Текст
                    УДК 664 (075.3)
Т38 ББК 36.81
Автор ы: Л. П. Ковальская, И. С. Шуб, Г. М. Мелькина, Н. В. Шебершнева, В. С. Шакина, А. И. Нечаев, В. Г. Щербаков, В. И. Горбатюк, В. Ф. Суходол, А. М. Куц.
Редактор Н. В. Куркина
Рецензенты: кафедра технологии хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств МГЗИПП (д-р техн, наук Т. Б. Цыганова}, д-р техн, наук О. Б. Це-ревитинов (НИИПХ проект)
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Технология пищевых производств / Л. П. Ковальская,
Т38 И. С. Шуб, Г. М. Мелькина и др.; Под ред. Л. П. Ковальской. — М.: Колос, 1999. — 752 с.: ил. — (Учебники и учеб, пособия для студентов высших учебных заведений).
ISBN 5—10—003283—9.
Показана роль отдельных пищевых веществ в жизнедеятельности организма, приведены научные основы технологических и биотехнологических процессов. Особое внимание обращено на новые и перспективные технологии всех отраслей пищевой промышленности, способы сокращения производственных потерь, рациональное использование вторичных материальных ресурсов, комплексную переработку сырья.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Экономика и управление на предприятиях пищевой промышленности».
УДК 664 (075.3)
ББК 36.81
Учебное издание
Ковальская Людмила Павловна, Шуб Ирина Соломоновна, Мелькина Галина Михайловна, Шебершнева Нелли Николаевна, Шикина Валентина Сергеевна, Нечаев Алексей Петрович, Щербаков Владимир Григорьевич, Горбатюк Виктор Иванович, Суходол Виктория Фоминична, Куц Анатолий Михайлович
ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Учебник для вузов
Художественный редактор В. А. Чуракова.
Технический редактор В. А. Маланичсва. Корректор В. И. Хомутова
Лицензия № 010159 от 06.03.97 г.
Сдано в набор 26.06.97. Подписано в печать 09.06.99. Формат 60x88/16.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура Литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 46,06. Усл. кр.-отг.
46.06. Уч.-изд. л. 50,05. Изд. № 016. Тираж 2000 экз. (доп.).
Заказ 688., «С» № 123
Государст венное предприятие
ордена Трудового Красного Знамени издательство «Колос», 107807, ГСП-6, Москва, Б-78, ул. Садовая-Спасская, 18.
Типография ОАО «Внсшторгиздат», 127576, Москва, ул. Илимская, 7.
fSBN 5—10—003283—9
© Коллектив авторов, 1997
© Коллектив авторов, 1999
ПРЕДИСЛОВИЕ
Слово «технология» объединяет два понятия: «techne» — искусство, ремесло, техника и «logos» — учение, наука. Таким образом, слово «технология» означает учение или наука о способах и средствах переработки материала.
Современная пищевая технология базируется практически на всех фундаментальных науках. Сложные процессы, происходящие при переработке сырья в продукты питания, основаны на законах физики, теплофизики, химии, биохимии, микробиологии, механики и др. По-настоящему грамотным может быть только технолог, владеющий знаниями в этих областях науки. Технология находится в неразрывной связи с экономикой производства каждого вида продукта. Уместно вспомнить слова Д. И. Менделеева применительно к выплавке железа: «Дело химии изучать получение железа из его руды, а дело технологии изучать выгоднейшие для этого способы, выбирать из возможностей наиболее применяемую по выгодности к данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах». Таким образом, подчеркивается связь технологии с экономикой. ; Это целиком относится и к пищевым производствам. В данном случае выдвигаются требования к высокому каче- , ству продукта. Можно сказать, что пищевая технология — это отрасль знания прикладного характера, занимающаяся изучением способов производства продуктов. Современная пищевая промышленность насчитывает несколько десятков отраслей, работающих по оригинальным схемам и на специфическом оборудовании. Цель настоящего учебника — познакомить студентов с основными отраслями пищевых производств, связанных с переработкой растительного сырья.
Весь материал разбит на 5 разделов. В первом разделе рассмотрены пищевые продукты как источники энергии, участвующие во всех процессах обмена веществ и служащие пластическим материалом для построения тканей человека.
В этом же разделе говорится об основных компонентах сырья, их роли в различных технологических процессах, освещены вопросы стандартизации и качества продуктов.
3
Во втором разделе рассмотрены научно-теоретические основы технологических процессов в пищевой промышленности. В нем описаны физико-механические, тепловые, массообменные, химические, биохимические и микробиологические процессы, ответственные за различного рода превращения в сырье при его переработке и, следовательно, определяющие свойства и качество готового продукта.
В третьем разделе рассмотрено основное и дополнительное сырье пищевой промышленности, а также требования, предъявляемые к нему, условия хранения и транспортирования.
В четвертом разделе изложены научно-теоретические основы технологии производства различных пищевых продуктов (сахара, хлеба, кондитерских и макаронных изделий, продуктов масло-жирового производства, солода и солодовых экстрактов, пива, кваса, спирта, безалкогольных напитков и минеральных вод, хлебопекарных дрожжей, ликеро-водочных изделий, виноградных вин, чая, консервов и пищевых кислот).
Последний, пятый раздел, посвящен промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности — одному из актуальных вопросов в настоящее время.
Раздел I
ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Глава 1 ПОТРЕБНОСТЬ ОРГАНИЗМА В ЭНЕРГИИ
Питание — это процесс усвоения организмом питательных веществ, необходимых для поддержания жизни, здоровья и работоспособности человека. Все нужные для этого вещества организм человека получает с пищей.
Пищевые продукты снабжают организм материалом для построения его тканей и постоянного обновления их; энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы; веществами, играющими важную роль в регулировании обмена веществ.
Ткани тела человека массой около 70 кг состоят из 40...45 кг воды, 16... 17 —белка, 7... 10 —жира, 2,5...3,0 —минеральных солей и 0,5...0,8 кг углеводов. Для жизнедеятельности нашего организма требуется постоянное поступление всех вышеперечисленных веществ, в том числе биологически активных соединений — витаминов, ферментов и т. д.
Питание представляет собой сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и ассимиляции органических веществ, участвующих в покрытии энергетических затрат, построения и возобновления клеток и тканей тела, регуляции функций организма.
Питание должно быть организовано таким образом, чтобы оно обеспечивало гармоническое развитие и слаженную деятельность организма. Для этого пищевой рацион должен быть по количеству и качеству сбалансирован с потребностями человека соответственно его полу, профессии и возрасту.
Рациональное питание — это соблюдение трех основных принципов: равновесие между поступающей с пищей энергией и энергией, расходуемой человеком в процессе жизнедеятельности, т. е. баланс энергии; удовлетворение потребностей организма в определенном количестве и соотношений пищевых веществ; соблюдение режима питания.
Физиологические потребности организма зависят от множества условий. Большинство их постоянно меняется, так что точно сбалансировать питание на каждый момент жизни невозможно.
5
Но организм обладает специальными регуляторными механизмами, позволяющими использовать из принятой пищи и усваивать необходимые питательные вещества в таком количестве, которое ему требуется в данный момент.
Однако регуляторные способности организма имеют определенные пределы, особенно в детском и пожилом возрасте. Кроме того, многие пищевые вещества (некоторые витамины, незаменимые аминокислоты и др.) человеческий организм не в состоянии образовать в процессе обмена веществ, поэтому недостаток этих веществ должен быть восполнен за счет питания. В противном случае могут возникнуть болезни, связанные с неполноценным питанием.
Питательные вещества в организме человека подвергаются сложным изменениям. Под действием пищеварительных ферментов они разлагаются, поступают в лимфу и кровь, т. е. в организме человека происходит образование сложных веществ из более простых. Этот процесс называется ассимиляцией или анаболизмом.
Одновременно с созданием клеток и тканей в организме постоянно происходит частичное их разрушение. Процесс распада веществ, входящих в состав клеток и тканей, называется диссимиляцией или метаболизмом и происходит с выделением энергии, затрачиваемой на все виды работы органов. Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи. В совокупности эти два процесса называются обменом веществ.
Обмен веществ бывает основной и дополнительный.
Основной обмен веществ и затраты на него связаны со всеми жизненными, физиологическими процессами, протекающими в организме (дыхание, кроветворение, пищеварение и т. д.).
Условно можно сказать, что основной обмен веществ — это минимальное количество энергии, необходимое человеку для поддержания жизни в состоянии полного покоя. Он рассчитывается обычно на «стандартного» мужчину (30 лет с массой 'тела 65 кг) или «стандартную» женщину (30 лет с массой тела 55 кг). Основной обмен у мужчины 1600 ккал (6704 кДж), у женщины — 1400 ккал (5866 кДж). Основной обмен зависит от возраста (у маленьких детей он в 1,3... 1,5 раза выше, чем у взрослых), массы тела (поэтому основной обмен часто рассчитывают на 1 кг массы тела), внешних условий, индивидуальных особенностей человека.
При приеме пищи наибольший расход энергии вызывает переваривание белков. Поступление их в пищеварительный тракт увеличивает основной обмен на 30...40 %. При приеме жиров и углеводов основной обмен увеличивается на 4... 14 и 4...7 % соответственно. При смешанном питании основной обмен увеличивается на 10... 15 %.
Дополнительный обмен веществ вызывается затратами энергии на выполняемую человеком работу. Это в основном расход 6
на мышечную деятельность. Он также зависит от многих факторов: типа деятельности, массы тела, возраста и т. д.
Процесс усвоения и использования в организме пищи схож с горением. Большая часть продуктов превращается в тепло (энергию), диоксид углерода и воду.
Единственным источником энергии для организма человека является пища. Энергию, поставляемую организму продуктами питания, принято выражать в килокалориях (ккал) или килоджоулях (кДж).
Количество энергии, выделяемой при усвоении организмом того или иного пищевого продукта, называется калорийностью этого продукта. Установлено, что при окислении I г жира организм получает 9 ккал, или 37,7 кДж; 1 г белка — 4 ккал, или 16,7 кДж; 1 г углеводов — 3,75 ккал, или 15,7 кДж. Это калорийность брутто, т. е. та, которая содержится в продукте и выделяется при его сгорании. Но питательные вещества усваиваются организмом не полностью. Так, белки усваиваются на 94,5 %, жиры — на 94, углеводы — на 95,6 %. Поэтому для определения истинной калорийности следует калорийность брутто умножить на коэффициент усвояемости. Коэффициент усвояемости сахарозы 1, животных жиров 0,85 (за исключением сливочного масла), растительных жиров 0,95, белков в зависимости от их природы 0,85...0,95.
Потребность в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста, характера трудовой деятельности.
Для правильного составления рациона питания с энергетической точки зрения и с учетом характера трудовой деятельности специалисты в области гигиены питания подразделяют все взрослое население на 4 группы.
К первой группе относятся лица, работа которых не связана с затратами физического труда или требует незначительных физических усилий. Энергетический обмен у мужчин 2600...2700 ккал (10894...11313 кДж), у женщин — 2200...2400 ккал (9218... 10056 кДж).
Ко второй группе относятся работники механизированных производств и работники сферы обслуживания, труд которых не требует большого физического напряжения [у мужчин 2700... 3000 ккал (11313...12570 кДж), у женщин 3000...3200 ккал (12570... 13408 кДж)].
К третьей — работники производств с частично механизированными процессами труда и работники сферы обслуживания, труд которых связан со значительным физическим напряжением [у мужчин 2900...3200 ккал (12151...13408 кДж), у женщин 3100...3400 ккал (12989-14246 кДж)].
К четвертой — работники полумеханизированных или немеханизированных производств средней и большой тяжести труда [у мужчин 3400... 3700 ккал (14246... 15503 кДж), у женщин
7
3600...3900 ккал (15084... 16341 кДж)]. Лица, труд которых связан с большим нервным напряжением (работники пультов управления, диспетчеры и т. д.), по потребности в энергии и белках приравниваются к первой группе интенсивности труда.
Правильно составить индивидуальный рацион питания можно лишь при знании химического состава пищевых продуктов.
Мы говорили лишь об одной стороне питания — энергетической. Это не значит, что «пищевая» энергия может быть получена в результате потребления любых продуктов, т. е. за счет общей калорийности.
Для организма важно, какие группы веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенное соотношение белков, жиров и углеводов, а также наличие витаминов и минеральных веществ.
Все вещества, входящие в состав пищевых продуктов, подразделяются на две группы: органические (белки, углеводы, жиры, пищевые кислоты, витамины, ферменты) и минеральные (вода, макро- и микроэлементы). Их роль в жизнедеятельности организма человека и их свойства, которые могут быть использованы в пищевых технологиях, мы рассмотрим далее.
Глава 2
РОЛЬ ОТДЕЛЬНЫХ ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА И В ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
БЕЛКИ
Белки представляют собой важнейшую составную часть пищи. Недостаточность белков в пище является одной из причин повышенной восприимчивости организма к инфекционным заболеваниям. При недостаточном количестве белков снижается кроветворение, задерживается развитие растущего организма, нарушаются обмен жиров и витаминов, деятельность нервной системы, печени и других органов, замедляется восстановление клеток после тяжелых заболеваний.
За жизнь человека белок обновляется 200 раз. Белок мышечных тканей обновляется на 50 % за 8, внутренних — за 10 сут. Наш организм получает белок только через пищевые продукты.
Что же такое белки, какими свойствами они обладают и какова их роль для нашего организма?
Белки — это органические высокомолекулярные соединения, в состав большинства которых входят пять элементов: N, С, О, Н и S.
Белковые вещества построены из аминокислот; аминокислоты имеют в своем составе аминную NH2 и карбоксильную
8
СООН-группы. В молекуле белка аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Разнообразие белков определяется последовательностью размещения аминокислот в аминокислотной цепочке (первичная структура белка). Кроме того, существуют спиралевидная структура спиралевидной цепочки (вторичная структура), компактная упаковка спиралевидной структуры (третичная структура) и соединение полипептидных цепочек нековалентными связями (водородными, гидрофильными) — глобулы или волокна.
Несмотря на огромное многообразие белковых веществ в природе, в построении нашего организма участвует лишь 22 аминокислоты.
Белки составляют важнейшую часть всех клеток и тканей живых организмов. Существование, жизнь живого организма невозможны без белка.
В животных организмах белки преобладают по своей массе над другими соединениями. Организм человека, например, на 60 % (на сухую массу) состоит из белковых веществ. Причем если жиры и углеводы в той или иной степени взаимозаменяемы, то недостаток белка нельзя ничем компенсировать. Не случайно термин «протеин» (белок) образован от греческого слова «протео», что означает «первенствующий».
В одних тканях тела белка больше, в других — меньше. Так, белок составляет одну тринадцатую часть мозга и одну четвертую часть крови и мышц.
Поступая в организм, белки пищи подвергаются действию ферментов и гормонов и в итоге превращаются в составляющие их аминокислоты.
Аминокислоты всасываются через стенки кишечника в кровь. Часть аминокислот посредством тока крови поступает в печень, где происходят их дальнейшие превращения, а большая часть разносится к тканям и органам, где аминокислоты расходуются на построение и обновление клеток, а также на построение и обновление биологически активных веществ — ферментов и гормонов.
Наконец, некоторая часть аминокислот является и источником энергии для организма, главным образом при нехватке углеводов и жиров.
Таким образом, белки являются главным материалом для построения тканей организма.
Организм человека обладает способностью образовывать нужные аминокислоты из других аминокислот, которые, расщепляясь до кетокислот, синтезируются в новые аминокислоты. Однако имеется 8 аминокислот (триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин), которые организм человека не способен синтезировать, но которые входят в состав белковых веществ человека. Эти аминокислоты носят на
9
звание «незаменимые», они должны поступать в организм извне, с продуктами питания.
Следовательно, не все продукты, содержащие белки, равноценны: в зависимости от содержания незаменимых аминокислот некоторые имеют большую питательную ценность, другие — меньшую. В питании детей дошкольного возраста незаменимые аминокислоты должны составлять 40 % суммы аминокислот, в питании школьников — 30, взрослых — 16 %, т. е. 13... 14 г.
Кроме того, питательная ценность белков зависит от степени усвояемости их организмом. Растительные белки усваиваются организмом хуже, чем животные: белки яиц и молока — на 96 %, белки рыбы и мяса — на 95, белки хлеба из муки I и 11 сортов — на 85, белки овощей — на 80, белки картофеля, хлеба из обойной муки, бобовых — на 70 %.
Человек получает белки с яйцами, рыбой, мясом, молоком, молочными продуктами, а также с продуктами растительного происхождения, в первую очередь с продуктами переработки злаковых.
Растительные белки должны составлять в дневном рационе не более 40 %, так как наиболее полноценными считаются белки животного происхождения.
Большинство растительных белков имеет недостаточное содержание одной или двух незаменимых аминокислот. Так, в белке пшеницы лишь 50 % лизина по сравнению с «идеальным белком» (белок, содержащий все незаменимые аминокислоты в оптимальном соотношении), в белке картофеля и бобовых не хватает метионина и цистина. В ржаном и пшеничном хлебе кроме лизина не хватает треонина, валина и изолейцина. Растительные белки хуже усваиваются, что объясняется содержанием в растительных продуктах большого количества клетчатки, которая снижаег их усвояемость (как и других компонентов пищи).
Недостаток белка, как отмечалось ранее, существенно сказывается на состоянии организма.
Вместе с тем следует сказать и об отрицательном влиянии избытка белка в питании. Из-за большой реакционной способности организм переносит избыток белков труднее, чем других пищевых веществ, например жиров и углеводов. Особенно страдают от перегрузки белками печень и почки. Длительный избыток белка в питании вызывает перевозбуждение нервной системы, нарушение обмена витаминов, ожирение организма, заболевание суставов. Все это связано с повышенным поступлением вместе с белками нуклеиновых кислот, накоплением мочевой кислоты — продукта обмена пуринов, превращением избытка белков в жиры и т. д.
Потребность человеческого организма в белках составляет 1,1...1,5 г в день на 1 кг массы тела человека. Следовательно, потребность взрослого человека в белках в сутки в среднем 100 г
10
(минимум 70 г). Суточная потребность человека в белке зависит от качества белка, т. е. чем неполноценнее белок, тем выше его суточная норма и, наоборот, чем ближе по составу потребляемые белки к «идеальному», тем ниже эта норма (56...63 г). В пищевом рационе за счет белка должно быть обеспечено 12... 14 % калорийности.
Основными источниками белка в питании являются мясные, рыбные и зернобобовые продукты. Больше всего белка (%) содержится в сырах — 25, горохе и фасоли — 22...23, разных видах мяса, рыбы и птицы — 16...20, яйцах — 13, жирном твороге — 14, крупах — 12... 13, ржаном хлебе — 5...6, пшеничном — 8, молоке — 2,9, овощах и плодах — не более 2.
Белки пищевых продуктов обладают рядом свойств, которые оказывают определенное влияние на ведение технологических процессов при переработке продуктов. С этими свойствами нельзя не считаться, тем более что многие из них открывают большие возможности в совершенствовании технологий.
Первое свойство — это способность к гидратации, т. е. поглощению и удерживанию влаги, причем не адсорбционно (как, например, у крахмала), а осмотически связанно, более прочно. В нормальных условиях белки способны удерживать 2—3-кратное количество воды.
Набухание обусловлено способностью белков, относящихся к гидрофильным веществам, поглощать воду и при определенных условиях образовывать растворы, называемые студнями. Набухший в воде белок пшеничной муки образует клейковину.
Свойство набухания играет большую роль в пищевых технологиях (зерно при кондиционировании, мука при замесе теста, набухание белков в масличных при производстве растительных масел и т. д.).
Второе свойство белков — денатурация, т. е. изменение пространственной ориентации белковой молекулы, не сопровождающееся разрывом ковалентных связей. Она вызвана повышением температуры, механическим и химическим воздействием и другими факторами и играет важную роль в технологических процессах, связанных с образованием структурных систем полуфабрикатов и готовых блюд (хлеба, макаронных изделий).
Третье свойство белков — ценообразование, т. е. способность образовывать эмульсии в системе жидкость — газ, называемые пенами. Белки как пенообразователи широко используются при изготовлении кондитерских изделий, в частности безе.
И наконец, четвертое свойство — способность белков к гидролизу, т. е. расщеплению на составные части в присутствии кислот или ферментов. Эта способность белков используется в ряде отраслей пищевой промышленности, например при рафинации растительных масел.
11
ЖИРЫ
Жиры (липиды) и жироподобные вещества (липоиды) объединяются общим названием липиды. Жиры в организме человека выполняют роль поставщиков энергии (калорий). Наличие жиров в пище придает различным блюдам высокие вкусовые качества, способствует возбуждению аппетита, имеющего важнейшее значение для нормального пищеварения.
При длительном ограничении жиров в пище наблюдаются нарушения в физиологическом состоянии организма: нарушается деятельность центральной нервной системы, ослабляется иммунитет.
Жиры играют следующую роль для организма:
являются важным источником энергии;
будучи носителями жирорастворимых витаминов (A, D, К, Е), способствуют нормальному обмену веществ в организме;
являются структурным элементом клеток;
будучи плохими проводниками теплоты, предохраняют организм от переохлаждения;
находясь в соединительных тканях организма, предохраняют его от ударов;
являются смазочным материалом кожи.
Жиры делятся на животные (большей частью твердые при комнатной температуре) и растительные, или масла, как правило жидкие. Исключение составляет какао-масло.
По химическому строению жиры представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина (около 10 %) и жир--ных кислот разной длины углеродной цепочки и степени насыщенности.
Свойства жиров зависят в основном от строения и состава жирных кислот. В наибольших количествах в жирах встречаются пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая и арахидоновая кислоты.
Жирные кислоты подразделяются на предельные (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные). Из насыщенных жирных кислот наиболее часто встречаются пальмитиновая C15H3iCOOH и стеариновая СрНззСООН. Первые две из перечисленных чаще встречаются в жирах животного происхождения, вторые — в растительных жирах. По своим биологическим свойствам предельные жирные кислоты уступают непредельным.
Насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и др.) используются организмом как энергетический материал. Их больше всего содержится в животных жирах. Например, в говяжьем и свином жире 25 % пальмитиновой кислоты, соответственно 20 и 13 % стеариновой. В сливочном масле 7 % стеариновой, 25 — пальмитиновой, 8 % миристиновой кислоты. Избы
12
ток насыщенных жирных кислот приводит к нарушению обмена жиров, повышению уровня холестерина в крови.
Ненасыщенные жирные кислоты различаются по степени «ненасыщенности» — мононенасыщенные (одна ненасыщенная водородная связь между углеродными атомами) и полиненасы-щенные, когда таких связей несколько (2, 3, 4, 5, 6). Мононена-сыщенной олеиновой кислоты много в оливковом масле (67 %), маргарине (43...47), свином жире (43), говяжьем жире (37), сливочном масле (23 %).
Особое значение имеют полиненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая, арахидоновая. Они входят в состав структурных элементов клеток и тканей, обеспечивают нормальный рост и обмен веществ, эластичность сосудов и т. д.
Полиненасыщенные жирные кислоты не синтезируются организмом человека и поэтому являются незаменимыми. При их отсутствии наблюдаются прекращение роста, изменение проницаемости сосудов, некротические поражения кожи.
Линолевой кислоты особенно много в подсолнечном масле (60 %), 1/10 его биологической активности составляет линоленовая кислота. Наибольшей биологической активностью обладает арахидоновая кислота, которой мало в пищевых продуктах (в мозгах и яйцах — 0,5 %, в свиной печени — 0,3 %).
Потребность организма в полиненасыщенных жирных кислотах 16...24 г в день, что обеспечивает 4...6 % общей калорийности пищи. Наилучшее соотношение жирных кислот в рационе: 10 % полиненасыщенных, 30 — насыщенных, 60 % мононенасы-щенных.
Попадая в организм человека, жиры гидролизуются на составные части.
Образовавшийся глицерин непосредственно всасывается слизистой оболочкой кишечника, жирные кислоты реагируют с желчными кислотами с образованием веществ, также всасываемых.
Желчные кислоты являются эмульгаторами, превращая жиры в тонкую эмульсию, а также активаторами липазы.
Жиры, поступающие с пищей, частично идут на создание жировых запасов. Удовлетворение потребности в жире и всех его компонентах зависит от вида и качества жира — установлена взаимодополняемость животных и растительных жиров. Оптимальный в биологическом отношении баланс создается при включении в суточный рацион 70...80 % животных жиров и 20...30 % растительных.
Нормы поступления в организм жиров рассчитывают с учетом возраста, характера трудовой деятельности, национальных особенностей и климатических условий. За счет жира в пищевом рационе должно обеспечиваться 30 % суточной энергетической потребности. Нормирование жира может производиться соответ
13
ственно калорийной ценности суточного пищевого рациона. При этом на каждую 1000 ккал предусматривается 35 г жира.
Определенное значение имеет качественный состав жиров, входящих в пищевой рацион. В пищу употребляют жиры различных животных, птиц и рыб, молочный жир (главным образом сливочное или топленое масло), а также жиры растительного происхождения (подсолнечное, соевое, арахисовое, оливковое и другие масла).
Растительные жиры надо повседневно включать в рацион по 20...25 г. Вместе с растительными жирами в пищевой рацион следует включать говяжье и свиное сало, особенно сливочное масло. Животных жиров должно быть около 75...80 г (из них 40 г в натуральном виде, а остальное количество — в различных пищевых продуктах).
Источниками растительных жиров являются в основном растительные масла (99,9 %), орехи (53...65), крупы — овсяная (6,9) и гречневая (3,3 %).
Источниками животных жиров являются шпик свиной (90...92), сливочное масло (72...82), жирная свинина (49), колбасы (20...40), сметана (30), сыры (15...30 %).
При сочетании в рационе растительных и животных жиров обеспечивается не только потребность в них организма, но и наличие всех необходимых организму веществ — витаминов А и D, лецитина, полиненасыщенных жирных кислот, токоферолов, ситостерина. Сочетание растительных и животных жиров помогает улучшить вкусовые свойства жиров, с помощью различных технологических приемов получить новые виды продуктов с определенными свойствами.
Составной частью жиров являются жироподобные вещества (липоиды). Они принимают активное участие в обмене веществ — входят в состав пограничного слоя клеток и являются одним из регуляторов проницаемости клеточных стенок. Среди них в природе особенно распространены фосфолипиды и стери-ны.
Фосфолипиды, как и жиры, — сложные эфиры глицерина и жирных кислот, но содержат еще фосфорную кислоту и аминоспирты.
Из фосфолипидов наиболее распространены лецитины (соотношение фосфора и азота 1:1). Лецитин благодаря содержанию в нем фосфора и холина является биологическим антагонистом холестерина. Он стимулирует развитие растущего организма, благоприятно влияет на деятельность нервной системы, печени, стимулирует кроветворение, повышает сопротивляемость организма токсическим веществам, улучшает усвоение жиров, препятствует развитию атеросклероза.
Лецитины — поверхностно-активные вещества. В масло-жировой (при производстве маргарина), кондитерской, хлебопекар
14
ной и других отраслях пищевой промышленности лецитины применяются в качестве эмульгаторов.
Тонкодисперсному состоянию жира в молоке мы обязаны фосфолипидам. Этот жир считается наиболее легкоусвояемым.
Больше всего фосфолипидов в яйце (3,4 %), относительно много их в зернобобовых (0,3...0,9 %), нерафинированных растительных маслах (1...2), сырах (0,5...1,1), мясе (0,8), птице (0,5...2,5 %). Есть они в сливочном масле (0,3...0,4 %), рыбе (0,3...2,4), хлебе (0,3 %). Овощи и плоды содержат небольшое количество фосфолипидов (0,1 %).
Особо важное значение среди стеринов имеет холестерин, участвующий в организме в образовании желчных кислот, которые, являясь эмульгаторами, реагируют с жирными кислотами в образовании витамина D, а также в регуляции проницаемости стенок клеток. Холестерин содержится в значительном количестве в животных жирах, яичных желтках, икре, мозгах, печени, почках и играет большую роль в жизнедеятельности организма, в частности в деятельности нервной системы.
В растительных продуктах наиболее известен p-ситостерин. С холестерином он образует нерастворимые комплексы, которые препятствуют всасыванию холестерина в желудочно-кишечный тракт, и снижает тем самым уровень его в крови. Пожилым людям и тем, кто предрасположен к атеросклерозу, следует избегать приема пищи с большим количеством холестерина. Больше всего его содержится в яйцах (0,57 %), сыре (0,28...1,6), сливочном масле (0,17...0,21), мясных субпродуктах (0,13...0,27 %). Однако исключать его из пищи полностью нельзя, следует лишь уменьшить норму с 500 до 300 мг.
О положительной роли жиров было сказано в начале этого раздела. К чему же может привести избыток их в питании? Это — нарушение обмена веществ, прежде всего холестерина, усиление свертывающих свойств крови, развитие ожирения, желчнокаменной болезни и атеросклероза. Избыток полинена-сыщенных жирных кислот приводит к заболеванию почек и печени. Жиры как компоненты пищевых продуктов обладают определенными свойствами, которые необходимо учитывать и использовать в пищевых технологиях. К ним относятся следующие:
1.	Все жиры в воде нерастворимы, но растворимы в органических растворителях. Это свойство используется при получении растительных масел экстракционным способом.
2.	Жиры хорошо растворяют в себе многие органические вещества, в том числе и ароматические.
3.	При нагревании под давлением жиры расщепляются на глицерин и соответствующие жирные кислоты. В присутствии щелочи эта реакция идет при нормальном давлении с образова
15
нием глицерина и солей жирных кислот. Это свойство используется в парфюмерной промышленности при производстве мыла.
4.	Жиры в присутствии поверхностно-активных веществ (эмульгаторов) способны образовывать стойкие эмульсии. Это свойство используется при производстве майонеза и маргарина.
5.	При хранении в неблагоприятных условиях (повышенная температура, влажность, свет) жиры под действием фермента липазы гидролизуются на глицерин и свободные жирные кислоты. Последние, особенно ненасыщенные, под действием кислорода воздуха окисляются с образованием продуктов горького вкуса. Этот процесс называется прогорканием.
6.	При высоких температурах (25О...ЗОО°С) жиры гидролизуются на жирные кислоты и глицерин, который разлагается до акролеина — вещества с неприятным запахом.
7.	В результате гидрогенезации (насыщения водородом поли-ненасыщенных жирных кислот) жиры могут переходить из жидкого состояния в твердое.
УГЛЕВОДЫ
Углеводы широко распространены в природе, главным образом в растительном мире. Синтезируются углеводы в зеленых частях растений. Они являются важным энергетическим компонентом пищи, причем по количеству преобладают в ней над всеми другими компонентами.
В семенах злаков содержание углеводов составляет до 80 %, а в рисе — до 90 %. Большое количество их в виде крахмала содержится в хлебе, крупах и картофеле; в виде сахаров — в сахаре, кондитерских изделиях, сладких сортах плодов и ягод.
Углеводы — это вещества, состоящие из углерода, кислорода и водорода с общей формулой С„Н2О. Все углеводы делятся на две группы: моносахариды и полисахариды, которые, в свою очередь, делятся на полисахариды первого порядка (сахароза, мальтоза, лактоза и др.) и полисахариды второго порядка — высокомолекулярные углеводы (крахмал, клетчатка и др.).
Моносахариды. Главные представители моносахаридов — гексозы (СбН120б) и пентозы (С5Н1()О5).
Все моносахариды (монозы) — кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и оптически активные (вращают плоскость поляризации).
В пищевом отношении монозы наиболее легкоусвояемые углеводы: без участия ферментов они в неизменном состоянии всасываются через стенки кишечника в кровь. К неусвояемым углеводам относят гемицеллюлозу, целлюлозу, пектиновые вещества, камеди и декстрины.
Наиболее важное значение в пищевом отношении имеют глюкоза и фруктоза.
16
Глюкоза широко распространена в растительном мире, где находится в семенах, плодах, листьях и корнях растений в свободном состоянии или в составе полисахаридов. Много ее в соке винограда (до 10 %). Особенно много глюкозы находится в растениях в виде крахмала и клетчатки. Много в пчелином меде — около половины содержания сухих веществ.
В промышленности глюкозу получают путем кислотного и ферментативного гидролиза крахмала.
Глюкоза сбраживается дрожжами, негигроскопична. Сладость ее составляет 70 % сладости сахарозы.
Фруктоза (левулеза, плодовый сахар) в природе распространена как в свободном, так и в связанном состоянии. Вместе с глюкозой находится во многих плодах, овощах и ягодах. В равном с глюкозой количестве находится в виноградном соке и пчелином меде. В связанном состоянии находится в сахарозе.
На воздухе фруктоза гигроскопична, что затрудняет использование ее в чистом виде в кондитерском производстве. При кипячении водного раствора быстро разлагается. По сладости в 1,5 раза превосходит сахарозу. Как и глюкоза, сбраживается дрожжами.
Полисахариды первого порядка. Наибольшее пищевое значение из полисахаридов первого порядка имеют три дисахарида: сахароза, мальтоза и лактоза. Все они являются кристаллическими веществами, хорошо растворимыми в воде, сладкие. Наибольшую сладость имеет сахароза, затем мальтоза и лактоза.
Все три сахара оптически активны и обладают общим для полисахаридов свойством подвергаться гидролитическому распаду (кислотному или ферментативному) с образованием двух моноз.
Сахароза — наиболее распространенный в растительном мире сахар. Ее много в сахарной свекле, сахарном тростнике, плодах дыни, арбуза.
В промышленности сахарозу получают из свеклы и сахарного тростника. Хорошо сбраживается дрожжами. Подвергается гидролизу, распадаясь на составные компоненты — глюкозу и фруктозу. Смесь этих сахаров называется инвертным сахаром, который обладает антикристаллизационными свойствами. Это свойство как положительное широко используется в кондитерской промышленности. В сахарной же промышленности от инертного сахара (который там относят к вредным несахарам) необходимо избавляться, так как он мешает процессу кристаллизации сахарозы.
Мальтоза при гидролизе распадается на две молекулы глюкозы. В свободном состоянии мальтоза в природе встречается главным образом в семенах злаковых, особенно при их прорастании. В основном мальтоза получается в результате ферментативного
17
гидролиза крахмала при участии амилазы солода. Сбраживается дрожжами в присутствии глюкозы.
При гидролизе лактоза распадается на галактозу и глюкозу. Она содержится в молоке всех млекопитающих, в коровьем молоке, например, ее 4...5 %. Сбраживается лактоза лишь теми видами дрожжей, где присутствует фермент лактаза.
Сахара как пищевые продукты ценятся в основном за сладость. Однако степень сладости у них различная. Если сладость сахарозы условно принять за 100 единиц, то относительная сладость фруктозы 173 единицы, глюкозы — 74, ксилозы — 40, мальтозы — 32,5, галактозы — 32,1, раффинозы — 23, лактозы — 16 единиц.
Полисахариды второго порядка. Это высокомолекулярные соединения. В растительном мире они играют роль запасных питательных веществ или же являются основой опорных тканей организма.
Полисахариды под действием кислот или соответствующих ферментов расщепляются на свои первичные строительные структуры.
Крахмал — наиболее важный по пищевой ценности полисахарид. Он содержится во всех растениях, выполняя роль запасного питательного вещества. Например, в зернах различных злаков крахмала содержится от 55 до 80 %, в картофеле — 75 %.
Зерно крахмала состоит из двух компонентов — амилозы и амилопектина, одинаковых по химическому составу, но разных по структуре. Формула и того, и другого (С^Н । дОд),,, но у амилозы п = 200... 1000, а у амилопектина доходит до 200000.
В холодной воде зерна крахмала не растворяются. Но при нагревании воды начинается процесс клейстеризации крахмала, причем для разных крахмалов температура клейстеризации различная (для пшеничного, например, она 55...60 °C).
При кипячении с разбавленными кислотами крахмал превращается в глюкозу, при ферментативном же гидролизе (солодовой амилазой) — в основном в мальтозу и частично в глюкозу.
Гидролиз крахмала протекает ступенчато, через декстрины, представляющие собой обрывки цепей крахмальных молекул.
Крахмал очень гигроскопичен: в обычных условиях, несмотря на то что сухой на ощупь, он удерживает около 20 % влаги.
В пищевой промышленности крахмал — это основное сырье для производства глюкозы и патоки, применяемой в кондитерской промышленности в качестве антикристаллизатора.
В растительных продуктах наряду с углеводами, обеспечивающими организм энергией, содержатся так называемые непищевые углеводы, представителем которых является целлюлоза (клетчатка). Практического значения как источник энергии в пищевом рационе она не имеет, усваиваясь примерно на 25 %, но способствует нормальной функции кишечника: раздражая
18
стенки кишок, она вызывает их движение — перистальтику. При употреблении пищи, лишенной целлюлозы, перистальтика ослабевает.
Пшеничный хлеб из муки второго сорта, ржаной хлеб, овощи нужно включать в меню ежедневно. Много целлюлозы содержится в сушеных овощах (2,9... 14 %), свежих ягодах (2...5 %), свежих овощах (1...1,5 %). В сутки рекомендуется употреблять 10... 15 г клетчатки.
Целлюлоза — полисахарид, содержится в растениях. Являясь опорным веществом, входит в состав клеточных стенок. Особенно много целлюлозы в волокнах хлопчатника (свыше 90 %).
Чистая целлюлоза — белая гигроскопичная масса волокнистого строения без вкуса и запаха. В воде не набухает, устойчива против действия разбавленных кислот и щелочей. При полном кислотном гидролизе целлюлоза, как и крахмал, превращается в глюкозу. Смесь целлюлозы с белками заметно снижает их усвояемость, так как она адсорбирует аминокислоты и сокращает длительность прохождения белка по желудочно-кишечному тракту.
К непищевым углеводам относятся также пектиновые вещества, которые не усваиваются организмом, но играют важную роль в физиологии питания и пищевой технологии. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами, выводят их из организма. В кислой среде в присутствии сахара и кислоты образуют плодово-ягодные студни. На этом свойстве пектиновых веществ основано производство джема, повидла, мармелада и пастилы.
В растительном сырье они встречаются в виде нерастворимого в воде протопектина или в виде растворимого пектина. Процесс перехода протопектина в растворимый пектин происходит при созревании плодов и ягод, тепловой обработке растительного сырья, осветлении плодово-ягодных соков. Наибольшее количество пектиновых веществ содержится в яблоках, айве, абрикосах и сливе (до 1,5 %).
Значение углеводов в организме человека. Поступая в организм человека, все сложные углеводы подвергаются гидролитическому распаду, превращаясь в глюкозу, которая через стенки кишечника непосредственно всасывается в кровь. Другие моносахариды также превращаются в глюкозу. Нормальное содержание глюкозы в крови около 0,1 %. Это количество регулируется печенью: если сахара поступает много — его избыток накапливается в печени в виде животного крахмала — гликогена, если мало, то гликоген превращается в глюкозу и поступает в кровь.
Если организм получает достаточное количество углеводов, то именно они, а не другие пищевые вещества (жиры и белки) являются источниками энергии. Избыток же будет превращаться в жир и откладываться в виде запасов в организме. При недо
19
статке углеводов удовлетворение энергетических потребностей организма будет осуществляться за счет жиров и белков.
Свыше половины энергии, необходимой для нормальной жизнедеятельности, организм человека получает с углеводами.
Углеводы имеют исключительно важное значение для деятельности мышц, нервной системы, сердца, печени и других органов. Они играют определенную роль и в процеесах обмена веществ, так как необходимы для нормального усвоения организмом жиров. Но избыточное поступление сахара в сочетании с общим высококалорийным питанием может привести к ожирению, раннему развитию атеросклероза и снижению работоспособности. Кроме названных отрицательных последствий избыточное поступление сахара может привести к возникновению гипергликемии (повышенное содержание сахара в крови), которая отрицательно сказывается на функции поджелудочной железы.
Суточная потребность взрослого человека в углеводах 500 .г (от 430 до 630 г). Несмотря на такое большое потребление, в организме человека содержание углеводов не превышает 2 %.
В нормальном пищевом рационе углеводов должно быть приблизительно в 4 раза больше, чем белков. Потребность в углеводах определяется величиной энергетических затрат. Чем интенсивнее физическая нагрузка, тем больше объем мышечной работы и тем выше потребность в углеводах. Для пожилых людей, а также лиц, занимающихся умственным трудом и имеющим избыточный вес, количество ежедневно поступающего в организм сахара не должно превышать 15 % общего суточного количества углеводов.
Нормирование углеводов может производиться соответственно по калорийной ценности суточного пищевого рациона. При этом на каждую 1000 ккал предусматривается 124 г углеводов. Сахар в чистом виде (в варенье, меде, конфетах и кондитерских изделиях), быстро всасываясь в кишечнике, вызывает у некоторых людей ряд неприятных ощущений: усиленное потоотделение, тошноту, сменяющиеся вялостью, слабость вплоть до полуобморочного состояния и т. д. Эти явления объясняются тем, что количество сахара в крови быстро и резко увеличивается, а затем сильно падает, в результате чего возбуждается нервная система. Поэтому не следует употреблять в сутки более 100 г сахара и сахаристых веществ, в том числе и кондитерских изделий.
Считается, что взрослый человек при умеренных физических нагрузках должен потреблять 365...400 г (в среднем 382 г) усвояемых углеводов в день, в том числе 50... 100 г (не более) простых сахаров.
Как уже было сказано ранее, углеводы — самый распространенный класс соединений в группе органических веществ пищевых продуктов. Они представлены большой группой веществ,
20
каждое из которых обладает определенными свойствами. Тем не менее в целом им присущи общие свойства, используемые в пищевых технологиях.
Прежде всего необходимо сказать об использовании углеводов в производствах, связанных с биохимической переработкой, — это брожение теста, получение вина, пива, спирта, дрожжей, пищевых кислот, ацетона и т. д. Во всех этих производствах в итоге используется способность простых углеводов сбраживаться ферментами дрожжей или бактерий. Простые углеводы (моносахара и частично дисахариды) присутствуют в больших или меньших количествах в растительном сырье или их можно получить предварительным гидролизом полисахаридов (кислотным или ферментативным), например в спиртовом производстве.
В пищевых производствах широко используются также другие свойства сахаров — это способность растворяться в воде, способность к кристаллизации и т. д.
Для получения чистого крахмала из растений (картофеля, кукурузы) используется его свойство не растворяться в воде. Способность же крахмала к гидролизу дает возможность получать полные и неполные продукты гидролиза — глюкозу, декстрины, патоку (смесь декстринов с сахарами).
В пищевой промышленности широко используется также способность пектиновых веществ образовывать студни в присутствии сахаров и органических кислот.
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ
Кроме белков, жиров и углеводов в состав пищевых продуктов могут входить некоторые органические вещества, которые содержатся в них в очень незначительных количествах, не влияют на их энергетическую ценность, но оказывают существенное влияние на вкус, цвет и аромат пищевых продуктов и в какой-то степени на обмен веществ в организме.
Наибольшего внимания из них заслуживают органические кислоты.
Органические кислоты содержатся во всех пищевых продуктах, придавая им специфические вкус и аромат. В некоторых продуктах они присутствуют в качестве составных компонентов, причем в значительных количествах. В основном они содержатся в свежих плодах и ягодах, где представлены, как правило, яблочной, лимонной и виннокаменной кислотами (в сумме от 0,3 до 1,0 %). В других продуктах органические кислоты образуются в процессе технологической обработки (в процессе брожения теста, при квашении овощей, в процессе брожения и формирования вин и т. д.), выполняя роль вкусовых веществ, а иногда и бактерицидных (например, молочная кислота в квашении).
21
Пищевые органические кислоты можно получать и искусственным путем, добавляя их затем в кондитерские изделия или напитки для улучшения вкуса и аромата.
Органические кислоты являются биологически активными веществами, участвуют в окислительно-восстановительных процессах, улучшают деятельность пищеварительного тракта, снижая pH среды и способствуя тем самым изменению состава микрофлоры в благоприятную сторону (уменьшают гниение).
Потребность организма в органических кислотах составляет около 2 г в день.
ВИТАМИНЫ
Витамины — участники и биологические катализаторы химических реакций, протекающих в живых клетках. Витамины необходимы для нормального функционирования всех органов и систем, роста и развития организма в целом.
Витамины поступают в организм в основном с пищей. Некоторые из них синтезируются в кишечнике под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, однако в таких небольших количествах, которые потребность человека в витаминах удовлетворить не могут. Биологическая роль витаминов заключается в их регуляторном действии на обмен веществ. Витамины обладают каталитическими свойствами, т. е. способностью стимулировать химические реакции, протекающие в организме, а также активно участвуют в образовании и функциях ферментов. Витамины влияют на усвоение организмом питательных веществ, способствуют нормальному росту клеток и развитию всего организма. Являясь составной частью ферментов, витамины стимулируют их нормальную функцию и активность. Таким образом, недостаток, а тем более отсутствие в организме какого-либо витамина ведет к нарушению процессов обмена веществ. При недостатке их в пище снижаются работоспособность человека, сопротивляемость организма заболеваниям, а также действию неблагоприятных факторов окружающей среды. В результате дефицита или отсутствия витаминов развиваются заболевания, известные под названием авитаминозов или гиповитаминозов. Причиной витаминной недостаточности может быть не только дефицит витаминов в пищевом рационе, но и нарушение всасывания их в кишечнике, поступления к тканям и превращения в биологически активную форму. Таким образом, нарушение нормального цикла превращений витаминов в организме может также служить причиной витаминной недостаточности.
Однако и избыток витаминов (гипервитаминоз) может привести к заболеванию организма.
Вначале витамины условно обозначали буквами латинского алфавита: А, В, С, D, Е, Р и т. д. В дальнейшем были приняты
22
единые международные названия витаминов, отражающие их химическую структуру. Все витамины делятся на водорастворимые, жирорастворимые и витаминоподобные вещества.
Водорастворимые витамины. К водорастворимым витаминам относятся витамин С и витамины группы В.
Витамин С (аскорбиновая кислота) играет важную роль в обменных процессах, особенно в усвоении белков, в поддержании нормального состояния соединительной ткани и в восстановлении тканей. Витамин С благоприятно действует на функции центральной нервной системы, стимулирует деятельность эндокринных желез, способствует усвоению железа и нормальному кроветворению, повышает сопротивляемость человека к экстремальным воздействиям. При недостатке витамина С снижается умственная и физическая работоспособность, увеличивается проницаемость стенок кровеносных сосудов, нарушается структура хрящевой и костной тканей и развивается цинга. В организме человека аскорбиновая кислота не накапливается и не синтезируется. Необходимое количество витамина С (взрослым от 50 до 100 мг, детям от 30 до 70 мг в сутки) должно поступать с пищей. Основными источниками витамина С являются овощи, плоды и ягоды.
Значительные количества аскорбиновой кислоты содержатся в шиповнике (от 300 до 2000 мг%), красном сладком перце (250), черной смородине и облепихе (200), землянике, лимонах, апельсинах, мандаринах, белой и красной смородине (40...60), капусте и шпинате (50...70), молодом картофеле, зеленом луке и зеленом горошке (20...30 мг%) и многих других продуктах растительного происхождения.
На содержание витамина С в пищевых продуктах значительное влияние оказывают хранение продуктов и вид их кулинарной обработки. Так, при хранении может теряться от 40 до 60 % витамина С. Витамин С быстро разрушается в очищенных овощах. При очистке картофеля, например, в зависимости от величины клубней теряется от 16 до 22 % витамина С. При погружении картофеля и овощей при варке в горячую воду почти полностью сохраняется витамин С, при погружении в холодную воду теряется 20...25 % витамина С. При варке овощей в воде разрушается 70 % витамина С, при варке на пару в закрытой посуде —лишь 8... 12 %. Витамин С разрушается под действием металлов. Поэтому для приготовления пищи не следует использовать металлическую, нелуженую и не покрытую лаком посуду.
Витамин В| (тиамин). Входит в состав ферментов, регулирующих многие важные функции организма, в первую очередь углеводный обмен, а также обмен аминокислот. Он необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервной системы. При отсутствии тиамина развивается полинев
23
рит. Поступление тиамина в организм происходит за счет пищевых продуктов.
Суточная потребность в витамине В| составляет для взрослых 1,7 мг, для детей до 2,0 мг. Недостаточность витамина В] ослабляет перистальтику кишечника, вызывает мышечную слабость, снижает физическую и психическую работоспособность.
Витамин В] входит в состав многих пищевых продуктов. Наибольшее количество тиамина содержится в дрожжах, особенно в сухих пивных (5 мг%), хлебном квасе. Его много также в зерновых и бобовых культурах (0,5...0,8 мг%), крупах (0,4...0,5 мг%) и некоторых продуктах животного происхождения (печени, почках, нежирной свинине, сердце). Тиамин содержится в основном в зародыше зерна и его оболочках (отрубях). В хлебе ржаном содержание тиамина составляет 0,18 мг%, в пшеничном из муки II сорта — 0,23 мг%. При получении муки высших сортов отруби удаляют, что приводит к значительному снижению в ней тиамина. Небольшое количество витамина В] содержится в овощах (0,02...0,1 мг%) и фруктах (0,01...0,06 мг%).
Тепловая обработка продуктов вызывает незначительное разрушение тиамина, особенно если она производится в кислой среде.
Витамин В2 (рибофлавин) принимает участие в процессах роста и относится к ростовым факторам. Он участвует в обмене белков, жиров и углеводов, оказывает регулирующее действие на состояние центральной нервной системы; воздействует на процессы обмена в роговице, хрусталике и сетчатке глаза, обеспечивает световое и цветовое зрение; влияет на рост и развитие детского организма. Рибофлавин поступает в организм с пишей. Суточная потребность в нем составляет для взрослого человека 2,9...3,5 мг, для ребенка — до 3,0 мг. При недостаточности рибофлавина в организме наблюдается сухость губ, появляются вертикальные трещины и рубцы на губах и в уголках рта, так называемые заеды, начинают выпадать волосы, могут развиться конъюнктивит и блефарит.
Основными источниками витамина В2 являются продукты животного происхождения (в яйцах 0,4 мг%, сыре 0,4 мг%, молоке 0,15 мг%, мясе 0,2 мг%), а также зерновые и бобовые (0,15 мг%). Много рибофлавина в дрожжах. Сквашивание молока при изготовлении таких продуктов, как ряженка, айран, мацони, значительно увеличивает содержание рибофлавина, так как молочнокислые бактерии способны его синтезировать. Источниками рибофлавина могут служить также груши, персики, томаты, морковь, свекла, цветная капуста и шпинат.
Рибофлавин очень чувствителен к воздействию ультрафиолетовых лучей, поэтому пищевые продукты, богатые им, следует хранить в защищенном от света месте. Потери витамина В2 при кулинарной обработке пищи невелики: при сушке и стерилиза
24
ции продуктов, при варке мяса, зеленых овощей, картофеля теряется не более 20 % витамина.
Витамин РР (никотиновая кислота) участвует в реакциях клеточного дыхания, в белковом обмене и повышает использование в организме растительных белков, нормализует секреторную и двигательную функции желудка, улучшает секрецию и состав сока поджелудочной железы, нормализует работу печени. Потребность здорового человека в сутки в этом витамине составляет для взрослых 19 мг, для детей — до 20 мг.
Недостаток в организме человека никотиновой кислоты в комплексе с белковой недостаточностью приводит к развитию пеллагры — поражению кожи.
Основными источниками никотиновой кислоты являются продукты животного происхождения: мясо домашней птицы (6...8 мг%), говядина (5 мг%), печень (9... 12 мг%). Очень богаты витамином РР дрожжи (40...50 мг%). В хлебе пшеничном из муки грубого помола содержится 3 мг% витамина РР, в крупах 2...4 мг%. В других растительных продуктах, особенно в кукурузе и зерновых культурах, никотиновая кислота находится в связанной, не усвояемой организмом форме.
Никотиновая кислота наиболее устойчива в хранении и при кулинарной обработке. Воздействие высокой температуры, варка и жарение почти не влияют на содержание никотиновой кислоты в продукте. Она устойчива к воздействию света, кислорода воздуха и щелочей.
В и т а м и н Bg (пиридоксин) обеспечивает нормальное усвоение белков и жиров, играет важную роль в азотистом обмене. Потребность здорового человека в сутки в этом витамине составляет для взрослых 2,8 мг, для детей до 2 мг. Недостаток пиридоксина вызывает у детей раннего возраста задержку роста, желудочно-кишечные расстройства, малокровие, повышенную возбудимость, своеобразные изменения кожи, а также слизистой оболочки полости рта и языка.
Пиридоксин содержится во многих пищевых продуктах растительного и животного происхождения (в сухих пивных дрожжах, пшеничных огрубях, ячмене, просе, кукурузе, горохе, картофеле, моркови, свекле, говядине, курах, говяжьей печени, телятине, свинине, баранине, яйцах, коровьем молоке и др.), но в весьма незначительных количествах (0,1...0,9 мг%). Вместе с тем в обычных условиях у человека не наблюдается недостатка в этом витамине. Это в значительной степени обусловлено тем, что в организме человека пиридоксин в достаточном количестве образуется кишечными бактериями.
Пиридоксин устойчив к воздействию кислот, щелочей, высокой температуры, но под воздействием солнечного света разрушается. Варка для пиридоксина даже полезна, так как при этом освобождаются активные его части. Длительное хранение про
25
дуктов приводит к разрушению пиридоксина, причем в тепле этот процесс происходит гораздо быстрее.
Витамин В3 (пантотеновая кислота) играет важную роль в обмене веществ. Он оказывает нормализующее действие на нервную систему и функции надпочечников и щитовидной железы. Потребность здорового человека в этом витамине в сутки около 10 мг. Исключительно широкое распространение его в природе (в различных растениях и животных тканях) определило и название этого витамина. Слово «пантотеновая» происходит от рреческого «вездесущий».
Клинических признаков недостаточности в организме пантотеновой кислоты не установлено. Потребность в ней (10 мг/сут) удовлетворяется при обычном питании и профилактических мероприятий по предупреждению недостаточности этого витамина не требуется.
Витамин В9 (фолиевая кислота, фолацин) участвует в обмене и синтезе некоторых аминокислот, а также в синтезе нуклеиновых кислот, оказывает стимулирующее воздействие на кроветворную функцию костного мозга, способствует лучшему усвоению витамина В12- Потребность взрослого человека в фолацине составляет 0,4 мг/сут, детей — 0,5 мг. При недостатке в организме фолиевой кислоты развиваются тяжелая анемия, желудочно-кишечные расстройства, расстройства чувствительности и др.
Фолиевая кислота широко распространена в растительном и животном мире. Наиболее богаты ею печень, почки и зеленые листья растений. Она синтезируется растениями и многими бактериями и грибами. Микроорганизмы кишечника человека синтезируют фолиевую кислоту в большом количестве, поэтому даже при недостатке ее в питании это количество покрывает потребность в ней организма. Лучшими источниками витамина В9 считают салаты из пищевой зелени.
Фолиевая кислота легко разрушается при кулинарной обработке продуктов. При изготовлении первых блюд овощи и мясо теряют около 70...90 % этого витамина. Велики потери фолиевой кислоты также и при консервировании продуктов.
Витамин В12 (цианкобаламин) принадлежит к веществам с высокой биологической активностью. В этом витамине нуждаются все животные организмы. Витамин В]2 участвует в синтезе метионина, нуклеиновых кислот, процессах кроветворения и т. д. Недостаточность витамина В|2 обычно развивается при нарушении его всасывания и проявляется в виде тяжелых форм анемии. Суточная потребность взрослого человека в витамине В] 2 составляет 0,002 мг/сут, детей — 0,005 мг. В организм поступает с пищей и, кроме того, синтезируется микроорганизмами кишечника.
Основным источником цианкобаламина являются продукты
26
животного происхождения, особенно много его содержится в говяжьей печени.
Обычно запасов этого витамина в печени человека вполне достаточно. Однако у строгих вегетарианцев, не потребляющих никаких продуктов животного происхождения, проявление недостаточное™ витамина В|2 вполне возможно.
Витамин Н (биотин) входит в состав ферментов, регулирующих обмен амино- и жирных кислот. При недостатке его возникает дерматит рук, ног, щек, нарушаются функции нервной системы. Больше всего биотина в печени и почках, сое, меньше — в яйцах, горохе, молоке, мясе, овощах.
Потребность в биотине равна 0,15...0,30 мг/сут.
Жирорастворимые витамины (A, D, Е и др.). К этой группе витаминов относятся те из них, которые хорошо растворяются в жирах и растворителях жиров.
Витамин А (ретинол) широко распространен в природе. В растительных тканях он встречается в виде провитамина А — пигментов каротиноидов, превращающихся в организме в ретинол. В животных тканях он содержится в готовом виде. Ретинол обеспечивает нормальный рост организма, входит в состав зрительных пигментов, обеспечивает приспособление глаз к свету различной интенсивности. Недостаточность ретинола проявляется в виде бледности и сухости кожных покровов, склонности кожи к ороговению и шелушению, образованию угрей и развитию гнойничковых заболеваний, сухости и тусклости волос, а также ломкости ногтей.
Основными признаками недостаточности витамина А являются светобоязнь, ночная слепота («куриная слепота»), конъюнктивит, блефарит. Потребность взрослого человека в витамине А в пересчете на ретиноловый эквивалент составляет 1,5—2,5 мг/сут, для детей и подростков — 1,5 мг/сут.
Провитамин А (каротин) содержится в растениях. Наиболее богаты им зеленые листья растений: 25...50 г шпината, красного перца или зелени петрушки могут удовлетворить всю суточную потребность взрослого человека в витамине А. Для этих же целей достаточно 50 г плодов абрикоса, листьев укропа, моркови, листьев щавеля. Витамина А особенно много в печени животных и рыб, а также в рыбьем жире и жире, добываемом из печени морских животных. Витамин А и каротин хорошо сохраняются при консервировании продуктов и в процессе приготовления пищи.
Витамином D (кальциферолами) называют несколько соединений, близких по химической структуре (эргокальциферол — D2, холекальциферол — D3). Витамин D оказывает влияние на минеральный обмен веществ, на костеобразование, регулируя прежде всего соотношение кальция и фосфора, обеспечивает всасывание этах элементов в тонком кишечнике и
27
перенос кальция из крови в костную ткань. Кальциферолы особенно необходимы в молодом возрасте, когда идут интенсивный рост и окостенение скелета. Недостаточное количество витамина D в организме приводит к развитию рахита. Потребность здорового человека в сутки составляет для взрослых 2,5 мкг, для детей — 1,25 мкг.
Кальциферолы содержатся только в продуктах животного происхождения. Богатейшим источником их является жир печени тунца, трески и других рыб. Пищевые продукты, как правило, бедны этим витамином. В организме человека витамин D синтезируется при облучении солнцем содержащегося в коже провитамина, который образуется в организме из холестерина. Из кожи витамин переносится в другие органы и концентрируется главным образом в печени и плазме крови.
Витамином Е (токоферолами) называют группу, состоящую из 7 витаминов, различных по биологическому действию. Токоферолы стимулируют кишечную деятельность и функции половых желез, способствуют накоплению во внутренних органах всех жирорастворимых витаминов, особенно ретинола.
Суточная потребность здорового человека составляет для взрослых 10...20 мг, для детей 0,5 мг на 1 кг массы тела. Токоферолы содержатся в растительных маслах, которые и являются основными источниками токоферолов в питании человека, а также в зеленых частях растений. Особой ценностью отличается подсолнечное масло, в котором все токоферолы представлены в наиболее активной форме.
Токоферолы обладают высокой устойчивостью, не разрушаются при нагревании до 170 °C и под действием ультрафиолетовых лучей.
Витаминоподобные вещества. Кроме вышеперечисленных витаминов существуют другие незаменимые органические вещества, поступающие с пищей в незначительных количествах и обладающие специфическим биологическим действием. К числу таких веществ относятся нафтохиноны (так называемый витамин К), биофлавоноиды (витамин Р), незаменимые (полиненасы-щенные) жирные кислоты. В настоящее время их принято называть витаминоподобными веществами.
Витамин К (нафтохинон) — важнейший фактор свертывания крови. Недостаточность витамина К вызывает кровотечения из различных органов (носа, десен, органов желудочно-кишечного тракта и др.). Суточная потребность в витамине К составляет для взрослых 0,2...0,3 мг, для беременных 2...5, для новорожденных 0,001.„О,012 мг. Витамин К содержится в зеленых листьях салата, капусте, шпинате, крапиве. Природные витамины К не получили широкого практического использования для медицинских целей в связи с плохой растворимостью в воде.. В
28
медицинской практике применяются главным образом синтетические препараты викасол и синкавит.
Кроме перечисленных витаминов, необходимость которых для человека установлена бесспорно, имеются и другие биологически активные вещества. К ним относят биофлавоноады, холин, инозит, липоевую, оротовую, пангамоновую, парааминобензой-ную кислоты и др.
Итак, мы завершили раздел о витаминах, их особенностях, роли в питании человека. Зная свойства витаминов, можно предотвратить их потери при различных видах технологической обработки. Такие приемы, как правильная механическая обработка сырья, замена воды паром, снижение температуры обработки, исключение влияния света, кислорода воздуха, катализаторов и др., позволяют максимально сохранить витамины — биологически активные вещества, необходимые нашему организму.
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Наряду с органическими веществами — белками, углеводами, жирами — в клетках живых организмов содержатся соединения, составляющие обширную группу минеральных веществ. К ним относятся вода и различные соли, которые, находясь в растворенном состоянии, диссоциируюг (распадаются) с образованием ионов: катионов (положительно заряженных) и анионов (отрицательно заряженных). Часто минеральные вещества входят в состав сложных органических веществ, например металлопроте-инов (металлобелков). Так, железо включено в состав гемоглобина; магний, марганец, медь, кобальт и другие металлы — в состав многих ферментов и т. д. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма — водно-солевом, кислотно-щелочном.
Вода не обладает энергетической ценностью, но без воды жизнь невозможна.
При введении в пищевой рацион необходимого количества жидкости обеспечивается надлежащий объем (масса) пищи, который создает чувство насыщения. Суточная потребность в воде в среднем 35...40 мл на 1 кг массы тела, т. е. около 2,5 л.
Значительная часть этой нормы (около 1 л) содержится в пищевых продуктах: например, в кашах — до 80 % воды, в хлебе — около 50, в овощах и фруктах — до 90 %. Так называемая свободная жидкость, содержащаяся в супе, компоте, молоке, чае, кофе и других напитках, должна составлять около 1,2 л при общей массе дневного рациона около 3 кг. Количество воды, вводимое в организм с пищей и питьем, меняется в зависимости от климатических условий и степени интенсивности физической работы.
29
Организм человека на 2/3 состоит из воды, причем в разных частях и органах содержится неодинаковое ее количество.
Функции воды в организме важны и разнообразны:
вода растворяет питательные вещества, транспортирует их в организме; выводит отходы процессов обмена из клеток организма; является дисперсионной средой для крови, протоплазмы клеток и т. д.; служит терморегулятором организма, так как, будучи хорошим проводником теплоты, выравнивает температуру между соседними клетками, следовательно, предохраняет организм от перегревания; все реакции гидролиза питательных веществ происходят при участии воды; служит смазочным материалом в суставах и в местах соприкосновения различных частей организма.
Животный организм очень чувствителен к недостатку, а тем более к отсутствию тех или иных минеральных веществ в пище. Выдающийся отечественный гигиенист Ф. Ф. Эрисман писал: «Пища, не содрежащая минеральных солей, хотя бы она во всем остальном удовлетворяла условиям питания, ведет к медленной голодной смерти, потому что обеднение тела солями неминуемо влечет за собой расстройство питания». Это утверждение справедливо и для веществ, концентрация которых в организме превышает 0,001 % (так называемые макроэлементы), — кислорода, углерода, водорода, кальция, калия, азота, фосфора, серы, магния, натрия, хлора и железа и для микроэлементов, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001 %, —марганца, цинка, меди, бора, молибдена, кобальта и др.
Минеральные вещества играют большую роль в пластических процессах, в формировании и построении тканей организма, особенно костей скелета. Минеральные вещества очень важны для поддержания кислотно-щелочного баланса в организме, создания физиологической концентрации водородных ионов в тканях и клетках, межтканевых и межклеточных жидкостях (т. е. для создания нормальной реакции среды) и придания им свойств, необходимых для нормального течения процессов обмена веществ и энергии, в том числе водно-солевого обмена. Большое значение имеют минеральные вещества для образования и формирования белка. Общеизвестно значение минеральных веществ для деятельности эндокринных желез (например, йода для щитовидной железы), а также их роль в ферментных процессах.
Минеральные вещества участвуют в нейтрализации кислот и служат для предотвращения «закисления» организма, т. е. развития так называемого ацидоза, резко нарушающего нормальное течение реакций обмена веществ и приводящего к развитию ряда патологических расстройств. Изучение роли минеральных веществ в организме как составной части питания тесно связано с предупреждением ряда эндемических заболеваний — эндеми
30
ческого зоба, флюороза, встречающихся в определенных регионах.
Макроэлементы. Минеральные вещества входят в состав всех тканей организма человека и постоянно расходуются в процессе жизнедеятельности.
Хлор. Это жизненно важный элемент, участвующий в образовании желудочного сока, формировании плазмы, активизирует ряд ферментов.
Среди разнообразных минеральных солей, которые человек получает с пищей, значительное место занимает поваренная соль. Пресная пища, даже самая разнообразная, быстро приедается и вызывает отвращение. Кроме того, поваренная соль необходима для поддержания нормального количества жидкости в крови и тканях, она влияет на мочевыделение, деятельность нервной системы, кровообращение, участвует в образовании соляной кислоты в железах желудка.
Всего в организме содержится около 300 г соли, а за год человек съедает около 5,5 кг соли. В дополнение к 3...4 г соли, содержащимся в натуральных пищевых продуктах суточного рациона, несколько 1раммов соли съедается с хлебом (в 100 г ржаного хлеба содержится около 1,5 г, а в 100 г пшеничного хлеба — 0,5...0,8 г соли, несколько граммов добавляется при варке пищи. В среднем за день следует употреблять до 12 г соли.
Несмотря на то что хлор поступает в организм человека в основном в виде хлорида натрия, пути обмена хлора и натрия неодинаковы. Определенный интерес представляет способность хлора отлагаться в коже, задерживаться в организме при избыточном поступлении, выделяться с потом в значительных количествах. Содержание хлора в пищевых продуктах незначительно, он поступает в организм в основном в виде поваренной соли. В плазме крови человека, как правило, содержится 340...380 мг% хлора.
Нарушения в обмене хлора ведут к таким патологическим состояниям, как развитие отеков, недостаточная секреция желудочного сока и др. Резкое уменьшение содержания хлора в организме может привести к тяжелому состоянию, вплоть до смертельного исхода. Повышение содержания хлора в крови наступает при обезвоживании организма, а также при нарушении выделительной функции почек.
Кальций. Костный скелет составляет около 1/5... 1/7 массы человеческого тела, а кости на 2/3 состоят из минеральных солей. В состав костной ткани входит около 99 % всего кальция, имеющегося в организме человека. Однако оставшаяся часть кальция играет большую роль, участвуя в самых разнообразных процессах обмена веществ. Соли кальция присутствуют почти во всех пищевых продуктах, но усваиваются организмом человека на 10...40 %. Для обеспечения организма необходимым количе
31
ством солей кальция нужно включать в пищевой рацион продукты, содержащие достаточно хорошо усвояемый организмом кальций. К таким продуктам относятся молоко (120 мг%), молочнокислые продукты, сыр (1000 мг%), яичный желток (250 мг%).
Суточная норма кальция для взрослых 800 мг. В более высоких нормах нуждаются доги и подростки (деги до 7 лет — 1000 мг/сут, от 7 до 11 лет — 1200, от И до 14 лет — 1500, от 14 до 18 лет — 1400, беременные женщины — 1500 и кормящие матери — около 2000 мг/сут. Многие соли кальция сами по себе или в сочетании с другими веществами используются в качестве лекарственных средств.
Фосфор играет большую роль в жизнедеятельности организма. Кроме участия в образовании костной ткани в значительном количестве фосфор входит в состав нервной ткани, поэтому он необходим для нормальной деятельности нервной системы. Соли фосфора содержатся почти во всех пищевых продуктах как растительного, так и животного происхождения. Много фосфора содержится в орехах, хлебе (200 мг%), крупах (350), мясе (около 180), мозгах, печени, рыбе (250), яйцах, сыре (500...600), молоке (90 мг%).
Суточной нормой фосфора для взрослого человека считают 1600 мг. Потребность в фосфоре у беременных составляет 3000 мг/сут, а у кормящих матерей — 3800 мг/сут.
Магний — жизненно важный элемент, участвующий в формировании костей, регуляции работы нервной ткани, в обмене углеводов и энергетическом обмене.
Соли магния имеют большое значение для нормальной деятельности сердечно-сосудистой системы. Особенно они необходимы в пожилом возрасте, так как способствуют выведению из организма избыточного количества холестерина. Большое количество солей магния содержится в отрубях, а следовательно, и в хлебе из муки грубого помола (180 мг%), в греяневой и ячневой крупах (70 мг%), в морской рыбе (30 мг%).
Взрослый человек должен в день получать 500 мг магния, беременные женщины и кормящие матери — 925 и 1250 мг соответственно, деги до 3 лет — 140 мг/сут, 14...17 лег — до 530 мг. В сыворотке крови человека в норме содержится 1,6...2,9 мг% магния.
Калий имеет особенно важное значение для обеспечения нормальной деятельности сердечно-сосудистой системы, так как он усиливает мочевыделение. Бахчевые овощи (тыква, кабачки, арбузы), яблоки, курага, изюм, содержащие большое количество солей калия (570...1100 мг%), рекомендуются людям, страдающим заболеваниями сердца и гипертонической болезнью.
Суточная потребность организма в калии приблизительно равна 2...3 г. В плазме крови человека калия содержится 16...19,6 мг%.
32
Микроэлементы. Железо играет исключительно важную роль в кроветворении. Много железа в печени, почках, бобовых (6000...20000 мкг%). Белый хлеб из муки высшего сорта беден железом (900 мкг%). Потребность в железе (14 мг в день) обычно покрывается пищевым рационом, но следует учитывать, что оно полностью не усваивается организмом.
Потребность организма в йоде также незначительна (100...150 мкг в день), но отсутствие его в пищевых продуктах приводит к нарушению деятельности щитовидной железы и развитию так называемого эндемического зоба. Для предупреждения развития этого заболевания в поваренную соль, которой снабжается население районов, где почва и вода не содержат йода, добавляют некоторое количество солей йода. Много солей йода содержат морская рыба (70 мг%) и продукты моря (до 70000 мкг%).
Соли кобальта, который относится к микроэлементам, играют большую роль в кроветворении, так как кобальт входит в состав витамина В]2- В значительном количестве они содержатся в горохе, свекле, красной смородине, клубнике.
Большое значение для организма имеют микроэлементы: стронций, марганец, цинк, цезий и др. Организм нуждается лишь в ничтожно малых, следовых количествах этих элементов, однако роль их в обмене очень велика.
Стронций входит в состав костей человека. Пища, богатая стронцием, вызывает расстройство окостенения скелета, известное под названием стронциевого рахита. Оно по своим признакам напоминает обычный рахит, но не излечивается приемом витамина D.
Марганец входит в состав молекул некоторых ферментов и стимулирует их активность.
Цинк содержится в ряде ферментов, абсолютно нуждающихся в нем для проявления своей активности. Потребность в цинке обеспечивается обычным рационом 5,5...22 мг/сут.
Цезий входит в состав животных тканей в очень незначительных количествах, его физиологическая и биологическая роль полностью не выяснена.
Бром — постоянная составная часть различных тканей организма человека и животных. В тканях млекопитающих содержание брома различно и колеблется в пределах 0,1...0,7 мг%. Значительно выше концентрация брома в гипофизе. В организм человека бром поступает главным образом с пищевыми продуктами растительного происхождения, небольшое количество его поступает с поваренной солью, содержащей примесь брома. Соли брома широко применяются в медицине в качестве лекарственных средств.
Фтор в небольших количествах содержится во всех тканях человека. В крови человека содержание фтора колеблется в пре
33
делах 0,03....0,07 мг%. Значительно больше его в костях (10...30 мг%), особенно много его в зубах (в эмали 120...150 мг%, в дентине 50 мг%). В костях и зубах фтор находится в нерастворимом состоянии в виде фгоркальциевой соли фосфорной кислоты и фторапатита. В организм фтор поступает преимущественно с питьевой водой. Оптимальное содержание фтора в воде колеблется в пределах 0,5...1,2 мг в 1 л. В местностях, где содержание фтора в воде низкое и пищевые продукты бедны фтором, у людей часто встречается такое заболевание, как кариес зубов. Избыток же фтора вызывает другое заболевание — флюороз (крапчатость зубной эмали).
Контрольные вопросы
1.	Какие виды обмена веществ происходят в организме человека?
2.	Какие вы знаете свойства белков, используемые в пищевых технологиях?
3.	Каково значение жиров для организма человека, их свойства и роль в пищевых технологиях?
4.	Как классифицируются углеводы и какова роль основных видов углеводов в пищевых технологиях?
5.	Как классифицируются витамины и минеральные вещества?
Раздел II НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава 3
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ
Технология пищевых производств, изучающая способы переработки сырья в продукты питания, базируется на закономерностях фундаментальных наук — физики, химии, биологии и др.
В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы — закон сохранения массы и закон сохранения энергии.
Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания.
В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в результате которых и происходит превращение сырья в пищевые продукты.
В настоящем разделе изложены теоретические основы технологических процессов пищевых производств.
ДВА ВИДА ПЕРЕНОСА
Изучение многих технологических процессов позволило выявить нечто общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие по крайней мере одного из двух возможных видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продуют. Это перенос энергии или перенос массы.
Фундаментальные законы сохранения массы и энергии, па которых основаны любые наши представления о процессах, подтверждают справедливость такого предположения. Для наглядности рассмотрим следующий пример. Возьмем какой-либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 1). В аппарат подаются сырье в количестве Л/д и Л/д и технологические добавки в количестве Мс, а из аппарата выходят готовый продукт в количестве Л/р и отходы производства Л/р. Воспользовавшись законом сохране-
35
ния массы, получим
AQ + Mg + Мс — Mj) + Mg или
SA'/„y = XMK,n.
15Л	DbiA
(3.1)
Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (3.1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат, в другие.
Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис. 2), уравнение материального баланса (3.1) принимает форму уравнения неразрывности потока

(3.2)
где w], >V2 и ю — средние скорости движения жидкости в соответствующих сечениях; 51, & и 5з — площади живого сечения в плоскостях 1—1; 2—2; 3—3.
Живое сечение — это сечение, заполненное жидкостью. Если при безнапорном движении в трубе наблюдается свободная поверхность движущейся жидкости, то живое сечение соответствует только площади сечения самой жидкости. При напорном движении площадь живого сечения совпадает с площадью сечения трубы.
Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (так называемая внутренняя энергия, или энтальпия) £4, Eg, Eg и Ед а также кинетическая энергия движущихся потоков Eq Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований £пр, и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например потери теплоты в окружающую среду £jOT и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Етр (рис. 3).
Рис. 1. К уравнению материального баланса
Рис. 2. К уравнению неразрывности потока
36
Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:
£л + £2, + £с+£пр = (3.3)
=ED+ ЕГ+ Епт+ Етр’ или
X£BV = ££.,,,„.
DA	DOIA
Уравнение (3.3) получило на- энергетическогГб™^ звание энергетического баланса аппарата. Очень часто в расчетах реальных аппаратов рассчитывают количество расходуемой теплоты. Поэтому уравнение (3.3) называют еще тепловым балансом аппарата. Заметим, что наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии — теплоты или переносом кинетической энергии — количества движения.
Прежде чем перейти к описанию общих закономерностей любого переноса, выясним причины, по которым вещество или энергия переходят из одного компонента в другой. Но вначале обсудим причины, вызывающие распространение вещества или энергии от источника в пределах одного физического тела.
ДВИЖУЩАЯ СИЛА ПРОЦЕССА
Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия. Для характеристики этого неравновесия воспользуемся известными из физики (раздел «Электричество») понятиями поля и потенциала.
Подобно электрическому полю, образующемуся вокруг точечного заряда в пространстве, Точечный источник теплоты образует тепловое температурное поле. Это справедливо для точечного источника любого вида энергии и массы. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства.
Если речь идет об источнике теплоты, то температура в пространстве вокруг него зависит от положения точки и от времени:
T=f(x, у, z, т).	(3.4)
Если изменений температуры во времени нет, то выражение упрощается и мы говорим о стационарном поле в отличие от первого, нестационарного:
T=f(x, у, z).
(3-5)
37
Рис. 4. Схема температурного поля
Каждая точка электрического поля характеризуется своим потенциалом. Ток возникает между двумя точками поля, если потенциалы в них различны. Таким образом, движущая сила процесса есть разница потенциалов в двух точках рассматриваемого пространства.
Разность потенциалов в двух точках температурного поля есть разность температур. Аналогично в качестве движущей силы дру
гих технологических процессов выступает разность концентраций или разность химических потенциалов. В целом ряде процессов движущей силой является
механическая сила.
Рассмотрим точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства (рис. 4). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается температура Т— const, а на поверхности В — температура на АТ выше:
Т+ Д7’= const.
Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением АТ к отрезку, на котором это изменение достигнуто. Очевидно, что наибольшая скорость достигается в направлении нормали к поверхности п.
Таким образом, отношение АТ/Ап характеризует максимальную скорость изменения температуры.
Воспользуемся знаниями из математики:
= <3-6>
Градиент — величина векторная, он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т. е. навстречу потоку теплоты. Для трехмерного пространства с осями х, у, z градиент записывается уравнением
g^T=^i + ^i + ^k.	(3-7)
ex еу ez
Подобных! образом для характеристики поля концентрации С для одного направления
йгаЗС=^щ	(3.8)
еп
38
а для пространства
gradC =	+ ^k.	<3-9)
b ax 8y az
Понятие «градиент» является универсальным для характеристики любого поля.
ЗАКОНЫ ПЕРЕНОСА МАССЫ И ЭНЕРГИИ
Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление осуществляемому действию. Эти тривиальные рассуждения можно выразить уравнением
£ = (1/^)Д,	(3.10)
где L — скорость протекания процесса; R — сопротивление переносу; А — движущая сила.
Величину 1/Д можно заменить проводимостью К, и полученное выражение примет вид
£=ЛЛ.	(3.11)
Это выражение носит название основного (общего) кинетического уравнения. Зная движущую силу конкретного процесса, воспользовавшись общим кинетическим уравнением, можем получить основное уравнение для любого процесса.
Для процесса теплопередачи
q = kkt,	(3.12)
где q — скорость переноса теплоты, удельный тепловой поток, ДжДлАК-с); к — коэффициент теплопередачи, Дж/(м-Кс); [или Вт/(м2К)1; At — движущая сила, т. е. средняя разность температур, К (или ’С).
Тепловой поток — это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени,
q=Q/Ft,	(3.13)
где Q — количество теплоты, Дж; F— площадь поверхности, через которую передается теплота, м2; т — время, с.
Для процесса массопередачи удельный поток массы (кг/(м2 с)] m = Krt^C,	(3.14)
где Кт — коэффициент массопередачи, размерность которого зависит от размерности концентрации, например, кг/[м2-(кг/м’)с[ либо (м/с); АС—движущая сила — средняя разность концентраций, кг/м .
39
m = M/Fz,	(3.15)
где M— количество переносимого вещества, кг; У7—площадь поверхности, через которую осуществляется перенос, м , т — время, с.
Для гидродинамических процессов, например для фильтрования, кинетическое уравнение примет следующий вид:
E/Fx = v = AAp,	(3.16)
где V—объем получаемого фильтрата, м3; F— площадь, через которую осуществляется фильтрование, м2; т — время, с; v — скорость фильтрования, м /(м2с) или м/с; К— коэффициент, характеризующий проводимость фильтрующей перегородки, м3/(м2с-Па) или м-с/кг; Ар — разность давлений, Па.
Последнее уравнение известно в литературе как уравнение фильтрования Дарси.
Приведенные выше кинетические уравнения различных процессов получены нами из основного кинетического уравнения, что демонстрирует единство материального мира. Еще более убедительно это единство проявляется при анализе дифференциальных уравнений, описывающих рассмотренные нами процессы.
Анализ общего кинетического уравнения (3.11) показывает, что увеличить скорость процесса можно, увеличивая движущую силу либо уменьшая сопротивление. В этом состоит принцип интенсификации технологических процессов.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
Все процессы по движущей силе и типу переноса можно разделить следующим образом (табл. 3.1).
Та бл и ца 3.1
Тип переноса	Движущая сила	Процессы	Технологические операции
Перенос коли- Механическая Механичес- Дробление, резание, сортиро-чества движе-	сила, давле-	кие, гидроме-	вание, прессование, отстаи- ния	ние	ханические	вание, фильтрование Перенос теп-	Разность тем-	Тепловые	Нагревание, охлаждение, лоты	ператур	выпаривание, конденсация Перенос	Разность кон-	Массообмен-	Сушка, экстракция, адсорб- массы	центраций	ные	ция, абсорбция, кристалли- зация, растворение, перегонка			
Данная классификация затрагивает лишь основные процессы пищевых производств. Сюда не вошли процессы, характерные для отдельных отраслей, например химические, биохимические, микробиологические и т. д., которые изучаются в разделах специальной технологии.
40
ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Технологический процесс может быть осуществлен при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т. д. различны. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а выход — наибольшим. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях называется оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.
Начнем с того, что каждый процесс может быть периодическим или непрерывным. Для промышленных производств наиболее предпочтительны непрерывные процессы. Это и более высокая производительность соответствующих аппаратов, и снижение затрат на автоматизацию управления процессом, и постоянство качественных показателей выходящей продукции. При периодической работе аппарата возникают большие потери теплоты и механической энергии. Это связано с остановкой аппарата для его разгрузки, а затем с пуском его в работу и выводом на рабочий режим. Первый принцип оптимизации технологических процессов постулировал проф. В. Н. Стабников с сотрудниками: «Оптимально организованный процесс — это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс» [10],
В каждом непрерывном процессе можно по-разному организовать движение взаимодействующих потоков. Можно направить потоки навстречу друг другу (противоток); можно направить их в одном направлении (прямоток); можно организовать перекрестное движение потоков. Вопрос о преимуществах способа организации движения взаимодействующих потоков должен решаться с учетом конкретных условий. Однако в большинстве случаев оптимальным является противоточное движение взаимодействующих потоков.
Кроме направления движения потоков интенсивность процесса переноса зависит также от площади поверхности, через которую происходит перенос. Если взаимодействующие потоки перемешиваются друг с другом, то интенсивность тем выше, чем чаще встречаются друг с другом свежие, ранее не вступавшие в контакт их части. Поверхность контакта как бы непрерывно обновляется. Этот процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и скорость их движения. Поверхность контакта можно увеличить, если распылять один компонент в другом, например жидкость в газе.
41
Оптимизация процесса предполагает также максимальную утилизацию теплоты. Поэтому покидающие аппарат, потоки, имеющие высокую температуру, могут быть использованы для подогрева других потоков, участвующих в производстве. Кроме того, современное производство немыслимо без решения проблем охраны окружающей среды, исключения вредных выбросов. Наши представления об оптимальных процессах сегодня тесно связаны с созданием замкнутых безотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией энергии и отходов.
Наибольшие трудности расчета связаны с определением кинетического коэффициента переноса. Этот коэффициент, учитывающий сопротивление, зависит от множества факторов: свойств взаимодействующих фаз, скорости их движения и, самое главное, режима движения на границах раздела. Несмотря на наличие большого объема экспериментальных сведений о различных конкретных процессах, современная наука о процессах и аппаратах еще не располагает единой аналитической теорией расчета кинетических коэффициентов.
Конпрвльные вопросы
1.	Какие основные законы природы используются при расчете процессов?
2.	Что называется движущей силой процесса? Какие движущие силы вы знаете?
3.	Что учитывает основное кинетическое уравнение?
4.	По каким признакам классифицируются технологические процессы?
Глава 4
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ
Уравнения, которыми пользуются для расчетов большинства процессов, принято называть критериальными. Получены они путем обобщения экспериментальных данных на основе теории подобия. Эта теория позволяет сформулировать правила построения действующих моделей аппаратов, изучить на этих моделях закономерности изменения отдельных параметров процесса и полученные результаты использовать при создании реального аппарата. Такой путь предполагает создание физической модели реального аппарата и выполнение на этой модели большого числа экспериментов. Этот способ изучения процессов получил название физического моделирования.
Современные средства вычислительной техники позволяют облегчить получение этих результатов. Для этого достаточно описать процесс с помощью дифференциальных уравнений, создать математическую модель процесса. Система таких уравнений содержит, как правило, число неизвестных, которое превы
42
шает число уравнений, и не может быть решена обычным путем. С помощью современных ЭВМ такая система может быть решена численными методами.
К сожалению, математическое моделирование возможно только для тех процессов, для которых накоплен достаточный объем знаний и которые уже описаны дифференциальными уравнениями. На практике мы часто сталкиваемся с процессами, которые из-за сложности физических явлений невозможно описать математически. Например, хорошо известное и сопровождающее все процессы переноса явление перемешивания в жидкостях и газах до сих пор не получило достоверного математического описания. Поэтому современные исследования оптимальных условий явлений переноса сопровождаются большим объемом экспериментов. С тем чтобы сократить объем экспериментов, инженер располагает теорией математического планирования экспериментов, с основами которой можно познакомиться в специальной литературе.
Как уже отмечалось, по экономическим соображениям эксперименты выполняются не в промышленных аппаратах, а на моделях. При этом накопленные теоретические знания как бы объединяются с экспериментальными. Такой метод исследования получил название синтетического в отличие от аналитического, основанного на строгих уравнениях, описывающих изучаемое явление, или от экспериментального, основанного на опыте.
Ниже, на примере гидромеханических процессов мы рассмотрим некоторые законы, по которым создаются модели на основе теории подобия.
УРАВНЕНИЯ НАВЬЕ - СТОКСА
Учитывая все физические свойства жидкости (р = const; р = const), рассмотрим наиболее общий случай движения жидкости. Сформулируем задачу без каких-либо ограничений, т. е. рас-
смотрим поток вязкой несжимаемой однородной жидкости, движущийся с постоянной скоростью w в любой точке мирового пространства. На любой элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz„ который можем выделить внутри такого потока жидкости (рис. 5), действуют следующие силы: сила тяжести G, силы давления Р, направленные перпендикулярно к граням параллелепипеда, силы
Рис. 5. К выводу уравнения Навье—Стокса
43
трения 7', действующие вдоль граней, и сила инерции R, направление которой зависит от направления ускорения.
Для начала рассмотрим движение выделенного жидкого объема только вдоль оси х, заменив действие на параллелепипед отброшенных объемов соответствующими силами:
1.	Поверхностные нормальные силы Р[ и Р2 действуют на грани, площадь которых dydz справа и слева
P{—pdydz;	(4.1)
Р2 = (р + ^dx)dydz.	^-2)
Предположим, что давление р возрастает в направлении х.
2.	Поверхностные касательные силы трения на верхней и нижней гранях
Т] = adxdy,	(4.3)
Т2 = (о + ~dZ)dxdy,	(4-4)
где с — напряжение сдвига, Н/м2.
В соответствии с законом вязкого трения Ньютона ст = pdw/dz, где ц — коэффициент динамической вязкости, Па-с.
Направления сил 7\ и Т2 выбраны нами произвольно из предположения, что нижние слои жидкости тормозят движение вдоль оси х, а верхние, наоборот, увлекают параллелепипед в это движение.
3.	Массовые силы:
сила тяжести, действующая на элементарный параллелепипед
Gx = dmgx = pdxdydzgx,	(4.5)
сила инерции
„	,	, dw	(Л (.}
Rx = dm--- - pdxdydz- --,	' ‘ '
Л dt	ат
где p — плотность жидкости, из которой состоит параллелепипед, кг/м3.
Применяя правило Д’Аламбера, запишем условия равновесия для движения вдоль оси х:
Pl-P2-Tl+T2+Gx-Rx^0.	(4.7)
44
Заметим, что в общем случае, когда ось z не вертикальна, сила тяжести проецируется на ось х.
Подставив записанные ранее выражения для отдельных сил в уравнение (4.7), получим:
pdydz ~ (р + ^dx)dydz — udxdy +	(4.8)
+ (а + ~dz)dxdy + pgYdxdydz — pdxdydz— - 0.
OZ	их
Раскрыв скобки и поделив последнее уравнение на dx dy dz, получим
Входящая в это уравнение в частных производных полная dWr г-
производная скорости требует отдельного рассмотрения.
их
Скорость движения выделенного бесконечно малого объема в направлении оси х зависит от его положения в пространстве (от координат) и от времени, т. е. является функцией четырех переменных,
wx=/(x, у, z, т).
В свою очередь, положение этого объема в пространстве (координаты) также зависит от времени:
Z=/3(t).
Полная производная такой сложной функции примет вид
= + + + (41°) ch dx ch dy dr dZ di dz
Заметим, что входящие в это уравнение множители — производные и — — являются скоростями по соответствующим ch dr ch
направлениям. В связи с этим выражение (4.10) можно представить в виде
dwr dw dw dwr dw	(4.11)
—4 = w —- + w„— + W-~ 4- — ch x dx У dy Z dz dz
Выражение (4.11) характеризует изменение какого-либо параметра или свойства материи (субстанции) при перемещении ее в пространстве и получило название субстанциональной производной.
45
Для принятого нами одномерного движения
— 0 и w = 0;
выражение ускорения, вызывающего силу инерции, примет вид
r/w	dw	(4 I?)
—— = —- + w —‘	'
di дх x fix
Как видим, к привычному нам представлению ускорения как изменению скорости во времени добавляется еще одно слагаемое, характеризующее изменение скорости в пространстве в один и тот же момент времени. Последнее связано с перемешиванием внутри сплошной среды и называется конвективным изменением скорости.
Теперь упростим второе слагаемое в уравнении (4.9). Вспомним, что
dw
Продифференцируем это выражение
fia_2f	.^5
Sz fiqj1 dz J	dz2 '
В общем случае составляющая скорости wx изменяется не только в направлении z, но и в направлении у и х, поэтому
0а Sa Sa (^wx &Wx — + — + — = LI —v + —v dz dy Ox	dy2
= pV2^
э
где V — сумма вторых производных по осям, называемая оператором Лапласа.
После преобразования уравнение (4.9) примет следующий вид:
dp „2	dwx 0И\-	(4.13)
— — + pVzivY + pgy - pw —- + p~—.
8x r X x И X dx Г
Если повторить все проделанные преобразования для направлений у и z, получим систему уравнений:
dn	з	ewx	C’W,
“5 + ^Ч + р&=р^ + р^;
an i	<4	8w
-^ + HV25 + pg>=p^+p^;
dn	T	dWX	dW7
-fz + ^wz + PZz = PWC^ + Pft" ’
(4-14)
46
Эти уравнения получены независимо в 1822 г. французским ученым А. Навье и английским ученым Д. Стоксом и получили название уравнений Навье — Стокса.
В начале вывода мы сказали, что будем рассматривать наиболее общий случай движения несжимаемой жидкости, вводя как можно меньше ограничений С этой точки зрения полученные уравнения являются фундаментальными. Однако практическая значимость их оказалась весьма ограниченной из-за невозможности получить решение в общем виде. Известны решения только для некоторых частных случаев. Таким решением, например, является полученное для установившегося ламинарного движения уравнение Пуазейля, которое было выведено автором другим способом. Трудности решения системы уравнений Навье — Стокса связаны со многими обстоятельствами. Во-первых, система, состоящая из трех уравнений, объединяет 13 неизвестных Др, wx, Wy, wz, gx, gy, gz, x, y, z, t, p, ц) = 0 и требует для решения введения дополнительно еще 10 уравнений. Уравнения Навье— Стокса описывают класс явлений, связанных с любым движением жидкости. Конкретизируя задачу, мы можем формулировать целый ряд условий, например, движение воды (известны плотность р и вязкость р.) осуществляется в круглой трубе диаметром d и длиной I, причем обеспечивается расход воды .Ж Таким образом, эта конкретизация позволяет записать дополнительно еще по крайней мере четыре уравнения, в том числе уравнения расхода и потерь напора. Подобные дополнительные условия позволяют из класса явлений однозначно выделить одно и потому называются условиями однозначности. К условиям однозначности относятся: геометрические характеристики потока; основные физические свойства среды; граничные условия, показывающие, что происходит на границах рассматриваемого потока в данный момент времени; начальные условия.
Даже если бы удалось, используя условия однозначности и пойдя на допустимые упрощения, замкнуть систему уравнений, аналитически решить ее было бы невозможно из-за трудностей, связанных с интегрированием уравнений в частных производных.
Покажем метод преобразования уравнений Навье — Стокса на основе теории подобия, который можно рассматривать как искусственное решение системы.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ
Общеизвестны условия геометрического подобия. Для двух плоских фигур, изображенных на рис. 6, эти условия могут быть записаны так:
= = = = = K <415) й2 ^2 С2 ^2 е2 Л
47
Рис. 6. Геометрическое подобие
В общем случае это условие можно сформулировать коротко:
т. е. для двух геометрически подобных фигур отношение любых сходных линейных размеров — величина постоянная. Эта постоянная величина к/ называется множителем масштабного преобразования.
Площади поверхности указанных фигур будут относиться друг к другу как квадраты их линейных размеров
<4-17>
s2 4
Тогда условие геометрического подобия площадей можно выразить через множители масштабного преобразования длин:
Ks = icj.	(4-18)
Это справедливо и для объемов двух геометрически подобных тел:
ку= к^,	(419)
или
ку— k^j.	(4.20)
Условие подобия фигур на рис. 6 можно записать иначе:
"1 аг 
-г = ~г = h= const.
ь\ ьг 1
Другими словами, в случае геометрического подобия отношение между двумя величинами, имеющими одинаковую размер
48
ность для одной системы, равно отношению соответствующих величин другой системы. Это отношение получило название «инвариант подобия».
Заметим, что для подобных систем справедливо представление инвариантов подобия для объемов в следующем виде:
(4.21)
р ~ р
'1 ‘г
С другой стороны,
И = ку*2, а
4 = к112-
Подставив в уравнение (4.21) значения Vy и 4, получим:
kvV2 У2
«’4 4’
Это справедливо, если
Инварианты подобия могут быть представлены комплексом отношений соответствующих множителей масштабного преобразования, что будет использовано нами ниже.
Аналогично можно предположить, что существует возможность сформулировать и условия подобия физических явлений, которые будут гораздо сложнее геометрических.
Подобными называются явления, которые в общем и в подробностях полностью повторяют друг друга в различных масштабах. Это определение предполагает, что кроме геометрического подобия (необходимого, но недостаточного) для двух подобных явлений должно соблюдаться физическое подобие.
ФИЗИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ
По аналогии с геометрическими условиями для физического подобия мы вправе также потребовать выполнения равенства определенных инвариантов. Рассматривая подобные явления, происходящие в модели и в реальном объекте, мы можем записать, как и раньше для физических свойств жидкости,
где индексы 1 относятся к модели, а индексы 2 — к реальному аппарату; Ац И Л"р — множители масштабного преобразования вязкости и плотности соответственно.
49
Для других физических параметров получим: м'1	Д,	F,
- =	- = v	^KF,
где ки, Кр, кр— множители масштабного преобразования скорости, давления и силы.
Подобно
т2 где кт — множитель масштабного преобразования времени, условие гомохронности.
КРИТЕРИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ.
ПОДОБНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ - СТОКСА
Вернемся теперь к нерешенным нами уравнениям Навье — Стокса (4.14) и перепишем первое из них для направления х:
я„ э	Sw а»
-_£ + klV2llx + pgx=;pW_ + p—
J,	4<
Р Т G R2
4
Под соответствующими слагаемыми этого уравнения укажем для памяти те силы, которые они представляют. Здесь сила — сила инерции первого рода, связанная с изменением скорости во времени, а сила Т?2 — сила инерции второго рода, связанная с изменением скорости в пространстве в один и тот же момент времени.
Имея в виду, что нами рассматриваются два подобных явления, напишем теперь это уравнение для модели (индекс 1) и для натуры (индекс 2). Для удобства индекс х в дальнейшем писать не будем.
