизованное при таких режимах молоко содержит меньше бактерий. Изменения цвета и вкуса – незначительные. Чем выше температура стерилизации, тем лучше протекает процесс, но максимальная температура ограничивается практическими соображениями.
При температуре 150 oС споры бактерий разрушаются за 1 секунду. Высокие температуры при короткой выдержке могут быть получены только в поточных схемах. Молоко нагревают, смешивая его с паром (пароконтактные установки) или непосредственно через стенку из нержавеющей стали паром высокого давления в стерилизационных автоматизированных установках.
В пароконтактных системах молоко до температуры стерилизации нагревается при смешении с паром, который конденсируется и отдает скрытую теплоту. Излишки влаги из молока удаляют выпариванием в вакуум-камере. В это время оно охлаждается. Если вакуум в охлаждающей камере эквивалентен температуре молока перед смешением его с паром, то вся добавленная в виде конденсата вода будет удалена при охлаждении. Детальный анализ показывает, что температура молока после вакуумного охлаждения должна быть выше, чем перед паровым нагревом. Молоко после охлаждения будет иметь концентрацию сухих веществ, равную концентрации сухих веществ в исходном молоке. Высокие требования к качеству пара, контроль и регулирование содержания сухих веществ играют большую роль при выработке стерилизованного питьевого молока.
Рисунок 1 – Зависимость отношения бактериального эффекта к эффекту побурения от температуры нагрева
В стерилизаторах с поверхностным нагревом молоко нагревается через стенку из нержавеющей стали. Стенка может представлять собой волнистую пластину (пластинчатый нагреватель), с одной стороны которой проходит молоко, а с другой – греющий пар (в конечной стадии нагрева), трубу в паровой камере или теплообменник. Молоко нагревается до конечной температуры 130 - 140 oС. Чтобы предотвратить кипение молока, создается обратное давление приблизительно на 1 атм выше давления, соответствующего максимальной температуре, при которой стерилизуется молоко. Пластинчатые нагреватели дороже, чем трубчатые и имеют низкие эксплуатационные характеристики.
1.5 Способы стерилизации
Стерилизация молока проводится в целях получения безопасного в санитарно-гигиеническом отношении продукта и обеспечении его длительного хранения при температуре окружающей среды без изменения качества. Существует множество способов стерилизации молока (химический, механический, радиоактивный, электрический, тепловой).
Например, стерилизация молока посредством радиационной обработки полностью исключает энергозатраты, поскольку стерилизация на гамма-установке происходит за счет радиоактивного распада источников излучения. Кроме того, молоко не подвергается нагреву, что исключает изменение вкусовых качеств и основных физико-механических свойств, отпадает необходимость охлаждения.
Тем не менее, наиболее надежным, экономически выгодным и нашедшим широкое применение в промышленности является тепловой способ.
В молочной промышленности молочное сырье стерилизуют по трем принципиальным схемам:
- одноступенчатая в упаковке – после розлива молока в упаковку и ее герметичной укупорки при температуре 115 - 120 °С с выдержкой 15 - 30 мин;
- двухступенчатая – предварительная стерилизация молочного сырья в потоке при температуре 130 - 150 °С в течение нескольких секунд, а затем вторичная стерилизация после розлива молока или молочных продуктов в упаковку и ее герметичной укупорки при температуре 115 - 120 оС в течение 15 - 20 мин;
- одноступенчатая с асептическим розливом – косвенная или прямая стерилизация молочного сырья при температуре 135 - 150 оС в течение нескольких секунд с последующим фасованием в асептических условиях в стерильную тару.
В зависимости от особенностей производства и фасования готового продукта молочное сырье стерилизуют периодическим и непрерывным способами.
Стерилизацию периодическим способом проводят, помещая продукт в упаковке (стеклянных или пластмассовых бутылках) в автоклав и создавая в нем разрежение 0,08 МПа, что соответствует температуре 121 оС. При этой температуре продукт выдерживается 15 - 30 мин. Затем температуру снижают до 20 оС. На стерилизацию молоко поступает нормализованным, гомогенизированным, прошедшим предварительный нагрев.
Стерилизация непрерывным способом в упаковке осуществляется в гидростатических башенных стерилизаторах. Фасованный в бутылки продукт подастся в первую башню стерилизатора, где нагревается до (86 ± 1) оС. Во второй башне продукт в бутылках нагревается до температуры 115 - 125 оС и выдерживается в зависимости от объема бутылки 20 - 30 мин. В третьей башне стерилизатора бутылки охлаждаются до температуры (65 ± 5) оС, в четвертой – до (40 ± 5) оС. Дальнейшее охлаждение идет в камере хранения продукта. Весь цикл обработки в башенном стерилизаторе составляет приблизительно 1 ч. Такое молоко хранится при температуре 1 - 20 оС не более двух месяцев со времени выработки [2].
В молочной промышленности стерилизация молока и молочных продуктов осуществляется в таре и в потоке:
1) Стерилизация в таре.