др, ,	(4.22)
__L+plV2W]+pigi = piWi„ + pi__;
др2 2	8w2 dw2	(4.23)
“	+ P2VS + P2«2 “ P2H'2^ + Р2К/
Используя множители масштабного преобразования, перепишем уравнение (4.23), заменив в нем соответствующие величины для натуры величинами для модели,
50
К ^Р\	k'W О
(4-24)
к„ dwi	Kr.dw\
= ViWi^^ + ¥i^
Поясним, что множители масштабного преобразования являются константами подобия, а второе слагаемое получено нами следующим образом:
3	л 6w,
g2V2M/2 = p2(~—+
Ъ'г
&2 dz/
«2 X + 8ух
a 6wi	к^.	-1
Сравнивая уравнения (4.22) и (4.24), приходим к выводу, что уравнение (4.24) может быть справедливым только в том случае, если комплексные множители, составленные из множителей масштабного преобразования, равны между собой:
(4-25)
Такие комплексы получили название индикаторов подобия.
Выражение (4.25) формулирует условия подобия двух явлений через равенство индикаторов подобия. Полагая, что эти комплексные множители несут в себе физический смысл тех слагаемых, от которых они получены, можем, как и раньше, подписать под ними соответствующие силы.
Сравним теперь между собой силы, действующие в системе, используя индикаторы подобия. Удобно сравнивать все действующие в системе силы с силой инерции /?2-
Сравнивая силу давления Р с силой /?2, получим
Р
Р К/
или
51
Заменяя множители масштабного преобразования отношением соответствующих величин, получим
А
Рг <	Р\	Pi
—- 1	или	—— =
₽Л	₽1И'1	Р2И2
Рг
Если бы мы рассматривали не два, а несколько подобных явлений, указанное равенство оказалось бы справедливым для любого из них
—j = —у = ... = -А,- = idem (одно и то же). рХ р2и£ ри/
Полученный безразмерный комплекс величин, одинаковый для всех подобных явлений, получил название критерия Эйлера:
Еи = -^.	(4-26)
рУГ
Хотя критерий не имеет размерности, не следует забывать о его физическом смысле:
Сила давления Сила инерции
= Критерий Эйлера.
Другими словами, критерий Эйлера является мерой отношения сил давления и сил инерции, действующих в системе. Он отражает влияние перепада гидростатического давления на движение жидкости.
Сравним далее с силой инерции R2 силу вязкого трения Т, используя соответствующие инварианты подобия,
или
W/
Аналогично предыдущему имеем

£154 р2 ^2

И1 p/l^l
= idem. plw
52
Для практического пользования полученный безразмерный комплекс оказался неудобным, и в качестве критерия принята обратная его величина
'^ = Re — критерий Рейнольдса.	(4-27)
в
Критерий Рейнольдса является мерой отношения сил инерции и сил вязкого трения в системе:
Сила инерции _ [фитерий Рейнольдса,
Сила трения
т. е. отражает влияние сил трения на движение жидкости.
Блестящее экспериментальное подтверждение справедливости теории подобия было дано английским исследователем О. Рейнольдсом, имя которого и носит полученный выше критерий. Рейнольдс установил существование двух режимов движения жидкости: ламинарного (слоистого), если влияние сил трения достаточно велико и численные значения критерия Re<2320 для круглых труб, и турбулентного, сопровождающегося перемешиванием, когда влияние силы трения падает. Строго говоря, совершенное перемешивание в потоке наблюдается при Re> 13800.
В пределах изменения значения 2320<Re< 13800 имеет место так называемый переходный режим движения жидкости, где вначале в силу инерционности может сохраняться ламинарное течение, которое не является устойчивым и легко разрушается любыми внешними воздействиями.
Сравнивая влияние сил тяжести
G «2
КрТ,
инерции, получим
и
к к
р ? — 1 -
= 1-
А2 ’
-	= # _ idem
Как и в предыдущем случае, удобнее пользоваться обратным значением комплекса, получившего название критерия Фруда,
^.Fr.	<4М>
gl
Критерий Фруда является мерой отношения силы инерции и силы тяжести:
- Критерий Фруда.
Сила тяжести -г	г;
53
Этот критерий сравнивает механические силы, действующие в системе, с силами тяжести. Например, в центробежном поле он является характеристикой интенсивности.
Наконец, сравнивая силы инерции первого Rj и второго рода, получим
/С к
• “Л ’ ki
I, I,	i
—— =	- ... ~ — = idem.
H’jtj	Wt
Полученный критерий гомохронности — единственный критерий, содержащий время, является характеристикой неустано-вившихся процессов:
-7= Но.	(4-29)
Возвратимся теперь к тому месту наших рассуждений, где нам удалось сформулировать условия подобия в виде равенства индикаторов подобия (4.25). Мы исходили из уравнений (4.22) и (4.23), записанных для двух подобных явлений. Следовательно, полученные критерии являются одинаковыми (idem) только для любых подобных явлений. Этот вывод сформулирован в первой теореме подобия — теореме Ньютона: Подобные явления в сходственных точках имеют численно равные значения безразмерных критериев. Но сами равенства (4.25) были нами получены из дифференциальных уравнений Навье — Стокса (4.22) и (4.23), т. е. правомерен следующий вывод, который сформулирован во второй теореме подобия: Решение любого дифференциального уравнения, связывающего между собой переменные, влияющие на процесс, может быть представлено в виде зависимости между безразмерными комплексами этих величин, т. е. в виде критериального уравнения.
Эта теорема была сформулирована и доказана независимо Бакингемом, Федерманом и Афанасьевой — Эренфест.
Дифференциальные уравнения (4.22) и (4.23) можно записать в виде функции
/ (р, w, g, ц, р, х, у, z, т) = 0.	(4.30)
Используя данные критерии вместо этой функции, получим
/1 (Eu, Re, Fr, Но) = 0.	(4.31)
54
Таким образом, исходные дифференциальные уравнения связывали 9 переменных, а полученная нами функция (4.31) связывает 4 переменных.
Каждая из таких новых переменных (критерий) обобщает в себе несколько переменных из функции (4.30) и называется обобщенной переменной. Значение теории подобия не исчерпывается уменьшением числа переменных. Как будет показано ниже, она дает возможность построить модели, в которых осуществляются подобные процессы, и, получив опытные данные на этих моделях, записать функцию (4.31) в явном виде.
Так как в практических задачах, связанных с движением жидкости определяют необходимый перепад давления, то функцию (4.31) записывают в следующем виде:
Ей = /2 (Re, Fr, Но).
(4.32)
Поэтому критерий Ей выступает здесь как определяемый, а все другие — определяющими. Анализируя величины, входящие в определяющие критерии, можно показать, что они составлены только из величин, входящих в условия однозначности. Это позволяет сформулировать третью теорему подобия — теорему М. В. Кир-пичева и А. А. Гухмана: «Подобны те явления, которые описываются одной и той же системой дифференциальных уравнений и у которых соблюдается подобие условий однозначности».
Из подобных условий однозначности вытекает равенство определяющих критериев. Поэтому третью теорему можно сформулировать иначе: «Явления подобны, если их определяющие критерии равны».
Обобщая полученные результаты, можем наметить пути выполнения исследования процесса на основе теории подобия. Прежде всего необходимо получить математическое описание процесса, т. е. дифференциальное уравнение или систему таких уравнений. Затем установить подобные условия однозначности для объекта и модели и построить модель. Далее выполнить подобное преобразование уравнений и найти критерии подобия, составляющие уравнение типа (4.32). Остается проделать на моделях необходимые серии экспериментов в установленных пределах изменения каждого критерия и найти коэффициенты и показатели степени для критериального уравнения на основе функции (4.32).
На примере равномерного движения жидкости рассмотрим методику получения критериального уравнения. Для этого установившегося процесса (скорость не изменяется во времени) неизменными считаем все физические константы. Уравнение (4.32) упростится:
Eu=/(Re, Fr).
(4-33)
55
Критерий Но выпадает из рассмотрения, так как по смыслу он характеризует неустановившиеся процессы. Перепишем функцию (4.33) в форме степенной функции:
Eu = ARemFA1.
(4.34)
' Чтобы получить уравнение в явном виде, необходимо численно определить значения постоянных А, т и и. Для этого проводят ряд экспериментов на модели, в которых измеряют и определяют величины, входящие в критерии Ен, Re и Fr. Затем рассчитывают и записывают в таблицу численные значения критерия Ен в зависимости от значений критериев Re и Fr. Обрабатывают полученные значения функций с помощью ЭВМ или известным способом представления результатов на логарифмических графиках, определяют средние значения постоянных А, т и п. Полученное критериальное уравнение справедливо только в диапазоне изменения параметров во время экспериментов.
МЕТОД АНАЛИЗА РАЗМЕРНОСТЕЙ. л-ТЕОРЕМА
Описанный выше метод решения дифференциальных уравнений на основе обобщенных переменных — критериев, хотя и требует выполнения моделирования для установления численного значения коэффициентов критериального уравнения, является теоретически строгим и широко используется в современной инженерной практике.
Но этот метод годится для исследования процессов, которые уже математически описаны. А как быть, если новый, еще неисследованный, процесс не имеет математического описания? В этом случае критериальное уравнение может быть получено методом анализа размерностей. Возможность применения метода анализа размерностей открыла л-теорема, сформулированная и доказанная Бэкингемом: Всякое уравнение, связывающее N физических и геометрических величин, размерность которых выражена через п основных единиц измерения, может быть преобразовано в уравнение подобия, связывающее л критериев, где
л = N— п.
(4.35)
Эта теорема отвечает на вопрос: сколько критериев подобия должно входить в критериальные уравнение?
Продемонстрируем справедливость л-теоремы на примере определения перепада давления, необходимого для движения жидкости по горизонтальной трубе.
Предположим, что дифференциальные уравнения, описывающие этот процесс, нам неизвестны. Непосредственные наблюде-56
ния позволяют предположить, что необходимый перепад давления Др зависит от скорости движения жидкости w, ее вязкости ц и плотности р, длины трубы / и ее диаметра а, а также ускорения силы тяжести g,
(4-36)
Таким образом, функциональная зависимость (4.36) объединяет семь переменных величин, 7. Представим эту зависимость в степенном виде:
&p = Av^npkW.	(4-37>
Запишем теперь размерность этих величин:
[Vp] = [Па] = [g] = [f^] = 1^1 =	Г-2];
М = [^] = [£Г»];
[р] = [fl = [ML~3]-,
И = [л/] = [£];
М = М = [£];
Ш = Ijl =
Анализ полученных выражений показывает, что в размерность всех величин входят масса М, длина L и время Т. Таким образом, л = 3 и, следовательно,
л=А—л = 7 — 3=4.
Критериальное уравнение, описывающее этот процесс, должно содержать 4 критерия.
Заменив в уравнении (4.37) соответствующие величины их размерностями, получим
[Ар] = mWMW'	(438)
или
ML~lT2 = (LT~{)m(ML~lT'l)n(.ML 3)k(L)W{L'T2Y.
57
Сгруппировав однородные члены, получим
ML~lT~2 — М^п + k)j(m — n — 'Sk + t + s +	п- 2r)
Приравнивая показатели степени при одинаковых основных единицах измерения, получим систему из трех уравнений, содержащих шесть неизвестных,
1 = п + к;
 —1 = т — п — ЗЛ + t + s + г, — 2- — т — п —2г.
Выразим неизвестные т, к и s через и, t и г.
т-2 — 2г — л;
к = 1 — л;
S = Г — п — t.
Подставим полученные значения показателей степени т, к и s в уравнение (4.37):
\р = АмР- ~ 2r~ "Vp(1 ~	п~
или
Лр = Aw2w-2rw~npnp(1 - п>МсГпсГ^.
Объединяя отдельные величины по степеням, получим
= А (^\~п A~r
Таким образом, в полном соответствии с л-теоремой мы получили зависимость между четырьмя безразмерными комплексами, которые представляют собой уже известные нам критерии,
Еи = Же-''Рг~г(-У	(4-39>
а
Отношение l/d характеризует геометрическое подобие системы и носит название симплекса геометрического подобия. Критериальное уравнение (4.39) идентично (4.34), полученному нами подобным преобразованием уравнений Навье — Стокса для установившегося движения.
Значения коэффициентов А, п, г, t находят экспериментальным путем, а полученное критериальное уравнение затем 58
используют в расчетах. Применимость такого уравнения ограничена пределами изменения определяющих критериев в этих экспериментах. В дальнейшем в расчетах процессов и аппаратов мы будем широко пользоваться критериальными уравнениями. Все они получены обобщением на основе теории подобия, опытных данных, накопленных многими исследователями.
Контрольные вопросы
1.	Какие теоремы формулируют условия подобия физических явлений (процессов)?
2.	Что называется инвариантом подобия?
3.	Какие, критерии гидродинамического подобия получены в результате подобного преобразования уравнений Навье — Стокса?
4.	В каких случаях целесообразно применять метод анализа размерностей?
5.	Почему прибегают к моделированию процессов и аппаратов?
Глава 5
РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Неоднородные системы обладают' различной степенью устойчивости и могут быть, как правило, разделены под воздействием механических сил.
В пищевых производствах многие технологические процессы сопровождаются образованием неоднородных смесей, которые в дальнейшем необходимо разделять. Следует считать воздух от пыли, образующейся при измельчении твердых материалов, а также моечные растворы, содержащие твердые частицы, отделять кристаллы от маточного раствора и т. п.
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
Наиболее общий признак любой неоднородной системы — наличие двух (или более) фаз, которые отделены друг от друга выраженной поверхностью раздела. Этим признаком неоднородные системы отличаются от растворов, которые также состоят из нескольких компонентов, образующих однородную смесь. Одну из фаз, сплошную, будем называть дисперсионной, а другую, мелкораздробленную и распределенную в первой, — дисперсной фазой. В зависимости от вида дисперсионной среды различают неоднородные смеси, жидкие и газовые. В табл. 5.1 приведена классификация неоднородных систем по виду дисперсной и дисперсионных фаз.
59
Таблица 5.1
Фаза		Неоднородная система
дисперсионная	дисперсная	
Жидкость	Твердое тело	Суспензии грубые тонкие мути коллоидные растворы
Жидкость	Жидкость	Эмульсии
Жидкость	Газ	Пены
Газ	Твердое тело	Пыли
Газ	Жидкость	Туманы
В зависимости от размера дисперсных частиц — эквивалентного диаметра — классифицируются только суспензии. Понятие «эквивалентный диаметр» весьма условно, так как в смеси присутствуют частицы различных размеров и формы.
Эквивалентным диаметром (м) называют диаметр шара, объем которого V равен объему частицы,
ds = W=i,24^.
J	Я
(5-1)
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущей силы относятся к механическим и гидромеханическим. Многообразие самих систем и способов разделения привело к созданию многочисленных аппаратов, в которых осуществляются непохожие друг на друга процессы.
Процессы осаждения под действием силы тяжести. Применяются там, где система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна. Эти способы используются для разделения грубых суспензий и некоторых промышленных пылей.
Применение центробежного поля позволяет существенно увеличить движущую силу. Сила тяжести в этом случае заменяется центробежной силой, пропорциональной скорости и радиусу вращения частицы. Способ применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсий.
Для отделения пыли в газовых системах используют электростатическое поле, где осаждение происходит в результате взаимодействия частиц с ионизированным газом.
Фильтрование. Процесс разделения неоднородных систем
60
за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку носит название фильтрование. Эти процессы используются для разделения жидких и газовых систем. В качестве движущей силы здесь может использоваться сила тяжести, например разделение суспензий в нутч-фильтре. Более эффективно использование разности давления по разные стороны фильтрующей перегородки. Фильтрование можно осуществить и в центробежном поле.
Эффект разделения — это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды, к начальному его количеству в смеси:
£р = GO/GH 100 %,	(5.2)
ще Go — количество выделенного вещества (осадка), кг; GH — количество дисперсной фазы в начальной смеси, кг.
По укоренившейся терминологии эффект разделения в различных отраслях промышленности называют по-разному. Например, при оценке качества работы циклонов его называют КПД циклона, при очистке сточных вод — эффектом очистки, при сепарировании молока — степенью обезжиривания молока и т. п.
Кроме огромной роли в основных технологических процессах процессы разделения неоднородных систем обеспечивают защиту окружающей среды от вредных выбросов в водные и воздушные бассейны. В связи с постоянно возрастающими требованиями к очистке сточных вод и газов роль этих процессов, решающих экологические проблемы, постоянно возрастает.
Осаждение
Осаждение в поле гравитации. Осаждение (отстаивание) под действием силы тяжести широко используется в различных отраслях промышленности для разделения суспензий, эмульсий, дымов и пылей.
В виду значительных сил трения скорость осаждения невелика, поэтому для увеличения производительности участка строят аппараты, занимающие большие объемы и пло- у , j щади производственных помещений и площадок.
Рассмотрим некоторые закономерности процесса осаждения.	А ‘1
Пусть на шарообразную твердую частицу, осаждающуюся в вязкой среде, действуют следующие (с силы (рис. 7):
Рис. 7. Осаждение шарообразной частицы	q ’ F
61
сила тяжести G (Н), зависящая от плотности и объема частицы,
где рч — плотность частицы, кг/м3; d — диаметр шарообразной частицы, м; g — ускорение свободного падения, м/с2;
подъемная сила Архимеда (Н)
Л — pc7t-^-g,
где рс — плотность среды, кг/м3;
сила вязкого третия Т (Н), которая направлена против движения частицы и определяется по закону Ньютона,
и-12
T=&pc-f,
где £ — коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от формы частицы, качества ее поверхности и свойств среды; S — площадь миделева сечения*,
2	„ тиР'	,
м ; для шара 5 = -j-; и>ос — скорость осаждения, м/с.
Составим условия равновесия для равномерного движения частицы:
G = А + Т;
WtP, _n	<5-3)
6 #(рч Рс) ’ 4 Рс 2 ’
Решая уравнение (5.3) относительно wK, получим
^ос
pgj(p.,-pc)
(5-4)
Входящий в эти уравнения коэффициент гидравлического сопротивления С, зависит в первую очередь от режима движения жидкости, омывающей частицу. В гидродинамике получены следующие эмпирические зависимости для расчета (табл. 5.2).
* Миделево сечение — проекция тела на поверхность, перпендикулярную направлению движения.
62
Таблица 5.2
Режим	Значения Re	Уравнения для расчета Q
Ламинарный Переходный	Re <2 500 > Re > 2	£ = 24/Re ; = 18,5/Re0,6
Турбулентный	Re > 500	; = 0,44
Таблица 5.2 требует некоторых пояснений. Ранее мы говорили, что при движении жидкости по трубам ламинарный режим сохраняется до значения Re- < 2320. Теперь, при осаждении, приводится критическое значение Re < 2. Вспомним, что диаметр падающей частицы во много раз меньше диаметра трубы. Философский закон перехода количества в качество здесь демонстрируется еще раз.
Рассчитать скорость осаждения по формуле (5.4) можно, только получив значение Re и определив режим движения. Но в критерий Рейнольдса входит скорость, в данном случае это скорость осаждения, которую нам необходимо найти,
В
Следовательно, рассчитать скорость по уравнению (5.4) невозможно. В этом случае пользуемся методом последовательных приближений. Допустим, что осаждение происходит в каком-то конкретном, например в ламинарном, режиме, и вычислим woc, предварительно преобразовав формулу (5.4) и подставив в нее значение
г _ 24 __ 24И 
4 Re WocdPc’
00 N Зрс24м
Возведя в квадрат обе части уравнения и проведя необходимые сокращения, получим для ламинарного режима
^?х(р,, - рс)	(5.5)
W — ---------—
ос 18ц
Теперь подставляем полученное значение woc в критерий Re и проверяем, удовлетворяет ли полученный результат принятым условиям. Если значение Re лежит за пределами допустимого
63
для данного режима, расчет повторяем, пробуя другой режим. Расчет повторяем до тех пор, пока не совпадут результаты.
Другой, более рациональный способ расчета скорости осаждения был предложен советским исследователем П. В. Лященко. Решим уравнение (5.4) относительно £
= W.,-Pc)	(5.6)
Умножим левую часть уравнения (5.6) на Re2, а правую — на
>£А>2
равное ему выражение , :
в2
CRe2 = 4?^"Рс) ^/ру
3p_wjL	и2 ’
с ос	“
ИЛИ
3 р_ р
Рс
Безразмерное выражение в правой части уравнения получило название критерия Архимеда — Аг, а само критериальное уравнение имеет вид
£Re2 = ^Аг.
(5-7)
Смысл проведенных в уравнении (5.6) подстановок заключался в исключении из уравнения скорости осаждения. Действительно, теперь мы можем получить критические значения критерия Архимеда, соответствующие любому режиму движения. Скорость осаждения в критерий Архимеда не входит:
д^Рч-Рс	(5.8)
Рс в2
Действительно, подставив в уравнение (5.7) С, = 24/Re и Re = 2, получим для ламинарного режима
(24/Re)Re2 - (4/3)Аг или Аг = 36.
Ламинарный режим осаждения наблюдают, если Аг^р < 36.
Подставив в уравнение (5.7) предельное значение Re=500 и £=0,44, получим для турбулентного режима
0,44(500)2 = (4/3)Аг;
Аг = 83000 или Аг2кр > 83000.
64
Переходная область соответствует изменению критерия Архимеда
36 < Аг < 83000.
Теперь для определения режима движения и выбора формулы для расчета £ достаточно рассчитать значение критерия Архимеда.
Все уравнения были получены исходя из предположения, что форма частицы правильная, шарообразная. Поэтому скорость осаждения, рассчитанная по уравнению (5.4), нуждается в поправках:
и?ос «Р^ОО
(5.9)
здесь <р < 1 — коэффициент формы, значение которого определяют опытным путем. По литературным данным, для округлых частиц <р ~ 0,77, для угловатых <Р » 0,66, для продолговатых <р « 0,58 и для пластинчатых <р » 0,43.
Кроме того, все наши рассуждения были справедливы только для одной частицы, осаждающейся на достаточном удалении от стенки сосуда или аппарата. Имело место так называемое свободное осаждение. В действительности же при разделении реальных смесей концентрация частиц такова, что неизбежны взаимные столкновения частиц и даже выдавливание жидкости из пор образующегося слоя осадка. Это ведет к уменьшению действительной скорости стесненного осаждения wCT. Для характеристики концентрации суспензии введено понятие порозности: объемная доля жидкости в жидкой системе, объем которой равен сумме объемов жидкости и частиц Й,.
s —	+ К,)-
(5.10)
Для расчета wCT рекомендуются следующие эмпирические уравнения:
при в < 0,7 ист = °,1' 2^и',ос;
при £> 0,7 wCT = vv'oce210 (| Е\
(5.И)
(5.12)
где м/Ос — скорость осаждения отдельной частицы с поправкой на форму.
Приведенные выше уравнения справедливы также и для осаждения в центробежном поле. При этом в качестве движущей силы в уравнение равновесия необходимо ввести центробежную силу.
В случае движения жидких капель в газе или в другой жидкости расчетные уравнения усложняются из-за изменения формы капель во время движения.
65
Рис. 8. Схема гравитационного отстойника:
1 — корпус; 2 — патрубки для отвода отстоя; 3 — патрубок для выгрузки осадка
Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности, можно выделить группу простейших устройств — аппаратов периодического действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра (рис. 8). Аппарат / объемом V
периодически заполняется суспензией, которая отстаивается в
течение времени то- Сначала сливается отстоявшаяся чистая
жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через патрубок 3.
Если известна концентрация суспензии b и задана концентрация осадка Ьж, составляют материальный баланс для твердой фазы, предполагая, что в образовавшемся отстое твердых частиц нет.
Ей = ИОС6ОС.
Заменив объем осадка разностью объемов суспензии и отстоя, получим
^ос = Г- Ио;
Vb = (И- ИО)6ОС;
у - ^ос~b у °
Для цилиндрического отстойника объем Ео можно выразить через высоту слоя отстоявшейся жидкости ho и площадь сечения цилиндра Fo:
Vo = hoFo.
Производительность отстойника по осветленной жидкости — отстою
W
° г г
(5.13)
где т — продолжительность осаждения, с.
66
Но высоту ho можно выразить через скорость осаждения и’ос, рассчитываемую по приведенным выше уравнениям,
Ло = V
Подставив йо в уравнение (5.13), получим
Wo = wocfo,	(5.14)
т. е. производительность отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения и площади поверхности, на которую осаждаются частицы. Стремясь увеличить поверхность осаждения, конструкторы создали многоярусные отстойники, в которых объем аппарата заполнен полками-ярусами, на которых формируется слой осадка.
При условии равномерной подачи суспензии так, чтобы не возмущался слой осадка, можно отводить отстой непрерывно. В »том случае отстойник будет работать непрерывно до тех пор, пока нижняя часть его полностью не заполнится осадком. По лому принципу работают лотковые и канальные отстойники. Отстойники такого типа, называемые полунепрерывными, используются на сахарных заводах для очистки транспортерно-моечных вод.
Отстойники выполняют в виде прудов-каналов с бетонированными стенками и дном. Очистка прудов от осадка производится после окончания сезона сахароварения.
Для всех гравитационных отстойников характерны громоздкость и длительное пребывание суспензии в аппарате. Например, отстойники для очистки сатурационного сока на сахарных заводах имеют диаметр 4—5 м при высоте 4—6,5 м. Время пребывания сока в таких аппаратах около 1,5 ч. Это связано с малой скоростью осаждения, которая зависит от многих факторов, в первую очередь от вязкости жидкости и размера осаждаемых частиц. Для того чтобы уменьшить вязкость, суспензию перед отстаиванием нагревают, а для увеличения размера частиц прибегают к их коагуляции — объединению нескольких частиц в одну за счет добавления коагулянтов. В качестве коагулянтов используют растворимые в воде соли (электролиты), которые, гидролизуясь, образуют хлопьевидные гидраты окислов металлов, способствующие слипанию частиц.
Другим методом агрегатирования мелких частиц является флокуляция — добавление в суспензию небольшого количества вещества, которое, адсорбируясь на поверхности твердых частиц в суспензии, приводит к их слипанию между собой.
Эта технологические приемы могут существенно увеличить скорость осаждения.
Осаждение в центробежном ноле. Среди устройств, использу
67
ющих центробежную силу для разделения неоднородных смесей, наибольшее распространение получили центрифуги. Основным рабочим органом центрифуги является вращающийся с большой скоростью барабан. Здесь мы будем говорить только о центрифугах со сплошным барабаном, на внутренней поверхности которого задерживаются отделяемые частицы. Эти центрифуги будем называть отстойными*. Как показано выше, мерой отношения действующей в системе силы к силе тяжести является критерий Фруда:
Fr = w2/gl.
Если действующую силу представить как центробежную силу, пропорциональную угловому ускорению, то критерий Фруда примет вид:
Fr = ro2r/g.	(5.15)
Подставив © = ли/30 и принимая g » л2, получим
Fr = m2/900.	(5.16)
Полученное выражение принято называть фактором разделения. Фактор разделения является характеристикой интенсивности центробежного поля. Он показывает, что выгоднее увеличивать скорость вращения (число оборотов) центрифуги, а не радиус вращения. По фактору разделения центрифуги условно делят на две группы: нормальные — если Fr < 3000, и ультрацентрифуги (сверхцентрифуги) — Fr > 3000.
Еще одной характеристикой отстойных центрифуг является индекс производительности:
S=Fr-5,	(5.17)
где 5 — площадь внутренней поверхности барабана, на которую осаждается осадок, м .
Так как фактор разделения выражает отношение скоростей осаждения в центрифуге и гравитационном отстойнике, индекс производительности показывает, какую поверхность осаждения должен иметь отстойник, равный по производительности центрифуге.
Для осаждения в центробежном поле справедливы полученные ранее уравнения (5.4) (5.5) с учетом новой движущей силы.
Подставляя в уравнение (5.4) вместо силы тяжести центро-
* Другие центрифуги, с перфорированными барабанами, называют фильтрующими пр типу осуществляемого в них процесса разделения.
68
бежную силу, получим выражение для расчета скорости осаждения в центробежном поле:
W ОС
(02Г.
(5.18)
•JZ d Рч ~ Рс ЗС Рс
Для ламинарного режима это выражение упрощается:
%с = (Рч - Рс) ^г-
(5-19)
Другой особенностью процесса в центробежном поле является форма свободной поверхности вращающейся жидкости. Если вращение происходит вокруг вертикальной оси, то эта форма соответствует параболоиду вращения. При большой скорости вращения можно условно считать, что слой вращающейся жидкости имеет цилиндрическую форму. При вращении вокруг горизонтальной оси за счет гидростатического давления цилиндрическая форма искажается в результате уменьшения толщины
слоя вверху и увеличения внизу.
Центрифуги. На предприятиях пищевой промышленности наибольшее распространение получила отстойная центрифуга периодического действия (рис. 9). Сплошной барабан 3 такой центрифуги вращается вокруг вертикальной оси. Более тяжелые частицы осаждаются на внутренней стенке барабана, образуя слой, толщина которого лимитируется загибом верхнего края 2 барабана. Осветленная жидкость через край 2 сливается в кожух 1 и отводится из него непрерывно. Разгрузка осадка и промывка барабана осуществляются периодически через отверстие в днище. Такие центрифуги применяются для разделения смесей, содержащих очень малое количество твердой фазы, например
молоко или другие жидкости, для удаления случайных примесей (частиц пыли, песка и т. п.) перед дальнейшей обработкой.
Продолжительность рабочего цикла (с) центрифуги состоит из четырех периодов:
^< = '1л + 'со + тт + тг
где тп — период пуска, разгона до рабочей скорости вращения и наполнения барабана, с; то — период отстаи-
Рис. 9. Схема отстойной центрифуги
вания, с; тт — период торможения, с; тР — период удаления осадка, с.
69
В этом цикле то — полезное время, во время которого происходит разделение. Все остальные периоды вспомогательные, вызванные необходимостью удаления образующегося осадка.
Эффективность цикла оценивается коэффициентом использования центрифуги:
<р = то/тц.	(5.20)
Продолжительность вспомогательных операций и цикла определяют экспериментально для каждого конкретного случая.
Циклоны. Аппараты для разделения газовых неоднородных систем, в которых используется центробежная сила, возникающая за счет вращения потока, называются циклонами (рис. 10). В циклонах нет вращающихся частей. Вращение потока достигается благодаря тангенциальному вводу исходной смеси 2 и цилиндрическому каналу, который образуется корпусом 1 и центральной трубой 3. Более тяжелые твердые частицы совершают в циклоне движение по спирали, постепенно приближаясь к внутренней поверхности корпуса и одновременно опускаясь вниз к выходу 4. Чистый газ из центральной части аппарата поднимается вверх по центральной трубе 3. Для получения достаточной для очистки газа центробежной силы необходимо поддерживать высокую скорость потока на входе в аппарат. Так, для аппаратов конструкции НИИОГаз (Научно-исследовательского института по санитарной и промышленной очистке газов) эта скорость составляет 20...30 м/с. Эти циклоны выпускаются в серии с диаметром от 100 до 1000 мм и степенью очистки газов от пыли 30...85 % для частиц диаметром 5 мкм. Для частиц диаметром 10 мкм степень очистки повышается до 70...95 %, а для частиц 20 мкм — до 95...99 %. Эти данные справедливы, если содержание пыли в газе не превышает 0,2...0,4 кг/м3.
При концентрации пыли 3...6 кг/м3 рекомендуется применять циклоны диаметром 2000...3000 мм.
Кроме вышеупомянутых циклонов применяются и более простые по конструкции, но менее эффективные циклоны.
Теория расчета циклонов отличается сложностью. На практике применяют упрощенные расчеты, основанные на эмпирических зависимостях.
Анализ полученных ранее зависимостей (5.18) и (5.19) для скорости осаждения в центробежном поле показывает, что увеличение скорости вращения гораздо быстрее ведет к увеличению скорости осаждения, чем увеличение радиуса. Это положение было использовано при создании батарейного циклона (рис. 11 ,«), где вместо одного большого циклона в корпусе 1 объединены несколько маленьких циклонов 3, помещенных между перегородками 2. Газ на очистку подается в корпус 1 через
70
Рис. 10. Схема циклона
Рис. 11. Схема батарейного циклона (а) и его элемент (б)
патрубок 4, где распределяется между отдельными циклонами. В малом циклоне (рис. 11 ,б) газ проходит сверху в кольцевой зазор между корпусом 3 и центральной трубой 5, где для закручивания потока устраивают специальные винтовые вставки 6. Твердые частицы, достигнув стенки циклона, падают вниз в приемник 7, а очищенный газ по центральным трубкам поступает в верхнюю часть корпуса.
Промышленность изготавливает батарейные циклоны с диаметром элементов 100, 150 и 250 мм, которые предназначены для очистки газов с содержанием пыли 0,05...0,1 кг/м3. Батарейные циклоны менее громоздки, чем равные по производительности обычные циклоны. Однако степень очистки газа в них несколько ниже.
Все циклоны отличаются простотой конструкции и требуют меньших капитальных затрат, чем отстойники или фильтры. К недостаткам циклонов следует отнести сравнительно большое гидравлическое сопротивление и невысокую эффективность при улавливании частиц менее 10 мкм.
Г и д р о ц и к л о н ы . Аппараты этого типа используют тот же принцип создания центробежной силы за счет вращения потока для разделения жидких систем. Конструкция гидроциклона мало отличается от конструкции циклона. Основное отличие заключается в укороченной цилиндрической части, что связано с большой плотностью жидкости и меньшими живыми сечениями для больших расходов. Габаритные размеры гидроциклонов (диаметры 125...600 мм) также значительно меньшие. Ис-
71
ходная суспензия подается в аппарат через тангенциально установленный патрубок в цилиндрическую камеру корпуса, где поток закручивается и по спирали спускается вниз. Тяжелые твердые частицы осаждаются на внутренней конической поверхности и сползают вниз, а очищенная жидкость сливается через центральную трубу.
Производительность гидроциклона по суспензии (м3/с)
W=KDd^Ap,	(5.21)
где К — опытный коэффициент, для циклонов с D — 125...600 мм и углом конусности 38° Х'=2,810*4 [м/(с-кг)]° , D— внутренний диаметр цилиндрической части циклона, м; d — диаметр патрубка для отвода осадка, м; Др — перепад давления на входе и выходе из циклона, Па.
Гидродинамический расчет и определение предельного размера отделяемых частиц производят по эмпирическим зависимостям, описанным в специальной литературе. Как и для обычных циклонов эффект разделения в гидроциклоне тем выше, чем меньше его диаметр. Поэтому в зависимости от назначения гидроциклоны изготавливают различных диаметров. Для отделения крупных частиц, например песка, D — 300...350 мм, для сгущения суспензий D - 100 мм, для осветления жидкости D — 10...15 мм. В последнем случае для достижения большой производительности в батарею объединяют определенное количество элементов, образующих батарейный гидроциклон (мультигидроциклон) по типу батарейного циклона для очистки газов.
Фильтрование
При фильтровании сквозь пористую перегородку проходит жидкая или газообразная фаза — фильтрат. Если твердые частицы задерживаются внутри пористой перегородки, то имеет место фильтрование с закупоркой пор.
Если размер частиц больше размера пор, частицы накапливаются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой. На практике среди частиц твердой фазы, содержащихся в суспензии, всегда найдутся такие, размер которых позволяет им проникнуть в любые поры фильтрующей перегородки. Поэтому тип процесса фильтрования определяется прежде всего количеством твердой фазы, содержащейся в исходной смеси. Если концентрация твердой фазы ничтожна, как, например, в производстве вин, пива и других напитков, слой осадка практически не образуется, частицы задерживаются в толщине фильтровального картона.
Для организации процесса фильтрования через слой кон-72

центрация суспензии должна быть достаточной для образования слоя. Поэтому производственной технологией предусматривается введение в раствор значительного количества мелкодисперсной твердой фазы, с тем чтобы образовать слой из этих частиц на фильтрующей перегородке. В дальнейшем фильтрование идет через этот слой, частицы задерживаются внутри него или на его поверхности. Толщина такого слоя будет увеличиваться, и его сопротивление будет также возрастать. Это приведет к необходимости удаления или уменьшения толщины слоя для поддержания приемлемой скорости фильтрования.
Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перегородки. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести — силы гидростатического давления, что с успехом используется в лаборатории для фильтрования в простой воронке. В промышленных аппаратах сила тяжести существенного влияния на результат процесса не оказывает и поэтому учитываться не будет. Разности давлений можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны, где собирается газ или жидкость — фильтрат.
В первом случае (рис. 12,о) движущая сила тем больше, чем выше избыточное давление в герметически закрытом аппарате, куда подается смесь, например суспензия,
дР = Ршб-Ратм-	<5-22)
Установим пределы изменения движущей силы процесса для этого случая. Если давление в аппарате над поверхностью суспензии равно атмосферному, то движущая сила отсутствует. Гидростатическим давлением в этом случае пренебрегают.
Др = 0.
Возможности увеличения избыточного давления ограничены только мощностью насоса, подающего суспензию, и прочностью аппарата. Физически нет предела возможному увеличению избыточного давления, т. е.
НпзДр = ризб - ратм.	(5.23)
Лыт*0
Принимая ратм = 105 Па, получим
limAp = оо.
73
Рис. 12. Схемы процессов фильтрования под действием;
а — избыточного давления; б — вакуума
Следовательно, этот способ фильтрования обеспечивает возможность получения неограниченно большой движущей силы.
Во втором случае (рис. 12,6) движущая сила тем больше, чем глубже вакуум снизу от фильтрующей перегородки, т. е. чем меньше остаточное давление рвак,
^Р ~ Рагм Рвак- (5-24)
Если рвак = 0, то
^т_ ' Агги ~ /’вак ~ (5-25) Л,ак^0
~ /’атм ~ 105 Па.
Следовательно, движущая сила при фильтровании за счет создания вакуума даже теоретически не может превышать 105 Па, а на практике и того меньше, так как получение глубокого вакуума связано с большими затратами.
Несмотря на этот существенный недостаток, фильтрование под вакуумом получило распространение в промышленности, что объясняется возможностью создания непрерывного процесса, так как слой осадка формируется со стороны атмосферного давления и может беспрепятственно удаляться.
Непрерывное же удаление осадка при фильтровании под давлением значительно усложняет конструкцию фильтра.
Основные закономерности процесса фильтрования. Скорость фильтрования описывается законом Дарси:
w = КЛр,
(5.26)
’	3	7
где w = -— —скорость фильтрования, удельная производительность, м/(м-с); от
здесь V— объем фильтрата, м3; 5—площадь фильтрующей перегородки, м2; т — время, с; К— коэффициент сопротивления, м/(Па-с); Др — разность давлений, движущая сила процесса, Па.
Термин «скорость фильтрования» здесь весьма условен. Точнее, это удельная производительность процесса — обьем фильтрата, полученный с 1 м2 фильтрующей поверхности за 1 с.
74
Уравнение (5.26) применимо для расчета только при известном коэффициенте сопротивления К. Но сопротивление фильтрованию по мере увеличения толщины слоя осадка или по мере закупорки пор в фильтрующей перегородке увеличивается, т. е. коэффициент К не является постоянным. Сопротивление фильтрованию зависит от свойств фильтрата и осадка, характера фильтрующей перегородки. Аналитический расчет этих сопротивлений весьма сложен. Для приближенных практических расчетов среднее значение К может быть определено экспериментально. Целесообразная продолжительность фильтрования с закупоркой пор также устанавливается экспериментально.
Для фильтрования с образованием слоя нужно общее сопротивление фильтрованию R представить как сумму сопротивлений фильтрующей перегородки и слоя осадка R^.
R = «ф + Roc-	(5-27)
Уравнение Дарси при этом можно записать в дифференциальной форме:
dV/Sdx =	+ 7?ф)]-	(5.28)
Здесь коэффициент фильтрования
к=_____L___
м^ + Лф)’ где р. — вязкость фильтрата.
Если предположить, что в процессе фильтрования в фильтрующую перегородку не проникают новые мелкие частицы, то сопротивление Дф можно считать постоянным.
Для интегрирования уравнения (5.28) необходимо переменное сопротивление осадка /?ос выразить через переменные V или т. Отношение объема осадка к объему фильтрата обозначим буквой
Объем осадка можно выразить произведением xqV. С другой стороны, объем осадка через его толщину Ло равен h^S.
Тогда
х0Г= V,	(5.29)
а толщина осадка
h0 = x0V/S.	(5.30)
Сопротивление осадка можно представить в виде
^с = 'Ь/г0='Ьх()Г/5’,
-2 где г0 — удельное сопротивление слоя осадка, м .
75
Удельное сопротивление слоя осадка характеризует сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м.
Заменив в уравнении (5.28), получим
dV _ Ар
в(/охО5 + Др
(5-31)
Прежде чем интегрировать уравнение (5.31), необходимо уточнить некоторые возможности ведения процесса фильтрования. Если в процессе разность давления Др = const, то при постоянной температуре изменяются только объем фильтрата V и время т. Проинтегрируем уравнение (5.31) в пределах от 0 до К и от 0 до т:
V	t	(5.32)
pJ(rOxo|+ Яф)^/= j^pSdx;
о	о
+ 11/?Ф v= &pSx-	(5'33)
Умножим уравнение (5.33) на 25 и разделим на цгрх0:
V2 + 2-^Е= 2-^-г.
V6 MVo
(5.34)
Обозначив коэффициент в левой части уравнения
«,5
77 °’
что
а коэффициент в правой части
получим
BVo
И2 + 2И0У=2£-г.
(5.35)
Коэффициент Vq характеризует сопротивление фильтрующей перегородки и имеет ту же размерность, что и V, — м3.
Физически Vq — это объем фильтрата, полученный в процессе фильтрования, в течение которого образовался осадок. Сопротивление этого осадка эквивалентно сопротивлению фильтрующей перегородки.
76
Коэффициент к (м6/с) характеризует свойства осадка и фильтрата и режим фильтрования.
Уравнение фильтрования (5.35) справедливо для несжимаемых и сжимаемых осадков, так как при Др = const гр и х0 постоянны. В координатах V— т — это парабола, демонстрирующая, что объем фильтрата в единицу времени, а следовательно, и скорость фильтрования уменьшаются по мере увеличения толщины слоя осадка.
Другой возможностью ведения процесса фильтрования является постоянное увеличение давления, что позволяет поддерживать постоянную скорость фильтрования. В этом случае произ-dV	V
водную — можно заменить отношением конечных величин -.
dx	т
Перепишем уравнение (5.31) с учетом этого допущения:
VЬр	(5.36)
nCVo 5 +
Решим уравнение (5.36) относительно Др:
(5'37)
Умножим и поделим первое слагаемое правой части уравнения (5.37) на т и введем в уравнение (5.37) постоянную скорость фильтрования w = ~:
St
Др = p.rQX0w2T + ц/?фИ>.	(5.38)
Это уравнение показывает, что разность давлений Др линейно возрастает во времени. Уравнение (5.38) справедливо для несжимаемых осадков.
Фильтрующие перегородки. Стремясь уменьшить сопротивление фильтрующей перегородки, выбирают материалы, обладающие высокой пористостью. В то же время размеры пор в перегородке должны быть меньше, чем размеры задерживаемых частиц.
Материалы, из которых изготовлены перегородки, должны обладать химической стойкостью по отношению к фильтруемым смесям, прочностью и долговечностью.
В пищевой промышленности наибольшее распространение получили фильтровальные картоны для фильтрования жидкостей с закупоркой пор. Для фильтрования с образованием слоя применяются хлопчатобумажные (бельтинг) и шерстяные ткани, а также ткани из синтетических волокон (капрон, лавсан и др.). Применяют для фильтрования и нетканые пористые материалы из синтетических волокон, которые используют, в основном, при фильтровании газов.
77
В качестве фильтрующих элементов используются пластины и цилиндры, изготовленные из керамики и металлокерамики.
В фильтрах с намывным слоем применяют различные порошкообразные инертные минералы (диатомит, кизельгур, мел, гашеная известь), а также волокнистые материалы (целлюлоза).
Контрольные вопросы!
1.	В каких случаях применяют процессы отстаивания, а в каких — процессы фильтрования?
2.	Почему действительная скорость отстаивания отличается от теоретической?
3.	Как рассчитать скорость отстаивания, не зная, в каком гидродинамическом режиме осуществляется процесс?
4.	Что показывает фактор разделения?
5.	Как работают циклон и гидроциклон?
6.	В каких фильтрах можно получить большую движущую силу — в вакуумных или работающих под избыточным давлением?
7.	Из чего складывается сопротивление в процессе фильтрования?
Глава 6
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
На пути превращения сырья в продукты питания существенное место занимает тепловая обработка, в результате которой изменяется пищевая ценность продуктов, улучшаются их вкусовые качества. Иногда нагревания и охлаждения требуют последующие операции. Например, растительное масло подогревают перед фильтрованием для уменьшения вязкости.
Целый ряд массообменных, химических и биохимических процессов для обеспечения их скорости протекания требуют поддержания определенной температуры, т. е. сопровождаются подогревом или охлаждением. В пищевой промышленности наиболее распространены сушка, сорбция и десорбция газов жидкостями (процессы сатурации), растворение твердых веществ и кристаллизация. Наконец, к тепловым процессам относятся процессы фазового превращения — выпаривание и конденсация, также широко применяемые в пищевых производствах.
ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Воспользовавшись основным кинематическим уравнением (3.11) для переноса теплоты, напишем:
q = k&t,	(6.1)
где — тепловой поток, характеризующий интенсивность процесса, или ко-ГТ
личество теплоты, которое переносится через единицу поверхности в единицу времени.
78
Движущая сила процесса теплопередачи нами определена ранее. Для каждого участка теплопередающей поверхности разность температур неодинакова. Поэтому А/ в уравнении (6.1) является средней величиной, которая рассчитывается в зависимости от отношения A/g к АГМ (рис. 13), где А/6 — разность температур горячего и холодного теплоносителей в одном сечении аппарата, а ДГМ — в другом.
Если — < 2, то АГ = —" +-Д-6
Ч	2
А/,	~	~ Ч,
Если — > 2, ТО АГ=-~7
Ч	,ПЧ/Ч
(6-2)
(6-3)
Общий коэффициент теплопередачи *** связан с коэф-I Mz • С • KJ
фициентами теплоотдачи
Л=—1-------------,	(6.4)
а1 +;Ti х. + а2
где оц — коэффициент теплоотдачи от первого теплоносителя к стенке, ; м - с • К
аг — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второму теплоносителю, ; м • с - К
S/ — толщина отдельных слоев многослойной стенки, м; X/ — коэффициент теплопроводности материала слоя, 4* ...
Рис. 13. Графики изменения температур теплоносителей при: а— прямотоке; б— противотоке
79
Для цилиндрической стенки формула (6.4) примет вид, [Дж/(м с • К)]
1/a^/j + 1/2л	+ 1/а242’
где di, di — наружный и внутренний диаметр цилиндрической стенки.
Для практических расчетов установившихся процессов основное уравнение теплопередачи (Дж) записывается в следующем виде:
Q=kF\t.	(6.5)
ТРИ СПОСОБА ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
Известно три способа переноса теплоты: за счет теплопроводности, конвекции и радиации.
Теплопроводность. Перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа называется теплопроводностью. Количество переносимой теплоты при этом способе переноса описывается законом теплопроводности Фурье: количество теплоты dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный к тепловому потоку, за время t/т прямо пропорционально температурному градиенту
площади поверхности dF и времени t/t:
dQ = -k^dFdr. дп
Тепловой поток по закону Фурье
я = dQ =-ySt
1 dFdx дп
(6.6)
(6-7)
Знак минус в уравнениях (6.6) и (6.7) показывает, что теплота переносится в сторону убывания температуры.
Коэффициент X в уравнении Фурье называется коэффициентом теплопроводности | Вт/(м • К)]
4Q _ Дж мК-с-
дп
Коэффициент теплопроводности X показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну 80
секунду при разности температур в один градус на расстояние в единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Теплопроводность зависит от физической природы тела, его структуры, температуры и давления. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, наименьшей — газы.
Если написать уравнение теплопроводности по трем направлениям х, у, z для элементарного параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz и сложить переносимые количества теплоты, то получим следующее выражение:
dQ=X
'&t &t dV) a? ay2 аг2J
dxdydzdx.
(6-8)
Эта теплота dQ изменила энтальпию параллелепипеда на следующую величину:
dQ = Cpdxdydz~dr.
д т
Приравняв правые части уравнений (6.8) и (6.9), получим дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье (второй закон Фурье):
х а2? а2^	(6.10)
а т Ср I а>2 gy1 э?2 I
Множитель в правой части уравнения (6.10) называется Ср
коэффициентом температуропроводности и обозначается буквой а. Размерность этого коэффициента:
гд1 _ А _ Дж (м  с  К) _ ь?
Ср Дж ( кг  К • кг/м3) с
совпадает с размерностью кинематического коэффициента вязкости, но никак не связана с его физическим смыслом. Коэффициент температуропроводности характеризует тепловую инерцию тела.
Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье можно переписать в следующем виде:
д±_п(&±, аУ	аУ4	(6.11)
а т Iад2 ду1	дт2J’
ИЛИ
— =cV2/	(612)
д т
где ^4 + ^4 +	= V2? — оператор Лапласа.
Эх ёу ёг
81
Конвекция. Как уже отмечалось, в неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности. В движущейся жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту. Скорость переноса теплоты при этом тем выше, чем интенсивнее перемешивание, т. е. чем выше степень турбулизации потока теплоносителя. Следовательно, конвективный теплообмен включает в себя оба механизма переноса теплоты, а их вклад в процесс зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости.
Теория гидравлического трения предполагает, что в пристеночной области формируется ламинарный слой, толщина которого определяет характер взаимодействия основного потока со стенкой. Этот слой будет влиять и на характер теплоотдачи от стенки к жидкости и наоборот. В ядре потока, где жидкость движется в турбулентном режиме, преобладает перенос теплоты за счет перемешивания. В ламинарном пристеночном слое перемешивание отсутствует, поэтому теплота через этот слой переносится за счет теплопроводности, а интенсивность этого процесса определяется толщиной ламинарного слоя. Последняя зависит от физических свойств жидкости, входящих в критерий Прандтля,
рг=ве£	(6.13)
х ’
где ц — вязкость жидкости; р — плотность жидкости; С— удельная теплоемкость жидкости; X — удельная теплопроводность жидкости.
Критерий Прандтля имеет и другое написание:
Pr = v/a,	(6.14)
где v — кинематическая вязкость жидкости; а — коэффициент температуропроводности.
Толщина гидравлического ламинарного слоя, определяющего гидравлическое трение, совпадает с толщиной слоя, определяющего теплоотдачу только в случае, если Рг = 1. Обычно для жидкости Рг > 1, а для газов Рг < 1. Критерий Прандтля таким образом, характеризует подобие полей скорости и температуры в пристеночной области. Количество теплоты, отдаваемое стенкой жидкости, рассчитывают по закону теплоотдачи (закону охлаждения) Ньютона: количество теплоты dQ, отдаваемое за время dx поверхностью стенки dF, имеющей температуру /ст, жидкости температурой Гж, прямо пропорционально dF и разности температур гст - гж.
dQ = adFQ^ — /Ж)А,	(6.15)
82
где а — коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передается 1 м2 поверхности стенки жидкости (или от жидкости к стенке) в течение 1 с при разности температур между стенкой и жидкостью в 1°.
Коэффициент теплоотдачи а имеет следующую размерность:
|а] =
dQ
Дж м2 • К • с
Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, определяющих процесс переноса в пристеночном слое. В первую очередь это физические свойства жидкости — теплопропровод-ность X, удельная теплоемкость С и коэффициент объемного расширения р, это и геометрические характеристики стенки, например длина / и диаметр трубы d, шероховатость стенки в. Трудность расчета конвективного теплообмена связана со сложностью описания вихревого (турбулентного) движения жидкости. При решении задачи на теплоотдачу необходимо знать распределение температур внутри жидкости. Это распределение описывает дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Фурье—Кирхгофа, полученное из дифференциального уравнения теплопроводности (6.11) добавлением конвективных составляю-
щих,
— + —И' + —w + — w -- flV2/ . ат дх х ду У dz z
(6.16)
Уравнение (6.16), обобщающее перенос теплоты за счет теплопроводности и за счет конвекции, более сложное, чем уравнения Навье—Стокса. Преобразование уравнения Фурье—Кирхгофа на основе теории подобия приводит к критериальной зависимости вида
(6.17)
I I
Nu =/(Fo, Ре, Но, Re, Fr, О о
где Nu — определяемый критерий Нусельта. Критерий Нусельта характеризует подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости.
Уравнение теплоотдачи от стенки к потоку жидкости
dQ = а(/ст — t^dFdx.
(6.18)
При установившемся процессе теплообмена количество теплоты, прошедшее через пограничный слой за счет теплопроводности, равно этому количеству dQ, воспринятому потоком жидкости:
(6.19)
dQ=—7^—dFdz. as
83
Приравнивая правые части уравнений (6.18) и (6.19), получим:
(6.20)
5 а^ст
Поделим правую часть уравнения (6.20) на левую, заменив Ост ~ ^ж) на М а вместо 8 введем характерный размер / и, отбросив знаки математических операторов, как это принято при подобном преобразовании, получим
а//Х = Nu.
(6-21)
Определив вначале критерий Nu, затем рассчитаем из критерия коэффициент теплоотдачи а.
Рассмотрим условия подобия в ядре потока. Отношение —, дх учитывающее неустановившийся режим теплообмена, заменим отношением t/x. Подобное преобразование левой (конвективной) части уравнения (6.16) приводит к выражению
—w + — w + —МД Sx х Sy У 8z *,
Аналогично преобразуем правую часть того же уравнения (6.16):
«V2/ = а
' ah .&i.	1
aJ ay2 dz2] /2'
Поделим первое преобразованное слагаемое уравнения (6.16) на последнее:
= 1/Fo	<6-22>
(т)	/21 СТ
и получим критерий Фурье
Т7 СТ
Но» 7-
Критерий Фурье характеризует неустановившиеся процессы теплообмена и является аналогом критерия гомохронности в гидродинамическом подобии. Разделив второе преобразованное слагаемое на правую преобразованную часть уравнения (6.16),
получим
(7“И?Н=Ре-
(6.23)
Полученный критерий Пекле является мерой отношения
84
между количеством теплоты, переносимым за счет конвекции, к количеству теплоты, переносимому за счет теплопроводности. Входящие в уравнение (6.17) критерии гидродинамического подобия Но, Re, Fr свидетельствуют о необходимости соблюдения для теплового подобия гидродинамического подобия.
Безразмерные отношения характерных размеров аппарата к некоторому характерному размеру 1$ показывают необходимость соблюдения условий геометрического подобия.
Помножив и поделив на кинематическую вязкость критерий Ре, получим
ре - У	(6.24)
V
Первый из полученных безразмерных комплексов представляет собой критерий Рейнольдса, второй — критерий Прандтля:
Ре = RePr.
Заменив критерий Ре в уравнении (6.17), получим
Nu = /(Fo, Но, Pr, Re, Fr, £...£).	(6 25)
‘о 'о
Для установившегося процесса можем исключить критерии Fo и Но.
Пренебрегая влиянием силы тяжести при вынужденном движении, можем исключить критерий Fr:
Nu = J (Re, Pr, ^...|).	(6 26)
'o ‘o
Радиация. Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Познакомиться с этим способом передачи энергии и соответствующим оборудованием можно, изучив соответствующую литературу [1, 6, 11].
ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ ПО ТЕПЛООТДАЧЕ
Теория подобия дала в руки исследователей инструмент обобщения результатов многочисленных экспериментов. В настоящее время в справочной литературе можно найти критериальное уравнение для расчета коэффициента а практически для любого случая теплоотдачи. Ниже приводятся некоторые наиболее часто используемые в инженерной практике уравнения.
85
Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя. При турбулентном движении жидкости внутри прямых круглых труб, обобщая опытные данные на основе функции (6.26), получим следующее расчетное уравнение:
Nu = 0,023Re°’8Pr°’4.	(6.27)
Это уравнение применимо при Re > 104 без учета изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена.
Для переходного режима при 2300 < Re < 10000 для приближенных расчетов рекомендуется следующее уравнение:
Nu = 0,008Re°’8Pr°’43.	(6.28)
Для точных расчетов необходимо пользоваться другими методами и формулами, приводимыми в специальной литературе [6, 7].
При ламинарном движении жидкости внутри прямых вертикальных труб, когда Re < 2300, рекомендуется следующее уравнение:
Nu = 0,17Ке°’33Рг®’43Сг®’1.	(6.29)
Критерий Грасгофа в уравнении (6.29) учитывает влияние естественной конвекции на теплоотдачу:
Gr = ^,	(6-30)
V2 ’
где / — определяющий геометрический размер, м; р — коэффициент объемного расширения жидкости, 1/К; &t— разность между температурами стенки и жидкости, К.
Здесь приведены наиболее распространенные расчетные уравнения для теплоотдачи в прямых трубах. В других случаях (при движении жидкости снаружи труб, при механическом перемешивании жидкости внутри аппарата, при свободной конвекции подогреваемой или охлаждаемой жидкости) необходимо выбирать в специальной литературе соответствующие расчетные уравнения.
Теплоотдача при конденсации пара. Конденсация возникает при контакте пара с охлаждаемой поверхностью. При этом на поверхности образуются капельки жидкости — конденсата. Если этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется на поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое сопротивление, в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки.
86
Критериальное уравнение для процесса теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет вид
Nu = /(Са, Рг, К),	(6.31)
ИЛИ	л Ок
Nu = С (Ga, Рг, К)0’25,	(6.32)
где К— критерий конденсации, характеризующий изменение агрегатного состояния; К =	—, здесь г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг; С— теплоем-
СД /Пк
кость конденсата, Дж/(кг • К); Д/Пк — разность температуры пара и стенки. X
Критерии Ga и Рг определяются для пленки конденсата.
Критерий Галилея — производный критерий, полученный путем сочетания критериев Re и Fr,
Fr Д 
Критерий Ga характеризует процессы естественной конвекции. Преобразовав критериальное уравнение (6.32), получим формулу для расчета а — коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара
а = А	<6’33)
ц/Д/ Г ПК
где А — коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных поверхностей А = 1,15, для горизонтальных — А = 0,72; X, ц, р — коэффициенты теплопроводности и вязкости и плотность конденсата; /—высота поверхности, по которой стекает конденсат, м.
Использование уравнения (6.33) для расчета а на практике связано с трудностями предварительного определения А/пк — перепада температур на пленке конденсата. Так как аналитический расчет А/пк очень сложен, пользуются методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения А/пк.
ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА
Самый распространенный промышленный теплоноситель — насыщенный водяной пар, обладающий рядом замечательных свойств. Прежде всего это высокая аккумулирующая способность теплоты и высокие коэффициенты теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при атмосферном давлении 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количе
87
ство теплоты. Так как при неизменном давлении температура конденсации постоянна, легко поддерживать постоянство температуры теплоносителя в аппарате. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар применяют при температуре до 180...190 °C и давлении до 12-105 Па. Перегретый пар редко используют в качестве теплоносителя из-за низких значений коэффициентов теплоотдачи.
Чистая вода широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды как теплоносителя следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие, но значительно меньшие, чем у конденсирующего пара, значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам этого теплоносителя относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.
Повышение температуры воды выше 100 °C связано с резким увеличением давления, поэтому перегретая вода за редким исключением в качестве теплоносителя не используется.
Топочные газы широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000... 1100 °C при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов как теплоносителей относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.
Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) — один из распространенных промежуточных теплоносителей для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой (до 800 °C) температуре, например обжаривания кофе и какао-бобов. Масло можно нагревать до более высоких температур, как отмечалось выше, в топках печей или с помощью электрических нагревателей. Масла — сравнительно дешевые теплоносители, но обладают относительно низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагреваемой поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.
Выгодно отличаются от масел высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенным ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74 % дифенилового эфира. К достоинствам дифенильной смеси относятся ее высокая термическая стойкость и возможность нагрева до 250 °C при атмосферном давлении. При более высоких температурах нагрева используют насыщенный пар дифенильной смеси при сравнительно небольшом давлении.
88
Дифенильная смесь нетоксична. Кроме дифенильной смеси в промышленности применяются другие ВОТ, например кремний-органические термостойкие жидкости с низкой температурой плавления.
В качестве высококипящих неорганических теплоносителей применяют расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.). Однако в пищевой промышленности они не применяются из-за их агрессивности по отношению к конструкционным материалам.
ПРОЦЕССЫ ВЫПАРИВАНИЯ
При кипении растворов концентрация растворенных веществ увеличивается за счет превращения в пар части растворителя. Процесс концентрирования растворов называется выпариванием.
Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар будем называть испарением.
В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и т. д. Поэтому образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является насыщенным водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной степени зависит рентабельность производства.
Количество теплоты, необходимой для выпаривания,
Q = тг,	(6.34)
где т — масса выпаренного растворителя, кг; г—скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при которых осуществляется процесс, так как г — Др).
При этом скрытая теплота парообразования тем выше, чем ниже давление.
Расход энергии на выпаривание под вакуумом выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении. Однако термолабильность растворов в пищевой промышленности ограничивает допустимую температуру кипения. Так, например, растворы красящих веществ, содержащиеся в экстрактах, полученных из растительного сырья, разлагаются при нагревании до 50...60 °C. Аскорбиновая кислота и другие витамины и биологически активные вещества, содержащиеся в растворах, при нагревании также разлагаются. Вот почему в пищевой промышленности широко используется выпаривание под вакуумом.
89
Вторичный пор f
Рис. 14. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора
Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, — это прежде всего теплообменный аппарат. За счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата (рис. 14), отличающей его от любого теплообменника, является развитое паровое пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межгрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденси-руемые газы — через патрубок 9. Раствор в аппарат подается через патрубок 10, а выводится через патрубок 7. Образующийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара, подаваемого в нагревательную камеру.
Интенсивность выпаривания обусловле-
на интенсивностью теплопередачи и главным образом интенсивностью теплоотдачи от стенок труб к раствору. Для жидкости интенсивность теплоотдачи зависит от скорости ее движения вдоль стенки. Поэтому необходимо поддерживать интенсивную циркуляцию вязкого раствора в трубах. Для того чтобы этого добиться, в центре нагревательной камеры следует установить циркуляционную трубу 3 большого диаметра. В этой трубе раствор нагревается меньше, чем в нагревательных трубках малого диаметра 6. Следовательно, плотность раствора в циркуляционной трубе 3 выше, чем в нагревательных трубках 6. Поэтому по нагревательным трубкам раствор поднимается вверх, а по циркуляционной трубе опускается вниз. Интенсивное кипение сопровождается выделением большого числа пузырьков пара, которые, вырываясь из жидкости, увлекают за собой капли раствора. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 — устройство, расположенное в верхней части аппарата. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой.
Выпаривание в однокорпусной установке. Уравнение материального баланса выпаривания в однокорпусной установке имеет
вид
GH-t/= GK,
(6.35)
где GH — количество раствора, подаваемого на выпаривание, кг/с; U — количество выпаренного растворителя или количество образовавшегося вторичного пара, кг/с; GK — количество концентрированного раствора после выпаривания, кг/с.
90
(6.37)
Материальный баланс выпаривания можно представить по-другому. Используя то обстоятельство, что в процессе выпаривания количество содержащихся в растворе сухих веществ остается неизменным, можем записать
G.A. = GKbK,	(6.36)
где bv и Ьк — начальная и конечная концентрации раствора.
Решая оба уравнения относительно U, получим
U = 6н — Ск5
GH f 1 - М I М
Уравнение (6.37) может быть решено относительно количества выпаренного раствора GK, если известны количество начального раствора и начальная и конечная его концентрации.
Уравнение теплового баланса можно получить, суммируя теплоту, вносимую в аппарат начальным раствором и греющим паром и уносимую упаренным раствором, конденсатом, вторичным паром и в виде потерь в окружающую среду:
GHCH/H + DU' = GKCKtK + DH +	+ 0ПОТ, (6-38)
где Сн и Ск — удельные теплоемкости соответственно начального и упаренного растворов, Дж/(кг  К); Гн и /к — температура раствора, поступающего на выпаривание, и температура кипения раствора, К; D — количество греющего пара, расходуемого на выпаривание, кг/с. Полагаем, что количество образовавшегося конденсата равно количеству пара, т. е. массой неконденсируемых газов можно пренебречь; h', h, Лёт — энтальпии соответственно греющего пара, конденсата и вторичного пара, Дж/кг, Спот — потери теплоты в окружающую среду.
Для упрощения уравнения (6.38) представим количество теплоты, уносимой из аппарата упаренным раствором, как количество теплоты, которое имел бы начальный раствор при температуре кипения за вычетом теплоты, приходящейся на долю выпариваемого растворителя при той же температуре tK.
GKCKtK= G..CHtK- UCBtK,	(6.39)
где Св — удельная теплоемкость растворителя, Дж/(кг  К).
Подставив уравнение (6.39) в уравнение теплового баланса (6.38), получим
GHCHrH + D (h" - ti) = GHCH/K - UCBtK + Vh'm + 0noT. (6-40)
91
Решим это уравнение относительно D — количества расходуемого греющего пара
D = GhCh-^—+ Uh~- С^к +
н ий -й h - h И -h
(6.41)
Анализ уравнения (6.41) показывает, что часть греющего пара расходуется на нагревание раствора до температуры кипения (первое слагаемое); часть теплоты расходуется на образование вторичного пара — собственно выпаривание (второе слагаемое); часть греющего пара расходуется на покрытие потерь теплоты в окружающую среду через стенки аппарата (третье слагаемое).
В идеальном процессе, когда на выпаривание раствор подается при температуре кипения и нет потерь теплоты в окружающую среду,
или
d=
h" - h'
J _ D_ ^вт
U~ ti-H
(6.42)
(6-43)
где d = — удельный расход греющего пара: количество греющего пара, расходуемое на выпаривание 1 кг растворителя.
В идеальном процессе приближенно можно считать d — 1; в реальном процессе выпаривания с учетом потерь теплоты в окружающую среду d = 1,1... 1,2.
Уравнение теплового баланса (6.40) может быть решено относительно количества выпариваемого растворителя:
(/= D-?	+ G	- - Д-.	(б44)
h-Ct	h-Ct
Ы В К	Вт В К ВТ в к
Первое слагаемое уравнения (6.44) показывает количество вторичного пара, которое получают за счет теплоты D (кг/с) греющего пара. Третье слагаемое показывает, какое количество вторичного пара будет недополучено из-за потерь теплоты. Второе слагаемое может иметь различный знак в зависимости от температуры Гн, при которой раствор подается на выпаривание. Коэффициент
»	'н~'к	(6-45)
называется коэффициентом самоиспарения. При /н > tK р > 1, т. е. 92
раствор подается перегретым и часть вторичного пара будет образована за счет внутренней теплоты раствора (самоиспарение). При ф = /к 0 = 0, а при tH < /к р < 1 (самоиспарения нет). Наоборот, теплота греющего пара расходуется на нагрев раствора до температуры кипения.
Выпаривание в многокорпусной установке. Образующийся при выпаривании в одном аппарате вторичный пар обладает достаточным запасом энергии и может быть использован в качестве греющего пара для второго аппарата, в котором выпаривание ведется при более низком давлении (pt > Рз) и более низкой температуре > /2)- Количество аппаратов, объединенных в многокорпусной установке, может быть достаточно большим, но давление и температура кипения в каждом последующем аппарате должны быть всегда меньше, чем в предыдущем.
Раствор в установку может подаваться в первый корпус, обогреваемый греющим паром, а упаренный раствор отводится из последнего корпуса (рис. 15). Такая схема работы многокорпусной установки называется прямоточной. Эта схема обладает рядом преимуществ: во-первых, температура кипения раствора понижается от корпуса к корпусу вместе с увеличением концентрации, что благоприятно сказывается на качестве продукта; во-вторых, выпариваемый раствор перетекает из корпуса в корпус, используя разность давления между корпусами, и, наконец, раствор приходит в последующий корпус перегретым, следовательно, наблюдается явление самоиспарения. К недостаткам этой схемы следует отнести увеличение вязкости раствора с повышением концентрации и с уменьшением температуры, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи.
При противоточной схеме работы многокорпусной выпарной установки греющий пар подается в первый корпус, а раствор — в последний. В этом случае для перекачивания раствора требуются дополнительные насосы и промежуточные подогреватели
Рис. 15. Схема многокорпусной выпарной установки
93
раствора. Кроме того, наибольшему нагреву подвергается концентрированный раствор, что хотя и приводит к некоторому выравниванию вязкости, а следовательно, и к выравниванию коэффициентов теплопередачи, но часто отрицательно сказывается на качестве раствора.
При выпаривании легкокристаллизуюшихся растворов, для того чтобы избежать закупорки трубопроводов, используют схемы с параллельным питанием корпусов, когда исходный раствор подается независимо в каждый корпус, а упаренный раствор выводится независимо из каждого корпуса.
Удельный расход греющего пара для многокорпусной установки тем меньше, чем больше корпусов,
где U\, L'2, Un — количество растворителя, выпаренного в 1, 2 и /i-м корпусе.
Как будет показано ниже, имеется целый ряд причин, препятствующих на практике увеличению числа корпусов более 5.
Для прямоточной многокорпусной установки характерно, что вторичный пар предыдущего корпуса не может быть полностью использован для обогрева последующего. Поэтому целесообразно отобрать часть вторичного пара, который называется в этом случае экстрапаром, и направить его для других нужд производства. Таким образом, многокорпусная выпарная установка кроме повышения концентрации раствора обеспечивает предприятие греющим паром и горячей водой (конденсатом). Подобная схема работы многокорпусной выпарной установки на современных сахарных заводах может служить примером утилизации теплоты на предприятии.
Необходимость снижения давления от первого корпуса к последнему часто приводит к тому, что один или несколько последних корпусов работают при давлении ниже атмосферного — вакууме. Это уменьшает энергетический потенциал вторичного пара последнего корпуса, поэтому он направляется на конденсацию.
Факторы, влияющие на интенсивность выпаривания. Как в любом процессе теплообмена, интенсивность выпаривания зависит от интенсивности теплопередачи
Q = kFAt,
т. е. в первую очередь от величины движущей силы А/.
Для однокорпусного аппарата движущая сила Аг определяется как разность между температурой греющего пара и температурой кипения раствора:
А^общ ~ ^гр.п ~~ V	(6-47)
94
Температура кипения раствора зависит от давления. Но давление внутри кипящей жидкости изменяется по высоте аппарата, т. е. гидростатическое давление жидкости приводит к тому, что температура кипения в нижних слоях жидкости выше, чем в верхних, а образующийся вторичный пар имеет температуру, соответствующую давлению в соковом пространстве, т. е. ниже температуры кипения жидкости в среднем слое /кср,
^К.ср + Д^Г.С’
(6.48)
где А4.с — гидростатическая температурная депрессия.
Давление в среднем слое жидкости, которое определяет температуру /кср, с учетом гидростатического давления
Рср=Р + ^
(6.49)
где й — высота столба жидкости в аппарате.
Таким образом, движущая сила выпаривания фактически ниже:
А/= А^бщ ~	(6.50)
На практике гидростатические температурные потери составляют 1—3 °C в зависимости от конструкции аппарата.
Чтобы уменьшить влияние гидростатической депрессии, на практике стараются изготавливать аппараты с небольшой высотой столба жидкости, т. е. с большим диаметром.
Интенсивность выпаривания уменьшается также из-за физико-химической температурной депрессии Д/(|| Х — разности между температурой кипения раствора и чистого растворителя. Эта разность зависит от давления и концентрации раствора и может достигать значительных величин. Для нормального давления разность температур кипения 60%-го сахарного раствора и воды составляет 3 °C, для 25%-го водного раствора NaCl — 7 °C, а для 50%-го раствора NaOH — 42,2 °C.
Таким образом, полезная разность температур для выпарного аппарата
Д^ПОЛ~Д^обШ Д^г.с Дгф.х	(6.51)
или
Д<пол = *гр.п — (к — Д/г.с ~ Д?ф.Х -	(6.52)
Физико-химическая и гидростатическая температурная депрессия наблюдается в каждом выпарном аппарате, в том числе и в аппаратах многокорпусной установки.
95
Для многокорпусной выпарной установки общая разность температур определяется как разность между температурой греющего пара, поступающего в первый корпус, и температурой кипения в последнем корпусе:
Чбш = 'п>.п-£-	<6-53>
Полезная разность меньше общей на величину температурных потерь в каждом корпусе и потерь температуры пара при переходе из одного корпуса в другой за счет гидравлических потерь давления:
А^пол= Ар.п	^4.с— ^^ф.х ~	(6.54)
Для уменьшения гидравлических температурных потерь уменьшают длину паропроводов, располагая корпуса рядом.
Анализ работы многокорпусной установки показал, что для уменьшения удельного расхода греющего пара целесообразно увеличивать число корпусов установки. С увеличением же числа корпусов пропорционально возрастает и стоимость установки. Однако беспредельное увеличение числа корпусов приводит к уменьшению движущей силы, приходящейся на каждый корпус.
Прежде всего температура кипения в первом корпусе не может быть выше допустимой для данного раствора. Поэтому увеличение давления и температуры греющего пара не ведет к увеличению А/Пол для второго и последующих корпусов. С другой стороны, разрежение в последнем корпусе зависит от режима работы конденсатора и вакуум-насоса и также ограниченно. Поэтому ограниченна сама общая разность температур Д/общ. А так как с увеличением числа корпусов возрастают потери температуры, то Д/пол еще более ограниченна. Поэтому на практике используют установки из 4—5 корпусов.
Многокорпусные выпарные установки можно компоновать из одинаковых аппаратов с равной поверхностью теплообмена F, но в этом случае полезная разность температур между корпусами распределяется неравномерно. Многокорпусную установку с аппаратами, каждый из которых имеет разную, но наименьшую в данных условиях поверхность нагрева, рассчитывают по другому принципу. В этом случае полезная разность температур для каждого корпуса одинакова. Подробно с расчетом многокорпусных установок можно познакомиться в специальной литературе.
Контрольные вопросы
1.	Какие способы переноса теплоты вам известны?
2.	Какой закон описывает перенос теплоты в твердом теле?
3.	На какие стадии можно разделить процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому, если они разделены стенкой?
96
4.	От каких факторов зависит величина коэффициента теплопередачи?
5.	От чего зависит величина коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке?
6.	От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке?
7.	Какой теплоноситель массой 1 кг способен отдать наибольшее количество теплоты?
8.	Как оценивается энергетическая эффективность процесса выпаривания?
9-	В чем преимущества многокорпусной выпарной установки?
10.	Как рассчитывается общая и полезная разность температур?
Глава 7
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Трудно найти пищевое производство, где не применяются процессы массообмена. Наиболее часто встречаются экстрагирование и экстракция, абсорбция и адсорбция, перегонка и ректификация, растворение и кристаллизация и, наконец, сушка.
Различные вещества могут находиться в неодинаковых фазовых состояниях. Например, вода может представлять собой твердую фазу — лед. При обычном давлении и температуре выше 0 °C вода находится в виде жидкости. При более высокой температуре вода превращается в пар, переходит в паровую фазу. Газы — сильно перегретые пары соответствующих веществ. Различные фазы могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом взаимодействии происходит обмен веществами, растворенными в фазах.
Когда мелко изрезанную сахарную свеклу (стружку) промывают, сахар, содержащийся в клеточной жидкости, переходит в воду. Этот переход обусловлен разностью концентрации сахара в клеточной жидкости и воде. Скорость перехода сахара из стружки в воду будет уменьшаться по мере увеличения концентрации сахара в воде и снижения его концентрации в стружке. Наконец эти концентрации станут равными и процесс прекратится.
Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций.
При растворении сахара в воде вещество (сахар) переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов происходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.
ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз.
В основе наших представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация рас
97
творенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Чем больше это различие, тем выше скорость переноса. Зная концентрацию компонента в фазах и условия равновесия, можно определить направление процесса. Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит, что для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два\
С = К-Ф+2.	(7.1)
Число степеней свободы — это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах).
Если однокомпонентная (Л=1) система состоит из двух фаз (Ф — 2), находящихся в равновесии, число степеней свободы
С= 1-2 + 2 = 1.
Это значит, что для такой системы можно произвольно выбирать только один параметр. Например, для однокомпонентной двухфазной системы вода — пар от изменения давления изменяются количество воды, обращенной в пар, и температура смеси.
В двухкомпонентной системе этиловый спирт — вода, состоящей из жидкой и паровой фаз, могут попарно изменяться сле-
дующие параметры: температура t и концентрация одной фазы х;
давление р и концентрация одной фазы у; концентрации фаз х и
у, так как число степеней свободы С = 2 — -2 + 2 = 2.
Связь между параметрами в условиях равновесия может быть представлена уравнениями, таблицами или графиками — диаграммами.
Материальный баланс массообменного процесса. Уравнение рабочей линии. Представим себе часть массообменного аппарата, в котором осуществляется противоточный непрерывный массообменный процесс (рис. 16). Пусть из верхнего сечения к нижнему движется фаза L, изменяющая концентрацию извлекаемого вещества от хн до хк. Навстречу ей из нижнего сечения к верхнему движется фаза G, изменяя свою кон
Рис. 16. Схема непрерывного противоточного массообменного процесса
центрацию этого же вещества от уи до ук.
Для непрерывного установившегося процесса напишем уравнение материального баланса
А, + <?н = GK + £к.	(7.2)
98
Для компонента, переходящего из одной фазы в другую, уравнение материального баланса примет вид
+ ^цУн ~ ^кУк + ЛЛг	(7-3)
Составим теперь подобное уравнение материального баланса для нижнего сечения и произвольно выбранного сечения в средней части аппарата с текущими концентрациями х и у и расходами L и G:
Lx + GHyH = Ь*хк + Gy.	(7.4)
Несмотря на переход компонента из одной фазы в другую, для большинства процессов можно предположить, что массовые расходы фаз £ и G практически не изменяются от сечения к сечению, г. е.
L — LK — L, a GH = G = G.
Перепишем уравнение (7.4) с учетом этого допущения:
Lx + GyH — LxK + Gy	(7.5)
или
у= у»+ i“ xk)-	(7-6)
В координатах x — y на диаграмме равновесия (рис. 17) последнее выражение представляет собой прямую с углом наклона arctg = — и отсекающую на оси у отрезок ун. Эта прямая получила название рабочей линии, так как она фиксирует рабочие концентрации в различных сечениях аппарата.
Основное уравнение массопередачи. В соответствии с основным кинетическим уравнением (3.11) основное уравнение массопередачи примет следующий вид:
4Л/ АС	(7.7)
dFdx R ’
где dM — количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую; dF— площадь поверхности фазового контакта; dx — продолжительность процесса; АС — движущая сила массообменного процесса; R — сопротивление массопереносу.
Заменяя сопротивление R коэффициентом массопередачи км = 1/R, уравнение (7.7) примет вид
k^CdFdx,	(7.8)
а в конечных величинах для установившихся процессов
M-^k^CF.	(7.9)
99
Рис 17. Рабочая линия массообменного процесса
Рис. 18. Движущая сила процессов массопередачи
Движущая сила процессов массопередачи. Выше уже отмечалось, что скорость массопереноса тем выше, чем больше разность между концентрацией в фазах и равновесной концентрацией. Концентрация в фазе и есть рабочая концентрация. Значит, движущая сила определяется расстоянием от рабочей линии до равновесной кривой. Но это расстояние, например, от точки А (рис. 18) можно измерять по горизонтали, тогда движущая сила выразится разностью концентраций Лх в фазе Л. По вертикали это расстояние Ду — разность концентраций в фазе G. Таким образом, в массообменных процессах движущая сила может выражаться двояко, через концентрацию в одной или другой фазе. Как следует из того же рис. 18, движущая сила процесса изменяется от сечения к сечению аппарата, как это было и у теплообменных аппаратов. Поэтому, как и ранее, попытаемся получить выражение средней движущей силы, необходимой для расчета процесса.
В соответствии с уравнением (7.9) основное уравнение массопередачи можно записать, используя два выражения движущей силы:
М = ky\yF= k^kxF.	(7.10)
Рассмотрим изменение концентраций х и у вдоль поверхности раздела фаз при их взаимодействии, когда у>ур. Для элемента поверхности dF движущая сила,
ДУ = У - Ур-
(7.П)
100
Уравнение материального баланса (7.3) для перехода вещества из одной фазы в другую перепишем в следующем виде:
М = G (ун - ук) = L (хк - Хц).	(7.12)
Решая совместно уравнения (7.10) и (7.12), получим
(7.13)
ку Лу кх дх
Множители -- - — - т,, и ——— = тг называют числом единиц Ду х Дх А
переноса. Это число показывает, на сколько единиц изменяет рабочую концентрацию единица движущей силы.
Для элемента поверхности dF количество вещества, отданное фазой G,
dM = G(~dy).	(7.14)
Знак минус у движущей силы dy в этом уравнении показывает, что вдоль поверхности dF разность концентрации уменьшается. Это же количество вещества в соответствии с уравнениями
(7.10) и (7.11)
dM = ку {у- yp)dF.
(7.15)
Решая совместно уравнения (7.14) и (7.15), получим
(7.16) куУ~УР
Проинтегрируем уравнение (7.16) в пределах 0 — F и ун — ук:
Ук	(7-17)
р- — — Г dy кууУ-Ур гн
Воспользуемся уравнением (7.12), из которого следует, что
G=-^~, УИ~Ук
и подставим в уравнение (7.17), поменяв пределы интеграла, Л.	(7-18)
р= М f dy kyGH-yK) J У~У» у*	ioi
Откуда
(7.19)
у« ( аУ
3 у — У
у* р
Проделав аналогичные преобразования .для уравнений
dM = Ldx
и dM — кх (хр — x)dF,	(7.20)
получим уравнение для движущей силы, выраженной через концентрацию х,
<7-21)
f-Ж.
J х —х
х Р
Сравнивая уравнения (7.19) и (7.21) с основным уравнением массопередачи (7.10), получим выражения для средней движущей силы процесса массопередачи
У|( f ky~yp
(7.22)
и
(7.23)
Подобная структура уравнений (7.22) и (7.23) сохраняется, если вместо концентрации движущую силу выразить химическим потенциалом, парциальным давлением, энтальпией и т. д. В практических расчетах величину интеграла в знаменателе этих выражений определяют графически [4, 8}. Заметим, что физический смысл интеграла в знаменателе тот же, что и множителя в выражении (7.13), т.е. это — число единиц переноса.
Если условия равновесия представлены линейной зависимостью ур = АрХ, то средняя движущая сила процесса определяется как средняя логарифмическая величина
102
л., ..(7-24)
2,31g—й
дхк-дхн	(7.25)
ДХ ’
2,31g—
где Ли, = у„ - УР'; Л.Рк = Ук - У₽;
Ахи = -Хр ~ Х»Й Дхк = Ар - ХК;
здесь Ур1, х[' и Ар — начальные и конечные равновесные концентрации.
Модифицированное уравнение массопередачи. Основное уравнение массопередачи (7.9) для практических расчетов приемлемо только в том случае, если можно рассчитать площадь поверхности фазового контакта. В большинстве случаев эту поверхность определить нельзя, поэтому выразим ее косвенно, например через рабочий объем аппарата.
Обозначим рабочий объем аппарата буквой V (м3). Допустим, что в 1 м3 этого объема удельная поверхность фазового контакта составляет ст (м2/м3). Поверхность фазового контакта при этом
F= стИ.
Подставив F в основное уравнение массопередачи (7.10), получим
М- ky^ycV.	(7.26)
Объемный коэффициент массопередачи куу показывает, какое количество вещества передается из одной фазы в другую в единице объема аппарата за единицу времени, если средняя разность концентраций в одной из фаз и равновесной равна единице.
Таким образом,
M^kyiAyV,	(7.27)
а для концентрации х
M=kxVbxV.	(7.28)
Для аппаратов колонного типа в качестве основного параметра выступает высота Н (м). Обозначим площадь горизонтального сечения аппарата буквой f (м2), тогда V — Hf. Используя ранее принятое выражение F — Ист, получим
F = Hfa.	(7.29)
103
Модифицированные уравнения массопередачи для колонных аппаратов
М= kyffiyH и М— kxhkxH,	(7.30)
где kyh = kjxsfu kxh = k^uf — коэффициенты массопередачи для единицы высоты аппарата.	,<
Подставив полученное выражение (7.30) в уравнение (7.12) с учетом выражения движущей силы (7.22), получим высоту колонного аппарата
Ун	(7.31)
Я=-£- f у~ур
к
Ранее мы установили, что интеграл в правой части (7.31) является числом единиц переноса. Следовательно, множитель перед интегралом есть высота аппарата, эквивалентная единице переноса,
и аналогично для концентрации х
h^
(7.33)
Определение числа единиц переноса. Рассмотрим случай, когда условия равновесия концентрации компонента представлены прямой ур — ЛрХ, а рабочая линия процесса у - Ах (рис. 19). Определим число единиц переноса mv, полагая, что рабочая концентрация у2 на выходе из элемента аппарата равна равновесной концентрации на входе в него ур1.
Изменение рабочих концентраций от У| до у2 называется ступенью изменения концентраций.
В соответствии с (7.13) и (7.22) число единиц переноса для концентрации у
Ун т = [ -..
°У J У-У„’ Ук
Для нашего случая, когда у = Ах, а ур = Арх, справедливо х=л и Ур-^У-
Выражение для числа единиц переноса можем переписать в соответствии с обозначениями на рис. 19:
104
Рис. 19. Ступени изменения концентраций
Рис. 20. Графическое определение числа единиц переноса
У, т = ( -..
оу J д 
У2 У~^У
упростив это выражение, получим
Но мы условились, что У2 — .Ppi = тогда
ур1, а по аналогии с предыдущим
т =
°У A-Av
In
у, А
4 >i~4
1 л 'Ч-
(7.34)
Из последнего выражения следует, что при линейном изменении рабочих концентраций и линейных условиях равновесия число единиц переноса, соответствующее одной ступени концентрации, есть величина постоянная, не зависящая от концентрации. Этот вывод позволяет определить число единиц переноса графически. Допустим, в процессе массопередачи рабочие кон-центрации изменяются от yj до У2 и от Х[ до Х2 (рис. 20).
Число ступеней изменения рабочих концентраций (п = 3) определится построением ломаной линии между рабочей линией и линией равновесных концентраций: проведем вертикаль, соот
105
ветствующую х(, до пересечения с равновесной прямой в точке а, затем через точку а проведем горизонталь до пересечения с рабочей линией в точке b — получим первую ступень изменения рабочих концентраций. Через точку b проведем вертикаль на линию равновесия и получим точку с, из последней проложим горизонталь и получим вторую ступень. Воспользуемся точкой d для построения третьей ступени и т. д. В нашем случае п — 3. Если умножить число ступеней изменения рабочих концентраций на число единиц переноса, соответствующих одной ступени т„у (7.34), получим общее число единиц переноса для всего аппарата.
т = „_А_1пА	(7.35)
У П А-А Л 
Число п для двух прямых с угловыми коэффициентами Ар и А с помощью правил аналитической геометрии может быть рас-
считано по уравнению
(7.36)
1п(х/х,)
Описанный метод определения числа единиц переноса справедлив и в случае, если условия равновесия представлены кривой ур = /(х).
ЗАКОНЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
Как и перенос теплоты, перенос массы может осуществляться различными способами.
Первый закон Фика — закон молекулярной диффузии. Известно, что молекулы в газах и жидких растворах находятся в непрерывном хаотическом движении. Благодаря этому осуществляется перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика: количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной к направлению диффузионного потока, через которую осуществляется перенос, и времени
dM=~ IJ^dFdz,	<7-37)
дх
где D — коэффициент диффузии; — — градиент концентрации в направлении диффузии; dF— площадь поверхности, через которую диффундирует вещество; di — продолжительность диффузий.
Коэффициент диффузии показывает, какое количество веще-
106
гтва переходит через поверхность в 1 м2 за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.
Знак минус в уравнении (7.37) показывает, что перенос вещества осуществляется навстречу градиенту концентраций. Размерность коэффициента диффузии зависит от размерности концентрации. Так, если выразить концентрацию в кг/м-3, то из выражения (7.37) получим размерность коэффициента диффузии
D — дМВх _ кг  м _ dFdCdx м2  кг (м3 • с) с
Размерность коэффициента молекулярной диффузии совпадает с размерностью коэффициента кинематической вязкости, но физический смысл этих явлений различный. Коэффициент диффузии зависит от агрегатного состояния систем, например, коэффициент диффузии в газах в тысячи раз больше, чем в жидкостях. Коэффициент диффузии зависит также от давления и температуры. С повышением температуры он увеличивается, а с увеличением давления — уменьшается.
Коэффициенты молекулярной диффузии измеряются опыт-hi,im путем, и для большинства веществ эти данные приводятся в справочной литературе.
Заметим, что первый закон Фика является аналогом закона теплопроводности Фурье, а явления переноса теплоты и массы во многом похожи. Это обстоятельство и аналогичность в описании других законов тепло- и массопереноса используются при расчете массопередачи.
Второй закон Фика — дифференциальное уравнение молекулярной диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье дифференциальное уравнение молекулярной диффузии (второй закон Фика) имеет следующий вид:
или
ас_ £С ^С)
0т (йх? бу1 J’
^=dv2c.
Вт
(7.38)
(7.39)
Уравнение (7.39) аналогично второму закону Фурье (6.11), а коэффициент молекулярной диффузии D здесь является аналогом коэффициента температуропроводности а.
Закон массоотдачи Щукарева. Этот закон является аналогом закона теплоотдачи (закона охлаждения) твердого тела Ньютона (6.15). Он был сформулирован русским ученым А. Н. Щукаре-вым при изучении кинетики растворения твердых тел:
Количество вещества, переносимого из одной фазы, в другую, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела
107
фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности фазового контакта и времени:
dM= Р(СГ - Cj)dFd~,	(7.40)
где Сг, Q— концентрация вещества у поверхности раздела и в ядре потока воспринимающей фазы; р — коэффициент массоотдачи.
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переносится из одной фазы в другую через 1 м2 поверхности фазового контакта за 1 с, если разность концентраций на границе раздела фаз и в ядре потока равна единице.
Размерность р зависит от размерности концентрации. Если принять размерность [С] = [^], то мл
гл-. _ dM 1 _ кг 1 Гм~
dF&t(Ct - ф м2  с  кг/м3 с
Совпадение с размерностью скорости здесь следует считать случайным, не имеющим физического смысла.
Для установившихся процессов закон Щукарева принимает форму
dM= р (Cr - Cj)dF.	(7.41)
Для практических расчетов, полагая, что р не изменяется вдоль поверхности контакта фаз, уравнение можно записать так:
M=P(Cr~Cj)F.	(7.42)
Дифференциальное уравнение конвективного массопереноса. Явления переноса вещества, возникающие при хаотическом образовании поверхности контакта, практически не поддаются математическому описанию. Тем не менее воспользуемся аналогией между явлениями переноса теплоты и массы и напишем уравнение конвективной диффузии, аналогичное уравнению (6.16),
W2C.	(7.43)
St Ох х 8у У Sz г
Как и ранее в подобных случаях, из-за невозможности прямого решения уравнения (7.43) используют метод подобного преобразования, который приводит к критериальному уравнению
Nup = /(Re, Ga, Prp, Fo^ Г{, Г2...).	(7.44)
Аналогичность уравнений (6.16) и (7.43) и аналогичность приемов подобного преобразования неизбежно ведут к аналогичнос-
108
in полученных здесь критериев. Диффузионный критерий Нус-t-сльта
Nup = p//P.	(7.45)
Критерий Nup является мерой сравнения скорости переноса вещества в пограничном слое у поверхности раздела фаз и скорости переноса внутри фазы. В процессах, где перенос вещества осуществляется из твердой фазы, вместо критерия Nup исполь-1уется диффузионный критерий Био:
(7.46)
1дс ко — коэффициент массойроводности или коэффициент внутренней диффу-ши.
Таким образом, критерий Био является мерой сравнения скорости внешней и внутренней диффузии извлекаемого из твердой <[>азы вещества.
Аналогично переносу теплоты диффузионный критерий Фурье:
г. —
Равенс'1 во критериев Fop в сходственных точках — необходимое условие подобия неустановившихся процессов.
Диффузионный критерий Прандтля
Pi p - v/D = р/рД,	(7.47)
составленный, как и аналогичный критерий в теплопередаче, из физических характеристик фазы, является мерой сравнения нолей скоростей и концентраций в процессах массоотдачи.
Необходимым условием подобия процессов массопередачи является наличие гидродинамического подобия, которое требует равенства в сходственных точках критериев Рейнольдса и Галилея. Последний был нами получен комбинированием критериев Re и Fr с целью исключения скоростей:
Ga = g/3/v2.
Геометрическое подобие требует также равенства симплексов Д, Д2 и т. д.
Применительно к конкретным задачам массообмена общее критериальное уравнение (7.44) может быть упрощено. Для стационарных процессов из рассмотрения выпадает критерий Fo^. При вынужденном движении фазы можно пренебречь естественной конвекцией и в этом случае критерий Ga выпадает, т.е.
109
Nup = /(Re, Prp, I\, Г2...).	(7.48)
Для процессов, идущих в условиях естественной конвекции, выпадает критерий Re:
Nu^ = f (Са, Ргр, Д, Г2...).	(7.49)
Обрабатывая экспериментальные данные на основе критериальных уравнений, определяют значение диффузионного критерия Нуссельта, а затем рассчитывают коэффициенты массоотда-чи
P = NUD|	(7.50)
Выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты массоотдачи. Рассмотрим случай перехода вещества из фазы G в фазу L, если зависимость между равновесными концентрациями линейна (рис. 21) и изображается прямой ур = Арх, а рабочая линия процесса у = Ах + В.
В правой части рисунка условно изображен вертикальный участок поверхности фазового контакта с пограничными слоями в фазах G и L.
Количество вещества, переносимое из фазы G к элементарной поверхности раздела фаз, в соответствии с законом Щукарева
dM^y(y-yT)dF,	(7.51)
где ру — коэффициент массоотдачи в фазе G; уг — концентрация на границе раздела фаз.
Рис. 21. Графическая иллюстрация процесса равновесия и рабочих концентраций при переходе вещества из одной фазы в другую
110
Такое же количество вещества перемешается от элементарной поверхности раздела фаз в фазу L.
dM- Рх(х — xr) dF,	(7.52)
где рх—коэффициент массоотдачи в фазе L; х, — концентрация на границе раздела фаз.
Используя условия равновесия ур = АрХ, выразим в уравнении (7.52) концентрацию х через у:
<7-53)
I р pj р
Если допустить существование равновесия на границе раздела фаз, то уг и ур г равны. Это допущение подтверждено многочисленными экспериментами.
Тогда из уравнений (7.51) и (7.52) имеем
У,) dJ7PX VP'V
Сложим правые и левые части уравнений
дг1р, Р I
откуда	v у *
ур) dF.	(7-54)
Сравнивая полученное выражение с уравнением (7.15), приходим к выводу:
к =...J-.-	(7-55)
у I 4>’
Аналогично, выражая концентрацию распределяемого вещества через х, получим
dM= ——р (хр — x)dF	(7.56)
или после сравнения с (7.21)
к = --1—	(7-57)
К 1 ± л₽А
ш
Анализ уравнений (7.55) и (7.57) показал, что коэффициенты массопередачи зависят от величины коэффициентов массоотдачи Ру и pY и от угла наклона линии равновесия. Таким образом, расчет коэффициентов массопередачи сводится практически к определению коэффициентов массоотдачи в обеих фазах из уравнений, полученных на основе теории подобия.
АБСОРБЦИЯ
Процессы поглощения газов или паров жидкостью называют абсорбцией.
Для большинства случаев этот процесс обратимый, т. е. в определенных условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называют десорбцией.
Сочетание абсорбции и десорбции позволяет создать непрерывные промышленные производства с многократным использованием жидкого поглотителя и выделением в чистом виде поглощенного вещества из парогазовой смеси.
В пищевых производствах процессы абсорбции занимают значительное место. Например, при производстве спирта из образующегося в результате брожения диоксида углерода абсорбцией улавливают пары спирта, а затем очищенный газ сжижают для использования в других производствах.
Процесс насыщения минеральной воды и других многочисленных напитков диоксидом углерода, в специальной технологии называемый сатурацией, в действительности является классическим примером процесса абсорбции.
Закон Генри. Равновесие при абсорбции
Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью жидкости.
Для примера рассмотрим разделение бинарной газовой смеси, состоящей из компонентов А м В. Пусть жидкость поглощает компонент А. Определим число степеней свободы для этой системы, воспользовавшись правилом фаз Гиббса (7.1),
Ф + С = К + 2.
Для нашего примера Ф = 2, так как в процессе участвуют две фазы — газ и жидкость. Число компонентов К - 3: газовые компоненты А и В и третий компонент — поглощающая жидкость.
Тогда число степеней свободы
С=3 + 2 —2 = 3.
112
Три степени свободы здесь — три переменных параметра — юмпература, давление и концентрация. Изменение любого из них нарушает установившееся равновесие.
В состоянии равновесия при постоянных температуре и общем давлении концентрации компонента А в газовой смеси соответствует определенная концентрация этого компонента в жидкости. Этот закон, известный как закон Генри, записывается следующим уравнением:
Ра = ЕхА’
(7-58)
те Е — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом или константной Генри; хд — концентрация компонента А в жидкости, молярные доли.
В этом уравнении вместо концентрации компонента А в газовой смеси используется пропорциональное ей парциальное давление этого компонента в смеси Ра (Па).
Величина константы Генри зависит от свойств газа и жидкости, от их температуры и не зависит от общего давления.
Для идеальных растворов на диаграмме р — х (рис. 22) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным Е.
При неизменных общем давлении и концентрации компонента, но с повышением температуры константа Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа в жидкости.
Закон Генри широко демонстрируется в быту. При подогреве воды вначале выделяются пузырьки газа, которые можно легко заметить на стенках посуды. Подобно этому явлению из свежей водопроводной воды, налитой в стакан, интенсивно выделяются газы. При этом создается впечатление, что вода вначале непрозрачная. Это связано с резким уменьшением давления в воде. В городской водопроводной сети поддерживается давление на уровне (2...4)-105 Па, а давление воды в ста- р кане равно атмосферному. Умень-	У
шение общего давления ведет к	/
уменьшению парциальных давлений компонентов, что соответствует за-	х *4
кону Дальтона: Общее давление газа-	/ tg<p =£-
вой смеси равно сумме парциальных	/
давлений, составляющих смесь компо-	/
ненпюв.	/
Р = Ра + Рв- (7-59) о	х
Из закона Дальтона следует, что Рис 22 Зависимость растеори-
парциальное давление компонента
мости газа от давления
113
пропорционально общему давлению и его концентрации:
Ра = РУ л-	(7-60)
Подставив последнее выражение в уравнение закона Генри (7.59), получим
Заметим, что закон Дальтона, сформулированный для парциальных давлений рА и рр, и пропорциональных им концентраций уА и ур, справедлив и для равновесных парциальных давлений рА и р*в, и соответствующих им равновесных концентраций
Уа и Ур
Закон Генри может быть представлен в следующем виде:
У А =
где п — коэффициент распределения, или константа фазового равновесия; п = Е/Р.
Графически уравнение (7.62) представляет собой прямую, проходящую через начало координат у — х с угловым коэффициентом п. Численное значение п и, следовательно, угол наклона прямой равновесия зависят от температуры и давления в системе. С увеличением давления п уменьшается, а с повышением температуры — увеличивается. Соответственно растворимость газов увеличивается с увеличением давления и понижением температуры.
Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
Закону Генри подчиняются газы, критические температуры которых выше температуры раствора. С другой стороны, закон Генри справедлив для идеальных растворов и с достаточной точностью для сильно разбавленных растворов. Для систем, не подчиняющихся закону Генри, коэффициент п в уравнении (7.62) — величина переменная, поэтому кривую равновесия для них строят по опытным данным.
Расчет абсорберов
Материальный баланс. Определение расхода жидкого поглотителя.
Для определения расхода жидкого поглотителя примем следующие обозначения: G — расход газовой смеси, кмоль/с; ун и
114
ук — начальная и конечная концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси, кмоль/кмоль смеси; L — расход жидкого поглотителя, кмоль/с; хи и хк — соответственно начальная и конечная концентрации извлекаемого компонента в жидком поглотителе, кмоль/кмоль поглотителя.
Воспользуемся уравнением материального баланса процесса массопередачи (7.3)
с<Уц~Ук> = Цхк-хн).
Расход жидкого поглотителя
L = G(yK — Ук)/(*к — хн).
(7.63)
Удельный расход жидкого поглотителя на 1 кмоль газовой
смеси	,L <y„-yj	(7.64)
или	Ун ~ У к = 1(хк — хн).	(7.65)
Последнее уравнение, как и уравнение (7.5), на диаграмме равновесия (рис. 23) изображается прямой, угол наклона которой зависит от удельного расхода жидкого поглотителя. Это значит, что I влияет на размеры аппарата.
Рассмотрим предельные положения рабочей линии АВ с принятыми нами начальными и конечными концентрациями фаз (см. рис. 23). При возрастании удельного расхода поглотителя увеличивается угол наклона рабочей линии, который может достичь 90", и рабочая линия примет вертикальное положение АВ>.
Как мы уже знаем, движущая сила процесса массопередачи тем больше, чем дальше рабочая линия отстоит от линии равновесия. Следовательно, средняя для процесса АВ движущая сила уср увеличивается по мере ее приближения к вертикали. При этом удельный расход поглотителя стремится к бесконечности в процессе АВ\, для которого разность (хк — хн) равна нулю.
Минимальный расход поглотителя /mjn Достигается в процессе АВ2, когда рабочая линия в точке В2 пересекает линию равновесия. В этом случае средняя движущая сила резко уменьшается, так как в выходном для газа
Рис. 23. Положение рабочей линии в зависимости от удельного расхода абсорбента
115
сечении (точка А?) движущая сила равна нулю. Значение /Jnin можно рассчитать по уравнению (7.64), подставив вместо хк равновесную концентрацию хр к,
/	- ун~ук	(7.66)
min х -х 
р.к и
Для реального аппарата удельный расход поглотителя всегда больше Zmin, так как хн < хрк, и его рассчитывают с учетом коэффициента запаса поглотителя, определяемого экспериментально.
Заметим, что увеличение удельного расхода абсорбента, хотя и приводит к уменьшению высоты аппарата, влечет за собой увеличение его диаметра. Это связано с тем, что увеличение / приводит к увеличению общего расхода поглотителя L.
Оптимальный расчет поглотителя может быть получен только в результате многовариантного расчета для разных I с учетом всех возникающих затрат.
Тепловой баланс. Определение температуры абсорбента.
Абсорбция газов сопровождается выделением теплоты и повышением температуры фаз, что снижает движущую силу. Поэтому для поддержания высокой скорости процесса необходимо отводить теплоту.
В наших расчетах можно пренебречь нагреванием газа и считать, что вся выделившаяся при абсорбции теплота затрачивается на нагрев жидкости.
Пусть линия равновесия при начальной температуре входящей в аппарат жидкости представляет собой прямую OD (рис. 24). Точка В на прямой OD соответствует равновесным концентрациям ун и хн при температуре жидкости /н. По мере нагревания жидкости увеличивается угол наклона прямой равновесия [(см. уравнение (7.62)]. Построим ординату у| для некоторой точки Bj на новой прямой равновесия, соответствующей температуре жидкости й- Для температуры жидкости условия равновесия (у2 и х2) представлены точкой В2 и т. д. В результате при повышении температуры жидкости равновесие системы (при постоянном давлении) будет представлено кривой ОВВ^В^С.
Температуру жидкости t в произвольно выбранном сечении аппарата можно найти из уравнения теплового баланса для части аппарата, расположенной между этим сечением и крайним верхним сечением аппарата, куда подводится жидкость с начальной температурой /н,
qM' = LC(t-tH),	(7-67)
где q — дифференциальная теплота растворения газа, кДж/кмоль; М' — количество газа, поглощенного в рассматриваемой части абсорбера, кмоль/с; L — расход жидкого поглотителя, кмоль/с; С — удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг-К).
116
Рис. 24. Изменение условий равновесия при изменении температуры жидкости
Рис. 25. Графическое определение числа ступеней изменения концентрации в процессе абсорбции
С другой стороны, из материального баланса
М' = £(х - хн).	(7.68)
Подставив значение М' в уравнение (7.67), получим
— хн) = C(t — tH).	(7.69)
Решая уравнение (7.69) относительно t, получим формулу для расчета температуры жидкости в любом сечении аппарата:
Г=/н + 4(Х-хн).	(7-70)
По этой формуле можно рассчитать /к — температуру жидкости на выходе из аппарата, а затем и количество теплоты, которое необходимо отвести.
Определение числа ступеней изменения концентрации. На диаграмме равновесия для идеальной двухфазной системы жидкость-газ (рис. 25) построим рабочую линию процесса абсорбции в соответствии с уравнением (7.65). Отметим на рабочей линии точку 1, соответствующую начальной концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси ун. В этом же сечении аппарата находится жидкость, рабочую концентрацию которой узнаем, опустив перпендикуляр из точки 7 на ось х. Отметим цифрой 2 точку пересечения перпендикуляра с прямой равновесия. Проведя горизонталь через точку 2, получим значение рабо
117
чей концентрации у± на выходе из первой ступени изменения концентрации и точку 3 на рабочей линии. Отрезок прямой между точками 2 и 3 соответствует одной ступени изменения концентрации.
Продолжая подобные построения, определим необходимое число ступеней изменения концентрации для извлечения компонента при заданных начальной и конечной концентрациях уи и ук и удельном расходе поглотителя /.
Определение размеров абсорбера. Высоту насадочных колонн или барботажных колонн с тарелками определяют по уравнению
Н = nh,	(7.71)
где Я—высота колонны, м; п — число ступеней изменения концентрации; А — эквивалентная высота, соответствующая одной ступени изменения концентрации, м.
Эквивалентную высоту находят в соответствующих справочниках для конкретных газов и поглотителей в зависимости от типов насадки или тарелки.
Для аппаратов с мешалками подобным образом определяют рабочий объем V (м3), если известен эквивалентный объем для одной ступени изменения концентрации v:
У = w.
(7.72)
Диаметр колонны D можно определить из уравнения расхода
для газа	W=wS,
а затем	D=^,	(7.73) 1t
где Ж— объемный расход газа, м3/с; w — допустимая средняя рабочая скоросп. подъема газа, м/с; 5 — площадь живого сечения, свободного для прохода газа, м .
Сделаем некоторые пояснения относительно средней рабочей скорости газа. Скорости движения жидкой и газовой фаз, от которых зависит производительность колонны, не могут быть выбраны произвольно. Скорость движения жидкости выбирают так, чтобы обеспечить равномерное орошение всей поверхности насадки или заполнение всех тарелок. Излишне малая скорость движения газа не только приведет к уменьшению удельной производительности, но и значительно уменьшит коэффициент массопередачи. Увеличение скорости газа может привести к «захлебыванию» колонны. Так называют явление, при котором из-за возрастания гидравлического сопротивления жидкость заполняет’ часть свободного пространства аппарата, тем самым прекращая движение газа. Для каждого вида насадки и типа тарелок суще-
118
ствутот свои допустимые средние скорости движения газа. Они определены экспериментально и рекомендованы соответствующими справочниками.
АДСОРБЦИЯ
Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества — адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации — обновления абсорбента называется десорбцией.
Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом — только поверхностью твердого поглотителя — адсорбента.
В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро-водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.
Равновесие при адсорбции
Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Условия равновесия для адсорбции
х*=Ли, 7),	(7.74)
где х* — относительная (по отношению к 1 кг адсорбента) концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте, равновесная с относительной концентрацией этого вещества в газовой или жидкой фазе у, кг/кг.
Для изотермических процессов уравнение (7.74) принимает вид уравнения Фрейндлиха:
х-=СуЧ	(7.75)
Концентрацию поглощаемого вещества у можно заменить его парциальным давлением
(7-76)
где С, Ci, п. tn — константы для данных веществ, зависящие от температуры.
119
Рис. 26. Характерные формы кривых изо-Т = const	терм сорбции различных веществ на разных
адсорбентах
Линии равновесия, соответствую-
I	/	/ щие уравнениям (7.75) и (7.76), по-
I	]/ I лучили название изотерм сорбции.
I	/ Изотермы сорбции (рис. 26) строят
//	/	по опытным данным. Характер кри-
//	/	вой изотермы сорбции зависит от
/Л/	7 многих факторов, в том числе от
///	удельной поверхности адсорбента,
~ объема пор, структуры и распределе-0	х ния пор, свойств поглощаемого ве-
щества и, конечно, от температуры.
Движущая сила процесса адсорбции определяется как разность между рабочей и равновесной концентрациями поглощаемого вещества в парогазовой или жидкой фазах.
Рабочая линия для непрерывных процессов адсорбции соответствует уравнению (7.6).
В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбента. Поэтому для поддержания скорости процесса в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбента.
Адсорбенты
Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле.
Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией — прокаливанием при температуре около 900 °C. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600... 1700 м2. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активированного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органических веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горючесть.
Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400...770 м2. Сили
120
кагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочностью.
Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.
Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.
Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции — адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ионообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание сиропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обработке воды. Последние успехи в области синтеза ионитов позволяют надеяться на их успешное использование в нетрадиционных технологиях, например в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.
В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.
Расчет адсорберов
Порядок расчета адсорберов аналогичен порядку расчета абсорберов. И только фиксированная поверхность массообмена, которую несложно определить, позволяет воспользоваться неко
121
торыми кинетическими уравнениями и более точно рассчитать требуемые размеры аппарата, не прибегая к определению числа ступеней изменения концентрации.
Материальный баланс. Уравнение материального баланса процесса адсорбции соответствует уравнению (7.3):
<%УН ~ Ук) =	~ хн)’	<7-77)
где G— расход парогазовой или жидкой фазы, кг/с; ун и ук — начальная и конечная концентрации задерживаемого вещества в газе или жидкости, кг/кг; S — расход адсорбента, кг/с; хн и хк — начальная и конечная концентрации в адсорбенте, кг/кг.
Уравнение (7.77) позволяет рассчитать количество адсорбента, необходимого для очистки газа или жидкости.
Кинетика процесса адсорбции. Процесс поглощения вещества при адсорбции в общем случае описывается критериальным уравнением для систем с твердой фазой:
(778)
где х* — текущая равновесная концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте, соответствующая его рабочей концентрации х; х„ — равновесная концентрация поглощаемого вещества, соответствующая начальной рабочей концентрации хи-
Многочисленные опыты показывают, что при адсорбции диффузионное сопротивление внутри твердой фазы мало по сравнению с внешним диффузионным сопротивлением. Поэтому при расчетах установившихся процессов адсорбции обычно используется основное уравнение массопередачи (7.10), написанное для парогазовой фазы,
(7-79)
для которого принимают ку=$у
Величины коэффициентов массоотдачи можно определить по следующим уравнениям:
для зернистого адсорбента
при ламинарном движении (Re < 30)
Nu D = O,883Re°’47(Pr£j)0’33;	(7.80)
при турбулентном движении (Re — 30...150)
Nup = O,53Re°’54(Prp)0’3;
(7-81)
122
для мелкозернистого адсорбента в кипящем слое
Nup = 46,25  10“6 Re1’67.
(7.82)
В уравнении (7.82) Re и Nup определяются по формулам

где и’о — фиктивная скорость парогазовой смеси, м/с; J—средний диаметр зерна, м; р— плотность парогазовой смеси, кг/м3; ц—вязкость парогазовой смеси, Н-с/м2; В у — объемный коэффициент массоотдачи, кгДм’-с-кг/м3); Dr -коэффициент диффузии в парогазовой фазе, м2/с.
Уравнение (7.79) дает возможность определить необходимую поверхность адсорбента F, а затем и расход адсорбента для выбранного типа адсорбера. Далее рассчитывают размеры аппарата, для которого была подобрана требуемая поверхность массообме-на F.
Эту же задачу можно решить графоаналитическим способом, построив рабочую линию процесса на изотерме адсорбции и определив число ступеней изменения концентрации, как это. было сделано при расчете абсорберов.
Количество теилоты, выделяемое ври адсорбции. Удельную теплоту адсорбции г (Дж/моль) обычно определяют опытным путем и для разных веществ приводят в справочниках. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться следующим уравнением:
4,575in —
r=nziv	(7‘83)
где pt и рг — равновесные давления поглощаемого вещества над адсорбентом, соответствующие абсолютным температурам 7} и Тг.
Количество теплоты узнаем, умножив количество адсорбируемого вещества л/ на удельную теплоту адсорбции г.
ЭКСТРАКЦИЯ
Экстракция — процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя — экстрагента.
Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называют жидкостной экстракцией. В микробиологических производ
123
ствах с помощью экстрагента извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов. При этом экстрагент и жидкость, содержащая извлекаемые компоненты, должны обладать различной плотностью и не должны растворяться. Благодаря этим свойствам образованная неоднородная система легко разделяется.
В пищевых производствах экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена масличных культур, сахарную свеклу, фрукты и т. п. По физическим свойствам это сырье относится к твердым телам.
Строго говоря, под определение экстракции попадают и процессы растворения, с той лишь разницей, что при растворении твердое вещество может перейти в раствор полностью, а при экстракции всегда остается существенная часть твердого тела, нерастворимая в экстрагенте.
При экстрагировании твердых тел, например минеральных руд, происходит растворение извлекаемого вещества с образованием пористого твердого скелета. На начальной стадии растворение идет с поверхности куска материала, но очень быстро процесс переходит в крупные, а затем и мелкие капилляры, образованные трещинами и в результате «вымывания» вещества экстрагентом.
Растительное сырье перед экстрагированием дробят или разрезают на мелкие кусочки или стружку. При этом часть клеток на вновь образованной поверхности повреждается и внутриклеточное вещество сразу переходит в экстрагент. Подавляющая часть клеток в куске остается целой, а извлекаемое вещество диффундирует через клеточные мембраны в экстрагент. Пренебрегая количеством вещества, перешедшего из разрушенных клеток, можно считать, что вещество из растительного сырья в экстрагент переносится за счет диффузии.
Последнее обстоятельство привело к некоторой путанице в терминологии, сложившейся в сахарной промышленности. Огромные аппараты для экстрагирования свекловичной стружки работники сахарной промышленности называют диффузорами, хотя правильнее было бы их называть экстракторами.
Простейший процесс экстрагирования можно осуществить, заполнив аппарат подготовленным сырьем и жидким экстрагентом. В этом процессе концентрация вещества в сырье непрерывно уменьшается, а в экстрагенте увеличивается. Процесс нестационарен и закончится, когда концентрации сравняются. Скорость процесса значительно возрастает при перемешивании.
Другой тип процесса реализуется при фильтровании экстрагента через неподвижный слой сырья. Процесс этот также неус-тановившийся и при определенной продолжительности может закончиться практически полным извлечением вещества из сырья.
124
В процессах третьего типа сырье и экстрагент непрерывно перемещаются в противотоке. При этом в каждом сечении аппарата устанавливается постоянная разность концентраций, что соответствует стационарному режиму. Таким образом, в аппаратах непрерывного действия осуществляются процессы третьего типа.
В общем виде процесс экстрагирования растительного сырья можно разбить на четыре стадии:
проникновение экстрагента в поры растительного сырья; растворение извлекаемого вещества экстрагентом;
диффузионный перенос извлекаемого вещества к поверхности куска или частицы сырья;
перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкую фазу — экстрагент.
В зависимости от вида перерабатываемого сырья отдельные стадии процесса могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий зависит скорость процесса в целом.
Расчет процесса экстрагирования выполняют, исходя из основного уравнения массопередачи (7.9). Так как при экстрагировании сочного растительного сырья, например сахарной свеклы, первая и вторая стадии процесса отсутствуют, то рассчитывают скорость переноса внутри куска (внутренняя диффузия) или скорость переноса с поверхности в окружающую жидкость (внешняя диффузия). В зависимости от величины сопротивления на каждой из этих стадий процесс может протекать по-разному.
В первом случае скорость внешней диффузии превышает скорость внутренней. Этот процесс осуществляется в аппаратах с совершенным перемешиванием фаз. Количество извлекаемого вещества М (кг), например при экстрагировании свекловичной стружки, в этом случае зависит от скорости внутренней диффузии и определяется по следующему уравнению:
, . ^вн Г-Л	(7.84)
Л/= F\Ct,	v ’
где £)Яц — коэффициент внутренней диффузии, м2/с; / — определяющий размер, для пластины или стружки это ее толщина, м; F— суммарная поверхность стружки, м2; ДС— разность между средней концентрацией вещества внутри стружки и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем стружку, кг/м , т — продолжительность процесса, с.
Остановимся на понятии «коэффициент внутренней диффузии». Как известно, растительная клетка содержит внутриклеточную жидкость (вакуоль), окруженную сложной оболочкой. Последняя составлена двумя мембранами, между которыми находится протоплазма. Перенос вещества из внутриклеточной жидкости за пределы клетки осуществляется за счет молекулярной диффузии через эту многослойную оболочку. Внутри стружки клетки плотно
125
окружены другими клетками. Вещество из внутренних клеток должно продиффундировать через эти клетки. Предельно упрощенная картина переноса внутри измельченного сырья свидетельствует о большом сопротивлении внутренней диффузии. Для уменьшения сопротивления измельченное сырье подвергают тепловой или химической обработке, а иногда воздействию электрического тока. В результате этих обработок протоплазма клетки денатурирует и резко возрастает проницаемость оболочки.
Здесь следует учитывать, что из-за малых размеров клеток (5...50 мкм) и еще более мелких размеров пор, по которым переносится вещество, скорость молекулярной диффузии даже после предварительной обработки сырья намного меньше, чем скорость молекулярной диффузии этого же вещества в чистой жидкости. Поэтому D называют коэффициентом стесненной диффузии. Более правильно его называть коэффициентом массопровод-ности, который входит в диффузионный критерий Био.
Во втором случае скорость внутренней диффузии превышает скорость внешней. Уравнение массопередачи для внешнего переноса, ограничивающего скорость экстрагирования, имеет вид
М=%ГДС,	(7.85)
О
где Ди» — коэффициент внешней диффузии, м2/с; 8 — толщина пограничной пленки, м; АС — разность концентрации извлекаемого вещества на границе твердого тела и жидкости и средней концентрации в окружающей жидкости, кг/м3.
Уравнение (7.85) аналогично уравнению массоотдачи Щука-рева (7.40), а отношение D/& имеет смысл коэффициента массоотдачи р.
В третьем случае скорости внешней и внутренней диффузии соизмеримы. При этом следует учитывать оба переноса:
M=^F(q - Qt;	(7 86)
tf=^F(C2~ С3)т,	(7-87)
где Ci, Ci, Съ — средние концентрации соответственно в твердом теле, на границе твердое тело — жидкость и в окружающей твердое тело жидкости, кг/м3.'
Решив уравнения (7.86) и (7.87) относительно разности концентраций и сложив их, получим
с — С - —
I	8 ‘
JBH	вш
(7.88)
126
или
М = t 1 8 (С, - С3)/=т.	(7.89)
Для расчетов последнее уравнение используется в следующем виде:
Д/= р-'-р; (Cj - C3)ft,	(7.90)
IaZpJ
|дс р — коэффициент массоотдачи, который рассчитывают по соответствующим критериальным уравнениям.
СУШКА
Удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению называют сушкой. Этот процесс чрезвычайно широко распространен в пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар).
Сушка также может быть включена в технологический процесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям (пастиле, зефиру) определенного качества.
Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (ИК-излучением).
Удаление влаги из материала может быть осуществлено различными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Механические способы обезвоживания были описаны ранее. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в материале, в пар с последующим удалением этого пара. Физико-химические способы сушки основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, концентрированная серная кислота, хлорид кальция). Эти способы промышленного распространения не получили и используются в лабораторной практике.
Виды связи влаги с материалом
Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твердые кристаллические тела — сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т. п.
127
и коллоидно-дисперсные системы, которые, в свою очередь, А. В. Лыков предлагал разделить на три группы. Первая группа — эластичные гели — тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность. К эластичным гелям относятся прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатина (мармелад). Вторая группа — хрупкие гели — тела, которые после сушки становятся хрупкими: керамика и т. п. Третью группу составляют коллоидные капиллярно-пористые тела: хлеб, зерно и т. п. Эластичные стенки капилляров этих тел деформируются при сушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). После сушки коллоидные капиллярно-пористые тела могут становиться хрупкими, как, например, сухари. Даже такое, весьма условное деление демонстрирует огромное многообразие типов объектов сушки, особенности которых должны учитываться при выборе способа сушки и назначения технологического регламента. Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П. А. Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:
а)	механическая — влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная. Такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например прессованием или в центрифуге;
б)	физико-химическая форма связи — адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Как правило, удаление такой влаги происходит в форме пара, т. е. необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив значительное количество теплоты;
в)	химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NaOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO4  SHjO). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур — прокаливанием.
Анализируя виды связи влаги с материалом, можно сделать следующий вывод: сначала целесообразно удалить влагу из материала механическим способом и только затем перейти к тепловой сушке.
Самый распространенный способ тепловой сушки — конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу — поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости переноса теплоты при нагреве материала, испарения влаги и от скорости переноса массы этой влаги в
128
сушильный агент. Так как топочные газы содержат в своем составе твердые продукты сгорания, что приводит к загрязнению высушиваемых материалов, в пищевой промышленности они практически не применяются. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.
Другие способы тепловой сушки, например кондуктивный, когда материал нагревается при непосредственном контакте с поверхностью сушилки, или сушка в инфракрасных лучах, как правило, комбинируют с конвективным способом. Поэтому подробно остановимся именно на конвективном способе сушки.
Кинетика сушки
Влагопроводность и термовлагопроводность. При конвективной сушке влага удаляется из материала за счет испарения с поверхности материала. На смену испарившейся из глубины материала влаги под действием градиента концентрации перемещается следующий поток влаги. Эта привычная нашим представлениям картина значительно искажается под действием температурного градиента, благодаря которому влага перемещается от более нагретых слоев на поверхности материала к менее нагретым — внутри. Это явление получило название термовлагопро-чодности. Таким образом, возникает два потока влаги. Под действием градиента концентрации
М = -к F^t	(7.91)
п под действием градиента температуры
Mt=-ktF^r,	V-9T>
'	1 дх
где кк и kt — коэффициенты массопередачи в этих процессах, зависящие от структуры материала и вида связи влаги с материалом.
Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин:
М — Mw—Mt	(7.93)
и зависит от величин действующих градиентов.
Чтобы избежать отрицательного влияния градиента температуры на скорость сушки, на практике стараются понизить температуру сушильного агента, прибегают к прерывистым процессам сушки с кратковременным нагревом и затем охлаждением и т. д.
Кривые сушки и кривые скорости сушки. Для характеристики
129
о /	//
Рис. 27. Кривая сушки
Рис. 28. Кривая скорости сушки
процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел удобно пользоваться графиками изменения влажности материала. Кривая сушки (рис. 27) показывает изменение влажности по времени. Как видно из графика, весь период сушки от начальной влажности wH до конечной vv2 можно разбить на три периода: краткий период подогрева материала, когда влажность его практически не изменяется; период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет форму наклонной прямой; и период убывающей (падающей) скорости сушки от точки К. Точка К называется критической точкой и фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становится меньше, чем может испариться с его поверхности. Влажность материала в третьем периоде асимптотически приближается к равновесной в данных условиях влажности.
Кривая скорости сушки (рис. 28) может быть построена графическим дифференцированием кривой сушки. Период подогрева на этом графике изображается вертикальной прямой (и’н — const). Период постоянной скорости — горизонтальная прямая до критической точки К. Характер изменения скорости сушки в третьем периоде зависит от структурных особенностей материала. Так, прямолинейный характер изменения скорости сушки (кривая 7) имеют грубопористые материалы, например бумага. Кривая 2 соответствует сушке макаронных изделий. Характер изменения скорости сушки сухарей представлен кривой 3.
Уравнение скорости сушки. Продолжительность сушки. Практически продолжительность периода прогрева материала ничтожно мала по сравнению с двумя другими периодами сушки. Поэтому продолжительность сушки зависит от скорости в периоды постоянной и падающей скорости сушки.
Период постоянной скорости сушки. Паэтом этапе свободная влага удаляется из материала путем испарения с ее поверхности. Движущую силу этого процесса можно выразить
130
разностью парциальных давлений пара в поверхностной пленке
материала рГ1Л и водяного пара в окружающем воздухе
Экспериментально получено следующее уравнение для скорости сушки в период постоянной скорости:
^ = 0,0745veP°^(prul-pB),	<7-94)
где vB — скорость воздуха над материалом; р — плотность воздуха.
Анализ уравнения (7.94) показывает, что скорость сушки на первом этапе зависит в основном от параметров сушильного агента. Проинтегрировав уравнение (7.94) в пределах изменения влажности от до wK и времени от 0 до т, получим
W — XV
т -------\ л-.........	(7.95)
1	0,0745vBp°,8(prm — рв)
Период падающей скорости су ш к и. Характеризуется сложными кинетическими законами для различных материалов. Этот период начинается после удаления свободной влаги с поверхности материала, поэтому скорость сушки начинает зависеть от скорости перемещения влаги внутри материала к его поверхности. Движущую силу процесса в период падающей скорости сушки выражают разностью между влажностью материала W и равновесной влажностью wp.
По аналогии с основным кинетическим уравнением (3.11) скорость сушки на втором этапе можно записать так:
где кс — коэффициент сушки, зависящий от интенсивности влагопереноса.
Начальная влажность материала на этом этапе соответствует критической влажности wK, а конечная влажность w2 бывает задана технологическим регламентом.
Уравнение (7.96) можно проинтегрировать для простейшего случая прямолинейного изменения скорости. На рис. 29 кривая скорости сушки КА заменена прямой КПА. Эту замену провели
Рис. 29. К определению продолжительности периода падающей скорости сушки
131
так, что площади между прямой КпА и кривой КА сверху и снизу прямой равновелики.
Приведенной критической точке Кп соответствует влажность wKn. Проинтегрировав уравнение (7.96) в пределах от wKn до заданной конечной влажности продукта w?, получим
W “ W
In _кп-в = £т.	(7.97)
с
Продолжительность сушки на втором этапе
т =±1п_кп—Р	(7.98)
2	kc W2-W/
а общая продолжительность сушки
т = т. + т2 =-------------+^Jn-^—е.
1	2	0,0745vB р0,8 (рг|л — рв) кс w2-wp
(7.99)
Расчет конвективной сушилки
Пусть свежий воздух параметров /0 и d0 подается вентилятором 3 (рис. 30) в калорифер 4, где при постоянном влагосодер-жании подогревается до температуры t, и затем подается в сушильную камеру, заполненную материалом. Отработавший воздух выходит из сушильной камеры с параметрами /2 и d2.
Материальный баланс. Составим материальный баланс процесса сушки:
Сн = б'к+6/,	(7.100)
где Gu — количество влажного материала, подаваемого в сушилку с начальной влажностью wH, % (кг/с); <7К — количество сухого материала, выходящего из сушилки с конечной влажностью % (кг/с); U — количество удаленной из материала влаги, кг/с.
Рис. 30. Схема конвективной тоннельной сушилки
132
Воспользовавшись тем обстоятельством, что количество сухо-|<1 вещества в материале во время сушки не изменяется, составим другое уравнение материального баланса:
(w Л ( w \
(7-101)
Комбинируя уравнения (7.100) и (7.101), получим количество удаляемой влаги
НИИ
W ~ W v=<7-102)
Составим материальный баланс сушильной установки, пола-|дя, что в сушилку подается L (кг/с) сухого воздуха.
Приход	Расход
I Сухой воздух L, кг/с	1. Сухой воздух L, кг/с
Влага, содержащаяся в свежем воз- 2. Влага, содержащаяся в отработавшем духе, Z<7o • Ю-3, кг/с	воздухе, Ldi  10~3, кг/с
i Влажный материал GH	3. Высушенный материал <7К
Сложив входящие и выходящие количества, получим
L+Ld$- 1(Г3+ Сн = Л + /д/2-10~3+Ск	(7Л03)
или
GH-GK=L(J2-rf0)10-3.
С учетом уравнения (7.100) количество удаляемой влаги
t/= £(J2-J0)/1000,	(7.104)
а количество расходуемого воздуха
L = 6/-1000/(rf2 — t/0).	(7.105)
Поделив последнее уравнение на.// получим
/ = 1000/(J2 - rf0),	(7.106)
। де / — удельный расход воздуха в сушилке — количество сухого воздуха, расхо-луемое на удаление I кг влаги из материала,	1 ~ L/U-
Тепловой баланс. Подобно предыдущему составим тепловой баланс прихода и расхода теплоты в реальной сушильной установке.
133
Приход теплоты	Расход теплоты
1.	Теплота, вносимая свежим возду-	1. Теплота, уносимая отработавшим '
хом, £/о, Дж/с	воздухом, Lh, Дж/с
2.	Теплота, сообщаемая воздуху в ка- 2. Теплота, уносимая высушенным лорифере, QK, Дж/с	материалом, если его температура 0МК,
а теплоемкость Смк, Дж/с; gMK =
= CrCmkGmK
3.	Теплота, вносимая влажным матери- 3. Теплота, уносимая транспортными алом, если его температура 0М||, а теп- устройствами, Дж/с; Qrp-к = GpGp&ip.K лоемкость Оми, Дж/с; (?мн ~ ОцСмибми
4.	Теплота, вносимая транспортными 4. Потери теплоты в окружающую устройствами, Дж/с; Qip.u = GrpGp6Tp.u среду <2,1от> Дж/с
5.	Дополнительная теплота, подводимая в сушильную камеру, 0ДОп, Дж/с
«
Уравнение теплового баланса
^4 + Qk + ^н4мн®мн + ^тр^гр®тр.н + Сдоп =
= Ы2 + ^КСМК0МК + 6ТрСТр0ТрК + <2ПОТ. (7.107)
Заметим, что QK — L(l\ — Zq). Сгруппировав подобные члены с учетом последнего замечания, получим
^4 — 4) = (^Н^МН^МН ~ ^kQik®mk) +
+ (^тр4гр®тр.н~ ЦрЦ-р®тр.к) + рцоп ~ 6ПОТ- (7.108)
Анализ правой части уравнения показывает, что теплота воздуха и дополнительно подводимая теплота в сушильной камере расходуются на подогрев материала, подогрев транспортных устройств и покрытие потерь в окружающую среду,
Д4 ~ 4) = @м + Стр + бдоп ~ С?пот- (7.109)
Дополнительный подвод теплоты в сушильную камеру может значительно компенсировать эти потери.
Вспомним, что основной задачей сушки является удаление влаги из материала, чему предшествует предварительное превращение этой влаги в пар. На это расходуется значительная часть теплоты воздуха, а в уравнение теплового баланса эти потери не вошли. Дело в том, что образовавшийся пар, несущий в себе все количество теплоты, затраченное на его образование, поглощается воздухом и, таким образом, теплосодержание воздуха в этом процессе как бы не изменяется.
Поделив уравнение (7.109) на U, получим в левой части вместо общего удельный расход воздуха, а в правой части — соответ
134
ственно удельные, затрачиваемые на удаление 1 кг влаги количества теплоты
/(/2 - 7,) - qM + 9тр + 9ДОП~ ?пот-	<711°)
Правую часть уравнения (7.110) принято обозначать знаком Л и называть поправкой на действительную сушилку. Это понятие связано с представлениями о теоретической сушилке, для которой А = 0, т. е. в теоретической сушилке нет потерь теплоты на нагрев материала и транспортных устройств, не подводится дополнительная теплота внутрь сушильной камеры и нет потерь теплоты в окружающую среду.
Перепишем уравнение (7.110) так:
/(/2-7,) = Л,	(7.111)
откуда
72=71+|	(7.112)
Последнее уравнение показывает, что характер изменения энтальпии воздуха в процессе сушки зависит от А.
Определение удельных расходов воздуха и теплоты с помощью /-d-диаграммы
7—d-диаграмма влажного воздуха была создана в 1918 г. русским ученым J1. К. Рамзиным. Диаграмма (рис. 31) построена в косоугольной системе координат с углом между вертикальной осью I и горизонтальной осью d 135°. Такое расположение осей позволило развести изотермы / = const, располагающиеся под небольшим углом вверх от горизонталей, с линиями / — const, которые в этом случае идут не горизонтально, а под углом 45° вниз. Линии d = const идут вертикально, параллельно оси 7.
Для удобства все значения влагосодержания d спроецированы на вспомогательную горизонтальную ось d, что возвращает нас к привычной прямоугольной форме диаграммы. Все линии на I— d-диаграмме построены по соответствующим аналитическим уравнениям, связывающим различные параметры влажного воздуха.
К основным линиям относятся также ср = const, веером расходящиеся из точки на оси 7, где d = 0, a t = —2Ti °C. При температуре 99,4 °C (температура насыщения водяного пара, соответствующая барометрическому давлению 745 мм рт. ст.) линии (р — const резко ломаются и идут вертикально вверх, параллельно линиям d — const.
135
8л иго с оде ржи нив d, г/кг сухого воздуха
Рис. 31. /— rf-диаграмма влажного воздуха
Нижняя пограничная кривая <р = 100 % соответствует условиям полного насыщения воздуха влагой. На этой кривой в одной точке пересекаются изотермы сухого термометра t = const и «смоченного» термометра rM — const, которые изображаются наклонными пунктирными линиями. Температурой «смоченного» термо-136
метра называют температуру адиабатного испарения воды в данных условиях за счет внутренней теплоты воздуха. Разность между показаниями сухого и «смоченного» термометров называют потенциалом сушки. Чем выше эта разность, тем большей сушильной способностью обладает воздух.
В нижнем правом углу диаграммы расположена наклонная прямая — линия парциального давления водяного пара в воздухе.
Точку А на диаграмме (рис. 32) получим на пересечении линий t/o = const и /0 = const. Этот воздух подогревается,
увеличивая свою температуру Рис. 32. Идеальный сушильный прост Iq ДО /|, при ПОСТОЯННОМ	Иесс в f/-диаграмме
влагосодержании. Процесс
подогрева идет по линии d — const до ее пересечения с изотермой tj - const в точке В. Проведя через точку В линию постоянной энтальпии /[ = const до пересечения с изотермой /2 ~ const в точке С, получим линию теоретического сушильного процесса ВС при условии А = 0.
Перепишем уравнение (7.106) для удельного расхода воздуха
/ = 1000/(г/2 - г/0).
Из диаграммы видно, что отрезок (горизонталь) DC, проведенный через точку С, пропорционален разности (г/2 — d^), т. е.
DC Mrf = (d2 - ^),
где Мд — масштаб диаграммы по оси d, г/кг сухого воздуха/мм.
Таким образом, для графического определения / достаточно знать длину отрезка DC и масштаб диаграммы:
юоо	(7.113)
DC м/
137
Теплота, затрачиваемая в калорифере на подогрев воздуха, = £(А - /0).
Поделив данное уравнение на U, перейдем к удельному значению
9к = /(А-/о)-	(7-Н4)
Как следует из диаграммы (см. рис. 32), разность (Ц — 70) пропорциональна длине отрезка АВ, а с учетом уравнения (7.113) получим
или
=	(7-115)
где М — масштабный фактор диаграммы.
Покажем, что полученные нами правила для определения / и q справедливы и для действительной сушилки, когда Д * 0.
Построим процесс в /-^-диаграмме для случая Д > 0, полагая, что величина Д предварительно определена из теплового баланса.
Воспользуемся уравнением (7.111), подставив значение Z,
Д = 1000(/2 - У,)/^ - cf0)-	(7-116)
Как и ранее, нанесем на диаграмме l-~cl точку А (рис. 33), характеризующую свежий воздух, и точку В, характеризующую
Рис. 33. Реальный сушильный процесс в /—(/-диаграмме
воздух после калорифера. Затем через точку В проведем линию I\ = const. На этой линии произвольно выберем точку Е и через нее проведем горизонталь до пересечения с линией АВ в точке F.
Воспользуемся уравнением (7.111)
/2 = /|+|
На нашей диаграмме Д>0, линия /2 = const проходит над линией l\ = const. Поэтому отложим от точки Е вверх по вертикали отрезок ЕЕ\, полагая, что точка Еу лежит на линии, изображающей процесс в действительной сушилке.
138
Перепишем уравнение (7.116), заменив координаты конечной точки процесса в действительной сушилке (72, d2) на текущие координаты произвольно выбранной точки на линии сушки (7, d).
А = 1000(7- 7ц)/(г/-г/0).
В соответствии с рис. 33 разность энтальпий
7—7| — ЕЕГ М7,
а разность влагосодержаний
Следовательно,	d-di = EFMd. А= >>00, EF Mrf
откуда	ЕЕ, = ££А. 1	М
Линию действительного сушильного процесса получим, соединив точки В и Е\ и продлив прямую Д£] вниз. Конец этой линии — точку С| найдем по любому одному из параметров воздуха на выходе из сушилки, например температуре г2.
Для действительной сушилки при А < 0 отрезок ЕЕ2 откладываем вниз по вертикали (см. рис. 33) и далее, соединяя точки В и £2, получим линию сушки ВС2, как и в предыдущем случае.
Расчет удельного расхода воздуха / и удельного расхода теплоты в калорифере q выполняется, как и для теоретической сушилки. Проведя через точки Q и С2 горизонтали, измерим отрезки Q7); и С2Д2 и определим / по формуле (7.113). Заметим, что и I и qK зависят от величины поправки на действительную сушилку А.
Расчет рециркуляционной сушилки
Основным недостатком описанного выше основного (классического) процесса сушки является необходимость подогрева воздуха до высокой температуры t\, что создает жесткий режим сушки — высокая температура и низкая относительная влажность.
Для большинства материалов в пищевой промышленности такие режимы неприемлемы. Температуру воздуха на входе в сушилку можно понизить в процессе сушки с возвратом части отработавшего воздуха. Схема сушилки, изображенная на рис. 30, позволяет работать в режиме с рециркуляцией. Эта сушилка осличается от обычной тем, что в калорифер подается не свежий
139
воздух с параметрами Iq, d0 и т. д., а смесь, состоящая из одной части свежего воздуха и и частей отработавшего. Число п называется кратностью смешения.
Параметры смеси на входе в калорифер можем рассчитать, используя простые соотношения,
<^см = <4) + '^2)/0 + «)
(7.117)
Подобным образом для удельного теплосодержания
4м = </0 + и/2)/<1 +«)-
(7.118)
Процесс сушки с рециркуляцией в I— J-диаграмме построим следующим образом (рис. 34). Отметим точку А, которая характеризует параметры свежего воздуха, и точку С, характеризующую воздух на выходе из сушилки. Прямая АС изображает процесс смешения воздуха двух различных состояний. Точку М, характеризующую состояние образованной смеси, получим, поделив линию А С на п + 1 частей и отложив л частей от точки А.
Смесь подогревается по линии dCM — const до температуры 4^]. Точку Bi получим на пересечении линии dCM = const и изотермы /см1. Сравним удельные расходы воздуха и теплоты в калорифере для процесса с рециркуляцией и основного процесса, построен-
ного при Удельный
тех же параметрах расход воздуха в
Рис. 34. Процесс сушки с рециркуляцией воздуха в /—//-диаграмме
свежего и отработавшего воздуха, основном процессе характеризует линия CD, а в процессе с рециркуляцией — линия CD[. Исходя из уравнения (7.113), можно сделать вывод, что удельный расход воздуха в процессе с рециркуляцией больше, чем в основном процессе, так как CD > CD\. Удельный расход теплоты в калорифере:
для
основного процесса
а =АВ-М-CDm,
для цией
процесса с рециркуля-
, _ МВ> ьл
У* CD{ М-
Из подобия треугольников АВС и МВ\С следует, что
140
AB = MB
CD CDf’ t. e.
?k = ?k-
По сравнению с основным процессом в процессе с рециркуляцией удельный расход воздуха больше, а удельные расходы теплоты в калорифере одинаковы. Следовательно, в процессе с возвратом части отработавшего воздуха нельзя добиться экономии энергии, но можно смягчить режим сушки.
Смягчения режима сушки можно добиться за счет дополнительного подвода теплоты в сушильную камеру или сушилку с промежуточным подогревом воздуха при переходе его из камеры в камеру. В этих процессах удельные расходы воздуха и теплоты такие же, как и в основном процессе, построенном при тех же начальных и конечных параметрах.
Контрольные вопросы
1.	В чем проявляется аналогия в переносах теплоты и массы?
2.	От чего зависит величина коэффициента массопередачи? Поясните его физический смысл.
3.	Какие массообменные процессы распространены в пищевых производствах?
4.	Чем отличаются процессы абсорбции от процессов адсорбции?
5.	Что называется теоретической ступенью изменения концентрации?
6.	Как обеспечивается поверхность фазового контакта в массообменных аппаратах?
7.	Назовите три формы связи влаги с материалом. Какая влага удаляется в процессе сушки?
8.	Какими преимуществами обладают процессы сушки с рециркуляцией и промежуточным подогревом воздуха?
Глава 8
ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенизации и переэтерификации, инвертного сахара путем кислотного гидролиза сахарозы. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, шоколада, растительных масел, прессованных дрожжей, а также при хранении продуктов.
Скорость химических процессов имеет большое значение. Раздел физической химии, изучающий скорость химических реакций, механизм химического взаимодействия и влияние различ
141
ных условий на скорость реакций, называется химической кинетикой.
Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. При расчете скорости реакции можно рассматривать одно из исходных веществ, концентрация которого в ходе реакции уменьшается, или один из продуктов реакции, концентрация которого в ходе реакции возрастает. Если изменение концентрации отнести к бесконечно малому промежутку времени, то производная концентрации по времени будет составлять истинную скорость реакции в данный момент
\ = + dc/dx.	(8.1)
Поскольку скорость реакции всегда положительна, а изменение концентрации исходных веществ отрицательно, то в правой части уравнения ставят знак минус. Для продуктов реакции изменение концентрации и производная концентрации положительны.
В зависимости от агрегатного состояния взаимодействующих веществ химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. В гомогенных системах реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: газовой (Г), жидкой (Ж) или твердой (Т); в гетерогенных — в разных фазах. На практике наиболее часто встречаются следующие гетерогенные системы: Г— Ж, Г—Т, Ж—Т. В некоторых случаях такие системы могут быть трехфазными, например Г—Ж—Т, Г—Т—Т. Реакции в гомогенных системах протекают обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм технологического процесса проще и управлять им легче, поэтому на производстве, если это возможно, стремятся перевести твердые вещества в жидкое состояние, например, путем растворения.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Основные факторы, влияющие на скорость всех реакций, — это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.
Влияние концентрации. Увеличение концентрации взаимодействующих веществ — один из самых распространенных приемов интенсификации процессов. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции. Например, в производстве патоки для реакции нейтрализации хло
142
роводородной кислоты карбонатом натрия скорость может быть вычислена по следующему уравнению:
2НС1 + Na2CO3 = 2NaCI + Н2О + СО2;
v= КСДаС^а2СО3-	(8’2>
Закон действия масс в общем записывается так:
(8-3) а b ’
где К— коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции; Сп и Сь — концентрации веществ а и Ь, участвующих в химической реакции; п и т — стехиометрические коэффициенты.
Если принять, что Са— С/, = 1, то v = К, т. е. константа скорости реакции численно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ, равной единице. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и не зависит от концентрации веществ, участвующих в химической реакции. Константа скорости данной реакции при данной температуре постоянна.
Для определения констант скорости реакции в зависимости от молекулярности и порядка реакции выведены соответствующие формулы.
Молекулярность реакции определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия. Если для этого требуется одна молекула, то реакции называются мономолекулярными. Примером такой реакции может служить реакция разложения СаСО3 под действием высокой температуры при обжиге известняка в печах на свеклосахарных заводах:
СаСО3 = СаО + СО2.
При участии двух молекул реакции называются бимолекулярными, трех — тримолекулярными. Это могут быть молекулы одного или разных веществ. Реакция взаимодействия хлороводородной кислоты с карбонатом натрия, приведенная выше, является тримолекулярной.
Порядок реакции — это сумма показателей степеней при концентрациях веществ в уравнении закона действия масс. Скорость реакции первого порядка пропорциональна концентрации в первой степени, скорости реакций второго и третьего порядков пропорциональны соответственно концентрациям во второй и третьей степени. Однако порядок реакции может быть ниже ее молекулярности, если какое-либо вещество находится в избытке и поэтому его концентрацию можно практически считать неиз
143
менной. Например, при инверсии сахарозы в водном растворе НО
н+
С12Н22ОИ + Н2О > С6Н12О6 + С6Н12О6
изменение концентрации воды так незначительно, что им можно пренебречь. Следовательно, инверсию сахарозы рассматривают как реакцию первого порядка, хотя в соответствии с молекулярностью она бимолекулярна, так как в ней участвуют две молекулы: сахарозы и воды. В итоге только эксперимент может установить порядок реакции и только значение порядка реакции позволяет вычислить константу ее скорости.
Для реакции первого порядка константа скорости реакции
(8-4)
где а — начальная концентрация вещества; х — количество вещества, вступившее в реакцию за данный отрезок времени т; (а — х) — концентрация вещества в момент времени т.
Для реакции второго порядка константа скорости реакции
Знание порядка и константы скорости реакции позволяет определить оптимальное время проведения реакции.
Так, если начальная концентрация сахарозы составляет 100 %, то в 0,5 М растворе хлороводородной кислоты за 20 мин сахароза гидролизуется на 50 %. Время, необходимое для гидролиза сахарозы на 90 %, рассчитывается следующим образом. Гидролиз сахарозы — это реакция первого порядка, поэтому константа ее скорости
Время гидролиза
'=^-104|«ооДо:=4«Х)с=’67м”"-
Влияние температуры. Температура — важный фактор, определяющий скорость реакции. С повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10 °C увеличивает скорость реакции в 2...4 раза (в
144
среднем в 3 раза). Это правило приближенное и применимо к реакциям, протекающим в области температур от 0 до 300 °C и в небольшом температурном интервале.
Если обозначить константу скорости реакции буквой Kt, температуру, при которой она протекает, t, а константу скорости при температуре / +10“ А/+ю, то отношение этих констант является температурным коэффициентом скорости реакции:
У = ^г+
Если принять у = 2 (максимальное значение коэффициента), то при увеличении температуры реакции на 50 °C скорость реакции увеличится в 32 раза (2’). Таким образом, увеличение температуры в арифметической прогрессии ведет к возрастанию скорости реакции в геометрической прогрессии.
Более точно влияние температуры на скорость химических реакций выражается соотношением, полученным экспериментальным путем. Эта зависимость имеет следующий вид:
In К = b -
где b и a — постоянные для данной реакции; Т — температура, К.
Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Согласно этой теории химическое взаимодействие между молекулами возможно только при их столкновении, однако к химическим реакциям приводят эффективные столкновения, т. е. в реакцию вступают не все сталкивающиеся молекулы, а только молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными. Избыточная энергия молекул называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ.
Для протекания химических реакций необходимо разорвать внутримолекулярные связи в молекулах реагирующих веществ. Если сталкивающиеся молекулы обладают большой энергией и ее достаточно для разрыва связей, то реакция пойдет; если энергия молекул меньше необходимой, то столкновение будет неэффективным и реакция не пойдет.
При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастает, в результате увеличивается скорость реакции.
145
Влияние катализатора. Катализатор — это вещество, которое резко изменяет скорость реакции. В присутствии катализаторов реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно. Велико значение катализаторов в органическом синтезе — в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. Чем активнее катализатор, тем быстрее идут каталитические реакции. Катализаторы могут ускорять одну реакцию, группу реакций или реакции разных типов, т. е. они обладают индивидуальной или групповой специфичностью, а некоторые из них пригодны для многих реакций. Например, ионы водорода ускоряют реакции гидролиза белков, крахмала и других соединений, реакции гидратации и т. д. Существуют каталитические реакции, в которых катализатором является один из промежуточных или конечных продуктов реакции. Эти реакции идут с малой скоростью в начальный период и с возрастающей — в последующий.
Катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина) и в виде оксидов или солей (окись ванадия, окись алюминия), соединения железа, магния, кальция, меди и т. п. Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при сравнительно высоких температурах.
Присутствие в среде, где протекает реакция, посторонних веществ оказывает на катализатор различное влияние: одни нейтральны, другие усиливают действие катализатора, третьи его ослабляют или подавляют. Вещества, отравляющие катализатор, называются каталитическими ядами.
В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, будучи равномерно распределенным в реакционной среде, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе. В гетерогенном катализе реагирующие вещества, как правило, находятся в жидком или газообразном состоянии, а катализатор — в твердом, при этом реакция протекает на границе двух фаз, т. е. на поверхности твердого катализатора. Например, каталитическая реакция гидрирования жиров — трехфазная: катализатор — металлический никель — образует твердую фазу, водород —- газообразную, а жир — жидкую. Поэтому в данном случае речь идет о гетерогенном катализе.
При гетерогенном катализе большое значение имеют способ получения катализатора, условия проведения процесса, состав примесей и т. д. Катализаторы должны обладать значительной селективностью, активностью и сохранять эти свойства длительное время.
Для того чтобы объяснить механизм гомогенного катализа, пользуются теорией промежуточных соединений. При внесении катализатора реакция проходит через несколько промежуточных
146
стадий, требующих меньшей энергии активации, чем прямая реакция без катализатора, что приводит к колоссальному возрастанию скорости реакции.
Медленно протекающий процесс, например реакция
А + В = АВ,
в присутствии катализатора К происходит в две стадии:
А + К = АК (промежуточное соединение);
АК + В = АВ + К.
Каждая из этих стадий идет с малой энергией активации и, следовательно, с большой скоростью. Катализатор образует промежуточное соединение, которое при взаимодействии с другим веществом регенерирует катализатор.
Многие гомогенные реакции катализируются действием ионов Н+ и ОН”. К таким реакциям относятся инверсия сахарозы, гидролиз сложных эфиров, в том числе жиров. Ионы металлов катализируют реакции окисления, гидролиза. Например, медь катализирует окисление аскорбиновой кислоты, поэтому оборудование для переработки плодов и овощей нельзя изготавливать из меди и ее сплавов. Окисление пищевых жиров ускоряется под действием ионов меди, железа, марганца, поэтому жиры нельзя хранить в металлической таре.
Основным недостатком гомогенного катализа является трудность выделения катализатора из конечной смеси (жидкости или газа), в результате чего часть его безвозвратно теряется, а продукт загрязняется им. Гетерогенный катализ не страдает этим недостатком, что служит одной из важнейших причин его большого распространения в промышленности. Этот вид катализа сопровождается образованием промежуточных соединений. Они формируются на отдельных участках поверхности катализатора, в так называемых активных центрах, занимающих небольшую часть его поверхности. Если активные центры блокировать, например, каталитическими ядами, то катализатор теряет свою активность. Для увеличения поверхности и, следовательно, количества активных центров катализатора его измельчают. Чтобы катализатор не уносился током газа, его наносят на инертный носитель с развитой поверхностью (силикагель, асбест, пемзу и т. п.).
Большинство каталитических реакций положительно, т. е. в присутствии катализатора их скорость возрастает. Однако встречается отрицательный катализ, когда катализатор замедляет скорость реакции. В данном случае катализатор называют ингибитором. Если ингибитор тормозит процесс окисления, его называют антиокислителем или антиоксидантом.
147
СУЩНОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ РОЛЬ В ПИЩЕВОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Получение и хранение самых разнообразных пищевых продуктов сопровождаются протеканием химических процессов. Одни из них связаны с реакциями гидролиза, другие — с окислительно-восстановительными реакциями (меланоидинообразова-нием, сульфитацией, окислением и др.).
Гидролиз. Это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.
Сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы),
С12Н22Он + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6.
Характерная особенность сахарозы — исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем скорость гидролиза, при этих же условиях таких дисахаридов, как мальтоза или лактоза.
Инвертный сироп обладает двумя свойствами — свойствами антикристаллизатора и гигроскопичностью. Первое свойство связано с его вязкостью, а второе — с присутствием фруктозы, являющейся самым гигроскопичным из всех известных сахаров и способным поглощать влагу из окружающего воздуха даже при его относительной влажности 45...50 %.
Антикристаллизационные свойства инвертного сиропа позволяют широко использовать его при производстве карамели. В качестве антикристаллизатора можно применять также патоку, имеющую большую вязкость, чем инвертный сироп, и обладающую свойством задерживать скорость кристаллизации в большей степени. Возможна частичная замена патоки инвертным сиропом.
Карамель — продукт, получаемый увариванием сахаропаточного или сахароинвертного сиропа до карамельной массы влажностью 1...3 %. Чистый сахарный сироп при такой низкой влажности кристаллизуется. Для предотвращения этого явления и получения карамели, т. е. аморфного вещества, вводят антикристаллизаторы.
Инвертный сироп получают непосредственно на фабриках, используя в качестве катализатора сильную кислоту, например хлороводородную. Чаще всего для этих целей применяют органические кислоты — молочную, лимонную и винную. В первом случае в 80%-й раствор сахара при температуре 90 °C вводят 0,02...0,03 % хлороводородной кислоты в виде 10%-го раствора. Гидролиз длится 20...30 мин в зависимости от количества вводимой кислоты. По окончании инверсии
148
сироп нейтрализуют 10%-м раствором гидрокарбоната натрия до слабокислой реакции. Нейтрализацию ведут при температуре 65 °C, чтобы предотвратить потемнение раствора.
Во втором случае органические кислоты оказывают более слабое инвертирующее действие и нарастание инвертного сахара идет более медленно. Нейтрализацию кислоты не проводят, инвертный сахар образуется непрерывно с момента введения кислоты до получения готовой карамели. Чаще всего используют молочную кислоту, которая обладает наименьшей инвертирующей способностью из всех названных кислот. Количество вводимой кислоты рассчитывают так, чтобы содержание редуцирующих веществ составляло 18...20 %. Подобный способ варки сиропа называется кислотным. Чаще всего его применяют в том случае, когда карамель готовят на инвертном сахаре с добавлением патоки. Последняя обладает буферной способностью, и в ее присутствии нарастание инвертного сахара происходит медленно и равномерно. Этот способ позволяет получать более светлую карамельную массу.
Гидролиз сахарозы может играть отрицательную роль, например, в сахарном производстве, так как при этом увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения. При получении сахара измельченную свеклу обрабатывают горячей водой, получая диффузионный сок, в котором растворены сахароза и другие вещества. Некоторые из' этих соединений придают соку кислую реакцию. Для предотвращения гидролиза сахарозы диффузионный сок на первых стадиях очистки нейтрализуют.
Свойства антикристаллизатора и гигроскопичности инвертного сахара широко используются в различных отраслях кондитерской промышленности.
Так, гигроскопичность инвертного сиропа широко используется при хранении кондитерских изделий. Она ограничивает применение инвертного сиропа при производстве карамели, так как при хранении карамель «намокает». В то же время гигроскопичность инвертного сахара используется при введении его в рецептуру мучных кондитерских изделий для увеличения срока хранения готового продукта.
Высокое содержание (не менее 30 %) инвертного сахара во фруктово-ягодных начинках при производстве карамели также предотвращает их от засахаривания при хранении из-за высокой гигроскопичности фруктозы.
При уваривании яблочно-сахарной смеси в производстве фруктово-ягодного мармелада происходит инверсия сахарозы. Образующийся инвертный сахар предотвращает засахаривание мармеладной массы и образование грубокристаллической корочки. Однако гидролиз сахарозы не должен проходить чрезмерно глубоко, так как избыток инвертного сахара может вызвать намокание поверхности мармелада при его хранении.
149
Не менее важная роль принадлежит гидролизу крахмала. При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу. В качестве промежуточных продуктов в большем или меньшем количестве образуются полисахариды разной молекулярной массы — декстрины. На первых этапах гидролиза появляются декстрины, мало отличающиеся от крахмала по размерам и свойствам. Они имеют довольно высокую молекулярную массу, в присутствии йода дают синюю или фиолетовую окраску. Это так называемые амилодекстрины. В процессе дальнейшего гидролиза крахмала молекулярная масса декстринов снижается, образуются эритро-декстрины, в присутствии йода они дают темно-бурое, затем красное окрашивание. И наконец, ахро- и мальтодекстрины, которые цвет йодной пробы не изменяют. По мере снижения молекулярной массы декстринов снижается их удельное вращение и уменьшается растворимость в спиртовых растворах. Продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или ферментами называется патокой. В ее состав кроме декстринов входят мальтоза и глюкоза. Сырьем для получения патоки служит картофельный и кукурузный крахмал.
Гидролиз крахмала — процесс каталитический. В качестве катализатора при гидролизе крахмала применяют минеральные кислоты, обычно хлороводородную кислоту. На скорость реакции оказывают влияние примеси, содержащиеся в крахмале. Реагируя с кислотой, они понижают ее концентрацию в растворе, в результате чего скорость реакции уменьшается. Наиболее сильно связывают кислоту фосфаты и аминокислоты. В зависимости от глубины гидролиза получают патоку разных состава и свойств. Для производства карамели используют следующие виды патоки: карамельную низкоосахаренную (КН), карамельную высшего сорта (КВ) и карамельную первого сорта (KI), причем содержание редуцирующих сахаров в них возрастает от патоки КН к патоке KI, а количество декстринов соответственно снижается. Декстрины, обладая высокой вязкостью, придают патоке свойства антикристаллизатора. Как указывалось выше, редуцирующие вещества также в некоторой степени обладают свойствами антикристаллизатора, однако эти свойства у них выражены гораздо слабее, чем у декстринов. Наилучшим антикристаллизатором является патока КН, при добавлении которой можно получать карамель, наиболее стойкую при хранении. Редуцирующие вещества патоки характеризуются гигроскопичностью, поэтому кара-мель, приготовленная на патоке KI, имеет ограниченный срок хранения. Промышленность вырабатывает еще один вид патоки — глюкозную высокоосахаренную (ГВ), отличающуюся высоким содержанием (до 44...60 %) редуцирующих веществ. Эта патока характеризуется высокой сладостью, пониженной вязкостью. Она более гигроскопична, чем карамельные патоки, поэтому ее используют при производстве помадных изделий,
150
пирожных, кексов и других мучных кондитерских изделий для улучшения их качества и увеличения сроков хранения. Патока ГВ применяется также в производстве столовых сиропов, при получении варенья, повидла и других фруктовых консервов, предотвращая их засахаривание.
Меланоидинообразование. Это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (—ЫНг), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа =0=0, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара — фурфурол и оксиметил фурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами. Белки тоже могут вступать во взаимодействие с сахарами, но менее активно, чем аминокислоты, так как содержат меньше свободных аминных групп.
Образование меланоидинов — основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, сушки и хранения. Особенно интенсивно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле. Реакция меланоидинообразования сопровождается потемнением получаемых продуктов (фруктово-ягодного пюре, соков, повидла, хлеба), которое наблюдается при длительном нагревании этих продуктов при высокой температуре, а также при их фасовании в горячем виде и хранении при повышенной температуре.
При производстве ряда пищевых продуктов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования. В хлебопечении, например, для получения пшеничного хлеба приятного вкуса, аромата, с румяной корочкой технологический процесс необходимо вести таким образом, чтобы к моменту выпечки в тесте содержалось определенное количество сахара (около 2...3 % к массе сухих веществ муки) и необходимое количество аминокислот, которые могут вступить в химическое взаимодействие. Для этого мука должна обладать нормальной сахарообразующей
151
способностью, т. е. в ней в определенной степени должен пройти процесс гидролиза крахмала под действием ферментов с образованием необходимого количества мальтозы. Этот процесс протекает на стадии брожения теста. На этой же стадии должно образоваться соответствующее количество продуктов расщепления белка.
При получении темного пивоваренного солода реакция меланоид инообразован ия протекает в процессе сушки. Накопление веществ, необходимых для образования аромата и цвета, в основном происходит на предшествующей стадии проращивания зерна. Для достаточного образования аминокислот и сахаров выбирают ячмень с высоким содержанием белка. Замачивание его ведут до относительно высокой влажности 45...47 %, проращивание в первые дни проводят при температуре 15... 17 °C, а затем ее повышают до 22...23 °C.
При производстве ржаного солода, имеющего коричневую окраску и специфический аромат, создают дополнительные условия, способствующие образованию меланоидинов. Для этого после проращивания зерно подвергают специальной технологической обработке — ферментации, которую проводят в течение нескольких суток при постепенно повышающейся температуре (от 40 до 65 °C). При этом создаются благоприятные условия для воздействия протеолитических, амилолитических и цитолитических ферментов, идет интенсивный гидролиз белков, углеводов и других веществ, в результате чего в солоде накапливаются аминокислоты и сахара. При сушке солода с повышением температуры процесс меланоидинообразования, начавшийся в период ферментации, интенсивно продолжается.
Дегидратация. Одна из реакций, протекающая в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В то же время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т. е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционно способными и могут соединяться друг с другом или с неизмененной молекулой глюкозы и образовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой
152
кислот и окрашенных соединений. В общем виде схему химических изменений сахарозы можно представить в следующем виде:
Сахароза — Моносахариды —Ангидриды — Окси метил фурфурол
(смесь глюко- сахаров зы и фруктозы)
Продукты конденсации (реверсии)
Красящие и гуминовые вещества
I
Муравьиная и левулиновая кислоты
Наиболее чувствительной к нагреванию является фруктоза. Аналогичные процессы наблюдаются при нагревании патоки, инвертного сиропа. Продукты разложения сахаров обладают различными свойствами. Оксиметил фурфурол, красящие и гуминовые вещества повышают цветность и гигроскопичность продуктов и отрицательно сказываются при производстве сахара и карамели. Ангидриды и продукты конденсации способны задерживать кристаллизацию сахарозы из карамельной массы и не оказывают влияния на гигроскопичность и цветность готового продукта.
При нагревании концентрированных растворов сахара (70...80%-й концентрации), особенно при их плавлении, образуются продукты конденсации. Если концентрация растворов низкая (10...30%-я), то реакция дегидратации идет в основном с образованием оксиметилфурфурола и сопровождается нарастанием цветности.
На характер реакции оказывают влияние температура (при повышении на каждые 10 °C нарастание цветности увеличивается в 3 раза) и pH среды (с повышением кислотности, а также в щелочной среде усиливается накопление окрашенных продуктов).
Эти свойства сахаров учитывают при разработке параметров технологических процессов. Для предотвращения потемнения готового продукта в сахарном производстве уваривание сиропа с концентрацией сухих веществ 65 % проводят в вакуум-аппаратах, что позволяет снизить температуру уваривания со 120 до 75...80 °C. В производстве карамели карамельный сироп уваривают в змеевиковых вакуум-аппаратах, что не только снижает температуру уваривания, но и сокращает длительность процесса до 2...2,5 мин. Применение более совершенной аппаратуры, например пленочных аппаратов роторного типа, для получения карамельной массы позволяет провести процесс за минимально короткое время и практически полностью исключить разложение сахаров, нарастание цветности и увеличение гигроскопичности карамели. Для предотвращения потемнения инвертного сахара и
153
патоки в процессе их получения эти продукты стремятся как можно быстрее охладить на завершающей стадии технологического процесса. В производстве тех пищевых продуктов, где охлаждение невозможно из-за особенностей технологии, потемнение предотвращают, регулируя pH среды. Так, в паточном производстве нейтрализацию кислот после гидролиза крахмала ведут до pH 4,6...4,9, избегая перещелачивания раствора.
Сульфитация. При производстве ряда пищевых продуктов реакция меланоидинообразования нежелательна, например при получении сахара-песка. Существуют и другие причины, например, при переработке овощей и плодов потемнение происходит за счет протекания биохимических процессов и образования меланинов. С образованием меланинов связано потемнение очищенных и нарезанных яблок, картофеля при непродолжительном хранении на воздухе. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т. е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего H2SO3. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов и может быть использован для улучшения внешнего вида готового продукта. Диоксид серы получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.
При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем,
SO2 + Н2О = H2SO3.
Частично сернистая кислота переходит в серную:
H2SO3 + Н2О = H2SO4 + 2Н.
Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие. Органические красящие вещества всегда содержат
непредельные хромофорные группы ( — С = С — ), при восстановлении их сернистой кислотой по месту разрыва двойных связей присоединяется водород, в результате окрашенные вещества превращаются в бесцветные лейкосоединения. Эффект обесцвечивания может достигать 30 %.
Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение.
154
В то же время понятие сульфитации имеет более широкий смысл, когда речь идет о сульфитации как о способе консервирования пищевых продуктов. Диоксид серы, сернистая кислота и ее соли в этом случае выполняют роль антисептика, вызывая глубокие изменения в клетках микроорганизмов, особенно молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Действие ее на микроорганизмы связано с восстанавливающими свойствами: являясь акцептором кислорода, сернистая кислота задерживает дыхание микроорганизмов, а реагируя с промежуточными продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, а также с ферментами, нарушает обмен веществ. Все это ведет к гибели микрофлоры.
Сернистая кислота оказывает влияние на растительную ткань сульфитированных продуктов. Под ее влиянием происходит коагуляция протоплазмы клеток, нарушается тургор и сок частично выходит в межклеточное пространство, в результате чего ткань плода размягчается.
Являясь сильным восстановителем, сернистая кислота препятствует окислению химических веществ плодов. Блокируя ферменты, катализирующие необратимое окисление витамина С, сернистая кислота способствует его сохранению.
Вступая в соединение с красящими веществами плодов, сернистая кислота вызывает сильное обесцвечивание продукта. Все плоды и ягоды, имеющие красную, синюю и другую окраску (вишня, слива, малина, черная смородина и т. п.), после сульфитации теряют свой первоначальный цвет.
Окисление. Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах — прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действием света и кислорода воздуха, так и с действием некоторых ферментов. Наиболее простой случай прогоркания, часто наблюдаемый при хранении коровьего масла и маргарина, заключается в омылении жира и появлении в свободном виде масляной кислоты, которая придает продукту неприятный запах, свойственный этой кислоте.
Однако наиболее распространенный тип прогоркания жиров — прогоркание, обусловленное окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды,
0-0
R—С=С—R, + О,---R-C-C-R. .
II	II
НН	НН
В результате дальнейшего разложения перекисей жирных кислот
155
образуются альдегиды, придающие жиру неприятные запах и вкус.
При отсутствии кислорода воздуха процесс не идет, таким образом, при хранении жира в вакууме он не прогоркает. Присутствие в жирах солей металлов, особенно меди, которые являются катализаторами, увеличивает скорость окисления. На интенсивность реакции окисления жиров влияет степень ненасыщенности жирных кислот: чем ненасыщенность выше, тем быстрее жир окисляется. Наличие в жире белковых и слизистых веществ также ускоряет порчу жира, поэтому при получении жиров стремятся в максимальной степени избавиться от этих примесей.
В то же время присутствие в жирах и жиросодержащих продуктах антиоксидантов снижает скорость их окисления. Наиболее активными естественными антиокислителями являются токоферолы (витамин Е). Медленное окисление какао-масла, кунжутного масла и длительное хранение халвы, особенно тахинной, приготовленной на основе кунжута и продуктов его переработки, объясняется наличием в этих маслах природных антиокислителей. При производстве и очистке жиров антиокислители частично удаляют, что резко снижает стойкость жиров при хранении. Аналогичные процессы протекают при тепловой обработке пищеконцентратов, в результате которой жиры легко прогоркают. Добавление к ним антиокислителей позволяет значительно увеличить сроки хранения.
Животные жиры, как правило, очень бедны токоферолами, поэтому введение в состав жиров антиокислителей резко повышает стойкость их к прогорканию.
В последние годы синтезирован ряд веществ, обладающих антиокислительным действием. К ним относятся производные фенолов — бутилоксианизол, бутилокситолуол и др. Введение этих соединений в малых количествах (0,01 % к массе жира) резко замедляет процесс прогоркания жира. Фенолы и их производные входят в состав коптильной жидкости, содержатся в древесном дыме, поэтому копченые продукты, как правило, обладают стойкостью при хранении.
Использование смесей антиокислителей дает больший эффект, чем применение отдельного антиоксиданта. Суммарное действие смеси веществ, превышающее действие каждого компонента в отдельности, называется синергизмом. Подобным действием обладают также вещества, не являющиеся антиокислителями. К таким веществам относятся лимонная, аскорбиновая, виннокаменная кислоты, фосфатиды, сульфгидрильные соединения и др.
Рассмотренные выше химические процессы являются общими для получения ряда пищевых продуктов.
156
Контрольные вопросы
I.	Какие факторы и как влияют на скорость химических реакций?
2.	При получении каких пищевых продуктов происходит кислотный гидролиз сахарозы и какое воздействие он может оказывать на качество готового продукта?
3.	В чем заключается кислотный гидролиз крахмала и получение каких продуктов связано с этой химической реакцией?
4.	В чем сущность реакции меланоидинообразования и как предотвратить нежелательное потемнение продукта?
5.	В чем химизм окисления жиров и масел и какими путями можно увеличить срок их хранения?
Глава 9
ДИСПЕРСНЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ
Важная роль в пищевой технологии принадлежит дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.
Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них — сплошная, называется дисперсионной средой. Другая — раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой.
Дисперсными системами являются большинство продуктов питания, сырье и полуфабрикаты: хлеб, мука, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т. п.
Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще — неправильную. Образование различных дисперсий можно проиллюстрировать на примере уменьшения размеров куба по трем его осям. При значительном уменьшении размера в одном его измерении образуется пленка или поверхностный слой, при уменьшении размеров куба одновременно в двух измерениях образуются нити или капилляры, а уменьшение его размеров по всем трем измерениям приводит к образованию мелких частиц. Раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением которой она достигнута, т. е. наименьшим размером а. Раздробленность характеризуется также величиной, обратной размеру а, т. е. 1/о. Эта величина называется дисперсностью D. Кроме этого раздробленность характеризуется величиной удельной поверхности Sya, определяемой отношением площади межфазной поверхности к объему тела S/V. Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением размера а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность 5уд.
Изменение удельной поверхности луд при дроблении 1 см вещества на частицы (кубики) меньшего размера показано в табл. 9.1.
157
Таблица 9.1
Длина грани кубика а, см	Число кубиков	Удельная поверхность, см2
1	I	6
1  кг1	I  103	60
1 • кг-’	I • 109	6  103
1 • ю'5	I • 10'5	6  105
1 - I0"7	I  1021	6 - ю7
Увеличение размеров частиц и связанное с этим увеличение размеров удельной поверхности влекут за собой некоторое изменение свойств дисперсных систем.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности. Дисперсные системы с частицами, размер которых превышает 10~3 см, относятся к грубодисперсным системам (рис. 35). Эти частицы при распределении в жидкости или газе, где они постепенно оседают или всплывают, наблюдаются визуально. Системы с частицами, размер которых лежит в пределах от 10~5 до 1(Г3 см (от 0,1 до 10 мкм), называются микрогетеро-генными. Частицы таких сисгем видны только в микроскоп, в газовой или жидкой среде они также оседают или всплывают.
Гетерогенные системы с частицами размером от 10~7 до 10~5 см (от 1 до 100 нм) относят к ультрамикрогетерогенным. Такие системы называют коллоидными. Частицы в них настолько малы,
что вещество, из которого они состоят, почти целиком находит-
ся в коллоидном состоянии, т. е. практически содержит только поверхностные атомы и молекулы. Такие частицы по сравнению
с отдельной молекулой обладают определенным агрегатным состоянием, которого не имеет молекула. При увеличении числа
молекул в частице она постепенно приобретает все свойства фазы. Коллоидные системы вследствие большой удельной по-
верхности обладают значительной поверхностной энергией, что обусловливает неустойчивость системы, — она всегда стремится к самопроизвольному уменьшению межфазной поверхности, т. е. к снижению дисперсности. Способ-
Рис. 35. Зависимость удельной поверхности от поперечного размера частиц для системы: I — грубодисперсной; 2 — микрогетерогенной; 3 — коллоидной; 4 — молекулярно-дисперсной
158
ность коллоидных систем увеличивать размеры частиц путем их агрегации называется агрегативной неустойчивостью.
Дисперсные системы классифицируются не только по размерам частиц, но и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое и газообразное) дает 9 типов дисперсных систем (табл. 9.2). Условно их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель — дисперсионной среды. Например, обозначение Г/Ж показывает, что система состоит из газообразной дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (газообразное вещество в жидкости).
Таблица 9.2
Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Условное обозначение системы	Название системы и примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые гетерогенные системы: шоколад, кристаллический ирис
Жидкая	»	Ж/Т	Капиллярные системы (жидкость в пористых телах): мармелад, бисквитное тесто
Газообразная	»	г/т	Пористые тела, твердые пены: пастила, зефир, пористый шоколад
Твердая	Жидкая	Т/Ж	Суспензии и лиозоли: взвеси, пасты, какао тертое, помадные массы
Жидкая	>>	Ж/Ж	Эмульсии: кремы, молоко, масло, сметана
Газообразная	»	Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: шампанское, пиво
Твердая	Газообразная	т/г	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки: мучная, сахарная пыль, какао-порошок, крахмал
Жидкая	»	ж/г	Аэрозоли: туманы, в том числе и промышленные, распыленные для высушивания соки, молоко
Газообразная	»	г/г	Коллоидная система не образуется
КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ
Коллоидное состояние характеризуется следующими основными признаками: определенными размерами частиц (10-7... 10-5 см), гетерогенностью и многокомпонентностью.
159
Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями (от латинского слова solutio — раствор).
Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой — лиозолями (от греческого слова lios — жидкость). В зависимости от природы жидкости лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или более конкретно — алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и т. д.
По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами — порошками, суспензиями и эмульсиями. Коллоидные системы образуются двумя путями: диспергированием — дроблением крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности; конденсацией — соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров. При этом необходимыми условиями образования коллоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость.
Стабилизаторами могут быть вещества, специально вводимые в дисперсионную среду, например поверхностно-активные вещества или продукты взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Стабилизаторы создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию.
В производстве различных пищевых продуктов диспергирование и конденсация занимают одно из ведущих мест. Это обусловлено особенностями вещества в дисперсном состоянии, которые обеспечивают удобства фасования, транспортирования, дозирования, способствуют увеличению скоростей химических и биохимических реакций и процессов растворения, сорбции, экстракции и других процессов.
Диспергирование используют при дроблении и измельчении зерна в муку, какао-бобов в какао тертое и какао-порошок, сахара в сахарную пудру, в консервной промышленности при гомогенизации плодово-ягодных пюре и т. п.
Конденсация возникает в ректификационных аппаратах при получении спирта, кристаллизации сахара, выпаривании растворов, оклейке вин и т. д.
Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, обусловленными самопроизвольным движением частиц. Это такие свойства, как диффузия, осмотическое давление и распределение частиц по высоте.
Причиной диффузии (самопроизвольное выравнивание концентраций) частиц в коллоидных системах является броуновское движение, которое, в свою очередь, является следствием теплово-
160
го движения молекул дисперсионной среды. Скорость диффузии обратно пропорциональна размеру диффундирующих частиц, поэтому в коллоидных системах, частицы которых имеют размеры порядка 107... 10~5 см, т. е. значительно больше молекул обычных низкомолекулярных веществ, скорость диффузии невелика.
На коллоидные частицы, распределенные в дисперсионной среде, действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила диффузии. Под действием силы тяжести частицы стремятся осесть на дно — седиментировать (от латинского слова sedimentum — осадок). Силы диффузии же стремятся распределить частицы равномерно по всему объему системы. Таким образом, дисперсные системы способны сохранять определенное распределение частиц по объему. Эта способность называется седиментационной или кинетической устойчивостью. Грубодисперсные системы кинетически неустойчивы, их частицы велики и поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Молекулярные системы (газы, растворы) обладают очень высокой кинетической устойчивостью. Кинетическая устойчивость коллоидных систем зависит от размеров их частиц: чем меньше размер частиц, тем более кинетически устойчива коллоидная система.
МИКРОГЕТЕРОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ
К микрогетеро генным системам с размером частиц 10“5... 10“3 см относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Т/Г и Ж/Г) и порошки (Т/Г). Как правило, эти системы непрозрачны, частицы гетерогенных систем быстро оседают. Все эти системы широко распространены в природе и имеют большое значение в пищевой промышленности.
Суспензии. Представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др.
Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками; эти системы подобны им по дисперсности. В пищевой промышленности суспензии образуются при получении крахмала, при осаждении осадков в производстве сахара, пива, вина, в кондитерской промышленности и др.
Эмульсии. Дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, называются эмульсиями. Обязательное условие образования эмульсии — нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Для этого используют различные мешалки, смесители, гомогенизаторы, коллоидные мельницы и ультразвук.
Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге и, следовательно, отличаются по своим свойствам.
161
Практически одной из жидкостей всегда является вода, а другой — какая-либо неполярная, нерастворимая в воде жидкость, например масло.
Эмульсии — неустойчивые системы. Неустойчивость этой системы проявляется в самопроизвольном слиянии капелек дисперсной фазы — коалесценции, что приводит к разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя. Устойчивость эмульсиям может придать только третий компонент — стабилизатор или эмульгатор. Роль эмульгатора в образовании устойчивой эмульсии заключается, во-первых, в том, что он адсорбируется на границе раздела фаз масло — вода (М/В) и снижает межфазное поверхностное натяжение, т. е. является поверхностно-активным веществом, а во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует механически прочный слой (пленку). Наличие такой защитной пленки на поверхности частиц дисперсной фазы препятствуют их слиянию, т. е. предохраняет эмульсию от коалесценции.
Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Эмульгаторы, растворимые в воде, способствуют образованию прямых эмульсий (М/В); эмульгаторы, растворимые в неполярных жидкостях, дают обратные эмульсии (В/М).
К представителям эмульсий относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов, например молоко, сливки, сливочное масло, сметана и майонез. Все это — эмульсии. Жиры — необходимая составная часть продуктов питания, но так как они нерастворимы в воде, то лучше усваиваются в эмульгированном состоянии. Поэтому употребляемые в пишу жидкие или твердые жиры (растительное масло, животные жиры) в организме сначала переводятся в эмульгированное состояние под действием желчи, а потом усваиваются.
Аэрозоли и порошки. Это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Обычно аэрозоли классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоль с жидкой дисперсной фазой называют туманом, с твердой — дымом и пылью. Аэрозоли с твердой дисперсной фазой, размеры частиц которой больше, чем у дымов, называют обычно пылью. Это деление достаточно условно. Размеры частиц аэрозолей лежат в пределах от 10 -5 до 10~2 см. Аэрозоли имеют большое практическое значение в ряде отраслей пищевой промышленности. К типичным аэрозолям относятся водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль. В ряде случаев в промышленности прибегают к искусственному получению аэрозолей. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Из образующегося аэрозоля благодаря его большой удельной поверхности испарение влаги идет очень интенсивно и сушка заканчивается за 15...20 с.
162
Образование аэрозолей может привести к нежелательным и опасным последствиям. Так, пыль многих веществ — муки, сахара, крахмала, угля — образует с воздухом взрывоопасные смеси.
Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Однако частицы в них могут быть более крупными и достигать в диаметре 1...2 мм. Размер частиц промышленных порошков определяется их целевым назначением и часто является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в какао-порошке влияют на вкусовые качества и пищевую ценность этого продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки.
Частицы порошка всегда находятся в контакте и по этой причине имеют свойство текучести, которое, в свою очередь, зависит от плотности, размера и формы частиц, состояния их поверхности, влажности и других свойств. Повышение дисперсности приводит к уменьшению текучести вследствие роста общей поверхности контакта. Увеличение влажности также снижает текучесть порошков.
Пены. Высококонцентрированные дисперсные с.истемы, в которых дисперсионная среда — жидкость, а дисперсная фаза — газ, называются пенами. Пузырьки газа в пенах имеют большие размеры, форму многогранников и отделены друг от друга очень тонкими слоями дисперсионной среды. Для получения пен применяют диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости.
Устойчивую пену можно получить только в присутствии стабилизатора — пенообразователя. Это связано с тем, что поверхность жидкости, соприкасающаяся с газообразной средой, находится в особых условиях по сравнению с основной массой жидкости. Эти условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя жидкости в отличие от молекул, находящихся в глубине, подвергаются неодинаковому притяжению молекул жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил (рис. 36). В результате силы притяжения компенсируются и равнодействующая этих сил равна нулю. У молекул поверхностного слоя часть сферы действия межмолекулярных сил находится в газовой фазе, плотность кото-рой меньше плотности жидкое-	03—
1 Жидкаст^*к*к* к* к
Рис. 36. Схема возникновения поверх-	If А
костного натяжения:	V А ААа*Д *А*>Ч?
1 — молекулы; 2 — сферы действия межмолеку-	( • 1* 1 • X • У • ф
163
ти, поэтому равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности. Вследствие этого поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняются и шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность), и идеально гладкая поверхность жидкости в широком сосуде. При увеличении поверхности некоторое число молекул из глубины жидкости переходит на поверхность. Процесс переноса молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа по увеличению площади поверхности жидкости переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя — поверхностную энергию. Последняя, в свою очередь, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением
о = F/S,
где F— поверхностная энергия; .S’— площадь поверхности.
Пенообразующие вещества с длинной молекулярной цепью уменьшают поверхностное натяжение, облегчают образование пены и придают ей стабильность, так как они адсорбируются на границе вода — воздух и образуют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую стеканию жидкости (рис. 37). В этом
случае толщина слоя жидкости между пузырьками воздуха уменьшается медленно и пена может существовать длительное время.
Пенообразователями могут служить поверхностно-активные вещества (ПАВ), молекулы которых имеют достаточно длинную углеводородную цепь. Многие молекулы органических веществ состоят из двух частей: полярной группы и неполярного углеводородного радикала. К полярным группам относятся —СООН,
Рис. 37. Схема структуры пены
-ОН, -NH, -SH, -CN и т. д. Эти группы гидрофильны, т. е. хорошо смачиваются водой. В отличие от них углеводородные радикалы гидрофобны, т. е. не смачиваются водой. Схематически дифильные, состоящие из гидрофильной и гидрофобных частей молекулы изображают в виде символа —в котором прямой чертой обозначают неполярный радикал, а кружком — по
лярную группу.
К типичным пенообразовате-
164
ням водных пен относятся спирты, мыла, белки. Пенообразова-ние имеет важное практическое значение. В частности, многие продукты, такие, как хлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, что определяет их вкусовые свойства и пищевую ценность.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОЛЛОИДЫ (РАСТВОРЫ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ)
Вещества, имеющие молекулярную массу от 10 000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС). Размеры макромолекул этих соединений в вытянутом состоянии могут достигать 1000 нм и более, т. е. они соизмеримы с размерами частиц ультрамикрогетерогенных (коллоидных) дисперсных систем. Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС и их растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием.
К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.
Белки являются основой всех живых организмов, они составляют существенную часть живой клетки и обеспечивают ее жизнедеятельность. Белки входят в состав кожи, мышц, сухожилий, нервных волокон, крови, ферментов и гормонов, они содержатся во многих растительных и животных продуктах: молоке, яйцах, черне, бобовых растениях и др. По химической структуре белки являются полиамидами, исходными мономерами для их синтеза служат а-аминокислоты.
Полисахариды представляют собой соединения, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звеньев. К наиболее важным полисахаридам относятся крахмал, целлюлоза, пектин и др.
Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Так же, как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полунспроницаемые мембраны.
В отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе. Растворению ВМС предшествует его набухание.
Набухание — это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего. Набухание часто является начальным этапом растворения высокомолекулярных веществ. Существует ограниченное и неограниченное набухание. При ограниченном набухании объем и масса полимера достигают определенных значений и дальнейший контакт полимера с растворителем не приводит к каким-либо изме
165
нениям. Ограниченно набухший полимер называется студнем. У неограниченного набухания отсутствует предел набухания; с течением времени полимер поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение.
Причиной набухания является диффузия молекул низкомолекулярного растворителя в высокомолекулярное вещество. Между макромолекулами полимера обычно имеются небольшие промежутки, размер которых соизмерим с размером молекул растворителя. Благодаря этому молекулы низкомолекулярной жидкости достаточно быстро проникают между макромолекулами, раздвигая молекулярные цепи. Если макромолекулы полимера гибкие, то благодаря их тепловому движению диффузия растворителя ускоряется. Полимеры с жесткими молекулярными цепями всегда набухают значительно хуже.
Набухание включает не только простую диффузию — проникание молекул жидкости в полимер, но и сольватацию макромолекул, т. е. взаимодействие молекул растворителя с молекулами полимера. Макромолекулы полимеров состоят из полярных и неполярных групп. При взаимодействии высокомолекулярного вещества с полимером сольватируется не вся макромолекула. Если растворитель полярен, то сольватируются полярные группы, если неполярен, то сольватируются неполярные группы. В зависимости от того, каких групп в полимере больше, он будет быстрее набухать в полярном или неполярном растворителе. Обычно набухание — избирательное явление, так как полимер набухает в жидкостях, близких к нему по химическому строению. Так, углеводородные полимеры типа каучук набухают в неполярных жидкостях — бензине, бензоле. Полимеры, в состав молекул которых входят полярные группы, набухают в воде и спиртах.
Процесс набухания можно разбить на две основные стадии. На первой стадии низкомолекулярный растворитель, диффундируя в высокомолекулярное вещество, сольватирует его макромолекулы. Образование сольватной (гидратной, если средой является вода) оболочки молекулы полимера сопровождается выделением теплоты, поэтому первая стадия набухания характеризуется положительным тепловым эффектом.
Молекулы растворителя в сольватной оболочке обладают плотной упаковкой, которая обусловливается близким расположением молекул около сольватируемых групп, и, следовательно, растворитель в сольватной оболочке имеет более высокую плотность. Вследствие сжатия растворителя в сольватных оболочках на первой стадии набухания наряду с увеличением объема полимера происходит уменьшение суммарного объема всей системы. Сумма объемов полимера до набухания и поглощенной полимером жидкости больше, чем объем набухшего полимера. Это явление называется внутренним сжатием или контракцией.
166
На второй стадии набухания, идущей без теплового эффекта, а иногда и с поглощением теплоты, наблюдается обычно основное увеличение объема полимера. Молекулы жидкости на этой стадии набухания диффундируют в полимер, и происходит смешивание больших и гибких макромолекул с молекулами растворителя. Из-за односторонней диффузии, характеризующей эту стадию, ее называют осмотической.
Иногда на второй стадии набухания происходит переход некоторой части макромолекул в низкомолекулярный растворитель. Ограниченное набухание заканчивается на второй стадии, неограниченное набухание приводит к растворению полимера.
Набухание полимера характеризуется степенью набухания
а = (т - w0)/w0,
где тп и т — масса полимера до и после набухания.
Степень набухания зависит от прочности и числа межмолекулярных связей в полимере. Чем прочнее межмолекулярные связи и чем их больше, тем хуже набухает полимер.
Если набухание высокомолекулярного вещества идет в каком-либо ограниченном пространстве, препятствующем увеличению объема, то возникает давление набухания, достигающее на начальной стадии набухания нескольких мегапаскалей. Оно может стать причиной разрыва емкостей, наполненных набухающими материалами. При хранении и перевозке многих пищевых продуктов, таких, как зерно, крупа, мука, необходимо учитывать возможность их набухания.
Чаще всего жидкой дисперсионной средой в пищевых производствах служит вода. При этом следует учитывать, что часть воды находится в свободном состоянии, а часть — в связанном.
В системах, в состав которых входят биополимеры (высокомолекулярные природные соединения — белки, полисахариды), часть воды, прочно связанная с поверхностью этих макромолекул, образует гидратную оболочку. Например, 1 г яичного альбумина связывает 0,25 г воды, образуя гидратный слой толщиной 0,25 нм. В связи с присутствием макромолекул связанная вода значительно отличается по своим свойствам от обычной воды. Ее нельзя использовать в качестве растворителя веществ, она не замерзает даже при t = —70 °C. Для связанной воды характерна пониженная электропроводность. Свободная же вода служит реакционной средой и растворителем веществ. При участии гидролитических ферментов она вступает во множество реакций, в результате которых образуются новые вещества. Таким образом, свободная вода является и активным участником биохимических реакций.
Ярким примером процесса набухания высокополимеров слу
167
жит процесс замеса и образования теста из пшеничной муки, ведущая роль в котором принадлежит гидратации (сольватации в водных растворах) ВМС муки. Мука, состоящая главным образом из сухих протеиновых гелей и крахмальных зерен, при замешивании теста (при взаимодействии с водой) проявляет коллоидные свойства.
Крахмал муки, смоченный водой при комнатной температуре, может адсорбционно связать 35...40 % влаги. При более высокой температуре и достаточном количестве воды связывание крахмала с водой увеличивается, и при температуре 60 °C и избытке воды происходит процесс клейстеризации крахмала, т. е. нарушение структуры крахмальных зерен и образование коллоидного раствора.
Крахмал, смоченный водой в любом соотношении и в любых условиях, не образует связного теста.
Ведущая роль в образовании теста принадлежит белкам пшеничной муки.
Белки способны набухать в холодной воде и удерживать воду в количестве в 2...2,5 раза больше своей массы. При замешивании теста из пшеничной муки белки при достаточном количестве воды легко и сравнительно быстро (через 3...5 мин) образуют тончайшие нити и пленки, связывающие и склеивающие между собой зерна увлажненного крахмала. Благодаря этому пшеничное тесто приобретает упруговязкопластичные свойства, какими не обладает тесто из других злаков.
Взаимодействие белков с водой состоит из двух основных стадий, тесно связанных между собой.
Первая стадия набухания состоит в связывании ничтожных количеств воды благодаря активности гидрофильных групп белков с образованием вокруг них сольватированных оболочек. На этой стадии набухания значительного увеличения объема не происходит, так как количество связанной воды невелико — около 30 %.
Вторая стадия набухания протекает без выделения теплоты, но со значительным увеличением объема, так как количество воды, связанное белками на этой стадии, составляет свыше 200 %. Белки пшеничной муки неоднородны и представляют собой комплекс различных фракций с разной молекулярной массой и различной водопоглотительной способностью. Низкомолекулярная фракция легко подвергается разрыхляющему действию воды и частично пептизируется, т. е. распадается на более мелкие частицы. Последнее создает в белковом комплексе осмотическое давление, которое обусловливает диффузию воды внутрь комплекса, сопровождающуюся увеличением объема.
Крахмал муки состоит из двух основных фракций — амилозы и амилопектина. Амилоза содержится внутри крахмальных зерен, а амилопектин образует их наружную оболочку. Амилоза отлича-
168
стся меньшей величиной частиц и меньшей молекулярной массой (около 80 000), а амилопектин — большей величиной частиц и большей молекулярной массой (Н5 ООО). Это позволяет рассматривать зерно крахмала как осмотическую ячейку, внутри которой находится растворимая низкомолекулярная фракция — амилоза, обусловливающая избыточное осмотическое давление и приток воды внутрь ячейки.
Гидратация муки при разных температурах зависит от поведения белков и крахмала. В температурном интервале 25...40 °C гидратация муки происходит преимущественно за счет белков клейковины. Повышение температуры до 60 °C приводит к резкому усилению этого процесса в результате значительного увеличения гидратации крахмала при понижении этой способности у белков клейковины.
Таким образом, набухание пшеничной муки при низкой температуре (25...40 °C) в основном протекает вследствие осмотического набухания белков, а при более высокой температуре (60 °C) — в результате осмотического связывания воды крахмалом.
В связи с этим схему образования теста можно представить в следующем виде.
Белки, содержание которых в пшеничной муке составляет 10...20 %, при температуре замеса около 30 °C поглощают незначительное количество воды путем взаимодействия гидрофильных групп белка с водой, а значительное количество воды диффундирует внутрь белка в результате наличия в нем избыточного осмотического давления.
Крахмал, содержание которого в пшеничной муке достигает 70 %, при той же температуре теста поглощает до 30 % воды благодаря активности гидрофильных групп. Так как крахмал количественно преобладает в муке, то содержание влаги, связанное крахмалом и белками клейковины, приблизительно одинаково.
При неограниченном оводнении коллоидов муки часть воды находится в свободном состоянии в капиллярах теста. Незначительная часть растворимых белков, а также сахара и неорганические соли находятся в растворе.