Стерилизация молочного продукта в таре может осуществляться одноступенчатым способом (после розлива в тару и ее герметичной укупорки при 110 - 120 °С с выдержкой 15 - 30 мин) и двухступенчатым (первоначально в потоке – сначала до розлива в тару при 130 - 150 оС в течение нескольких секунд, затем вторично после розлива продукта в тару и ее герметичной укупорки при 110 - 118 оС в течение 10 - 20 мин).
Готовый продукт можно хранить и употреблять в течение года. Для упаковывания продукта обычно используют стеклянные бутылки или жестяные банки.
При стерилизации молочного продукта в таре изменяется вкус и снижается его питательная ценность вследствие того, что при довольно длительном тепловом воздействии разрушаются компоненты продукта, определяющие его вкусовые и питательные свойства [5].
2) Стерилизация в потоке.
Наиболее прогрессивной является стерилизация продукта в потоке при ультравысокотемпературном режиме (135 - 150 оС с выдержкой несколько секунд) с последующим фасованием его в асептических условиях в стерильную тару.
Ультравысокотемпературная (УВТ) обработка позволяет увеличить продолжительность хранения продуктов до шести месяцев. При фасовании молочных продуктов в асептических условиях применяют пакет из комбинированного материала, пластмассовые бутылки, пакеты из полимерного материала, а также металлические банки и стеклянные бутылки.
Молоко, стерилизованное в потоке при ультравысокотемпературных режимах с кратковременной выдержкой, по своим качественным показателям приближается к пастеризованному молоку.
В процессе стерилизации в потоке продукт нагревается до температуры стерилизации, выдерживается при этой температуре в течение требуемого времени, охлаждается до температуры фасования в асептических условиях.
Соотношение температуры и времени обработки определяется требуемой эффективностью стерилизации и имеет большее значение для качества продукта. Верхним температурным пределом стерилизации молока в потоке является 150 оС, так как даже кратковременная выдержка при этой температуре может привести к нежелательным изменениям качества продукта. В то же время трудно осуществить технически очень быстрый нагрев до этой температуры и последующее быстрое охлаждение. Нижним температурным пределом является температура 135 оС, так как при температуре менее 135 оС эффективность стерилизации недостаточна при кратковременной выдержке. Увеличение продолжительности выдержки также нежелательно во избежание ухудшения качества продукта. Таким образом, стерилизация молока в потоке является наиболее эффективным способом тепловой обработки молока.
Стерилизация молока в потоке осуществляется путем нагрева его в аппаратах поверхностного типа (пластинчатых и трубчатых), а также пароконтактных инжекционного («пар в молоко») и инфузионного («молоко в пар») типов с последующим розливом молока в асептических условиях в стерильную тару (пакеты из полимерного материала).
При стерилизации в потоке молоко очищается, охлаждается и нормализуется по массовой доле жира. Затем молоко пастеризуют при температуре 76 ± 2 °С с выдержкой 20 с и охлаждают до 6 ± 2 оС. При использовании сухого молока его восстанавливают в соответствии с действующей технологической инструкцией. Для улучшения качества продукта, вырабатываемого на восстановленном молоке, рекомендуется приготавливать его из смеси с цельным молоком в соотношении, зависящем от показателей сухого молока.
Перед стерилизацией молока проверяют его термоустойчивость. Молоко термоустойчивостью по алкогольной пробе не ниже III группы направляют на стерилизацию. В молоко термоустойчивостью ниже III группы добавляют соли-стабилизаторы в количестве до 0,05 % в виде водного раствора. После внесения солей-стабилизаторов молоко перемешивают не менее 15 мин и проверяют термоустойчивость. Раствор солей-стабилизаторов вносят непосредственно перед направлением молока на стерилизацию. Не рекомендуется хранить молоко с добавками солей-стабилизаторов.
Подготовленное для стерилизации молоко предварительно нагревают до 83 ± 2 оС и направляют в деаэратор для удаления из молока не свойственных запахов и привкуса. Из деаэратора молоко температурой 75 ± 2 оС подается в гомогенизатор, в котором гомогенизируется при давлении 22,5 ± 2,5 МПа. Гомогенизированное молоко направляют на стерилизацию. После стерилизации молоко охлаждают до 20 оС и направляют на розлив.
Пищевая ценность молока после стерилизации в потоке (кратковременной) выше, чем после стерилизации в таре (длительной).
При соблюдении режимов стерилизации молоко после обработки имеет привкус кипячения и ореховый оттенок вкуса, обусловленный образованием сульфгидрильных групп, которые являются антиокислителями и препятствуют окислению и прогорканию молочного жира. Цвет молока белый или слегка кремовый. По консистенции стерилизованное молоко представляет собой однородную жидкость без наличия хлопьев белка. Допускается незначительный отстой сливок, который растворяется при встряхивании [5].
Ультравысокотемпературная стерилизация молока осуществляется путем косвенного нагрева в установках поверхностного типа или путем прямого нагрева в пароконтактных установках.
1) Косвенный нагрев молока.