Набухшие белки во время замеса плотно соприкасаются друг с другом и образуют сплошную белковую сетку с адсорбционно связанными с ними, слабо набухшими крахмальными зернами. В белковую сетку, кроме того, входят другие нерастворимые вещества. Это приводит к образованию массы (теста), обладающей упруговязкопластичными свойствами.
Недостаточное количество воды при замесе теста приводит к получению несвязной массы увлажненного сырья. При избыточном количестве воды, добавляемой к муке, не образуется связного теста, а получается мучная болтушка, в которой частицы
169
набухшего белка разделены водными оболочками, препятствующими соприкосновению их и образованию клейковинных нитей.
Тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, — более сложный комплекс, так как в состав его кроме муки и воды входят и другие виды сырья, в первую очередь сахар и жир, влияющие на набухаемость коллоидов муки.
Сахар, присутствующий в кондитерском тесте в виде водного раствора, оказывает влияние на степень набухания белков клейковины. С увеличением концентрации сахара степень набухания белков снижается.
Жир, адсорбируясь на поверхности белков, образует пленки, препятствующие проникновению волы внутрь макромолекул белков, что ослабляет связь между ними, при этом уменьшается упругость и увеличивается пластичность теста.
Таким образом, регулируя количество сахара и жира, добавляемых при замесе теста, можно получать тесто с определенными физическими свойствами.
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
Одно из важных свойств дисперсных систем и растворов вы-сокополимеров — способность их к структурообразованию. Коллоидные системы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы по своим свойствам похожи на обычные жидкости. Их вязкость очень мало отличается от вязкости дисперсионной среды. Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку, или структуру.
Если коллоидные частицы имеют форму палочек или вытянутых пластинок, то при частичном снижении агрегативной устойчивости происходит уменьшение толщины ионного слоя или сольватной оболочки частиц, причем на концах частиц эти факторы устойчивости почти полностью утрачиваются (рис. 38). В результате частицы соединяются своими концами, образуя пространственную сетку — структуру, ячейки которой заполнены дисперсионной средой (рис. 39).
Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система — гелем. Если коллоидные частицы полностью потеряют агрегативную устойчивость, то они будут соединяться в крупные агрегаты, образуя плотный осадок — коагулят.
170
2
2
Рис. 38. Схема изменения фактора устойчивости частиц дисперсной фазы: а — частица дисперсной фазы; б — частица дисперсной фазы, частично потерявшая фактор устойчивости; в — частица дисперсной фазы, полностью потерявшая фактор устойчивости
2
1

Рис. 39. Схема образования геля:
1 — частицы дисперсной фазы, частично потерявшие фактор устойчивости; 2—дисперсионная среда
При механическом воздействии, например перемешивании, встряхивании, связи между частицами в коагуляционной сетке могут быть разрушены и гель превратится в текучий золь. Если оставить этот золь в покое, через некоторое время связи самопроизвольно восстановятся и вновь образуется нетекучий гель. Это свойство структурированных систем называется тиксотропией^.
Тиксотропные свойства могут иметь не только коллоидные системы. Некоторые концентрированные суспензии, эмульсии, студни высокомолекулярных соединений также тиксотропны.
Гели с течением времени уменьшаются в объеме, выделяя при этом дисперсионную среду. Это явление называется синерезисом. Число контактов между частицами в течение времени увеличивается, что приводит к уплотнению структуры и выделению дисперсионной среды. В большинстве случаев синерезис — нежелательное явление.
В растворах высокополимеров при их достаточно высокой концентрации возможно образование ассоциатов макромолекул. Взаимодействуя друг с другом, ассоциаты и макромолекулы могут образовывать пространственные структуры. С увеличением концентрации полимера может образоваться настолько прочная структура, что раствор потеряет текучесть, т. е. превратится в студень.
Большая группа кондитерских изделий (в частности, мармелад) имеют студнеобразную структуру. В качестве студнеобразо-вателей используются природные полимеры, способные при определенных условиях образовывать студни (пектин, агар, агаро-ид, фурцелларан и т. д.).
* «Тиксо» в переводе с греческого означает прикосновение, «тропе» — изменение.
171
Мармеладный студень образуется из горячей жидкой мармеладной массы (пектинового золя). Структурные частицы пектина в сильно диспергированном виде с адсорбированными на их поверхности молекулами дисперсионной среды, находясь в ней в состоянии беспорядочного теплового движения, распределены в дисперсионной среде. Молекулы адсорбированной жидкой фазы (водного раствора сахара, кислоты и других экстрактивных веществ, фруктово-ягодного пюре) образуют сольватную (гидратную) оболочку вокруг вытянутых частии пектина. Заполняя объем дисперсионной жидкости, эти частицы вначале не соприкасаются между собой и не образуют структуры.
Вследствие наличия в растворе пектина диссоциированных карбоксильных групп пектиновые частицы в нем обладают отрицательным зарядом высокой плотности. Благодаря этому явлению они взаимно отталкиваются друг от друга.
Для образования студневого каркаса, состоящего из ассоциированных частиц пектина, необходимо прежде всего устранить или ослабить силы электростатического отталкивания пектиновых частиц.
Присутствие в растворе кислоты, более диссоциированной, чем пектин, или добавление кислоты в реакционную смесь снимает степень диссоциации пектина, т. е. уменьшает электрический заряд его частиц.
Одновременно под влиянием сахара происходят дегидратация и связанное с ней понижение сольватации частиц пектина, препятствующей их сцеплению. На последних стадиях появляется некоторое количество оголенных участков, лишенных заряда, полярности. Частицы пектиновой твердой фазы ассоциируют друг с другом через десольватированные участки, слабо или совершенно не защищенные сольватной оболочкой.
Силы притяжения частиц сосредоточены на их концах, что способствует образованию пространственной сетки (см. рис. 39). Если бы эти силы были распределены равномерно по всей поверхности частиц, то в результате соединения их между собой по продольным осям должен был бы образоваться массивный агрегат вместо сеткоподобного каркаса, т. е. структура студня не образовалась бы.
Сформировавшаяся пектиновая сетка как «объемное кружево» пронизывает всю систему.
Укрепление этой сетки происходит за счет водородных мостиков, образуемых между карбоксильными и гидроксильными группами смежных цепей пектиновой молекулы.
Пространство между сплетением молекул пектина заполнено дисперсионной жидкостью — сахарокислотным раствором, который сравнительно слабо связан с пектиновой сеткой и может быть отделен от нее при известных условиях.
В действительности при центрифугировании некоторых студ
172
ней, полученных при охлаждении, жидкая фаза удалялась из студня, при этом образовывался ксерогель (от греч. «ксерос» — сухой), который при насыщении его спиртом превращался в алкоголь вместо гидрогеля, и наоборот.
Выделение жидкой фазы из пектинового студня под влиянием механического воздействия наблюдается иногда на практике при изготовлении мармелада в виде толстых пластов, когда под влиянием собственной тяжести слоя происходит выпрсссовывание из него жидкого сахарокислотного сиропа.
Для того чтобы обеспечить стабильность студня, необходимо, чтобы силы притяжения пектиновых частиц между собой (силы когезии) находились в равновесии с противодействующими им силами притяжения частиц к частицам дисперсионной среды (силами адгезии). Если первые преобладают над вторыми, то это приводит к выделению жидкой фазы студня (синерезису), в обратном случае происходит расслабление всего студня.
Студни обладают свойством тиксотропии. Это свойство пектинового студня имеет важное значение для производства, так как в случае преждевременного застудневания можно при помощи механического перемешивания устранить формирование студня или разрушить образующийся студень без ущерба для последующего процесса студнеобразования.
Используя способность высокополимеров к образованию студней, можно получить более сложные дисперсные системы, например пенообразные кондитерские массы (пастилу). Эти изделия являются в основном агаровым студнем. Однако этот студень отличается от мармеладного, так как имеет пористую структуру с ячейками микроскопических размеров (до 20 мкм).
В пастильном студне распределены мелкие воздушные пузырьки,^! готовая сухая пастила напоминает по своей структуре твердый крем. В производстве пастилы процесс обычного студ-необразования мармелада сочетается с процессом ценообразования (сбивания) яблочно-сахарной смеси.
При сбивании пастилы путем продолжительного встряхивания яблочно-сахарной смеси происходит вспенивание ее, т. е. масса насыщается воздухом; при этом воздух захватывается яблочно-сахарной массой и дробится на мелкие частички. По мере увеличения скорости механического взбалтывания степень раздробленности воздуха увеличивается, размеры пузырьков воздуха уменьшаются, а вязкость массы повышается. Постепенно образуется густая пена, состоящая из мелких пузырьков воздуха, затянутых в тонкую пленку из окружающей полужидкой яблочно-сахарной смеси.
В физико-химическом смысле пена представляет собой двухфазную систему газ — жидкость. В данном случае дисперсной фазой является газ — воздух, а дисперсионной средой — полужидкий раствор сахара, кислоты и пектина. Эгот раствор образу
173
ет оболочку дисперсных частиц газа (воздуха), которая несет на себе поверхностный пограничный слой, отделяющий одну фазу от другой.
В процессе образования пены происходит сильное развитие поверхности раздела на границах газообразной и жидкой фаз. Увеличение поверхности раздела зависит от размеров образующихся воздушных ячеек. Чем меньше размеры последних, тем больше эта поверхность, тем больше сила поверхностного натяжения о.
Сила поверхностного натяжения всегда стремится сократить до минимума общую поверхность раздела всей системы, сделать ее наименьшей. В данном случае она стремится сократить до возможных пределов общую сумму поверхностей отдельных капелек, образующих пенную эмульсию. При действии этой силы отдельные пузырьки воздуха в пене стремятся соединиться в одну массу. Пленка капелек прорывается, отдельные капельки, постепенно сливаясь (агрегируясь) друг с другом, образуют новые пузырьки — капли более крупных размеров, степень дисперсности уменьшается, пена «опадает». Процесс самопроизвольного разрушения пены и эмульсии называется коалесценцией.
В пенах процесс коалесценции идет весьма интенсивно благодаря близкому расположению капелек по отношению друг к Другу.
Чтобы сделать пену более устойчивой, стабилизировать ее, в качестве пенообразующего средства (ПАВ) при сбивании пастилы обычно используют белок куриного яйца, который, располагаясь в поверхностном слое пленки пузырьков пены, увеличивает механическую прочность этого слоя и тем самым препятствует прорыванию пленки пузырьков и агрегированию последних.
Механизм совмещения студневой и пенной структур при смешивании сбитой массы с агаровой (или мармеладной) можно представить так: при смешивании с холодной сбитой массой горячая масса агарового сиропа или мармелада заполняет воздушные пространства между пузырьками сбитой массы, вытесняя оттуда воздух (рис. 40). При этом прочность пленки структурных элементов массы значительно увеличивается. Последняя возрастает благодаря тому, что температура всей массы поднимается до 50 °C и адсорбированный альбуминовый гель пленки при указанной темйературе, близкой к свертыванию альбумина, фиксируется в ней в виде плотного коагулята. Одновременно же по мере остывания массы в пространстве
Рис. 40. Схема совмещения пенной и студневой структур пастилы:
/ — агаро-сахаро-водный студень; 2 — воздух; 3 — пекти-но-белково-сахаро-водная пленка
174
между пузырьками происходит формирование прочного агарового (или пектинового) студня. Смешивание сбитой массы с горячей желейной (или мармеладной) массой создает, таким образом, необходимые условия для образования структуры пастилы.
После остывания массы получается характерный пастильный студень, который отличается от мармеладного только пористой структурой благодаря мельчайшим воздушным включениям, равномерно распределенным в его массе.
Контрольные «опросы
I.	Что такое дисперсная система?
2.	Как классифицируются дисперсные системы?
3.	Дайте определение коллоидной системы. Каковы особенности коллоидного состояния?
4.	Какие основные методы получения коллоидных систем вы знаете?
5.	Какие системы относят к микрогстерогенным?
6.	Что такое набухание и какие стадии в нем различают?
7.	В чем сущность процессов образования мучного теста?
8.	Какие системы называются студнями?
9.	Какие факторы влияют на структурообразование?
Глава 10
БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и др.).
Зная характер протекания биохимических процессов в пищевом сырье, можно установить те или иные особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: химической природы реагирующих веществ, концентраций самого фермента и субстрата, температуры и реакции среды pH, наличия активаторов и ингибиторов.
Скорость биохимических процессов зависит от природы субстрата и его атакуемости. Под атакуемостью понимают его податливость действию фермента, которая зависит от структуры
175
субстрата. Например, атакуемость амилазами крахмала, полученного из зерна различных культур или из разных частей одного и того же зерна, неодинакова. Она увеличивается с уменьшением размера крахмальных зерен, т. е. с увеличением их относительной поверхности, а также при механическом воздействии на структуру зерен крахмала, например при длительном помоле зерна. Однако действие амилаз на неизмененный крахмал или на механически поврежденный весьма незначительно по сравнению с их действием на клейстеризованный крахмал. Поэтому в тех отраслях пищевой промышленности, где крахмал служит источником образования сахаров за счет расщепления его амилолитическими ферментами, для увеличения степени осахаривания чаще всего его клейстеризуют путем заваривания муки. Подобная обработка субстрата применяется в спиртовой, хлебопекарной (при производстве заварного хлеба, для улучшения качества пшеничной муки, при приготовлении питательной среды для жидких дрожжей), в паточной промышленности.
Атакуемость белка протеиназами зависит от строения белковой молекулы: чем плотнее и прочнее структура белка, тем ниже его атакуемость ферментами. Количество в молекуле определенных химических групп, например сульфгидрильных, аминных и др., влияет на атакуемость белка. Если эти группы каким-то образом блокировать, то меняется атакуемость субстрата ферментами. При восстановлении дисульфидных групп белка пшеницы в сульфгидрильные увеличивается атакуемость белка и возрастает скорость его расщепления.
Скорость биохимических процессов зависит от концентраций самого фермента и реагирующих веществ. При избытке субстрата скорость реакции определяется прежде всего концентрацией фермента: чем она выше, тем быстрее идут реакции.
При невысоких концентрациях субстрата зависимость скорости реакции от концентрации участвующих в реакции веществ носит линейный характер, т. е. с увеличением концентрации субстрата она возрастает. Однако по мере увеличения концентрации реагирующих веществ скорость реакции замедляется, достигает максимального значения и в дальнейшем остается постоянной. В то же время большие концентрации субстрата могут выполнять роль ингибитора. В итоге скорость реакции падает.
Наиболее существенное влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов оказывают температура и реакция среды. С повышением температуры активность ферментов возрастает, достигает максимума, а затем снижается. Оптимальной для действия фермента является та температура, при которой его активность наибольшая. Температурный оптимум для ферментов растительного происхождения составляет около 40...50 °C. Снижение активности фермента при высоких температурах связано с процессами денатурации белка. Полное пре
176
крашение деятельности фермента происходит при температурах, близких к 100 °C, однако это не относится к термофильным ферментам, которые выдерживают кратковременное нагревание при температуре выше 100 °C.
Каждый фермент проявляет свое действие в узких пределах значений pH. В определенной зоне активность фермента наибольшая, эта зона называется оптимальной зоной pH. Разные ферменты сильно отличаются по оптимальным для их действия значениям pH. Одни из них имеют наибольшую активность в кислой среде, другие — в нейтральной, третьи — в щелочной. Пепсин желудочного сока имеет оптимум действия при pH 2,0, солодовая а-амилаза — при pH 4,7...5,2. Оптимальное значение pH для действия ферментов зависит в основном от субстрата. Например, при действии папаина на желатин оптимальное значение pH 5,0, а при действии на денатурированный яичный альбумин — 7,5.
Скорость биохимических процессов может быть увеличена в присутствии активаторов. Многие ферменты активизируются под действием соединений восстанавливающего действия, в частности веществами, содержащими сульфгидрильные группы: цистеином, глютатионом. Глютатион может быть в двух формах: окисленной и восстановленной, активатором является восстановленная форма. Активизирующее действие этих соединений основано на том, что они восстанавливают дисульфидные связи фермента в сульфгидрильные, необходимые для проявления ферментом своей каталитической активности, а сами при этом окисляются за счет превращения сульфгидрильных связей в дисульфидные.
Существуют и ингибиторы ферментов, подавляющие их активность. Действие ингибиторов основано на блокировании сульфгидрильных связей фермента и превращении их в дисульфидные группы. Ингибирование фермента может происходить под действием так называемых белковых осадителей — веществ, образующих с белками нерастворимые осадки. Такими веществами являются соли тяжелых металлов (свинца, ртути, вольфрама), трихлоруксусная кислота и др. Эти соединения не являются специфическими, и любое из них может быть использовано для осаждения фермента и полного прекращения его действия. Однако существуют специфические ингибиторы. Оксид углерода СО, например, ингибирует ряд окислительно-восстановительных ферментов, в состав которых входит железо или медь.
СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Ферменты (энзимы) — органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату. Они обеспечивают последовательность и взаимосвязанность многих сложных биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов.
177
По строению все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталщ тическими свойствами, и являющиеся однокомпонентными;
ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простетической группой. Эти ферменты являются двухкомпонентными. Апофермент оказывает решающее действие на специфичность фермента, а соединение белка с простетической группой приводит к огромному возрастанию его каталитической активности. Основная масса ферментов являются двух-комПонентным и.
Простетическими группами многих ферментов являются витамины и их производные, например, простетические группы ряда окислительно-восстановительных ферментов содержат производные ниацина (витамина РР) или рибофлавин (витамин В2). В состав простетических групп ферментов могут входить производные витаминов В|, Bg, В12, а также пантотеновая, фолиевая кислоты и биотин.
В состав многих ферментов входят металлы, придающие им активность. Такие металлы называются кофакторами. Например, кофактором а-амилазы является кальций, а каталазы — железо. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, марганца, цинка, меди, молибдена.
Характерной особенностью ферментов является их высокая каталитическая активность, в значительной степени превосходящая активность химических катализаторов. Ферменты обладают способностью ускорять реакции в 1О8...1О1* раз. Механизм действия ферментов, как и химических катализаторов, связан с тем, что они снижают энергию активации, необходимую для осуществления определенной реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют значительно меньше энергии активации. Однако ферменты гораздо сильнее понижают энергию активации, чем химические катализаторы. Например, для гидролиза сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы без участия катализатора необходима энергия активации около 32 000 калорий на грамм-молекулу. Если реакция катализируется неорганическим катализатором НС1, то энергия активации составляет 25 600 калорий, а если происходит ферментативный катализ, то она снижается до 9400 калорий.
Второй особенностью ферментов является избирательность их действия. Например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на другие дисахариды, в частности мальтозу, т. е. некоторые ферменты катализируют превращение практически только одного какого-либо вещества.
Многие ферменты действуют только на определенный вид связей. Например, пепсин гидролизует пептидные связи в молекуле белка, образованные ароматическими аминокислотами. Ряд
178
ферментов катализирует определенные группы реакций. Так, ферменты, называемые липазами, катализируют гидролиз любых сложных эфиров, включая и жиры.
Третьим свойством, отличающим ферменты от химических катализаторов, является их большая лабильность, т. е. чувствительность к внешним воздействиям среды (влиянию температуры, концентрации водородных ионов, наличию активаторов и ингибиторов и др.).
Достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то обстоятельство, что они действуют при нормальном давлении и при относительно низких температурах — от 20 до 70 °C.
По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:
оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;
трансферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метильных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору. Такими группировками могут быть остатки фосфорной кислоты, аминокислот, сахаров и др.;
гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т. е. расщепления различных сложных соединений (субстратов) при участии воды на более простые;
лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление субстратов и отщепление от них тех или иных групп;
изомеразы, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры;
лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие соединения двух молекул субстрата путем образования связей С--О, C-S, C-N или С-С.
ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНТОВ И ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТАХ
Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья или с действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов (ФП).
Ферменты находятся в сырье в свободном и связанном виде. При прорастании зерна активность ферментов повышается, так как они полностью или частично становятся свободными.
Каждый микроорганизм содержит комплекс разнообразных ферментов, многие из которых аналогичны ферментам растений и животных.
Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения данного фермента, являются культуры
179
плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Эти микроорганизмы дают значительно больше биомассы, из которой проще и экономичнее выделить данный фермент, чем из тканей высших растений и животных. Так, а-амилазу получают из плесневых грибов (A. niger, A. oryzae и др.) и бактерий (В. subtilis), глюкоамилазу — чаще всего из плесневого гриба A. awamori, пек-толитические ферменты — из грибов Aspergillus, например A. awamori, протеиназы — из бактерий и грибов, относящихся к родам Bacillus, Aspergillus, Penicillium и др.
Ферментные препараты (ФП) отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее количество препаратов являются комплексными, содержащими кроме основного еще значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ферментные препараты, в состав которых входит какой-либо один фермент. В комплексном препарате один фермент может преобладать и иметь наибольшую активность.
Название ФП начинается с сокращенного названия основного фермента, к которому добавляют видовое название продуцента и заканчивают название суффиксом «-ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур A. oryzae и В. subtilis, называются соответственно амилоризином и амилосубтилином. Протеолитический препарат, получаемый из культуры В. subtilis, называется протосубтилином. В названии препарата отражается способ культивирования микроорганизмов: при глубинном способе после названия ставится буква Г, а при поверхностном — П; далее следует обозначение 2х, Зх, 10х, 15х или 20х, отражающее возрастающую степень очистки препарата от балластных веществ. Если в названии не стоит буква х, то это неочищенная культура продуцента.
При использовании ФП следует учитывать то влияние, которое могут оказывать сопутствующие ферменты на технологический процесс. Создавая оптимальные условия для действия главного фермента, можно в значительной степени ослабить активность других нежелательных ферментов. Например, присутствие активной протеиназы вместе с а-амилазой в препаратах для хлебопечения нежелательно. В противоположность этому при осахаривании зерна и крахмала в спиртовой промышленности необходимо одновременное воздействие этих двух ферментов.
Применение ФП в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход, улучшить условия труда, экономить ценное пищевое сырье. Если прежде основным источником активных ферментов являлся солод, получаемый из ячменя, ржи и других культур, то, применяя ферментные препараты, можно отказаться от зерна и использовать его на другие цели.
180
РОЛЬ ФЕРМЕНТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ХРАНЕНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Роль ферментов в дыхании растительного сырья. Большую роль во взаимосвязи растительного сырья с окружающей средой играет дыхание, под которым понимают окислительно-восстановительные процессы, регулируемые ферментами. Эти процессы являются экзотермическими. Выделяющаяся энергия, накопленная в органических веществах растений при фотосинтезе, используется для поддержания жизненных процессов в растительной клетке. Дыхательный газообмен обеспечивает нормальное течение окислительных процессов, благодаря которым разрушаются токсины растительных клеток, а также токсины, выделяемые микроорганизмами, повышает естественный иммунитет сырья, предохраняя его от порчи. При дыхании происходит распад сахаров и кислот. Расходуемые органические вещества, в первую очередь сахара, систематически пополняются за счет разложения сложных соединений на более простые, в частности за счет гидролиза крахмала или окисления до сахаров других соединений.
Различают аэробное дыхание, происходящее в присутствии кислорода воздуха, и анаэробное (интрамолекулярное), не требующее кислорода. Суммарные уравнения аэробного дыхания:
С6Н12°6 + 6О2 “ 6СО2 + 6Н2° + 2870 кДж;
Гексоза
С4Н6°5 + ЗО2 = 4СО2 + ЗН2°-Яблочная кислота
Последняя реакция происходит при аэробном дыхании в плодах.
Анаэробное дыхание протекает по схеме
С6Н12°6 = 2СО2 + 2С2Н5ОН + 234 КДЖ-
Реакция анаэробного дыхания аналогична реакции брожения. По сравнению с анаэробным аэробное дыхание является более выгодным энергетическим процессом, так как для получения одного и того же количества энергии требуется значительно меньше сахара. Приведенные реакции лишь обобщенно характеризуют процессы дыхания и не отражают всей сложности многочисленных ферментативных реакций, осуществляемых комплексом ферментов, главным образом оксидоредуктазами и лиазами. Аэробное и анаэробное дыхание имеет общий первый этап, при котором глюкоза ферментативным путем превращается в пировиноградную кислоту (СН3СОСООН). В дальнейшем разложение пировиноградной кислоты, осуществляемое за счет действия ферментов, зависит от вида дыхания. В аэробных условиях
181
пировиноградная кислота окисляется до уксусной или полностью до диоксида углерода и воды, а в анаэробных условиях она превращается в ацетальдегид и СО2- Ацетальдегид, в свою очередь, может образовать как этиловый спирт, так и уксусную кислоту. Кроме этилового спирта при анаэробном дыхании выделяются высшие спирты, летучие соединения и др. Значительное накопление спирта и ацетальдегида вызывает функциональные расстройства клеток, снижает иммунитет и ведет к отмиранию тканей.
В растительном сырье всегда происходят анаэробные процессы, однако отрицательное влияние их сказывается лишь в том случае, если они преобладают. Чтобы ослабить анаэробное дыхание, сырье хранят при доступе воздуха.
Для характеристики процесса дыхания служит дыхательный коэффициент, показывающий отношение объема выделившегося при дыхании диоксида углерода к объему затраченного кислорода. При аэробном распаде гексоз дыхательный коэффициент равен 1, а при распаде яблочной кислоты — 1,33. Дыхательный коэффициент меньше 1, если одновременно с аэробным дыханием происходят какие-либо процессы, сопровождающиеся потреблением дополнительного количества кислорода, например при созревании плодов, когда кислород используется на образование в плодах органических кислот. Высокие значения дыхательных коэффициентов наблюдаются при прорастании некоторых семян, плотная оболочка которых недостаточно проницаема для кислорода.
Интенсивность дыхания зависит прежде всего от температуры и влажности сырья. Снижение этих параметров уменьшает интенсивность дыхания и увеличивает срок хранения сырья. Сухое сырье, например зерно, отличается высокой лежкостыо, т. е. способностью долго храниться (4...5 лет) без видимых признаков порчи. Сочное сырье (плоды, овощи) обладает меньшей лежкостыо. Основной способ продления периода покоя этого сырья заключается в хранении его в охлажденном состоянии. Одновременно активность дыхания сочного сырья можно снизить путем частичной замены кислорода воздуха инертными газами (СО2, N2 и др.).
Роль оксидоредуктаз при производстве и хранении пищевых продуктов. Большое практическое значение из класса оксидоредуктаз имеет фермент полифенолоксидаза, который действует в присутствии кислорода воздуха на монофенолы, о-дифенолы, полифенолы, дубильные вещества с образованием темноокра-шенных соединений — меланинов. В состав этого фермента входит медь. Если каким-либо способом связать медь, то фермент полностью теряет свою активность.
Полифенолоксидазу используют при производстве чая. При переработке зеленые листья подсушиваются и скручиваются в трубочку. В процессе последней операции происходит механи
182
ческое разрушение значительной части клеток, что обеспечивает хороший контакт дубильных веществ чайного листа (субстрата) с ферментом. Затем скрученный лист выдерживают определенное время при соответствующей температуре и высокой относительной влажности воздуха, т. е. создают условия для ферментации, при которой происходят окисление дубильных веществ полифе-нолоксидазой и образование темноокрашенных соединений, придающих цвет чаю.
Процессы ферментации, связанные с окислением дубильных веществ ферментами, протекают при обработке какао-бобов, в результате которой содержание дубильных веществ снижается, что сопровождается смягчением горького и вяжущего вкуса какао-бобов и изменением их цвета (какао-бобы приобретают коричневую окраску). Для проведения ферментации в оптимальные сроки необходима высокая температура, которая постепенно увеличивается до 45...50 °C.
Большое значение имеет этот фермент при производстве ржаного хлеба. При выпечке последнего происходит ферментативный процесс образования меланинов за счет действия полифе-нолоксидазы муки на свободный тирозин.
В ряде производств эта биохимическая реакция может играть отрицательную роль, например при использовании пшеничной муки, способной к потемнению при получении хлеба и макаронных изделий. Мука темнеет уже в процессе приготовления теста, но особенно интенсивно потемнение происходит при выпечке хлеба и сушке макарон, чему способствует высокая температура. В результате готовые макаронные изделия, выработанные из желтой макаронной муки, приобретают коричневую окраску и не соответствуют по цвету сорту муки, из которой они получены. Пшеничный хлеб из такой муки имеет темный мякиш. Это явление связано с тем, что в переработку попала мука, полученная из дефектного зерна (проросшего или морозобойного), в состав которой входит свободный тирозин. Мука нормального качества не темнеет в процессе переработки, хотя в ней находится в активном состоянии полифенолоксидаза. Причина состоит в том, что в такой муке нет субстрата — свободного тирозина для действия фермента. При производстве макаронных изделий стандарт не разрешает использовать муку из дефектного зерна. В хлебопечении муку, темнеющую в процессе переработки, следует смешивать со светлой и нетемнеющей мукой.
Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение на воздухе срезов картофеля, яблок, что ухудшает цвет продуктов их переработки (хрустящего картофеля, сухофруктов и др.).
Существуют различные способы предотвращения нежелательного потемнения изделий. Один заключается в химической обработке продукта перед сушкой — сульфитации. Другие способы состоят в термической обработке картофеля, плодов и овощей
183
перед сушкой. Чаще всего этого достигают путем бланширова ния: продукт на несколько секунд погружают в кипяток или же обрабатывают паром. Фермент при этом разрушается и в процессе сушки уже не действует, а продукт получается светлым.
Аскорбинатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту в дегид-роаскорбиновую. Действие этого фермента нежелательно при сушке различных пищевых продуктов, в частности яблок, картофеля, овощей, так как образующаяся дегидроаскорбиновая кислота легко подвергается распаду, в результате чего снижается содержание витамина С в продукте, что сказывается на его пищевой ценности. Для инактивации фермента применяют сульфитацию или бланширование продуктов.
Липоксигеназа в присутствии кислорода воздуха окисляет ненасыщенные жирные кислоты, в основном линолевую и линоленовую, превращая их в пероксиды. Последние являются сильными окислителями, они действуют на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамин А, аскорбиновую кислоту и аминокислоты. В результате образуются альдегиды и кетоны, которые придают изделиям неприятные запах и вкус.
Липоксигеназа имеет большое значение как фактор, от которого зависит качество макарон, а именно их цвет. Каротиноиды, содержащиеся в макаронной муке, придают ей желтый цвет, являются нестойкими веществами, легко окисляются кислородом воздуха и обесцвечиваются. Они покрыты тонкой жировой пленкой, которая защищает их от окисления воздухом. При действии липоксигеназы жировая пленка разрушается, красящие вещества обесцвечиваются, а образующиеся пероксиды усиливают окислительное действие кислорода воздуха. В итоге макаронные изделия теряют желтую окраску и приобретают белый оттенок.
При слабом действии липоксигеназы в небольшом количестве образуются пероксиды, оказывающие укрепляющее действие на структурно-механические свойства клейковины. На этом основан способ улучшения качества пшеничного хлеба с использованием жидкой окислительной фазы. Для этого к пшеничной муке добавляют некоторое количество соевой муки, особенно богатой активной липоксигеназой, и растительное масло в качестве источника жирных кислот. Смесь вносят в основную массу теста. В результате полученный хлеб отличается повышенным объемом, хорошей структурой пористости и светлым мякишем.
Велика роль этого фермента при хранении различных продуктов переработки зерна. На первых стадиях хранения липоксигеназа оказывает на качество пшеничной муки благоприятное действие. Свежесмолотая мука для производства хлеба не используется. Такая мука дает мажущееся, липкое, расплывающееся тесто, которое связывает при замесе пониженное количество воды. Хлеб получается плотным, с плохой пористостью, с коркой, покрытой трещинами. При отлежке мука созревает. За счет
184
окисления каротиноидов она становится светлее. В результате начального действия липоксигеназы и образования пероксидных соединений происходит укрепление структурно-механических свойств клейковины и качество хлеба улучшается. В этом процессе важная роль также принадлежит ферменту липазе. Однако при длительном хранении мука прогоркает за счет образования в итоге большого количества альдегидов и кетонов. Этот же процесс наблюдается при прогоркании крупы.
Роль гидролаз при производстве и хранении пищевых продуктов. К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая распад жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих большое количество жира, например овсяной. В целом зерне липаза и липоксигеназа неактивны. В продуктах переработки зерна их активность увеличивается, особенно если зерно или муку хранят при повышенной температуре и высокой относительной влажности воздуха. При этом вначале возрастает кислотность продукта. При длительном хранении происходит прогоркание продукта. Этот процесс является следствием действия двух ферментов — липазы и липоксигеназы. Образующиеся за счет действия липазы свободные жирные кислоты быстрее окисляются липоксигеназой, чем связанные, т. е. липаза подготавливает субстрат для действия липоксигеназы.
Для предотвращения прогоркания муки и крупы необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром.
Наибольшее значение из амилолитических ферментов имеют а-, р-амилазы и глюкоамилаза. а-Амилаза расщепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. При действии р-амилазы на крахмал в основном образуются мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расщепление крахмала до мальтозы возможно при одновременном действии а- и р-амилаз. Глюкоамилаза гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов.
Семена растений различаются по содержанию в них а- и Р-амилаз. В непроросших зернах пшеницы и ячменя содержится только р-амилаза; а-амилаза образуется при прорастании. В зерне ржи присутствуют оба фермента — а- и р-амилазы; при прорастании количество и активность а-амилазы резко возрастают.
а- и P-Амилазы различаются по своей термолабильности и температурному оптимуму действия. а-Амилаза более устойчива к действию высоких температур, ее температурный оптимум лежит выше температурного оптимума р-амилазы. Поэтому зерновая а-амилаза может действовать в процессе выпечки хлеба.
185
Эти два фермента существенно отличаются по своему отношению к pH среды. а-Амилаза более чувствительна к подкислению, чем р-амилаза. Если подкислить тесто, то а-амилаза быстро теряет свою активность. Это свойство имеет большое значение при переработке муки из проросшего зерна, в которой присутствует а-амилаза и ухудшает ее хлебопекарные свойства.
Амилазы имеют большое значение при оценке хлебопекарных свойств пшеничной муки, а именно при оценке ее газо- и сахарообразующей способности. В пшеничном тесте под действием зимазного комплекса дрожжей происходит спиртовое брожение, интенсивность которого зависит прежде всего от количества сахара, присутствующего в муке и тесте. Собственных сахаров в муке немного, и они расходуются на самых первых этапах брожения. В дальнейшем в спиртовом брожении участвует мальтоза, которая образуется в тесте за счет расщепления крахмала р-амилазой.
Диоксид углерода, возникающий при брожении, поднимает и разрыхляет тесто, определяя в итоге пористость хлеба. В процессе брожения теста сахара используются не полностью, часть их участвует на стадии выпечки в реакции меланоидинообразования, которая определяет в итоге цвет, вкус и аромат хлеба.
Если пшеничная мука имеет пониженную сахарообразующую способность, то для получения из нее хлеба хорошего качества необходимо активизировать гидролиз крахмала. Для этого увеличивают атакуемость крахмала чаще всего путем заваривания муки и клейстеризации крахмала или усиливают глубину его гидролиза, добавляя а-амилазу, которая способствует образованию декстринов, являющихся субстратом для последующего действия р-амилазы.
Источниками а-амилазы являются солод (проросшее зерно) и ферментные препараты. а-Амилаза плесневых грибов гидролизует клейстеризованный крахмал с образованием мальтозы и декстринов и способна превращать в мальтозу до 80...82 % крахмала. Бактериальные амилазы вызывают расщепление крахмала с образованием в основном декстринов и небольшого количества мальтозы. Кроме того, бактериальная а-амилаза по сравнению с а-амилазой, полученной из плесневых грибов, отличается большей термоустойчивостью. В хлебопечении чаще используют ФП грибного происхождения, в которых а-амилаза быстро инактивируется при выпечке хлеба, что предотвращает нежелательное накопление избытка декстринов.
Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых технологий. При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода, при этом клейстеризованный крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы.
186
В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается в дальнейшем дрожжами до спирта и диоксида углерода, обычно является крахмал зерна или картофеля. Сырье предварительно тонко измельчают, в результате улучшаются условия гидролиза его составных частей, в том числе частично и целлюлозы, гемицеллюлоз и пентозанов клеточных стенок. При разваривании крахмалсодержащего сырья крахмал клейстеризу-ется и переходит в коллоидный раствор. Затем проводят его возможно более полное осахаривание солодом или ферментными препаратами плесневых грибов, которые содержат глюкоамилазу или смесь этого фермента и а-амилазы. Замена солода ферментными препаратами позволяет экономить солод, увеличивает выход спирта, снижает его себестоимость и значительно интенсифицирует процесс осахаривания.
В пивоваренной промышленности основным сырьем является богатый ферментами ячменный солод. После дробления его смешивают с водой (эта операция называется затиранием, а смесь солода с водой — затором). При затирании в результате ферментативного гидролиза не только крахмала, но и гемицеллюлоз, гумми-веществ, белков часть сухих веществ затора переходит в раствор. Особенность производства состоит в том, что осахаривание крахмала не доводят до конца, так как в пиве должны остаться неосахаренные декстрины, придающие пиву свойственные ему вкус и вязкость и способствующие пенообразованию. При добавлении к солоду зерна, не подвергавшегося проращиванию, для разжижения и осахаривания такого затора из несоложеной муки необходимо применять амилолитические ферментные препараты грибного происхождения. Такой способ производства пива дает значительную экономию за счет сокращения расхода солода без ухудшения качества готового продукта.
Глюкоамилаза, получаемая из плесневых грибов, используется при производстве кристаллической глюкозы и глюкозной патоки и позволяет обойтись без кислотного гидролиза крахмала. При этом значительно упрощается технологический процесс, требующий дорогого оборудования, — не следует повышать температуру и давление, увеличивается выход глюкозы (до 97 %) и повышается ее чистота.
Протеолитические ферменты (протеиназы и пептидазы) катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов. Под действием этих ферментов белок превращается в пептоны, полипептиды, конечным продуктом реакции являются аминокислоты.
Гидролиз белковых веществ определяет водопоглотительную, газо- и формоудерживающую способность пшеничной муки, т. е. силу муки. Чем глубже идет реакция, тем слабее мука. Для производства большинства мучных кондитерских изделий необходима слабая мука, позволяющая получать пластичное тесто и
187
тестовые заготовки неискаженной формы. В пшеничной муке нормального качества активность протеиназ невелика, поэтому целесообразно усилить расщепление белков введением протеолитических ферментных препаратов. При этом снижается вязкость теста, изменяются его реологические свойства в нужную сторону, интенсифицируются замес и отлежка теста, сокращается количество прокаток и улучшается качество изделий.
В хлебопечении используется пшеничная мука средняя по силе, в ней должен в определенной степени протекать протеолиз, что позволяет получать хлеб хорошего качества. Однако слишком интенсивный протеолиз отрицательно сказывается на качестве готового хлеба. Свойствами типично слабой муки обладает мука, полученная из зерна, пораженного клопом-черепашкой. Она отличается высокой активностью протеолитических ферментов, внесенных в зерно клопом-черепашкой, тесто быстро разжижается, хлеб получается расплывшимся, с пониженными объемом и пористостью. Для улучшения качества хлеба из такой муки необходимо затормозить в ней протеолиз, например, путем добавления в тесто улучшителей окислительного действия — броматов или йодатов калия, перекисных соединений. Свежесмолотая мука также является слабой, поэтому она должна пройти процесс созревания. Образующиеся при этом за счет гидролиза жира свободные жирные кислоты, замедляя протеолиз, оказывают укрепляющее действие на свойства клейковины и теста.
Ретушируя протеолиз в пшеничном тесте путем изменения длительности его брожения и расстойки, температуры, добавления улучшителей, можно получить хлеб с заданными свойствами из муки различного качества.
Применение протеолитических ферментов позволяет гидролизовать белки, пептоны и полипептиды сырья до аминокислот, которые являются ценным азотистым питанием для дрожжей, что улучшает технологический процесс, особенно в пивоварении, виноделии и спиртовой промышленности.
В пивоварении образующиеся при расщеплении пептоны и полипептиды обусловливают ценообразование и обеспечивают вкус пива.
Белковые вещества могут быть причиной помутнения пива и вина в процессе их хранения, если эти денатурированные соединения не выпали в осадок в процессе производства. Наиболее простой способ стабилизации пива и вина — гидролиз белков протеолитическими ферментными препаратами. Например, для борьбы с так называемой холодной мутью в пиве протеолитические ферменты вносят на стадии его дображивания с таким расчетом, чтобы растворить белки мути, но не вызвать глубокого расщепления белков, с тем чтобы не изменить стойкости пены и вкуса пива.
Пектолитические ферменты гидролизуют пектиновые вещест
188
ва, представляющие собой полисахариды, состоящие из остатков £>-галактуроновой кислоты, связанных а-1,4-связью, и метоксильных групп (ОСН3), присоединенных к шестому углеродному атому эфирной связью. Предельная степень этерификации 16,2 %.
К пектиновым веществам относят протопектин, пектин, пектиновую и пектовую кислоты. Все пектиновые вещества, кроме протопектина, растворимы в воде. Строение протопектина точно не установлено. В нем очень длинная цепь метоксилированной полигалактуроновой кислоты, связанная с другими веществами: целлюлозой, остатками фосфорной кислоты, сахарами и др.
Пектин — соединение, образующееся из протопектина за счет действия пектолитических ферментов, представляет метоксили-рованную полигалактуроновую кислоту. Степень этерификации 14,9... 15,2 %. При ферментативном расщеплении от пектина отделяется часть метоксильных групп с образованием пектиновой кислоты и метанола. Пектовая кислота полностью лишена метоксильных групп. Пектин обладает желирующей способностью, которая тем выше, чем длиннее цепочка полигалактуроновой кислоты и чем больше степень ее метоксилирования.
Пектолитические ферменты включают в себя ряд ферментов. Превращение протопектина в пектин, как предполагают, осуществляется под действием протопектиназы; пектинэстераза (ПЭ) гидролизует эфирные связи пектина и пектиновой кислоты с образованием частично или полностью деметоксилированной полигалактуроновой кислоты и метилового спирта. Полигалактуроназа (ПГ) действует на пектин, катализируя расщепление а-1,4-глюкозидных связей между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Действие ПЭ и ПГ показано на схеме
Процесс гидролиза пектиновых веществ имеет большое значение для переработки плодов, ягод и овощей. Пектиновые вещества, являясь гидрофильными коллоидами, повышают водоудерживающую способность растительной ткани и тем самым препятствуют полному отделению сока, задерживают выделение взвешенных частиц в соке, сусле, вине, что приводит к образо
189
ванию устойчивой неоседающей мути, придает соку высокую вязкость и затрудняет его осветление и фильтрование. Обработка плодов и ягод пектолитическими ферментами ведет к значительному расщеплению пектиновых веществ, прежде всего пектина, что увеличивает и ускоряет сокоотдачу, снижает вязкость сока, облегчает процесс его фильтрования и осветления.
Поскольку активность пектолитических ферментов плодов и ягод, особенно у таких плодов, как слива, алыча, абрикос, персик и др., не очень высока, для ускорения гидролиза пектиновых веществ и повышения сокоотделения на практике используют пектолитические ферментные препараты, чаще всего грибного происхождения. Они применяются при производстве овощных пюре, виноградных вин и различного вида консервированных изделий из плодов, что позволяет на 5...25 % повысить выход сока с единицы перерабатываемого сырья и получить высокий экономический эффект.
Пектолитические ферменты применяют также в качестве дополнительного компонента при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, особенно если в кормах присутствует свекловичный жом, что резко повышает их усвояемость.
p-Фруктофуранозидаза — фермент, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Он вырабатывается плесневыми грибами, бактериями и дрожжами, из которых его обычно получают в виде очищенных ферментных препаратов. р-Фруктофуранозида-за, содержащаяся в виноградном сусле, играет важную роль в начальный период образования вина, так как способствует инверсии сахарозы сразу же после раздавливания винограда. Препараты этого фермента применяют в кондитерской промышленности при производстве помадки и других кондитерских изделий, включающих помадные массы. Под действием фермента в готовых изделиях протекает медленная инверсия сахарозы, поэтому они дольше сохраняют оптимальную консистенцию и медленнее высыхают.
Р-Фруктофуранозидазу можно использовать при получении сгущенного молока, искусственного меда, плодово-ягодных соков, экстрактов и варенья, так как образующийся инвертный сахар является антикристаллизатором и предохраняет изделия от засахаривания. Препараты этого фермента используют при приготовлении инвертных сиропов с концентрацией сахара до 72...73 % в ликеро-водочной и особенно в безалкогольной промышленности. Такие сиропы не кристаллизуются, что облегчает проведение технологического процесса.
р-Галактозидаза катализирует расщепление лактозы на глюкозу и галактозу. Она содержится в лактозных дрожжах, вызывающих брожение молочных продуктов, в бактериях и плесневых дрожжах. В последние годы для обогащения хлеба в тесто добавляют молоко, пахту и другие продукты переработки молока,
190
содержащие большое количество лактозы, которая не сбраживается прессованными дрожжами. Добавление в тесто препаратов р-галактозидазы ведет к усилению процессов брожения теста за счет образования глюкозы и улучшению качества хлеба, его вкуса, цвета и аромата.
Обработка молока и молочных продуктов препаратами p-галактозидазы позволяет обеспечить население, обладающее лактазной недостаточностью, молочными продуктами, почти не содержащими лактозу. Использование этого фермента при приготовлении кисломолочных продуктов способствует более быстрому развитию молочнокислых микроорганизмов, что позволяет ускорить технологический процесс. Гидролиз около 20...30 % лактозы молока при приготовлении мороженого предотвращает его кристаллизацию и уменьшает на 1...2 % добавку сахарозы.
Контрольные вопросы
I.	Какие факторы влияют на скорость биохимических процессов?
2.	Что такое ферментные препараты и где они применяются?
3.	Какую роль оказывают ферменты в дыхании растительного сырья?
4.	Какую (юль играют оксидоредуктазы при производстве и хранении пищевых продуктов?
5.	Какова роль амилолитических и протеолитических ферментов при производстве и хранении пищевых продуктов?
Глава 11
РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В их основе лежит использование в промышленности биологических систем и процессов, ими вызываемых. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.
В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т. д.
ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ МИКРООРГАНИЗМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки — вино, пиво, коньяк, спирт — и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности использу
191
ют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности — молочнокислые бактерии и т. д.
Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение.
Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.
Многие виды брожения — спиртовое, молочнокислое, ацето-нобутиловое, уксуснокислое, лимоннокислое и другие, вызываемые различными микроорганизмами, — используют в промышленности. Например, в производстве этилового спирта, хлеба, пива, вина применяют дрожжи; в производстве лимонной кислоты — плесневые грибы; в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона — бактерии. Основная цель указанных производств — превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. В других производствах, например в производстве хлебопекарных дрожжей, главной задачей является накопление максимального количества культивируемых дрожжей.
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, — бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по приведенному уравнению (11.4).
В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гете-роферментативные) молочнокислые бактерии. Гетерофермента-тивные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотооб-разованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от обшего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.
192
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся при молочнокислом брожении молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует а-амилазу.
К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетоно-бутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению
СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 487 кДж. (11.1)
Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.
Дрожжи. Широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.
Для пищевых производств имеют значение дрожжи — сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи — несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а остальные отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторым признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У первых на протяжении всего периода жизнедеятельности клетки изолированы друг от друга, а у вторых клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. cerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей находится в пределах 25...30 °C, а минимальная тем
193
пература около 2...3 °C. При 40 °C рост прекращается и дрожжи отмирают, но низкие температуры дрожжи переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас.
Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но не дают плотного осадка. Эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам и не склеиваются друг с другом в отличие от хлопьевидных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются клейкими, что приводит к слипанию и быстрому осаждению клеток.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относятся большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения — спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные СО2, человек стал вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.
Как отмечалось ранее, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта — этиловый спирт и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная, лимонная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и так называемые сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Однако сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента, содержащегося в оболочке дрожжевой клетки — р-фруктофу-ранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара —- до 60 %. Они выносят также высокие концентрации спирта —до 14...16 об. %. Токсичное действие спирта увеличивается с повышением температуры.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
С6Н12О6 + 6О2 6СО2 + 6Н2О + 2824 кДж. (11.2)
194
Так как этот процесс энергетически более богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под влиянием кислорода воздуха получило название эффекта Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. cerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а 1акже часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстро размножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства.
В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.
В виноделии ценятся дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низового брожения. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.
В пивоваренной промышленности применяют низовые дрожжи вида S. carlsbergensis (в основном хлопьевидные расы). Брожение, вызываемое ими, хорошо протекает при температурах от 6 до 8 °C.
Дрожжи семейства несахаромицетов вырабатывают в качестве ценного корма для сельскохозяйственных животных.
В таких отраслях, как пивоварение и дрожжевое производство, дрожжеподобные грибы являются вредителями производства.
Зигомицеты. Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной — при частичной замене солода несоложеным зерном и т. д.
В производстве лимонной кислоты A. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Однако в ряде случаев плесневые грибы вызывают порчу пищевых продуктов.
195
ТИПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА У МИКРООРГАНИЗМОВ
Для развития, роста и размножения микроорганизмов необходима энергия. Способы добывания энергии у микроорганизмов различны. Большинство из них живут за счет энергии, высвобождающейся при окислении различных соединений кислородом. Микроорганизмы, добывающие энергию только за счет окисления кислородом, называют облигатными аэробами. Но есть микроорганизмы, которые получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления — восстановления неорганических и органических соединений, находящихся в субстрате. Такие микроорганизмы называют облигатными анаэробами. Кислород подавляет их развитие.
Существуют также промежуточные формы микроорганизмов: факультативные аэробы и анаэробы.
Микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т. е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряженных окислительно-восстановительных реакций без участия кислорода воздуха, называют факультативными аэробами. При недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования.
Микроорганизмы, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него, называют факультативными анаэробами. Они живут за счет сопряженного окисления — восстановления различных соединений, без вовлечения кислорода. Кислород для них не ядовит или слабо ядовит. Известны факультативные анаэробы (например, дрожжи), способные в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.
Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые дрожжи, получают энергию для жизнедеятельности в процессе брожения. Этот энергетический процесс протекает путем сопряженного окисления — восстановления без участия в нем кислорода воздуха.
Акцептором водорода, отщепляемого от окисляемого органического соединения, взамен молекулярного кислорода служат промежуточные продукты распада того же органического вещества. Примером такого типа получения энергии служит спиртовое брожение, осуществляемое многими дрожжами в анаэробных условиях,
С6Н12°6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 118 кДж. (11.3)
Молочнокислые бактерии, являясь факультативными анаэробами, без участия кислорода осуществляют молочнокислое брожение, которое заключается в превращении молекулы глюкозы в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии,
С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН + 75 кДж. (11.4) 196
Примером облигатных анаэробов служат маслянокислые бактерии, которые получают энергию в процессе маслянокислого брожения,
С6Н12°6 = С3Н7СООН + 2СО2 + Н2 + Q. (Н.5)
ФАКТОРЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОБМЕН ВЕЩЕСТВ МИКРООРГАНИЗМОВ
Чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез какого-либо вещества, необходимы оптимальные условия окружающей среды: химические факторы — состав и концентрация питательных веществ, присутствие активаторов и ингибиторов; физические факторы — температура, давление, pH, плотность, подвижность среды, освещение, радиация и т. д. Чем благоприятнее, эти условия для данного микроорганизма, тем интенсивнее он развивается и тем выше темп его деятельности — эффективнее размножается.
Один из важных факторов — питательная среда. Микроорганизмам требуется целый ряд необходимых элементов питания (углерод, азот, фосфор, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества и др.).
Источниками углерода для гетеротрофных микроорганизмов могут быть углеводы (моно- и полисахариды), спирты, кислоты и др. Концентрация этих веществ в среде может изменяться от десятых долей процента до 20. Источниками азота в питательной среде могут быть белки, пептиды, аминокислоты, соли аммония или аммиака, нитраты, а также атмосферный азот. В качестве источника фосфора обычно используют фосфаты (соли фосфорной кислоты). Кроме того, к питательной среде добавляют также соли К, Mg, Fe, микроэлементы (Со, Си, Мп и т. д.) и различные органические вещества (витамины и другие биологически активные вещества).
Потребность микроорганизмов в соответствующих веществах выясняют, культивируя их на синтетических средах, состоящих из определенных химически чистых соединений. Изменяя количество одного из компонентов среды и сохраняя остальные на оптимальном уровне, можно установить, какие вещества и в каких концентрациях необходимы для жизнедеятельности соответствующего микроорганизма.
Если на клетки микроорганизмов действуют слишком высокие концентрации веществ в питательной среде, то может произойти плазмолиз клетки — часть воды выделится из клеток и протоплазма отойдет от клеточной стенки, жизнедеятельность клетки замедлится или полностью прекратится. Чувствительность микроорганизмов к повышению осмотического давления
197
различна и оказывает существенное влияние на их жизнедеятельность.
Так, в производстве хлеба можно затормозить брожение теста при внесении в него соли или повышенного количества сахара и жира. Для уменьшения тормозящего действия соль вносят в несколько приемов, а сахар и жир — преимущественно на пос ледних стадиях брожения. Во всех случаях с повышением количества сахара, жира и соли в тесте увеличивается расход дрожжей. В ряде случаев, например в производстве мучных кондитерских изделий, из-за высокого содержания питательных веществ, в первую очередь сахара, использование микроорганизмов для биологического разрыхления невозможно. Их следует заменять химическими разрыхлителями.
Для микробиологических процессов большое значение имеет реакция среды (pH). Для каждой культуры микроорганизмов есть свои пределы оптимума, максимума и минимума pH. Так, ацидофильным микроорганизмам (некоторые плесени, дрожжи, бактерии) необходим pH 1,5...4,5, нейтрофильным — pH 6,5...8,0 и базофильным — pH 8,5...9,5. Но большинство микроорганизмов лучше всего развиваются в нейтральной среде при pH 7,0.
Большое значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для аэробных микроорганизмов он жизненно необходим, а для анаэробных является ядом. Только для факультативно анаэробных микроорганизмов, например дрожжей, это не имеет существенного значения.
Потребление кислорода зависит от концентрации клеток. Чем она выше, тем больше требуется кислорода. Режим аэрации должен обеспечивать такую скорость растворения кислорода, которая полностью соответствовала бы расходу.
Для микроорганизмов существенное значение имеет также окислительно-восстановительный потенциал, выражаемый в милливольтах или чаще отрицательным логарифмом давления молекулярного водорода г Ну. Степень аэробности или анаэробности может быть количественно охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала. Это индекс гНу, аналогичный pH, но pH выражает степень кислотности или щелочности, а гЯ2 ~ степень аэробности. В водном растворе, насыщенном кислородом, гНу = 41, а в условиях насыщения водородом гНу - 0. Шкала от 0 до 41 характеризует степень аэробности. Облигатные анаэробы жизнедеятельны при г//2 не выше 18...20, при этих значениях они только осуществляют обмен веществ, но не размножаются. Размножаться они могут при крайне низких значениях г//2 — не выше 3...5. Факультативно аэробные и анаэробные микроорганизмы живут в широком диапазоне /Я2 — от 0 до 30. Низкие значения г//2 не оказывают вреда, а высокие — неблагоприятны. Микроорганизмы всегда снижают высокие значения гНу в среде, выделяя в нее восстано
198
вители. Облигатные аэробы не способны жить без кислорода и при низких значениях rHi не могут существовать, так как в среде нет свободного кислорода. Нижний предел г//2 для них равен 10, верхний — 30, так как при г//2 = 30 происходят чрезмерное окисление и повреждение клеток.
Очень велико значение температуры для роста и развития микроорганизмов. Большинство используемых в промышленности микроорганизмов по отношению к температуре являются мезофилами: их развитие происходит при 25...37 °C. Психрофильные микроорганизмы растут в интервале 0...15 °C, а термофильные — в интервале 55...75 °C. Все перечисленные микроорганизмы имеют промежуточные формы. Обычно при повышении температуры процессы биосинтеза интенсифицируются, если это повышение не ингибирует определяющие биосинтез ферменты. При температуре 70 °C большинство вегетативных микроорганизмов гибнет за 1...5 мин.
Нормальное функционирование клетки, т. е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в пей содержится достаточное количество воды и клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций, а следовательно, и интенсивность жизненных процессов. Вода не только является реакционной средой и растворителем веществ, при взаимодействии с водой осуществляется множество реакций при участии гидролитических ферментов, в результате которых образуются новые вещества с совершенно новыми свойствами.
Итак, при благоприятных условиях, т. е. в среде, где есть водный раствор питательных веществ, а также соблюдены все соответствующие физические и химические факторы (температура, pH, присутствие кислорода и т. д.), в клетках микроорганизмов начинаются ферментативные процессы, т. е. обмен веществ с окружающей средой. Из веществ, проникших в клетку, образуются внутриклеточные вещества и структурные элементы, происходит ассимиляция. Одновременно идут процессы распада веществ — диссимиляция. Если первые процессы преобладают над вторыми, наблюдается рост клетки. Достигнув определенных размеров в соответствующей фазе развития, клетка может начать размножаться. Скорость размножения зависит как от видовых свойств культуры, так и от условий окружающей среды.
В благоприятных условиях каждое следующее поколение у дрожжевых клеток появляется через час, а у некоторых бактерий — даже через каждые 20...40 мин. Однако, как правило, клетка размножается гораздо медленнее, так как в среде могут возникать неблагоприятные условия (нехватка какого-либо питательного вещества, изменение температуры, pH, образование
199
ig/v
белков.
Рис. 41. Фазы роста культуры микроорганизмов:
/ — лаг-фаза; II—логарифмическая фаза; III— фаза замедленного роста; IV— стационарная фаза; V—фаза отмирания; N— число клеток (млн/см3)
токсических веществ, избыток клеточной массы на единицу объема и т. д.).
В результате роста и размножения клеток в питательной среде увеличивается биомасса. Количество биомассы выражают по сухой, массе клеток в единице объема (мг/л, г/л, кг/м3) или, если клетки имеют примерно одинаковые размеры, по числу клеток в единице объема (млн/мл, млрд/мл).
В развитии микроорганизмов наблюдается несколько фаз (рис. 41).
Внесенные в питательную среду клетки микроорганизмов не сразу начинают раз
множаться, до этого следует некоторый период, называемый лаг-фазой (/). В этот период, длящийся иногда несколько часов, клетки приспосабливаются к среде и окружающим условиям. В период лаг-фазы стремительно возрастает количество нуклеиновых кислот, особенно РНК, что необходимо для биосинтеза
После лаг-фазы следует логарифмическая, или экспоненциальная, фаза (//), в которой клетки размножаются с максимальной для данной культуры скоростью. Вследствие этого запас необходимых питательных веществ в среде уменьшается. Кроме
того, в этот период происходит накопление различных продуктов обмена веществ, которые в определенной концентрации могут мешать нормальному протеканию процесса обмена веществ. Скорость роста уменьшается также за счет сокращения плошади поверхности клеток из-за тесного окружения одних клеток другими, а именно через их поверхность происходят процессы обмена веществ —- попадание питательных веществ в клетку и выведение метаболитов.
При интенсивном росте и размножении внутри закрытой системы негативное влияние лимитирующих факторов увеличивается и в результате скорость роста микроорганизмов уменьшается,
200
наступает фаза замедленного роста (ПГ). Через определенное время в стационарной фазе (IV) масса клеток в питательной среде достигает максимального уровня. Затем наступает период, когда число отмерших и автолизированных клеток превышает прирост. В результате количество биомассы уменьшается — на-ступает фаза отмирания (V).
Следовательно, наиболее интенсивно рост и размножение происходят в логарифмической фазе, где еще не действуют лимитирующие факторы. Для характеристики развития культуры микроорганизмов используют скорость роста — изменение количества биомассы в единицу времени. Максимальная скорость роста в логарифмической фазе для каждой культуры различна и относится к наиболее важным характеристикам ее физиологических свойств. Абсолютный прирост биомассы в единицу времени, обычно за 1 ч, характеризует общая скорость роста V. Если прирост биомассы за бесконечно малый промежуток времени dt обозначить через dm, то
(11.6) у ~ dt'
Чтобы определить, с какой скоростью идет прирост биомассы от исходного количества л?о до т1 за время /]—используют среднюю скорость роста У^, которую определяют по формуле
V ~т'~то	(11.7)
ср 'i-'o'
Изменение (увеличение) количества биомассы микроорганизмов важно контролировать как при получении биомассы (дрожжевое производство), так и при накоплении ее в культуральной среде какого-либо вещества (производство спирта, лимонной кислоты и др.).
В первом случае процесс прекращают, когда достигнуто максимальное количество биомассы и углерод и азот среды использованы максимально. Если источник углерода для образования биомассы и какого-либо продукта общий, например спиртовое брожение на сахарозе или мальтозе, тогда на определенном этапе увеличение биомассы ограничивают (при спиртовом брожении — путем создания факультативно анаэробных условий).
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ИНФЕКЦИЯ И ДЕЗИНФЕКЦИЯ
Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, которые специально выращивают для нужд данного производства, используя особенности их биохимической деятельности и
201
других свойств. С другой стороны, в пищевые производства попадает инфекция, т. е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве и т. д.) и из окружающей среды попадают в производство.
Это либо неопасные для здоровья человека сапрофиты, являющиеся, однако, вредителями производства, в результате их жизнедеятельности нарушается технологический процесс, возрастают потери сырья, снижаются выход и качество готовой продукции; либо патогенные микроорганизмы, которые могут нанести вред здоровью человека и явиться причиной тяжелых инфекционных заболеваний.
Источники инфекции могут быть как внешними (воздух, вода, сырье), так и внутризаводскими. К внутризаводским относятся воздух производственных помещений, технологическое оборудование, тара, в которых задерживаются остатки производственных жидкостей, являющихся питательной средой для микроорганизмов, а также руки, одежда и обувь обслуживающего персонала.
Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.
Дезинфекцией (обеззараживанием) называется уничтожение вредителей данного производства, которые вызывают порчу сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также патогенных микроорганизмов — возбуди гелей пищевых инфекций и пищевых отравлений.
На каждом предприятии проводят профилактические меры борьбы. Своевременно удаляют отходы производства, соблюдают чистоту во всех отделениях предприятия, внутри аппаратов, оборудования и трубопроводов. Наряду с профилактическими мерами применяют и активные меры борьбы с инфекцией, которые по характеру действующего средства делятся на физические и химические.
К физическим методам обеззараживания относятся различные способы стерилизации, основанные на губительном действии высоких температур на микроорганизмы: кварцевое и ультрафиолетовое облучение, ультразвук, действие высоких температур (обжигание, прокаливание, кипячение, ошпаривание посулы, тары и оборудования, обработка острым паром).
К химическим средствам обеззараживания относится большое количество различных дезинфицирующих веществ, обладающих антимикробным действием. Такне вещества называют антисептиками В качестве антисептиков применяют хлорную известь, формалин, ангиформян (смесь растворов хлорной извести, гад-
202
роксида натрия и карбоната натрия), диоксид серы (SO2), серную кислоту, сульфазол и др.
Некоторые из этих антисептиков добавляют в небольших количествах в продукты, предназначенные для технологического процесса, другие используют для мойки аппаратуры и трубопроводов. Наряду с антисептиками для дезинфекции в некоторых случаях применяют антибиотики, в частности лактоцид. Часто для борьбы с вредными микроорганизмами сочетают стерилизацию и дезинфекцию.
Ярким примером вредного влияния микроорганизмов могут служить картофельная болезнь и плесневение хлеба. Картофельная, или тягучая, болезнь хлеба выражается в резких изменениях качества хлеба (мякиш тянется слизистыми, тонкими нитями, появляются сильные специфические неприятные запах и вкус), вызываемых деятельностью споровых микроорганизмов, относящихся к виду Bacillus subtilis, широко распространенных в природе. Эти микроорганизмы всегда встречаются в том или ином количестве в зерне и муке. Споры этих микроорганизмов устойчивы к температуре и сохраняют жизнеспособность в мякише хлеба после выпечки. При благоприятных условиях (температура 35...45 °C и pH 5... 10) развитие спор этих бактерии приводит к заболеванию хлеба. Вследствие высокой оптимальной температуры для развития микроорганизмов заболевание хлеба картофельной болезнью происходит в жаркое время года. Действенными мерами борьбы с картофельной болезнью хлеба являются: подкисление теста уксусной, пропионовой и сорбиновой кислотами, гак как при высокой кислотности (pH < 4,8...5,0) жизнедеятельность этих бактерий резко тормозится; применение в заквасках для теста из пшеничной муки чистых культур пропионовокислых бактерий или мезофильных молочнокислых бактерий (L. fermen-tum); быстрое охлаждение хлеба после выпечки до 10.. Л 2 иС и хранение его при этой температуре.
Плесневение хлеба происходит при неправильном режиме хранения: повышенной температуре (25...30 °C) и относительной влажности воздуха выше 70 % в хранилищах, а также при повышенном содержании влаги в хлебе и его слитком плотной укладке. Чаще всего плесневение вызывается мицелиальными грибами Aspergillus, Penicillium, Rhyzopus и др. Так как в процессе выпечки хлеба грибы и их споры полностью погибают, то плесневение хлеба вызывается попаданием плесневых грибов и пх спор на уже выпеченный хлеб. Особая опасность плесневения хлеба заключается в возможном образовании и накоплении афлатоксинов (микотоксинов), вырабатываемых плесневыми грибами.
Для предотвращения плесневения хлеба, выпускаемого в не-завернугом виде, необходимо соблюдение максимальной чистоты в производственных помещениях. Оборудование и инвентарь
203
для хранения и транспортирования хлеба следует содержать в чистом состоянии и периодически дезинфицировать.
Для предотвращения плесневения хлеба, предназначенного для длительного хранения (для участников экспедиций, экипажей кораблей и др.), необходимо проводить следующие мероприятия:
заворачивать хлеб в герметическую влагонепроницаемую пленку с последующей тепловой стерилизацией;
заворачивать хлеб в бумагу или пленку, пропитанные сорбиновой кислотой, с последующей герметической упаковкой;
стерилизовать упакованный хлеб токами высокой частоты, ионизирующими излучениями, облучать ультрафиолетовыми лучами.
Контрольные вопросы
I,	Какие существуют типы энергетического обмена веществ у микроорганизмов?
2.	Какие физические и химические факторы оказывают воздействие на микроорганизмы?
3.	Какие наблюдаются фазы в развитии микроорганизмов9
4.	Что такое производственная инфекция и какие существую г меры борьбы с ней?
Раздел III
СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Глава 12
ОСНОВНОЕ СЫРЬЕ
Производство пищевых продуктов связано с использованием различных видов сырья. При этом часть отраслей пищевой промышленности занята первичной переработкой сырья (мукомольно-крупяная, сахарная, крахмало-паточная, консервная и овощесушильная, спиртовая и др.), а часть — вторичной переработкой сырья (хлебопекарная, макаронная, кондитерская, дрожжевая и др.).
Широкий ассортимент продуктов, вырабатываемых пищевой промышленностью, обусловливает и использование огромного разнообразия сырья, различающегося по составу и свойствам.
В этой главе приведены общие характеристики, классификация, условия и сроки хранения различных видов сырья, используемого в производстве пищевых продуктов.
ОСНОВНЫЕ ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ
Зерно — важнейший продукт сельского хозяйства. Оно служит основным источником питания человека, кормовой базой продуктивного животноводства и сырьем для технического производства. Зерновые продукты являются основными продуктами питания в силу присущих им отличительных свойств: способности синтезировать большое количество сухих веществ (около 85 % всей массы), сохраняться в обычных условиях в течение нескольких лет без существенного изменения свойств, высокой транспортабельности н доступности. По количеству питательных веществ (белка, углеводов, а также минеральных веществ и витаминов группы В) продукты переработки зерна (мука, крупа, хлеб, макаронные изделия) составляют около 1/3 рациона питания человека, обеспечивая более половины энергетической ценности суточного рациона.
По химическому составу все зерновые культуры делят на три группы. К первой группе относится зерно, богатое крахмалом. Эта группа представлена хлебными (пшеница, рожь, ячмень,
205
овес) и ложными (кукуруза, рис, просо и семейство гречишных)! злаками.
Во вторую группу входят культуры, богатые белком. К этой группе относится семейство бобовых.
Третья группа объединяет масличные культуры, семена которых богаты жиром.
Пшеница. В России возделывают в основном два вада пшениц — мягкие и твердые, причем предпочтение отдают мягким, на их долю приходится более 90 % посевов и сборов. По срокам посева она может быть яровой и озимой. Распространены как яровая, так и озимая мягкая пшеница.
У мягкой пшеницы зерно округлое, с хорошо заметной бородкой (опушение на конце зерна, противоположном зародышу), с ярко выраженной глубокой бороздкой, проходящей вдоль зерновки. Отношение длины зерна к его ширине составляет 2:1. Цвет зерна мягкой краснозерной пшеницы красновато-коричневый разных опенков, у белозерной — светло-желтый. Консистенция зерна различная: чаще эндосперм частично стекловидный и мучнистый, реже — стекловидный.
Мягкую пшеницу по технологическим (мукомольным и хлебопекарным) достоинствам делят на три группы — сильную, среднюю и слабую. Сильной называется пшеница определенных сортов, имеющая зерно с высоким (не менее 14 % СВ) содержанием белка, со стекловидностью не ниже 60 % Мука из такой пшеницы образует упругопластнчное, неразжижаюшееся тесто, хлеб из нес получается большого объема с хорошим пористым мякишем.
Слабой называется доброкачественная пшеница, отличающаяся малым содержанием белка (менее 11 % СВ), в основном мучнистая (стекловидность менее 40 %). Слабая пшеница обладает низкими хлебопекарными качесгвами. Тесто из такой муки при брожении быстро ухудшает свои структурно-механические свойства, становится липким, мажущимся, а хлеб получается неудовлетворительного качества с низким объемом и грубой пористостью. В качестве улучшителей слабых пшениц используют сильные пшеницы. В то же время из слабой пшеницы подучают муку, вполне пригодную для производства мучных кондитерских изделий.
Средняя пшеница — наиболее распространенная пшеница, по своим свойствам занимает промежуточное положение между сильной и слабой. Она обладает хорошими хлебопекарными свойствами, но эффективно улучшать слабую пшеницу не может.
Твердая пшеница значительно отличается от мягкой: она гораздо лучше противостоит осыпанию, меньше полегает под действием ветров и дождей, так как ее соломина имеет более толстые и прочные стенки. В отношении урожайности твердые пшеницы уступают мягким (озимым) сортам. Зерно твердой пшеницы более крупное, чем у мягкой, бородка развита слабо и не видна невоору-
206
денным глазом. Цвет зерновки желтый, стекловидность довольно высокая (до 90—100 %). Наиболее распространены преимущественно яровые формы твердой пшеницы. Твердую пшеницу по хлебопекарным свойствам на группы Не разделяют. Зерно этой пшеницы в чистом виде имеет низкие хлебопекарные качества, хлеб получается небольшого объема и с Плотным мякишем. Клейковина твердой пшеницы отличается высокой упругостью и слабой растяжимостью. Главное назначение твердых пшениц — получение из них макаронных изделий. Для получения макаронных изделий хорошего качества пригодны также некоторые сорта яровой мягкой пшеницы, отличающиеся высокой стекловидностью (не менее 60 %) и большим содержанием белка.
Из всех злаковых культур пшеница отличается наиболее высоким содержанием бедка (9,2—26,8 %), однако он неполноценен из-за дефицита лизина и метионина. Содержание белка в яровой пшенице выше, соответственно доля крахмала ниже, чем в озимой- Существует закономерность в накоплении зерном пшеницы белковых веществ: количество белка возрастает по мерс продвижения этой культуры с запада на восток и с севера на юг. Твердые пшеницы характеризуются большим содержанием белка, сахара, минеральных веществ и каротиноидов, чем мягкие.
Рожь. Рожь является второй по значению зерновой культурой после пшеницы. Это в основном озимая культура, обладает ценными качествами: нетребовательна к почвенно-климатическим условиям, отличается скороспелостью, высокой урожайностью и зимостойкостью?
Форма, строение и химический состав зерна ржи имеют свои особенности. Узкое и длинное зерно ржи (отношение длины зерна к его ширине составляет 3,5:1) отличается меныпей массой и большей удельной поверхностью, чем зерно пшеницы; поэтому доля оболочек, алейронового слоя, зародыша у него больше, а доля эндосперма меньше. Оболочки с алейроновым слоем составляют около 20 %, зародыш — 3,7 % массы зерна. Ввиду этого из ржи можно получить меньше сортовой муки, чем из пшеницы. Цвет зерна ржи чаще серо-зеленый, эндосперм обычно мучнистый, реже стекловидный. Общая стекловидность зерна ржи 30—40 %.
По сравнению с пшеницей рожь содержит меньше белка (в среднем 9—20 %), однако белки ржи более полноценны. Более полезна рожь и по минеральному составу: содержание калия, магния и кальция в ней больше, чем в пшенице. По свойствам белковых веществ и крахмала эти культуры существенно отличаются друг от друга. Белки ржи способны к неограниченному набуханию, при обычных условиях они не образуют клейковину. Крахмал ржи отличается более низкой температурой клейстеризации, в зерне ржи содержатся а- и р-амилазы в отличие от пшеницы, в которой присутствует только р-амилаза, поэтому
207
крахмал при приготовлении ржаного хлеба легче гидролизуется и | ржаной хлеб медленнее черствеет, чем пшеничный. В зерне ржи/ содержится почти в два раза больше сахаров (мальтозы, глюко-, зы, сахарозы), чем в пшенице, и сравнительно много слизистых веществ (до 2,8 %). Последние являются высокомолекулярными полисахаридами и обладают способностью поглощать большое количество воды, образуя вязкие коллоидные растворы. Эти вещества. оказывают влияние на свойства теста и хлеба из ржаной муки: тесто и мякиш такого хлеба более липкие, мякиш хлеба более влажный, чем у пшеничного.
Рожь используется для получения муки и солода.
Ячмень. В нашей стране занимает второе место после пшеницы по объему производства зерна. Ячмень может быть озимым и яровым, однако в основном выращивают яровые сорта, отличающиеся коротким вегетационным периодом (70 дней). Зерно ячменя пленчатое, на долю пленок приходится 9... 14 % массы зерна. Под цветочными пленками находятся более тонкие, чем в зерне пшеницы, плодовые и семенные оболочки, в состав которых, как и в цветочные пленки, входят клетчатка и пентозаны. Алейроновый слой состоит из 2...3 рядов крупных толстостенных клеток. Такое строение алейронового слоя сказывается на высокой прочности зерна и повышенном содержании клетчатки и минеральных веществ в ячменной муке и крупе. Эндосперм ячменя может быть мучнистым, полустекловидным и стекловидным. По содержанию белка (7...25 %) и сахаров ячмень занимает промежуточное положение между пшенипей и рожью. Белки ячменя хотя и на немного, но более полноценны, чем белки пшеницы. Из муки некоторых сортов ячменя можно, используя теплую воду, отмыть корот-корвущуюся клейковину серого цвета. В оболочках и пленках ячменя содержатся горькие и дубильные вещества, поэтому при получении крупы от них стараются избавиться.
Ячмень используют для различных целей: получения муки, крупы, пива, солода, спирта, солодовых экстрактов и ячменного кофе. Для приготовления хлеба ячмень используется в тех районах (северных или др.), где выращивание других злаков затруднено. Хлеб из такого зерна получается низкого качества, быстро черствеет, поэтому ячменную муку лучше применять в качестве добавки к пшеничной муке. Для выработки муки и крупы используют стекловидный или полустекловидный ячмень, а для получения пива — мучнистый.
Овес. -Эта культура продовольственная и фуражная. Овес отличается скороспелостью, его зерно узкое и длинное, пленчатое, белого или желтого цвета, имеет опушение, покрывающее всю его поверхность. Цветочные пленки толстые. В состав овса входят клетчатка, пентозаны и минеральные вещества, содержание которых составляет 25...43 % массы зерна. Эндосперм овса белого цвета, мучнистый, содержит много клетчатки. Очень мелкие
208
крахмальные зерна овса соединены в более крупные образования. Содержание крахмала в зерне невелико (25...40 %). Белок овса наиболее полноценный из всех злаковых, особенно по содержанию лизина. Овес отличается высоким содержанием минеральных веществ, в основном соединений фосфора и жира (до 10 %). Однако овес ухудшает стойкость продуктов его переработки при хранении. В состав овса входят гумми — растворимые в воде углеводы, образующие вязкие растворы. Они влияют на свойства овсяной крупы. Овес используется для производства солода, различных видов крупы, толокна, диетических продуктов и продуктов детского питания. Овсяная мука употребляется также для приготовления киселей и печенья.
СТАНДАРТЫ НА ЗЕРНО
На все злаковые культуры утверждены соответствующие стандарты. На пшеницу установлен один ГОСТ 9353 «Пшеница. Технические условия», на рожь и ячмень — несколько стандартов в зависимости от требований, предъявляемых к зерну в соответствии с его целевым назначением.
ГОСТ 9353 распространяется на зерно пшеницы, заготовляемое государственной заготовительной системой, а также поставляемое на кормовые цели и для выработки комбикормов. Стандарт предусматривает деление пшеницы на типы и подтипы по ботаническим признакам, цвету и стекловцдности; дает технические требования, в которых указаны базисные и ограничительные нормы для заготовляемой пшеницы, деление пшеницы на классы, требования к пшенице, используемой на кормовые цели и для выработки комбикормов, состав основного зерна н различных примесей. Стандарт содержит правила приемки, транспортирования, хранения зерна и методы определения его качества.
При оценке качества зерна определяют органолептические (цвет, запах и вкус) и физико-химические (влажность, засоренность, количество испорченных и поврежценных зерен, зараженность вредителями хлебных запасов, стекловидность, натура, типовой состав, количество и качество клейковины) показатели.
Морфологическая характеристика,
анатомическое строение и состав злаковых культур
Зерно различных злаковых имеет ряд общих морфологических признаков: мочковатый корень, листья ланцетовидной формы, стебель—соломину, разделенную узлами-перегородками на несколько частей (междоузлий). Соломина может быть пустотелой, но чаще всего заполнена рыхлой тканью—паренхимой, как, например, у кукурузы и сорго. Цветки собраны в соцветия. У одних
209
и состоят
Рис. 42. Продольный разрез зерна пшеницы
зерновых культур (пшеница, рожь, ячмень) они представляют/ сложный колос, отдельные колоски которого находятся на высту-, пах стержня колоса, у других (просо, овес, рис, сорго) — метелку. / Особое строение соцветий у кукурузы, являющейся раздельной^' лым растением. Мужские соцветия имеют форму метелки, а женские — форму початка. Плод хлебных злаков—зерновка.
Злаковые культуры могут быть голозерными (пшеница, рожь) и пленчатыми (ячмень, овес и др.). У голозерных при обмолоте цветочные пленки остаются на колосе или початке и в муку не попадают; у пленчатых культур цветочные пленки прочно срастаются с зерновкой и при помоле не удаляются.
Строение и состав зерновки злаковых культур рассмотрим на примере зерна пшеницы, так как оно типично для всех злаков. Зерно состоит из следующих анатомических частей: оболочки 4, алейронового слоя 3, эндосперма 2 и зародыша 1 (рис. 42).
Оболочки делятся на плодовую и семенную, каждая из которых состоит из нескольких слоев клеток, причем один из слоев семенной оболочки содержит красящие вещества и определяет цвет зерна. Плодовая оболочка сравнительно легко удаляется, в то время как семенная прочно срастается с находящимся под ней алейроновым слоем. Оболочки предохраняют зерно от по-в основном из клетчатки и минеральных веществ. В зерне пшеницы на долю плодовых и семенных оболочек приходится 6...8 % его массы.
Алейроновый слой, называемый иногда оболочкой эндосперма, представляет собой один ряд очень крупных толстостенных клеток. Стенки клеток состоят из клетчатки, а их внутреннее пространство заполнено питательными веществами, из которых половина приходится на белок, а другая половина включает в основном жир и жироподобные вещества, а также некоторое количество минеральных веществ, сахаров, водорастворимых витаминов и ферментов. Крахмала в этом слое нет. Алейроновый слой, масса которого составляет 4...9 % массы зерна, играет важную роль при доставке питательных веществ развивающемуся молодому зерну.
Эндосперм, или мучнистое ядро, занимает всю внутреннюю часть зерна и составляет до 85 % его массы. Он состоит из крупных тонкостенных клеток, за
210
полненных зернами крахмала, которые окружены частицами белка. Весь крахмал зерна сосредоточен равномерно в эндосперме. Белки распределены в эндосперме неравномерно: наибольшее их количество содержится в его периферийных частях. Других составляющих (жир, зола, сахара и клетчатка) в эндосперме немного, наряду с белками они находятся в окраинных частях эндосперма. Эндосперм — самая ценная часть зерна, из которого получают высшие сорта муки. Чем больше эндосперма в зерне, тем больше выход муки (количество муки, полученное из 100 частей зерна). Эндосперм может быть стекловидным, полустек-ловндным и мучнистым. Стекловидная пшеница отличается от мучнистой более высоким содержанием белка и физическими свойствами — большей плотностью и твердостью. При переработке в муку такая пшеница дает больший выход муки высших сортов.
Зародыш отделен от эндосперма щитком. Несмотря на небольшие размеры (2...3 % массы зерна), зародыш является наиболее важной составной частью зерна, так как в нем находятся первичные органы развития нового растения. Зародыш богат питательными веществами: белками, сахарами, жирами, витаминами и ферментами (примерно половина всех витаминов зерна находится в зародыше). Несмотря на высокую пищевую ценность зародыша, при помоле стараются как можно лучше отделить его от муки, так как он богат жиром, содержащим большое количество непредельных жирных кислот, склонных к прогорканию на воздухе. Мука, не освобожденная от зародыша, будет нестойкой при хранении и сравнительно быстро портиться.
Химический состав зерна одной и той же культуры колеблется в широких пределах в зависимости от почвенно-климатических условий, агротехнических мероприятий и генетических особенностей copra. Средний, химический состав основных зерновых культур представлен в табл. 12.1.
Таблица 12.1
Культура	Вода	I Бел- 1 Жи-КИ 1 рЫ	Моно-и ди-«осарцдь	Крахмал и декстрины	Кяст-члтка	Зола	Витамины		
							Bi	в.	ГР
	г на !Ш1 г						мг на 100 г		
Пшеница мягкая озимая	14,0	11,6	2,11	1,2	53,7	2,4	1,7	0,41	0,17	5,64 мягкая яровая	14,0	12,7	2,31	0,9	52,4	2,5	1,7	0,46	0,13	7,13 твердая	14,0	12,5	2.84	0,8	54,9	2,3	1,8	0,37	0,10	4,94 Рожь	14,0	9,9	2.18	1,5	54,0	2,6	1,7	0,44	0,20	1,30 Ячмень	14,0	11,5	2,41	1,3	50,1	4,3	2,4	0,33	0,13	4.4« Овес	13,5	10,2	6,21	1,1	36,1	10.7	3,2	0,48	0,12	1,0У									
211
Из приведенных данных видно, что больше всего в зерне злаков содержится углеводов, а из углеводов первое место принадлежит крахмалу. Из сахаров в зерне присутствуют преимущественно сахароза и в очень небольших количествах мальтоза, глюкоза и фруктоза. В проросшем зерне количество редуцирующих сахаров резко возрастает. Стенки растений состоят из клетчатки и гемицеллюлоз — основных структурных элементов клеток, содержание которых зависит от вида злака: у голозерных их количество невелико, а у пленчатых может достигать 10 % и более. Клетчатка вместе с минеральными веществами содержится в основном в оболочках и алейроновом слое, определяя зольность зерна. Примерно половина зольных элементов представлена соединениями фосфора, одна треть — соединениями калия, а остальная часть распределена между кальцием, магнием, железом, натрием и другими элементами.
Содержание жира в злаковых культурах, как правило, невелико. Основную массу азотистых веществ в зерне составляют белки, которые содержатся главным образом в эндосперме (около 65 % всего количества белка), а также в алейроновом слое (около 20 %) и зародыше (менее 10 %). Наиболее полноценными белками являются белки зародыша, меньшей ценностью обладают белки эндосперма. Некоторые белки, в основном белки пшеницы, при поглощении воды могут образовывать упругоэластичный гель — клейковину, которая определяет объем и пористость хлеба.
Витамины зерна представлены в основном группой В (Вь В2 и РР), в ограниченном количестве содержатся витамины В$, Е, биотин н др. Они локализуются в зародыше, алейроновом слое и в очень небольшом количестве в эндосперме. Это значит, что чем выше сорт муки, тем меньше в ней содержание витаминов, тем она менее ценна в пищевом отношении.
Созревание и послеуборочное дозревание зерна
Сущность процесса созревания зерна состоит в том, что растворимые в воде низкомолекулярные вещества (аминокислоты, сахара и др.), образовавшиеся в зеленых листьях и стеблях, перемещаются в зерно. Сахара, находившиеся в зерне на его ранних стадиях созревания, Превращаются в крахмал и гемицеллюлозы, из свободных аминокислот синтезируются белки, идет формирование клейковины. По мере созревания зерна пшеницы количество и качество клейковины меняются. Клейковина укрепляется. В это же время происходит накопление жира, а активность ферментов постепенно падает.
Зерно полной (технической) спелости имеет пониженные семенные и. технологические качества. Полная физиологическая зрелость зерна, при которой оно отличается наивысшей всхожес
212
тью и энергией прорастания, наступает через некоторое время в процессе его хранения Этот период называется периодом послеуборочного дозревания. На этой стадии в зерне продолжаются те процессы, которые начались при его созревании, в результате завершается синтез белка, крахмала, жира, уменьшается активность ферментов, снижается интенсивность дыхания. Наступает состояние покоя. В ряде случаев отмечалось улучшение технологических показателей зерна, например, в пшенице возрастало содержание сырой клейковины и улучшались ее свойства.
Зерно наиболее быстро дозревает при низкой влажности, температуре 15...30 °C и выше и свободном притоке воздуха к семенам. Кислород не только ускоряет этот процесс, но и ведет к удалению диоксида углерода, образующегося при дыхании зерна и замедляющего эту стадию. При благоприятных условиях хранения процесс послеуборочного дозревания пшеницы требует 1,0... 1,5 мес, а при искусственной сушке его можно сократить до 2...3 нед.
Хранение зериа
Зерно может храниться в течение нескольких лет. Основным условием хранения являются определенная влажность зерна (не выше 14 %), своевременное проветривание зерновой массы, при котором влажный и теплый воздух хранилища заменяется наружным холодным и сухим.
Нормальным процессом жизнедеятельности зерна при хранении является дыхание. Различают два вида дыхания — аэробное и анаэробное. Преобладающей формой является аэробное дыхание. При любом ваде дыхания идет распад сахаров, образовавшихся за счет гидролиза крахмала, с выделением определенного количества энергии. Часть энергии расходуется для внутриклеточной работы, а другая часть выбрасывается в окружающую среду. Сухое созревшее зерно отличается слабой интенсивностью аэробного дыхания, что ведет к сохранению его свойств. При повышенной температуре и влажности интенсивность дыхания возрастает, увеличиваются потери сухого вещества, в зерне накапливается свободная влага, повышается его температура, что создает благоприятные условия для самосогревания и порчи зерна и развития микроорганизмов.
При хранении зерно может прорастать за счет попадания в него капельно-жидкой влаги, в результате чего резко возрастает активность ферментов, происходит гидролиз белков, жиров, крахмала до низкомолекулярных соединений, в итоге хлебопекарные свойства зерна резко снижаются. Прорастание сопровождается интенсивным дыханием зерна и большими потерями сухих веществ (до 50 % и более). Единственным фактором, тормозящим этот процесс, является низкая влажность зерна. Прорастание зерна при хранении недопустимо.
213
Ухудшение качества зерна при хранении может происходить вследствие его зараженности вредителями хлебных запасов. Наиболее часто зерно повреждается жуками, клещами, реже —- гусеницами бабочек. Жуки — наиболее опасные вредители, так как зерном питаются сам жук и его личинка, живущая в зерне. При заражении бабочками основной вред причиняют их гусеницы, поедающие зерно. Клещи отличаются малыми размерами (до 1 мм) и способностью к быстрому размножению, они повреждают зародыш и эндосперм. Все вредители засоряют зерно продуктами своей жизнедеятельности. Пониженные температура и влажность замедляют их развитие. Заражение зерна вредителями хлебных запасов можно предотвратить. Для этого необходимо своевременно очищать, сушить и хранить зерно в чистых, обеззараженных складах, создавая оптимальные условия для хранения.
Основные свойства зерновой массы
В качестве объекта хранения и переработки рассматривают не просто зерно, а. зерновую массу.
Любая зерновая масса состоит из зерна основной культуры, примесей, микроорганизмов, вредителей и воздуха в межзерновом пространстве. Зерновую массу рассматривают как физическое тело, обладающее определенными физическими свойствами, которые играют важную роль при транспортировании, обработке и хранении зерна.
Сыпучесть. Благодаря сыпучести зерновую массу можно легко перемещать механическим и пневмотранспортом, а также самотеком, заполнять емкость любой, конфигурации и свободно выгружать. Сыпучесть связана с неоднородностью зерна. С увеличением влажности зерновой массы и засоренности ее легкими примесями сыпучесть снижается. Сыпучесть проявляется в само-сортировании зерна. При перевозках, передвижении зерна по транспортерам, при хранении в силосах в результате толчков нарушается однородность зерновой массы: легкие фракции оказываются на поверхности зерна, а тяжелые внизу.
Скважистость. Характеризуется наличием в зерновой массе межзерновых скважин, заполненных воздухом. Скважистость (%)
5= (А -а) 100/Д
где А — общий о&ьсм зерновой массы, cmj; а — истинный объем твердых частиц зерновой массы, см".
Величина S меняется в широких пределах: от 30 % у проса до 35...45 % у ржи, пшеницы и 80 % — у семян подсолнечника.
Благодаря скважистости зерновую массу можно продувать воздухом, что способствует понижению температуры и влажности, обновлению состава воздуха межзернового пространства.
214
ликвидации процесса самосогревания, а также позволяет обрабатывать ее парами различных отравляющих веществ для дезинсекции с целью уничтожения вредителей хлебных запасов.
Аэродинамические свойства. Каждая частица зерновой массы имеет свою скорость витания, под которой понимается такая скорость воздушного потока, при которой частица удерживается во взвешенном состоянии. На скорость витания влияет плотность отдельных составляющих зерновой массы. Способность частицы сопротивляться воздушному потоку называется парусностью. Разница в скоростях витания основной культуры и легких примесей позволяет использовать воздушный поток для очистки зерна от примесей.
Сорбционные свойства. Зерно обладает способностью поглощать (сорбировать) пары различных веществ и газов из окружающей среды. Сорбционные свойства связаны со скважистостью зерновой массы и капиллярно-пористой коллоидной структурой зерна, т. е. наличием в зерне макро- и микрокапилляров, увеличивающих его активную поверхность. Эти свойства играют важную роль в процессах влагообмена зерна с окружающей средой, а также при его перевозках и хранении, поэтому хранилища и транспортирующие средства не должны иметь посторонних запахов.
Теплофизические свойства. Зерновая масса характеризуется низкой теплопроводностью и теплоемкостью, что связано с ее органическим составом и наличием воздуха в межзерновом пространстве, который является плохим проводником теплоты. С точки зрения сохранности зерновых масс эти свойства имеют как положительное (охлажденное зимой зерно длительное время остается холодным), так и отрицательное (в результате микробиологических процессов и дыхания самого зерна теплота не выделяется в окружающую среду, в результате чего могут возникнуть очаги самосогревания) значение.
Зерновая масса отличается термовлагопроводноетью, т. е. способностью к перемещению влаги за счет градиента температур, при этом на отдельных участках может появиться конденсационная влага. Это явление достигает таких размеров, что может привести к набуханию и даже прорастанию зерна.
МУКА
Классификация муки
Мука — важнейший продукт переработки зерна. Ее классифицируют по виду, типу и сорту.
Вид муки определяется той зерновой культурой, из которой она получена (пшеничная, ржаная, ячменная, овсяная, рисовая, кукурузная, соевая, гречневая). Наряду с мукой, получаемой из зерна какой-либо одной культуры, возможно производство муки
215
из смеси зерна различных культур (например, из смеси пшеницы и ржи получают пшенично-ржаную муку).
В зависимости от свойств муки и целевого назначения ее делят на типы. Так, мука может быть хлебопекарной и макаронной. Хлебопекарную муку получают в основном из мягких сортов пшеницы. Она характеризуется средним выходом эластичной, клейковины, хорошей водопоглотительной и сахарообразующей способностью. Макаронную муку получают помолом твердой или высокостекловидной мягкой пшеницы (стекловвдность не ниже 60 %), причем в твердой пшенице допускается содержание мягкой не более 15 %. Макаронная мука отличается большим выходом сырой клейковины, относительно малой влагоемкос-тью. Мука некоторых видов выпускается только одного типа (ржаная мука может быть только хлебопекарной).
Сорт является основным качественным показателем муки всех видов и типов. Сорт муки связан с ее выходом, т. е. количеством муки, получаемой из 100 кг зерна. Выход муки выражается в процентах. Чем больше выход муки, тем ниже ее сорт. Из зерна пшеницы вырабатывают хлебопекарную муку пяти сортов: крупчатку, высшего, I, II сортов и обойную; из зерна ржи — трех сортов: сеяную, обдирную и обойную. Кроме того, из смесн пшеницы и ржи выпускают два сорта муки типа обойной: пшенично-ржаную (соотношение пшеницы и ржи 70 и 30 %) и ржано-пшеничную (соотношение ржи и пшеницы 60 и 40 %).
Помол зерна
Помол зерна состоит из двух этапов: подготовки зерна к помолу и собственно помола зерна. Подготовка зерна к помолу заключается в составлении помольных партий зерна, очистке его от примесей, удалении оболочек, зародыша и кондиционировании.
Партии зерна поступают на предприятия мукомольной промышленности из разных районов произрастания, поэтому качество и технологические свойства их весьма различны. Для выпуска продукции, удовлетворяющей требованиям стандарта, составляют помольные партии с целью улучшения качества зерна одной партии за счет другой. Смешивать можно полноценное зерно, удовлетворяющее требованиям по зольности, стекловидносги и иным показателям, или зерно полноценное и неполноценное (проросшее, морозобойное, пораженное клопом-черепашкой и т. п.).
Морозобойное зерно повреждается морозом при его созревании. Степень повреждения зависит от фазы его зрелости: чем менее зрелое зерно, тем более глубокие изменения оно претерпевает. Поврежденные зерна становятся морщинистыми, приобретают серо-зеленый цвет, в них не происходит в " полной мере синтез белков и крахмала, они содержат большое количество сахаров и декстринов, отличаются повышенной активностью а-216
амилазы. Хлебопекарные свойства такого зерна резко снижены, хлеб получается с заминающимся мякишем, темный, с солодовым привкусом и плохой пористостью.
Получить хлеб хорошего качества из муки проросшего зерна без дополнительных мероприятий не удается. Мука из такого зерна отличается повышенной активностью всех ферментов, в том числе а-амилазы. Хлеб имеет липкий мякиш и темноокра-шенную корку.
Зерно может повреждаться клопом-черепашкой, наиболее часто встречающимся вредителем. На поверхности зерна появляется темная точка укуса, окруженная пятном сморщившейся беловатой оболочки, внутри которой под влиянием мошных протеолитических ферментов, выделяемых слюнными железами клопа-черепашки и попадающих в зерно при укусе, происходят глубокие изменения. В результате укуса начинается глубокий протеолиз, снижается содержание белка, ослабляется клейковина и уменьшается ее количество. Тесто становится жидким, хлеб получается низкого качества, с небольшим объемом, плотный.
Для очистки зерна от примесей, отличающихся размерами и аэродинамическими свойствами, применяют сепараторы. Зерновую массу очищают, последовательно просеивая на ситах и продувая его восходящим потоком воздуха. Скорость воздушного потока меньше скорости витания основной культуры, в результате чего легкие примеси уносятся воздушной струей, а основное зерно остается.
Примеси, не схожие с зерном по форме (семена куколя, овсюга и др.), отделяют на триерах, рабочими органами которых являются вращающиеся барабаны или диски с ячейками на их поверхности. Триеры, служащие для отделения зерна от коротких примесей, называются куколеотборочными машинами, в которых мелкие примеси попадают в ячеи и выбрасываются на лотки, а сходом идет очищенное зерно. Зерно от длинных примесей очищается на триерах, называемых овсюгоотборочными машинами. В них размер ячеек соответствует размерам зерна, поэтому основная культура попадает в ячеи, а примеси идут сходом.
В дальнейшем зерно подвергается очистке от металломагнитных примесей- Магнитный контроль ведется неоднократно, например при выходе зерна из сепаратора, перед его обработкой в обоечных, щеточных машинах и т. д.
В зерновой массе, прошедшей через сепараторы и триеры, содержится большое количество пыли, кроме того, зерно содержит не полностью удаленные оболочки и зародыш. Для дальнейшей очистки зерна применяют обоечные и щеточные машины. Внутренняя поверхность барабана в обоечной машине наждачная, в щеточной — металлическая. Внутри барабана на валу укреплены плоские бичи или щетки. Поступающее зерно подхватывается бичами и отбрасывается к цилиндрической поверхнос
217
ти. Очистка зерна происходит за счет многократных ударов и интенсивного трения его о бичи и рабочую поверхность барабана. При выходе из машины легкие примеси уносятся воздушным потоком. В обоечной машине из зерна удаляются пыль, бородка и частично зародыш, в щеточных — происходит отделение оставшихся на поверхности оболочек и зародыша. Из щеточной машины выходит зерно с гладкой полированной поверхностью.
При сортовом помоле загрязненное зерно моют и подвергают гидротермической обработке, которая включает в себя увлажнение и отволаживание зерна. Сухие оболочки зерна при помоле сильно измельчаются и, попадая в муку, увеличивают ее зольность. При увлажнении зерна оболочки становятся эластичными, их связь с эндоспермом ослабляется, в то время как сам эндосперм остается сухим и хрупким. При помоле оболочки отделяются от зерна в виде крупных пластинок, что облегчает их последующее выделение при просеивании.
Существуют различные способы кондиционирования в зависимости от качества исходного зерна. При холодном кондиционировании зерно увлажняют водой температурой 18...20 °C и подогретой до 35 вС и оставляют на отволаживание в течение 12... 14 ч. При этом усиливается действие ферментов, идут протеолиз белка и ослабление клейковины. Холодное кондиционирование применяют для обработки зерна, содержащего клейковину с малой растяжимостью. Если зерно содержит слабую клейковину, то для ее укрепления необходимо уменьшить активность ферментов, в этом случае используют горячее кондиционирование. Увлажненное зерно выдерживают в кондиционерах при температуре 55...60 “С с последующим охлаждением, а затем направляют в бункера для ствол аживания, которое длится меньше, чем при холодном кондиционировании. Возможно скоростное кондиционирование, при котором для увлажнения зерна используют водяной пар.
Непосредственно перед, помолом поверхность зерна дополнительно увлажняют, чтобы увеличить влажность оболочек и полнее их отделить от эндосперма.
Схема подготовки зерна к помолу может быть сокращенной или развернутой в зависимости от типа зерновой культуры, ее качества, типа помола и т. д. Для сортового помола пшеницы применяют развернутую схему, которая включает в себя следующие стадии: первое сепарирование, очистку на куколе- и овсюгоотборочных машинах, первую очистку на обоечных машинах, второе сепарирование, мойку и первое кондиционирование (любым способом в зависимости от свойств зерна), вторую очистку на обоечных машинах, третье сепарирование, второе кондиционирование (холодное), третью очистку на щеточных машинах, увлажнение.
Помол зерна состоит из двух операций: собственно помола
218
зерна и просеивания продуктов помола. Помолы могут быть разовыми и повторительными.
Разовым помол — наиболее простой, при этом зерно за один прием полностью измельчают в муку вместе с оболочками. Мука отличается низким качеством, имеет темный цвет, неоднородна по размеру частиц. Для улучшения качества муки разового помола из нее путем просеивания отбирают некоторое количество крупных оболочек (отрубей). Разовые помолы имеют ограниченное применение Осуществляют их на молотковых дробилках.
Повторительные помолы более совершенны, зерно измельчают в муку путем многократного прохождения его через измельчающие машины, при этом после каждого измельчения продукт сортируют в просеивающих машинах.
Основным видом измельчающего оборудования для этих помолов являются вальцовые станки. Главные рабочие органы — два цилиндрических чугунных вальца одинакового диаметра расположены пол углом и вращаются навстречу друг другу с разными скоростями. Поверхность вальцов рифленая, зазор между ними устанавливается в зависимости от намечаемой крупноты помола.
Зерно, попадая между вальцами, задерживается нижним вальцом, имеющим меньшую скорость вращения, и скалывается, растирается рифлями верхнего быстроврашающегося вальца. После каждого вальцового станка для сортировки продуктов по крупноте частиц устанавливается рассев с набором сит разных размеров, расположенных друг под другом. При просеивании получают две фракции: сход, состоящий из частиц, не прошедших через отверстия сита, и проход, состоящий из частиц, прошедших через сито. Верхний сход является наиболее крупной фракцией с размером частиц 1,0 ..1,6 мм, следующие по крупноте фракции называются крупками (размер частиц 0,31...1,0 мм) и дунстами (размер частиц 0,16...0,31 мм). Самая мелкая фракция, идущая проходом, образует муку (размер частиц менее 0,16 мм).
Вальцовый станок вместе с }>ассевом образует систему. Системы бывают драными и размольными. В драных системах вальцы рифленые, отношение скорости быстровращающегося вальца к скорости медяенновращакмцегося К = 2,5; они служат для дробления зерна до крупок и дунстов. В размольных системах вальиы шероховатые, К = 1,5; они превращают промежуточные продукты но.мола (крупку и дунсты) в муку.
Повторительные помолы могут быть простыми и сложными. Просгой повторительный помол состоит из одного драного процесса либо драного и сокращенного размольного процессов. Зерно последовательно измельчают на нескольких (3...4) вальцовых станках, после каждого станка смесь просеивают и отбирают муку в виде прохода с нижнего сита. Более крупные сходы с сит напраняяют на следующую пару вальцов. Такую операцию повторяют до тех пор, пока все частицы не превратятся в муку.
219
Муку со всех рассевов объединяют, подвергают контрольному просеиванию и получают муку одного сорта. Можно организовать работу таким образом, чтобы с последнего рассева сходили отруби. При обойном помоле выход ржаной муки составляет 95 %, количество отрубей 2 %, а выход пшеничной муки равен 96 % при выходе отрубей 1 %. Отобрав 9 % отрубей, можно получить ржаную обдирную муку с выходом 87 %.
Сложные повторительные помолы могут быть без обогащения крупок (для получения, например, ржаной сеяной муки с выходом 63 %) и с обогащением крупок (для получения сортовой муки). При сложном помоле с обогащением крупок очистку и кондиционирование зерна ведут по развернутой схеме. Затем зерно дробят на сравнительно крупные части на нескольких драных системах, например на шести. После просеивания верхний сход с первой системы идет на вальцовый станок второй системы, верхний сход со второй системы направляют на вальцовый станок третьей системы и т. д. С последней драной системы верхний сход является отрубями. Крупки и дунсты, отбираемые со средних сит рассева, направляют на обогащение. Проходы со всех сит соединяют и получают муку I или II сорта.
При сложных помолах в драном процессе стремятся с первых трех-четырех систем получить как можно больше крупок и меньше муки. Крупки и дунсты, получаемые на этих системах, характеризуются малой зольностью и называются продуктами первого качества в отличие от крупок и дунстов второго качества, отбираемых на последующих драных системах и имеющих более высокую зольность.
Обогащение смеси крупок и дунстов ведут по крупноте и качеству на ситовеечных машинах, основным рабочим органом которых является сортировочное сито, разделенное на секции. Каждая секция имеет сито с определенными размерами ячеек. Через сито снизу вверх подается воздух. Сквозь первые самые мелкие сита проходят наиболее качественные крупки, богатые эндоспермом, которые затем идут на первые размольные системы и дают муку высших сортов. Крупки, содержащие большое количество оболочек, как более легкие, отделяются на последующих ситах. Затем их подвергают шлифовке, т. е. повторному дроблению, просеиванию и обработке на ситовеечных машинах для отделения остатков оболочек и зародыша. Только после такой обработки они направляются на последующие размольные системы, образуя муку более низких сортов. Количество размольных систем примерно в два раза больше числа драных. С последних драной и размольной систем отбирают отруби, которые подвергают вымолу, выделяя при этом некоторое количество муки более низких сортов.
Сложный помол с обогащением крупок позволяет выпускать муку различных сортов. Если муку со всех драных и размольных систем пропустить через единый контрольный рассев, то полу-220
чим односортную муку, помол в этом случае называется одно-сортпым. Например, можно получить пшеничную муку I сорта 72%-го выхода. Можно получить муку двух сортов, в этом случае помог! будет называться даухсортным, В этом помоле фракции муки, отбираемые с первых размольных систем, будут составлять муку I сорта, ее отбирают в количестве 40 %, остальные 38 % будут представлять муку’ II сорта. Общий выход муки составит 78 %. Можно такое же количество муки (78 %) при сложном помоле разделить на три сорта, тогда подобный помол будет называться трехсортным. Например, в высший сорт можно направить 25 % муки, в I сорт — 40 и во II сорт — 13 %.
Химический состав и качество муки
Химический состав муки зависит от состава исходного зерна и сорта муки. При помоле зерна, особенно при сортовом, стремятся максимально удалить оболочки и зародыш, поэтому в муке содержится меньше клетчатки, минеральных веществ, жира и белка и больше крахмала, чем в зерне. Более высокие сорта муки получают из центральной части эндосперма, поэтому в их состав входит больше крахмала и меньше белков, сахаров, жира, минеральных солей, витаминов, которые в основном сосредоточены в его периферийных частях. Наибольшее количество белка содержится в муке I сорта, далее следует мука высшего, II сортов и обойная.
Средний химический состав пшеничной муки (%): крахмал — 66...79; клетчатка — 0,1...1,9; сахара — 1,5...3; белки — 10,3... 12,5; жир — 0,9... 1,9; зола — 0,5... 1,5.
ГОСТ 26574 на муку хлебопекарную предусматривает оценку ее качества по органолептическим и физико-химическим показателям. К первой группе относятся цвет, запах, вкус и содержание минеральных примесей. Цвет муки должен быть белым с разными оттенками в зависимости от сорта; запах и вкус должны быть свойственны нормальной муке, вкус— без посторонних привкусов, не кислый, не горький, запах — не затхлый, без признаков плесени. Содержание минеральной примеси определяется при разжевывании муки, при этом не должен ощущаться хруст.
К физико-химическим показателям качества муки относят прежде всего влажность. Она имеет важное значение, так как по влажности устанавливается выход хлеба. Влажность влияет на сохранность муки. Базисная влажность, на которую планируется выход изделий, равна 14,5 %. Допустимая стандартная влажность муки 15,0 %.
Зольность является основным показателем сорта муки. Минеральные вещества распределены в зерне неравномерно: главная их масса находится в оболочках и зародыше, поэтому мука высшего сорта, которая представляет практически чистый эндосперм, характеризуется невысокой зольностью (не более 0,55 %).
221
Мука 1 сорта, а тем более II отличается большей зольностью, соответственно не более 0,75 и 1,25 %.
Крупность помола определяется размером частиц муки. Чем выше сорт муки, тем она мельче. Хлеб лучшего качества получается из муки с равномерной крупностью и оптимальными размерами частиц.
Количество клейковины в пшеничной муке разных сортов должно быть не ниже определенных значений: не менее 28 % для муки высшего сорта, 30 % для 1 сорта, 25 % для II сорта, 20 % для обойной. По качеству клейковина должна быть не ниже второй группы.
Содержание металломагнитных примесей в муке не должно превышать 3 мг на 1 кг, зараженность вредителями хлебных запасов не допускается.
Кислотность не является обязательным показателем качества, ее определение стандартами не предусмотрено. Однако она широко применяется для контроля качества муки. Кислотность муки влияет на кислотность теста и хлеба. Она характеризует свежесть муки и условия ее хранения. При хранении кислотность муки возрастает, особенно при повышенной температуре и влажности воздуха. Кислотность зависит от сорта муки: у низших сортов она больше, чем у высших.
Для оценки пригодности муки для получения качественного хлеба определяют ее хлебопекарные свойства, к которым относят газообразующую способность муки, «силу» муки, ее цвет и способность к потемнению.
Газообразующая способность муки характеризуется количеством диоксида углерода, выделившегося за 5 ч брожения теста, приготовленного из 100 г муки, 60 мл воды и 10 г прессованных дрожжей. Она зависит от содержания собственных сахаров муки и ее сахарообразующей способности. Для муки нормального качества газообразующая способность составляет 1300—1600 мл СО2.
«Сила» муки — способность образовывать тесто, обладающее определенными структурно-механическими свойствами, зависит от количества и качества клейковины.
Цвет муки определяется цветом эндосперма зерна, а также цветом и количеством в муке отрубистых частей зерна. Способность муки к потемнению в процессе ее переработки связана с образованием меланинов за счет действия полифенолоксидазы на свободный тирозин. Хлебопекарная мука не должна темнеть в процессе ее переработки.
солод
Солодом называют пророщенное и высушенное в специально созданных условиях зерно. При проращивании в нем накапливается много различных ферментов, которые значительно изменя
222
ют исходный состав зерна. В процессе сушки происходит взаимодействие продуктов гидролиза белков и углеводов, что сопровождается образованием меланоидинов и других веществ, обладающих темной окраской, специфическими вкусом и ароматом. При высушивании свежепроросшего солода при температуре 40...85 °C получается ферментативно активный светлый солод. При более высоких температурах высушивания (выше 105 °C) образуется темный, ферментативно неактивный солод. Солод получают в виде зерен или измельченным.
Солод используют при производстве хлебобулочных изделий, пива, полисолодовых экстрактов, получаемых из смеси кукурузного, овсяного и пшеничного солодов, концентрата квасного сусла, хлебного кваса, безалкогольных напитков и этилового спирта.
В спиртовом производстве применяется смесь свежепророс-ших солодов различных злаковых культур, которая служит источником ферментов для осахаривания крахмалсодержащего сырья (пшеницы, кукурузы, картофеля и др.). Качество солода, предназначенного для производства этанола, оценивается как хорошее, среднее и удовлетворительное по следующим показателям соответственно; декстринолитическая способность (ДС) ~ 35; 30; 20...25 мг/(гч) и осахаривающая способность (ОсП) — 3,5; 2,6 и 1,75 ед/г.
При производстве пива, полисолодовььх экстрактов, концентрата квасного сусла и безалкогольных напитков в качестве основного сырья используют сухой солод, который служит источником ферментов, витаминов, ароматических, красящих и минеральных веществ. Качество таких солодов оценивается по физико-химическим и органолептическим показателям, основные из которых приведены в табл. 12.2 и 12.3.
Та блина 12.2
Смол	Показатели качества				
	Содержание влаги, %, не более	Пропсьт-житель-ность осахаривания, мин, не более	Экстрактивность, % на СВ, не менее	Кислотность, мл Г н. раствора щелочи на 100 г сухого солона	Цветность, мл I и. раствора йода на 100 г сухого солода
Пивова-	Саепыый репный	Высокого	качества	4,5	15	79	0,9—1,1	0,18 (OCT	I класса	5	20	78	0,9-1,2	0,2 1-65)	у класса	6	25	76	0,9—1,3	0,4 Темный Карамельный 1 класса	6	—	75	—	20 11 класса	6	—	70	—	20 Жженый	6	—	70	—	100					
223
Продолжение
Показатели качества
Солод		Содержание влаги, %, не более 		Продолжительность осахаривания, мин, не более	Экстрактивность, % на СВ, не менее	Кислотность, мл 1 н. раствора щелочи на 100 г сухого солода	Цветность, мл I н. раствора йода на 100 г сухого солода
Ржаной	Ферментированный	8	—	85	35	10...20
(ОСТ 18-218)	Нсферментированный	8	25	80	17	До 5
Для полу-	Пшеничный	8	30	75	0,8... 1,2	0,3
чения со-	Кукурузный	8	—	78	0,9... 1,1	0,1...0,3
ледовых	Овсяный	8	30	50	0,8...!,3	0,4
экстра-
ктов (ТУ
(0,18
УССР 143)
Примечание, «—» — показатель не регламентируется.
Таблица 12.3		
Пока-	Солод	
затель	неферментированный	j	ферментированный
Цвет	Светло-желтый с	От коричневого до темно-бурого с красноватым
	сероватым оттенком	опенком
Вкус	Сладковатый	Кисло-сладкий, приближающийся к вкусу ржаного хлеба, без горького пригорелого привкуса
Запах	Свойственный данному виду солода, без запаха плесени и гнили	
По органолептическим показателям пивоваренный солод должен отвечать следующим требованиям:
внешний вид —чистый без примесей ростков, плесневелых зерен, зерновых вредителей;
запах — чисто солодовый, не допускаются плесневелый и другие посторонние запахи;
цвет —от светло-желтого до желтою, не допускаются тона зеленоватые и темные, которые обусловливают наличие плесени;
вкус — солодовый, сладковатый; вкус кисловатый и горький не допускается.
В хлебопекарном производстве применяют измельченный ржаной светлый неферментированный и темный ферментированный солод, отвечающие требованиям ОСТ 18-218.
Кроме светлого и темного солодов, являющихся основой для приготовления пивного сусла, в пивоваренном производстве находят применение специальные ячменные сорта солода, которые предназначены для корректировки и улучшения условий проведения технологических операций и процессов приготовления
224
пивного сусла, брожения и дображивания (I группа) или для улучшения цвета, вкуса и аромата пивного сусла и готового пива (II группа).
К I группе относится высокоферментативный солод (диаста-шчсский солод, диафарин) длительного и ускоренного ращения, солод для подкисления затора (протеолитический солод). Применение такого солода дает определенные технологические и жономические преимущества, особенно при использовании не-соложеного сырья. Группа II представлена красящими (карамельный и темный), цветным (жженый), ароматным (томленый или ферментированный), меланоидиновым и витаминным соло-дами. Эта группа обеспечивает сортовые особенности пива, улучшает его качество и стойкость.
КРАХМАЛ И КРАХМАЛОПРОДУКТЫ
Крахмало-паточная промышленность выпускает сухой картофельный и кукурузный крахмал, глюкозу, различные виды патоки, модифицированные крахмалы, декстрин и другие продукты. Они находят применение в пищевой, полиграфической, текс-1 ильной и других отраслях промышленности.
Крахмал — основное резервное вещество, которое скапливается в семенах, клубнях или корнях растений. По химической природе это полисахарид, в основе строения которого лежит глюкозный остаток.
В тканях растений крахмал откладывается в виде крахмальных зерен, размеры, форма и строение которых у разных видов крахмала (картофельного, кукурузного, рисового и др.) различные. Крахмал в зернах находится в виде мельчайших игольчатых кристаллов, между которыми имеются микрокапиляяры, чем и обусловливаются высокая гигроскопичность и адсорбционные свойства крахмала. Свойство крахмала поглощать воду используется в кондитерской промышленности при формовании конфетных корпусов. Крахмальные зерна имеют овальную, сферическую или форму многоугольников, размер которых колеблется от 2 до 150 мкм. Наиболее крупные зерна у картофельного крахмала, самые мелкие — у рисового. Характерная форма крахмальных '^ерен дает возможность различать их под микроскопом, что используется при обнаружении одного вида крахмала в другом. Крахмал — вещество неоднородное, состоящее из двух компонентов — амилозы и амилопектина в соотношении 1:4. Как крахмал, так и обе его составные части в холодной воде не растворяются, но в горячей воде амилоза растворяется, давая прозрачный колло-щный раствор, а амилопектин лишь набухает. Он растворяется олько при нагревании под давлением, давая очень вязкие раство-»ы. Характерным свойством крахмала является его способность жрашиваться йодом в синий цвет за счет образования ряда
225
химических и адсорбционных соединений. Эта реакция используется для обнаружения малых количеств йода и крахмала. Температура клейстеризации для различных крахмалов различная. При кислотном гидролизе крахмал расщепляется до декстринов, мальтозы и конечного продукта — глюкозы. При ферментативном гидролизе он расщепляется до мальтозы. Крахмал легко усваивается организмом человека. Потребность человека в крахмале составляет 400. ..450 г в сутки, он покрывает половину калорий, расходуемых организмом в сутки. Сначала под действием птиалина слюны, содержащего а-амилазу, затем под действием ферментов поджелудочного и кишечного соков он расщепляется до глюкозы, которая и вовлекается в круг кровообращения.
Качество продуктов, выпускаемых крахмало-паточной промышленностью, должно отвечать требованиям соответствующих ГОСТов.
В соответствии с ГОСТ 7699 сухой картофельный крахмал выпускается четырех сортов — экстра, высший, I и II; сухой кукурузный крахмал в соответствии с ГОСТ 7697 — двух сортов: высшего и I. Показатели качества сухого крахмала приведены в табл. 12.4.
Таблица 12.4
Показатели	Сорт картофельного крахмала				Сорт кукурузного крахмала	
	экстра	ВЫСШИЙ ;	|		11	высший|	1	
Цвет	Белый с	Белый с	Бе	Белый с	Бе-	Допуска-
	кристал-	кристал-	лый	Серова-	лый	ется жел-
	лическим	лическим		тым от-		говатый
	блеском (по эталону)	блеском		тенком		оттенок
Содержание влаги, %, не более	20	20	20	20	13	13
Содержание золы общей в перееме-	0,30	0,35	0,50	1,0	0,20	0,30
те на абсолютно сухой крахмал. %, не более Содержание золы	0,03	0,05	0,1	0,3	0,04	0,06
(песка), нерастворимой в 10%-й						
соляной кислоте, %, не более Кислотность, мл 0,1 н. раствора	7,5	12	15	22	20	25
едкого натра (кали) при индикаторе фснолфгалеи-						
не в пересчете на 100 г абсолютно сухого крахмала.						
не более						
226
Продолжение
	Сорт картофельного крахмала	Сорт кукурузного крахмала
	экстра | высший | 1 | Н	ВЫСШИЙ 1	I
Количество крапин на 1 дм2 по-	60	280	700	Не нормируется	300	500
керхности крахмала при рассмотрении невооруженным глазом, не (юл ее Содержание диок-	50	50	50	50	80	80
сида серы, мг па I кг крахмала, нс более
Крахмал хранят в силосах или упаковывают в джутовые или льняные мешки по 25, 50, 60 кг. Крахмал можно фасовать в бумажные крафт-мешки с последующим их затариванием в мешки из редкой ткани, а также в мелкую бумажную тару по 100... 1000 г на специальных автоматах.
Крахмал хранят в складах при оптимальной относительной влажности воздуха 75 % и температуре не выше 10 °C.
Вырабатываемая промышленностью крахмальная патока должна отвечать требованиям ГОСТ 5194, мальтозная патока — требованиям ОСТ 18-168.
Патока любого вида должна отвечать определенным требованиям ГОСТа, т. е. быть прозрачной, без посторонних запаха и вкуса. Содержание сухих веществ должно быть не менее 78 %. Показатели качества патоки приведены в табл. 12.5.
Таблица 12.5
Показатели	Низко-осаха-	Карамельная патока		Глюкозная высоко-осахаренная патока	Мальтозная патока
	ренная (КН) патока	высшего сорта (КВ)	1 сорта (КО		
Содержание сухих веществ, %, ие менее Содержание редуцирующих веществ. %, не менее	78	78	78	78	78
в пересчете на cvxoe вещество	30...34	38...42	34.44	44...60	—
в пересчете на мальтозу		—	—	—	65
Содержание золы. % на СВ, не более Кислотность патоки, мл 0,1 н. раствора NaOH на 100 г сухих ве-шеств патоки, нс более	0,4	0,4	0.45	0,55	1,2
картофельной	25	25	27	—	—
кукурузной pH для патоки, не ниже	12	12	15	—	—
картофельной	4,6	4,6	4,6	—	5,5
227
Продолжение
Показатели
кукурузной
Температура карамельной пробы, °C
Цветность по эталону, мл, не более
Присутствие тяжелых металлов Механические примеси
Низко-осаха-ренная (КН) патока
155
высшего сорта (КВ)
Карамельная патока
4,6	4,6
145	140
Глюкозная высоко-осахсрен-ная патока
Не допускается Не допускаются
Мальтозная патока
С целью снижения вязкости патоки при перекачивании ее в железнодорожные цистерны патоку хранят в бочках или бочках-хранилищах, снабженных обогревательными устройствами для подогрева до 45 "С.
В соответствии с ГОСТ 6034 предусмотрен выпуск декстрина белого, палевого (светло-желтого) и желтого трех сортов —- высшего, I и И. Растворимость декстрина при температуре 20 ’С должна составлять (%): для белого декстрина —не менее 62, палевого — не менее 78, желтого — не менее 95. Декстрин не должен содержать посторонних примесей, содержание влаги в нем должно быть не более 5 % (по согласованию с заказчиком допускается 10 %). Клеящая способность кислотного кукурузного декстрина высшего и I сортов должна быть не менее 1,5 кг, картофельного — не менее 3,0 кг, для бескислотного декстрина — не менее 5 кг (определяется с помощью разрывной машины типа РТ-250).
Готовый декстрин упаковывают в льноджутокенафные мешки по 50 и 80 кг или четырехслойные бумажные непропитанные мешки, зашитые машинным способом, по 30...40 кг. Хранят декстрин в хорошо проветриваемых складах при относительной влажности воздуха 75 %.
Кристаллическая гидратная глюкоза должна отвечать требованиям ГОСТ 975. Это кристаллический порошок белого цвета со сладким вкусом. Цветность раствора в единицах оптической плотности для ФЭК-56 должна быть 0,18; удельное вращение — 52,5...53; содержание золы — не более 0,07 %; содержание влаги — не более 9,0 %; содержание железа — не более 0,003 %. Содержание свободных минеральных кислот не допускается.
Пищевую глюкозу выпускают в виде бесформенных блоков и брикетов желтого цвета. Качество глюкозы должно отвечать требованиям ТУ 18 РСФСР 96. Она должна быть сладкой на вкус, посторонние привкус и запах не допускаются. Массовая доля сухих веществ не менее 85 %, золы —не более 0,8...! 1,2 % и кислотность не более 20...24 мл 0,1 и. раствора щелочи на 100 г сухих веществ.
228
Пищевую глюкозу используют в качестве заменителя свекловичного сахара в хлебопечении, при производстве конфет и вос-। очных сладостей, фруктового мороженого и безалкогольных напитков.
Техническая глюкоза в соответствии с ГОСТ 18-59 представ-няет собой куски неопределенной формы темно-коричневого циста, горькие на вкус. Такую глюкозу применяют только в технических целях в бродильном производстве, при производстве питательных сред для выращивания микроорганизмов и т. д. Техническая глюкоза должна содержать сухих веществ не менее /8 %, редуцирующих веществ не менее 75, золы не более 1,3, железа не более 0,025 %. Присутствие минеральных кислот не допускается.
САХАР
Сахар, который мы ежедневно употребляем в пищу, представ-пяет собой практически чистую сахарозу (С^НггОц). Сахароза обладает сладким вкусом, легко и полностью усваивается организмом, способствуя быстрому восстановлению затраченной ор-шнизмом энергии- Но чрезмерное ее употребление приводит к ожирению. Физиологическая норма потребления сахарозы — 100 г в день, включая сахар, содержащийся в продуктах и блюдах.
Сахароза — это дисахарид, который под действием кислоты или фермента сахарозы (инвертазы, p-фруктофуранозидазы) расщепляется на глюкозу и фруктозу, так называемый инвертный сахар. Сахароза в кристаллическом состоянии негигроскопична, восстанавливающей способностью не обладает, может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. По химической природе сахар является слабой многоосновной кислотой, дающей с окислами щелочных (К, Na) и щелочноземельных (Са, Ba, Mg) металлов соединения — сахараты. Инвертный сахар бла-юдаря фруктозе гигроскопичен. Он предохраняет варенье от засахаривания, замедляет процесс черствения хлеба, предохраняет от высыхания при хранении такие кондитерские изделия, как мармелад, пастилу, зефир, помадку и др., но излишнее содержание его в изделии, например в карамели, приводит к увлажнению и потере товарного вида продукта. Сахароза хорошо растворяется в воде, при повышении температуры ее растворимость возрастает (в 1 дм3 воды при 20 °C растворяется 2,035 кг сахарозы, а при 100 °C — 4,872 кг).
В растворах сахароза является сильным дегидрататором (отнимает воду от других веществ). Это ее свойство используется при консервировании. Сахароза легко образует пересыщенные рас-пворы, кристаллизация в которых начинается только при наличии центров кристаллизации. Скорость этого процесса зависит от температуры, вязкоста раствора и коэффициента пересыще-
229
ния. Температура кипения сахарных растворов повышается с увеличением их концентрации, так, при массовой доле сахарозы в растворе 10 % раствор кипит при атмосферном давлении при 100,1 °C, а при массовой доле сахарозы в растворе 90 % — при 119,6 °C. В кристаллическом состоянии сахароза оптически неактивна, в растворах вращает плоскость поляризованного луча вправо, ее удельное вращение +66,5°. На этом свойстве основаны поляриметрические методы ее определения. Сахароза широко распространена в природе, она содержится во многих овощах и фруктах.
В промышленности сахар получают из двух растений — сахарной свеклы и сахарного тростника. Производство сахара из сахарного тростника развито в тех странах, где возделывается данная культура, — на Кубе, в Индии, Австралии, Мексике В нашей стране сахар получают из сахарной свеклы. Благодаря более высокой урожайности сахарного тростника по сравнению с сахарной свеклой с каждого гектара его посевов получают сахара примерно в 2 раза больше, чем с 1 га посевов сахарной свеклы, хотя содержание сахарозы в стеблях сахарного тростника несколько меньше, чем в сахарной свекле.
Сахарная промышленность выпускает следующие виды сахара:
сахар-песок (ГОСТ 21) — пищевой продукт, представляющий собой сахарозу в виде отдельных кристаллов. Сахар-песок должен иметь сладкий вкус, без посторонних привкусов и запахов. Это сыпучий продукт белого цвета, без комков.
Содержание влаги в сахаре-песке не более 0,15 %, сахарозы не менее 99,55 %, цветность до 1,5 усл. ед. Металлопримссей допускается не более 3 мг на 1 кг сахара с размерами не более 0,3 мм в наибольшем линейном измерении;
сахар жидкий (ОСТ 18-170) высшей и первой категорий должен быть прозрачным, светло-желтого цвета, сладким на вкус, без посторонних привкусов и запахов. Содержание сахарозы в нем должно быть не менее 99,80 % (для высшей категории) и 99,55 % (для первой категории), содержание сухих веществ не менее 64 %.
Содержание редуцирующих веществ (%, не более) для высшей категории 0,04, для первой категории 0,05; цветность (усл. ед., не более) для высшей и первой категорий 1.0. Содержание золы (%, не более) для высшей и первой категорий 0,03; pH (для всех категории качества) 6,8—-7,2;
сахар-рафинад (ГОСТ 22) в виде кускового прессованного (колотого со свойствами литого, быстрорастворимого; в мелкой фасованной упаковке; литого колотого), рафинированного саха-ра-песка и рафинадной пудры. Он должен быть белого цвета (чистый, без пятен и посторонних примесей), допускается слегка голубоватый оттенок, сладкий на вкус, без посторонних привку-230
га и запаха как в сухом сахаре, так и в его водном растворе. Сахар-рафинад должен полностью растворяться в воде, при этом раствор должен быть прозрачным. Содержание сахарозы (%, нс менее) 99,9, редуцирующих веществ (%, не более) 0,03, влаги (%, не более) 0,2 (для быстрорастворимого) и 0,1 (для рафинированного сахара-песка).
МАСЛИЧНОЕ СЫРЬЕ
Семена и плоды масличных растений
Основным сырьем для производства растительных масел являются плоды и семена растений, которые относятся к группе масличных. Важнейшие масличные культуры — подсолнечник и хлопчатник. Большое внимание уделяется переработке семян сои, а также семян рапса новых сортов, при переработке «которых получают пищевое масло и высокобелковый шрот. Другие масличные культуры (лен, клещевина, горчица и др.) перерабатывают в относительно небольших объемах. Перспективными источниками получения растительных масел являются маслосодержащие отходы пищевых производств — фруктовые косточки, л также отруби и зародыши, которые получают при производстве муки и крупы из зерна пшеницы, кукурузы, риса и других зерновых культур.
Масло-жировая промышленность Российской Федерации перерабатывает в основном масличное сырье, производимое в нашей стране. В то же время становится систематическим импорт масличного сырья, прежде всего семян сои, из США, значительная доля которой поступает для переработки на маслоэкстракционные заводы. В небольших обьемах периодически поступает пальмовое масличное сырье — копра, получаемая из плодов кокосовой пальмы, и пальмиста, получаемая из плодов масличной пальмы, а также плоды арахиса, импортируемые из стран Африки и Юго-Восточной Азии, и семена рапса — из Канады.
Подсолнечник. Основной масличной культурой России является подсолнечник. Из него вырабатывают более 75 % всех растительных масел, производимых в нашей стране.
Подсолнечник принадлежит к ботаническому семейству астровых, цветки которого собраны в соцветие типа корзинка. Плод — семянка с деревянистой нераскрываюшейся оболочкой. В нашей стране культивируется более 50 сортов подсолнечника. Лучшие сорта подсолнечника (Юбилейный 60, Флагман, Лидер, Передовик) отличаются высокой урожайностью (до 3,5...3,7 т/га), высокой масличностью (до 52...56 %) и пригодностью к механизированной уборке.
По составу жирных кислот в масле различают подсо
231
лнечник линолевого типа, в масле которого в преобладающем количестве содержится линолевая кислота, и подсолнечник олеинового типа, в масле которого преобладает олеиновая кислота. Масло этого типа подсолнечника — сорт Первенец полноценно заменяет импортируемое оливковое масло. Кондитерский тип подсолнечника — сорт Кондитерский отличается высоким содержанием белка и относительно легко отделяемой плодовой оболочкой. Особый тип подсолнечника — гибридный. Основная особенность гибридного подсолнечника — повышенная устойчивость к белой и серой гнилям, которые повреждают семена других типов и снижают урожай семян, а также ухудшают пищевые достоинства масла. Второе достоинство гибридного подсолнечника — его пригодность к возделыванию по индустриальной технологии, которая обусловлена одновременностью созревания и выравненностью растений по высоте сгебля и размерам соцветия. Химический состав семян подсолнечника сорта Передовик (в пересчете на нулевую влажность семян) приведен в табл. 12.6.
Таблица 12.6
Состав	Содержание, % В семенах	।	в ядре
Липиды Белки (N х 6,25) Целлюлоза Зола	52...56	64...68 14.16	16...19 13...14	1,7...2,1 2,9-3,1	3...3,2
Белки семян подсолнечника имеют высокую пищевую ценность. Их используют для обогащения хлебобулочных и кондитерских изделий, применяют в качестве белкового компонента в производстве комбикормов для сельскохозяйственных животных.
Кондитерский тип подсолнечника используют для получения кондитерского изделия — поджаренных ядер подсолнечника.
Хлопчатник. Наряду с подсолнечником масло-жировая промышленность Среднеазиатских государств СНГ в больших объемах перерабатывает семена хлопчатника. Эти две масличные культуры составляют свыше 80 % всего растительного масличного сырья, перерабатываемого в этих странах.
Хлопчатник принадлежит к семейству мальвовых. Цветки хлопчатника собраны в соцветие типа извилина. Плод — коробочка, при созревании растрескивается. В коробочке 20...40 семян, покрытых волокном. Химический состав хлопковых семян приведен ниже.
232
Состав
Липиды
Белки (N х 6,25)
Целлюлоза
Зола
Содержание, %
в семенах	в ядре семян
20...24	38...39
25-29	34...37
18—19	1,2...2,4
4,1.. 4,3	3,9-5,2
В настоящее время основное направление селекции хлопчатника — получение сортов с максимальным выходом волокна высокого качества. Поэтому содержание масла в семенах и семенной оболочке десятилетиями остается практически на одном уровне, несмотря на появление новых сортов. Лузжистость семян, или содержание семенной оболочки, 40...44 %.
Известно 35 диких и культурных видов хлопчатника, из которых в Средней Азии наибольшее распространение получили два вида: средневолокнистый (американские сорта) и тонковолокнистый (ешпетские сорта).
Урожайность хлопка-сырца 2...3 т/га, из каждой тонны можно получить 650 кг семян, 320 кг длинного и 10 кг короткого волокна. После съема волокна на хлопкоочистительных заводах па поверхности семян, поступающих на маслозавод, остаются пух и подпушек, опушенность которых выражается в % от массы семян.
Опушенность семян средневолокнистых видов хлопчатника 8...11 %, тонковолокнистых — 4...7 %.
Специфическая особенность семян хлопчатника —- наличие в них высокотоксичного химического соединения — госсипола. Госсипол является нервным ядом для животных и человека. При переработке семян он переходит в масло и белок, поэтому следует обязательно удалять госсипол из этих продуктов.
Соя. Относится к семейству бобовых, цветки собраны в соцветие кисть, плод сои — боб — содержит два или три семени. Соевые семена в зависимости от цвета оболочки делят на четыре типа: желтые, зеленые, коричневые и черные. Большинство сортов сои, возделываемых в России (Виза, Лань, Руно, Фора) и за рубежом, относится к маньчжурскому подвиду сои. Соя —белково-масличная культура.
Химический состав сои приведен ниже.
Липиды	19—21
Белки (N х 6,25)	36...44
Целлюлоза	4,3...5,3
Зола	2,8-5,6
Урожайность современных сортов сои 2,8...3,1 т/га.
Содержание легкоусвояемых белков в ее семенах велико. Значительная часть соевых семян после обезжиривания использует
233
ся для получения пищевых белков. В этом случае перед обезжириванием соевых семян отделяют их семенную оболочку, содержание которой составляет от 5 до 10 % массы семян, а также зародыш семян. В семенах сои много антипитательных веществ — токсичных белков, лектинов, ингибиторов пищеварительных (протеолитических) ферментов и других нежелательных соединений. Поэтому при переработке семян сои необходимо включать технологические операции, инактивирующие эти соединения и повышающие таким образом пищевую и кормовую ценность получаемых из сои белковых продуктов.
Лен. Принадлежит к семейству льновых. Соцветие льна — кисть, плод — коробочка, содержащая от одного до десяти семян. Различают масличный (кудряш) и прядильный (долгунец) лен. Селекция масличных сортов льна направлена на получение льна с высоким содержанием масла и максимальным ветвлением растения, при котором на растении образуется много цветков, а .тем семян.
Химический состав семян приведен ниже.
Состав	Содержание, %
Липиды	46. 48
Белки (N х 6,25)	21-23
Целлюлоза	4,2.. 4,6
Зола	3,8—4
Урожайность семян льна сортов Циан, ВНИИМК 620, ВНИИМК 622 составляет 2...2,5 т/га. Специфической особенностью семян льна является обезжиривание их без предварительного отделения семенной оболочки, прочно сросшейся с ядром семян, а также наличие на поверхности семян слизей — веществ углеводной природы, осложняющих ведение процессов получения масла и его последующую переработку. В ядре семян льна содержится линамарин — соединение, при гидролизе которого образуется свободная синильная кислота. Поэтому семена льна следует перерабатывать при условиях, исключающих образование токсичной синильной кислоты в обезжиренных семенах льна, идущих на корм скоту. Льняное масло можно употреблять в пищевых целях, но главное его использование — техническое. В составе льняного масла много линоленовой кислоты. Высокая химическая активность линоленовой кислоты, ее легкая окисля-емость делают льняное масло незаменимым в производстве лаков и олиф.
Клещевина. Относится к семейству молочайных, цветки ее собраны в соцветие сложная кисть, плод — коробочка, содержащая три семени. В результате селекции созданы сорта клещевины, у которых почти все семена сосредоточены в центральной кисти. Такие сорта, как Щербиновская, ВНИИМК 18,
234
ВНИИМК 420, убирают механизированным способом с помощью специально оборудованных уборочных машин. Коробочки промышленных сортов не растрескиваются при созревании, и потерь семян не происходит. Урожайность семян клещевины ?,2...2,8 т/га. Специфическая особенность семян клещевины — содержание в них нескольких токсичных соединений, важнейшими из которых являются токсичные белки — рицин, лека ины, алкалоиды и др. Поэтому при переработке семян клещевины предусматривается специальная технологическая операция — обезвреживание обезжиренных семян влаготепловой обработкой после извлечения из них масла, позволяющая получить кормовой белковый продукт Химический состав семян приведен в габл. 12.7.
Таблица 12.7
|	Содержание, %
Состав	|—------------------------;-----——----------
।	в семенах	в ядре
Липиды	54...56	66—68
Белки <N х 6.25)	19. 20	26-28
Целлюлоза	20...21	0,5 0,9
Зола	3-3,2	2,6. 2,8
Горчица. Горчица относится к семейству капустных. Цветки ее собраны в соцветие кисть, плод — стручок. В России возделывают преимущественно сизую, или саретскую, горчицу сортов Южанка 15, ВНИИМК 517. Урожайность семян 2,0...2,3 т/га. Для масличных растений этого семейства характерно присутствие в семенах гликозинолатов (тиогликозидов), образующих при гидролизе горчичные эфирные масла, обусловливающие использование горчичного порошка в пищевой промышленности и медицине. Горчичное (жирное) масло употребляется в пищу, но в масле семян старых сортов отмечено высокое содержание жирной эруковой кислоты, нежелательной для пищевых продуктов. Поэтому селекпия горчицы ведется на создание сортов, богатых эфирными маслами и с пониженным содержанием гликозинолатов в семенах и эруковой кислоты в масле. Химический состав семян горчицы приведен ниже.
Октан
Липиды
Белки (N х 6,25)
Целлюлоза
Зола
Содержание. %
41 ...48
20,5...29,7
8,2-9,1
4,8-5,5
Рапс. Рапс, как и горчица, принадлежит к семейству капустных. Поэтому у них одинаковые по типу плоды и соцветия, а
235
также много общего в химическом составе. Как и у горчицы, в семенах рапса присутствуют гликозинолаты, дающие при гидролизе эфирные масла, хотя содержание их существенно меньше, а также нелетучие токсичные соединения. По составу масло в семенах рапса близко к маслу горчицы. Новые сорта рапса (Шпат, Галант, Ярвэлон, ВНИИМК 214), получившие название безэруковых из-за пониженного содержания в составе масла эруковой кислоты, отличаются высокой урожайностью (2,6...3,5 т/га) и высокой масличностъю (до 46 %). Низкое содержание гликозинолатов в семенах новых сортов (0,6... 1,0 %) позволяет использовать обезжиренные семена на корм скоту без дополнительной обработки, а снижение содержания эпуковой кислоты в масле до 0,1...0,5 % — отнести рапсовое масло к полноценным пищевым. После создания селекционерами безэруковых и низкогликозинолатных сортов рапс по объему производства семян и их переработке занял ведущее место в мире вместе с соей, оттеснив хлопчатник и подсолнечник.
Химический состав безэрукового рапса (в пересчете на нулевую массовую долю влаги семян) приведен ниже.
Состав
Липиды
Белки (N х 6,25)
Целлюлоза
Зола
Содержание, % 44,0.1.46,2 25,0 „26,3
4,6...6,2
3,7..5,4
Арахис. Арахис, или земляной орех, относится к семейству бобовых. Плоды — бобы, нераскрывающиеся, содержат одно или два семени. Своеобразной биологической особенностью арахиса является то, что после опыления завязь цветка погружается в землю и плод развивается в земле. Белки семян арахиса легко усваиваются организмом человека, но в их состав, как и в белках сои, входят ингибиторы пищеварительных ферментов и другие антипитательные вещества, включая токсичные бедки и лектины. Перспективными являются крупноплодные сорта арахиса Краснодарец 14 и Краснодарец 15. Масса 1000 их плодов составляет 1400... 1600 г. Урожайность бобов 1,8...2,2 т/га. Химический состав семян арахиса приведен ниже.
Состав
Липиды
Белки (N х 6,25)
Целлюлоза
Зола
Содержание, %
40,2-60,7
20,0„.27,2
3,2...4,9
3,8. .4,6
Конопля. Принадлежит к семейству коноплевых, цветки ее собраны в густые колосовидные (женские) и метельчатые (мужские) соцветия. Плоды конопли —- орешек, раскрываются только
236
при прорастании. Семя покрыто тонкой кожурой. Коноплю выращивают для получения масла из семян и волокна из стеблей для грубых тканей, а также дня получения наркотических средств. Химический состав семян конопли приведен ниже.
Состав
Липиды
Белки (N х 6,25)
Целлюлоза
Зола
Содержание, %
30,2-38,3
17,6 ..25,0
13,8. 26,9
2,5.. 6.8
Кокосовая и масличная пальмы. Принадлежат к семейству пальмовых. Это тропические неветвистые деревья высотой до 30 м. Плоды собраны в соцветия кисть метельчатого типа. Плоды представляют собой костянки. У кокосовой пальмы диаметр плода (кокосового ореха) 300...400 мм, у масличной пальмы 40...60 мм. Экспортируемым масличным сырьем является копра -—высушенная маслосодержащая ткань (эндосперм) плодов кокосовой пальмы и пальмиста — ядра масличной пальмы. Химический состав копры и пальмисты приведен в табл. 12.8-
Таблица 128
।	Содержание, %
Состав	I--------------------------------------------—
i	в кояре	I в пальмисте
Липиды	65...72	45,4...53,8
Белки (N х 6,25)	7,5...8	7,9-.8,8
Целлюлоза	5.. .6	5,4-6,5
Зола	3...5	3,5.. 4,9
Урожай кокосовых орехов составляет 4...5 тыс. шт. плодов с 1 га или 1...3 т/га копры. Урожай пальмисты 1,2...2,2 т/га.
В последние десятилетия происходит резкий рост производства пальмовых масел —начали плодоносить плантации пальм во многих странах Юго-Восточной Азии и Африки.
Следует ожидать, что пальмовые масла в ближайшие годы займут ведущее место в мире.
В последние годы особое значение приобретает проблема безвредности продуктов, получаемых при переработке масличных семян, для человека и животных. Поэтому в семенах масличных растений — рапса, кунжута, сафлора, рыжика, сурепицы, льна (масличною и долгунца), конопли остаточное количество хло-рорганических пестицидов (ДДТ и его метаболитов, гексахлорана — суммы изомеров и ГХЦГ — суммы изомеров) не должно превышать максимально допустимых уровней.
Особые требования предъявляются к масличным семенам,
237
применяемым в продуктах: для детского питания. Так, в семенах подсолнечника, предназначенных для выработки продуктов дет-,' ского питания, остаточное количество пестицидов не должно превышать максимально допустимого уровня, а содержание тяжелых металлов — меди, ртути, свинца, а также афлатоксинов — предельно допустимой концентрации, утвержденной Минздравом России.
Маслосодержащие отходы пищевых производств
Зародыши злаковых культур. В качестве масличного сырья также используют зародыши, отделяемые в виде отрубей при получении из зерна муки и крупы. Липиды в семенах зерновых культур сосредоточены в зародыше, внешних тканях эндосперма и частично в оболочке. Выход зародышей при получении муки и крупы колеблется от 2 % при переработке пшеницы, ржи и проса до 6...8 % при переработке риса и кукурузы. Химический состав отходов злаковых культур приведен в табл. 12.9.
Та 6л и ца 12.9
Состав	Содержание, V.				
	в зародышах			в отрубях	
	пшеничных	ржаных	I кукурузных |	рисовых i	просяных
Липиды	5...I2	8... 12	12. ..26	8-18	I0...24
Белки (N х 6.25)	25...39	27-34	12. ..16	I0...J4	17...20
Целлюлоза	1-2	4-7	15...18	8. .16	7...I0
Зола	3...5	4...S	3...5	5... 15	6...10
Фруктовые косточки. Плодовые косточки — отходы производства консервов. На маслодобывающие заводы поступают косточки абрикосов, сливы, вишни, миндаля и др. Масло сосредоточено в ядре косточек, покрытом прочной одревесневшей оболочкой. Химический состав ядра приведен в табл. 12.10.
Таблица 12.10
Состав	Содержание в ядре косточки, %			
	абрикоса	| сливы ;	вишни	| миндаля
Липиды	35. .45	30...60	30...39	42...53
Белки (N х 6,25)	24...26	23...24	21. 22	21-34
Целлюлоза	5..Ь	6-7	5-16	4. .6
Зола	3...4	2-4	I...2	2-4
238
Получают также растительные масла из семян кориандра, поступающих от эфиромасличных предприятий, после извлечения из них эфирного масла (содержание липидов 20...26 %), из семян томатов, являющихся отходом при производстве томатного сока и томата-пасты (содержание липидов 26...28 %), из виноградных семян, поступающих от винодельческих и сокоэкстракционных производств (содержание липидов 5.-6 %), а также из семян арбуза, табака, чая и др.
плоды, ягоды и овощи
Основные свойства растительного сырья как объекта хранения и переработки
Плоды, используемые для хранения и переработки, подразделяют на следующие группы: семечковые (яблоки, груша, айва), косточковые (черешня, вишня, слива, абрикосы, персики, кизил), ягоды (виноград., земляника, крыжовник, смородина и др.), орехи, тропические и субтропические плоды (апельсины, лимоны, мандарины и др.).
Овоши подразделяют на плодовые (томатные, бобовые, зерновые и тыквенные) и вегетативные (клубнеплоды, капустные, корнеплоды, шпинатные, салатные, луковичные, пряные, листовые, десертные)
На переработку поступает около 60 видов овощей и около 20 видов плодов и ягод. Перед переработкой многие из них подвергаются короткому или длительному хранению.
Чтобы сохранить качество сочного растительного сырья при хранении и переработке, необходимо знать особенности их химического состава, физических свойств и физиологических особенностей.
Особенности плодов, ягод и овощей связаны с тем, что они являются живыми биологическими объектами, имеющими активную ферментативную систему и сложный химический состав. Наличие большого количества воды (75...95 %) создает условия для хорошего обмена веществ в их клетках и тканях.
Все плоды, ягоды и овощи имеют прижизненную, свойственную им эпифитную микрофлору, которая специфична для данного вида продукта. При уборке микрофлора пополняется микроорганизмами из окружающей среды, главным образом из почвы. При хранении же заражение может произойти за счет микрофлоры складских помещений.
Большую роль при хранении играют такие факторы, как температура, влажность, газовый состав среды, ибо они определяют жизнедеятельность и самого продукта, и поражающих его вредителей. Поэтому все способы храпения базируются на изучении взаимосвязей между хранимым объектом и окружающей средой.
239
При этом необходимо учитывать физические, химические и биологические особенности сырья и особенности развития вредителей. Факторов, влияющих на сроки хранения растительного сырья, много, но три из них определяют скорость его порчи — степень зараженности микроорганизмами (инфекционная нагрузка), способность растительных тканей сопротивляться развитию микроорганизмов и условия хранения.
Химический состав. Важнейшим показателем качества сырья является содержание сухих веществ. Под содержанием сухих веществ понимают количество всех веществ, входящих в состав сырья, кроме воды. Количество сухих веществ в плодах и ягодах колеблется от 10 до 20 %, однако в отдельных объектах, например в винограде, оно может достигать 25 % и выше. Из овощей наибольшее количество сухих веществ содержится в картофеле и сахарной свекле (до 25 %), зеленом горошке (до 20 %), моркови (в среднем до 14 %). В основном же овощи содержат от 4 до 10 % сухих веществ.
Содержание сухих веществ зависит от вида и сорта сырья, климатических условий выращивания, транспортирования, а также режимов хранения. При переработке сырья от исходного содержания в нем сухих веществ зависят удельный расход сырья, пара, электроэнергии, холода, затраты рабочей силы, производительность оборудования, длительность производственного цикла, а также качество готового продукта.
Большая часть сухих веществ плодов и овощей (до 90 %) представлена углеводами. К углеводам относятся сахара, крахмал, целлюлоза, геммицеллюлоза и пектиновые вещества.
На долю сахаров приходится (%): в винограде 16... 18, в яблоках 10...15, в вишне 8...15, в землянике 5...8. Овощи содержат в среднем около 4 % сахаров, в корнеплодах их гораздо больше. Так, в сахарной свекле их 80...90 %. Крахмала больше всего в картофеле (16—18 %).
Свойства сахаров и их изменения в процессе переработки оказывают значительное влияние на выбор технологических режимов и качество готовой продукции. Сахара хорошо растворимы в воде, особенно горячей. Потери их возможны при мойке и бланшировании сырья. Гигроскопичность сахара, особенно фруктозы, следует учитывать при негерметичной упаковке продукта (джем, повидло, сухофрукты).
Сбраживание сахаров под действием ферментов дрожжей или бактерий лежит в основе процессов квашения и соления овощей, производства вина, пива, спирта и др.
При нагревании растительного сырья могут происходить карамелизация сахаров, реакция их с аминокислотами и образование темноокрашенных веществ (меланоидинов), изменяющих цвет и вкус продукта.
При нагревании сахарозы в присутствии кислоты может про
240
исходить ее инверсия. Образующиеся при этом глюкоза и фруктоза задерживают засахаривание варенья, так как в этом случае проявляются антикрисзадлизационные свойства инвертного сахара.
Крахмал откладывается главным образом в клубнях. Им богаты картофель и зеленый горошек. У большинства плодов и овощей содержание крахмала невелико (около 1 %).
Свойства крахмала различных видов плодов и овощей отличаются и зависят главным образом от соотношений содержания амилопектина и амилозы. В картофельном крахмале это соотношение 80:20, в яблочном — 0:100. Поэтому крахмал растительного сырья имеет разную температуру клейстеризации (62—73 °C), по-разному ведет себя в горячей воде (амилопектин набухает, амилоза растворяется), по-разному влияет на процесс конвекции теплоты при нагревании продукта.
Целлюлоза (клетчатка) содержится в плодах и овощах в количестве 0,2...2,0 %. Меньше всего ее в арбузах, дынях, кабачках и огурцах. Повышенное содержание целлюлозы делает пищу грубой, менее доступной действию ферментов. Для получения диетических и детских консервов предпочитают сырье, бедное целлюлозой. Целлюлоза повышает стойкость сырья к механическим повреждениям, но затрудняет некоторые операции (протирание, уваривание) технологических процессов.
Пектиновые вещества содержатся в сочном растительном сырье в количестве 1,0...2,5 %. Они играют большую роль в процессах размягчения гканей при дозревании сырья во время хранения, оказывают влияние на развариваемость при консервировании, застудневании фруктовой продукции с сахаром, осветлении плодовых соков, на величину отходов при дроблении сырья, протирании пульпы и т. д.
Большую часть азотистых веществ плодов и овощей составляют белки, которым сопутствуют аминокислоты и амиды. Содержание белков в сочном растительном сырье невелико, но они играют определенную роль в рационе питания, так как плоды и овощи употребляют в большом количестве. Содержание азотистых веществ (%): в бобовых культурах 4,5...5,5; капусте 2,5—4,5; шпинате 3,5; картофеле, моркови и луке 2; томатах и тыкве 1. Большинство плодов содержат менее 1 % азотистых веществ.
Содержание жиров в тканях плодов и овощей невелико, но они входят в состав протоплазмы растительных клеток и регулируют обмен веществ.
Свежие плоды и овощи имеют всегда кислую среду (рН<7). В зависимоеги от величины pil их делят на кислотные (pH 2,5...4,2) и некислотные (pH 4,3—6,5). Общая кислотность большинства плодов и овощей не превышает 1 %, но у некоторых сортов абрикоса, вишни, кизила, алычи она доходит до 2,5 %, а у черной смородины — до 3,5 %.
241
Органические кислоты влияют на режимы тепловой обработки сырья. Консервы из кислотных плодов и овощей стерилизуют или пастеризуют при 80... 100 °C, а из некислотных — при 112...130 °C, кислоты способствуют инверсии сахарозы, процессам хелирования, придают определенный вкус продукту.
Дубильные вещества придают плодам и овощам терпкий, вяжущий вкус. Большинство плодов и ягод содержат 0,1...0,2 % дубильных веществ, в овощах их еще меньше. Окисляясь под действием кислорода воздуха, они придают продукту коричневый или красно-коричневый цвет. Потемнение плодов может быть следствием химического взаимодействия дубильных веществ с солями окиси железа. С солями олова они образуют розовую окраску. Необходимо учитывать и свойство дубильных веществ образовывать нерастворимые соединения с белковыми веществами.
Красящие вещества плодов и овощей представлены хлорофиллами (зеленые пигменты), антоцианами (от розового до фиолетового цвета), каротиноидами (от желтого до красного цвета). Превращения пигментов влияют на цвет продукта, предавая иногда несвойственную ему окраску. Так, при нагревании в кислой среде ярко-зеленые хлорофиллы становятся бурыми, антоцианы вишни и черешни в присутствии олова приобретают фиолетовый оттенок, а черной смородины — синий. Алюминий вызывает окрашивание вишни и черешни в фиолетовый цвет. Антоцианы винограда изменяют окраску в присутствии железа, олова, меди. На цвет антоцианов влияет и кислотность среды.
Эфирные масла концентрируются в кожице плодов и овощей. Очень богаты ароматическими веществами пряные овощи (от 0,05 до 1 % эфирных масел). В кожице мандаринов содержится от 1,8 до 2,5 % эфирных масел, в луке — 0,05, в чесноке — 0,01 %. У большинства плодов и овощей содержание эфирных масел не превышает 0,001 %. Эфирные масла летучие и легко испаряются при различных способах обработки сырья.
Плоды и овощи богаты витаминами. При переработке сырья необходимо учитывать их свойства, для того чтобы сохранить их в наибольшем количестве.
Физические свойства. Физические свойства плодов и овощей необходимо учитывать при транспортировании, разгрузочно-погрузочных работах и хранении.
Физические свойства плодов и овощей включают такие понятия, как форма, размер, плотность, сыпучесть, скважность, механическая прочность, теплопроводность, склонность к испарению и отпотеванию.
Форма характеризуется индексом, под которым понимают отношение высоты плода к его среднему диаметру.
Плотность — это отношение массы продукта к его объему.
Масса овощей и плодов обладает меньшей сыпучестью, чем
242
масса зерна, вследствие разнообразных формы и размеров. Более сыпучими являются плоды и овощи круглой формы с гладкой поверхностью. При закладке в хранилища масса овощей скатывается по наклонной плоскости, если угол наклона более 40...50°, т. е. превышает угол трения.
При использовании механизированных средств загрузки хранилищ плодами и овощами происходит самосортирование. В основном это относится к овощам, так как крупные кочаны, корнеплоды, клубни распределяются вблизи мест падения, а мелкие перемещаются по насыпи дальше. Там, где собираются меньшие по размеру овощи, обычно больше примесей, меньше скважность и, следовательно, в этом месте масса менее обеспечена воздухом. Предотвратить самосортирование можно предварительной сортировкой или калиброванием овощей по размерам.
Большое значение для жизнедеятельности плодов и овощей при хранении имеет запас воздуха в скважинах. Воздух способствует передаче теплоты и влаги, выделяемых при дыхании растительного сырья. Благодаря скважности можно осуществлять вентилирование сырья, вводить в массу инертные газы, дезинфицирующие средства. Скважность массы свеклы 50...55 %, моркови 51...53, картофеля 37...55 %, т. е. около 50 % занимаемой площади.
Механическая прочность сырья характеризуется удельным сопротивлением их тканей усилию путем вдавливания на 1 см2 и выражается в кг/см2. Она характеризуется и усилием на раздавливание. Механическая прочность определяет в значительной мере выбираемую высоту насыпи продукта. Так. для картофеля механическая прочность составляет 17...25 кг/см2, а масса насыпи с учетом физиологических свойств — 3...3,5 м.
Влага испаряется из продукта неодинаково. Это связано с видом, сортом, анатомическим строением и химическим составом продукта. Интенсивность испарения тем выше, чем больше удельная поверхность объекта, выше температура окружающей среды, суше воздух и сильнее его движение.
Для предотвращения испарения воды в хранилищах желательно поддерживать повышенную влажность воздуха. Но при этом может возникнуть нежелательное явление — отпотевание вследствие насыщения воздуха в скважинах водяными парами и циркуляции его в массе продукта.
Плоды и овощи обладают плохой тепло- и температуропроводностью, они медленно охлаждаются и нагреваются. Интенсивность этих процессов замедляется также ввиду их большой скважности, так как воздух — плохой проводник теплоты. Результатом является самосогревание плодов и овощей, что необходимо учитывать при хранении. Активное вентилирование, охлаждение продукции при закладке на хранение позволяют избежать нежелательного самосогревания.
243
Физиологические особенности сочного растительного сырья. / Способность плодов и овощей храниться различное время объясняется их различной физиологией, теснейшим образом связанной с характером и интенсивностью биохимических процессов.
Состояние покоя. Лежкость плодов и овощей зависит в основном от степени состояния покоя, которая, в свою очередь, зависит от вида и сорта плодов и овощей.
При длительном хранении стараются задержать состояние покоя растения, не дать ему перейти в следующее состояние онтогенеза — образование почек, ростков, а затем цветение и образование семян. Если растение обладает состоянием глубокого покоя, почки клубней и луковиц не прорастают длительное время даже при неблагоприятных условиях. Чем продолжительнее состояние покоя, тем выше лежкость растения.
Созревание и старение. У большинства плодов и овощей различают две стадии зрелости: съемную, или техническую, и потребительскую. Первая стадия зрелости говорит о готовности плодов и овощей к съему, упаковке, отправке на дальние расстояния, к закладке на хранение и технической переработке, вторая — о готовности к использованию в свежем виде.
Все плоды и овоши обладают разной способностью созревать на материнском растении и дозревать при хранении. У многих плодов и овощей от съемной до потребительской зрелости проходит несколько дней, а иногда и месяцев, у других (вишня, виноград, арбуз, цитрусовые и др.) эти стадии совпадают. Для длительного хранения и переработки, когда плоды и овощи собирают в съемной стадии зрелости, желательно подбирать сорта, созревание которых протекает медленно.
Дыхание. Сохранить свежие плоды и овощи длительное время — значит поддерживать их жизнедеятельность на должном уровне.
В основе жизнедеятельности растительных объектов и всех протекающих в их тканях процессов лежит процесс дыхания. Интенсивность и характер этого процесса зависят от вида продукта, его сортовых особенностей, степени зрелости и условий хранения.
Дыхание является комплексом окислительно-восстановительных процессов, протекающих под действием ферментов. В результате дыхания выделяется энергия, которая используется для жизненных процессов в растительной ткани
Различают дыхание аэробное, проходящее с участием кислорода воздуха, и анаэробное, без кислорода. При анаэробном дыхании выделяются этиловый спирт, высшие спирты, соединения ароматического ряда и водород. При этом энергии выделяется значительно меньше, чем при аэробном дыхании. При дыхании происходит распад сложных органических веществ, в первую очередь сахаров и кислот, но в большей или меньшей
244
степени в дыхательный газообмен вступают почти все химические вещества растительного сырья.
В процессе дыхания выделяются теплота и влага. Интенсивность дыхания связана с расходом сухих веществ, выделением диоксида углерода. Все это необходимо учитывать при закладке на хранение различных видов и сортов плодов и овощей.
Различные сорта плодов и овощей по-разному реагируют на недостаток кислорода и избыток диоксида углерода, т. е. на характер дыхания и устойчивость к анаэробному дыханию. Изменение интенсивности и характера дыхания может быть.реакцией на переохлаждение, механические повреждения, поражение микроорганизмами и т. д.
Следовательно, воздействие различных факторов при хранении плодов и овощей с целью сохранения их лежкости — это прежде всего воздействие на процессы дыхания.
Преобладание анаэробного дыхания приводит к накоплению в их тканях спирта и ацетальдегида, к функциональным расстройствам, отмиранию тканей, потере естественного иммунитета. В результате, плоды и овощи быстро портятся.
Избыточное количество кислорода может привести к интенсивному дыханию, быстрому созреванию и перезреванию плодов, большим потерям сухих веществ. Все это говорит о необходимости регулирования интенсивности и характера дыхания плодов и овощей при хранении, т. е. следует создать среду с меньшим содержанием кислорода и повышенным содержанием диоксида углерода, использовать активное вентилирование, понизить температуру в хранилищах, правильно сочетать факторы температуры и регулируемой газовой среды и т. д.
Физиологические расстройства. Это нарушение естественных физиологических функций, в первую очередь дыхания. Они вызываются неблагоприятными внешними условиями в разные периоды роста, развития и хранения плодов и овощей.
Физиологическими болезнями яблок может быть загар — результат преобладания анаэробного дыхания в тканях, горькая ямчатость, пятнистость, внутреннее побурение мякоти.
Под действием неблагоприятных температур происходит нарушение физиологических процессов, снижается иммунитет тканей. Известны такие физиологические нарушения, как почернение сердцевины клубней, распад тканей лука, появление коричневых пятен на цитрусовых и т. д., связанные с нарушением режимов хранения.
Способность сопротивляться развитию микроорганизмов. Каждый вид растений поражается лишь определенной (специфической) микрофлорой, вызывающей его порчу. Микроорганизмы выделяют токсины, которые отравляют здоровые клетки тканей растительного сырья, влияют
245
на их ферментативную деятельность, нарушают обмен веществ Так, выделяемые плесневыми грибами пектолитические ферменты вызывают размягчение тканей. Вступая в химические соединения с веществами сырья, токсины могут вызвать гибель растительных тканей.
В зависимости от сортовых и видовых особенностей поражение растений микроорганизмами протекает в разной степени. В данном случае большую роль играют естественный иммунитет растений и связанное с ним усиление аэробного дыхания, препятствующее возникновению нежелательных изменений при заражении -тканей. Отсутствие способности усилить аэробное дыхание приводит к образованию в тканях спирта и ацетальдегида, что способствует их порче.
К числу защитных реакции относится образование механических барьеров в тканях растений на пути проникновения микроорганизмов. Примером может служить образование лигнина на поверхности гиф плесневых грибов, который тормозит их рост, образование кутина, раневой перидермы на поверхности растений и т. д. Защитной реакцией растений является также их способность вырабатывать специальные вещества, токсичные для микроорганизмов (фитоалексины). Существуют иммунные сорта плодов и овощей, частично или полностью невосприимчивые к специфическим патогенам, что особенно ценно при хранении.
Устойчивость плодов и овощей к поражению микрофлорой обусловлена особенностью их химического состава. Доказано, что наличие большого количества фенольных соединений повышает устойчивость растений, так как в ответ на возникновение инфекции в их тканях образуются хлорогеновая и кофейная кислоты и другие фунгитоксичные вещества. Доказано также, что фитоалексины синтезируются в тканях устойчивых сортов в ответ на поражение. Наконец, устойчивые сорта, обладая реакцией сверхчувствительности, уничтожают инфекцию за счет гибели части своих клеток.
Подводя итог сказанному, можно констатировать, что продолжительность хранения сочного растительного сырья зависит от факторов, оказывающих воздействие на подавляющую его жизнедеятельность микрофлору и на жизненные функции тканей растений.
Хранение сочного растительного сырья
Выбор режимов хранения для определенных видов и сортов сочного растительного сырья определяется их биологическими особенностями и сроками хранения.
Понижение температуры снижает интенсивность биохимических процессов в тканях растительного сырья и подавляет разви-
246
me патогенных микроорганизмов. Поэтому использование низких положительных температур в значительной степени решает проблему длительного хранения плодов и овощей. Однако нельзя допускать подмораживания продукции, так как кристаллы льда нарушают структуру тканей и она погибает. После оттаивания из плодов и овощей вытекает сок и они легко подвергаются действию микроорганизмов. Температура замерзания у всех видов растительного сырья различная (в основном от -0,5 до —2 °C), характер изменения температуры при охлаждении и чувствительность к пониженным температурам также различны. Так, ряд видов сортов плодов и овощей, особенно выращенных в южных районах, обладает высокой степенью чувствительности к пониженным температурам (бананы, цитрусовые, некоторые сорта яблок, груш, томатов и т. д.). Эта чувствительность выражается в появлении разного рода физиологических расстройств (потемнение и разрыхление тканей, разрыв кожицы и т. д.). Однако существуют сорта плодов и овощей, сохраняющиеся при температурах, близких к точке замерзания (разновидности лука, чеснока, капусты, яблок и т. д.), а иногда и ниже ее, т. е. в состоянии переохлаждения.
Следует также помнить, что существуют микроорганизмы, хорошо переносящие низкую температуру. Они могут развиваться на плодах (например, цитрусовые), в тканях которых при низких температурах появляются физиологические расстройства. В таких случаях температура при хранении ниже 3...7 'С нецелесообразна, иногда ее достаточно снизить до 10 °C.
Одним из важнейших этапов хранения плодов и овощей в холодильниках, является их предварительное охлаждение. Чем быстрее понизить температуру плодов и овощей после сбора, тем продолжительнее будет период их хранения в холодильнике и выше качество. Предварительное охлаждение уменьшает интенсивность дыхания, замедляет темпы накопления и расходы энергетических запасов на процессы жизнедеятельности тканей, замедляет их созревание, сохраняет устойчивость к возбудителям порчи и физиологическим заболеваниям. Предварительное охлаждение дает возможность создать в камере хранения после загрузки сырья оптимальный и стабильный температурный режим. Продукцию следует охладить в течение 12—24 ч до температуры 3...8 °C в зависимости от вида сырья.
Влажность среды. Плоды и овощи относятся к сочному растительному сырью. Вода — один из главных компонентов, определяющих качество продукта, интенсивность протекающих в нем биохимических процессов, устойчивость к порче под действием микроорганизмов. Потери клетками растительных тканей воды приводят к ухудшению тургора, увяданию тканей, потере сочности. Обычно это наблюдается при потере 5...7 % воды. Отмечено, что чем моложе растительная ткань, тем выше ее обвод
247
ненность, тем интенсивнее протекают в ней процессы, обусловливающие ее жизнедеятельность и связанные с процессами синтеза и гидролиза, гидратации и дегидратации, окисления и восстановления.
От влажности среды в хранилище зависит испарение влаги с поверхности сочного растительного сырья в процессе хранения. Это связано с потерей массы и товарного качества продукции. Выделение же влаги на поверхность сырья (отпотевание) способствует развитию микроорганизмов.
Потери влаги в большой мере зависят от поверхности испарения и структуры тканей. Быстрые потери влаги (например, зелеными овощами) способствуют потере тургора тканей и товарного вида. При низкой относительной влажности воздуха потери влаги бывают столь значительными, что кроме ухудшения товарного вида происходят и значительные изменения во всех физиологических процессах, в том числе связанных с устойчивостью к поражению микроорганизмами.
Однако не все виды растительного сырья требуют высокой влажности воздуха (90...95 %, а иногда 96...98 %). Для лука, тыквы, цитрусовых ее снижают только до 80, а иногда до 75 %.
Превышение оптимальной влажности воздуха может привести к интенсивному развитию порчи. При пониженном содержании кислорода или повышенной концентрации СО? в условиях высокой влажности воздуха возрастает предрасположенность к физиологическим расстройствам.
Поддержание относительной влажности среды является залогом длительного хранения сочного растительного сырья при низких температурах. Для предохранения отпотевания продукта необходимо следить, чтобы температура в хранилище не была ниже точки росы. При высокой относительной влажности воздуха и пониженных температурах отпотевание происходит при дальнейшем понижении температуры. Нельзя также перемещать охлажденную продукцию сразу в теплое помещение. На отпотевание может влиять и теплый наружный воздух при вентилировании.
Обмен воздуха. Важным фактором при хранении плодов и овощей является движение воздуха (воздухообмен) в камерах хранения. Он необходим для отвода теплоты, выделяемой при дыхании растительных объектов, равномерного распределения поступившего охлажденного воздуха, предотвращения перепада температур в продукции и удаления этилена, стимулирующего созревание и старение тканей.
При длительном хранении сырья в условиях пониженных температур успешно используется активное вентилирование, которое способствует быстрому охлаждению сырья, созданию равномерной оптимальной температуры и относительной влажности воздуха в разных местах хранилища, удалению продуктов жизнедеятельности плодов и овощей, заживлению механических по
248
вреждений. Вентилирование проводят периодически, с разными интервалами в зависимости от вада и качества сырья.
Активное вентилирование принципиально отличается от принудительной вентиляции. В этом случае воздух подается через массу продукции, равномерно омывая каждый ее экземпляр, что i юзволяет быстрее охладить и обсушить объект, поддерживать во всех точках штабеля постоянную температуру, влажность и состав газовой среды и, следовательно, экономно использовать объем хранилища и снизить потери сырья при хранении. Основную роль здесь играют быстрое охлаждение продукции и поддержание оптимальной темпера гуры. Скорость же охлаждения зависит от климатических условий, особенностей объекта хранения, устройства системы распределения и объема подаваемого воздуха.
В течение первых 2...3 недель активное вентилирование проводят 5...6 раз в день по 0,5—1 ч, равномерно продувая воздух через всю массу овощей со скоростью 0,15 м/с. В этот период на поверхности овощей образуется раневая перидерма — новая ткань, защищающая их от проникновения инфекции. Способность образовывать некротическую ткань у иммунных сортов значительно выше. Зимой активное вентилирование проводят в течение 1...2 ч в день, а весной усиливают для удаления излишков теплоты. Для каждого вида овощей имеется своя специфика режимов хранения. Так, например, картофель после закладки на хранение выдерживают 10... 15 сут в условиях активного вентилирования при 15...20 вС и относительной влажности воздуха 90...95 %, а затем продолжают хранить при 2...4 °C, снижая объем воздуха.
Состав газовой среды. Изменение состава газовой среды (соотношение концентрации О2 и СО2) прежде всего влияет на окислительно-восстановительные процессы в растительных тканях, следовательно, на интенсивность и характер дыхания. Особенно надо отметить угнетающее действие повышенных концентраций СО2 на поражающую сырье микрофлору.
Наибольшее' распространение в практике хранения получили три типа регулируемых газовых сред:
сумма концентраций О2 и СО2 равна 21 % (как в нормальной атмосфере), но соотношение этих газов изменено в сторону увеличения СО2. Обычно количество СО2 в газовых смесях 5... 10 %, О2 — 11... 16 %, остальные 79 % приходятся на N2;
сумма концентраций О2 и СО2 менее 21 %, оптимальное соотношение СО2 и О2 (в %) 5:3 или 3:5, остальной объем .занимает N2;
среды полностью лишены СО2, с пониженным содержанием О2; почти весь объем занимает N2-
Первый вид среды применяют для устойчивых к СО2 видов и сортов плодов и овощей, второй — в основном для разных сор
249
тов яблок, третий — для хранения косточковых, винограда, некоторых сортов яблок.
Повышенные концентрации СО2 положительно влияют:
на снижение интенсивности дыхания продукта и, следовательно, интенсивность выделения теплоты, замедление процессов дозревания, удлинение сроков хранения;
на сохранение красящих веществ и органических кислот.
Нежелательное действие СО2, если концентрации его слишком высоки, сводится к повышенной чувствительности продукта к низким температурам, появлению физиологических заболевании, возникновению специфического ожога поверхности (повреждение углекислотой при растворении СО2 в конденсате), к образованию пустот в плодах, ухудшению вкуса, ослаблению устойчивости к микроорганизмам при образовании повышенного количества в тканях спирта и ацетальдегида (продукты анаэробного дыхания).
Учитывая перечисленное, плоды и овощи группируют по их чувствительности к СО2.
Что же дает понижение в газовой среде содержания кислорода?
Положительное действие О2 в пределах допустимых норм заключается в следующем:
снижается интенсивность дыхания, процессов тепловыделения, дозревания и удлиняются сроки хранения;
замедляется распад хлорофиллов, крахмала, сахаров, пектиновых и азотистых веществ, органических кислот;
уменьшается образование этилена, снижается количество бурых пятен мякоти и кожицы, замедляется ухудшение вкуса;
подавляется жизнедеятельность плесневых грибов.
Отрицательное действие О2, если концентрация его выходит за допустимые пределы, сводится к повышенной чувствительности продукции к низким температурам, повреждениям при высокой концентрации С02, образованию водянистых и некротических пятен на кожице, изменению цвета красных пигментов.
Действие газовой среды зависит не только от концентрации СО2 и О2, но и от температуры хранения, относительной влажности воздуха, сорта сырья, кратности обмена газов в камере. Все эти факторы необходимо учитывать в комплексе и постоянно регулировать.
Хранение растительного сырья в регулируемой газовой среде — перспективный способ хранения, открывающий большие возможности для сокращения потерь. Для использования его нужны хорошее техническое оснащение (строгий контроль за газовой средой и поддержание нужного состава газов) и обоснованный выбор состава газовой среды.
В отличие от регулируемых газовых сред существуют модифицированные газовые среды, которые создаются путем накопления С02, выделяемого при дыхании плодов и овощей. При этом
250
ими поглощается кислород, количество которого постоянно снижается. Нужную газовую среду можно создать искусственным путем, это зависит от интенсивности процесса дыхания плодов и овощей. Такая атмосфера с повышенным содержанием СО2 создается в хранилищах с ограниченным доступом воздуха (глухие бурты, траншеи, ямы, полимерные упаковки и т. д.).
МОЛОКО И МОЛОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ
Использование молока и молочных продуктов в хлебопекарном, кондитерском, макаронном и пищеконцентратном производствах позволяет повысить пищевую ценность и расширить ассортимент вырабатываемой продукции.
Молоко коровье
В качестве сырья для получения пищевых продуктов широко используют пастеризованное молоко, сливки, сухое и сгущенное молоко, молочную сыворотку, пахту, сметану, творог и сливочное масло.
В состав коровьего молока входят (%): вода — 85...89, жир ~ 3...5, белки — 2,8...3,6, лактоза — 4,5...5, минеральные вещества — 0,6—0,85, сухой остаток — II... 15. Молоко содержит биологически активные вещества: витамины, гормоны, ферменты, иммунные тела, а также пигменты.
Молочный жир находится в плазме молока в виде эмульсии, размер шариков жира составляет 2...3 мкм. Жировые шарики окружены лецитиново-белковой оболочкой, обеспечивающей стойкость этой природной эмульсии. При сильном механическом воздействии и действии химических веществ оболочка разрушается. Термообработка молока оказывает дестабилизирующее влияние на свойства эмульсии жира.
Температура плавления молочного жира составляет 27...34 °C. Молочный жир характеризуется высоким содержанием апилгли-церинов насыщенных жирных кислот, в том числе низкомолекулярных (масляной, капроновой, каприловой, каприновой), что обусловливает его низкую температуру плавления.
Кроме ацияглицеринов жирных кислот молочный жир содержит сложные липиды, такие, как фосфолипиды (лецитин, кефалин) и стерины.
Молочный жир обладает высокой пищевой ценностью, что обусловлено его низкой температурой плавления, высокой степенью дисперсности, хорошей усвояемостью (95 %).
В молоке содержатся разнообразные белки: преимущественно казеин — 2,7 %, альбумин — 0,4 %, глобулин — 0,12 %.
Казеин относится к фосфопротеидам, в молоке он присутствует в виде растворимой кальциевой соли. Он устойчив к дейст
251
вию высоких температур пастеризации. К кощуляции казеина приводит действие на него кислот, солей, ферментов. Образование сгустка происходит при молочнокислом брожении или действии сычужного фермента.
Альбумин находится в молоке в растворенном состоянии, он не осаждается кислотами и сычужным ферментом. При нагревании молока до температуры выше 70 °C происходит денатурация альбумина, образуется осадок.
Глобулин растворим в воде, свертывается при повышении температуры свыше 70 °C в слабокислой среде.
Белки молока и молочных продуктов представляют собой полноценные белки, содержащие все необходимые для организма человека аминокислоты. Альбумин и глобулин содержат дефицитные аминокислоты: лизин, триптофан, метионин, ipeo-нин. Усвояемость белков молока составляет 96...98 %.
Молочный сахар — лактоза находится в молоке в растворенном состоянии. Лактоза сбраживается молочнокислыми бактериями, кефирными дрожжами, пропионовокислыми бактериями, что используется в производстве творога, сыров, кисломолочных продуктов. В процессе длительного нагревания молока при высокой температуре в результате реакции меланоидинообразова-ния происходит накопление темноокрашенных продуктов, имеющих специфические вкус и аромат. Наиболее активно взаимодействие идет при стерилизации, сгущении и сушке молока, в меньшей степени — при пастеризации.
Минеральные вещества молока включают кальций, фосфор, калий и др. Кальций, находится в молоке в виде соединений с казеином, фосфорной и лимонной кислотами. Фосфор входит в состав солей фосфорной кислоты, казеина и фосфолипидов. Наличие в молоке кальция в легкоусвояемой и хорошо сбалансированной с фосфором форме делает молоко и молочные продукты важнейшим источником кальция в рационе питания, особенно в детском возрасте.
Молоко содержит почти все необходимые человеку витамины, однако их содержание невелико и существенно зависит от времени года, рациона кормления и породы животных.
Оценку качества молока проводят по органолептическим (запах, цвет, консистенция, вкус) и физико-химическим (плотность, титруемая кислотность, содержание жира) показателям, бактериальную обсемененность определяют по редуктазпой пробе.
В производстве пищевых продуктов используют пастеризованное молоко. Тепловая обработка молока при температуре ниже точки его кипения называется пастеризацией. В результате пастеризации погибают вегетативные формы микроорганизмов, улучшается качество и повышается стойкость молока при хранении. Используют различные режимы пас-
252
геризации: длительную — при температуре 63—65 °C с выдержкой 30 мин, кратковременную — при температуре 72...76 °C с выдержкой 15...20 с, моментальную — при температуре 85 °C без выдержки.
Пастеризованное молоко вырабатывают с содержанием жира не менее 2,5; 3,2; 3,5; 6 %, а также нежирное. Все виды пастеризованного молока хранят при температуре 0...8 °C не более 36 ч с момента окончания технологического процесса. Кислотность молока не должна превышать 20—21 °Т.
Молоко сгущенное
Вырабатывают сгущенное молоко с сахаром цельное и нежирное, а также сгерилизованное.
Сгущенные молочные консервы с сахаром вырабатывают из цельного молока, обезжиренного молока или пахты, полученной при изготовлении сладкосливочного масла.
Нормализованную молочную смесь смешивают с сахарным сиропом, сгущают в вакуум-аппаратах до стандартной массовой доли сухих веществ. Готовый продукт быстро охлаждают в вакуум-охладителях, при этом вносится затравка в виде мелкокристаллической рафинированной лактозы, что приводит к равномерной и быстрой кристаллизации лактозы. Продукт фасуют в металлические банки с герметической укупоркой для длительного хранения, а для использования в пищевой промышленности — в фанерные бочки и фляги.
Сгущенное молоко с сахаром должно иметь следующий состав: содержание сахара — не менее 43,5 % (цельное) и 44 % (нежирное), влаги и сухих веществ — соответственно не более 26,5 и 30 и не менее 28,5 и 26 %.
Сгущенное и концентрированное стерилизованное молоко готовят путем выпаривания в вакуум-аппаратах с добавлением пищевых солей-стабилизаторов для предотвращения коагуляции белков
Сгущенное молоко подвергают гомогенизации, при которой обеспечивается высокая степень диспергирования жировых шариков, что исключает расслоение продукта при хранении. Затем продукт фасуют в жестяные банки, герметически укупориваюг их и стерилизуют при температуре 117 °C с выдержкой 20...30 мин.
Сгущенное стерилизованное молоко должно содержать не менее 25,5 % сухих веществ, концентрированное стерилизованное молоко — не менее 27,5 %.
Сгущенное молоко необходимо хранить при температуре 0—10 °C и относительной влажности воздуха не более 75.,.85 %.
253
Сухие молочные продукты
Промышленность выпускает сухое молоко цельное и обезжиренное, пахту, сыворотку', сливки путем максимального удаления из продукта влаги, что позволяет получить стойкий при хранении продукт.
Цельное и обезжиренное молоко подвергают очистке, нормализации и пастеризации. Затем свободную влагу удаляют выпариванием, сгущенный продукт подвергают сушке. Наиболее часто используют распылительную или контактную сушку молока.
В процессе распылительной сушки предварительно сгущенное молоко распыляется в потоке горячего воздуха в сушильной камере, обезвоживание происходит за 1...2 с, причем температура частиц молока не превышает 50 °C. Высушенные частицы оседают в виде порошка на дно сушильной камеры, откуда его в дальнейшем выводят. Молоко распылительной сушки характеризуется высокой скоростью растворения.
При контактной сушке сгущенное молоко наносят на поверхность вальцов, разогретых до температуры 105... 130 °C. Образующуюся пленку высушенного молока размалывают, охлаждают я упаковывают.
Сухое молоко представляет собой белый порошок с разной формой частиц и массовой долей влаги от 4 до 7 %.
Сухое молоко хранят в герметической и негерметической упаковке при температуре до 10 °C и относительной влажности воздуха не более 75 %.
Сливочное масло
Сливочное масло — энергетически ценный пищевой продукт, который вырабатывают из молока. Сливочное масло представляет собой молочный жир, в котором равномерно распределены капельки плазмы и пузырьки воздуха.
В состав сливочного масла входит до 83 % молочного жира, около 16 % воды, 1...2% белков, лактозы, минеральных веществ, образующих плазму масла. В масле содержатся жирорастворимые витамины A, D, Е. водорастворимые витамины группы В и С, причем их количество в масле, полученном летом, существенно выше. Сливочное масло обладает высокой энергетической ценностью (2728...3130кДж/100 г) и усвояемостью (95...98 %).
Масло получают способом сбивания сливок или путем преобразования высокожирных сливок.
Производство сливочного масла способом сбивания включает стадии подготовки сливок, сбивания на маслоизготовителях периодического или непрерывного действия, промывания масла водой, механической обработки масла, фасования и упаковывания. При этом сливки жирностью 30...45 % пастеризуют при
254
температуре 85—90 “С, затем быстро охлаждают до 2—8 °C и выдерживают в течение 2—12 ч. В процессе созревания сливок молочный жир переходит в твердое состояние. При выработке кислосливочного масла пастеризованные сливки сквашивают в течение 12—16 ч при температуре 14—18 °C с помощью чистых культур молочнокислых бактерий, после чего проводят созревание массы при низких температурах.
Перед сбиванием температуру созревших сливок доводят до 7... 14 °C, так как при высокой температуре сбивания получают масло мягкой, слабой консистенции, а при низкой температуре — масло с крошащейся структурой. В процессе сбивания сливок в результате интенсивного механического воздействия разрушается белково-лецитиновая оболочка эмульгированных шариков жира, они слипаются и образуют масляное зерно. Обезжиренную часть сливок, называемую пахтой, отделяют. Пахта — ценный пищевой продукт, содержит 0,2—0,5 % жира, 4,5—5 % лактозы, 3,2—3,5 % белка, 0,5—0,7 % минеральных ве-ществ.
Сбивание сливок проводят в маслоизготовителях периодического или непрерывного действия. После сбивания пахту отделяют, а масляное зерно промывают водой. Затем для получения однородной структуры, определенной пластичности и для удаления воды проводят механическую обработку масла на специальных машинах.-При выработке соленого масла сухую соль или ее насыщенный раствор вносят в масло перед началом механической обработки или в процессе ее. Соль растворяется в плазме масла и препятствует развитию микроорганизмов, поэтому соленое масло более стойко при хранении.
Производство сливочного масла путем преобразования высокожирных сливок на поточных линиях включает стадии получения сливок, жирность которых равна жирности сливочного масла (83 %), и придания им структуры и консистенции сливочного масла.
Сливки жирностью 35—40 %, предназначенные для выработки масла, подвергают пастеризации при температуре 85—90 °C. Затем их сепарируют и получают сливки жирностью 83 %. Высокожирные сливки подают в маслообразователь, где быстро охлаждают до температуры 12—14 °C и подвергают механической обработке. В результате обработки происходит кристаллизация молочного жира, образуется однородная структура масла с равномерно распределенной влагой. Масло, изготовленное поточным способом, обладает большой стойкостью при хранении.
Сливочное масло, предназначенное для длительного хранения, хранят в холодильных камерах. Продолжительность хранения при температуре —18 °C составляет 12 мес, при —12 ВС — до 9 мес. Фасованное масло может храниться при температуре —18 °C не более 1 мес.
255
Промышленность вырабатывает сливочное масло несоленое, соленое, вологодское, любительское, крестьянское и бутербродное. Несоленое сливочное масло готовят из свежих пастеризованных сливок (сладкосливочное) или из предварительно сквашенных сливок (кислосливочное), которое содержит не менее 82,5 % жира и не более 16 % влаги.
Соленое сливочное масло (сладкосливочное и кислосливочное) получают аналогично несоленому, но с добавлением 1 % поваренной соли. Содержание жира в нем не менее 81,5 %, влаги — не более 16 %
Вологодское сладкосливочное масло вырабатывают из сливок, прошедших пастеризацию при температуре 95...98 ПС, в результате масло приобретает специфические вкус и аромат. Оно содержит не менее 82,5 % жира и не более 16 % влаги.
Любительское сливочное масло изготавливают из свежих или сквашенных пастеризованных сливок. Содержание жира в любительском масле не менее 78 %, влаги — не более 20 %. Соленое любительское масло содержит не менее 77 % жира, не более 20 % влаги, I % поваренной соли.
Крестьянское масло вырабатывают сладкосливочное и кислосливочное, оно содержит не менее 72.5 % жира и не более 25 % влаги.
Бутербродное масло (сладкосливочное и кислооливочное) должно содержать не менее 61,5 % жира и не более 35 % влаги.
Топленое масло
Топленое масло получают вытапливанием молочного жира из сливочного масла. Для этого используют способы сепарирования и отстоя. Готовое топленое масло фасуют в деревянные бочки, металлические фляги и банки. Дтя получения однородной зернистой структуры топленого масла применяют специальные режимы охлаждения. Массовая доля жира в топленом масле не менее 98 %, влаги не более 1 %.
Качество сливочного и топленого масла оценивают по химическим и органолептическим показателям. Масло должно иметь чистые вкус и запах, характерные для данного вида, без постороннего привкуса и запаха. Консистенция топленого сливочного масла при 10... 12 "С плотная. Поверхность масла в разрезе слабоблестящая и сухая на вид или с наличием одиночных мельчайших капелек влага. Консистенция топленого масла мягкая, зернистая, растопленное масло должно быть прозрачным, без осадка. Цвет масла однородный, от белого до светло-желтого. Содержание жира и влаги должно соответствовать ГОСТу на данный вид масла.
256
ВОДА
Предприятия пищевых производств потребляют большое количество воды для технологических целей. Вода может служить сырьем и входить в состав готового продукта (хлеб, пиво, ликеро-водочные изделия, квас и др.). Воду используют в качестве растворителя для получения растворов сырья, сиропов, диффузионного сока и др.
Пищевые предприятия используют преимущественно воду из городских водопроводов, а также из артезианских скважин, рек и водохранилищ.
Свойства и состав воды должны соответствовать ГОСТу. Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.
Органолептически определяют запах, вкус и привкус, цветность и мутность. Вода должна быть бесцветной, прозрачной, без запаха и привкуса.
Микробиологические показатели качества воды характеризуются общим числом микроорганизмов и числом бактерий группы кишечной палочки. Число микроорганизмов в I см3 воды не должно превышать 100. Отдельно определяют число бактерий группы кишечной палочки. Наличие их в воде свидетельствует о фекальном загрязнении Этот показатель характеризуется величиной коли-индекса, показывающей количество бактерий группы кишечной палочки в 1 см3 воды. Коли-индекс питьевой воды не должен превышать 3.
Безвредность химического состава воды обеспечивается в результате контроля содержания алюминия, молибдена, мышьяка, нитратов, полиакриламида, свинца, селена, стронция, фтора и бериллия.
В состав воды входят химические вещества (железо, кальций, магний, марганец, медь, сульфаты, хлориды, карбонаты), влияющие на органолептические свойства.
Существенное значение для ряда технологических операций имеет жесткость воды. Жесткостью воды называют свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция и магния. Единицей жесткости яаляется моль на кубический метр (моль/м3). Величине жесткости воды 1 моль/м3 соответствует массовая концентрация эквивалентов ионов кальция 20,04 г/м3 и ионов магния 12,153 г/м3. Числовое значение жесткости, выраженное в моль/м3, равно числовому значению жесткости, выраженному в мг-экв/л.
Различают следующие виды жесткости: общая, карбонатная, некарбонатная, устранимая и неустранимая.
Общая жесткость выражается суммой молярных концентраций эквивалентов ионов кальция (1/2 Са2+) и магния (1/2 Mg2+)
257
в воде. Величина общей жесткости питьевой воды не должна превышать 7 моль/м3
Карбонатная жесткость воды определяется суммой молярных концентраций эквивалентов карбонатных (СО3Д и гидрокарбо-натных (HCOj) ионов в воде.
Некарбонатная жесткость воды представляет собой разность между общей и карбонатной жесткостью и связана с наличием в воде сульфатов и хлоридов.
Устранимая жесткость обусловлена наличием в воде карбонатных и гидро карбонатных ионов солей кальция и магния, которые при длительном кипячении образуют осадок. Данный вид жесткости воды определяется экспериментальным путем.
Неустранимая жесткость воды представляет собой разность между общей и устранимой жесткостью, ее величина зависит от содержания солей, не выделяющихся после кипячения.
Окисляемость воды характеризует загрязненность ее органическими веществами- Окисляемость выражают в миллиграммах кислорода, израсходованного на окисление примесей, содержащихся в 1 дм3 воды. Окисляемость питьевой воды не должна превышать 3 мг О2/дм3.
Суммарным показателем качества питьевой воды является содержание сухого остатка нелетучих неорганических и органических веществ, не превышающее 1000 мг/дм3.
При подготовке питьевой воды, удовлетворяющей соответствующим гигиеническим требованиям, проводят ее очистку, которая включает в себя осветление воды фильтрованием, удаление коллоидных примесей коагуляцией, умягчение воды, обеззараживание путем хлорирования или озонирования.
Некоторые пищевые технологии представляют особые требования к величине жесткости воды. Так, при производстве солода нежелательно использовать воду с высокой карбонатной жесткостью. Общая жесткость воды для пивоваренного производства не должна превышать 4...5 моль/м3, а для производства светлых сортов пива — не более 3 моль/м3. В ликеро-водочном производстве применяют волу с общей жесткостью в пределах 1 моль/м3. Таким образом, для перечисленных производств необходимо удалить соли кальция и магния, обусловливающие жесткость воды.
Существуют различные способы умиления воды. Для этого в воду добавляют реагенты (известь и карбонат натрия), которые переводят соли жесткости в нерастворимые соединения, а образовавшийся осадок затем отделяют фильтрованием.
Умягчение воды с помощью ионообмена состоит в том, что воду пропускают через ионообменные фильтры. В катионитовом фильтре происходит замещение ионов калыдия и магния на ионы водорода или натрия. Лимонитовые фильтры применяют
258
для очистки воды от кислотных радикалов. Ионообменные фильтры применяют для обработки воды с невысокой жесткостью. Этот эффективный метод очистки дает возможность получить очень мягкую воду.
Кшггрольные вопросы
1.	Из каких анатомических частей состоит зерновка злаковых культур?
2.	Чем отличается зерно ржи от зерна пшеницы?
3.	В чем особенности твердой и мягкой пшеницы?
4.	Какими свойствами характеризуется зерновая масса?
5.	В чем заключается подготовка зерна к помешу?
6.	Как получают муку сложным повторительным помолом?
7.	Какими физико-химическими показателями характеризуется качество муки?
8.	Каков химический состав муки?
9.	Что такое солод и какова его роль в производстве?
10.	Какие виды солодов используют в нишевой промышленности?
11.	Каков химический состав крахмала?
12.	Чем объясняются гигроскопичность крахмала и его адсорбционная способность?
13.	Что служит сырьем для получения крахмала?
14.	Какие требования предъявляют к готовому сахару-песку?
15.	Чем отличается сзхар-рафинад от нерафинированного сахара?
16.	Какие основные масличные культуры произрастают в России?
17.	Что входит в состав коровьего молока?
18.	В каких условиях хранят пастеризованное молоко?
19.	Какие виды сгущенных молочных консервов вы знаете?
20.	Какие вады сливочного масла вы знаете?
21.	Что такое жесткость воды?
22.	В каких единицах выражается жесткость воды?
23.	Как проводят умягчение воды?
Глава 13
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ
В производстве пищевых продуктов кроме основного сырья используют разнообразное дополнительное сырье. Самое распространенное: соль, желирующие, пенообразующие, поверхностноактивные вещества, пищевые красители, ароматизаторы и кислоты, а также яйца и яйцепродукгы.
ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ
Пищевая поваренная соль представляет собой кристаллический хлорил натрия, содержит примеси других солей (преимущественно хлориды магния и кальция).
Поваренную соль в качестве консерванта применяют в консервной промышленности, а также в качестве вкусовой добавки в хлебопекарном, кондитерском и пищеконцентратном производствах.
259
В зависимости от способа производства поваренная соль бывает каменной, самосадочной, садочной и выварочной. При различных способах обработки получают молотую соль различной крупноты помола (сеяную и несеяную).
Каменную соль, находящуюся в виде месторождений, добывают открытым или закрытым способом путем устройства шахт.
Самосадочную соль добывают из соляных озер, которые являются основными источниками соли.
Садочную соль добывают в небольшом количестве путем испарения воды из естественных водоемов или искусственных бассейнов, в результате из пересыщенных растворов выпадает кристаллический осадок хлорида натрия.
Выварочную соль получают, проводя очистку, уваривание и выделяя кристаллы хлорида натрия из рассолов поваренной соли. Этот вид соли содержит наименьшее количество посторонних^ примесей.
Йодированная соль представляет собой поваренную соль с добавлением йодида калия. Эта соль служит для профилактики заболевания щитовидной железы в районах, где жители не получают достаточного количества йода с продуктами питания.
Пищевую поваренную соль выпускают следующих сортов: экстра, высший, I и II. Соль не должна иметь запаха и посторонних механических примесей. По вкусу 5%-го раствора соли сулят об отсутствии посторонних привкусов и запахов. Соль экстра должна иметь белый цвет, для других сортов допускаются оттенки (сероватый, желтоватый, розоватый). Содержание хлорида натрия в поваренной соли различных сортов должно быть не менее: экстра —99,7 %, высший —98,4, 1 — 97,7, П— 97 %. Содержание влаги зависит от способа производства и сорта соли и составляет для соли экстра не более 0,1 %, высшего и I — от 0,25 (для каменной) до 5 % (для выварочной). ГОСТом также предусматривается определение содержания нерастворимых в воде веществ и химических примесей (кальций, магний, сульфат натрия, оксид железа и др.).
Йодированная соль всех сортов должна содержать 25 г йодида калия в 1 т соли, содержание влаги не должно превышать 0,5 %.
Размер частиц молотой поваренной соли определяется номером помола, для высшего и I сортов используют помолы № 0, I, 2, 3, для II сорта —1,2, 3.
В торговую сеть поваренная соль поступает в мелкой расфасовке в пачках, пакетах массой до I кг. На пищевые предприятия соль доставляют в мешках и хранят в отдельных помещениях с относительной влажностью воздуха не более 75 %. Поваренная соль очень гигроскопична, что связано с наличием в ней примесей. При значительных колебаниях отаосительной влажности воздуха она может отсыревать, затем при длительном хранении слеживаться, что сильно затрудняет ее использование.
260
На пищевых предприятиях поваренную соль хранят в растворе в специальных резервуарах с антикоррозионным покрытием. Перед использованием в производстве образующийся насыщенный раствор соли очищают отстаиванием и фильтрованием.
ЖЕЛИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Желирующие вещества используют в кондитерском, пищеконцентратном, консервном производствах для получения изделий студнеобразной структуры.
Пектин. Использование пектина и сырья, содержащего значительное количество пектиновых веществ, в пищевой промышленности основано на его способности образовывать студни в присутствии сахара и кислоты. Пектин используют при производстве фруктово-ягодного мармелада, желе, джемов, пастилы, фруктово-ягодных начинок и др.
Пектиновые вещества — это полисахариды второго порядка, содержатся в ягодах, фруктах, клубнях и стеблях растений. Массовая доля пектиновых веществ в плодах и овощах составляет в среднем 0,5...2,5 %. Основой строения пектиновых веществ является неразветвленная цепочка из остатков галакгуроновой кислоты. Пектиновые вещества находятся в растениях в растворимой (растворимый пектин) или нерастворимой (протопектин) форме.
В состав растворимого пектина входят полигалактуроновые кислоты, в которых часть карбоксильных групп этерифицирова-на метанолом. Растворимый пектин содержится в клеточном соке. Протопектин представляет собой соединение полигалактуроновой кислоты с другими веществами (крахмалом, арабаном, галактаном, целлюлозой и др.), принимает участие в образовании клеточных стенок растений, не растворяется в воде.
В процессе роста, созревания и хранения плодов и овощей происходит изменение соотношения пектиновых веществ. Период развития плодов характеризуется образованием в основном протопектина, в процессе созревания протопектин разрушается, образуя растворимый пектин. Так, твердость яблок зимних сортов, груш, айвы во многом обусловлена большим содержанием в них протопектина. При хранении плодов содержание протопектина снижается, происходит размягчение тканей.
Молекулярная масса пектина зависит от его происхождения. Наибольшую величину молекулярной массы имеет пектин из плодов цитрусовых культур, он обладает и самой высокой стуц-необразующей способностью.
В качестве сырья для производства пектина используют яблочные выжимки, корки цитрусовых плодов, а также свекловичный жом.
Пектиновые вещества способны образовывать студень в вод
261
ном растворе в присутствии пищевой кислоты и сахара, причем массовая доля пектина при этом должна быть 0,8... 1,2 %, сахара — 65...70, кислоты — 0,8... 1 % (pH 3,0...3,2). Сахар — дегидратирующий компонент, который снижает растворимость пектина. Однако плотный студень образуется только в кислой среде в результате взаимодействия между макромолекулами биополимера с возникновением структурного каркаса.
Лучшей студнеобразующей способностью обладают яблочный и цитрусовый пектины, что связано с величиной молекулярной массы и большим содержанием метильных групп в молекулах пектиновых веществ.
Агар. Агар вырабатывают из морской водоросли анфельции. Агар —- высокомолекулярное соединение (полисахарид), состоящие из остатков галактозы.
Агар почти не растворяется в холодной и хорошо растворяется в горячей воде температурой 90 °C и выше. При набухании связывает 4... 10-кратное количество воды. Полученный коллоидный раствор при охлаждении образует студень, имеющий стекловидный излом. Прочные студии можно получить мри массовой доле агара от 0,3 до 1 %. Прочность агаросахарного студня больше прочности агарового студня.
Важное свойство агара — это низкая температура студнеобра-зования агаросахарных сиропов, которая позволяет добавлять различные виды сырья в сиропы при невысокой температуре. Внесение пищевых кислот не оказывает влияния на прочность студня, если процесс производства проходит при температуре около 50 °C. Нагревание в кислой среде снижает студнеобразующую способность агара, так как при этом происходит гидролитическое расщепление его молекул.
Агароид и фурцелларан. Кроме агара в пищевой. промышленности используют агароид и фурцелларан.
Агароид представляет собой полисахарид, содержащий серу, натрий, калий, кальций и др. Агароид получают из морских водорослей филлофоры. Студнеобразующая способность агарои-да существенно ниже, чем у агара, поэтому вносимое количество его увеличивают втрое. Образование студня на основе агароида происходит при более высокой температуре, чем из агара. При нагревании до температуры выше 70 °C в присутствии пищевых кислот студии из агароида становятся менее прочными. С целью снижения температуры студнеобразования и предотвращения гидролиза агароида в сироп вносят лактат, цитрат или гидрофосфат натрия.
Фурцелларан получают из морских водорослей фурцелля-рии. Это полисахарид, похожий на агар. Студнеобразующая способность фурцелларана меньше по сравнению с агаром, поэтому вносимое количество его в изделиях повышают в 1,5...2 раза.
262
Желатин. Желатин применяют для производства желе в кон-щтсрском производстве, а также в качестве осветлителя при жлейке вин.
Желатин представляет собой белок, получаемый из костей, сухожилий и шкур животных. Желатин набухает в воде, погло-цая при этом 10...15-кратное количество воды, при охлаждении растворов образует студень. Содержание желатина, необходимое гля студнеобразования, составляет 1...8 %.
ПЕНООБРАЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Пенообразователи используют в производстве зефира, пасти-пы, сбивных масс и начинок, восточных сладостей, халвы и др. В качестве пснообразующих веществ в промышленности используют яичный белок, гидролизаты молочного белка и мыльный корень.
Белок куриных яиц используют в свежем, сухом или замороженном виде. Яичный белок — основное пенообразующее вещество, применяемое при производстве сбивных масс, так как он образует стойкие пены в присутствии пищевых кислот. Количество вносимого белка составляет примерно 1...5 %.
Мыльный корень растения мыльнянки использую!' при изготовлении халвы. Он содержит пенообразователь сапонин в количестве 4... 15 %. Экстракт мыльного корня дает возможность получить стойкую пену. Однако, учитывая неблагоприятное действие сапонинов на состав крови, массовая доля их в готовом продукте не должна превышать 0.03 %. Экстракт мыльного корня применяют только для получения халвы, так как вредное действие сапонинов значительно снижается при наличии жиров, стеринов, лецитина, которые содержатся в высокомасличных семенах кунжута, подсолнечника, арахиса, используемых для приготовления белковой массы.
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) обладают способностью адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая поверхностное натяжение, препятствуя сближению и объединению частиц. Природные ПАВ —• это фосфолипиды, яичный белок, смолы, воски и др. Существует ряд синтетических ПАВ, используемых в хлебопекарном, кондитерском, макаронном и маргариновом производствах.
Фосфатидные концентраты наиболее широко применяют при производстве хлеба и хлебобулочных изделий, шоколада, мучных кондитерских изделий, маргариновой продукции. Пищевые фосфатидные концентраты получают из семян сои и подсолнечника.
263
Массовая доля фосфолипидов в фосфатидных концентратах должна составлять не менее 50 %.
Моноглицериды — синтетические ПАВ, представляющие собой смесь моноглицеридов различных жирных кислот. Они относятся к неионогенным ПАВ. Моноглицериды позволяют существенно замедлить процесс черствения хлебобулочных и мучных кондитерских изделий.
Эфиры моноглицеридов и диацетилвинной кислоты (ДВК-эфиры) — синтетические анионактивные ПАВ. Они применяются для улучшения качества хлеба из муки со слабой клейковиной.
Хлебопекарный улучшитель «Волжский» представляет собой смесь 60%-х моноглицеридов, ДВК-эфиров, хлопкового масла, саломаса из растительных масел и сахара. Улучшитель используют в хлебопечении для улучшения качества и увеличения сроков хранения хлеба.
При производстве маргарина и кулинарных жиров применяют эмульгаторы Т-1 и Т-Ф. Эмульгатор Т-1 представляет собой смесь моно-, ди- и триацилглицеринов. Эмульгатор Т-Ф получают смешиванием эмульгатора Т-1 и фосфатидных концентратов в соотношении 3:1.
ПИЩЕВЫЕ КРАСИТЕЛИ И АРОМАТИЗАТОРЫ
Пищевые красители используют для подкрашивания кондитерских изделий, пищеконцентратов, безалкогольных напитков и др. В промышленности применяют натуральные и синтетические красители. Натуральные красители (энокраситель, кармин и др.) получают из растительного сырья. Для подкрашивания пищевых продуктов разрешено использовать синтетические красители индигокармин и тартразин.
Энокраситель получают из выжимок винограда темных сортов. Окраска антоцианов, входящих в состав энокрасителя, определяется активной кислотностью среды. В кислой среде цвет красителя красный, в нейтральной и щелочной — синий. Поэтому энокраситель используют в производстве изделий, содержащих пищевые кислоты.
Кармин — красный краситель, получаемый из насекомых, живущих на кактусах, Целый ряд натуральных красных красителей получают из ягод бузины, вишни, жимолости, ежевики, черники, черноплодной рябины, корнеплодов столовой свеклы и др.
Зеленый краситель получают экстракцией хлорофилла спиртом.
Ароматизаторы используют в производстве кондитерских изделий, пищеконцентратов, безалкогольных напитков и др. для
264
придания им определенного вкуса. В качестве ароматизаторов используют натуральные и синтетические вещества.
Натуральные ароматизаторы извлекают из эфирно-масличных культур: цитрусовых, аниса, кориандра и мяты. Синтетические ароматизаторы (ванилин, сложные эфиры органических кислот и спиртов и др.) получают путем органического синтеза.
Наиболее часто для ароматизации пищевых продуктов используют пищевые ароматические эссенции. В их состав входят растворы синтетических ароматизаторов, натуральные эфирные масла, сиропы, настои и экстракты натурального сырья. Эссенции содержат спиртовые или водно-спиртовые растворы компонентов, поэтому их необходимо добавлять в полуфабрикаты при сравнительно низких температурах.
ПИЩЕВЫЕ .КИСЛОТЫ
Пищевые кислоты (лимонную, винную, молочную) добавляют в кондитерские изделия, пищеконцентраты и безалкогольные напитки для придания им кислого вкуса. Уксусную кислоту используют при производстве консервов. Пищевые кислоты  являются слабыми органическими кислотами.
Пищевая лимонная кислота	представляет собой
кристаллогидрат трехосновной кислоты.- Её получают в результате ферментации сахаросодержащих сред грибом A. niger. Для приготовления питательных сред используют мелассу.
Промышленность выпускает лимонную кислоту трех сортов (экстра, высший, 1) в виде бесцветных кристаллов или белого порошка, хорошо растворимого в воде. Невысокая температура плавления 70...75 ВС позволяет вносить кристаллическую лимонную кислоту в кондитерские полуфабрикаты, имеющие высокую температуру, при этом расплавленная кислота хорошо смешивается с полуфабрикатом.
Пищевая винная кислота является двухосновной кислотой. Винную кислоту получают преимущественно из винного камня и виннокислой извести. Винный камень образует кристаллический осадок на дне и стенках емкостей для брожения, обработки и выдержки вина. В состав винного камня входят до 75 % винной кислоты в виде калиевой и кальпиевой солей, а также различные примеси.
Виннокислую известь СаС^ЦО^ получают из выжимок винограда, дрожжевых осадков и др. при обработке их известковым молоком Са(ОН)з, мелом СаССЬ и хлоридом кальция. Виннокислая известь содержит около 50 % винной кислоты. В процессе производства в виннокислую известь добавляют серную кислоту, в результате чего образуется свободная винная кислота. Раствор винной кислоты очищают, упаривают и получают кристаллическую кислоту. Кристаллы винной кислоты хорошо рас
265
творяются в воде. Винную кислоту вырабатывают высшего и I сортов.
Пишевую молочную кислоту С^Н^Оз получают ферментацией углеводсодержашего сырья молочнокислыми бактериями Дельбрюка. Она представляет собой водный раствор смеси молочной кислоты и лактилмолочных кислот. Выпускаю»' 40%-ю молочную кислоту трех сортов: высшего, I и II. Молочная кислота легко подвергается дегидратации с образованием ангидридов молочной кислоты, что приводит к снижению кислого вкуса товарной молочной кислоты.
Пищевую уксусную кислоту СН3СООН получают в виде столового уксуса и уксусной эссенции. Столовый уксус •— водный раствор уксусной кислоты — получают путем уксуснокислого брожения спиртосодержащих жидкостей или путем разбавления уксусной эссенции водой. Промышленность выпускает виноградный, спиртовой, яблочный уксус, содержащие 3...9 % уксусной кислоты.
Уксусную эссенцию с массовой долей уксусной кислоты, равной 70...80 %, можно получить путем перегонки столового уксуса. В пищевой промышленности используют уксусную эссенцию, содержащую 70...80 % уксусной кислоты, полученную химическим путем при сухой перегонке древесины.
ЯЙЦА И ЯЙЦЕПРОДУКТЫ
Яйца и яйцепродукты широко используют в хлебопекарном, кондитерском и пищеконцентратном производствах. Применяю!' преимущественно куриные яйца, а также мороженые (меланж, желток, белок) и сухие яйцепродукты (яичный порошок, белок, желток).
Яйца содержат: около 73,6 % воды, 12,8 — белков, 11,8 — жиров, 1 — углеводов а 0.8 % минеральных веществ. Составные части яйца: белок — 56 %, желток — 32 и скорлупа — 12 %.
В состав яичного белка входят азотистые вещества (белки), обеспечивающие ценообразование. Яичный желток имеет большую пищевую ценность, так как содержит 32,6 % жира, 16,6 % белков, витамины, в том числе жирорастворимые.
Яйца бывают диетическими и столовыми. Диетические яйца должны иметь массу не менее 44 г и срок хранения не более 7 сут после снесения. Столовыми являются яйца, имеющие массу до 43 г независимо от срока хранения, а также яйца массой более 44 г со сроком хранения более 7 сут.
Яичный меланж — это замороженная яичная смесь, освобожденная от скорлупы. Иногда вырабатывают меланж, содержащий 0,8 % поваренной соли или 5 % сахара. Производят также мороженые яичный белок и желток.
Яичный порошок представляет собой высушенную яичную
266
массу. Высушивают также отдельно белок и желток, получая соответствующие сухие продукты. Высушивание проводят в распылительных сушилках. Содержание влаги в яичном порошке должно составлять 4...8,5 %.
Контролшые вопросы
1.	Какие бывают виды поваренной сопи?
2.	С какой целью проводят йодирование соли?
3.	Какие свойства пектиновых веществ используют в пищевой промышленности?
4.	Чем отличается студнеобразуюшая способность агара, агароида и фурцел-ларана?
5.	Какие пенообразователи используют в производстве зефира и сбивных масс?
6.	Какие синтетические ПАВ замедляют черствение хлеба?
7.	Какие синтетические красители разрешено использовать в пищевой промышленности?
8.	Какие пищевые кислоты используют в пищевой промышленности?
9.	Что входит в состав куриных яип?
10.	Какие виды яйцепродуктов вы знаете?
11.	Где используется низкоосахаревная крахмальная патока?
12.	Какие показатели качества характеризуют картофельный и кукурузный крахмал?
Раздел IV ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Глава 14
ТЕХНОЛОГИЯ САХАРА
Сахарное производство — крупнейшая отрасль пищевой промышленности, объединяющая сахаропесочное и сахарорафинадное производство. В Российской Федерации действуют 95 свеклосахарных заводов, перерабатывающих в сутки 280 тыс. т свеклы, 3 сахарорафинадных завода и 8 сахарорафинадных отделений при свеклосахарных заводах, вырабатывающих более 700 тыс. т сахара-рафинада. Сахарные заводы работают ПО... 150 сут в году, т. е. это сезонные предприятия. Период уборки сахарной свеклы длится 40...50 сут, остальное время убранную свеклу хранят на специально подготовленных кагатных полях в трапецеидальных кучах, называемых кагатами. Каждый кагат имеет размеры (50...100)х(8..Л8)х(2...5) м. Укладка свеклы осуществляется кага-тоукдадчиками.
На всех сахарных заводах России принята единая топовая технологическая схема получения сахара-песка (рис, 43), которая включает следующие операции: непрерывное обесса-харивание свекловичной стружки, прессование жома, возврат всей жомопрессовой воды в диффузионную установку, из-вестково-угдекислотная очистка диффузионного сока, три кристаллизации и аффинация желтого сахара Ш кристаллизации.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ САХАРА-ПЕСКА
Сахарная свекла (Beta vulgaris) — двулетнее засухоустойчивое растение, принадлежащее к ботаническому семейству маревых. Для получения сахара используют корнеплоды первого года развития. Масса корнеплода колеблется от 200 до 500 г. В клетках тканей корнеплода содержится клеточный сок с растворенными в нем сахарозой и другими веществами. Химический состав корнеплодов сахарной свеклы зависит от сорта, климатических и других условий их выращивания и
'26Й
СВЕКЛА
| Доставка свеклы на завод, отделение примесей]
I Мойка свеклы | | Взвешивание [
! Обессахаренная [ стружка I
1	• г
•	| Сушка]
|Йзрезываиие свеклы в стружку]
Вода Получение диффузионного
На корм На корм скоту скоту
сока (содержание сух веществ 10 ..12%)
|	Ы
I (содержание 
Варка утфеля Ш
"В сухих веществ 94,5.. 96%)|
 ..........t -------------
| Очистка диффузионного сока
Сгущение сока до сиропа | (содержание сухих веществ 65%) I
[Центрифугиро- I___
вание утфеля Ш |	|
. ♦
IПеремешивание и охлаж дение утфеля
Варка утфеля I
I (содержание сухих веществ 92%)
77 ~ “ Т —.............— -
центрифуги I феля I
.  1--------'
I Влажный ] I Оттеки утфеля I I
I сахар-песок I 1---—J
Пробеливание и 1___
рование утфеля
....f......•. ..—
____ZZZZZ
Сахар Ш кристаллизации
........i_________
I Аффинация и I
I центрифугирование]
| Сахар-аффимад| | Оттеки*]—
Я
X к а
[Варка утфеля II	1
(содержание сухих веществ 93,0%) I
....... t	.	~
I Центрифугирование утфеля III
(Сахар I {Оттеки утфеля lit— II кристаллизации I 1------------------
Растворение и горячей воде (клерование)
Вода
Рис. 43. Типовая технологическая схема получения сахара-песка
хранения. Примерный химический состав сахарной свеклы представлен на рис. 44.
В корнеплодах сахарной свеклы содержится 20...25 % сухих веществ, которые в сахарном производстве условно делят на сахарозу и несахара. Под несахарами понимают все остальные сухие вещества, включая редуцирующие и рафинозу, кроме сахарозы. Содержание сахарозы колеблется от 14 до 18 %. Важным показателем является чистота сока, под которой понимают процентное отношение сахарозы к сухим веществам свеклы. Для
269
Рис. 44. Примерный химический состав сахарной свеклы
приведенного выше среднего химического состава свеклы чистота сока (%) подсчитывается следующим образом:
Ч = 100-18,69/(18,69 + 3,04) = 86,6,
где 18,69 —-содержание сахарозы; 3,04 — содержание несахаров в 100 кг сока.
При закладке свеклы в кагаты определяют соответствие ее требованиям ГОСТа по следующим показателям: физическому состоянию, спелости, общей загрязненности и т. д. В кагаты длительного хранения укладывают здоровые корнеплоды без механических повреждений с минимальным количеством примесей. Наружная ткань корнеплодов обладает естественным иммунитетом, препятствующим развитию микроорганизмов. При механическом повреждении корнеплодов и нарушении режимов их хранения фитопатологические потери могут достигать весьма значительных размеров. Поэтому поврежденную свеклу сразу направляют на переработку.
В процессе хранения свекла дышит. Дыхание может быть как аэробным, так и анаэробным. В том и другом случае на процесс дыхания расходуются сухие вещества свеклы (в основном сахар), причем при аэробном дыхании потери сухих веществ значительно ниже, поэтому следует проводить вентилирование кагатов, так как оно предохраняет корнеплоды от излишней потери сахара. Оптимальная температура для хранения свеклы 0...2 °C. Повышение температуры способствует увеличению интенсивности дыхания корнеплодов, что весьма нежелательно.
270
Во избежание подмораживания боковые поверхности кагатов среднего и длительного сроков хранения укрывают теплоизоляционными материалами. В районах с устойчивыми морозами свеклу в кагатах замораживают, такая свекла не дышит и может храниться без потерь длительное время, однако после размораживания ее следует немедленно направлять на переработку.
При каждом свеклосахарном заводе имеется специальное отделение (бурачная), предназначенное для бесперебойного снабжения производства свеклой и создания 1...2-суточного запаса.
ПОДГОТОВКА СВЕКЛЫ К ПРОИЗВОДСТВУ
Доставка свеклы на завод и отделение примесей. Из бурачной на завод свеклу подают по гидравлическому транспортеру, по которому она движется под давлением воды. Свекла содержит от 5 до 15 % различных примесей (ботва, солома, песок, камни), которые, если их не удалить, ухудшают работу оборудования, могут вызвать его поломку, снижают качество диффузионного сока и выход сахара. Отделению примесей придается очень большое значение, и частичную мойку свекла проходит уже в гидравлическом транспортере. Для этой цели транспортер снабжается специальными устройствами: ботвосоломо-, песко- и камнело-вушками. Однако окончательно свёклу моют в специальных моечных машинах, установленных в моечном отделении завода. Наибольшее распространение получили моечные машины марки КМЗ-57М производительностью до 1,5 тыс. т свеклы в сутки.
Машина марки КМЗ-57М представляет собой корытообразную емкость, разделенную перегородкой на два отделения — моющее и выбрасывающее. В моечном отделении расположены шнек для подачи свеклы и вал с кулачками для ее интенсивного перемешивания и оттирания грязи. Уровень воды в моечном отделении на 300...400 мм выше уровня вала, что позволяет удалять всплывающие легкие примеси. Машина снабжена песко- и камнеловушками. Лучшая эффективность отмывания свеклы достигается в струйных свекломойках.
Затем чистую свеклу поднимают ленточным транспортером или ковшовым элеватором в верхнее помещение завода, где проводят ее электромагнитную очистку и взвешивают.
Изрезывание свеклы в стружку. Сахарозу извлекают из свеклы диффузионным способом. Доя этого свеклу измельчают в тонкую стружку желобчатой, пластинчатой, ромбовидной и другой формы в зависимости от качества самой свеклы и типа диффузионных аппаратов. Качество стружки оценивают длиной 100 г стружки в метрах (число Силина) или отношением массы стружки длиной более 5 см к массе стружки длиной менее 1 см (шведский фактор) и содержанием в ней брака. В непрерывнодействующих диффузионных аппаратах используют стружку, длина 100 г
271
который составляет 9... 15 м, шведский фактор должен быть при этом не ниже 8. Допустимое количество брака в стружке не должно превышать 3 %. Для получения свекловичной стружки используют центробежные, дисковые или барабанные свеклорезки. В центробежных свеклорезках свекла поступает во вращающийся ротор-улитку, прижимается к ножам, установленным в вырезах вертикального цилиндрического корпуса, и режется в стружку.
Ножи неподвижны, в случае необходимости их можно менять, не останавливая свеклорезку.
ПОЛУЧЕНИЕ ДИФФУЗИОННОГО СОКА
Получение диффузионного сока основано на явлении диффузии и подчиняется закону Фика, который устанавливает связь между количеством экстрагируемого вещества S и основными параметрами процесса,
5= DJF^i, X
где D — коэффициент, зависящий от величины молекул диффундирующего вещества, Д— площадь слоя; С—с—разница концентраций; х — толщина слоя; т — время диффузии.
На практике все эти величины имеют естественные ограничения. Так, количество сока, извлекаемое из 100 кг стружки (откачка сока), составляет 115.. 425 кг. При увеличении расхода воды на обессахаривание стружки (т. е. при увеличении разницы концентраций) возрастают и расходы топлива и электроэнергии на ее последующее выпаривание, что экономически невыгодно. Длительность обессахаривания т, параметры самой стружки Д х обусловливаются конструктивными особенностями используемых диффузионных аппаратов. Так, длительность диффундирования в аппаратах непрерывного действия при использовании грубой стружки составляет 70...80 мин, а температура, при которой идет диффузия, не должна превышать 75 °C, так как при ее повышении стружка будет сильно развариваться и забивать ситовые поверхности.
В настоящее время извлечение сахарозы из свекловичной стружки производится в непрерывнодействующих диффузионных аппаратах по схеме, представленной на рис. 45.
Стружка концентрацией сахарозы С2 поступает в головную часть (Л) диффузионного аппарата и движется к хвостовой его части (В), отдавая сахарозу движущемуся навстречу растворителю. В хвостовой части аппарата находится стружка с очень малым количеством сахарозы, но так как сюда поступает чистая вода, то диффузия продолжается. Таким образом, разность кон-272
Рис. 45. Схема противоточного обессахаривания свекловичной стружки:
С. Ci, Сг — концентрации сахара в свекловичной содхкс; с, о, С2 —-концентрации сахара в диффузионном соке
Свекловичная стружка
\ С2—-С—-С,—-Жом А --------------------В
Диффузионный	Вода (cj~O)
сок
центраций сохраняется во всех частях аппарата, что обеспечивает максимальное извлечение сахарозы из стружки. Потери сахара составляют 0,25...0,3 % к массе свеклы.
На сахарных заводах страны работают диффузионные аппараты различных систем: колонные диффузионные аппараты (КДА), наклонные диффузионные аппараты (ПДС и ДДС), ротационные диффузионные аппараты (РДА) и др.
Одноколонный диффузионный аппарат типа КДА (рис. 46) состоит из горизонтального отпаривателя 1, подогревателей и насосов 2 и непосредственно вертикального диффузионного аппарата 3.
Сокостружечная смесь температурой 75 °C подается насосом в нижнюю часть колонны и перемешается вверх навстречу воде с помощью вала 6 с лопастями 4 и неподвижных лопастей 5. Обессахаренная стружка (жом) выгружается из верхней части
273
аппарата и частично обезвоживается на шнековых водоотделителях. Подогретая до 72 °C свежая и жомопрессовая вода (pH 5,5...6,0) подается в верхнюю часть аппарата. Для того чтобы обеспечить необходимую температуру диффузионного процесса (74...75 °C), в данном типе аппаратов используется отпариватель Z. Диффузионный сок отбирается из нижней части аппарата и целится на два потока.
Один поток — основная масса сока сразу подается в теплообменную часть отпаривателя для предварительного подогрева свекловичной стружки, имеющей комнатную температуру. При этом сок охлаждается с 72 до 45...55 °C и направляется на следующую технологическую операцию — очистку. Подогретая таким образом стружка в мешалке отпаривателя смешивается со второй частью диффузионного сока, предварительно прошедшего через теплообменник и имеющего температуру 85 “С. Полученная сокостружечная смесь температурой 75 °C поступает на диффузию в нижнюю часть аппарата. Продолжительность активной диффузии в аппарате составляет 75...80 мин.
Колонные диффузионные аппараты имеют следующие недостатки: высокий отбор сока (125... 130 % к массе свеклы), использование дополнительных теплообменников и насосов для подогрева и откачки продукта, большая чувствительность к качеству стружки (длина 100 г стружки должна быть 11...13 м).
В России используют также несколько типов наклонных Шнековых диффузионных аппаратов типа ПДС и ДДС. Корпус этих аппаратов устанавливают под углом 1Г к горизонту. Аппарат условно делится на 6 секций. Сокостружечная смесь поступает в нижнюю часть аппарата и перемещается с помощью двух продольных шпеков к верхнему концу аппарата. Необходимая температура диффузионного процесса обеспечивается за счет имеющихся в аппарате паровых камер, без предварительного ошпаривания стружки. Длительность активной диффузии составляет 60...65 мин, средняя температура сокостружечной смеси 70 °C, при этом используется более тонкая стружка — длина 100 г стружки равна 15...18 м; отбор сока составляет 120...125 % к массе свеклы. Один из наиболее существенных недостатков наклонных Шнековых диффузионных аппаратов — неравномерный прогрев стружки по поперечному сечению аппарата.
ОЧИСТКА ДИФФУЗИОННОГО СОКА
Полученный диффузионный сок содержит 15... 16 % сухих веществ, из них 14... 15. % сахарозы и около 2 % несахаров. В число растворимых несахаров входят растворимые белки, аминокислоты, редуцирующие сахара, пектиновые вещества,
274
слабые азотистые основания, соли органических и неорганических кислот, а также хлопья скоагулированного белка и мезга. Он имеет кислую реакцию (pH 6,0... 6,5), очень темный, почти черный цвет и сильно пенится. Все несахара в той или иной степени задерживают кристаллизацию сахарозы, увеличивая потери сахара с мелассой. Чтобы избавиться от них, проводят очистку диффузионного сока известью (дефекация) с последующим удалением ее избытка диоксидом углерода (сатурация) (рис. 47).
Дефекация диффузионного сока
Обработку диффузионного сока известью (дефекацию) проводят в два этапа: предварительная дефекация и основная дефекация. На преддефекации к массе свеклы добавляют 0,2...0,3 % СаО. При этом pH сока медленно повышается до 10,8...11,6. На основной дефекации добавляют 2,5...3 % к массе свеклы СаО и pH сока повышается до 12,2... 12,3. Необходимость проведения дефекации в два этапа обусловлена тем, что небольшое количество извести оказывает коагулирующее действие на ряд веществ коллоидной дисперсности, содержащихся в соке. Преддефекация, проводимая при оптимальном pH, обеспечивает выведение в осадок до 80 % веществ коллоидной дисперсности и высокомолекулярных соединений сока, что составляет 30...40 % всех несахаров, удаляемых при очистке сока. Оптимум pH на преддефекации — величина непостоянная, зависящая от состава несахаров сока. Целью цред-дефекации являются также нейтрализация и осаждение кальциевых солей ряда кислот (лимонной, окси лимонной, яблочной, винной, щавелевой и др.), содержащихся в соке, и образование осадка, состоящего из крупных плотных частиц. Осадок хорошо фильтруется и устойчив к разрушающему действию ионов кальция в условиях высоких щелочности и температуры на основной дефекации. На сахарных заводах преддефекацию проводят путем одновременного введения всей необходимой извести (оптимальная преддефекания) или постепенного ее введения в течение 20...30 мин (прогрессивная преддефекаипя). Температура сока также может меняться: при проведении холодной преддефекации известь вводят в сок температурой до 50 еС, при проведении теплой —• 50...60, а при горячей преддефекации — 85...90 ЪС. Выбор режима проведения преддефекации зависит от качества перерабатываемой свеклы.
Предцефекация диффузионного сока. Оптимальная преддефекации осуществляется при температуре 85...90 °C. В качестве источника извести используется смесь нормально отсатурированного нефильтрованного сока I сатурации (100...150 % к массе свеклы) и дефекованного сока (15...30 % к массе свеклы), что обеспечивает оптимальное значение pH и
275
ДИФФУЗИОННЫЙ сок
________________f___________________
| Нагревание сока до 85...90°С I
| Пред1/аригельнаи дефекация сока |
Са(ОН)я-—	'
Г Основная дефекация сока |-
I
I сатура)сия сока
. *
I Нагревание сока до 85..-90°С I
_____________1_____________ Суспензия
I Отстаивание (фильтрование) сока }
------------ j—
Фильтрат
Вода
I
Отделение сатурационного осадка
j Контрольное фильтрование сока
‘----------- -L-. - Z.
I Нагревание сока до 92...95°С I
Са(ОН) г-	—*1
Ж
2.
к ы Н h р G 1
П сатурация сока
......i........
Фильтрование сока
Сульфитация сока
I Сок
| Нагревание сока до 126 .128°С
... ... I. .	,
I Сгущение сока выпариванием j
Желтый сахар ZU____________
Растворение желтого сахара
| Клеровз
I
j Сульфитация сиропа | | Нагревание сиропа до 85...90°С |
- ----------------------
I Фильтрование сиропа J-
—...	t...----------
Сироп на уваривание утфеля I
Рис. 47. Принципиальная технологическая схема очистки диффузионного сока
улучшает фильтрационные свойства осадка. В диффузионный сок поступают положительно заряженные частицы СаСОз, которые служат центрами коагуляции для отрицательно заряженных песахаров: белков, пектиновых веществ и других высокомолекулярных соединений. На последующей стадии очистки сока — сатурации — эти частицы, в свою очередь, также будут являться центрами кристаллизации СаСОз и органические несахара окажутся внутри кристаллов карбоната кальция. Образуется большое количество хорошо фильтруемого осадка, идет дальнейшая физико-химическая очистка сока. Оптимальную преддефекацию проводят в аппарате (рис. 48), который состоит из цилиндрического корпуса 3 с коническим днищем. Внутри аппарата находятся мешалки 4 и 5, контрлопасти 2, препятствующие вращению сока в аппарате, и пеносбрасыватель 1. Сок поступает в нижнюю часть аппарата, а отводится через верхнюю его часть.
Прогрессивная преддефекация. На некоторых сахарных заводах проводится прогрессивная преддефекация, так как она дает больший эффект осаждения коллоидных частиц и способствует получению крупнозернистого осадка. При этом нет необходимости строго соблюдать pH среды. Известь дозируют медленно в количестве на 20...30 % больше, чем требуется для достижения оптимального значения pH. Прогрессивную предде
фекацию проводят в горизонтальных преддефекаторах.
Освовная дефекация диффузионного сока. Эту дефекацию проводят сразу же после пред-дефекации без предварительного фильтрования или подогрева сока. Основные процессы, проходящие при основной дефекации: разложение ряда органических несахаров сока (амидов кислот, солей аммония, редуцирующих веществ), а также омыление жиров, доосаждение анионов кислот и создание избытка извести, необходимого для получения достаточного количества СаСОз на I сатурации.
В результате разложения амидов (аспарагина, глутамина и др.) выделяется аммиак, в растворе накапливаются растворимые соли кальция, которые ухудшают кристаллизацию саха-
Рис. 48. Аппарат для оптимальной прсдае<|)екации
277
розы и приводят к увеличению ее потерь. В результате разложения редуцирующих сахаров образуются органические кислоты: молочная, уксусная, муравьиная и другие, дающие с известью растворимые соли кальция. При омылении жиров образуются мыла, которые выпадают в осадок, и глицерин. Пектиновые вещества разлагаются с образованием метилового спирта, уксусной и полигалактуроновой кислот. Метиловый спирт при последующем выпаривании сока улетучивается, уксусная кислота образует водорастворимую уксуснокальциевую соль, а полигалакту-роновая кислота — труднофильтрующийся слизистый осадок — пектат кальция. Таким образом, в процессе дефекации из неса-харов, перешедших в раствор, образуются трудноотфильтровы-ваемые соли кальция и красящие вещества, ухудшающие качество очищенного сока.
Основную дефекацию проводят в аппарате, устройство которого сходно с устройством аппарата для оптимальной преддефе-кации. Длительность основной дефекации регулируется в зависимости от содержания несахаров в соке и способа проведения преддефекации. Обработку сока известковым молоком проводят при температурах ниже 50 °C (холодная дефекация), в интервале температур 50...60 °C (теплая) и 85...90 "С (горячая основная дефекация). Продолжительность холодной основной дефекации составляет 20—30 мин, оптимальная продолжительность горячей дефекации — 15...20 мин. Комбинированная холодно-горячая дефекация позволяет провести достаточно полное разложение несахаров и получить менее окрашенный сок. При этом первая ступень — холодная дефекация (при температуре ниже 50 °C) — длится 20...30 мин, вторая —- горячая (при температуре 85 °C) — 10...15 мин.
Сатурация диффузионного сока
Под сатурацией понимают обработку сока сатурационным газом, содержащим 30—34 % диоксида углерода.
Сатурацию проводят в две стадии (1 и II сатурации) с промежуточным отделением осадка несахаров. Чтобы предотвратить обратный переход в раствор несахаров, выпавших в осадок на стадиях преддефекации и дефекации, I сатурацию заканчивают при наличии в растворе небольшого избытка извести, как на преддефекации (0,2...0,3 % СаО, pH 10,8..,11,6).
I сатурация, может быть одно-, двух- и многоступенчатой. На большинстве сахарных заводов ее проводят одноступенчато. Диффузионный сок температурой 80...85 °C поступает сразу же после дефекации в одноступенчатый непрерывнодействующий сатуратор (рис. 49), который представляет собой цилиндрическую емкость 1 с коническим днищем и расширенной верхней частью. Сатурационный газ подается в нижнюю часть сатуратора
278
в четырех точках по касательной. Де-фекованный сок поступает сверху на коническую тарелку 3 навстречу потоку газа. В сатураторе установлены решетчатые перегородки 2, предназначенные для равномерного распределения сатурационного газа по всему объему сатуратора. Только 0,1 часть всей содержащейся в дефекованном соке извести находится в растворенном состоянии, а 0,9 — в виде осадка. При продувании диоксида углерода почти вся избыточная известь, проходя через более растворимое са-харатное состояние, выпадает в осадок уже в виде карбоната кальция. Частицы этого осадка несут на себе положительный заряд и адсорбируют на своей поверхности все отрицательно заряженные несахара. Таким образом, избыток извести, добавляемый на дефекации, позволяет получить большое количество мелкодисперсных частиц карбоната кальция, положительно заряженных и с большей площадью поверхности. Этим достигается хорошая физико-химическая очистка сока и облегчается его последующее фильтрование.
Рис. 49. Противоточный решетчатый сатуратор
Коэффициент использования сатурационного газа составляет 60...65 %.
Отсатурированный сок отводится из нижней части сатуратора через контрольный переливной ящик 5 и с помощью щитка 4
делится на две части — одна идет на проведение предварительной дефекации, вторая — на фильтрование и последующую обработку.
II сатурация. Проводится для снижения в соке концентрации растворимых солей кальция, так как неполное удаление кальциевых солей из сока приводит к образованию накипи в теплообменных аппаратах и увеличивает потери сахарозы. Обработку сока ведут в аналогичных стаураторах, но с меньшим надсоковым пространством, так как сок меньше пенится. Сок перед II сатурацией подогревают до 85...92 °C. П сатурацию ведут до pH сока не ниже 9,0 (примерно 9,25). Продолжительность операции составляет 10 мин, коэффициент использования сатурационного газа — 50 %.
279
Фильтрование сока
Сок после I сатурации содержит около 4—5 % осадка. После сатурации сок направляют в отстойники, после которых 75.-80 % всего сока представляют собой жидкость, содержащую только легкую муть и практически лишенную осадка. После отстойников сок сразу же направляется на контрольное фильтрование. Вторую часть сока (20—25 % общего его количества) — сгущенную суспензию, в которой содержится 18—20 % осадка, направляют на вакуум-фильтры.
В настоящее время для сгущения сока 1 сатурации применяют листовые фгмьтрьг-сгустигели (ФиЛС) периодического действия. Они позволяют резко повысить скорость сгущения осадка по сравнению с отстойниками и не требуют контрольной фильтрации сока.
Для контрольного фильтрования сока I сатурации и фильтрования сока II сатурации применяют дисковые фильтры (ФД), работающие под избыточным давлением 0,15—0,20 МПа.
Сульфитация сока
Для снижения цветности и щелочности фильтрованный сок II сатурации обрабатывают диоксидом серы в оросительных или жидкостно-струйных сульфитаторах. Сульфита-ционный газ содержит 10—15 % диоксида серы. При пропускании газа через диффузионный сок часть растворенного диоксида серы реагирует с водой, образуя сернистую кислоту. Последняя является хорошим восстановителем красящих веществ сока, превращая их в бесцветные соединения. Кроме того, сернистая кислота и ее соли блокируют карбонильные группы редуцирующих соединений — моносахаридов и продуктов их распада, предотвращая образование красящих веществ в соке. Сернистая кислота снижает также щелочность сока за счет перехода карбоната калия, обладающего щелочной реакцией, в нейтральный сульфит:
К2СО3 + H2SO3 = K2SO3 + Н2О + СО2,
что облегчает процесс кристаллизации сахарозы, снижая ее потери с мелассой. Оптимальное значение pH сульфитмрованного сока 8,5...8,8.
Состав очищенного сока. Сложный и многостадийный процесс очистки диффузионного сока обеспечивает удаление только 30—35 % несахаров. При этом почти полностью удаляются белки, 40—45 % безазотистых органических веществ и 10—12 % зольных элементов. Очищенный сок содержит (%): 12—14 сухих
280
веществ, из них 10—12 сахарозы; 0,5...0,7 азотистых веществ; 0,4-..0,5 безазотистых органических веществ и 0,5 золы. Чистота сока 86-92 %.
Сгущение сока выпариванием
Сгущение сока ведут в два этапа: сначала его сгущают до содержания сухих веществ 65 %, при этом сахароза еще не кристаллизуется, а затем после дополнительной очистки вязкий сироп сгущают до содержания сухих веществ 92,5...93,5 %, после чего отделяют кристаллы сахарозы. Всего из очищенного сока выпаривают 110...115 % воды к массе свеклы. Разделение процесса сгущения на два этапа вызвано тем, что на первом этапе при небольшой вязкости раствора процесс ведут в многокорпусных выпарных установках, что позволяет снизить удельный расход топлива примерно в 2,5 раза.
В качестве типовой на сахарных заводах применяют схему с использованием четырехкорпусной выпарной установки и концентратора. Последний корпус работает под разрежением.
Нагретый до температуры кипения (126 °C) сульфатированный сок направляется в первый корпус выпарной установки, где из него выпаривается часть воды, образуя вторичный пар. Сок последовательно проходит из первого корпуса во второй, третий, четвертый и затем в концентратор, сгущаясь до нужной плотности. Греющий пар подается только в первый корпус, остальные корпуса обогреваются вторичным паром предшествующего корпуса. Многократное использование теплоты пара в выпарной установке возможно только при условии понижения температуры кипения сока и давления, начиная от первого до последнего корпуса.
Концентратор не обогревается паром, в нем происходит только испарение воды за счет перепада давления. При сгущении сока происходит ряд процессов, приводящих к изменению его химического состава: идет разложение сахарозы и редуцирующих сахаров с образованием органических кислот, что снижает pH сока, повышается цветность сиропа из-за процесса карамелизации сахарозы и образования темноокрашенных продуктов взаимодействия редуцирующих сахаров с аминосоединениями, возрастает концентрация солей кальция, которые частично выпадают в осадок.
Из выпарной установки выходит сироп с содержанием сухих веществ 65 %. Его смешивают с клеровкой желтого сахара и сульфитируют до pH 7,8—8,2 при температуре 80—85 DC, после чего подогревают до 90—95 °C и фильтруют с добавлением вспомогательных фильтрующих материалов.
281
ВАРКА УТФЕЛЕЙ И ПОЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО САХАРА
Очищенный сироп, содержащий 55,..60 % сухих веществ, поступает на дальнейшее уваривание. Он содержит большую часть несахаров, которые не удалось выделить при очистке диффузионного сока. Чтобы выделить из сиропа практически чистую сахарозу, кристаллизацию проводят в кипящих пересыщенных растворах в вакуум-аппаратах при низкой температуре.
Продукт, полученный после уваривания, называется утфелем. Он содержит лишь 7,5...8 % воды, 92—92,5 % сухих веществ и около 55 % выкристаллизовавшегося сахара. Межкристальная жидкость представляет собой вязкий раствор, содержащий неса-хара и насыщенный раствор сахарозы.
Для того чтобы максимально извлечь сахар, содержащийся в сахарной свекле, при минимальных затратах топлива, кристаллизацию сахарозы ведут многократно. Рациональной является трехкристаллизационная схема продуктового отделения (рис. 50). По данной схеме сироп из сборника поступает в вакуум-аппарат и уваривается до содержания сухих веществ 92,5 %. Готовый утфель I кристаллизации (утфель I) спускают в приемную утфелемешал-ку. Через утфелераспределитель он поступает в центрифуги. В процессе центрифугирования отделяют кристаллы сахарозы и два оттека. Так как поверхность кристаллов покрыта пленкой межкристальной жидкости, здесь же, в центрифуге, кристаллы пробеливают артезианской водой температурой 70...95 “С. Воду расходуют в количестве 3...3,5 % к массе утфеля. Таким образом, первый оттек —это межкристальный раствор утфеля, содержащий некоторое количество мелких кристаллов, а второй получают при пробеливании кристаллов сахара. Сахар-песок выгружают из центрифуги с содержанием влаги 0,8...! % на вибротранспортер и элеватором подают в сушильно-охладительную установку, где высушивают горячим воздухом до содержания влаги 0,14 % (при бестарном хранении массовая доля влаги в сахаре-песке должна быть 0,03...0,04 %), а затем охлаждают. Когда сахар-песок проходит по ленточному транспортеру, из него удаляют ферропримеси с помощью магнитного сепаратора, а затем в сортировочной установке отделяют комки и выделяют три фракции по размеру кристаллов. Очистка воздуха от сахарной пыли ведется в циклонах. Далее сахар-песок поступает в бункер на хранение.
Оттеки, полученные при центрифугировании утфеля 1, подают в сборники и направляют на уваривание утфеля II кристаллизации (утфель II) в вакуум-аппараты до содержания сухих веществ 93 %.
Утфель II спускают* в приемную утфелемешалку, добавляют небольшое количество горячей воды и направляют в ценгрифу-ги. При центрифугировании отбирают два оттека, отличающиеся чистотой. Пробеливание кристаллов ведут также горячей водой,
282
Аффинационный утфель,
89...90% СВ
____________t________________
Центрифугирование, пробеливание водой
т
Аффинацион- Оттек после ный оттек
пробеливания сахара-аффинада
Сахар Ш кристал-	Клеровка в соке 
лизании (сахар- П сатурац ии до аффинзд)	65-70% СВ
Рис. 50 Трехкрисгаллизационная схема продуктового отделения
расходуемой в количестве 1 % к массе утфеля Оттеки направляют в вакуум-аппараты на уваривание утфеля Ши доводят содержание сухих веществ в нем до 93,5—94 %. Готовый утфель спускают через утфелемешалку в кристаллизационную установку, где происходит дополнительная кристаллизация сахарозы за счет охлаждения утфеля с 70--75 до 35...40 °C. Затем утфель подогревают в утфелераспределителе до 45...50 °C и центрифугирую!’ без иробеливамия сахара водой. Полученный оттек — мелассу насосом перекачивают в емкость для хранения.
Сахар III кристаллизации для повышения чистоты направляют в аффинатор, смешивают с первым оттеком утфеля I, разбавленным очищенным соком до 74...76 % сухих веществ, и получают аффинационный утфель (аффинация — растворение сахара Ш кристаллизации в разбавленном первом оттеке утфеля I до содержания сухих веществ 89...90 %). Часть сахаров при этом переходит в раствор. Утфель центрифугируют, отделяемый сахар пробеливают водой, и все оттеки сливают в сборник. Полученный сахар вместе с сахаром II кристаллизации подают шнеком в клеровочный аппарат и растворяют (клеруют) в соке II сатурации до содержания сухих веществ 65...70 %, после чего смешивают с сиропом из выпарной установки и подают на сульфитацию.
Утфель уваривают в периодически действующих вакуум-аппаратах в четыре этапа: получение пересыщенного раствора, завалка кристаллов сахара, наращивание кристаллов сахара, окончательное сгущение и спуск утфеля.
Чтобы предотвратить карамелизацию сахарозы, сироп сгущают выпариванием при остаточном давлении 0,020 МПа и температуре кипения 70...72 ° С. По мере сгущения сиропа до содержания сухих веществ 80...82 % температура его кипения при том же разрежении повышается до 74...76 'С, а коэффициент пересыщения—до 1,25...1,3 (коэффициент пересыщения показывает, во сколько раз в данном сиропе растворено сахарозы больше, чем в насыщенном растворе при тех же условиях).
При этом коэффициенте пересыщения, когда раствор находится в неустойчивом состоянии, начинают заводку кристаллов, вводя тонкоизмельченную сахарную пудру, что вызывает немедленное образование новых кристаллов. Своевременные заводка кристаллов и прекращение их образования имеют очень важное значение.
Поэтому, как только в утфеле окажется достаточное количество кристаллов, их образование прекращают, снижая коэффициент пересыщения до 1,08... 1,12, вводя новые порции сиропа. Дальнейшее наращивание кристаллов ведут при остаточном давлении 0,02 МПа и температуре 76 °C. Для того чтобы росли уже образовавшиеся кристаллы, но не образовывались новые, посто
284
янно вводят сироп, поддерживая при этом коэффициент пересыщения на уровне 1,12... 1,15.
Когда кристаллы сахарозы достигнут необходимой величины, утфель доводят до максимально возможной концентрации сухих веществ 92...92,5 %, при этом его температура не должна превышать 70...73 °C.
Утфель 1 кристаллизации подают в автоматизированную центрифугу периодического действия типа ФПН-125 1Л2 вместимостью 660 кг и сразу же центрифугируют. Ротор центрифуги, который представляет собой барабан, закрепленный на валу, заполняется утфелем. Межкристальный раствор под действием центробежной силы отделяется от кристаллов и направляется в сборник первого оттека. На поверхности кристаллов сахара остается тонкая пленка межкристального раствора, придающая им желтоватый цвет. Чтобы удалить ее, здесь же, в центрифуге, ведут пробелку сахара-песка горячей артезианской водой (3,0...3,5 % к массе утфеля), образовавшийся второй оттек поступает в соответствующий сборник. Содержание влаги в выгружаемом из центрифуги сахаре-песке 0,9...1,0 %. Сахар-песок температурой 55...60 °C поступает в сушильно-охладительную установку, состоящую из двух наклонно вращающихся стальных барабанов,* на внутренних стенках которых по винтовой линии закреплены лопатки. При вращении барабанов сахар-песок, пересыпаясь, одновременно передвигается вдоль барабана. Через первый сушильный барабан вентилятором просасывается горячий воздух температурой 105...НО °C, через второй — охлаждающий, очищенный холодный воздух. Охлажденный сахар-песок направляется на упаковывание.
ПЕРЕРАБОТКА ОТТЕКОВ
Полученные после центрифугирования и пробелки утфеля I оттеки являются насыщенными растворами сахарозы. Они используются для варки утфеля II. Процесс уваривания также проводится в вакуум-аппарате. Цикл состоит из тех же основных периодов. Длительность всего цикла уваривания составляет 300...330 мин. В первой стадии уваривания оттеки сгущают до концентрации сухих веществ 84,0...85,5 %, что соответствует коэффициенту пересыщения 1,30...1,35. Заводку кристаллов проводят при помощи сахарной пудры (60...80 г на 40 т утфеля). После наращивания кристаллов утфель окончательно шушают до концентрации сухих веществ 93,0 %.
Утфель II подают в центрифугу циклического действия в горячем состоянии сразу после спуска в утфелемешалку. Сагар пробеливают чистой горячей водой в количестве 1 % к массе утфеля. При центрифугировании отбирают два оттека с разной чистотой.
285
Утфель III уваривают из второго и первого оттеков утфеля II, аффинационного оттека и раствора, полученного от промывки сит в центрифугах утфеля III. Цикл уваривания утфеля в вакуум-аппарате состоит из тех же операций, только продолжительность уваривания в связи с меньшей чистотой оттеков здесь в 1,5...2,5 раза больше, чем утфеля П. До заводки кристаллов утфель уваривают при температуре 68 °C до содержания сухих веществ 83...85 %, что соответствует коэффициенту пересыщения 1,35...1,4. Перед самой заводкой кристаллов температуру утфеля повышают до 70...73 °C. Сахарную пудру вводят в количестве 150...200 г на 40 т утфеля.
Наращивание кристаллов проводят при коэффициенте пересыщения 1,15... 1,25 путем подкачивания первого оттека утфеля II.
Конечная концентрация сваренного утфеля должна быть в пределах 94.5—96,0 % сухих веществ. Из вакуум-аппарата утфель III поступает в приемную утфелемешалку и затем в кристаллизационную установку, состоящую из шести угфелемешалок-кристаллиза-торов. Утфель охлаждается холодной водой, движущейся навстречу утфелю внутри вала и пустотелых дисков утфелемешалок.
За время кристаллизации температура утфеля снижается с 70...75 до 35...40 °C. В течение всего процесса коэффициент пересыщения поддерживается в пределах 1,20—1,25, для того чтобы росли только имеющиеся кристаллы и не образовывалась кристаллическая «мука». Перед центрифугированием утфель нагревают до 45.,.50 °C в утфелемешалке и центрифугируют в центрифугах периодического действия ФПН 125 IJ1-3 без пробеливания сахара водой с отбором одного оттека — мелассы. При этом на поверхности кристаллов сахара остается слой мелассы и чистота желтого сахара составляет 94—95 %. Для повышения чистоты сахар подвергают аффинации, т. е. сахар III кристаллизации смешивают с разбавленным первым оттеком утфеля I до содержания сухих веществ 89...90 % и перемешивают в утфелемешалке в течение 20 мин при температуре 65 ЛС. В результате этого часть несахаров, содержащихся в пленке, покрывающей кристаллы сахара, перейдет в аффинирующий раствор и при цешрифугировании утфеля будет получен более чистый сахар-аффинад (чистота примерно 97 %). Сахар-аффинад и сахар II кристаллизации растворяют (клеруют) очищенным соком II сатурации при 80...85 “С до содержания сухих веществ 65—70 %, смешивают с сиропом из выпарной установки и подают на сульфитацию.
ПРОИЗВОДСТВО ЖИДКОГО САХАРА
С целью механизации погрузочно-разгрузочных работ, сокращения таких трудоемких операций, как упаковывание, складирование, транспортирование мешков сахара, их опорожнение, роспуск сахара, фильтрование и др., в соответствии с ОСТ 18-170
286
выпускают жидкий сахар трех видов: высшей, I и II категорий. Сырьем для его получения служит сахар-песок. Технологическая схема получения жидкого сахара следующая: сахар-песок после центрифугирования, минуя сушильное отделение, поступает в клеровочные мешалки, где он растворяется в конденсате выпарной установки до содержания сухих веществ 63...65 %. Затем жидкий сахар насосами перекачивается через мерники в резервуар, откуда подается в железнодорожные цистерны.
Жидкий сахар высшей категории фильтруют и очищают адсорбентом, а затем используют в безалкогольной, кондитерской и фармацевтической промышленности. Жидкий сахар I категории фильтруют с применением фильтроперлита, он находят применение в хлебопекарной, кондитерской, консервной и других отраслях пищевой промышленности.
Жидкий сахар высшей и I категорий получают на сахарора-финадных заводах, а сахар II категории —- на свеклосахарных заводах. Жидкий сахар II категории перерабатывают на сахарорафинадных заводах в сахар-рафинад.
ПОЛУЧЕНИЕ САХАРА-РАФИНАДА
В свекловичном сахаре-песке содержится некоторое количество несахаров (красящих веществ, зольных элементов и т. д.), придающих ему желтоватый цвет, а также привкус и запах.
Основная цель сахарорафинадного производства — получение кристаллического продукта высокого качества с содержанием чистой сахарозы не менее 99,9 % (ГОСТ 22).
Сахар-рафинад вырабатывают в виде сахара-песка и кускового сахара-рафинада: прессованного колотого, прессованного со свойствами литого, быстрорастворимого, в том числе дорожного в мелкой упаковке, и литого колотого. Прессованный сахар-рафинад выпускают в виде отдельных кусочков, литой колотый —-в виде кусков произвольной формы размером 40...70 мм. В настоящее время литой сахар-рафинад выпускают в очень малом количестве из-за трудоемкости процесса.
По органолептическим показателям сахар-рафинад должен соответствовать следующим требованиям: цвет белый (без пятен и посторонних примесей), допускается слегка голубоватый оттенок; вкус — сладкий без посторонних привкуса и запаха; раствор должен быть прозрачным.
Основной процесс рафинирования — отделение сахарозы от несахаров путем ее многократной кристаллизации и физико-химической (адсорбционной) очистки сиропов. При производстве сахара-рафинада различают две группы продуктов: рафинадную (2—3 ступени) и продуктовую (3—4 ступени). Сахар-рафинад получают только в первых двух или трех циклах, последующие циклы служат для обессахаривания оттеков и возвращения полу-
287
Центрифуга заключается в горизонтальный кожух, в котором установлена перегородка для отделения первого оттека от второго. Сахар пробеливается клерсом, в который добавляют суспензию ультрамарина. После центрифугирования и пробелки получают полупродукт — рафинадную кашку, которая состоит из кристаллов, покрытых пленкой увлажняющего их клерса.
Содержание влаги в рафинадной кашке регулируется в зависимости от желаемой крепости рафинада и, обусловленное количеством остаточного клерса, может колебаться от 1,5 до 2,9 %. При производстве прочного сахара в рафинадной кашке оставляют максимально возможное количество клерса, для того чтобы в дальнейшем после прессования в процессе сушки кристаллизуемая сахароза цементировала монокристаллы сахара.
Для получения прессованных брикетов рафинада одной окраски, требуемой массы и крепости рафинадная кашка должна иметь одинаковые кристаллическую структуру, температуру и влажность. Мелкие кристаллы удерживают излишнюю влагу, крупные — образуют неровную поверхность брикетов. Поэтому рафинадную кашку, поступающую от центрифугирования разных ут-фелей, смешивают на ленточном конвейере, установленном под центрифугами. Дальнейшее ос перемешивание происходит при транспортировании элеватором и просеивании в барабанном сите над лентой конвейера. Кашка, поступающая на прессование, должна иметь кристаллы размером 1,0... 1,5 мм и более—-30 %; размером 0,5... 1 мм — 60: размером не более 0,5 мм — 10 %. Температура кашки должна быть 60...65 °C и содержание влаги—-2,4—2,6 %.
Рафинадную кашку прессуют под давлением для формирования брикетов. В зависимости от физико-механических свойств рафинадной кашки и силы сдавливания, при которой происходит сближение кристаллов сахарозы, брикеты получаются разными по плотности и форме. После сушки и охлаждения брикеты раскалывают на кусочки сахара-рафинада правильной формы, определенных крепости и массы. Кашку прессуют в прессе карусельного типа, в диске которого размещено четыре пресс-формы, состоящие из матрицы и пуансона. На прессе периодического действия осуществляется 28...32 прессования в минуту'.
Сырой прессованный сахар-рафинад сушат в два периода, различающихся в основном скоростью процесса. Первый период характеризуется интенсивным удалением влаги, второй — резким замедлением процесса сушки. Рафинадные бруски сушат обычно в туннельных противоточных конвективных сушилках.
Продолжительность сушки сахара-рафинада составляет 8... 10 ч. Для сушки прочного прессованного сахара-рафинада (содержание влаги выше 2,3 %) применяют вакуум-сушилки. Общий цикл сушки брикетов под вакуумом составляет 5. „6 ч.
290
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТХОДОВ САХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Меласса. Получают как оттек при кристаллизации утфеля III. Меласса представляет собой густую жидкость темно-коричневого цвета с острым запахом и неприятным вкусом, содержащую 76...85 % сухих веществ, из них 46...51 % сахарозы.
Чистота мелассы 56...62 %, pH 6...8. В состав несахаров мелассы входят (%): редуцирующие вещества — 0,5...2,5, раффиноза — 0,6... 1,4, общий азот — 1,5...2, молочная кислота — 4...6, уксусная, муравьиная кислоты — по 0,2...0,5, красящие вещества и зольные элементы —-
Выход мелассы в среднем составляет 4,5...5,5 % к массе переработанной свеклы. Меласса как отход сахарного производства используется в раде отраслей пищевой и комбикормовой промышленности: так, в бродильном, промышленности меласса идет на производство этилового и бутилового спиртов, молочной и лимонной кислот, глицерина; на сусле, приготовленном из мелассы, выращивают хлебопекарные дрожжи; в комбикормовой промышленности мелассу используют в качестве ценной добавки при производстве кормов для животных.
Жом. Представляет собой обессахаренную стружку (мякоть) свеклы. В состав жома входят (%): пектиновые вещества — около 45, целлюлоза и гемицеллюлозы — примерно по 20, белки, зола и сахар — по 2...4.
Жом — прекрасный корм для скота, для этой цели его используют как в свежем, так и в высушенном виде.
Жом, предназначенный для скармливания скоту в свежем виде, прессуют до содержания сухих веществ 12... 14 %, предназначенный для высушивания — до 22...25 %. Выход жома для каждого типа диффузионной установки различен: так, для аппаратов КДА он составляет 70 % к массе свеклы при содержании в нем сухих веществ 8 %\ для аппаратов ДЛС — 90 % при содержании в нем сухих веществ 6,4 % и т. д. Эта величина сильно колеблется и зависит от содержания мякоти в свекле, ее качества и других условий.
Жом используют также при получении пищевого пектина (для кондитерской промышленности) и пектинового клея (для текстильной и полиграфической промышленности).
Контрольные вопросы
I.	Сколько сахара содержится в корнеплоде сахарной свеклы?
2.	Из каких этапов состоит технологическая схема производства сахара-песка из сахарной свеклы?
3.	Как очишзкхг диффузионный сок?
4.	Что П(муютавляет собой утфель7 Как его получают?
5.	Из каких этапов состоит технологическая схема производства сахара-рафинада7
291
Глава 15
ТЕХНОЛОГИЯ КРАХМАЛА И КРАХМАЛОПРОДУКТОВ
Современная крахмало-паточная промышленность — важная отрасль народного хозяйства. Перерабатывая картофель и кукурузу, крахмало-паточные предприятия выпускают сухой крахмал, глюкозу, различные виды крахмальных паток, модифицированные крахмалы, декстрины, глюкозно-фруктозные сиропы и т. д. Ассортимент вырабатываемой продукции составляет десятки наименований. Крахмал и крахмалопродукты используют в различных отраслях пищевой промышленности: кондитерской, хлебопекарной, консервной, молочной, пищеконцентратной и др., а также в других отраслях промышленности (медицинской, текстильной, полиграфической, бумажной и т. д.).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА
ПОЛУЧЕНИЯ СЫРОГО КАРТОФЕЛЬНОГО КРАХМАЛА
Сырьем для производства картофельного крахмала служит картофель. Химический состав клубней картофеля колеблется в довольно широких пределах и зависит от сорта картофеля, климатических, почвенных и других условий. Средний химический состав картофеля (%): вода — 75, сухие вещества — 25. Из них (%): крахмал — 18,5, азотистые вещества — около 2, клетчатка — 1, минеральные вещества — 0,9, сахара —- 0,8, жир — 0,2 и прочие вещества (пектиновые, пентозаны и др.) — 1,6.
Принципиальная технологическая схема получения сырого картофельного крахмала (рис. 51) состоит из следующих этапов: хранение картофеля; доставка картофеля на завод; мойка картофеля в моечных машинах; взвешивание картофеля; тонкое измельчение картофеля на терочных машинах — получение кашки; выделение картофельного сока из кашки; выделение свободного крахмала из кашки; отделение и промывание мезги; рафинирование крахмального молока; промывание крахмала.
Хранение картофеля. Предприятия, перерабатывающие картофель, работают сезонно. До подачи на производство убранный картофель хранят в буртах при температуре 2...8 “С. На хранение закладывают только здоровые клубни. При хранении картофель дышит. Хранить картофель свыше 5...7 мес нецелесообразно, так как это приводит к значительным потерям сухих веществ, в том числе крахмала.
Доставка картофеля на завод. Картофель подают на производство с помощью гидравлического транспортера (подачу осуществляют точно так же, как подачу сахарной свеклы в свеклосахарном производстве), при этом частично отделяют легкие примеси, песок и землю.
292
КАРТОФЕЛЬ
Мойка й взвешивание картофеля. Этому процессу придается очень большое значение, так как на последующих стадиях картофель не очищают от кожуры, а наличие в крахмале минеральных примесей недопустимо.
Картофель моют в моечных машинах комбинированного типа, имеющих камеры с высоким уровнем воды, где отделяют солому и другие легкие примеси; камеры с низким, уровнем воды, в которых хорошо оттирают землю; сухие камеры, в которых вода, не задерживаясь, стекает в грязевую канаву Моечные машины снабжены ботво-, песко- и камнеловушками. На крупных заводах широкое распространение получила моечная машина КМЗ-57М. Продолжительность процесса мойки составляет 10... 14 мин, расход воды — 200...400 % к массе картофеля.
293
Для учета массы переработанного картофеля производится взвешивание отмытых клубней на автоматических весах с откидным днищем.
Измельчение картофеля на терочных машинах — получение кашки. Крахмал содержится внутри клеток картофеля в виде крахмальных зерен. Чтобы извлечь его, необходимо вскрыть клеточные стенки. Для этого картофель измельчают на терочных машинах, принцип работы которых состоит в истирании клубней поверхностью, набранной из пилок с мелкими зубьями. Измельчение проводят дважды. При первом измельчении используют пилки с высотой зубьев 1,5...!,7 мм, для повторного (перетир) — 1,0 мм. Качество измельчения характеризуется коэффициентом измельчения К.
где А — содержание свободного крахмала (освобожденного из клеток клубня) в катке, %; В — содержание связанного крахмала (оставшегося в невскрытых клетках картофеля) в кашке, %.
На современных предприятиях коэффициент измельчения достигает 85...95 %, в том числе 79—85 % при первом измельчении к 6—10 % при перетире.
Выделение картофельного сока из кашки. Полученная после терочных машин картофельная кашка представляет собой смесь, состоящую из разорванных клеточных стенок, крахмальных зерен и картофельного сока. Важная задача получения картофельного крахмала — скорейшее выделение из кашки сока при минимальном его разбавлении. Контакт сока с крахмалом ухудшает качество крахмала, вызывая его потемнение в связи с окислением тирозина, снижает вязкость крахмального клейстера, способствует образованию пены, слизи и других нежелательных явлений. Картофельный сок выделяют из кашки на осадительных шнековых центрифугах.
Шнековая осадительная центрифуга типа ОГШ (рис. 52) состоит из наружного 2 и внутреннего 3 барабанов с приваренным к барабану 3 шнеком Z. Оба барабана вращаются в одну сторону, причем внутренний с опережением на 15—25 с”1. Картофельная капгка, пройдя центрифугу, через трубу 6 и полый вал 4 поступает в пространство между барабанами через окна 7. Здесь под действием центробежной силы происходит ее разделение на две фракции.
Картофельный сок выводится из центрифуга через сливные окна 6', а осадок (тяжелая фракция) за счет разницы во вращении барабанов выводится шнеком /, разбавляется водой и удаляется через окна 5 в виде крахмального молока определенной плотности.
294
1
2
3
4
Рис. 52 Шнековая осадительная центрифуга типа ОГШ
Сгущенную кашку концентрацией сухих веществ до 40 % получают при минимальных потерях крахмала с картофельным соком (0,1 %).
Выделение свободного крахмала из кашки, отделение и промывание мезги. После отделения картофельного сока на осадительных центрифугах кашку направляют на ситовую станцию завода. Здесь на различных ситовых аппаратах от нее отделяют и промывают крупную и мелкую мезгу, осаждают и промывают крахмал. Весьма перспективным является использование гидроциклонных установок для разделения тонкомзмельченной картофельной кашки на крахмальную суспензию и смесь мезги с картофельным соком. Однако в настоящее время для выделения из кашки мезги используют центробежные ситовые аппараты: барабан но-струйные (БСС) или центробежно-лопастные (ЦЛС).
Барабанно-струйное сито (рис. 53) состоит из вращающегося перфорированного конического барабана 2, на внутренней поверхности которого крепят металлические рамки в ваде секторов, обтянутых одной или двумя разными по крупноте сетками. Кашка подается через трубу 1 и питатель 8 в вершину ситового конуса. Барабан вращается с частотой 900 с"-1. Под действием центробежной силы кашка равномерно распределяется по внутренней поверхности барабана и продвигается к большему его основанию. Навстречу движению кашки подается вода или жидкое крахмальное молоко через вал 5, который вращается внутри вала 3 Струйный ротор-ороситель состоит из коллектора 7 и разбрызгивающих сопел 6. Привод 4 обеспечивает опережение вращения ротора-оросителя на 50 с*1 по сравнению с частотой вращения барабана 2. Вода под давлением 0,2...0,25 МПа образует против движе-
295

1
Рис. 53 Барабанно-струйное сито
ния кашки как бы водяной шнек, задерживающий ее продвижение по ситу и способствующий отмыванию свободного крахмала.
Центробежно-лопастное сито ЦЛС (рис. 54) по своему устройству напоминает центробежный насос. Лопатки рабочего колеса заменены на сита-пластинки, вогнутые по направлению вращения. Под каждым ситом расположено три маленькие камеры. Катка по трубе 3 через щелевидные отверстия 1 поступает в ротор 2 под давлением, которое развивается благодаря центробежной силе, и течет по ситам 5. Крахмальное молоко процеживается, попадает в камеры, расположенные под ситами, и выводится через отверстия 6 в неподвижной стенке 4. Мезга перемещается по поверхности сит от центра аппарата и выбрасывается под ротором. Для отмывания свободного крахмала кашку последовательно обрабатывают на барабанно-струйном и центробежно-лопастном ситовых аппаратах и направляют на повторное измельчение (перетир), после чего ее вновь промывают на БСС и ЦЛС. После выделения мезги на ситовых аппаратах или гидроциклонах крахмальная суспензия содержит некоторое количество мелкой мезги (4...8 %), водорастворимых веществ (0,5 %) и сильно разбавленного картофельного сока. Поэтому ее подвергают рафинированию на центробежных ситах, гидроциклонах или дуговых ситах. Концентрация крахмальной сус-
296
пензии, поступающей на рафинирование, должна быть 12—14 %, а концентрация рафинированной суспензии — 7—9 %.
Рафинирование крахмальной суспензии. Рафинирование на центробежных ситах проводят в две ступени, после чего крахмальную суспензию подают на пеногасящее устройство, а затем на песковые гидроциклоны для удаления песка. Полученную
сгущенную суспензию подают в гидроциклоны для промывки крахмала, которую проводят в три ступени. Далее крахмал обезвоживают на вакуум-фильтрах и высушивают.
Гидроциклоны (рис. 55) представляют собой батарею микрогидроциклонов. Принцип действия этих аппаратов прост. Крахмальное молоко под давлением 0,15 МПа поступает в аппарат тангенциально по касательной по трубе 2, за счет чего поступательное движение продукта преобразуется во вращательное, развивается большая центробежная сила, в результате действия которой тяжелые частицы отбрасываются на внутреннюю поверхность конуса и сползают вниз к дюзу сгущенного схода 1. Легкая фракция продукта (жидкий сход) вытесняется сгущенной фракцией, поднимается к дюзу жидкого схода 3 и выводится из него. Габариты микрогидроциклонов зависят от размеров частиц разделяемой смеси. В картофелекрахмальном производстве приме
няют микрогмдроциклоны с внутренним диаметром цилиндрической части 20 мм, высотой конуса 92 мм и углом конуса около 12е. Диаметр входного круглого сопла 3,3 мм. Производительность одного микрогидроциклона невелика, поэтому их объединяют в мультициклоны — батареи гидроциклонов. состоящих из большого количества па-
раллельно работающих микрогидроциклонов. На производстве работают станции гидроциклонов СГ-4М1 (производительностью 100 т/сут картофеля) и СГ-5 (производительностью 200 т/сут картофеля).
Рафинирование крахмальной суспензии можно проводить также на дуговых ситах. Слабо-напорное дуговое сито марки РЗ-ПРД (рис. 56) состоит из ситовой поверхности укрепленной на рамке, вставленной в корпус 1. Продукт под
Рис 54. Центробежно-лопастное сито ЦЛС
небольшим давлением
297
Рис. 55. Гидроинкяон	Рис. 56 Слабонапорное дуговое
сто марки РЗ-ПРД
через питатель 2 поступает сверху на ситовую поверхность. Крахмальная суспензия проходит сквозь сито и собирается в корпусе /, а мезга сползает в нижнюю часть ситовой поверхности и выводится из него.
Процесс рафинирования крахмальной суспензии ведут в две ступени.
Мелкую мезгу промывают на ситах в три ступени. Чтобы получить крахмальное молоко достаточно высокой концентрации, на ситовой станции завода многократно используется разбавленное крахмальное молоко, а процесс ведут по принципу противотока.
Выход и коэффициент вовлечения крахмала. Выход картофель-, него крахмала —это отношение полученного крахмала к массе переработанного сырья, выраженное в процентах. Выход крахмала зависит от его содержания в перерабатываемом сырье и потерь с мезгой и сточными водами. В среднем выход крахмала равен 15,7 %, потери крахмала составляют 2,8 %.
Отношение массы полученного крахмала к массе крахмала,
298
содержащегося в переработанном сырье, выраженное в процентах, называется коэффициентом извлечения крахмала. Он составляет 82—88 % и характеризует качество работы завода.
Качество сырого картофельного крахмала. Сырой картофельный крахмал в зависимости от содержания в нем влаги подразделяется на две марки: А (содержание влаги 38...40 %) и Б (содержание влаги 50... 52 %). Крахмал каждой марки делится на три сорта. Качество его должно соответствовать требованиям отраслевого стандарта ОСТ 18-158. Крахмал 1 и II сортов должен иметь однородный белый цвет и запах, свойственный крахмалу, наличие постороннего запаха не допускается. Крахмал III сорта может быть сероватым, без прожилок и вкраплений, в нем допускается слабокислый, но незатхлый запах. Показатели качества сырого картофельного крахмала приведены в табл. 15.1.
Таблица 15.1
Показатели	Марка А				Марка Б	
	1 L 11 1		III 1 1		1 “ 1	III
Содержание влаги, Я&, не более	40	40	40	52	52	52
Содержание золы обшей в пересчете на сухие вещества крахмала, %, не более	0,35	0,55	0,75	0,35	0,55	0,75
Кислотность в пересчете на 100 г сухих веществ крахмала при индикаторе фенолфталеине, мл 1 н раствора NaOH, не более	12	25	40	25	35	45
Содержание мезги (нскрахмала) в пересчете на сухие вещества крахмала, %, не более	0.12	0,20	0,45	0,15	0,25	0,50
Из-за высокого содержания влаги сырой картофельный крахмал не может долго храниться, он закисает и поэтому его перерабатывают в сухой крахмал, бескислотные декстрины, модифицированные крахмалы, патоку, глюкозу и др. При необходимости сырой картофельный крахмал хранят в течение некоторого времени наливным способом или в складах, утрамбовывая и заливая его водой. Наиболее надежный способ — хранение его в замороженном состоянии. Однако при хранении в крахмале протекают микробиологические процессы, приводящие к появлению кислого запаха, увеличению кислотности, нарастанию растворимых веществ и снижению сухих веществ крахмала.
Использование побочных продуктов. Важнейшими задачами, стоящими перед крахмало-паточной отраслью, являются комплексное и наиболее полное использование сухих веществ картофеля при выработке из него крахмала, снижение расхода свежей
299
воды на технологические нужды и, как следствие, уменьшение количества сточных вод, загрязняющих окружающую среду.
Побочные продукты картофелекрахмального производства — мезга и картофельный сок. Из 25 % сухих веществ картофеля извлекается 15,7 % крахмала, остальные 9,3 % сухих веществ распределяются примерно поровну между мезгой и картофельным соком. Картофельный сок содержит 5...7 % сухих веществ, в состав которых входит до 40 % азотистых веществ, 20...25 % растворимых углеводов, 9... 12 % минеральных веществ, 3...5 % крахмала, около 3 % жира. Азотистые вещества картофельного сока на 50 % представлены белками, в соке содержится до 20 аминокислот, в том числе незаменимые (лизин). В состав золы входят оксид калия, соли фосфорной кислоты, кальция и магния. Обнаружены также железо, сера, хлор, цинк и другие элементы.
Сухие вещества мезги состоят (%): из крахмала — 45...50, клетчатки — 25...30, растворимых углеводов — 25...30, белков — 5, минеральных веществ — 5...6. С целью рационального использования наиболее перспективно перерабатывать картофельный сок и мезгу в углеводно-белковый гидролизат и белковый корм. Для этого смесь мезги и картофельного сока с содержанием сухих веществ 8... 12 % разваривают при температуре выше 100 °C, в результате чего около 30...40 % белковых веществ сока коагулирует. Затем смесь охлаждают до температуры 62...64 °C, вносят ферментный препарат и ведут осахаривание крахмала мезги в течение 2,5...3 ч. Образующиеся редуцирующие вещества переходят в жидкую фазу. Смесь фильтруют. Жидкую фазу направляют на уваривание до содержания сухих веществ 50 %. Полученный углеводно-белковый гидролизат представляет собой густую коричневую жидкость с приятным запахом. В его состав входят глюкоза, мальтоза, сахароза и ряд аминокислот. Гидролизат может быть использован в хлебопечении в качестве заменителя красного ржаного солода при выпечке некоторых сортов хлеба, а также в качестве биостимулятора при выращивании кормовых дрожжей.
Осадок, полученный при фильтровании (белковый корм), направляют в сушилку, где он высушивается до содержания влаги 10 %.
В настоящее время мезга в сыром и силосованном виде широко используется в качестве корма для животных. Она также может быть использована при комбинированном способе производства крахмала и спирта. Высушенная, размолотая и просеянная сквозь сито с размером ячеек 0,1x0,1 мм мезга содержит 75...76 % крахмала и может быть использована для выработки мальтозной патоки, декстринового клея и др.
300
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ СЫРОГО КУКУРУЗНОГО КРАХМАЛА
Сырьем для производства крахмала служит зерно кукурузы. Содержание крахмала в нем составляет 70 % к массе сухих веществ.
Кроме крахмала в нем содержатся такие ценные в пищевом отношении вещества, как белок (10... 13 %) и жир (6,5 %), для выделения которых применяются специальные методы и оборудование, что, с одной стороны, усложняет кукурузокрахмальное производство, а с другой — позволяет выпускать важные для народного хозяйства страны дополнительные продукты — сухие концентрированные белковые корма, кукурузное масло и кукурузный экстракт.
Принципиальная технологическая схема производства сырого кукурузного крахмала приведена на рис. 57 и включает следующие основные операции: замачивание кукурузного зерна, дробле-
Кукурузное зерно
Рис. 57. Принципиальная технологическая схема получения сырого кукурузного
крахмала
301
ние зерна, выделение зародыша, помол кукурузной кашки, отцеживание и промывание на ситах мезги и зародыша, выделение крахмала из крахмалобелковой суспензии, промывание крахмала.
Замачивание кукурузного зерна. Это важнейшая технологическая операция, от которой зависит выход конечного продукта. В эндосперме зерна крахмал прочно удерживается кукурузным белком — глютеном. Цель замачивания — размягчение зерна для ослабления и разрыва связей между белком и крахмалом, эндоспермом и зародышем и выведение из зерна в замочную воду большей части водорастворимых веществ, затрудняющих выделение и очистку крахмала.
Для замачивания зерна используют слабый раствор сернистой кислоты (концентрация SO2 в воде 0,15...0,20 %), чтобы исключить прорастание зерна и развитие микроорганизмов.
В процессе замачивания зерна (48...50 ч) происходят различные физико-химические и биохимические процессы. Зерно набухает. Под действием кислоты оболочки зерна становятся проницаемыми, что ускоряет переход водорастворимых веществ — сахаров, декстринов, аминокислот, частично белков, пектиновых веществ и т.п. в замочную воду.
Для ускорения химических реакций и повышения скорости диффузии химических соединений замачивание ведут при повышенной температуре (48...50 °C). К концу замачивания ферменты почти полностью инактивируются, а из микроорганизмов остаются только термофильные молочнокислые бактерии, сбраживающие сахара до молочной кислоты. Молочная кислота, в свою очередь, способствует размягчению зерна. Всего в замочную воду переходит около 6,5 % сухих веществ зерна, из них примерно 70 % (от общего содержания в зерне кукурузы) минеральных веществ, 42 % растворимых углеводов и около 16 % азотистых веществ. При этом зародыш теряет около 60 % своей массы, эндосперм — около 13...14 %. Процесс замачивания зерна ведут в батарее замочных чанов методом противотока, позволяющим полнее извлечь растворимые вещества из зерна и получить более концентрированный экстракт.
Кукурузное зерно после замачивания может содержать некоторое количество механических примесей, которые необходимо отделить. Для этой цели используют гидроциклоны, размер которых определяется мощностью предприятия.
Дробление зерна. Кукурузное зерно дробят так, чтобы отделить зародыш, не повредив его. Зародыш —- ценная составная часть зерна, содержание жира в нем составляет 55 % на сухое вещество. Чтобы полнее выделить зародыш, зерно дробят на дисковых дробилках дважды. При первом дроблении освобождается 75...85 % зародыша и 20...25 % крахмала, при втором — 15...20 % зародыша и еще 15...19 % крахмала. После первого дробления кашку процеживают на дуговых ситах и направляют в
302
гидроциклоны для выделения зародыша. Из гидроциклонов кашка поступает на второе дробление.
Дробилка марки ЗД2-Д-250 приведена на рис. 58. Продукт поступает через воронку 5, укрепленную на крышке 4. Основной рабочий орган дробилки — ротор, закрепленный на валу 10 и удерживаемый гайкой с лопатками 9. Под действием центробежной силы продукт попадает между двумя дисками 2 и 8. Невра-щающийся диск 2 закреплен на крышке камеры дробления 6. Оба диска снабжены пирамидальными зубьями 1 и 7, расположенными по концентрическим окружностям. Диск 2 может перемещаться в осевом направлении с помощью механизма 3. Вал 10 дробилки заключен в корпус /1. При вращении диска 2 кукуруза измельчается по принципу скалывания и выбрасывается в приемную камеру для измельченного зерна.
Заводы производительностью около 100 т/сут по зерну используют дробилки ударного действия марки РЗ-ПДК-100.
Выделение и промывание зародыша. Кашка, полученная после первого и второго дроблений, содержит зародыш, оболочки зерна, крахмал, глютен и водорастворимые вещества. Необходимо максимально извлечь зародыш из кашки вместе с суспензией крахмала, затем отделить его от суспензии ситованием и далее промыть на ситах для полного удаления свободного крахмала. Для выделе
ния зародыша широко используют гидроциклонные установки. Диаметр цилиндрической части гидроциклона от 120 до 550 мм и угол конусности от 10 до 15°. Кашка под давлением 0,2...0,25 МПа подается в гидроциклон 4 (рис. 59). Под действием центробежной силы кашка разделяется на жидкую фракцию, содержащую зародыш и суспензию крахмала, и тяжелую фракцию, состоящую из частиц зерна, оболочек и частично суспензии крахмала. Жидкая
фракция из гидроциклона через насадку 5 поступает в камеру 6, а тяжелая через насадку 3 и патрубок 2 — в воронку 1. Г идроциклоны такой конструкции применяют для разделения продукта после первого и второго дроблений. Важную роль для нормальной работы гидроциклонов играет концентрация крахмальной суспензии, поступающей на разделение. Так, для первого выделения зародыша продукт должен иметь концентрацию суспензии крахмала 12... 13 %,
Рис. 58. Дробилка марки ЗД2-Д-250
тогда часть зародыша, связанного с эндоспермом, попадет в
303
тяжелую фракцию и поступит на дробилку второго дробления. Для полного выделения зародыша продукт, поступающий на вторую стадию выделения зародыша, должен иметь концентрацию суспензии 14...15 %.
Жидкий сход с гидроциклонов направляют на сита отцеживания и промывания зародыша. Для этой цели используют ситовые аппараты различных конструкций. Разделение продукта на дуговом сите типа СД-1 не требует расхода электроэнергии, процесс идет под действием центробежной силы, возникающей при движении продукта по дуге, имеющей радиус закругления 2,2...2,8 м. Дуговое сито оснащено щелевой колосниковой сеткой с шириной щели 2 мм.
Помол кукурузной кашки. Полученная после отделения зародыша кашка
Рис. 59. Гидроциклон для выделения зародыша
представляет собой смесь крупных частиц оболочек зерна, связанных с эндоспермом, дробленого чистого эндосперма, свободного крахмала и белка. Для полного высвобождения крахмала кашку подвергают тонкому измельчению, предварительно отцедив на дуговых ситах свободный крахмал, глютен и часть мелкой мезги. Полученное крахмальное молоко дважды пропускают через капроновые сита № 64...70 и направляют на рафинирование, а сходы — на измельчение.
Тонкий помол кукурузной кашки осуществляют на измельчающих машинах ударного действия марок РЗ-ПМ2-К-150 и ПМК-50.
Сущность процесса измельчения на этих машинах состоит в том, что кашка подается в быстровращающийся центробежный ротор, лопасти которого сообщают частицам продукта высокую начальную скорость и направляют их навстречу быстродвижу-
304
щимся пальцам ударного ротора. Кашка интенсивно измельчается и с большой скоростью отбрасывается на неподвижные отражательные пальцы, при этом происходит измельчение эндосперма, а затем продукт выходит из машины.
Промывание суспензий. На современных заводах проводят многократное промывание продукта по принципу противотока, что позволяет минимальным количеством жидкости отмыть максимум свободного крахмала.
Отцеживание крупной мезги и ее трехкратное промывание проводят на дуговых ситах с отверстием диаметром 0,5...0,6 мм. Промытая крупная мезга не должна содержать свободного крахмала более 1,5 %.
Мелкая мезга отделяется на капроновых ситах, четырехкратно промывается и поступает на механическое обезвоживание. Содержание свободного крахмала в ней не должно превышать 4 %. Крахмальное молоко поступает на двукратное рафинирование на дуговых ситах РЗ-ПРД или СД-1М, оснащенных капроновой ситовой тканью № 67...73.
Выделение крахмала из крахмалобелковой суспензии. Рафинированное крахмальное молоко содержит 11... 14 % сухих веществ, из них 88...92 % составляет крахмал, 6... 10 % — белок (глютен), 0,5...1,0 % — жир, 2,5...5 % — растворимые вещества, 0,1 % — мелкая мезга, 0,2...0,4 % — зола; pH 3,8...4,2.
Глютен содержится в молоке в виде взвешенных частиц размером 1...2 мкм, плотность его значительно ниже плотности крахмальных зерен. На этом свойстве и основано их разделение. В настоящее время выделение крахмала из крахмалобелковой суспензии проводят на специальных центробежных сепараторах.
Основная рабочая часть сепаратора — ротор с пакетом конических тарелок с частотой вращения около 3000 мин”1. Зазор между тарелками составляет I мм, таким образом, разделение продукта идет в тонком слое.
Крахмальные зерна, более тяжелые, прижимаются к внутренней поверхности каждой тарелки, сползают в периферийную зону ротора и в виде концентрированного крахмального молока выбрасываются через разгрузочные сопла (нижний сход). Более мелкие частицы глютена как бы всплывают' в уплотненном крахмальном молоке, прижимаются к наружной поверхности каждой тарелки и под давлением новых порций поступающего в ротор продукта вытесняются к его центру и оттуда по вертикальному каналу в виде суспензии низкой концентрации выводятся через сопла в верхней части ротора (верхний сход). Чтобы выделить весь глютен, обработку крахмального молока ведут на нескольких последовательно установленных сепараторах.
Промывание крахмала. Крахмальное молоко после отделения глютена еще содержит некоторое количество примесей. Поэтому крахмал дополнительно промывают на вакуум-фильтрах в две
305
или три стадии. Промытый крахмал содержит (% на сухое вещество): чистого крахмала 98,4 .-98,7 и примесей (белок, жир и пр.) 1,3...1,6. Его используют для производства сухого крахмала, крахмальной патоки, кристаллической глюкозы, модифицированных крахмалов и декстрина.
В зависимости от качества сырья, технической оснащенности завода и схемы производства выход крахмала на предприятии по производству сырого кукурузного крахмала колеблется от 60 до 66,6 % от массы безводной кукурузы. Коэффициент извлечения крахмала составляет 86...93,5 %.
Получение и использование побочных продуктов из кукурузы. Зародыш. В зерне кукурузы содержится 5...6 % (к массе сухих веществ) жира. Почти весь он сосредоточен в зародыше. Выход зародыша составляет 6...7 % к массе безводной кукурузы.
Сырой зародыш сушат до содержания влаги 2,0...2,5 %, измельчением на вальцовых станках марки ЗМ получают мятку, а затем подвергают первому прессованию на шнековых прессах. Выделенное масло поступает на рафинирование, оставшийся после прессования жмых дробят, подогревают на жаровнях и вторичным прессованием дополнительно выделяют из него масло. Выход масла составляет 2,8...3,3 % к массе безводной кукурузы.
Кукурузный экстракт. При замачивании зерна кукурузы получают кукурузный экстракт с содержанием сухих веществ 8...9 %, затем его упаривают до содержания сухих, веществ 35...40 % и используют при производстве кормов.
Кукурузный экстракт используют также при производстве антибиотиков и при получении хлебопекарных прессованных дрожжей. Для этих целей его предварительно упаривают до содержания сухих веществ 50 %.
Глютен. При выделении крахмала из крахмалобелковой суспензии на тарелочных сепараторах в качестве жидкого схода получают белковую суспензию с содержанием сухих веществ около 1 %. Полученную суспензию разделяют на специальном оборудовании на частично сгущенный глютен и хорошо осветленную глютеновую воду. Окончательное сгущение глютена (до 12 % сухих веществ) ведут на центробежных сепараторах марки ПРП. Далее глютен механически обезвоживают на вакуум-фильтрах или фильтрах-прессах. После вакуум-фильтров содержание влаги в глютене составляет 68...72 %, после обезвоживания на фильтрах-прессах — 64...68 %. Глютеновую воду используют для различных технологических целей.
К о р м а. Для получения кормов используют жмых (остаток после извлечения из зародыша масла), крупную и мелкую мезгу, сечку (измельченное зерно), стержни початков кукурузы, глютен и экстракт. Мезгу и глютен предварительно механически обезвоживают до содержания сухих веществ 35...42 %. Жидкий кукуруз-
306
пый экстракт сгущают до концентрации сухих веществ 30...35 %. При производстве кормов используют также фильтрационные осадки, которые получают при производстве патоки и глюкозы. Все компоненты смешивают в определенном соотношении, высушивают до содержания влаги 12 %, просеивают, отделяют ферропримеси и отправляют на склад. Сухой кукурузный корм должен отвечать требованиям соответствующих ТУ и содержать белка 18... 19 %, крахмала 18...25, жира 7...9, золы 1...4 %.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ СУХОГО КРАХМАЛА
Получаемые на предприятиях сырой картофельный и кукурузный крахмалы не подлежат длительному хранению, поэтому значительная их часть поступает в цехи для высушивания или для переработки в другую продукцию. Сухой крахмал — это готовая продукция крахмальных заводов, он хорошо хранится и транспортируется, не изменяя своих свойств. Равновесная влага сухого картофельного крахмала 20 %, кукурузного — 13 %.
Содержание влаги в сыром крахмале 40...52 %, из них на долю свободной влаги приходится 12... 15 %, сорбционно связанной — 35...38 %.
Тепловая обработка крахмала при повышенной исходной влажности может привести к значительным изменениям его свойств: растрескиванию крахмальных зерен; частичной клейсте-ризации; утере блеска; снижению вязкости крахмального клейстера. Поэтому процесс сушки крахмала ведут в условиях, не допускающих его перегрева.
Принципиальная технологическая схема производства сухого крахмала состоит из следующих операций: подготовки суспензии крахмала к механическому удалению избыточной влаги; механического обезвоживания крахмала; высушивания и обработки сухого крахмала (дробление, прессование и упаковка).
Подготовка суспензии крахмала к механическому удалению избыточной влаги. Сырой крахмал разводят водой и получают крахмальное молоко с содержанием сухих веществ 12...14 %, затем на ситах отделяют крупные механические примеси, которые могли попасть при транспортировании и погрузке. Далее суспензию обрабатывают на ситах с капроновой сеткой для удаг ления мелкой мезги и на гидроциклонах для отделения песка.
Очищенный крахмал в виде крахмальной суспензии концентрацией 36...38 % направляют в цех для получения сухого крахмала.
Механическое обезвоживание крахмала. Способствует экономии расхода теплоты на сушку и получению готового продукта высокого качества. Для этой цели используют осушающие центрифуги типа ФГН (фильтрующие горизонтальные непрерывнодействующие) или вакуум-фильтры. После центрифуг содержа
307
ние влаги в кукурузном крахмале составляет 34...36 %, в картофельном — примерно 38 %.
Сушка крахмала. Крахмал сушат в сушилках различных систем, используя в качестве теплоносителя подогретый воздух. В барабанных непрерывнодействующих противоточных сушилках системы Грачева используется принудительный поток теплоносителя. Такая сушилка имеет производительность 250...650 кг сухого картофельного крахмала в час и обеспечивает высокое качество крахмала.
Сушилка системы ВАВАС (многоступенчатая аэровихревая нижнего потока) также обеспечивает высокое качество продукта и минимальное количество крупки. Производительность сушилки от 8,5 до 18,5 т/сут, зависит от температуры подаваемого в нее воздуха.
Наибольшее распространение получили пневматические сушильные установки ПС-15 (рис. 60), в которых обеспечивается хороший контакт крахмала с теплоносителем. Так как процесс сушки протекает очень быстро, сушилки получили название сушилок мгновенного действия. Обезвоженный на центрифугах крахмал через смеситель-питатель 4 поступает в рыхлитель 3, где смешивается с горячим воздухом, предварительно очищенным в фильтре 7 и подогретым в калорифере 2. За счет вакуума, создаваемого вентилятором, крахмаловоздушная смесь поднимается в трубу 5 и высушивается. Недосушенные комочки крахмала возвращаются в смеситель-питатель 4 через карман 6. Высушенный крахмал осаждается в аэроциклонах 7 и через шлюзовые затворы 11 поступает в сборный шнек 8 и бурат 10, транспортирующий воздух очищается в скрубберах 9 и удаляется из сушилки.
Рис. 60. Схема пневматической сушильной установки ПС-15
308
Отделка сухого крахмала. Из сушилки крахмал температурой до 55...60 °C подается в специальный бурат-охладитель. Охлажденный крахмал собирается в бункере-смесителе и поступает в центробежный бурат, где разрушается основная масса комочков крахмала; далее крахмал просеивается в призматическом бурате и поступает на упаковывание. Сходы с буратов направляют в мельницу для измельчения и последующего просеивания. Этот крахмал оценивается как крахмал II сорта.
Крахмал хранят в мешках или силосных банках. Специальные автоматы расфасовывают его в мелкую тару. Крахмал гигроскопичен, поэтому в складских помещениях поддерживают относительную влажность воздуха не более 90 % и температуру не выше 10 °C.
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КРАХМАЛОВ
Для различных отраслей промышленности кроме обычного сухого крахмала из картофеля и кукурузы выпускают крахмалы с измененными природными свойствами. Их называют модифицированными. Такие крахмалы получают за счет физических, химических и биохимических воздействий на исходный крахмал. По характеру изменений все модифицированные крахмалы условно делят на две группы: расщепленные крахмалы и замещенные крахмалы, а также сополимеры крахмала.
Расщепленные крахмалы. Группу так называемых расщепленных крахмалов называют еще жидкокипящими, так как клейстеры таких крахмалов имеют низкую вязкость. Крахмалы этой группы получают путем расщепления полисахаридных цепей кислотой, окислителями, амилазами, некоторыми солями, облучением у-лучами и т. д. В результате указанных воздействий происходит хаотическое или направленное расщепление глюкозидных и других связей, уменьшается молекулярная масса, возникают внутренние и межмолекулярные связи, появляются новые карбонильные и карбоксильные группы.
Может происходить частичное нарушение структуры зерен крахмала, но зернистая форма крахмала сохраняется. Расщепленные крахмалы находят очень широкое применение. Так, кислотной обработкой получают растворимый крахмал, используемый для химических анализов; крахмал, модифицированный кислотой, используется при проклейке бумаги для улучшения качества печати и увеличения ее прочности; в пищевой промышленности крахмал этого типа используют для приготовления желейных конфет, восточных сладостей и т. д.
Окисленные крахмалы. Получают путем воздействия на крахмал перманганатов, перекисей, йодной кислоты и ее солей и других соединений. В результате происходят гидролитическое расщепление глюкозидных связей с образованием карбо
309
нильных групп, окисление спиртовых групп в карбонильные,- а затем в карбоксильные. Крахмалы, окисленные йодной кислотой, имеют по две альдегидные группы в глюкозном остатке, подвергнутом действию кислоты, их называют диальдегидными. Такие крахмалы используют в бумажной промышленности, а при низкой степени окисления (до 2 %) — в пищевой. .
При окислении картофельного или кукурузного крахмала перманганатом калия в кислой среде получают крахмал, используемый в качестве желирующего компонента, как заменитель агара или пектина. Такой крахмал применяю! в производстве кондитерских изделий, мороженого, продуктов молочной и пищеконцентратной, а также текстильной промышленности.
При использовании в качестве окислителя бромата калия, перманганата калия и гипохлорита кальция получают крахмал с невысокой степенью окисления для использования в хлебопечении. Такой крахмал (в количестве 0,5 % к массе муки) улучшает физические свойства теста, его газоудерживающую способность, позволяет сократить время брожения опары, качество хлеба при этом улучшается: увеличивается объемный выход, улучшается структура пористости мякиша, замедляется процесс черствения хлеба. Окисленные крахмалы находят широкое применение в бумажной промышленности для проклейки бумаги; в прачечных — для подкрахмаливания белья, в строительной промышленности — для производства изоляционных материалов. Для получения этих видов крахмалов следует ввести реагент в водную суспензию крахмала определенной плотности, причем температура, при которой идет реакция, должна быть значительно ниже температуры клейстеризации крахмала (28 °C — при модификации крахмала кислотой; 40...43 °C —- при'окислении перманганатом калия и т. д.). Время воздействия реагента меняется в широком диапазоне: так, при кислотной обработке — 19...20 сут, а при окислительном воздействии для различных окислителей — 15...40 мин. По окончании реакции суспензию нейтрализуют, разбавляют водой, отделяют жидкую фракцию, а отмытый крахмал обезвоживают и высушивают при 45 °C.
Набухающие крахмалы. К группе набухающих крахмалов относят модифицированные крахмалы, полученные при влаготермической обработке, вызывающей частичное или полное разрушение структуры зерен крахмала. Технология получения набухающих крахмалов состоит в следующем: в суспензию крахмала концентрацией сухих веществ 40...42 % в зависимости от назначения получаемых крахмалов вводят химические реагенты (алюмокалиевые квасцы, соли фосфорной кислоты, метил-целлюлозу и др.) и выдерживают 15 мин при температуре 40...45 °C, после чего подают на вальцовые сушилки для клейстеризации и высушивания. Крахмал сушат в тонком слое, пленку срезают ножом с барабана, измельчают, просеивают, а затем
310
ютовый крахмал фасуют. Набухающие крахмалы используют для стабилизации грунта при бурении, в литейном производстве и •г.д. В пищевой промышленности их применяют для стабилизации влаги кондитерских пен (в этом случае химические реагенты для получения набухающих крахмалов не используются), при приготовлении мороженого, пудингов быстрого приготовления, для получения безбелковых продуктов питания — хлеба, макарон и т. д., продуктов диетического назначения.
По своим свойствам к группе набухающих крахмалов относятся экструзионные крахмалы и крахмалопродукты. Однако по методу обработки — это крахмалы, полученные в условиях интенсивной влаготермической обработки при повышенных (до 35 %) влажности и температуре (до 200 °C) и значительном механическом воздействии. В результате зерна крахмала теряют свою первоначальную структуру и свойства, что позволяет получать новые виды продуктов. Экструзионные крахмалы получают на экструзионных установках. В процессе экструзии предварительно увлажненный материал подвергается сжатию, разогреву с клейстериза-цией крахмала и последующему выдавливанию через сопла матрицы. Экструдаты кукурузного крахмала применяют для производства продуктов из мяса, рыбы и т. д. Экструзионные крахмалопродукты широко используются и в технических целях.
Замещенные крахмалы. К группе замещенных крахмалов и сополимеров крахмала относятся крахмалы, свойства которых изменены в результате присоединения химических радикалов или совместной полимеризации с другими высокомолекулярными соединениями. К ним относятся простые и сложные эфиры, сополимеры крахмала.
Получение модифицированных крахмалов, таких, как простые и сложные эфиры и сополимеры крахмала, основано на возможности реакционноспособных групп — концевых редуцирующих групп, спиртовых групп у второго, третьего и шестого углеродных атомов глюкозных остатков — вступать в реакции замещения с различными органическими и неорганическими соединениями.
Фосфатные крахмалы. В настоящее время получают два вида эфиров крахмала и солей фосфорной кислоты — монокрахмалофосфаты, когда одна гидроксильная группа глюкозного остатка этерифицирована одной из кислотных групп остатка фосфорной кислоты или ее солей, и дикрахмалофосфаты, в которых произошло взаимодействие гидроксилов глюкозных остатков разных цепей с двумя кислотными группами фосфорной кислоты или ее солей.
Для производства фосфатного кукурузного крахмала (монокрахмалофосфата) сырой кукурузный крахмал после удаления избыточной влаги смешивают с нужным количеством растворов одно- или двузамещенного фосфата натрия и карбамида (мочевины). Полученную смесь сушат в пневматической сушилке,
311
просеивают и используют как фосфатный крахмал марки А. Свойства этого крахмала проявляются при тепловой обработке в процессе его использования.
Фосфатный крахмал марки Б получают путем термической обработки при перемешивании фосфатного крахмала марки А при 130 °C в течение 60 мин или при 160... 170 °C в течение 30 мин, после чего продукт охлаждают, просеивают и направляют потребителю. Фосфатные крахмалы образуют клейстеры, стабильные к замораживанию, поэтому их используют при производстве продуктов, сохраняемых в замороженном виде.
Фосфатный крахмал марки А используют при производстве мучных кондитерских изделий, крахмал марки Б — для приготовления майонезов, кремов, соусов, продуктов детского и диетического питания.
Ацетилированный крахмал (ацетат крахмала). Представляет собой смесь продуктов, обладающих различными свойствами, его получают путем обработки крахмала ледяной уксусной кислотой. Содержание ацетильных групп колеблется от 3 до 6 % в зависимости от дозировки кислоты и времени обработки. Процесс ацетилирования комбинируют с введением в полисахаридные цепи поперечных связей. Такие крахмалы используют при производстве консервированных, замороженных, сухих продуктов питания, а также в сухих смесях кремов и начинок. Ацетилированные крахмалы применяют в текстильной промышленности и бумажном производстве.
Сополимеры крахмала. Эту разновидность модифицированных или поперечносвязанных крахмалов получают путем образования между двумя рядом стоящими полисахаридными цепочками поперечных связей. Свойства крахмалов резко меняются даже при введении незначительного количества радикалов — повышаются вязкость и стабильность клейстера, снижается растворяемость, усиливается способность образовывать пленку и т. д.
Сополимеры получают путем обработки крахмала с помощью формальдегида, хлорокиси фосфора, эпихлоргидрина или триметафосфата натрия (дикрахмалофосфат). После окончания реакции суспензию нейтрализуют кислотой, фильтруют, продукт промывают водой и сушат. Сшитые крахмалы используют в пищевой, бумажной, текстильной промышленности для повышения устойчивости полисахаридных цепей при тепловой или механической обработке.
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ДЕКСТРИНА
Сухой крахмал используют для получения декстрина. Под действием термической обработки в присутствии катализатора или без него происходят расщепление и изменение структуры полисахаридов. В качестве катализатора используют кислоту (со-
312
няную, азотную и др.), щелочи, соли (алюмокалиевые квасцы и цр). Декстрин получают с разной степенью расщепления крахмала и используют в различных отраслях народного хозяйства, главным образом как клеящее средство.
Технология получения декстрина сводится к следующему, сухой картофельный или кукурузный крахмал подкисляют, используя форсуночное распыление кислоты, и выдерживают в течение 12...24 ч, после чего крахмал высушивают в барабанных сушилках в течение 1 ч до содержания влаги 2...3 %, повышая температуру с 60 до 125 °C. Процесс декстринизации крахмала идет в две стадии: на первой стадии крахмал теряет капиллярную и часть адсорбционно удерживаемой влаги, при этом содержание влаги самого крахмала приближается к 2...3 %. На второй стадии протекают процессы деполимеризации, пиролиза и образования новых глюкозидных связей, увеличивающие ветвление полисахарида. Идет интенсивная декстринизация крахмала. Содержание влаги снижается до 0,5...0,6 %. Декстрин приобретает заданный цвет, требуемую растворимость и клеящую способность. Его охлаждают и увлажняют до 5 %. Затем готовый декстрин просеивают и фасуют. Качество декстрина регламентируется требованиями ГОСТ 6034.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ КРАХМАЛЬНОЙ ПАТОКИ
Крахмальная патока — это продукт неполного гидролиза крахмала разбавленными кислотами или амилолитическими ферментами. Патока представляет собой бесцветную или слегка желтоватую, очень вязкую жидкость со сладким вкусом. Сладость ее в 3...4 раза ниже сладости сахарозы. В зависимости от степени гидролиза крахмала патока содержит различное количество глюкозы, мальтозы и декстринов — в этом заключается специфичность ее использования в качестве дополнительного сырья при получении отдельных видов пищевой продукции.
Патока используется в качестве антикатализатора при получении карамели, при варке варенья, фруктовых сиропов, повидла, для загущения ликеров, для подслащивания безалкогольных напитков и улучшения качества хлебобулочных изделий.
В зависимости от назначения крахмальную патоку вырабатывают трех видов: карамельную (условное обозначение К), карамельную низкоосахаренную (КН) и глюкозную высокоосахарен-ную (ГВ). Карамельная патока выпускается двух сортов: высшего (КВ) и первого (К1). Особое место занимает мальтозная патока, содержащая не менее 65 % редуцирующих веществ в пересчете на мальтозу. Патока классифицируется в зависимости от ее углеводного состава, который определяют по общему содержанию редуцирующих веществ (РВ). Условно выраженная в глюкозных единицах, эта величина отражает суммарное содержание всех
313
сахаров в сухом веществе патоки. Содержание редуцирующих веществ, выраженное в процентах к массе сухих веществ, в карамельной патоке находится в пределах 38...44, в низкоосаха-ренной — 30...34 и в глюкозной — 44...60.
При повышенном содержании редуцирующих веществ патока теряет антикристаллизационные свойства. Поэтому глюкозная высокоосахаренная патока применяется как сахаристое вещество при производстве варенья, фруктовых консервов, хлебобулочных изделий и т. д.
Патоку получают путем гидролиза крахмала соляной кислотой или при помощи ферментов.
Технологическая схема получения патоки включает в себя следующие стадии производства: подготовка крахмала к гидролизу; гидролиз крахмала; нейтрализация гидролизатов; фильтрование сиропов; обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами; уваривание жидких сиропов до густых; уваривание густых сиропов до патоки и охлаждение патоки.
Подготовка крахмала к гидролизу. Сырье, поступающее на производство патоки, должно содержать минимальное количество примесей, так как они оказывают отрицательное влияние на ход технологического процесса и качество патоки. Обычно перерабатывается крахмал, поступающий с различных предприятий, поэтому его подвергают очистке по такой же технологической схеме, что и при выработке сухого крахмала.
Гидролиз крахмала. Первой технологической операцией производства патоки является гидролиз крахмала. Его проводят в присутствии катализатора кислотным, кислотно-ферментативным или ферментативным способом. В любом случае процесс гидролизу включает стадии клейстеризации крахмала, разжижения крахмального клейстера и его осахаривание. Клейстеризация начинается с ослабления и разрыва связей между макромолекулами амилозы и амилопектина, нарушения структуры крахмальных зерен и образования гомогенной массы с высокой вязкостью. Под действием катализатора длинные цепочки молекул крахмала разрываются. Образуются продукты с различной молекулярной массой, вязкость клейстера снижается — происходит его разжижение, идет дальнейший разрыв молекул крахмала вплоть до глюкозы. Содержание редуцирующих веществ в продуктах гидролиза крахмала характеризуется глюкозным эквивалентом (ГЭ).
Кислотный гидролиз крахмала. Кислотный гидролиз крахмала проводится в конверторах периодического действия или осахаривателях непрерывного действия.
Конвертор (рис. 61) представляет собой цилиндрическую емкость со сферическим днищем и крышкой, изготовленную из стали или бронзы. На крышке конвертора расположены штуцер 2 для сообщения с атмосферой через ловушку 7, штуцер 6 для ввода крахмальной суспензии и подкисленной воды по трубам 4 и 5,
314
Рис. 61. Схема конвертора для гидролиза крахмала
штуцер 7 для предохранительного клапана и манометр 3. В нижнюю часть аппарата подают пар через барботер 10 для перемешивания крахмальной суспензии, а по трубе 8 — для 11 редотвращения образован ия комков клейстера под барботером. Пробы сиропа на анализ отбирают через трубу 9, а готовый сироп выдувают из аппарата в нейтрализатор по трубе 11. Гидролиз ведут при температуре 140... 145 °C. Соляная кислота дозируется из расчета 0,1...0,12 % газа НО к массе сухих веществ перерабатываемого сырья. Величина pH гидролизуемой массы в конверторе должна быть на уровне 1,8...2,2. Заваривание крахмала ведут при избыточном давлении 0,02...0,03 МПа, а процесс разжижения — при избыточном давлении 0,25...0,28 МПа. Процесс осахаривания крахмала длится несколько минут. Контроль за процессом осуществляют по окраске отбираемых проб с йодом.
Так как осахаривание крахмала в конверторе осуществляется периодическим способом, неизбежны колебания содержания редуцирующих веществ в патоке, повышенный расход пара и т. д. Для устранения этих недостатков и интенсификации производства гидролиз ведут в аппаратах непрерывного действия.
Аппараты непрерывного действия обеспечивают равномерность и требуемую скорость процессов нагревания, клейстериза-ции и осахаривания, а также высокое качество конечного продукта. Процесс осахаривания крахмала в них идет следующим образом. Суспензию крахмала с содержанием сухих веществ 40 % из сборника 1 (рис. 62) подкисляют соляной кислотой из сборника 11 и направляют в специальный сборник 2, откуда смесь насосом 3 последовательно подается в пять трубчатых теплообменников 4, где она подогревается до 52...55 °C конденсатом, подаваемым из
315
Рис. 62. Схема непрерывного осахаривания крахмала системы НОК-ЗООМ
конденсатоотводчика 5, и поступает в нагреватели 6. Обогревающий пар под давлением 0,45 МПа подается в межтрубное пространство каждого теплообменника и обеспечивает температуру осахаривания 143 °C. После теплообменников продукт поступает в зону осахаривания — медные трубы 7. Температура перед зоной осахаривания 8 поддерживается регулятором 9 на уровне 144...146 °C. Из зоны осахаривания продукт направляется в испаритель 10 и сборник окончательной нейтрализации 13. Для нейтрализации сиропа из сборника 12 насосом 14 подают кальцинированную соду. Несмотря на дешевизну катализатора и быстроту проведения, кислотный гидролиз крахмала имеет весьма существенные недостатки: получаемые гидролизаты имеют невысокое качество из-за присутствия в них продуктов реверсии и термического кислотного разложения углеводов, продуктов разрушения белковых примесей крахмала под действием кислоты и высокой температуры процесса, а также минеральных примесей, которые образуются при нейтрализации кислоты после гидролиза.
Не удается достичь также достаточно полного осахаривания крахмала. Поэтому для проведения гидролиза крахмала на любой его стадии целесообразно использовать ферменты. Благодаря направленности и специфичности действия ферментов можно вырабатывать патоку с различным составом углеводов. Гидролизаты имеют высокое качество, низкую цветность, так как ферментативный гидролиз идет при значительно более низких температу-
316
pax и pH, близких к нейтральным. Глюкозный эквивалент (ГЭ) может достигать 98 %, что значительно повышает выход кристаллического продукта в производстве глюкозы.
Кислотно-ферментативный гидролиз крахмала. Для устранения недостатков кислотного разжижения крахмала можно использовать кислотно-ферментативное разжижение. Для этого суспензию крахмала подкисляют соляной кислотой до pH 1,8...2,5 и подают в непрерывнодействующий осаха-риватель, где ее нагревают до 140 °C в течение 5 мин, после чего кислоту нейтрализуют раствором кальцинированной соды до pH 6,0...6,5. Продукт практически мгновенно охлаждают в циклоне-испарителе до 85 °C и немедленно во избежание ретроградации крахмала добавляют раствор а-амилазы. В качестве разжижающего вещества используют ферментный препарат амилосубтилин ГЮх с оптимумом действия при 85 °C и pH 6,2...6,5. Гидролиз длится 30 мин. Полученный гидролизат имеет ГЭ 10... 13 % и хорошие фильтрационные свойства. Осахаривание его проводят также с использованием ферментов.
В настоящее время в крахмало-паточной промышленности для осахаривания гидролизатов применяют порошкообразные ферментные препараты очищенной глюкоамилазы: глюконигрин Г20х при производстве кристаллической глюкозы и глюкоавамо-рин Г20х при производстве крахмальных паток и глюкозного концентрата. Осахаривание ведут при 60 °C и pH, оптимальном для действия фермента, до необходимого глюкозного эквивалента. Фермент инактивируют нагреванием продукта при 80 °C в течение 20 мин.
Ферментативный гидролиз кр ах м а л а. При использовании ферментативного разжижения крахмала в 30...35%-ю суспензию крахмала вводят раствор кальцинированной соды до pH 6,0...6,5, раствор бактериальной а-амилазы (ферментного препарата амилосубтилина ГЮх) и ее стабилизаторов: СаО или Са(ОН)2.
Смесь подогревают острым паром до 85 °C и выдерживают при этой температуре 1,5 ч, после чего подогревают до 140 °C в течение 5 мин для улучшения фильтрационных свойств. Температуру разжиженного крахмала быстро снижают до 60 °C и ведут осахаривание амилоглюкозидазой в условиях, оптимальных для ее действия, до достижения требуемого глюкозного эквивалента.
Кислотно-ферментативный и ферментативный гидролиз крахмала используют при производстве следующих видов крахмальных паток: низкоосахаренной (содержание редуцирующих веществ не более 32 % к массе СВ), высокоосахаренной (содержание редуцирующих веществ 63...67 % к массе СВ), мальтозной и декстриномальтозной.
Нейтрализация гидролизатов. Если гидролиз крахмала прово-
317
дался с помощью кислоты, необходимо провести нейтрализацию гидролизатов.
Цель нейтрализации — прекращение гидролиза крахмала по достижении заданной степени осахаривания, перевод свободных минеральных кислот, недопустимых в пищевых продуктах, в безвредные соли и создание оптимальных условий для последующей очистки сиропов от примесей.
Оптимальная величина pH сиропа обеспечивает устойчивость глюкозы, коагуляцию белков и наилучшие условия обесцвечивания сиропов углями. Нейтрализованный сироп не должен иметь pH ниже 4,5...4,9. Гидролизаты, осахаренные с помощью соляной кислоты, нейтрализуют только содой.
Поваренная соль, которая образуется в нейтрализованном сиропе в количестве 0,23...0,25 % (к массе сухих веществ сиропа), не сказывается на вкусе патоки и не ухудшает ее качества.
Нейтрализацию необходимо проводить очень осторожно при интенсивном перемешивании, чтобы не допустить даже местного перещелачивания, в противном случае глюкоза разлагается с образованием окрашенных продуктов, кроме того, карбонат натрия легко вступает в реакцию с кислыми фосфатами, переводя их в средние, что приводит к потемнению и помутнению патоки при хранении.
Процесс ведут в специальных нейтрализаторах периодическим или непрерывным способом. Конструкция аппарата должна обеспечивать быстрое смешивание соды с кислотой и улавливание капель сиропа из отходящих паров.
Подготовка сиропов к фильтрованию. Промышленные гидролизаты паточного производства содержат от 0,9 до 1,9 % взвешенных частиц. Основную массу нерастворимых примесей составляет белок (0,3... 1 %), который под действием кислоты и высокой температуры полностью денатурируется и подвергается пептизации.
В процессе осахаривания кукурузного крахмала высвобождаются жир и жирные кислоты (0,2..0,4 % к массе СВ). Часть нерастворимых примесей составляет мезга, которая находится в крахмале. Все эти примеси удаляют фильтрованием гидролизатов. Чтобы облегчить процесс фильтрования, некоторую часть примесей предварительно выделяют путем отстаивания сиропов в специальных отстойниках—скиммерах или обработкой их на тарельчатых сепараторах с периодической или непрерывной выгрузкой осадка.
Фильтрование сиропов. Для более полного выделения взвесей гидролизат фильтруют. Осадки в основном состоят из скоагулиро-ванных хлопьев белка, легко сжимаемых и труднопроницаемых, поэтому для облегчения фильтрования к сиропу добавляют пористый наполнитель (перлит, диатомит). На большинстве предприятий гидролизаты фильтруют на вакуум-фильтрах, работаю-
318
тих с микросъемом осадка, или автоматических фильтрах-прессах типа ФПАК. Фильтрование проводят при температуре гидролизатов 75...80 °C, при этом давление может достигать 0,3...0,5 МПа.
Обесцвечивание фильтрованных сиропов адсорбентами. После фильтрования паточные сиропы превращаются в прозрачные жидкости желтого цвета. Интенсивность их окраски зависит от чистоты перерабатываемого крахмала, способа проведения гидролиза и условий нейтрализации. К красящим веществам паточного сиропа относятся продукты гидролиза белков, разложения углеводов, продукты реакции меланоидинообразования и др. Наряду с красящими веществами в сиропе присугствуют кислые фосфаты, обусловливающие кислотность патоки, некоторые минеральные вещества, растворимые белки, органические кислоты и др.
Цель очистки паточного сиропа адсорбентами — это полное его обесцвечивание, устранение запаха и удаление примесей.
В качестве адсорбентов на паточных заводах применяют активированный уголь, который удаляет из раствора красящие вещества, золу, соли железа, коллоидные и азотистые вещества, жир и жирные кислоты. После, выделения взвешенных частиц гидролизаты однократно обрабатывают углем в специальных реакторах. Порошкообразный активированный уголь используют в виде водной суспензии концентрацией 25 %. Ее вводят непосредственно в сироп, температура которого 65...70 °C, и постоянно перемешивают в течение 20...30 мин. После обработки адсорбент удаляют фильтрованием сиропов. Сиропы обесцвечивают так же, пропуская их через слой угля, нанесенного на фильтрующую перегородку. Фильтрование ведут при давлении 0,5...0,8 МПа.
Сиропы можно очищать также гранулированными углями в непрерывнодействующих колоннах. Отработанный гранулированный уголь подвергают регенерации. Активированный уголь, применяемый в крахмало-паточной промышленности, должен иметь pH водной вытяжки 4...6. Применение щелочных углей значительно снижает эффект обесцвечивания, поэтому их предварительно обрабатываю! кислотой.
Уваривание жидких сиропов до густых. Для получения густого сиропа с минимальной цветностью и экономии расхода теплоты сгущение сиропа от жидкого (концентрация 35...40 %) до густого (55...57 %) осуществляют в многокорпусных выпарных аппаратах под разрежением.
На паточных заводах работают выпарные аппараты различных конструкций, но наибольшее распространение получили выпарные аппараты вертикального типа (ВВ), как правило трехкорпусные. Перед первым корпусом сироп подогревают до 97 °C, температура кипения сиропа в этом корпусе 100 °C, соответственно во втором корпусе 86 °C, а в третьем — 67,7 °C.
Уваривание густых сиропов до патоки. Очищенный густой
319
сироп концентрацией сухих веществ 55...57 % уваривают в вакуум-аппаратах до патоки с содержанием сухих веществ не менее 78 %.
Для получения патоки высокого качества процесс уваривания ведут при температуре не выше 60 °C. Продолжительность процесса уваривания должна быть минимальной (50...55 мин).
Охлаждение патоки. Патока, выходящая из вакуум-аппарата, имеет температуру 60...70 °C. Так как это вязкий продукт, естественное охлаждение идет очень медленно при быстром нарастании цветности за счет образования красящих веществ. Чтобы избежать этого, стремятся быстро (в течение 40...80 мин) охладить ее до температуры 40...45 °C. Для этой цели используют специальный холодильник, представляющий собой теплообменник, внутри которого размещены змеевики с циркулирующей в них холодной водой. В центре теплообменника находятся циркуляционная труба и мешалка. Резервуар имеет коническое днище и крышку. Холодная вода поступает через воронки отдельно в каждый змеевик, а отработавшая отводится через общую воронку. Горячая патока, проходя между трубами змеевиков, охлаждается и самотеком выходит в сборник. Затем патоку фасуют и хранят.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ И ГЛЮКОЗНО-ФРУКТОЗНОГО СИРОПА
Глюкозу получают из крахмала и крахмалосодержащего сырья. В зависимости от назначения получают следующие виды глюкоз: медицинскую, гидратную и ангидридную, пищевую кусковую, брикетированную, гранулированную и порошкообразную, техническую, и глюкозно-фруктозные сиропы.
Кристаллическая гидратная глюкоза (QH^Og  Н2О) используется в основном для медицинских целей. Медицинская ангидридная глюкоза (CgH^Og) идет на изготовление таблеток, а медицинская гидратная глюкоза используется для внутривенных вливаний. Пищевая глюкоза отличается от кристаллической тем, что при ее изготовлении отсутствует стадия разделения кристаллов и межкристального раствора утфеля, таким образом, затвердевает вся масса утфеля. Такая глюкоза используется в пищевой промышленности как заменитель сахарозы при производстве мягких конфет, мороженого, восточных сладостей, напитков, хлебобулочных изделий.
Техническую глюкозу получают из низкокачественного сырья. При ее производстве также отсутствует стадия разделения кристаллов и межкристального раствора. Техническая глюкоза идет только на технические цели в бродильном и кожевенном производстве, а в медицинской и микробиологической промышленности ее используют в качестве питательной среды для выращивания микроорганизмов. Глюкозно-фруктозные сиропы находят
320
Рис. 63. Принципиальная технологическая схема производства глюкозы и глюкозосодержаших продуктов
применение в производстве безалкогольных напитков, соков, джемов, помадки, зефира, пастилы, жевательной резинки и т. д.
Принципиальная технологическая схема получения глюкозы и глюкозосодержащих продуктов приведена на рис. 63. В основе производства всех видов глюкозы лежит кислотный, ферментативный или кислотно-ферментативный гидролиз крахмала для получения высокодоброкачественных глюкозных сиропов, из которых и получают глюкозу или глюкозосодержащие продукты.
Первые стадии: подготовка крахмальной суспензии, гидролиз (кислотный или ферментативный), нейтрализация кислоты или инактивация ферментов, очистка сиропа адсорбентом; уваривание и охлаждение глюкозного сиропа проводят так же, как при производстве патоки с использованием аналогичного оборудования. Отличия состоят в стадии кристаллизации и последующих операциях, связанных с особенностями производимой продукции.
Технологическая схема получения кристаллической гидратной глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала. При получении кристаллической гидратной глюкозы с помощью кислотного гидролиза крахмала используют как картофельный, так и кукурузный крахмал, причем качеству крахмала придают особое значение. Растворимые и нерастворимые азотистые вещества и минеральные примеси отрицательно сказываются на качестве глюкозы, снижают ее выход, участвуют в образовании красящих веществ, поэтому крахмал тщательно отделяют от примесей на сепараторах и вакуум-фильтрах.
Для проведения кислотного гидролиза используют крахмальную суспензию концентрацией 22...25 % сухих веществ и соляную кислоту концентрацией 0,5...0,65 % хлористого водорода к массе безводного крахмала. Гидролиз ведут в конвертере или непрерывном осахаривателе при температуре 138... 147 °C и давлении 0,32—0,55 МПа. Процесс длится около 25 мин (в зависимости от давления). Получают гидролизаты чистотой 89—91 %. Нейтрализацию осахаренных глюкозных сиропов ведут содовым раствором концентрацией 16 % до pH 4,7...5,0, что облегчает последующее фильтрование сиропов и обесцвечивание их активированным углем.
Глюкозные сиропы очищают так же, как и паточные. Для облегчения фильтрования используют диатомит.
После очистки жидкие сиропы подогревают до 90...95 °C, подкисляют соляной кислотой до pH 4,4...4,5 для снижения интенсивности нарастания цветности и выпаривают в трехкорпусной выпарной установке под вакуумом до содержания сухих веществ 55...57 %. Густой сироп подвергают контрольному фильтрованию, предварительно нейтрализовав до pH 5,0...5,4.
Затем сироп снова подкисляют до pH 4,2...4,3 и уваривают в вакуум-аппарате до концентрации сухих веществ 74...76 %.
322
Полученный глюкозный сироп чистотой 91...93 % охлаждают в холодильнике до 48...50 °C, фильтруют и заливают в кристал-иизатор. В качестве затравки кристаллов вводят утфель предыдущей кристаллизации в количестве 30 %.
Сироп смешивают с затравкой в течение 12...24 ч, температура утфеля после смешивания должна быть 43...44 °C. Коэффициент пересыщения в начале кристаллизации 1,25...1,30. Процесс кристаллизации глюкозы идет ПО...120 ч, в этом случае температура падает до 25 °C. Ее регулируют так, чтобы не происходило местного переохлаждения и не выпадали мелкие кристаллы.
В конце кристаллизации коэффициент пересыщения равен 1,10...1,15, концентрация сухих веществ межкристального раствора не выше 63 %, а чистота не более 80 %. Полученный утфель представляет собой смесь кристаллов глюкозы и межкристального раствора. Для получения кристаллической глюкозы его центрифугируют. Кристаллы глюкозы промывают конденсатом или умягченной водой, свободной от солей железа. Расход воды составляет 20...25 % к массе сырой глюкозы. Массовая доля влаги сырых кристаллов глюкозы составляет 12... 15 %, их сушат до 8...9 %. Температура воздуха, поступающего в сушилку, не должна превышать 48...55 “С, а температура кристаллов глюкозы — 45...55 °C, так как уже при 60 °C кристаллы гидратной глюкозы начинают плавиться в собственной кристаллизационной влаге. Высушенная кристаллическая глюкоза проходит через магнитный сепаратор, ее просеивают через сито с отверстиями диаметром 1,0... 1,5 мм и фасуют.
Технологическая схема получения кристаллической глюкозы путем ферментативного гидролиза крахмала. В 30...35%-ю суспензию крахмала добавляют раствор кальцинированной соды до pH 6,0...6,5 и раствор амилосубтилина Г10х в количестве 0,02 % к сухим веществам крахмала. Смесь подогревают до 85 °C и выдерживают при этой температуре в течение 1,5 ч. Благодаря действию а-амилазы происходит разрыв длинных цепочек крахмала и вязкость клейстера падает. Для обеспечения более полной клейстеризации и улучшения фильтрационных свойств температуру смеси повышают до 140 °C и выдерживают при этой температуре 5 мин.
Чтобы разжижить клейстеризованный крахмал, смесь мгновенно охлаждают в циклоне-испарителе до 85 °C и вводят вторую порцию амилосубтилина Г10х (0,05...0,07 % к сухим веществам крахмала), перемешивают и выдерживают при этой температуре до содержания редуцирующих веществ 10...20 %.
Разжиженный крахмал охлаждают до 60 °C и вводят для его осахаривания ферментные препараты очищенной глюкоамилазы. В процессе осахаривания контролируются показатель pH и содержание СВ. В результате ферментативного осахаривания получают сиропы с содержанием редуцирующих веществ 96...98 %.
323
Для инактивации фермента и стерилизации сиропа его выдерживают при 80 °C в течение 20 мин. Для коагуляции высокомолекулярных азотистых соединений pH сиропа доводят до 4,8. ..5,0 соляной кислотой и фильтруют. После механической очистки сироп обесцвечивают активированным углем. Последний отделяют фильтрованием, а сироп выпаривают под вакуумом на выпарной установке до содержания сухих веществ 54...56 %. Густой сироп еще раз обрабатывают активированным углем, а затем уваривают в вакуум-аппарате до содержания сухих веществ 70...72,5 %, охлаждают до 50 °C и направляют в кристаллизаторы. Выделенные и промытые в центрифуге кристаллы глюкозы высушивают, просеивают и упаковывают.
Технологическая схема получения пищевой глюкозы. Для получения пищевой глюкозы готовят менее концентрированную суспензию крахмала (18...20 %СВ). Гидролиз проводят как с применением соляной кислоты в конвертере или осахаривателе непрерывного действия, так и с помощью ферментных препаратов. При кислотном гидролизе концентрация ксилоты берется из расчета 0,4...0,55 % газа HCL к сухим веществам крахмала. Процесс гидролиза крахмала ведут до содержания редуцирующих веществ 90...92 %, в том числе 85...87 % глюкозы. При нейтрализации pH доводят до 4,7...4,8. Сироп обесцвечивают активированным углем, фильтруют, уваривают до концентрации сухих веществ 50...55 %, проводят контрольное фильтрование и уваривают в вакуум-аппаратах при температуре 60...65 °C до концентрации сухих веществ 79...80 %. Готовый сироп охлаждают до 45...50 °C и подают в кристаллизатор. В сироп добавляют затравку в количестве 5...10 % к массе сиропа и тщательно перемешивают, а затем охлаждают до 40 °C. Загустевшую массу разливают в картонные короба. Глюкоза кристаллизуется, кристаллы, срастаясь, захватывают межкристальный раствор, и смесь превращается в твердую пищевую глюкозу. Пищевую глюкозу желтого цвета, сладкую на вкус и без постороннего запаха выпускают в виде кусков, блоков или брикетов. Ферментативный гидролиз крахмала позволяет получать пищевую глюкозу более высокого качества, так как уменьшается количество примесей в межкристальном растворе. Процесс ведут в две стадии: разжижением крахмала и его осахариванием. Разжижение крахмала проводят ферментативным или кислотным методом. При кислотном разжижении в крахмальную суспензию концентрацией 35...40 % СВ вносят соляную кислоту в количестве 0,15...0,20 % на сухие вещества крахмала. Процесс ведут в конверторе под давлением 0,3 МПа в течение 2...3 мин. Затем гидролизат нейтрализуют до pH 5,5...5,6, охлаждают до 48...50 °C и направляют в ферментеры для осахаривания.
При ферментативном разжижении крахмала в суспензию температурой 55 °C вводят раствор амилосубтилина Г10х (или аналогичного ферментного препарата) в количестве 0,01...0,015 % на
324
сухие вещества крахмала, доводят температуру смеси до 85 °C и выдерживают в течение 2 ч при постоянном помешивании. Для более полной клейстеризации крахмала смесь обрабатывают в конверторе в течение З...6мин при 133 °C, охлаждают до 85 °C и вводят вторую порцию ферментного препарата (0,05...0,07 % к массе крахмала), выдерживают при этой температуре 30 мин, после чего охлаждают до 48...50 °C и направляют для осахаривания.
Осахаривание проводят с помощью ферментного препарата глюкоэндомикопсина Г10х в ферментере при 48...50 °C в течение 60...72 ч при постоянном помешивании. В результате получают сироп, содержащий при кислотном разжижении 94...95 % редуцирующих веществ, а при ферментативном — 96...98 %. Для инактивации ферментов сироп нагревают до 90 °C и направляют на адсорбционную очистку. Жидкий сироп упаривают под вакуумом до содержания сухих веществ 54...55 %, а затем уваривают в вакуум-аппаратах до содержания сухих веществ 70...72 %, после чего охлаждают до 50 °C и направляют на кристаллизацию. Количество затравки составляет 20...30 % от массы утфеля. Кристаллизация глюкозы длится 1 сут, температура при этом снижается до 34...35 °C. Загустевшую массу разливают в формы и выдерживают в течение 3 сут при 10... 15 °C. Затем пищевую глюкозу измельчают, просеивают, подсушивают до влажности не более 9 % и упаковывают.
Получение медицинской гидратной глюкозы. Для получения медицинской гидратной глюкозы используют кристаллы гидратной кристаллической глюкозы, которые растворяют в уваренной до 59...60 % СВ смеси латок, полученных при центрифугировании утфеля и промывании кристаллов перекристаллизованной глюкозы. Полученный сироп концентрацией 72...72,5 % сухих веществ после очистки активированным углем и фильтрования заливают в кристаллизаторы. В качестве затравки используют утфель предыдущей кристаллизации в количестве 15 % вместимости кристаллизатора. По окончании кристаллизации межкристальный раствор отделяют, кристаллы промывают дистиллированной водой, сушат, просеивают и фасуют. Выделенную белую патоку уваривают вместе с зеленой в вакуум-аппарате до содержания сухих веществ 59...60 % и направляют для растворения кристаллической глюкозы.
При получении ангидридной глюкозы также используют кристаллическую гидратную глюкозу, но сироп готовят концентрацией сухих веществ 55...60 %. После очистки и фильтрования сироп подают в вакуум-аппарат для уваривания до 82...84 % сухих веществ. Процесс наращивания кристаллов ангидридной глюкозы длится 6...8 ч. При этом в аппарат систематически подают сироп, чтобы обеспечить наращивание кристаллов и предотвратить образование новых. Окончательное сгущение утфеля
325
ведут до содержания в сиропе 88...89 % сухих веществ. Утфель спускают в кристаллизатор, а затем центрифугируют. Пробелку кристаллов ведут дистиллированной водой. Влажные кристаллы сушат, просеивают и упаковывают.
Производство технической глюкозы. Сырьем для получения технической глюкозы служит картофельный, кукурузный или другой крахмал. Гидролиз ведут с помощью соляной кислоты. Суспензию крахмала концентрацией сухих веществ 35...37 % подают в конвертор. Концентрация кислоты берется из расчета 0,5 % хлористого водорода к массе сухих веществ крахмала. Осахаривание проводят в течение 15...45 мин до достижения ГЭ 65...75 %. Далее сироп выпаривают под разрежением до содержания сухих веществ 54...59 %, после чего его обесцвечивают активированным углем, фильтруют для отделения угля и направляют в вакуум-аппараты для уваривания до содержания сухих веществ 75...80 %. После охлаждения до 40...45 °C его направляют в кристаллизаторы. В качестве затравки кристаллов вносят 10 % (к массе сиропа) измельченной глюкозы или утфеля предыдущего цикла.
Кристаллизацию ведут при постоянном перемешивании и охлаждении смеси до выпадения большого количества мелких кристаллов, которые не отделяют от межкристальной жидкости. Всю массу разливают в тару, где она затвердевает в течение 2...3 сут. Затем продукт вынимают из тары и выдерживают еще 5...6 сут, измельчают и упаковывают.
ПОЛУЧЕНИЕ ГЛЮКОЗНО-ФРУКТОЗНЫХ СИРОПОВ ИЗ КРАХМАЛА
Фруктоза, так же как и глюкоза, является моносахаридом. Это самый сладкий сахар, поэтому чем больше содержится фруктозы, тем слаще продукт при том же содержании сахара. Изомеризация глюкозы во фруктозу может происходить как при воздействии щелочи на холоде или при слабом нагревании раствора глюкозы, так и при воздействии фермента глюкоизомеразы. При этом применяют иммобилизованные (закрепленные на носителе) препараты фермента, пригодные к многократному использованию.
Для получения глюкозно-фруктозного сиропа в качестве исходного сырья используют в основном кукурузный крахмал. Содержание примесей в нем должно быть минимально, а содержание белка не должно превышать 0,4 %, в том числе растворимого — не более 0,05 %.
Для получения глюкозно-фруктозного сиропа используют гидролизаты крахмала с высоким содержанием глюкозы (96 %), полученные при ферментативном гидролизе крахмала. Для удаления растворимых примесей (зольные элементы, особенно ионы кальция, красящие вещества, протеин и др.) глюкозный сироп обрабатывают ионообменными смолами и активированным углем. Очищенный глюкозный сироп направляют на выпаривание до содер-
326
линия сухих веществ 40...50 %. При более высокой концентрации сиропа увеличивается его вязкость и падает скорость изомеризации. Иногда вместо выпаривания сироп стерилизуют при 125 °C в течение 2 мин, после чего его охлаждают до 60 °C. В подготовленный субстрат добавляют ионы магния и кобальта для повышения активности фермента и бисульфит для предупреждения развития микрофлоры. Ферментный препарат (глюкоизомераза) дозируется по его глюкоизомеразной активности. В процессе изомеризации необходимо контролировать и поддерживать на заданном уровне величину pH субстрата. Процесс изомеризации длится около 20...24 ч до содержания фруктозы в гидролизате 42 %. Далее сироп отстаивают в течение нескольких часов и сливают так, чтобы осевший на дно фермент был покрыт слоем сиропа во избежание его контакта с воздухом. В реактор вновь подают свежий субстрат, и начинается новый цикл. Фермент используют от 5 до 30 дней и выводят из производства.
Полученный сироп подкисляют соляной кислотой до pH 4,5, очищают ионообменными смолами и обесцвечивают активированным углем. Далее сироп уваривают при 60 °C (при более высоких температурах фруктоза разлагается) в выпарных аппаратах пленочного типа до содержания сухих веществ 71...74 %, охлаждают до 30 °C и хранят при температуре 25...30 °C, так как при температуре ниже 25 °C начинается кристаллизация глюкозы, а при температуре выше 30 °C нарастает цветность сиропа из-за разложения моносахаридов.
Глюкозно-фруктозные сиропы находят широкое* применение за рубежом при производстве детского и диетического питания, хлебобулочных изделий, безалкогольных напитков, мороженого, кремов, тортов, пирожных и т. д.
По своим свойствам такие сиропы близки к инвертному сахару. Из-за большого содержания моносахаридов, особенно фруктозы, использование сиропов позволяет получать кондитерские изделия повышенного качества: они долго остаются свежими и не засыхают. Хлебобулочные изделия, приготовленные на глюкозно-фруктозном сиропе, имеют лучшую окраску корки. Сироп с содержанием фруктозы 90 % позволяет получать пищевые продукты пониженной калорийности благодаря снижению содержания сахара в рецептуре изделий за счет очень сладкого вкуса сиропа. Глюкозно-фруктозные сиропы используют также при производстве джемов и консервов, усиливая фруктовый аромат последних.
Контрольные вопросы
1.	Как получают сырой картофельный и кукурузным крахмалы?
2.	Каков средний химический состав картофеля и кукурузы?
3.	Какие виды патоки вы знаете?
4.	Где используются модифицированные крахмалы?
5.	В чем преимущество глюкозно-фруктозного сиропа при производстве продуктов диетического назначения?
327
Глава 16 ТЕХНОЛОГИЯ ХЛЕБА И ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Технологическая схема производства хлеба и хлебобулочных изделий включает в себя следующие этапы: хранение и подготовка сырья к производству, приготовление и разделка теста, выпечка и хранение хлеба. На рис. 64 приведена схема производства хлеба на современном хлебозаводе.
Муку доставляют на хлебозавод автомуковозами /, а дополнительное сырье — автомашинами 2. По трубопроводу 3 мука через дисковые переключатели 5 поступает в силосы 4 для хранения. Фильтры 6, 10, 14 служат для очистки транспортирующего воздуха от мучной пыли. Затем роторными питателями 7 мука из силосов направляется в промежуточную емкость 8, которая находится над просеивателем 9, и далее в промежуточную емкость 11. После взвешивания на весах 12 мука ссыпается в бункер 13, а затем по мукопроводу поступает в производственный бункер 15.
Вода подготавливается в водомерных бачках 16, а дополнительное сырье в виде растворов — в сборниках 17...20. Для замеса теста в тестомесильную машину 26 бункерного тестоприготовительного агрегата 29 дозатором 25 отмеривается мука, а из бачков постоянного уровня 21...24 дозатором 27 подаются растворы дополнительного сырья. Выброженное тесто питателем 28 направляется в делитель 30, откуда в виде отдельных кусков опре-
Рис. 64. Схема производства хлеба на современном хлебозаводе
328
/1,еленной массы транспортерами 31, 33 — в округлитель 32, а татем в закаточную машину 34.
Укладчик-манипулятор 35 перекладывает тестовые заготовки на люльки расстойного шкафа 36. Расстоявшиеся заготовки транспортером 37 подаются на под туннельной печи 38. Выпеченный хлеб транспортером 39 направляется на распределительный транспортер 40 или тележку 48. С помощью устройств для ориентирования 41 хлеб поступает на хлебоукладочный агрегат 42, а затем на полки контейнеров 43. Для подсортировки заказов торговой сети служит комплектующая тележка 45. Загруженные контейнеры собираются в накопителях 44, откуда они перемещаются загрузочным контейнером 46 к автохлебовозам, которые с помощью стыковочного механизма 47 крепятся к местам погрузки на рампе экспедиции.
ХРАНЕНИЕ И ПОДГОТОВКА МУКИ К ПРОИЗВОДСТВУ
Свежесмолотая мука не годится для выпечки хлеба, так как образует мажущееся, расплывающееся тесто и хлеб получается плохого качества (малого объема, пониженного выхода и т. п.), поэтому такую муку в хлебопечении никогда не применяют. Она должна пройти отлежку или созревание в благоприятных условиях, при которых ее хлебопекарные свойства улучшатся.
Созревание пшеничной муки проводят на мелькомбинатах в течение 1,5...2 мес. При этом меняется влажность муки в зависимости от параметров окружающего воздуха; цвет ее становится светлее в результате окисления каротиноидов; увеличивается кислотность в основном за счет разложения жира и образования жирных кислот, а также в результате накопления других кислотореагирующих веществ (кислых фосфатов, продуктов гидролиза белков и др.). Следствием возрастания кислотности являются глубокое изменение белков, укрепление структурно-механических свойств клейковины, уменьшение ее растяжимости и увеличение упругости. Слабая непосредственно после помола клейковина при отлежке приобретает свойства средней; средняя по силе становится сильной, а сильная — очень сильной.
Длительность созревания муки зависит от ее сорта, влажности и условий хранения. Повышение выхода муки, ее влажности и температуры хранения ускоряет процесс созревания, так как создаются более благоприятные условия для окислительно-восстановительных процессов. Для ускорения созревания используют химические улучшители, а также пневматическое перемещение муки с помощью сжатого, особенно нагретого, воздуха.
Созреванию подвергают только пшеничную муку; ржаная мука при отлежке свои хлебопекарные свойства не изменяет, поэтому в созревании не нуждается.
Существует два способа транспортирования и хранения муки
329
на предприятиях: тарный, когда муку перевозят и хранят в мешках, и бестарный, когда муку перевозят в автомуковозах и хранят в бункерах или силосах. Бестарный способ перевозки и хранения муки имеет ряд преимуществ перед тарным, так как позволяет механизировать и автоматизировать операции по разгрузке муки и управлять ими с пульта. Кроме того, при тарном способе хранения возникают дополнительные потери муки, связанные с ее распылом и остатками в опорожненных мешках.
В настоящее время используется бестарный способ хранения муки в емкостях различных конструкций и размеров, изготовленных из металла, монолитного или сборного железобетона. Емкости состоят из верхней цилиндрической или прямоугольной части и нижней конусной. Емкости, у которых отношение высоты (без конусной части) к меньшему диаметру больше или равно 1,5, называются силосами. Если это отношение меньше 1,5, то такие емкости называются бункерами. Конусное дно может иметь различный уклон к горизонту (10, 12 или 60°)- При хранении в силосах мука слеживается, что затрудняет ее выборку. Чтобы придать ей текучесть, днище силоса выполняют аэрируемым, т. е. из керамических пористых плит, покрытых сверху бельтингом. В днище через патрубки подают сжатый воздух, который разрыхляет нижние слои муки. В каждом силосе муку хранят только одного сорта и только одной партии. Для работы предприятия склад должен обеспечивать хранение не менее 7-суточного запаса муки.
В последние годы нашел применение открытый способ размещения установок для бестарного хранения муки вне зданий на территории хлебозаводов. Это позволяет сэкономить средства на строительстве здания склада, сократить сроки ввода установок в эксплуатацию и уменьшить взрывоопасность.
Склад бестарного хранения муки оборудуют установками для приема муки и ее внутризаводского транспортирования, автоматическими весами для учета поступающей на производство муки и просеивателями с магнитными уловителями.
Муку можно транспортировать на производство механическим, пневматическим или аэрозольным транспортом (с помощью сжатого воздуха по трубопроводам). На предприятиях пищевой промышленности предпочтение отдают аэрозольному транспортированию, так как оно обеспечивает высокую концентрацию муки в смеси с воздухом, уменьшает удельный расход воздуха и позволяет при малых сечениях трубопроводов достигать высокой производительности. При пневматическом транспортировании 1 м3 воздуха перемещает 5...6 кг муки, а при аэрозольном — примерно 60... 120 кг.
На современных хлебопекарных предприятиях применяются установки для бестарного хранения муки с аэрозольтранспортом (рис. 65). Гибкий шланг автомуковоза присоединяется к прием-
330
ному щитку Z, и мука сжа-1ым воздухом от компрессора муковоза перекачивается в силосы 4. Для последовательного заполнения мукой силосов трубопроводы 2 и 7 оборудованы переключателями 5. На крышке силосов установлены также фильтры 6, служащие для отделения от муки транспортирующего воздуха. Если мука посту-
Рис. 65. Схема установки для бестарного хранения муки
иает в мешках, то ее раз-
гружают в приемник для муки 3. Для перемещения муки из одного силоса в другой, например при ее согревании в результа
те длительного хранения или очистке силосов изнутри, установка оборудована дополнительным трубопроводом. Мука из силосов подается на производство сжатым воздухом, поступающим от компрессорной станции через питатель 10. По трубопроводу мука поступает в бункер-разгрузитель 8 автоматических весов 9
и далее на контрольное просеивание.
Перед подачей муки для приготовления теста производится ее подготовка к производству, которая заключается в подсортировке отдельных партий, их просеивании и магнитной очистке. Отдельные партии муки могут значительно отличаться по своим хлебопекарным качествам, поэтому перед подачей на производство принято составлять смесь различных партий муки в пределах одного сорта. Муку со слабой клейковиной смешивают с сильной; муку, темнеющую в процессе переработки, — с нетемнеющей и т. д. Соотношение компонентов в мучной смеси определяет лаборатория на основании анализа. При этом исходят из необходимости улучшить свойства одной партии муки за счет другой. Обычно смешивают две или три партии муки в простых соотношениях (1:1, 1:2, 1:3 и т. д.) на специальных машинах —
мукосмесителях.
Для просеивания муки с целью удаления случайных посторонних примесей применяют бураты, вибросита или просеиватели других конструкций. Муку просеивают через сито из стальной сетки с ячейками определенного размера.
Для очистки муки от металломагнитных примесей в выходных каналах просеивающих машин устанавливают магнитные уловители, которые очищают через каждые 4 ч работы. При использовании аэрозольтранспорта вместо слабых постоянных магнитов применяют электромагнитные сепараторы.
331
ХРАНЕНИЕ И ПОДГОТОВКА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ К ПРОИЗВОДСТВУ
Вода
Качество питьевой воды определяется ГОСТ 2874. На каждом хлебозаводе должен быть запас холодной воды, рассчитанный на 8 ч работы предприятия, и запас горячей воды на 4 ч работы.
Для приготовления теста на 100 кг муки расходуют от 35 до 75 л питьевой воды.
Количество воды в тесте зависит:
от вида муки и изделий. Наименьшую влажность имеет тесто, предназначенное для бараночных изделий, наибольшую — для ржаного хлеба из обойной муки;
от влажности муки. Чем суше мука, тем больше воды она поглощает при замесе;
от количества сахара и жира, добавляемых по рецептуре, которые как бы разжижают тесто. При внесении значительных количеств сахара и жира сокращают количество воды, добавляемой при замесе.
Соль
В рецептуру хлебобулочных изделий, за исключением диетических бессолевых сортов, входит поваренная соль в количестве от 1 до 2,5 % к массе муки. Она улучшает вкус изделий, существенно влияет на физические свойства теста, укрепляя его клейковину. Состояние же дрожжей в присутствии соли ухудшается, так как соль задерживает процессы спиртового и молочнокислого брожения в тесте. Качество поваренной соли должно соответствовать ГОСТ 13830.
Соль доставляют на хлебозавод в мешках или насыпью и хранят в отдельных помещениях. Раствор соли готовят в солера-створителе, который представляет собой бак из двух отделений. Одно заполнено слоем соли, в который поступает вода, образуя насыщенный раствор 26%-й концентрации; второе служит отстойником раствора соли после фильтрования. В настоящее время применяют новый (мокрый) способ хранения соли, для этого ее ссыпают в металлический или бетонный бункер — растворитель, к которому подведена вода. В хранилище образуется раствор соли плотностью 1,16...1,2 кг/л. Перед подачей на производство раствор соли фильтруют и перекачивают в расходные баки.
Дрожжи
В хлебопечении применяют прессованные, сушеные и жидкие дрожжи и дрожжевое молоко.
Прессованные дрожжи представляют собой выращенные в
332
особых условиях дрожжевые клетки, выделенные из среды, в которой они размножались. В соответствии с ГОСТ 171 влажность их составляет до 75 %, поэтому они являются скоропортящимся продуктом и требуют хранения при температуре 0...4 °C в течение не более 12 сут. Важным показателем качества дрожжей является их подъемная сила, или быстрота подъема теста, характеризующая способность дрожжей разрыхлять тесто. Хорошие дрожжи поднимают тесто за 60...65 мин.
Расход прессованных дрожжей для приготовления пшеничного теста составляет 0,5...3 % к массе муки и зависит от ряда факторов:
подъемной силы дрожжей. Чем она ниже, тем больше требуется дрожжей;
длительности процесса брожения теста и способа его приготовления. Чем больше длительность брожения, тем меньше расход дрожжей; для безопарного способа приготовления теста требуется 1,5...3 %, а для опарного — 0,5...! % дрожжей;
количества сахара и жира, содержащихся в тесте. Эти продукты угнетают жизнедеятельность дрожжей, поэтому увеличивают количество вводимого разрыхлителя.
Подготовка прессованных дрожжей к производству состоит в освобождении их от упаковки, предварительном грубом измельчении и приготовлении хорошо размешанной однородной массы (суспензии) в теплой воде температурой 30...35 °C.
Сушеные дрожжи получают из прессованных путем высушивания в определенных условиях до влажности 8... 10 %. Сушеные дрожжи могут храниться продолжительное время (при температуре не более 10 °C до 1 года). Они имеют светло-желтый или светло-коричневый цвет с дрожжевым запахом, подъемная сила их составляет до 90 мин. Сушеные дрожжи применяют в тех случаях, когда невозможно доставить на завод или сохранить прессованные дрожжи.
В последнее время на хлебозаводах, расположенных недалеко от дрожжевых предприятий, применяется дрожжевое молоко. Дрожжевое молоко — это жидкая суспензия дрожжей в воде, полученная при сепарировании культуральной среды после размножения в ней дрожжей. Дрожжевые клетки в этом продукте находятся в более активном биологическом состоянии, чем в прессованных дрожжах. Кроме того, на дрожжевых заводах в этом случае исключаются такие операции, как прессование и упаковывание. Дрожжевое молоко доставляют на завод в термоизолированных цистернах—молоковозах, из которых оно поступает в приемные металлические емкости, оборудованные мешалками, где хранится в течение 1,5...2 сут при температуре 6... 10 °C. Качество дрожжевого молока должно соответствовать ОСТ 18-369.
Жидкие дрожжи представляют собой мучную среду, в которой
333
находятся активные дрожжевые клетки и молочнокислые бактерии. Жидкие дрожжи готовят непосредственно на хлебозаводах. Они применяются для разрыхления пшеничного теста в количестве 20...35 % к массе муки.
Сахар-песок, жир
Сахар-песок. В хлебопечении применяют сахар-песок и сахарную пудру, качество которых определяется ГОСТ 21 и ГОСТ 22. Сахар-песок добавляют в тесто при изготовлении булочных и сдобных изделий в количестве 2,5...30 % к массе муки, сахарную пудру используют для отделки поверхности сдобных изделий.
Сахар-песок оказывает существенное влияние на качество теста и готового хлеба. Он разжижает тесто, поэтому надо делать поправку на количество вносимой воды; его добавление в небольшом количестве (до 10 % к массе муки) ускоряет брожение теста, а при повышенной дозировке — угнетает. Поэтому если по рецептуре требуется большое количество сахара-песка и жира, то их вносят в тесто в конце брожения. Эта операция называется отсдобкой. Кроме того, сахар-песок улучшает вкус, аромат, окраску хлеба, повышает его энергетическую ценность.
На хлебозаводе, как правило, хранят 15-суточный запас сахара-песка, который обычно поступает в мешках. При подготовке к производству сахар-песок растворяют в воде в бачках с мешалками при температуре около 40 °C до концентрации раствора 55 %, а затем перекачивают в сборники. Возможно поступление сахара на завод в виде сахарного сиропа.
Жир. Жир вносят в тесто в количестве до 20...30 %. Для приготовления большинства изделий используется маргарин, для некоторых видов сдобных изделий — животное масло, для горчичного хлеба и горчичных баранок — растительное (горчичное) масло. Растительные масла применяются также при разделке теста, для смазки форм и листов. Качество маргарина должно соответствовать ГОСТ 240, подсолнечного масла — ГОСТ 1128.
Жиры повышают энергетическую ценность изделий, улучшают их вкусовые качества, увеличивают объем хлеба, повышают пластичность теста, несколько укрепляют клейковину. В то же время они снижают интенсивность брожения теста. Желательно, чтобы жиры, применяемые в хлебопечении, были безводными и хорошо эмульгировались в воде, имели пластичную структуру и невысокую температуру плавления.
Твердые жиры растапливают в бачках с водяной рубашкой и мешалкой. Температура маргарина при этом не должна превышать 40...45 °C, иначе произойдет расслоение массы на жир и воду, что нарушит равномерное распределение жира в тесте.
Жир (растительное масло, маргарин) улучшит качество хлеба, если его вносить в тесто в виде предварительно приготовленной
334
ншкодисперсной эмульсии с применением пищевого эмульгатора, например фосфатидного концентрата (ФК) следующего сомина (%): маргарин — 50, фосфатидный концентрат — 5...7, вода — 45. Такая эмульсия устойчива, она не расслаивается в к-чение 2...3 сут, хорошо транспортируется по трубам. Внесение •мульсии позволит значительно улучшить качество хлеба, задерживая его черствение.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ТЕСТА
Для каждого сорта хлеба существуют унифицированные рецептуры, в которых указывают сорт муки и расход каждого вида сырья (в кг на 100 кг муки). На их основании лаборатория хлебозавода составляет производственные рецептуры, в которых указывает дозировку муки, дополнительного сырья, растворов, полуфабрикатов (закваски, заварки, жидких дрожжей) на замес одной порции опары (закваски) и теста в зависимости от мощности завода, его оборудования, принятого способа тестоведе-пия, а также технологический режим приготовления изделий ( температура, влажность, кислотность полуфабрикатов, продолжительность брожения, обминок, условия расстойки и выпечки).
Замес теста. Это короткая, но весьма важная технологическая операция. Длительность замеса для пшеничного теста составляет 7...8 мин, для ржаного — 5...7 мин.
Цель замеса — получить однородную массу теста с определенными структурно-механическими свойствами. При замесе одновременно протекают физико-механические и коллоидные процессы, которые взаимно влияют друг на друга. Коллоидные процессы, или процессы набухания, связаны с основными составными частями муки — белками и крахмалом. Белки пшеничной муки, поглощая влагу, резко увеличиваются в объеме и образуют клейковинный каркас, внутри которого находятся набухшие зерна крахмала и частицы оболочек. Слипание частиц в сплошную массу, происходящее в результате механического перемешивания, приводит к образованию теста. Однако чрезмерный замес может вызвать разрушение уже образовавшейся структуры теста, что приведет к ухудшению качества хлеба.
Тесто после замеса состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. От соотношения этих фаз зависят свойства теста: увеличение количества жидкой фазы «ослабляет» его, делает более жидким, текучим, липким. Этим объясняются различные свойства пшеничного и ржаного теста. Пшеничное тесто эластичное, упругое, а ржаное — вязкое, пластичное. Твердая фаза в пшеничном тесте состоит из набухших нерастворимых в воде белков, зерен крахмала и частиц оболочек. Она преобладает над жидкой фазой, в состав которой входят водорастворимые вещества (сахар, соль, водорастворимые белки и др.). Кроме того,
335
основная часть жидкой фазы пшеничного теста связана набухшими белками. Газообразная фаза представлена пузырьками воздуха, захваченными тестом при замесе. В ржаном тесте отсутствует клейковинный каркас, значительная часть белков (до 97 %) неограниченно набухает, превращаясь в жидкую фазу, в состав которой входят также слизи и большое количество декстринов, сахаров и других веществ. Значительное содержание декстринов и сахаров в ржаном тесте связано с тем, что крахмал ржи очень легко (за счет высокой атакуемости) и интенсивно расщепляется под действием ферментов, так как в ржаной муке нормального качества присутствуют а- и р-амилазы в отличие от пшеничной муки нормального качества, в которой находится только р-ами-лаза. Твердая фаза ржаного теста состоит из небольшого количества ограниченно набухающих белков (2...3 %), крахмала и частиц отрубей.
Структурно-механические свойства ржаного теста во многом зависят от его кислотности: ее повышение до определенных пределов (до 10... 12° по сравнению с конечной кислотностью пшеничного теста 7°) увеличивает долю твердой фазы, улучшает его структурно-механические свойства, делает тесто менее вязким за счет медленного разложения крахмала и снижения образования декстринов, придающих тесту липкие свойства.
Брожение теста. Брожение теста охватывает период времени с момента его замеса до деления на куски. Цель брожения — разрыхление теста, придание ему определенных структурно-механических свойств, необходимых для последующих операций, а также накопление веществ, обусловливающих вкус и аромат хлеба, его окраску.
Комплекс процессов, одновременно протекающих на стадии брожения и взаимно влияющих друг на друга, объединяют под общим понятием созревание теста. Созревание включает в себя микробиологические (спиртовое и молочнокислое брожение), коллоидные, физические и биохимические процессы.
Спиртовое брожение вызывается дрожжами, в результате которого сахара превращаются в спирт и диоксид углерода. Дрожжи сбраживают сначала глюкозу и фруктозу, а затем сахарозу и мальтозу, которые предварительно превращаются в моносахариды. Источником сахаров являются собственные сахара зерна, перешедшие в муку, но главную массу составляет мальтоза, образовавшаяся в тесте при расщеплении крахмала. Скорость брожения зависит от температуры, кислотности среды, качества дрожжей и ускоряется при увеличении количества дрожжей и повышении их активности, при достаточном содержании сбраживаемых сахаров, аминокислот, фосфорнокислых солей. Повышенное содержание соли, сахара, жира тормозит газообразование в тесте. Брожение ускоряется при добавлении в тесто амилолитических ферментных препаратов.
336
Молочнокислое брожение вызывается молочнокислыми бактериями, которые попадают в тесто из воздуха с мукой и расщепляют глюкозу до молочной кислоты. Существует два вида молочнокислых бактерий: гомоферментативные, образующие молочную кислоту, и гетероферментативные, которые наряду с молочной кислотой вырабатывают другие кислоты (уксусную, янтарную, лимонную и пр.). При снижении влажности и температуры теста гетероферментативные молочнокислые бактерии развиваются с большей скоростью, в результате резко возрастает кислотность теста и ухудшается вкус хлеба. В пшеничном тесте преобладает спиртовое, а в ржаном — молочнокислое брожение. В результате нарастания кислотности ускоряется набухание белков, замедляется разложение крахмала до декстринов и мальтозы, что крайне важно при переработке пшеничной муки из проросшего зерна и ржаной муки, так как позволяет получить тесто с оптимальными структурно-механическими свойствами. Поэтому кислотность теста является признаком его созревания, а кислотность хлеба — один из показателей его качества, включенный в стандарт.
Коллоидные процессы, начавшиеся на стадии замеса, продолжаются в процессе брожения. В зависимости от свойств муки возможно ограниченное и неограниченное набухание белков. При ограниченном набухании белки только увеличиваются в размерах, а при неограниченном — меняется форма белковой молекулы. У муки с сильной клейковиной почти до конца брожения происходит ограниченное набухание, при этом свойства теста улучшаются. У муки со слабой клейковиной наблюдается неограниченное набухание и тесто разжижается, поэтому продолжительность брожения теста из такой муки должна быть сокращена.
В результате физических процессов повышается температура теста на 1...2 °C и происходит увеличение его объема за счет насыщения диоксидом углерода.
Биохимические процессы, протекающие в тесте, — одни из важнейших, так как от них зависят и микробиологические, и коллоидные, и физические превращения. Суть биохимических процессов состоит в том, что под действием ферментов муки, дрожжей и микроорганизмов происходит расщепление составных компонентов муки, прежде всего белков и крахмала. При этом желательна определенная степень протеолиза, так как она ведет к получению достаточно упругого и эластичного теста, обладающего оптимальными свойствами для получения качественного хлеба. Кроме того, продукты разложения белков на стадии выпечки принимают участие в образовании цвета, вкуса и аромата хлеба. При интенсивном разложении белков, особенно в слабой муке, тесто расплывается и хлеб получается неудовлетворительного качества. При расщеплении крахмала ферментами
337
идет образование мальтозы (5...6 % к массе муки), которая расходуется на брожение теста и участвует в процессе выпечки, определяя вкус и аромат хлеба.
Интенсивность протекания всех рассмотренных процессов зависит от температуры. Оптимальная температура для спиртового брожения в тесте около 35 °C, а для молочнокислого — 35...40 °C, поэтому повышение температуры теста влечет за собой усиление нарастания кислотности. Кроме того, с повышением температуры теста в нем усиливаются биохимические процессы, ослабляется клейковина, увеличиваются ее растяжимость и расплываемость. Оптимальная температура брожения теста 26...32 °C. Повышенную температуру можно рекомендовать для приготовления теста из сильной муки, тесто из слабой муки следует готовить при более низкой температуре. Таким образом, температура является основным фактором, регулирующим ход технологического процесса приготовления теста.
Обминка теста. В процессе брожения тесто, которое готовится порционно, подвергается обминке, т. е. кратковременному повторному промесу в течение 1,5...2,5 мин. При этом происходит равномерное распределение пузырьков диоксида углерода в массе теста, улучшается его качество, мякиш хлеба приобретает мелкую, тонкостенную и равномерную пористость.
Способы приготовления пшеничного теста. Пшеничное тесто готовят безопарным и опарным способами. Приготовление пшеничного теста без опары. При безопарном способе тесто замешивают в один прием сразу из всего сырья, предусмотренного рецептурой. Расход прессованных дрожжей 2...2,5 %, длительность брожения 2,5 ч. В процессе брожения проводят 2...3 обминки, последнюю — за 30...40 мин до разделки теста. Перед последней обминкой проводят отсдобку теста (добавление жира, сахара, яиц в тесто в период брожения). Безопарным способом обычно готовят ситнички, московские калачи, московские булочки, рожки, рогалики, а также хлеб из пшеничной муки высшего и I сортов с низкой кислотностью.
Приготовление пшеничного теста на опарах. Состоит из двух этапов — приготовления опары и теста. Для опары берут часть муки и воды и все количество дрожжей (0,5... 1 %). По консистенции опара более жидкая, чем тесто. Длительность ее брожения 3,5...4,5 ч. На готовой опаре замешивают тесто, добавляя оставшуюся часть муки, воды и остальное сырье (соль и т. д.). Тесто бродит 1...1.5 ч. В процессе брожения тесто из сортовой муки подвергают одной или двум обминкам, перед последней производят отсдобку.
Опары могут быть густыми, жидкими и большими густыми и различаются количеством муки и воды, взятых для их приготовления. Для приготовления густой опары с содержанием влаги 45...48 % берут'половину муки, 2/3 воды от их общего расхода на
338
к-сто и все количество дрожжей. Жидкие опары готовят с содержанием влаги 65...75 %, содержание муки в них 20...35 % ее расхода на тесто. При этом тесто готовят уже без воды, так как нся вода находится в опаре. Жидкие опары более транспортабельны, чем густые, их легко перекачивать по трубам с помощью насосов. Они легко дозируются, процесс их приготовления сравнительно легко регулируется" (в жидкие опары можно добавлять различные улучшители, охлаждать или нагревать), в них более интенсивно протекает процесс созревания.
В последнее время тесто готовят на большой густой опаре с содержанием влаги 41...44 % с сокращенной продолжительностью брожения перед разделкой. В этом случае опара должна ьыть сильной, зрелой, поэтому на ее замес берут 65...70 % муки. Продолжительность брожения 4...4,5 ч. Замешанное с добавлением всех компонентов тесто бродит 20...25 мин (иногда до 40 мин). Преимуществом такого варианта является сокращенный цикл приготовления теста.
Опарный способ приготовления теста более длительный, чем безопарный, но он получил большее распространение, так как в результате более глубокого протекания процессов созревания теста качество хлеба выше (лучше вкус, аромат, пористость). Он требует меньшего расхода дрожжей и обладает технологической гибкостью, позволяющей лучше учитывать хлебопекарные свойства муки.
Приготовление пшеничного теста на жидких дрожжах и заквасках. В хлебопечении применяется биохимический способ разрыхления теста с помощью прессованных дрожжей, а также с использованием жидких дрожжей и жидких заквасок, приготовляемых на хлебозаводах. Жидкие дрожжи и жидкие закваски содержат в активном состоянии как дрожжи, так и нетермофильные молочнокислые бактерии.
Питательной средой для жидких заквасок является осахаренная заварка, т. е. водно-мучная смесь, нагретая до 65...67 °C для клейстеризации крахмала. В нее добавляют белый солод в качестве источника ферментов, разлагающих крахмал с максимальным образованием сахаров. Микрофлора жидких заквасок представлена в основном гетероферментативными молочнокислыми бактериями и некоторым количеством дрожжей. Поэтому пшеничный хлеб, приготовленный на жидких заквасках, имеет высокую кислотность. Жидкие закваски применяют для получения пшеничного хлеба из обойной муки.
Питательной средой для жидких дрожжей является заквашенная заварка, т. е. осахаренная заварка, в которой при температуре 48...54 °C развиваются молочнокислые бактерии, вырабатывающие молочную кислоту. В дальнейшем полученную смесь охлаждают до 28...30 °C и используют в качестве питательной среды для размножения дрожжей. Микрофлора жидких дрож
339
жей — гомоферментативные молочнокислые бактерии и дрожжи, причем преобладают дрожжи.
Жидкие дрожжи используют для приготовления хлеба из пшеничной муки высшего, I и II сортов, так как в этом случае не происходит чрезмерного нарастания кислотности. Жидкие дрожжи и жидкие закваски (в количестве 20...35 % массы муки) можно использовать для приготовления пшеничного хлеба любым способом — как опарным, так и безопарным. Жидкие дрожжи можно использовать в смеси с прессованными дрожжами (например, 1...1,5 % прессованных и 8...15 % жидких дрожжей).
Способы приготовления ржаного теста. Приготовление ржаного теста отличается от пшеничного, что связано с особенностями ржаной муки, содержащей в своем составе а- и р-амилазу. Действие этих ферментов, особенно при выпечке хлеба, влияет на качество готового продукта. В начальный период выпечки действуют оба фермента. Декстрины, образующиеся за счет действия а-амилазы, в тесте не накапливаются, так как расщепляются Р-амилазой до мальтозы. В дальнейшем по мере увеличения температуры в пекарной камере р-амилаза при 82...84 °C инактивируется, а а-амилаза продолжает действовать, оставаясь активной до конца выпечки. Температура ее инактивации составляет около 130 °C, в то время как температура мякиша хлеба не превышает 95...97 °C. Следовательно, в температурном интервале от 82...84 до 95...97 °C за счет действия а-амилазы в хлебе идет процесс интенсивного накопления декстринов, придающих мякишу липкие свойства и ухудшающих качество хлеба. Для инактивации а-амилазы увеличивают кислотность теста. С этой целью ржаное тесто готовят на закваске. Закваска — это порция спелого теста, приготовленная без соли и содержащая активные молочнокислые бактерии, которые могут быть как истинными, так и неистинными. Кроме молочнокислых бактерий в состав закваскй входит небольшое количество дрожжей. В зависимости от содержания влаги закваски могут быть густыми, менее густыми и жидкими, содержащими соответственно 50, 60 и 70...80 % влаги.
Приготовление ржаного теста на густых заквасках. В приготовлении теста различают два цикла: разводочный и производственный. Разводочный цикл — это процесс приготовления новой закваски. Он применяется, если качество уже имеющихся производственных заквасок не соответствует норме. Новую закваску готовят в три этапа, получая последовательно дрожжевую, промежуточную и исходную закваски. При этом не только увеличивается их масса, но и происходит накопление в мучной среде молочнокислых бактерий и дрожжей. Общая длительность разводочного цикла 12... 14 ч, температура брожения заквасок последовательно увеличивается с 25 до 28 °C.
Для получения дрожжевой закваски готовят тесто из муки, воды, дрожжей и производственной закваски предыдущего при
340
готовления, которая является источником молочнокислых бактерий. В результате брожения, когда кислотность достигнет определенного уровня, получают дрожжевую закваску. Ее освежают и увеличивают массу путем внесения дополнительного большего, чем на первом этапе, количества муки. Массу вновь подвергают брожению, получая промежуточную закваску, в которую опять вносят муку, и вновь сбраживают. В результате образуется исходная закваска. Источник микрофлоры в разводочном цикле — размноженные в лаборатории чистые культуры дрожжей и молочнокислые бактерии.
Далее процесс идет по производственному циклу, который включает приготовление производственной закваски и получение теста. Производственную закваску получают из исходной аналогично предыдущим закваскам. Затем ее делят на три части, из которых две идут на приготовление двух порций теста, а третью порцию используют для возобновления производственной закваски, добавляя в нее муку и воду. В процессе брожения, которое длится 3,5...4 ч при температуре 28 °C, закваска восстанавливает свою кислотность и состав бродильной микрофлоры. Ее вновь делят на три части, из которых 2/3 идут для приготовления теста, а 1/3 — на возобновление закваски. Производственный цикл повторяется.
При приготовлении теста в закваску добавляют муку, воду, соль и другие компоненты, брожение длится в течение 1...1,5 ч при температуре 28...30 °C до кислотности 9...12°. Используя производственный цикл, хлебозавод может работать месяцами.
Приготовление ржаного теста на жидких заквасках. На ряде предприятий ржаное тесто готовят на более текучих и легко транспортируемых по трубопроводам жидких заквасках.
В хлебопечении применяется несколько технологических схем приготовления ржаного теста на жидких заквасках, например Саратовская, Ивановская, универсальная. Эти схемы отличаются составом бродильной микрофлоры, технологией разводочного цикла и составами питания производственной закваски.
Саратовская схема предусматривает использование гомофер-ментативиых молочнокислых бактерий, дрожжи в разводочном цикле не применяются, что снижает подъемную силу закваски.
По Ивановской схеме в разводочном цикле используют чистые культуры дрожжей (Ивановская раса) и гетероферментатив-ные молочнокислые бактерии. В состав питательной среды входят осахаренная мучная заварка, вода и мука.
Производственный цикл приготовления закваски и теста следующий. Через 2 ч после брожения отбирают 1/2 готовой закваски кислотностью 10...1Г для приготовления теста, а к оставшейся половине прибавляют питательную среду для возобновления закваски. Температура заквасок и теста 28...30 °C.
341
Универсальная схема создана на основе обобщения опыта использования других схем приготовления жидких заквасок. Суть схемы состоит в приготовлении теста на жидкой закваске с применением осахаренной заварки, способствующей лучшему развитию микрофлоры.
Аппаратурные решения способов тестоведения. В отрасли используются порционный и непрерывный способы приготовления теста. Порционный применяется на предприятиях малой мощности — в пекарнях, непрерывный — на хлебозаводах. Непрерывно-поточный способ приготовления полуфабриката позволяет механизировать и автоматизировать производственный процесс, стабилизировать и повысить качество хлеба.
Широкое применение на хлебозаводах нашли тестоприготовительные агрегаты, в состав которых входит оборудование для дозирования ингредиентов, замеса и брожения. Различают агрегаты порционного и поточного (непрерывного) приготовления теста.
В агрегатах порционного приготовления замес опары (закваски)
и теста осуществляется отдельными порциями или непрерывно, а брожения — порционно. В агрегатах для поточного приготовления теста замес опары и теста и их брожение проводят в стационарных емкостях с одновременным перемещением опары или теста непрерывным потоком. К агрегатам непрерывного действия относят бункерные агрега-
Рис. 66. Бункерный тестоприготовительный агрегат И8-ХТА-6(12)
ты И8-ХАГ-6, Л4-ХАГ-13, МТИПП-РМК, И8-ХТА-6, И8-ХТА-12 для приготовления пшеничного теста на большой густой опаре, жидких опарах и безопарным способом. Кроме того, на агрегате И8-ХТА-6 можно готовить ржаное тесто на густых и жидких заквасках.
В настоящее время серийно выпускаются агрегаты И8-ХТА-6 и И8-ХТА-12 вместимостью бункеров 6 и 12 м3. Приготовление теста осуществляется следующим образом. Для замеса опары в тестомесильную машину 1 (рис. 66) дозатором подается мука, а из дозировочной станции 2 — вода и дрожжи. Тестомесильная машина 1 представляет собой ко
342
рытообразную емкость, внутри которой находятся два параллельных вала с месильными лопастями. Лопасти расположены под углом к оси вала, причем этот угол можно менять для регулирования интенсивности замеса и производительности машины. ( 'вежезамешанная опара нагнетателем опары по тестопроводу полается на поворотный наклонный лоток 5, с которого она поступает в одну из секций стационарного бункера 3 для брожения. Через определенное время лоток периодически поворачивается на 1/6 окружности, заполняя очередную секцию бункера опарой. Полный оборот лотка соответствует времени брожения опары. Выброженная опара поступает в бункер выгрузки и нагнетателем ио трубопроводу подается во вторую тестомесильную машину, в которую из соответствующих дозаторов поступают мука и все жидкие компоненты из дозировочной станции 2 для замеса теста. Освобожденная от опары секция бункера после поворота лотка вновь заполняется свежей опарой. Замешанное тесто нагнетателем по трубопроводу подается в наклонно установленную емкость 4 корытообразной формы для брожения. Выброженное тесто через патрубок поступает на разделку.
РАЗДЕЛКА ТЕСТА
Разделка пшеничного теста включает в себя деление теста на куски, округление, предварительную расстойку, формование тестовых заготовок и окончательную расстойку.
Разделка ржаного теста состоит из следующих этапов: деления теста на куски, формования тестовых заготовок и окончательной расстойки. Разница в разделке ржаного и пшеничного теста обусловлена различиями в их свойствах. Ржаное тесто, не имеющее клейковинного скелета, более пластично. Оно более липкое, поэтому для него необходима минимальная механическая обработка. Пшеничное тесто вследствие своей упругости и сравнительно небольшой адгезии (прилипания) должно подвергаться более интенсивной механической обработке при разделке, чем ржаное тесто. Многократная обработка пшеничного теста необходима для получения однородной структуры во всей массе куска, в результате чего хлеб получается с ровной мелкой пористостью.
Деление теста на куски. Эта операция должна обеспечить получение заданной массы хлеба. Допустимое отклонение массы отдельных кусков не должно превышать ±1,5 %.
Деление осуществляется на тестоделительных машинах по объемному принципу. Существуют делительные машины, отсекающие тесто от жгута, разделяющие его на куски мерными карманами при различном нагнетании теста (шнековом, валковом, лопастном и др.) и штампующие куски теста.
Машины со шнековым нагнетанием применяются, как правило, для деления на куски теста из ржаной и пшеничной обойной
343
Рис. 67. Схемы тестоделительных машин:
а— «Кузбасс-2М-1» со шнековым нагнетанием теста; б— РМК-60А с поршневым нагнетанием теста
муки и муки II сорта. К этой группе относятся машины «Кузбасс» различных модификаций, ХДФ-М2.
В машине «Кузбасс-2М-1» (рис. 67, а) тесто поступает в приемную воронку 5 шнековой камеры 6 и шнеком 4 через угловой отвод направляется в мерный карман делительного барабана, периодически вращающегося внутри делительной головки 3. В мерном кармане расположен поршень 2, состоящий из двух частей. Сближая или удаляя половинки поршня с помощью винта и пружины, можно изменять объем мерного кармана и тем самым регулировать массу кусков теста. При нагнетании теста в мерный карман поршень 2 перемещается вниз до упора, освобождая карман для заполнения тестом. После окончания заполнения кармана делительный барабан поворачивается на 180°. При этом тесто, находящееся в камере, оказывая давление на поршень, перемещает его вниз. Поршень выталкивает кусок теста из кармана на транспортер 7, одновременно освобождая верхнюю часть кармана для последующего заполнения.
На базе делителя «Кузбасс» созданы делительно-посадочные механизмы, осуществляющие деление теста на куски с одновременной посадкой их в формы, закрепленные на люльках рас-стойно-печных агрегатов. Они предназначены для деления ржаного и пшеничного теста на куски массой 0,8...! кг.
Машины с поршневым лопастным и валковым нагнетанием теста (РМК-60А, А2-ХТН, РТ, А2-ХПО/5) предназначены для деления теста из пшеничной муки высшего, I и II сортов.
Принцип действия машин с поршневым нагнетанием показан на примере делительной машины РМК-60А (рис. 67. б). Тесто из
344
воронки 1 под действием силы тяжести или питающих валков поступает в камеру делителя. При этом нагнетающий поршень 9 и заслонка 10 находятся в крайнем левом положении. Заполнение тестом рабочей камеры 8 происходит с помощью вращающихся навстречу друг другу валков 2. При заполнении тестом рабочей камеры 8 делителя поршень 9 и заслонка 10 начинают одновременное движение вправо, причем заслонка 10, опережая движение поршня 9, прекращает поступление новых порций теста из воронки 1, а поршень 9 нагнетает тесто в мерный карман 7 делительной головки 3. В мерном кармане 7 находится поршень 4, который при нагнетании теста перемещается в глубь кармана, сжимая пружину 5. После заполнения мерного кармана 7 тестом делительная головка 3 поворачивается на угол 90°, а поршень 4 за счет энергии сжатой пружины 5 выталкивает кусок теста из кармана на ленточный транспортер 6.
Округление кусков теста. Этот процесс необходим для придания кускам теста шарообразной формы. Округление необходимо для сглаживания неровностей на поверхности кусков и создания пленки, которая препятствует выходу газов из теста в процессе предварительной расстойки. Наличие пленки дает равномерную пористость мякишу при выпечке. При производстве круглых подовых изделий эта операция является операцией окончательного формования кусков теста, после которой они поступают на окончательную, в данном случае единственную, расстойку. При производстве многих видов изделий (батонов, булок, плетеных изделий и др.) из пшеничной муки высшего, I и II сортов округление является лишь первой операцией формования.
Округление ведут в тестоокруглительных машинах различных видов: с конической, цилиндрической и плоской рабочей поверхностью. В машинах первой группы (рис. 68, а), наиболее распространенных, тестовая заготовка через воронку 1 падает на дно вращающейся конической чаши, внутри которой установлен неподвижный спиральный желоб 2. Тесто увлекается внутренней поверхностью чаши, перемещается по желобу вверх, совершая при этом сложное движение, и приобретает форму шара. В
Рис. 68. Схемы тестоокруглительных машин: а — конической; б — цилиндрической; в — плоской
345
машинах второй группы (рис. 68, 6) округление осуществляется за счет движения куска теста между цилиндрическими поверхностями двух противоположно вращающихся барабанов 7 и 2, расположенных эксцентрично один в другом. В машинах третьей группы (рис. 68, в) округление проводится плоскими движущимися лентами трех транспортеров (7...3), два из которых (7 и 2) установлены под углом к горизонтальному транспортеру 3. Ленты транспортеров движутся с различной скоростью в противоположных направлениях.
Предварительная расстойка. Это кратковременный процесс отлежки кусков теста в течение 5...8 мин в определенных условиях, в результате которого ослабляются возникшие в тесте при делении и округлении внутренние напряжения и восстанавливаются частично разрушенные отдельные звенья клейковинного структурного каркаса. Предварительная расстойка осуществляется на ленточных транспортерах или в шкафах, внутри которых устанавливают систему ленточных транспортеров или цепной люлечный конвейер. Брожение на этой стадии не играет практической роли, поэтому здесь не нужно создавать особых температурных условий.
Формование тестовых заготовок. Это процесс придания кускам теста формы, соответствующей данному сорту изделий.
При формовании тестовых заготовок цилиндрической формы из ржаного теста используют ленточные закаточные машины, в которых кусочек теста прокатывается между транспортерными лентами, установленными друг над другом, имеющими встречное движение и различные скорости, или между неподвижной плитой и движущейся лентой.
Для получения тестовых заготовок пшеничного теста определенной формы тесто раскатывают в блин, затем свертывают в рулон и прокатывают, а иногда еще и удлиняют. Такая дополнительная обработка пшеничного теста улучшает пористость заготовки. Формование пшеничного теста проводится на тсстозака-точных машинах (ленточных или барабанных) Т1-ХТ2-3-1, Т1-ХТ2-3, А2-ХПО/9 и др.
Раскатывание теста в блин на машинах любых конструкций осуществляется с помощью одной или двух пар валков, вращающихся навстречу друг к другу. Завертывание теста в рулон может производиться разными способами: при помощи гибкого фартука 1 (рис. 69, а) с грузом 2, подвешенным над лентой транспортера 3, по которой перемещается раскатанное тесто; при помощи панцирной сетки или подвески 7 из металлических прутков (рис. 69, б), установленных над лентой транспортера 2; при помощи двух бесконечных ленточных транспортеров 7, 2 со встречным движением (рис. 69, в) и с помощью рифленого валика 2, установленного над несущим барабаном 1 (рис. 69, г). Окончательная обработка теста и придание ему формы батона проводятся между
346
1
1
Рис. 69. Завертывание теста в рулон при помощи: а — гибкого фартука; б — гибкой решетчатой металлической подвески; в — двух транспортерных лепт со встречным движением; г — рифленого валика
двумя транспортерными лентами или между неподвижной плитой и транспортером, как в случае формования ржаного теста.
Окончательная расстойка. Цель этого процесса — брожение теста, которое необходимо для восполнения диоксида углерода, удаленного в процессе деления, округления и формования. Если выпекать хлеб без окончательной расстойки, то он получается низкого объема, с плотным, плохо разрыхленным мякишем, с разрывами и трещинами на корке. В процессе расстойки формируется структура пористости будущего изделия. Поверхность тестовых заготовок становится гладкой, эластичной и газонепроницаемой. Для ускорения брожения и предотвращения заветрива-ния наружных слоев теста окончательная расстойка проводится в атмосфере воздуха определенной температуры (35...40 °C) и относительной влажности (75...85 %).
Длительность расстойки колеблется от 25 до 120 мин в зависимости от массы кусков, условий расстойки, свойств муки, рецептуры теста и ряда других факторов.
На современных тесторазделочных поточных линиях эта операция проводится в конвейерных шкафах окончательной расстойки (Т1-ХР2-3, РШВ и в расстойных универсальных агрегатах Т1-ХР-2А-30, Т1-ХР-2А-48 и др.). Они могут быть Г-, П- или Т-образной формы. В зависимости от расположения цепного конвейера шкафы разделяются на горизонтальные и вертикальные. Внутри шкафа установлен цепной конвейер, состоящий из
347
нескольких пар цепных звездочек, из которых одна пара является приводной, другая — натяжной, а остальные — направляющими, и двух цепей, перемещающихся по направляющим. К цепям с определенным шагом на шарнирах подвешены люльки. Они Moiyr быть одно- и двухполочными. Количество и размеры люлек зависят от конструкции шкафа. В универсальных конвейерных шкафах количество люлек колеблется в зависимости от типа шкафа от 34 до 76. Возможный размер люлек 340x1930 мм. Подовые изделия расстаиваются на листах, которые помещаются на люльки. Последние выполнены в виде подиков. В некоторых шкафах люльки выполнены в виде рамок, обтянутых материей, и имеют несколько карманов, в результате чего в каждую люльку помещается несколько тестовых заготовок. Движение конвейера прерывистое. В момент остановки конвейера происходят загрузка и разгрузка соответствующих люлек. Для создания оптимальной температуры и влажности среды в шкаф окончательной расстойки вмонтирован кондиционер.
При разделке теста возможно его прилипание (адгезия) к рабочим органам тесторазделочного оборудования. Для этого оборудование посыпают мукой. В настоящее время с целью экономии муки рабочие органы соответствующих машин обдувают горячим воздухом или покрывают их поверхность материалами из полимеров, обладающими антиадгезионными свойствами. Сочетание обдувки воздухом и покрытия поверхностей полимерными материалами позволило полностью устранить прилипание теста.
Кроме основных этапов разделка теста включает в себя вспомогательные операции (посадка тестовых заготовок в расстой-ный шкаф и их выгрузка, надрезание заготовок после окончательной расстойки, посадка их в печь), осуществляемые специальными механизмами.
Оборудование для разделки может быть укомплектовано в тесторазделочные линии применительно к определенному виду хлебобулочных изделий, что позволяет механизировать и автоматизировать процесс.
ВЫПЕЧКА ХЛЕБА
Процессы, происходящие при выпечке хлеба. Изменения, характеризующие переход тестовой заготовки в процессе выпечки в хлеб, являются результатом целого комплекса процессов — физических, микробиологических, коллоидных и биохимических. Однако в основе всех процессов лежат физические явления — прогревание теста и вызываемый им внешний влагообмен между тестом—хлебом и паровоздушной средой пекарной камеры и внутренний тепломассообмен в тесте—хлебе.
Физические процессы. В начале выпечки тесто поглощает влагу в результате конденсации паров воды из среды 348
пекарной камеры; в этот период масса куска теста—хлеба несколько увеличивается. После прекращения конденсации начинается испарение влаги с поверхности, которая к этому времени прогревается до 100 °C, превращаясь в сухую корку. Часть влаги при образовании корки испаряется в окружающую среду, а часть (около 50 %) переходит в мякиш, так как влага при нагревании различных продуктов перемещается от более нагретых участков (корки) к менее нагретым (мякишу). Вследствие этого содержание влаги в мякише горячего хлеба на 1,5...2,5 % выше содержания влаги в тесте. Обезвоженная корка прогревается в процессе выпечки до 160...180 °C, а температура в центре мякиша поднимается до 95...97 °C. Выше этой температуры мякиш не прогревается из-за его высокой влажности (45...50 %).
Микробиологические и биохимические процессы. В первые минуты выпечки спиртовое брожение внутри теста ускоряется и при 35 °C достигает максимума. В дальнейшем брожение затухает и при 50 °C прекращается, так как дрожжевые клетки отмирают, а при 60 °C приостанавливается жизнедеятельность кислотообразующих бактерий. В результате остаточной деятельности микрофлоры во время выпечки в тесте—хлебе увеличивается содержание спирта, диоксида углерода и кислот, что повышает объем хлеба и улучшает его вкус. Кроме того, в первые минуты выпечки происходит тепловое расширение воздуха и газов внутри теста, что существенно влияет на увеличение его объема.
Биохимические процессы связаны с изменением состояния крахмала и белков, и при температуре 70...80 °C они прекращаются. Крахмал при выпечке клейстеризуется и энергично разлагается, причем его гидролиз в ржаном тесте идет интенсивнее, чем в пшеничном. Поэтому в ржаном тесте содержание водорастворимых веществ (декстринов и сахаров) значительно выше, чем в пшеничном. Белки при выпечке также расщепляются с образованием промежуточных продуктов. Глубина и интенсивность расщепления крахмала и белков влияют на характер протекания химических процессов, определяющих цвет корки пшеничного хлеба, его вкус и аромат. Это связано с тем, что в результате окислительно-восстановительного взаимодействия образовавшиеся сахара вступают в реакцию с продуктами разложения белков и образуют темноокрашенные вещества — меланои-дины и ароматические соединения. Цвет же ржаного хлеба обусловлен в основном содержанием других соединений — меланинов, образующихся в хлебе при участии некоторых аминокислот и ферментов.
Коллоидные процессы. Белки и крахмал при выпечке претерпевают существенные изменения. При 50...70 °C одновременно протекают процессы денатурации (свертывания) белков и клейстеризации крахмала. Белки при этом выделяют воду,
349
поглощенную при замесе теста, уплотняются, теряют эластичность и растяжимость. Прочный каркас свернувшихся белков закрепляет форму хлеба.
Влага, выделенная белками, поглощается крахмалом. Однако этой влаги недостаточно для полной клейстеризации крахмала, и процесс протекает сравнительно медленно и заканчивается при прогреве мякиша до 95...97 °C. Клейстеризуясь, крахмальные зерна прочно связывают влагу, поэтому мякиш хлеба кажется более сухим, чем тесто.
Режимы выпечки. Определяются степенью увлажнения среды пекарной камеры, температурой в различных ее зонах и продолжительностью процесса. Режим выпечки зависит от сорта хлеба, вида и массы изделия, качества теста, свойств муки, а также от конструкции печи. Решающим фактором является масса тестовой заготовки. Продолжительность выпечки колеблется от 8... 12 мин для мелкоштучных изделий до 1 ч для ржаного хлеба массой 1 кг.
Для большинства пшеничных и ржаных изделий режим выпечки включает три периода. В первый период выпечка протекает при высокой относительной влажности (до 80 %) и сравнительно низкой температуре паровоздушной среды пекарной камеры (НО... 120 °C) и длится 2...3 мин. За это время тестовая заготовка увеличивается в объеме, а пар, конденсируясь, улучшает состояние ее поверхности. В конце первого периода необходим интенсивный подвод теплоты для повышения температуры до 240...280 °C. Второй период идет при высокой температуре и несколько пониженной относительной влажности газовой среды. При этом образуется корка, закрепляются объем и форма изделий. Третий период — это завершающий этап выпечки. Он характеризуется менее интенсивным подводом теплоты (180 °C), что приводит к снижению упека.
Хлебопекарные печи. Это основное технологическое оборудование, определяющее производительность хлебозавода. Они классифицируются по ряду признаков.
1.	Технологический признак, определяющий ассортимент вырабатываемых изделий. По этому признаку печи бывают универсальными (для выработки широкого ассортимента хлебобулочных изделий) и специальными (для производства одного или нескольких сортов изделий).
2.	Способ обогрева пекарной камеры. По этому признаку печи подразделяют на канальные, в которых теплота в пекарную камеру от продуктов сгорания топлива — дымовых газов передается излучением через стенки каналов (они наиболее распространены); с пароводяным обогревом и передачей теплоты через стенки нагревательных трубок; с обогревом пекарной камеры паром высокого давления, движущимся по паропроводам; с газовым обогревом, в которых газ сжигается в пекарной камере; электрические (наиболее перспективные) и др.
350
3.	Конструкция пекарной камеры. Печи по этому признаку целятся на тупиковые, в которых посадка тестовых заготовок и выгрузка хлеба идут с одной стороны, и сквозные (тоннельные), н которых эти операции осуществляются с разных сторон.
4.	Производительность. Определяется площадью ее пода. 11счи малой производительности имеют площадь пода до 10 м2, средней — до 25 и большой — свыше 25 м2.
5.	Конструкция пода. Наиболее распространенные — это печи с конвейерным подом, выполненным в виде металлической сетки (ленты), а также в виде цепных конвейеров с подвешенными к цепям люльками-подиками (наиболее перспективны сетчатые поды). Под печи может быть стационарным и выдвижным.
На хлебозаводах широко используются конвейерные тупиковые печи, в которых можно выпекать практически все виды хлебобулочных изделий. Недостатком этих печей является то, что их трудно устанавливать в автоматические поточные линии. К группе тупиковых относятся печи ФТЛ-2, ХПА-40, Ш2-ХПА и др. •)то печи средней производительности с цепным люлечным подом. Печи ФТЛ, Ш2-ХПА используются для выработки хлебобулочных изделий широкого ассортимента, а печь ХПА-40 входит в расстойно-печной агрегат для производства формового хлеба.
Печь ФТЛ-2-66 (в настоящее время под этой маркой выпускается печь ФТЛ-2) состоит из топки 5, пекарной камеры 6, цепного конвейера 2 с люльками 7 и приводного механизма (рис. 70). Цепной конвейер 2 представляет собой две пластинчатые шарнирные цепи, натянутые на три вала — передний 7, приводной задний 4 и натяжной ведомый 3. Между цепями подвешены люльки 7. Для выпечки формового хлеба люльки выполняют в виде рамок, в которые вставляют секции из форм, а для подовых изделий — люльки с подиками.
Прерывистое движение конвейера позволяет в момент остановки произвести загрузку тестовых заготовок и выемку готовых изделий. Для увлажнения среды пекарной камеры 6 в первой зоне над четырьмя люльками установлена гребенка трубок. Избыток пара из пекарной камеры удаляется через канал, перекрываемый шибером. Горячие газы движутся по нижнему каналу, поднимаются по двум боковым и направляются в каналы верхнего газохода.
К тоннельным печам относятся печи ПХС-25, ПХС-40, БН, Г4-ПХЗС, АЯ-ХПЯ-25, АЯ-ХПЯ-50 и др. Печи ПХС, Г4-ПХЗС выпускаются с канальным обогревом и сетчатым подом, а печи БН — с газовым и электрообогревом. Эти печи относятся к печам средней или большой производительности для выработки широкого ассортимента изделий. Печи АЯ-ХПЯ-25 и АЯ-ХПЯ-50 с электрообогревом используются для выпечки широкого ассортимента изделий.
В качестве примера рассмотрим устройство печи ПХС-25М.
351
Рис. 70. Хлебопекарная печь ФТЛ-2-66
Печь (рис. 71) состоит из пекарной камеры 11, конвейера 2, топочных устройств и каналов для обогрева. Каркас и обшивка печи металлические, теплоизоляционное заполнение 4 из минеральной ваты. Ленточный конвейер печи изготовлен из стальной спирально-стержневой сетки, натянутой на два барабана: приводной 1 и натяжной 9. Печь оборудована двумя независимыми обогревательными системами, одна из которых обслуживает ко-
Рис. 71. Хлебопекарная печь ПХС-25М
352
роткую посадочную зону печи, а вторая — остальную часть печи. В каждую систему входят топка 7 со смесительной камерой, вентилятор рециркуляции 6, греющие 10 и транспортирующие 5 и 12 каналы, а также регулирующие устройства. Топки приспособлены для сжигания газа и жидкого топлива. В зоне посадки тестовых заготовок в пекарную камеру установлено пароувлажнительное устройство 8, состоящее из ряда перфорированных трубок, по которым пар поступает из котельной хлебозавода. По торцам печи установлены вытяжные зонты 3.
Для выпечки формового хлеба из ржаной, пшеничной муки и их смеси на базе печей ФТЛ-2, ХПА-40 и некоторых других применяются расстойно-печные агрегаты, представляющие собой шкафы окончательной расстойки, объединенные с печами общим конвейером. Они позволяют механизировать процессы посадки тестовых заготовок, расстойки, выпечки и выгрузки готовой продукции.
Упек хлеба. Это потери массы теста (%) при выпечке, которые выражаются разностью между массами теста и горячего хлеба, отнесенной к массе теста. Около 95 % этих потерь приходится на влагу, а остальная часть — на спирт, диоксид углерода, летучие кислоты и др. Упек составляет 6...14 % и зависит от формы хлеба: у формового хлеба он меньше, чем у подового. Для снижения упека увеличивают массу хлеба, а на завершающем этапе выпечки повышают относительную влажность воздуха и снижают температуру в пекарной камере.
ХРАНЕНИЕ .ХЛЕБА
После выпечки хлеб направляют в хлебохранилище для охлаждения, а затем в экспедицию для отправки в торговую сеть. В процессе остывания происходит перераспределение влаги внутри хлеба, часть ее испаряется в окружающую среду, а влажность корки и слоев, лежащих под ней и в центре изделия, выравнивается. В результате влагообмена внутри изделия и с внешней средой масса хлеба уменьшается на 2...4 % по сравнению с массой горячего хлеба. Этот вид потерь называется усушкой.
Для снижения усушки хлеб стремятся как можно быстрее охладить, для этого понижают температуру и относительную влажность воздуха хлебохранилища, уменьшают плотность укладки хлеба, обдувают хлеб воздухом температурой 20 °C. На усушку влияют также влажность мякиша, так как увеличение влажности хлеба вызывает возрастание потерь на усушку, и масса хлеба: чем больше масса хлеба, тем меньше усушка. У подового хлеба усушка меньше, чем у формового.
В хлебохранилище хлеб из печи подается ленточными транспортерами на циркуляционные столы, с которых его перекладывают на вагонетки-стеллажи. На вагонетках хлеб хранится до отправки в торговую сеть.
353
На большинстве существующих хлебозаводов внутризаводское транспортирование готовых изделий в хлебохранилище и экспедицию осуществляется на вагонетках с ручной укладкой продукции в лотки и перегрузкой их в специализированные фургоны автомашин.
В последнее время внедряется способ хранения хлеба на лотках в специальных контейнерах, в которых хлеб охлаждается. Затем хлеб загружается в автомашины и поступает в торговый зал магазина.
При хранении в результате физико-химических процессов, связанных с изменением структуры клейстеризованного крахмала, хлеб черствеет. Клейстеризованный во" время выпечки крахмал с течением времени стареет — выделяет поглощенную им влагу и переходит в прежнее состояние, свойственное для крахмала муки. Крахмальные зерна при- этом уплотняются и значительно уменьшаются в объеме, между ними образуются воздушные прослойки. Полностью предотвратить черствение хлеба не удается, но известны приемы его замедления, например глубокое замораживание (при —18...—30 °C) и последующее хранение в таком виде; завертывание хлеба во влагонепроницаемую обертку; добавление молока, сыворотки, сахара, жира и других компонентов; интенсивный замес теста и длительная выпечка хлеба. Эффективным способом сохранения свежести хлеба является упаковка его в целлофан, парафинированную бумагу, лакированный целлофан и др. Перспективной считается упаковка, пропитанная сорбиновой кислотой, которая предотвращает плесневение хлеба и увеличивает срок хранения.
РАСЧЕТ ВЫХОДА ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Выход хлеба — это основной технико-экономический показатель работы предприятия. Выход — это количество готовой продукции, получаемой из 100 кг муки и другого сырья, вносимого в соответствии с утвержденной рецептурой. Выход хлеба (кг) обусловлен выходом теста и технологическими затратами и потерями и определяется по формуле
9хл — 9г + Зразд + ^ул + Дс Ди + Д.мех + Др + Дгг Дгер.бр)’
где 9т —выход теста из 100 кг муки, кг. Технологические затраты 3, кг: ЗбР — затраты сухого вещества при брожении полуфабрикатов (опары, теста, заквасок и пр.); Зразд — затраты муки при разделке; Зуп — упек; Зус — усушка. Технологические потери П, кг: Г1Ы — потери муки до начала замеса полуфабрикатов; //т.мсх — механические потери теста от стадии замеса до посадки тестовых заготовок в печь; Пкр — потери в виде крошек и лома хлеба; ПШт — потери от неточности массы штучного хлеба; /Тпер.бр — потери при переработке брака хлеба.
354
Технологические затраты неизбежны, поэтому для увеличения выхода хлеба их необходимо сводить к минимуму. Технологические потери неоправданы и вызваны несовершенством или неудовлетворительным состоянием оборудования. По возможности их необходимо также сводить к минимуму.
Потери муки Пм зависят от ее распыла при хранении и перевозке и от отходов при просеивании. Применение бестарного хранения муки в сочетании с пневматическим перемещением существенно (до 0,03 %) снижает эти потери.
Механические потери Птмех связаны с потерями тестовой крошки в виде отходов формования и распыляющейся муки через неплотности делительных машин. При замене дежей на тестоприготовительные агрегаты эти потери сокращаются с 0,06 до 0,03 %. Улучшение состояния соответствующего оборудования также снижает их величину.
Затраты.сухого вещества на брожение Збр обусловлены уменьшением массы полуфабриката за счет сбраживания углеводов и потерей диоксида углерода, части спирта и летучих кислот. Также они связаны с испарением влаги при замесе, брожении и разделке теста. Суммарные затраты Збр составляют 2,5...3 %. При использовании жидких опар с сокращенным периодом брожения эти затраты снижаются до 1,5...2 %.
Затраты муки при разделке Зрозд определяются расходом муки на посыпку рабочих органов тесторазделочного оборудования, для того чтобы не прилипало тесто, и могут быть частично или полностью устранены при обдувке теста воздухом и путем нанесения на рабочие поверхности водоотталкивающих (антиадгези-онных) покрытий (фторопласт и др.).
Потери в виде крошки и лома при выбивке хлеба из форм, укладке его на лотки и других операциях составляют 0,02...0,03 %; потери от неточности массы штучного хлеба — 0,4... 1; потери при переработке брака хлеба — 0,02 %. v
С целью рационального использования муки и снижения производственных потерь для каждого сорта хлеба устанавливаются плановые нормы выхода с учетом степени механизации, мощности предприятия и других показателей. Норма выхода хлеба зависит от рецептуры .(при увеличении количества дополнительного сырья — сахара, жира и т. д. — выход хлеба возрастает), от массы хлеба, содержания влаги в муке. Чем меньше влаги в муке, тем больше выход хлеба; изменение содержания влаги на 1 % изменяет выход хлеба на 1,6...1,7 %. Норма выхода устанавливается на базисное содержание влаги муки, равное 14,5 %. Повышение выхода хлеба на 1,4...1,5 % дает экономию I % муки.
Обеспечение стабильного содержания влаги в тесте на уровне предельно допустимой — важное условие экономии муки. Повышение влаги теста на 1 % может увеличить выход хлеба на 2...3 %, поэтому правильная дозировка воды в тесте является
355
одним из основных мероприятий, обеспечивающих получение заданного выхода хлеба. Увеличение выхода хлеба за счет добавления чрезмерного количества воды в тесто приводит к выпуску хлеба с повышенным содержанием влаги в ущерб интересам потребителя, поэтому содержание влаги хлеба регламентируется стандартом.
ПОТОЧНО-МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ ЛИНИИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Поточно-механизированные линии включают в себя оборудование для всех производственных процессов, начиная от приготовления теста до выхода готовой продукции. Установки для бестарного хранения муки, оборудование складов дополнительного сырья и подготовка его к производству, внутризаводское транспортирование сырья, отправка готовой продукции являются в основном общими. Отличительными являются только участки приготовления теста и его разделки, включающие в себя также автоматическую посадку и пересадку тестовых заготовок с машины на машину и на под печи. Линии компонуют из рас-стойно-печных агрегатов с закрепленными на общем конвейере формами или на базе разделенных конвейеров для расстойки, печей и съемных форм.
Линия для производства формового хлеба (ржаного и пшеничного) включает бункерный тестоприготовительный агрегат И8-ХТА-6 (или другой марки), тестоделитель, посадчик заготовок в форму в виде ковшового элеватора (или делительно-посадочный автомат) и расстойно-печной агрегат. В хлебопекарной промышленности наибольшее распространение получили линии с конвейерными люлечными тупиковыми печами ФТЛ-2.
Линия для производства круглого подового хлеба может быть укомплектована тупиковыми или тоннельными печами. Линия с тоннельными печами включает в себя тестоприготовительный агрегат, тестоделительную и тестоокруглительную машины, карманный транспортер, конвейерный шкаф окончательной расстойки с механизмами для укладки тестовых заготовок в люльки шкафа расстойки и пересадки их на под печи и ленточный транспортер для готовой продукции.
Линия для выработки батонов состоит из тестоприготовительного бункерного агрегата; тесторазделочного агрегата, включающего в себя делитель, округлитель и закаточную машину с от-браковщиком сдвоенных кусков теста; выравнивателя шага между тестовыми заготовками; шкафа окончательной расстойки с автоматической загрузкой заготовок в люльки и пересадкой их на ленточный под печи; надрезчика тестовых заготовок; тоннельной печи и транспортера готовой продукции. Линии могут быть укомплектованы тупиковыми печами.
356
АССОРТИМЕНТ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
В ассортимент хлебобулочных изделий входят различные виды и сорта хлеба, сдобных, бараночных, сухарных изделий, а 1акже национальные и лечебно-диетические изделия. Перечне-иенные группы изделий включают сотни наименований, отличающихся друг от друга по сорту, рецептуре, форме и т. д. Номенклатура группового ассортимента включает в себя хлеб ржаной из обойной, а также из обдирной и сеяной муки, хлеб пшенично-ржаной и ржано-пшеничный из обойной муки, хлеб пшеничный из муки обойной, I, II и высшего сортов различных массы и формы, булочные изделия из муки I, II и высшего сортов, бараночные и сдобные изделия, сухари, хрустящие хлебцы, пироги, пирожки и пончики. В последние годы ассортимент хлебобулочных изделий значительно изменился. В соответствии с потребительским спросом возросло производство хлеба из сортовой муки, булочных и сдобных изделий и резко снизилась выработка хлеба из обойной муки. Растет производство хлебобулочных из-целий с белковыми добавками (молочная сыворотка, пахта, сухое молоко и др.), увеличивается выпуск булочных изделий массой до 300 г, в том числе массой 50 и 70 г. Почти весь ассортимент выпускается поштучно, что позволяет осуществлять торговлю хлебом в системе самообслуживания.
ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Хлеб, приготовленный из различных сортов пшеничной и ржаной муки, содержит 40...50 % влаги и 60...50 % сухого вещества, которое в основном представлено углеводами (около 45 %), небольшим количеством белков (8...9 %), а также жиров, минеральных веществ, витаминов и кислот. Пищевая ценность хлеба определяется содержанием отдельных составных частей и энергетической ценностью с учетом коэффициента усвояемости. Одну треть потребности организма в белке и значительную часть потребности в углеводах и витаминах группы В обеспечивают хлебобулочные изделия. Пищевая ценность хлеба тем выше, чем больше он удовлетворяет потребности организма в пищевых веществах и чем больше его химический состав соответствует формуле сбалансированного питания.
Энергетическая ценность хлеба зависит от содержания влаги (чем больше влаги, тем она ниже) и от количества отдельных компонентов сухого вещества. Хлеб играет существенную роль в энергетическом балансе человека, обеспечивая 1/3 потребности в энергии. При потреблении в среднем около 400 г хлеба в сутки организм обеспечивается различными соединениями: белком на 38 %, углеводами растительного происхождения, в частности крахмалом, на 41, моно- и дисахаридами на 17,4, кальцием на
357
11,5, фосфором на 45,6, железом на 84,7, витаминами Вь В^, Во, РР в среднем на 37...54, витамином Е на 76, витамином В3 на 25 и витамином В2 на 18,7 %.
Вместе с тем белки хлеба не являются полноценными, в них мало незаменимых аминокислот лизина и метионина, для этого в процессе производства хлеба повышают его белковую ценность путем обогащения молочными продуктами, белками бобовых и масличных культур (сои, подсолнечника) и пищевой рыбной мукой.
Минеральная и витаминная ценность хлеба зависит от сорта муки: чем больше выход муки, тем она выше. Хлеб отличается высоким содержанием зольных элементов, в первую очередь фосфором, железом и магнием. Наиболее дефицитным является кальций. Соотношение кальция и фосфора в хлебе равно 1:5,5, что намного превышает оптимальное (1:1,5) и снижает усвоение организмом хлеба. Высокоценным обогатителем в этом отношении являются молоко и молочные продукты, которые содержат кальций в наиболее легко усвояемой человеком форме.
С целью профилактики эндемического зоба в отдельных районах страны целесообразно обогащать хлеб йодом, источником которого является морская капуста. Для повышения витаминной ценности хлеба, прежде всего витамина В2, проводят витаминизацию муки I и высшего сортов витаминами РР, В[ и В2.
Перспективным является использование в хлебопечении плодово-ягодных порошков, получаемых из целых яблок, яблочных и виноградных выжимок и овощных порошков из капусты, моркови и др. Порошки — источники сахаросодержащего сырья, богаты клетчаткой, пектиновыми, минеральными веществами (калием, кальцием, магнием, натрием) и витаминами.
Введение в рецептуру хлебобулочных изделий пшеничных зародышевых хлопьев позволяет обогатить хлеб незаменимыми аминокислотами: лизином, метионином, триптофаном, по содержанию которых белок зародышей сходен с белком яиц, макро- и микроэлементами, в том числе кальцием, железом, калием, магнием, витаминами: токоферолом, тиамином, рибофлавином.
Использование муки из зерна нехлебопекарных и бобовых культур (рисовой мучки, кукурузной, гороховой и фасолевой муки) позволяет получать хлеб пониженной калорийности, с увеличенным содержанием балластных веществ, макро- и микроэлементов, витаминов, а также способствует экономии основного сырья.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ХЛЕБА И ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Качество хлеба и хлебобулочных изделий должно удовлетворять требованиям соответствующих стандартов (ГОСТ) или технических условий (ТУ). Стандарт определяет требования к каче-
358
• iny сырья, форму и массу изделия, сорт муки, органолептические, физико-химические и микробиологические показатели качества хлеба.
Органолептические показатели качества хлеба определяют его внешний вид (форму, поверхность, окраску), состояние мякиша (иропеченность, свежесть, пористость, эластичность), вкус и «аиах. Форма изделий должна быть правильной с выпуклой верхней коркой, поверхность — гладкой, без трещин и подрывов, окраска — равномерной, * корка — блестящей; мякиш должен ныть пропеченным, эластичным, с хорошо развитой равномерной тонкостенной пористостью, вкус — свойственным данному виду изделия, без посторонних привкусов.
К числу основных физико-химических показателей относят «одержание влаги мякиша, кислотность и пористость, а также «одержание сахара и жира. Содержание влаги определяет физиологическую ценность хлеба, а также технико-экономические показатели работы хлебозавода. Для различных сортов пшеничного хлеба содержание влаги не должно превышать 42...48 %, для ржаного хлеба — 48...51 %.
По кислотности можно судить о правильности ведения процесса приготовления хлеба, так как кислотность обусловлена наличием в хлебе продуктов, образуемых в результате спиртового и молочнокислого брожения в тесте. Кислотность для отдельных сортов хлеба из ржаной муки составляет 9... 12 град, из пшеничной муки 2...6 град.
Пористость характеризует важное свойство хлеба — его усвояемость организмом. Хлеб с низкой пористостью получается из невыброженного или плохо выброженного теста или из муки низкого хлебопекарного качества. Для ржаного хлеба из обойной муки пористость должна быть не менее 42 %, для пшеничного в зависимости от сорта муки и способа выпечки — не менее 55...70 %.
Микробиологические требования включают в себя критерии безопасности пищевых продуктов, согласно которым содержание токсичных элементов, микотоксинов и пестицидов в хлебе не должно превышать допустимые уровни.
БОЛЕЗНИ ХЛЕБА
Болезни хлеба вызываются развитием в нем некоторых микроорганизмов. Все виды болезней делают хлеб непригодным для употребления в пищу. Наиболее распространенными являются картофельная болезнь и плесневение хлеба.
Возбудителем картофельной, или «тягучей», болезни хлеба является картофельная палочка (В. mesentericus). Эти микроорганизмы широко распространены в природе (в воздухе, почве, на растениях) и встречаются в том или ином количестве на зерне и
359
в любой муке. За время выпечки хлеба споры сохраняют свою жизнестойкость (они погибают только при мгновенном прогревании до 130 °C или при 100 °C через 6 ч). Наиболее благоприятные условия для их прорастания: значительная влажность продукта, нейтральная реакция среды и температура выше 37 °C. Хлеб, пораженный этой болезнью, имеет слизистый мякиш, который тянется тонкими паутинообразными нитями, резкий, специфический запах и вкус, что связано с действием на него ферментов картофельной палочки. Картофельной болезнью болеет только пшеничный хлеб, особенно в жаркое время года. В ржаном хлебе вследствие его высокой кислотности болезнь не развивается. Наиболее эффективными путями предотвращения этого заболевания хлеба являются:
повышение конечной кислотности теста путем использования заквасок, жидких дрожжей или внесения в тесто соответствующего количества молочной кислоты или части спелого теста (опары) прошлого приготовления;
снижение температуры и максимальное усиление вентиляции в хлебохранилище для быстрого охлаждения хлеба.
Плесневение хлеба чаще всего происходит при длительном его хранении и вызывается попаданием плесени и ее спор из окружающей среды на поверхность продукта. Прорастая внутрь хлеба, плесень начинает развиваться и на мякише. Развитие и рост плесени возможны при температуре от 5 до 50 °C. Этому процессу способствует повышенная влажность воздуха, в атмосфере которого хлеб хранится. Завертывание хлеба в обычные пленочные упаковочные материалы, приводящие к быстрому нарастанию влажности корки, удачных результатов не дает, а, наоборот, способствует его плесневению. Предотвратить плесневение хлеба особенно важно для тех его видов, которые предназначены для длительного хранения (для участников экспедиций и другого контингента). Для этой цели в тесто вносят химические консерванты, например сорбиновую кислоту и ее соли, которые подавляют развитие плесени; заворачивают хлеб в герметическую влагонепроницаемую термостойкую пленку с последующей тепловой стерилизацией прогреванием до температуры 85...90 °C в центре мякиша; заворачивают хлеб в пленку или бумагу, пропитанную сорбиновой кислотой, с последующей герметической упаковкой. Для весьма длительного хранения хлеба его подвергают расстойке и выпечке в жестяных консервных банках с закаткой их сразу же после выпечки. Для обычного хлеба предотвратить его плесневение можно путем ускоренного охлаждения в контейнерах и вагонетках путем усиленной вентиляции.
Контрольные вопросы
1.	В чем сущность процессов созревания муки?
2.	Из каких этапов состоит подготовка муки к производству?
360
3.	Какие процессы протекают при брожении теста и как они влияют на качество хлеба?
4.	В чем отличие в приготовлении ржаного теста по сравнению с пшеничным?
5.	Из каких этапов состоит разделка ржаного и пшеничного теста?
6.	В чем назначение окончательной расстойки?
7.	Какие процессы протекают при выпечке хлеба?
8.	Что такое упек и усушка хлеба? Каковы пути снижения этих потерь?
9.	Что понимают под выходом хлеба и каковы способы его увеличения?
10.	Как предотвратить картофельную болезнь и плесневение хлеба?
Глава 17
ТЕХНОЛОГИЯ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Макаронные изделия вырабатывают из пшеничной муки высшего качества специального помола. Готовые изделия могут храниться более 1 года без заметных изменений свойств, так как имеют низкое содержание влаги (13 %) и в них полностью отсутствуют скоропортящиеся добавки, за исключением вкусовых и обогатительных. Макаронные изделия обладают высокой питательной ценностью из-за значительного содержания углеводов и белков.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Макаронные изделия классифицируют по нескольким признакам.
1.	Сорт. В зависимости от сорта муки макаронные изделия могут быть высшего и I сортов. При внесении вкусовых или обогатительных добавок к названию сорта добавляется название входящих добавок (например, высший яичный).
2.	Форма. В зависимости от формы существуют следующие виды изделий: трубчатые (например, макароны, рожки и перья), нитеобразные (например, вермишель), лентообразные (например, лапша) и фигурные изделия.
3.	По длине изделия могут быть длинными (от 15 до 50 см) и короткими или короткорезаными (от 1,5 до 15 см). Различают еще так называемые суповые засыпки, выпускаемые в виде срезов толщиной 1...3 мм.
4.	Способ формования. Изделия могут быть прессованными и штампованными.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Технологическая схема включает в себя следующие этапы: хранение и подготовка сырья к производству, приготовление теста, прессование изделий, их разделка, сушка, охлаждение и упаковывание.
361
Характерной особенностью современной техники макаронного производства является широкое использование автоматизированных линий, объединяющих в единый комплекс все технологические операции, что обеспечивает высокую степень механизации и автоматизации производственных процессов, позволяет получать качественные изделия. В зависимости от вида вырабатываемых изделий и установки того или иного оборудования для выпуска этих изделий используют ряд аппаратурно-технологических схем. Наиболее перспективными являются следующие: схема производства длинных изделий с подвесным способом сушки на линиях (Б6-ЛМВ и Б6-ЛМГ) и схема производства коротких изделий с сушкой на ленточных транспортерах на линиях (Б6-ЛКС). В состав этих линий входит единая мучная система для подготовки муки и ее транспортирования на производство, которая принципиально не отличается от применяемой на хлебозаводах, поэтому в дальнейшем ее описание не приводится.
При производстве длинных макаронных изделий на автоматизированной поточной линии Б6-ЛМГ (рис. 72) мука и вода дозируются в тестосмеситель шнекового пресса 1 для замеса теста. Затем тесто прессуется через матрицу и поступает на разделку в саморазвес 7, где сырые изделия развешиваются на бастуны, подрезаются и обдуваются воздухом. После высушивания в предварительной 2 и окончательной 3 сушилках изделия направляются в стабилизатор-накопитель 4, затем в машину для съема 5 с бастунов и резки и далее на фасовочно-упаковочное оборудование, после чего транспортирующими механизмами направляются в механизированный склад готовой продукции. Специальный механизм 6 возвращает пустые бастуны в начало линии.
При производстве коротких изделий на автоматизированной поточной линии Б6-ЛКС (рис. 73) процессы приготовления теста и его прессования не отличаются от рассмотренных выше. Замес и прессование теста проводятся в шнековом прессе 2. Ножи, вращающиеся по поверхности матрицы, обрезают изделия, которые двумя потоками направляются в виброподсушиватель 3. Затем изделия наклонным элеватором 4 подаются на верхнюю ленту предварительной сушилки 5, где находятся девять нейлоновых транспортеров. Пересыпаясь с верхней ленты на нижние, изделия обдуваются воздухом, нагреваемым в нижней зоне сушилки калориферами и проходящим над слоями изделий. Затем с помощью наклонного элеватора 6 изделия поступают на верхнюю ленту окончательной сушилки 7, где высушиваются на одиннадцати транспортерах. Далее изделия наклонным элеватором 8 направляются в стабилизатор-накопитель 9, состоящий из восьми бункеров, откуда через вибробункер 10 они идут на
362
Рис. 72. Автоматизированная поточная линия Б6-ЛМГ
Рис. 73. Автоматизированная поточная линия Б6-ЛКС
фасование. На этой линии можно вырабатывать штампованные изделия путем предварительного выпрессовывания двух тестовых лент, которые поступают в две штампмашины 7, оборудованные штампами разных видов.
В промышленности кроме перечисленных схем макаронные изделия получают и другими способами. Длинные изделия можно вырабатывать на автоматизированных линиях с предварительной сушкой на рамках и окончательной в цилиндрических кассетах, что позволяет получать абсолютно прямые изделия и полностью ликвидировать сухие отходы. Можно производить длинные изделия с сушкой в лотковых кассетах. Этот способ требует больших затрат ручного труда, однако он довольно широко применяется в промышленности, ибо не требует сложного оборудования и больших производственных площадей. В этом случае выпрессовываемую прядь изделий с помощью маятникового стола укладывают в кассеты и разрезают ножом. Далее кассеты с изделиями устанавливаюг на вагонетки, которые отвозят их в сушильное отделение.
Широкое применение в промышленности нашла схема производства коротких изделий на комплексно-механизированных линиях. Подобная линия состоит из шнекового пресса и сушилки непрерывного действия. Выпрессованные изделия нарезаются и подаются на верхнюю ленту сушилки. Постепенно пересыпаясь с верхней ленты на низлежащие, они обдуваются нагретым воз-364
духом. Высушенные изделия охлаждаются в виброохладителях или на ленточных транспортерах и подаются в упаковочное отделение.
ХРАНЕНИЕ И ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ К ПРОИЗВОДСТВУ
Основную массу макаронных изделий готовят из муки и воды, а часть продукции — с добавками. Для производства макаронных изделий используют специальную муку двух сортов: высшего сорта (крупка) и I сорта (полукрупка), получаемую помолом зерна твердой пшеницы или мягкой стекловидной. При отсутствии макаронной муки разрешается использовать хлебопекарную муку высшего и I сортов.
Макаронная мука существенно отличается от хлебопекарной. Она имеет крупитчатую структуру с частицами размером от 250 до 350 мкм, более крупную у крупки по сравнению с полукрупкой; отличается высоким содержанием клейковины хорошего качества (в муке из твердой пшеницы не менее 30...32 %, в муке из мягкой — не менее 28...30 %); должна быть желтого цвета и не темнеть в процессе переработки. Такие требования к муке позволяют получать янтарно-желтые изделия из крупки и светло-кремового оттенка из полукрупки, с гладкой поверхностью, стекловидные в изломе. Высокое содержание клейковины влияет на упругопластичные свойства теста, а также определяет высокую питательную ценность готового продукта.
Добавки, используемые в макаронном производстве, делят на две группы: обогатительные, повышающие пищевую ценность изделий, и вкусовые, влияющие на вкус и цвет. К первой группе относятся яичные продукты (яйцо, яичный порошок, меланж), молочные (сухое цельное молоко, сухое обезжиренное молоко, творог) и витамины (Bi, Bj и РР). Ко второй группе относят овощные и фруктовые пасты, пюре и порошки.
Подготовка муки заключается в ее смешивании, просеивании, магнитной очистке и взвешивании.
Для макаронных изделий используют столовые яйца I категории с массой одного яйца не менее 48 г и II категории с массой не менее 43 г.
Яичные и молочные добавки хранят в холодильных камерах. Подготовка яиц к производству состоит из дезинфекции, так как яичная скорлупа часто бывает заражена бактериями, и промывания водой. Для этого их погружают в 2%-й раствор хлорной извести, затем в 2%-й раствор питьевой соды, после чего промывают холодной водой. Во избежание попадания порченых яиц следует разбивать их в отдельную посуду небольшими порциями (по 3—5 шт.). Полученную яичную массу необходимо процедить через сито с ячейками не крупнее 3x3 мм. Подготовка яиц к производству на фабриках — операция сложная, поэтому в каче
365
стве яичных добавок чаще всего используют яичный порошок или меланж. Меланж — это замороженная смесь белка и желтка. Перед употреблением меланж размораживают, помещая банки в теплую воду температурой 40...45 °C на 3...4 ч.
Томатную пасту хранят в герметичных емкостях из некорродирующего металла при температуре от 0 до 20 °C, не допуская замораживания. Витамины хранят в сухом помещении в упакованном виде. Упаковку следует вскрывать перед составлением витаминной смеси.
Для равномерного распределения добавок в тесте их смешивают с водой в чанах с мешалками. Во избежание свертывания белков температура воды для размешивания яичных добавок должна быть не выше 45 °C, для сухого молока — не выше 55, для остальных добавок — 55...65 °C.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ТЕСТА
Макаронное тесто существенно отличается от всех других тестовых масс. Оно не подвергается брожению или искусственному разрыхлению. Так как количество воды, добавляемое в муку при замесе, составляет около 1/2 того количества, которое способны поглотить основные компоненты муки — крахмал и белок, тесто требует длительного замеса в течение 20...30 мин.
Тесто представляет собой рыхлую массу из крошек различного размера, которая лишь в процессе дальнейшей обработки превращается в плотную пластичную массу, пригодную для формования.
Рецептура макаронного теста зависит от качества муки, вида изделий, способа сушки и некоторых других факторов. В ней указываются количество и температура муки и воды, содержание влаги и температура теста. Количество воды дается на 100 кг муки.
При расчете рецептур задаются влажностью теста, от величины которой зависит тип замеса: твердый (содержание влаги теста 28...29 %); средний (содержание влаги теста 29,1...31 %) и мягкий (содержание влаги теста 31,1...32,5 %). Наиболее распространен средний замес, при этом тесто получается мелкокомковатым, изделия после прессования хорошо сохраняют форму, не мнутся, не слипаются при раскладке и сушке в несколько слоев. Чем выше содержание влаги в тесте, тем быстрее и равномернее увлажняются частицы муки, тесто легче поддается формованию и из него получаются изделия лучшего качества. Однако при очень высоком содержании влаги сырые изделия плохо сохраняют свою форму (слипаются, вытягиваются), процесс их сушки удлиняется.
По заданному содержанию влаги теста рассчитывают необходимое количество воды для замеса:
366
loo - и; ’
где M — дозировка муки, кг, Wt и fK, — соответственно содержание влаги в тесте и муке, %.
Затем задаются температурой теста исходя из того, что после (амеса она должна быть не выше 40 °C. При этом учитывают, что в процессе формования изделий в шнековых прессах температура теста увеличивается на 10...20 °C, а перед матрицей она должна составлять 50...55 °C.
Температуру воды по заданной температуре теста определяют но формуле
f ПтСт -в Всъ ’
где /в, h, tM соответственно температуры воды, теста и муки, °C, Т~ масса теста, кг; ст, См, св — соответственно удельные теплоемкости теста, муки и воды, Дж/(кг-К); М — масса муки, идущей на замес теста, кг; В — расход воды на замес теста, л.
В зависимости от температуры воды, используемой на замес теста, различают три типа замеса: горячий (температура 75...85 °C), теплый (температура 55...65 °C) и холодный (температура ниже 30 °C). На практике чаще применяется теплый замес, который позволяет получать среднекомковатое, сыпучее тесто, которое хорошо заполняет витки шнека. Процесс замеса теста с использованием теплой воды происходит быстрее, чем с использованием холодной, тесто получается более пластичным, хорошо формуется, а поверхность изделий — более гладкой, цвет — более желтым, чем при других замесах.
Горячий замес используется относительно редко, так как при соприкосновении горячей воды с мукой часть белков денатурирует, в результате тесто частично теряет эластичность. Горячий замес применим только для муки с повышенным содержанием клейковины, чрезмерно упругой по качеству, когда необходимо получить менее вязкое и достаточно пластичное тесто.
Холодный замес используется для изготовления изделий, предназначенных для длительного хранения, а также для муки с низким содержанием клейковины и слабой по качеству.
При приготовлении теста с добавками учитывают содержание влаги в них. Если содержание влаги добавок выше, чем у муки, то следует соответственно снизить расход воды на замес теста.
С целью вторичной переработки в рецептуру могут входить также доброкачественные отходы. Для этого используют полуфабрикаты (сырые обрезки, деформированные изделия и пр.), не имеющие посторонних привкуса и запаха, и сухие отходы.
367
Сырые обрезки сразу же после разделки измельчают и добавляют в тестосмеситель в количестве до 15 % к массе муки. Сухие отходы дробят в крупку размером до 1 мм и добавляют в количестве до 10 % к массе муки. Отходы желательно добавлять для выработки короткорезаных изделий (вермишели и лапши).
ФОРМОВАНИЕ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Применяют два способа формования макаронного теста: прессование и штампование, причем в основе последнего лежит получение путем прессования ленты теста, из которой затем штампуют изделия сложной формы.
Замес теста, уплотнение полученной крошковатой массы и формование изделий осуществляют в шнековом прессе непрерывного действия (рис. 74). Тесто готовят в тесгосмесителе, в первое корыто которого соответствующими дозаторами 1 и 2 подают муку и воду. При выработке макаронных изделий с добавками последние после растворения в воде или после приготовления водной эмульсии поступают в тестосмеситель 3 через дозатор воды. Тестосмесители могут быть одно-, двух-, трех- и четырехкорытными, каждое корыто представляет собой полуцилиндр, внутри которого вращается вал 4. Лопасти вала расположены под углом к его оси, что обеспечивает продвижение теста вперед и отбрасывание его назад. Это создает благоприятные условия для набухания муки за счет длительного перемешивания. Для получения однородной структуры теста в последнее время замес удлиняют, применяя трех- и четырехкорытные тестосмесители. В результате получается комковатая масса, размер комков которой зависит от содержания влаги в тесте: чем оно выше, тем крупнее крошки и комья. В последнем корыте тесто-
Рис. 74. Схема шнекового макаронного пресса
368
 месителя создается вакуум для удаления мельчайших пузырьков воздуха, наличие которых приводит к растрескиванию изделий. При сушке полуфабриката, предварительно уплотненного при вольтом давлении на стадии прессования, происходит уменьшение линейных размеров теша. Пузырьки воздуха, находящиеся в нем в сжатом состоянии, при нагревании расширяются и разрушают микроструктуру изделия. При интенсивных режимах « ушки микротрещины могут привести к резкому увеличению количества растрескавшихся изделий, одновременно снизить их |ранспортабельность. Наличие воздушных включений приводит к появлению белесого оттенка, что ухудшает цвет изделий и снижает потери сухих веществ при варке. Оптимальный режим вакуумирования следующий: остаточное давление 10...40 кПа, цлительность 5...7 мин.
Для придания тесту однородной структуры его направляют в шнековую камеру 6 пресса на формование. Тесто подхватывается витками шнека 7, выполняющего вначале роль транспортирующего механизма, перемещающего сыпучий продукт, уплотняется, становясь вязкой, упругопластичной массой. Вал 4 и шнек 7 приводятся б движение от приводного редуктора 5.
Сформировавшееся в шнековой камере 6 тесто нагнетается в небольшое предматричное пространство 9, заканчивающееся матрицей 10, через отверстия которой оно выпрессовывается под давлением 10...12 мПа. Такое давление возникает вследствие сопротивления формующих отверстий матрицы истечению крутого теста. Величина его зависит от содержания влаги и температуры теста, скорости прессования и других факторов. Только 18...20 % подаваемого в матрицу теста выпрессовывается через ее отверстия, основная же масса за счет противодавления закручивается в межвинтовом пространстве шнека и перемещается в противоположном направлении. Перед матрицей происходит послойное перемещение теста вперед и назад. Это ведет к переходу механической энергии движения отдельных слоев в тепловую, в результате чего тесто приобретает большую пластичность, его температура повышается на 10... 12 °C. Для поддержания оптимальной температуры (55 °C) теста перед матрицей шнековая камера снабжена водяной рубашкой 8. При более высокой температуре происходит заваривание теста: оно становится более крутым и скорость прессования резко падает.
Как отмечалось, в современных прессах тесто вакуумируют на стадии замеса. Вместе с тем в промышленности применяется оборудование (пресс типа ЛПЛ и др.), где вакуум создается на стадии прессования. Однако удалять воздух из спрессованного теста гораздо труднее и эффект от использования деаэрации ниже.
Наиболее важной составной частью пресса являются матрицы. Они могут быть круглыми в форме плоского диска и прямо
369
угольными. Материал для их изготовления должен быть прочным, выдерживать значительные нагрузки и быть стойким к коррозии, так как тесто является агрессивной средой из-за содержания кислотореагирующих веществ. Лучше всего матрицы изготовлять из латуни и бронзы, но можно использовать и нержавеющую сталь.
Форма изделий, получаемых прессованием, зависит от конфигурации формующих отверстий матрицы'. Встречаются три вида отверстий: кольцевые с вкладышами для получения макаронной трубки; без вкладышей для формования нитеобразных изделий; шелевидные для прессования лапши, фигурных изделий и широких лент теста для последующего формования из них штампованных изделий.
Формующее отверстие с вкладышем (рис. 75) состоит из двух элементов: канала, просверленного в теле матрицы, и закрепленного с ним вкладыша. Нагнетаемое в отверстие тесто во входной камере / распределяется заплечиками 4 на три потока. Назначение заплечиков — удержать вкладыш в отверстии матрицы так, чтобы ось его ножки 5 совпадала с осью отверстия. Для лучшего центрирования вкладыш обычно изготовляют с тремя заплечиками — трехопорный, а иногда с двумя — двухопорный вкладыш. В переходной части 2 под действием давления прессования происходит соединение отдельных потоков в тестовую трубку, которое заканчивается в кольцевом зазоре формующей щели 3. Внешний диаметр макаронной трубки равен диаметру формующей щели 3, а ее внутренний диаметр соответствует диаметру ножки 5 вкладыша.
Рис. 75. Формующее отверстие дисковой матрицы с вкладышем:
а — профиль отверстия: б — вкладыш трехопорный; в — отверстие с запрессованным вкладышем в сборе
370
Рис. 76. Профили отверстий в матрице без вкладышей: а — для вермишели; 6 — для лапши
Матрица для получения вермишели или лапши состоит из диска, в котором высверливаются углубления (кессоны) (рис. 76). Во входную камеру 1 тесто входит одним потоком, после чего оно продавливается через формующую щель 2 высотой 1,5...2 мм.
При использовании металлических матриц поверхность изделий получается более или менее шероховатой, что связано с прилипанием теста к поверхности матрицы. Тесто движется в канале матрицы послойно, причем скорость движения слоев различна. Прилипший элементарный слой теста остается неподвижным, а следующий элементарный слой движется, отрываясь от прилипшего слоя, при этом скорость его движения замедляется, а на поверхности образуются надрывы, заусенцы. С увеличением пластичности теста поверхность становится более гладкой, так как образовавшиеся заусенцы как бы затягиваются.
Степень прилипания теста зависит от материала матрицы. Наиболее сильно тесто прилипает к матрицам, изготовленным из нержавеющей стали, меньше — к матрицам из латуни, еще меньше — к матрицам из бронзы. Для снижения степени прилипания теста поверхность формующей щели матрицы должна быть тщательно отшлифована. В последнее время для получения изделий с гладкой поверхностью используют матрицы со вставками из
371
пластмасс, в частности из фторопласта, к которому тесто нс прилипает. В результате существенно возрастает скорость прессования, а готовые изделия имеют более желтый цвет.
РАЗДЕЛКА СЫРЫХ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Разделка сырых макаронных изделий состоит из обдувки, резки и раскладки, для того чтобы подготовить полуфабрикат к наиболее продолжительной и трудоемкой стадии производства — сушке. От правильности разделки зависят продолжительность сушки и качество готовых изделий.
Сырые изделия для быстрой подсушки обдуваются воздухом, который забирается из помещения цеха. При этом содержание влаги изделий снижается на 2—3 %, в результате уменьшается пластичность полуфабриката, увеличивается его упругость, на поверхности образуется корочка, которая препятствует слипанию и искривлению изделий.
Назначение резки — получить продукт определенной длины. Короткорезаные изделия режут двумя способами. В первом случае нож скользит по поверхности матрицы или режет свисающую прядь на некотором расстоянии от матрицы; во втором случае резка ведется после того, как изделия немного подсохнут.
Сырые изделия подают к сушилкам по наклонным спускам или пневмотранспортом. Использование пневмотранспорта позволяет несколько подсушить продукт, что сокращает длительность сушки.
Для раскладки сырых короткорезаных изделий применяют механические раскладчики (раструсчики), труба или транспортер которых совершает колебательное движение над движущейся лентой сушилки, распределяя на ней продукт равномерным слоем толщиной 2...5 см в зависимости от вида изделий.
Резка и раскладка макарон зависят от способа сушки: кассетного (в кассетах) или подвесного (на бартунах). В первом случае используются кассеты, изготовленные из фанеры, деревянных планок и дюралюминия. Кассета представляет собой ящик, имеющий только две боковые стенки, между которыми укладывают макароны таким образом, чтобы через них вдоль трубок проходил сушильный воздух. Бастуй — это полая алюминиевая трубка длиной 2000 мм с цапфами на концах, с помощью которых она опирается на цепи транспортера. На бастуй развешивается макаронная прядь.
При кассетной сушке выпрессованные изделия, достигшие длины 1,5...2 м, механически подхватываются, укладываются на кассеты и режутся раскладочно-резательным механизмом на отрезки длиной 250 мм.
Разделка макарон для подвесной сушки ведется саморазвесом, который входит в автоматизированную линию. Пустые бастуны
372
движутся в горизонтальном направлении с некоторыми перерывами. В момент их остановки ряды формуемых изделий, проходя обдуватель, достигают необходимой длины, опускаясь ниже бас-туна, находящегося в покое. При движении вперед бастуй оттягивает макаронную прядь и она огибает его с одной стороны. Затем два пустотелых цилиндра переводят верхнюю половину пряди на другую сторону бастуна. Ножи отрезают прядь макарон, и она за счет собственной массы падает и виснет на бастуне. Нижние ножи подравнивают концы изделий. Обрезки падают в шнек, находящийся внизу, измельчаются и далее подаются пневмотранспортером в тестосмеситель на вторичную переработку.
СУШКА МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Макаронное тесто является хорошей средой для протекания микробиологических и биохимических процессов. Для их предотвращения тесто высушивают до содержания влаги 13,5... 14 %, чтобы после охлаждения содержание влаги в них было не более 13 %. Сушка — наиболее длительная стадия технологического процесса производства макаронных изделий. От правильности ее проведения зависят такие показатели качества готового продукта, как прочность, кислотность и стекловидность. Очень интенсивная сушка может привести к растрескиванию изделий, чрезмерно длительная, а также недосушивание — к их закисанию.
Сушку макаронных изделий проводят конвективным способом, который основан на тепло- и влагообмене между высушиваемым материалом и нагретым воздухом. Процесс сушки состоит в подводе влаги от внутренних слоев изделий к наружным, превращении ее в пар и удалении пара с поверхности за счет нагретого сушильного воздуха. Количество влаги, которое может поглотить 1 кг воздуха до полного его насыщения, называется сушильной способностью воздуха. Чем выше температура, скорость движения воздуха и ниже его относительная влажность, тем выше его сушильная способность и тем быстрее протекает процесс сушки.
Макаронное тесто при сушке проявляет некоторые особенности, обусловленные характером поглощения влаги тестом при его замесе. Поскольку тесто готовят с низким содержанием влаги, свободной влаги в нем нет, она полностью связана белками и крахмалом, причем белки удерживают ее прочнее, чем крахмал. Поэтому процесс сушки протекает в два этапа: на первом — при постоянной скорости сушки происходит более быстрое удаление влаги, связанной крахмалом, на втором — при убывающей скорости сушки — медленное обезвоживание белков.
Влага внутри макаронного теста перемещается от более нагретых наружных слоев к менее нагретым внутренним (явление термовлагопроводности). За счет различного содержания влаги
373
этих слоев, возникающего в результате испарения влаги с поверхности материала и быстрого осушивания, происходит перераспределение влаги от более влажных внутренних слоев к наружным (явление влагопроводности). Основное движение влаги внутри полуфабриката происходит за счет влагопроводности. Таким образом, влага внутри теста перемещается в противоположных направлениях, что замедляет процесс сушки.
По мере испарения влаги в изделиях происходит их усадка на 6...8 %. Наружные слои высыхают быстрее и стремятся уменьшить размеры, а внутренние, в которых содержание влаги какое-то время выше, — сохранить их. В изделиях возникают внутренние напряжения сдвига. В начальный период сушки, пока содержание влаги продукта выше 20 %, тесто обладает пластичными свойствами, ослабляющими внутренние напряжения сдвига. В результате изделия уменьшаются в размерах, не разрушаясь. В дальнейшем, по мере снижения содержания влаги с 20 до 16 %, изделия постепенно утрачивают свойства пластичного материала и приобретают упругие свойства, т. е. они становятся упругопластичным материалом. При этом если внутренние напряжения сдвига превысят предельно допустимые значения, то появятся микротрещины, которые могут привести к лому изделий. На конечном этапе сушки, когда содержание влаги снижается с 16 до 13,5 %, изделия ведут себя как упругохрупкие тела и малейшая усадка ведет к их растрескиванию.
Идеальным режимом сушки является такой, при котором внутренний массоперенос влаги не будет отставать от влагоотдачи с поверхности изделий. Однако осуществить такой режим сложно, так как процесс сушки чрезмерно замедляется, что может вызвать закисание продукта. Для' ускорения процесса сушки и получения изделий хорошего качества в начальный период (при содержании влаги теста до 20 %) их сушат при жестких режимах, т. е. при интенсивной обдувке воздухом с высокой сушильной способностью. Затем во избежание растрескивания высушивание ведут при мягких режимах, когда влага медленно удаляется воздухом с низкой сушильной способностью. Особенно осторожно надо вести этот процесс на последних этапах сушки, когда содержание влаги изделий ниже 16 %. Практически эти условия можно выполнить при сушке изделий в сушилках поточных линий, где процесс разделен на два этапа — предварительную и окончательную сушку.
В зависимости от сушильной способности воздуха для сушки изделий применяют следующие режимы: трехстадийный, или пульсирующий; сушку воздухом с постоянной сушильной способностью; сушку воздухом с изменяющейся сушильной способностью и сушку с предварительной термообработкой сырых изделий.
374
Трехстадийный режим сушки состоит из следующих этапов: предварительной сушки, отволаживания и окончательной сушки. Предварительная сушка длится от 30 мин до 2 ч. В течение этого времени испаряется от 1/3 до 1/2 влаги, которую необходимо удалить из изделий. Процесс ведут при жестких режимах, так как тесто пластично и нет опасности растрескивания. Цель этой стадии — ускорить сушку, стабилизировать форму сырых изделий, предотвратить их вытягивание, плесневение и закисание.
Содержание влаги в тесте, выходящем из камеры предварительной сушки, должно быть не ниже 20 %. Образовавшаяся на поверхности корочка может вызвать растрескивание продукта при дальнейшей сушке. Для размягчения корочки изделия направляются на отволаживание — обдувку горячим воздухом с относительной влажностью 90... 100 %. При этом испарения влаги с поверхности практически не происходит, а подведенная теплота расходуется на прогрев изделий, выравнивание влажности во внутренних и наружных слоях макаронной трубки.
Окончательную сушку ведут при мягких режимах, так как изделия приобретают упругие свойства и скорость испарения влаги с их поверхности должна быть соизмерима со скоростью ее подвода из внутренних слоев к наружным. На этом этапе последовательно чередуют процессы сушки и отволаживания, причем отношение продолжительности сушки ко времени отволаживания составляет примерно 1:2,5.
Подобный способ применяется для сушки длинных изделий в подвесном состоянии на автоматизированных линиях ЛМБ, Б6-ЛМВ, Б6-ЛМГ и линиях зарубежных фирм («Брайбанти», «Паван» и др.). Развешенные на бастуны изделия перемещаются в тоннельных сушилках и обдуваются воздухом. Параметры сушильного воздуха в предварительной сушилке зависят от вида изделий (температура 35'..45 °C, относительная влажность 65...75 %). Окончательная сушилка представляет собой тоннель, разделенный по длине на зоны сушки и зоны отволаживания. В зонах сушки установлены калориферы для подогрева воздуха и вентиляторы. Температура воздуха в зонах окончательной сушилки 35...45 °C, относительная влажность 70...85 %. По высоте тоннель окончательной сушилки разделен на несколько ярусов, по которым последовательно проходят бастуны с изделиями, пересекая поочередно зоны сушки и отволаживания.
Способ сушки воздухом с постоянной сушильной способностью предусматривает примерное постоянство параметров воздуха от начала до конца сушки. Недостаток этого способа — необходимость вести сушку при высокой сушильной способности, что может привести к растрескиванию изделий. Однако этот способ широко применяется на фабриках для сушки макарон в кассетах в бескалориферных сушилках. Сушка ведется путем продувки через макаронные трубки воздуха, забираемого из помещения
375
цеха. Параметры воздуха поддерживаются на постоянном уровне при помощи приточно-вытяжной вентиляции. Продолжительность сушки 20...24 ч. Для равномерного высушивания направление воздуха меняют каждый час на противоположное.
Сушка с изменяющейся сушильной способностью воздуха применяется в современных ленточных конвейерных паровых сушилках непрерывного действия, используемых для сушки коротких изделий, типа КСА-80, СПК-30, СПК-45, СПК-90. Сушилки представляю! собой тоннель, внутри которого один над другим располагаются четыре или пять транспортеров с находящимися на них изделиями. Транспортеры движутся в противоположных направлениях, при этом продукт последовательно пересыпается с верхних лент на нижние и обдувается воздухом, нагретым в калориферах. Калориферы располагаются между верхней и нижней лентами каждого транспортера. Продолжительность сушки 30...90 мин в зависимости от размера изделий. Свежий воздух подогревается нижним калорифером до 50...60 °C и имеет относительную влажность 15...20 %. Проходя через слой изделий на нижней ленте, воздух отдает часть теплоты и увлажняется. Поднимаясь вверх, он подогревается вторым калорифером до той же температуры, проходит через слой изделий на следующей ленте и т. д. В результате на выходе из сушилки его температура достигает 40...50 °C, а относительная влажность — 50...60 %, т. е. сушка ведется воздухом с меняющейся сушильной способностью. Для смягчения режима сушки и повышения качества изделий устанавливают последовательно две сушилки.'Первая выполняет роль предварительной сушилки, вторая — окончательной. Общая продолжительность сушки 1...3 ч, в том числе в предварительной камере 0,5 ч. Аналогичный режим используется в автоматизированных линиях для сушки коротких изделий, в которых кроме предварительной и окончательной сушилок предусмотрена установка для первичной подсушки (трабатто или виброподсушиватель). Эта установка представляет собой ряд сетчатых рамок, совершающих возвратно-поступательное движение, что обеспечивает последовательное перемещение сырых изделий с верхних рамок на нижние. При этом они обдуваются горячим воздухом и за 2...3 мин теряют 1,5...2,5 % влаги. На поверхности сырых изделий образуется корочка, предотвращающая их слипание во время последующего высушивания в слое на лентах сушилки. В этом случае сушку ведут при мягком режиме, что улучшает качество продукта.
Сушка с предварительной термообработкой сырых изделий заключается в обдувке трубчатых изделий паровоздушной смесью температурой 95...98 °C и относительной влажностью 95 % в течение 2 мин и коротких изделий сухим паром температурой 120...180 °C в течение 30 с с последующей сушкой при постоянной сушильной способности воздуха. Такая тепловая обработка
376
ведет к денатурации белков и клейстеризации крахмала, что ускоряет процесс удаления влаги, сокращает время сушки и дает возможность на последующих этапах применять жесткие режимы обезвоживания без опасения появления трещин.
ОХЛАЖДЕНИЕ, УПАКОВЫВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МАКАРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Макаронные изделия на выходе из сушилки имеют температуру, примерно равную температуре сушильного воздуха. Перед упаковыванием изделия необходимо медленно охладить до температуры упаковочного отделения в течение не менее 4 ч за счет омывания воздухом с относительной влажностью 60...65 % и температурой 25...30 °C. При этом происходит стабилизация изделий: окончательно выравнивается влажность по всей толщине продукта, рассасываются внутренние напряжения сдвига, которые могли остаться после интенсивной сушки изделий, и происходит некоторое снижение массы за счет испарения 0,5... 1 % влаги.
В поточных линиях стабилизацию и охлаждение изделий проводят в стабилизаторах-накопителях, где одновременно создается запас 12-часовой выработки высушенных изделий. В остальных случаях используются виброохладители.
Процесс упаковывания состоит из подачи изделий на упаковочные столы или в бункера; сортировки, проверки их на магнитных сепараторах; укладки в тару, включая уплотнение на вибраторе; взвешивания; забивания крышки и маркировки.
Макаронные изделия выпускают в упакованном и фасованном виде. Фасование, т. е. упаковывание в потребительскую (мелкую) тару, проводят на автоматах или вручную. К потребительской таре относятся коробочки из картона или плотной бумаги, пакеты из полиэтиленовой пленки или из термосклеива-ющегося целлофана, а к наружной — короба из гофрированного или литого картона, ящики фанерные и дощатые и четырехслойные бумажные крафт-пакеты.
Макаронные изделия должны храниться в складских помещениях на стеллажах или поддонах при температуре 16...18 °C и относительной влажности воздуха не более 70 %. Эти помещения должны быть чистыми, сухими, защищенными от воздействия атмосферных осадков, не зараженными амбарными вредителями. Изделия нельзя хранить с товарами, имеющими специфический запах, так как они могут впитывать этот запах.
Качество макаронных изделий должно удовлетворять следующим требованиям: они должны иметь правильную форму, гладкую поверхность, быть стекловидными в изломе, однотонными по цвету с кремовым или желтоватым оттенком. Содержание влаги изделий должно быть не более 13 %, кислотность — не более 3°, а для изделий с добавками томатопродуктов — не более 10°. Кроме
377
того, для характеристики качества макаронных изделий необходимо определять следующие показатели: прочность, содержание лома, крошки и деформированных изделий, наличие металлопри-месей и мучных вредителей, состояние изделий после варки.
Контрольные вопросы
1.	В чем отличия макаронной муки от хлебопекарной?
2.	Какие существуют типы замеса макаронного теста (по температуре и влажности) и когда применяется тот или иной тип замеса?
3.	Какие изменения происходят в макаронном тесте при его прессовании через матрицу?
4.	Что представляет собой матрица с вкладышем и где она применяется?
5.	В чем состоит разделка макаронного теста и как она осуществляется при производстве длинных и короткорезаных макаронных изделий?
6.	В чем особенности высушивания макаронного теста?
7.	Что такое трехстадийный режим высушивания? В чем сущность отволажи-вания изделий?
8.	Для чего устанавливают стабилизаторы и какие процессы в них протекают?
Глава 18
ТЕХНОЛОГИЯ КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Кондитерские изделия в зависимости от технологического процесса и вида сырья подразделяются на две группы: сахарные и мучные. В каждую из этих групп входит несколько видов изделий. К сахарным изделиям относятся шоколад, какао-порошок, конфеты, карамель, мармелад, пастила, ирис, драже и халва; к мучным — печенье, галеты, крекеры, вафли, пряники, кексы, рулеты, торты и пирожные. Доля мучных кондитерских изделий в общем производстве составляет около 40 %.
Кондитерские изделия обладают большой калорийностью, усвояемостью, низким содержанием влаги, приятным вкусом, тонким ароматом и привлекательным внешним видом, что обусловливает их высокую пищевую ценность. Энергетическая ценность кондитерских изделий в расчете на 100 г продукта колеблется от 1200 (мармелад) до 2300 (шоколад) кДж.
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Основные виды сырья, применяемые в кондитерской промышленности: сахар, глюкоза, патока, мед, жиры, молоко и молочные продукты, яйца и яйцепродукты, какао-бобы, орехи, фруктово-ягодные полуфабрикаты, мука, крахмал, вкусовые и ароматические вещества, химические разрыхлители и др.
Сахар (сахароза) используется в виде рафинированного сахара-песка или водного раствора (сиропа). Содержание сахарозы в сахаре-песке в пересчете на сухое вещество 99,75...99,99 %, содержание влаги не более 0,14 %, а для бестарного хранения —
378
0,05 %. Сахарный сироп, поступающий с сахарорафинадных заводов, может быть как чисто сахарным, так и сахароинвертным < разным соотношением сахарозы и инвертного сахара. На кон-цитерские фабрики сахар-песок поступает двумя способами: тарным (в мешках) или бестарным (в вагонах или автомобилях). Хранят его также двумя способами: в мешках (таре) или в складах для бестарного хранения (силосах). Перед подачей в производство сахар-песок просеивают через сито и подвергают магнитной очистке для освобождения от ферропримесей.
Глюкоза, используемая при выработке детского и диетического ассортимента кондитерских изделий вместо сахара-песка (с полной или частичной его заменой), поступает на предприятия в виде кристаллического порошка белого цвета и хранится при относительной влажности воздуха не выше 65 %.
При производстве сахарных кондитерских изделий в качестве антикристаллизатора используют патоку. При производстве мучных изделий патоку вводят в количестве до 2 % к массе сырья для придания тесту пластичности, а готовым изделиям — мягкости и рассыпчатости. Патока поступает на предприятия в железнодорожных цистернах и в разогретом виде (40...45 °C) перекачивается в баки. Перед применением патоку подогревают до той же температуры и процеживают через сито.
Для производства мучных кондитерских изделий в качестве основного вида сырья используется пшеничная мука высшего и I сортов, которая поступает и хранится на предприятиях в основном бестарным способом.
Крахмал в кондитерской промышленности применяется в качестве рецептурного компонента при производстве мучных изделий и в качестве формового для производства конфет.
Для приготовления мучных изделий, конфет, карамели с начинкой, шоколада и халвы используют жиры, которые являются в большинстве изделий структурообразователями. Одновременно они способствуют повышению пищевой ценности изделий. Сливочное масло применяется при производстве мучных кондитерских изделий, конфет и ириса, маргарин — при производстве мучных кондитерских изделий. В производстве шоколада, конфетных масс, карамельных начинок используется какао-масло, получаемое из какао-бобов. При производстве печенья, вафельных и прохладительных начинок, конфетных масс типа пралине, жировой глазури добавляют гидрированные жиры.
В кондитерской промышленности широко применяются молоко и молочные продукты: молоко натуральное, сгущенное (с сахаром и без него), сухое и др.; натуральные яйца и яйцепро-дукты: меланж, яичный порошок, яичный белок, желток и др. Яйца вводят при производстве мучных кондитерских изделий, яичный белок — при производстве пастилы, зефира, сбивных конфет и других изделий в качестве пенообразователя.
379
При производстве конфет, начинок, халвы, шоколадных и мучных изделий добавляют ядра орехов и семян масличных растений (миндаль, фундук, грецкий орех, арахис, кешью, кунжутное и подсолнечное семя и др.).
В производстве шоколада и какао-порошка основным видом сырья являются какао-бобы — семена дерева какао.
В кондитерском производстве широко используют фруктово-ягодное сырье в виде полуфабрикатов (пульпы, пюре, подварки, цукатов, заспиртованных ягод).
Для придания кондитерским изделиям кислого вкуса применяют пищевые кислоты: винную, лимонную, молочную и яблочную.
В качестве ароматических добавок в кондитерские изделия вводят натуральные (естественные эфирные масла) и синтетические (эссенции) ароматические вещества.
Кроме того, в кондитерской промышленности применяют такие виды сырья, как разрыхлители, студнеобразователи, пищевые красители, эмульгаторы, консерванты, сырье для выработки диетических видов изделий и пр.
Характерные особенности того или иного сорта кондитерских изделий обусловлены соотношением компонентов сырья, которое устанавливается рецептурами. В России в кондитерском производстве приняты единые унифицированные рецептуры, обязательные для всей промышленности. Рецептуры содержат краткую характеристику изделий (форма, масса, оформление) и таблицы с перечислением сырья, полуфабрикатов и их количественных затрат. В них приводятся предельно допустимые потери сухого вещества при изготовлении всего изделия и по отдельным фазам его производства, содержание сухих веществ готового изделия и полуфабрикатов.
Применение единых унифицированных рецептур позволяет выпускать на различных предприятиях одинаковые сорта изделий с использованием для их приготовления одинаковых количеств сырья и готовых полуфабрикатов.
Наличие унифицированных рецептур облегчает планирование, установление цен, создание прейскурантов и т. д. На основе рецептур путем расчетов можно получить технологические и экономические данные, используемые в производстве, планировании, проектировании и т. п. На основе рецептур планируется также себестоимость кондитерских изделий.
ТЕХНОЛОГИЯ КАРАМЕЛИ
Карамель — кондитерское изделие, получаемое путем уваривания сахарного сиропа с крахмальной патокой или инвертным сиропом до карамельной массы с содержанием влаги 1,5...4 %. Карамель получают только из карамельной массы (леденцовая) или с начинками. В качестве начинок используют различные
380
кондитерские массы: фруктовую, ликерную, медовую, помадную, молочную, ореховую, шоколадную и др.
В зависимости от способа обработки карамельной массы перед формованием оболочка карамели может быть прозрачной или непрозрачной (тянутой).
Карамель выпускают с различным внешним оформлением: завернутой, фасованной, открытой и т. д.
Ассортимент карамели, выпускаемой в нашей стране, разнообразен и насчитывает свыше 800 наименований.
В качестве основного сырья для производства карамели используют сахар-песок и крахмальную патоку, а также фруктовоягодные заготовки, молочные продукты, жиры, какаопродукты, ореховые ядра, пищевые кислоты, эссенции, красители и др.
Технологический процесс приготовления состоит из следующих стадий (рис. 77): приготовление сиропа и карамельной массы, охлаждение и обработка карамельной массы, приготовление карамельных начинок, формование карамели, завертывание или отделка поверхности карамели, упаковывание.
На кондитерских фабриках карамель вырабатывают на поточно-механизированных линиях. На рис. 78 приведена машинноаппаратурная схема производства завернутой карамели с фруктовой начинкой.
Механизированная поточная линия предназначена для производства завернутой карамели с непрозрачной тянутой оболочкой. Сахар-песок из мешков, силосов или сахаровозов подается в просеиватель 26, в котором отделяются посторонние примеси. Очищенный сахар-песок поступает через дозатор 27 в смеситель 28. В этот же смеситель из емкости 22 дозатором 23 подается подогретая вода. Патоку, доставленную в автоцистернах, сливают в металлические резервуары 1 с обогревом. В каждом резервуаре имеется отделение, в котором размещены змеевики 2. Патока подогревается, становится менее вязкой, и ее насосом 3 перекачивают в резервуар 24, где она нагревается до температуры, близкой к 90 °C. Плунжерный насос-дозатор 25 подает патоку в нужном количестве в тот же смеситель 28, в который одновременно поступают очищенный сахар-песок и вода, а из смесителя плунжерный насос 29 нагнетает полученную кашицеобразную смесь в варочную змеевиковую колонку 30. Затем полученный сироп с концентрацией сухих веществ 84...88 % проходит через фильтр 31 и стекает в закрытый сборник 32. Двухплунжерный насос-дозатор 33 с регулируемой подачей перекачивает этот сироп в варочную змеевиковую колонку 34 вакуум-аппарата. Здесь сироп уваривается до концентрации сухих веществ 98,5 %. Вторичный пар, получаемый в результате уваривания сиропа, поступает из вакуум-камеры 35 в конденсатор 43, откуда смесь образовавшегося конденсата и охлаждающей воды откачивается мокровоздушным насосом 44.
381
Вода
Рис. 77. Принципиальная технологическая схема получения карамели
Рис. 78. Машинно-аппаратурная схема производства завернутой карамели с фруктовой начинкой
Готовая карамельная масса из вакуум-камеры 35 поступает периодически в загрузочную воронку охлаждающей машины 36, из которой она выходит в виде тонкого пласта на наклонную охлаждаемую плиту. Одновременно на движущийся пласт карамельной массы из дозаторов непрерывно подаются эссенция, лимонная кислота и красители.
Охлажденная до 90...95 °C карамельная масса конвейером 37 направляется на тянульную машину 38, где масса непрерывно перетягивается, перемешиваясь с красящими и ароматизирующими добавками, и насыщается воздухом.
Затем тянутая масса непрерывно подается ленточным транспортером 39 в карамелеобкаточную машину 40. Начинконапол-питель 41 нагнетает начинку по гибкому шлангу и трубе внутрь карамельного батона. По мере обкатывания карамельный батон превращается в жгут. Выходящий из карамелеобкаточной машины карамельный жгут с начинкой проходит через жгутовытягивающую машину 42, которая калибрует его до нужного диаметра. Откалиброванный карамельный жгут непрерывно поступает в карамелеформующую машину 45, которая формует и разделяет его на отдельные изделия соответствующей формы с рисунком на поверхности.
Отформованная карамель температурой 60...65 °C непрерыв
383
ной цепочкой с тонкими перемычками поступает на узкий ленточный охлаждающий транспортер 46, на котором происходят охлаждение перемычек и предварительное охлаждение поверхности карамели (образование корочки) и который подает ее в охлаждающий шкаф 47. На узкий охлаждающий транспортер и в шкаф вентилятором по воздуховодам непрерывно подается охлаждающий воздух температурой 8... 10 °C. На охлаждающем транспортере и в шкафу карамельная цепочка разбивается на отдельные изделия.и охлаждается до температуры 40...45 °C. Продолжительность охлаждения около 4 мин. Охлажденная карамель из шкафа поступает на распределительный конвейер 48, вдоль которого установлены карамелезаверточные автоматы 49. Под распределительным конвейером расположен ленточный конвейер 50 для сбора завернутой продукции. Карамель, двигаясь по распределительному конвейеру, подается по наклонным желобам с регулируемыми затворами в автоматические питатели заверточных автоматов. Завернутая карамель промежуточным транспортером 57 или по спуску поступает на весы 52, взвешивается и упаковывается в картонные ящики 53, которые затем закрывают и оклеивают бандеролью на машине 54.
Начинку для карамели готовят следующим образом. Из резервуара 4 пульпа насосом 5 поступает в десульфитатор 6. Здесь она размешивается и пропаривается, из нее удаляется оксид серы (IV). Затем пульпа направляется в измельчитель 7, а оттуда насосом 8 в протирочную машину 9.
Протертая плодовая мякоть (пюре) насосом 10 подается в сборник-накопитель 11, который для предотвращения расслаивания пюре снабжен лопастным валом. Из сборника 11 пюре перекачивается насосом 12 в смеситель 13. В этот же смеситель насосом 33 подается сироп из сборника 32. Полученная рецептурная смесь с содержанием влаги 42 % насосом-дозатором 14 подается в змеевиковый варочный аппарат 75, где уваривается до содержания влаги 16...30 %. Вторичный пар из пароотделителя 16 колонки отсасывается вентилятором, а при уваривании под вакуумом поступает в конденсатор. Из пароотделителя начинка стекает в сборник 17, где смешивается с эссенцией и охлаждается до температуры, которая примерно на 10 °C ниже температуры карамельной массы в карамелеобкаточной машине.
После охлаждения начинка насосом 18 перекачивается в промежуточный сборник 19, откуда порциями подается по мере необходимости в расходный сборник 20. Насос-дозатор 21 соединен с темперирующим сборником 20 трубопроводом, по которому перемещается начинка. Трубопровод проходит над несколькими обкаточными машинами, и через отводные патрубки начинка подается в начинконаполнитель.
Приготовление сиропа. Карамельные сиропы представляют собой сахаропаточные или сахароинвертные растворы с содержа
384
нием влаги не выше 16 % и редуцирующих сахаров не более 14 %. Патока или инвертный сироп вводится в сахарный сироп в качестве антикристаллизаторов, так как при уваривании из образующегося раствора выделяются кристаллы сахара. Введение патоки или инвертного сиропа приводит к снижению растворимости сахарозы с одновременным увеличением общего суммарного количества растворенных сахаров, что позволяет уварить такую смесь до содержания влаги 1...3 % без кристаллизации. Кроме того, содержащиеся в патоке декстрины значительно повышают вязкость раствора, что также замедляет процесс кристаллизации.
Приготовление карамельных сиропов производится периодическим или поточно-механизированным способом. Наибольшее распространение получил поточно-механизированный способ приготовления карамельного сиропа под давлением, который сокращает продолжительность процесса растворения. Сироп этим способом получают на универсальной сироповарочной станции (рис. 79) следующим образом. В смеситель 5, снабженный паровой рубашкой, непрерывно подают из бункера 3 шнеком-дозатором 4 сахар-песок, из сборника 7 насосом 2 патоку и воду (на
Рис. 79. Ап паратурно-технологическая схема универсальной сироповарочной станции
385
100 кг сахара вводят 50 кг патоки и 15,8 кг воды), смесь перемешивают, нагревают до 65...70 °C и в виде кашицеобразной массы, состоящей из кристаллов сахара и водо-паточного раствора, закачивают плунжерным насосом 6 в змеевиковую варочную колонку 7. Змеевик колонки обогревается паром под давлением 450...550 кПа, что обеспечивает нагрев сиропа до кипения. Внутри змеевика давление колеблется в пределах 80... 150 кПа, что соответствует температуре сиропа на выходе из него 125... 140 °C. Готовый сироп проходит через фильтр 8 в сборник 9, откуда насосом 10 подается на дальнейшее уваривание. Цикл приготовления сиропа длится 5 мин. Продолжительность уваривания сиропа в змеевике 1,5 мин. Производительность агрегата 4 т/ч.
Приготовление карамельной массы. Карамельная масса — это аморфная масса, полученная увариванием карамельного сиропа до содержания сухих веществ 96...99 %.
Для получения карамельной массы используют в основном змеевиковые вакуум-аппараты с отдельной вакуум-камерой (рис. 80). Такой аппарат состоит из двух частей: греющей (варочная колонка) и выпарной (вакуум-камера). Карамельный сироп насосом непрерывно закачивается снизу вверх в змеевик 2 варочной колонки 1, омываемой греющим паром давлением 500...600 кПа. Кипящий сироп вместе с вторичным паром непрерывно поступает по трубопроводу 3 в верхнюю часть вакуум-камеры 5, в которой с помощью мокровоздушного насоса создается разрежение с остаточным давлением 8... 15 кПа, что обеспечивает интенсивность кипения сиропа. Уваренная масса стекает в нижнюю камеру 7, закрытую клапаном 6 и обогреваемую с помощью змеевика. По мере накопления готовую массу выгружают из аппарата через клапан 4. Конусная часть камеры 7 соединена с разгрузочной камерой 8. Приемник 9, снабженный паровой рубашкой 10, служит для накопления карамельной массы. При использовании вакуума в процессе варки карамельной массы значительно снижается температура массы, что позволяет уменьшить разложение сахаров в карамельном сиропе. Температура карамельной массы при выходе из вакуум-аппарата составляет 106...125 °C для сахаро-паточного сиропа и 115—135 °C для сахаро-инвертного сиропа.
В последнее время для получения карамельной массы используют варочные аппараты пленочного типа, что позволяет существенно сократить продолжительность уваривания. Пленочный аппарат представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд с вращающимся внутри ротором, на лопасти которого насосом подается карамельный сироп. Он равномерно распределяется по греющей внутренней поверхности аппарата и образует пленку толщиной до 1 мм, уваривается и стекает из аппарата. Продолжительность уваривания составляет 15...20 с.
Приготовление начинок. Начинки, используемые в карамель-
386
Рис. 80. Схема змеевикового вакуум-аппарата
ном производстве, должны удовлетворять следующим требованиям: не должны портиться при хранении, поэтому содержание сахара в них должно быть не ниже 70 %; для предотвращения кристаллизации сахарозы в начинку следует вводить антикристаллизаторы (патоку или инвертный сироп). Начинки не должны включать скоропортящихся, способных к быстрому прогорканию жиров, взаимодействовать с карамельной массой и растворять ее. Консистенция начинки должна быть достаточной вязкости.
Фруктово-ягодные начинки получают увариванием плодовой мякоти с сахаром и патокой. Процесс получения начинки включает подготовку сырья, дозирование, смешивание основных компонентов и их уваривание. Подготовка фруктово-ягодного сырья заключается в десульфитации (шпарке) заготовок паром с целью удаления сернистого газа (консерванта) с последующей протиркой массы на протирочных машинах для отделения плодовой
387
мякоти. Протертое сырье смешивают с сиропом, полученным растворением санитарно-доброкачественных отходов производства, а затем уваривают в змеевиковых варочных колонках или аппаратах периодического действия. Содержание сухих веществ в начинке 81...84 %.
Ликерные начинки получают путем уваривания сахаро-паточного сиропа до 84...87 % сухих веществ с введением в охлажденную до 70 °C массу смеси, содержащей алкоголь или алкогольные напитки, кислоту, эссенцию, краску и др.
Помадная начинка представляет собой мелкокристаллическую массу, находящуюся в насыщенном сахаро-паточном сиропе. Ее получают путем сбивания с одновременным охлаждением сахаро-паточного сиропа, содержащего не более 30 % патоки к массе сахара в сиропе. Содержание сухих веществ в начинке не менее 90 %.
Масляно-сахарные (прохладительные) начинки получают путем смешивания сахарной пудры с кокосовым маслом и кристаллической глюкозой. Замена части сахара глюкозой увеличивает «охлаходающий» вкус. Содержание сухих веществ в начинке не менее 96,5 %.
Шоколадно-ореховая начинка представляет собой массу, полученную смешиванием растертых ореховых ядер, какао тертого, кокосового или какао-масла и сахарной пудры. Содержание-сухих веществ не менее 97,5 %.
Обработка карамельной массы и формование карамели. Перед формованием карамельную массу подвергают охлаждению с одновременным окрашиванием, ароматизацией и подкислением, с последующей проминкой или вытягиванием массы.
Выходящая из змеевиковой варочной колонки карамельная масса подается на охлаждающую машину, где быстро охлаждается до температуры 80...90 °C, при которой приобретает пластичные свойства. В процессе охлаждения в карамельную массу вводят пищевую кислоту, эссенцию и раствор красителя. Продолжительность обработки карамельной массы на охлаждающей машине составляет 20...25 с. Для получения прозрачной карамели карамельную массу после охлаждения направляют на проминку в специальные проминальные машины. Цель проминки — равномерное распределение в массе введенных компонентов, а также удаление крупных воздушных пузырьков. Процесс проминки заключается в многократном перевертывании и разминании карамельного пласта.
При изготовлении карамели с непрозрачной оболочкой карамельную массу после охлаждения подвергают вытягиванию с многократным складыванием на специальных тянульных машинах. Масса насыщается воздухом, теряет прозрачность и приобретает красивый шелковистый блеск. Одновременно в ней распределяются введенные добавки.
388
Подготовленная таким образом масса поступает в карамелеобкаточную машину, состоящую из корытообразного корпуса, внутри которого вращаются шесть рифленых конических веретен. В пой машине карамельной массе придается форма усеченного конуса (батона). Для получения карамели с начинкой на машине устанавливается начинконаполнитель, с помощью которого внутрь карамельного батона непрерывно закачивается начинка. Начинки должны иметь строго определенную температуру, поэтому их предварительно выдерживают в темперирующих машинах и перед перекачиванием в начинконаполнитель вводят ароматизирующие it вкусовые добавки. Заполнение карамельного батона густыми начинками (ореховые, шоколадные) производится при помощи специальных мембранных насосов или шнека. С целью получения карамельного жгута определенного диаметра батон пропускают через жгутовытягиватель, который состоит из трех пар вертикально установленных роликов. Каждая пара роликов образует отверстие, диаметр которого уменьшается по ходу движения жгута. Жгутовы-гягиватель вытягивает карамельный жгут из карамелеобкаточной машины, калибрует жгут до определенного диаметра и подает его в формовочную машину. При прохождении через эти машины температура карамельной массы должна быть 70...80 °C.
Для разделения карамельного жгута на отдельные карамельки и придания им определенной формы применяют различные способы формования карамели, наиболее распространенным из которых является формование на цепных машинах. У этих машин рабочим органом служат цепи с укрепленными на них специальными ножами. Цепи могут быть режущими—для формования карамели типа подушечка и штампующими — для формования карамели разнообразной формы с рельефным рисунком на поверхности.
Цепная карамелережущая машина состоит из двух цепей с ножами. Кромки ножей верхней и нижней цепей совпадают, а зазор между цепями имеет форму клина, что обусловливает постепенное разрезание карамельного жгута.
На карамелештампующих машинах в верхней цепи смонтированы пуансоны, придающие карамели определенные форму и рисунок.
После формования на этих машинах образуются цепочки карамелек, соединенных перемычками.
Затем карамель охлаждается с целью перевода ее из пластического состояния в твердое. За всеми формующими машинами следуют охлаждающие устройства, обеспечивающие снижение температуры карамели до 35...45 °C. В настоящее время для окончательного охлаждения карамели используется специальный аппарат АОК, в котором отвод теплоты осуществляется радиационно-конвективным способом, что позволяет значительно сократить время охлаждения. Воздух для конвективного охлажде
'389
ния подается сверху вниз через сопловые насадки, обдувает карамель и направляется на повторное охлаждение. Радиационный отвод теплоты проводится с помощью охлаждающих поверхностей, расположенных в 20... 100 мм от карамели.
Для защиты поверхности карамели от увлажнения вследствие ее гигроскопичности карамель завертывают или фасуют в герметичную тару. Для защиты поверхности карамель обрабатывают различными способами: глянцеванием (покрытие слоем воскожировой смеси) или дражированием (нанесение слоя сахарной пудры с последующим покрытием слоем жировой смеси, обсыпкой сахаром-песком и др.).
Карамель завертывают на быстроходных автоматах и полуавтоматах различной конструкции.
Завернутую карамель и карамель с защитной обработкой поверхности, расфасованную в мелкую тару, упаковывают в ящики деревянные или из гофрированного картона. Карамель следует хранить в чистых, сухих, хорошо проветриваемых складах при температуре не выше 18 °C без резких колебаний, при относительной влажности воздуха не более 75 %.
Из доброкачественных отходов карамельного производства изготавливают сиропы, используемые при приготовлении отдельных видов начинок. Карамельная крошка от разрушенных перемычек, которая образуется в охлаждающих агрегатах, используется для приготовления инвертного сиропа.
ТЕХНОЛОГИЯ ШОКОЛАДА
Шоколадные изделия вырабатывают из сахара и какаопродук-тов — какао тертого и какао-масла. Какаопродукты получают из какао-бобов на специализированных фабриках и в цехах. В шоколад могут входить различные добавки: сухие молоко и сливки, дробленый и тертый обжаренный орех и др. В зависимости от рецептуры и способа обработки шоколад подразделяют на следующие виды: обыкновенный без добавок и с добавками, десертный без добавок и с добавками, пористый и с начинкой. В качестве начинок используют различные конфетные массы: ореховую, фруктовую, помадную и др. Промышленность выпускает также шоколад специального назначения (диабетический) и с добавками витаминов, ореха кола, оказывающих тонизирующее действие на организм человека. Кроме того, выпускают шоколадную глазурь (полуфабрикат для производства конфет) и какао-порошок, который получают из частично обезжиренной растертой массы ядер какао-бобов.
Основным сырьем для производства шоколада являются какао-бобы — семена плодов дерева какао, произрастающего в тропических областях Африки, Америки и на некоторых островах Индийского и Тихого океанов. Товарные какао-бобы — это
390
юрна массой 1...2 г, состоящие из оболочки (какаовеллы), ядра и зародыша. Какаовелла состоит из клетчатки и не представляет пищевой ценности. Какао-бобы имеют сложный химический состав (%): влаги 6, жира (какао-масла) 48, белковых веществ 12, теобромина и кофеина 1,8, крахмала 5, глюкозы 1, дубильных веществ 6, пектина 2, клетчатки 11 (в основном в оболочке), кислот 2, минеральных веществ 3,2, красящих веществ 2 и др.
Технологическая схема производства шоколада (рис. 81) состоит из следующих основных операций: первичной переработки какао-бобов, получения какао тертого и какао-масла, получения шоколадных масс, формования шоколада, завертывания и упаковывания. Каждая стадия состоит из нескольких операций.
Первичная обработка какао-бобов. Какао-бобы, поступающие на переработку, вследствие неоднородности по размерам, форме, качеству и содержанию различных примесей подвергаются сортированию и очистке от посторонних примесей на очистительносортировочных машинах различной конструкции. Очистку и сортирование какао-бобов по размерам осуществляют на сепарационной машине (рис. 82) следующим образом. Из загрузочного бункера / какао-бобы норией 2 подаются к щеткам 4, очищающим поверхность какао-бобов. Очищенные какао-бобы направляются в сепарационный канал 3, в котором вентилятором 11 создается воздушный поток, скорость которого регулируется задвижкой 6. Тяжелые примеси (камни, частицы металла и др.) собираются в приемнике 21, а какао-бобы, увлекаемые воздушным потоком, попадают в расширительную камеру 7, где скорость воздуха снижается и крупные и нормальные какао-бобы поступают на верхний ярус ситовой рамы 9. Неполноценные какао-бобы уносятся в конусные приемники 5 и выводятся оттуда шнеками в приемники /7 и 20. Более мелкие частицы (пыль, волокна и т. д.), минуя приемники 5, вместе с воздухом поступают в циклон 12, отделяются от воздуха и направляются в сборник 13. Верхний ярус ситовой рамы 9 состоит из сит с размерами отверстий 2 и 6 мм. Кусочки какао-бобов в виде мели и лома проходят сквозь сита и через приемники 5 и 10 выводятся из машины. На нижнем ярусе ситовой рамы 14, состоящей из сит с ячейками 11 и 16 мм, получают две фракции какао-бобов (нормальные и крупные), которые собираются в приемниках 16 и 19, а затем проходят через магниты 18. В приемник 22 попадает все, что не проходит через сита (сдвоенные какао-бобы и крупные легкие частицы). Щетки 13 служат для очистки сит. Отсортированные по размеру и очищенные какао-бобы хранят в отдельных бункерах. Сортирование и очистку какао-бобов проводят в отдельных, изолированных от основного производства помещениях. Подготовленные таким образом какао-бобы поступают затем на термическую обработку, целью которой являются удаление влаги, улучшение вкусовых свойств и уничтожение микрофлоры. От правильного проведения
391
Какао-бобы
Рис. 81. Принципиальная технологическая схема получения:
1 — какао тертого; II— какао-порошка; Ш— шоколадной массы; IV— десертного шоколада; V— шоколадной глазури
В камеру для очистки воздуха от пыли
мешки
Сдвоенные какао-бобы
Унос из расширительной камеры	Мель
расширительной камеры
Лом
Отсортированные какао-бобы крупные нормальные
Рис. 82. Схема сепарационной машины
термической обработки какао-бобов зависит в значительной степени качество шоколада и какао-порошка. При термической обработке происходит ряд физико-химических изменений: повышается содержание сухих веществ с 92...94 до 97...98 %; какаовелла приобретает хрупкость, легко отделяется от ядра, которое также становится более хрупким и легче дробится; происходит стерилизация какао-бобов; значительно улучшаются вкусовые и ароматические свойства за счет уменьшения содержания растворимых дубильных веществ, удаления части летучих кислот, образования веществ со специфическим ароматом. Режим термической обработки какао-бобов зависит от размера последних, поэтому большое значение имеет тщательность проведения сортирования какао-бобов.
Термическую обработку какао-бобов проводят на аппаратах периодического или непрерывного действия. Наиболее равномерно этот процесс осуществляется в аппаратах непрерывного действий, в которых какао-бобы обрабатываются в токе горячего воздуха в вертикальной шахте, в нижнем отделении которой происходит охлаждение какао-бобов. При термической обработке температура какао-бобов не должна превышать 120 °C.
393
Получение какао тертого. Эта технологическая стадия включает в себя дробление какао- бобов, сортирование полученной какао-крупки, измельчение какао-крупки, темперирование и хранение какао тертого. Цель проведения дробления какао-бобов — отделение какаовеллы и ростка от ядра, так как они ухудшают вкус и пищевую ценность шоколада. При дроблении какао-бобов ядро превращается в какао-крупку, из которой какаовеллу отделяют отвеиванием, а росток — на триерах. Эти операции осуществляют на специальных дробильно-сортировочных машинах, в функции которых входит также разделение какао-крупки на несколько фракций размером от 8,0 до 0,75 мм. Крупные фракции крупки используют для получения плиточного шоколада и какао-порошка, а мелкие — для приготовления начинок, конфетных масс и шоколадной глазури. Выход какао-крупки должен составлять 81...83 % от массы сырых какао-бобов.
В результате измельчения какао-крупки до частиц размером не более 30 мкм образуется продукт, который называется какао тертым. При измельчении разрушаются клеточные стенки, происходит освобождение какао-масла и образуется суспензия, где жидкой фазой является какао-масло, а твердой — частицы клеточных стенок какао-бобов. При размоле температура массы увеличивается и значительно превышает температуру плавления какао-масла, поэтому какао тертое представляет собой густую сметанообразную жидкость.
Какао тертое получают на машинах различных конструкций: ударно-штифтовых, валковых и шариковых мельницах. На ударно-штифтовых мельницах, имеющих большую производительность, получают какао тертое более высокой степени измельчения, с лучшими вкусовыми качествами, так как процесс ведется с продувкой измельчаемой массы воздухом, который уносит часть летучих кислот и влаги. Валковые и комбинированные мельницы используются не только для получения какао тертого, но и для измельчения ядер орехов. Шариковые мельницы используют в целях получения какао тертого более высокого качества. На этих мельницах какао тертое дополнительно измельчают и гомогенизируют. Полученное какао тертое для предотвращения расслаивания (на жидкую и твердую фазы) подвергают темперированию (процесс непрерывного перемешивания при определенной температуре). Темперирование осуществляется в специальных сборниках вместимостью 2...10 т, снабженных мешалками и обогревом, обеспечивающим температуру 85...90 °C. Содержание влаги в готовом какао тертом должно быть не выше 3 %, а твердых частиц размером менее 30 мкм — не менее 90 %.
Какао тертое используется затем для приготовления шоколадной массы и для получения какао-масла, которое является вторым основным компонентом производства шоколада. Какао-масло получают прессованием какао тертого на гидравлических
394
прессах различной конструкции. Прессование осуществляется при температуре какао тертого около 100 °C и давлении 15...55 мПа, при этом отжимается 44...47 % масла от массы какао । ертого. Образующаяся после отжатия твердая масса, содержащая 9...14 % какао-масла, называется какао-жмыхом, который служит полуфабрикатом для производства какао-порошка. Полученное при прессовании какао-масло перекачивается в большие емкости < обогревом и хранится в них при температуре 50...60 °C.
Получение шоколадной массы. Шоколадная масса представляет собой тонкодисперсную смесь сахарной пудры, какао тертого, какао-масла и добавок. Процесс приготовления обыкновенных шоколадных масс состоит из следующих операций: смешивания компонентов, измельчения, разводки и гомогенизации. Для десертных сортов шоколадную массу дополнительно обрабатывают (коншируют) на специальном оборудовании — коншмашинах.
Соотношение компонентов рецептуры шоколадных масс может колебаться в больших пределах, однако содержание жира должно быть неизменным (32...36 %), что необходимо для обеспечения нормальной текучести массы при формовании. Жир вводится в массу как составная часть какао тертого и в виде какао-масла. Поэтому при увеличении доли какао тертого, вводимого в шоколадную массу, снижают количество вносимого какао-масла и наоборот. Количество сахара в шоколадной массе регламентируется стандартом. Вкус шоколадной массы в значительной степени определяется соотношением между какао тертым и сахаром. Для характеристики сладости шоколадных масс используется коэффициент сладости (77с), определяемый отношением массы вводимого сахара к массе какао тертого. В зависимости от этого коэффициента шоколад подразделяют на пять групп: очень сладкий — Пс>2; сладкий — Лс=1,6...2,0; полусладкий — 77с=1,4...1,6; полугорький — 77с=1,0...1,2; горький — Пс< 1,0. При приготовлении шоколадных масс используют сахарную пудру.
Шоколадные массы получают периодическим и непрерывным способами. При периодическом способе смешивание осуществляется в месильных машинах (микс) или меланжерах. Исходные компоненты (какао тертое, сахарная пудра, добавки и какао-масло) загружают в определенной последовательности. Какао-масла вводят столько, чтобы содержание его в массе находилось на уровне 26...29 %. Оставшуюся часть какао-масла вводят на стадии разводки. Смешивание осуществляют при температуре 40...45 °C в течение 15...30 мин.
После смешивания масса имеет грубый вкус из-за большого числа крупных частиц введенных компонентов, поэтому массу подвергают измельчению путем растирания и раздавливания частиц твердой фазы до частиц необходимого размера. Для этой цели используют пятивалковые мельницы. Основными рабочими органами ее являются пять пустотелых отшлифованных валков
395
Рис. 83. Основные узлы пятивалковой мельницы
(рис. 83), внутри которых циркулирует вода для охлаждения. Расстояние между валками может регулироваться.
Измельчаемая масса перемещается с одной пары валков на другую снизу вверх за счет уменьшения зазора между валками и возрастания частоты вращения валков от нижнего к верхнему от 20 до 300 мин-1. В процессе вальцевания шоколадная масса из пластичной превращается в сыпучую, порошкообразную, что связано со значительным уве
личением поверхности частиц за счет измельчения и относительного уменьшения количества жира, приходящегося на единицу поверхности.
При введении в провальцованную порошкообразную шоколадную массу оставшегося какао-масла масса приобретает жидкую консистенцию. Эта операция называется разводкой. Ее проводят в машинах различной конструкции — миксах, меланжерах и др. Процесс ведут при 60...70 °C для шоколадных масс без добавок и при 45...55 °C при обработке шоколадной массы, содержащей добавки. Продолжительность этой операции около 3 ч. Затем в массу добавляют соевый фосфатидный концентрат (разжижитель), который, являясь поверхностно-активным веществом, способствует снижению вязкости шоколадной массы. Далее в целях получения более однородной массы ее подвергают гомогенизации, которая заключается в непрерывной обработке шоколадной массы в коншмашинах, эмульгаторах или меланжерах, что приводит к равномерному распределению твердых частиц в какао-масле и снижению вязкости массы.
На кондитерских фабриках процесс получения шоколадных масс, включая вальцевание и разводку, проводят на поточно-механизированных линиях. В состав линии входит автоматическая рецептурно-смесительная станция, дозирующая все компоненты шоколадной массы, как жидкие, так и сыпучие, и осуществляющая измельчение сахара-песка до сахарной пудры и перемешивание компонентов массы. Вальцевание массы проводят на пятивалковых мельницах, число которых определяется производительностью линии. Провальцованная масса с верхних валков пятивалковых мельниц ссыпается на приемный транспортер и подается для разводки и гомогенизации в ротационные коншмашины.
Шоколадная масса для десертных сортов шоколада подвергается длительному механическому и тепловому воздействию — коишированию в течение 24...72 ч при температуре 55...60 °C (для шоколадных масс без добавок), в результате чего в ней происходят физико-химические процессы, приводящие к значительному улучшению вкусовых и ароматических качеств шоко-
396
иадной массы. На ход этих процессов благоприятно влияет воздействие воздуха (аэрация), которому подвергается шоколадная масса при коншировании. Этот процесс также приводит к снижению влажности и вязкости шоколадной массы, она становится более однородной. Снижаются дисперсность массы, содержание летучих кислот, происходит окисление дубильных веществ, что способствует улучшению вкуса и аромата.
Процесс конширования осуществляется в коншмашинах двух чипов: горизонтальных и ротационных. Наибольшее распространение в последние годы получили ротационные коншмашины различной конструкции.
Формование шоколадных масс. Формование шоколада проводят путем отливки шоколадной массы в формы. При охлаждении происходит кристаллизация какао-масла и шоколад приобретает твердую структуру. Какао-масло при охлаждении может кристаллизоваться в четырех различных формах, обладающих разными физическими свойствами, при этом может происходить переход из одной формы в другую. Это свойство какао-масла может затруднить извлечение шоколада из форм и привести к образованию на поверхности шоколада серого налета (жировое «поседение»), Для исключения этих явлений перед формованием шоколадную массу подвергают темперированию, в результате которого в ней создаются центры кристаллизации устойчивой формы какао-масла. С этой целью шоколадную массу перед формованием перемешивают в строго определенном температурном режиме: быстро охлаждают до 33 °C, а затем медленно охлаждают до 30±1 °C, тщательно перемешивая. В настоящее время для такой обработки используют специальные автоматические температурные машины непрерывного действия производительностью от 300 до 3000 кг шоколадной массы в час.
Шоколад формуют методом отливки в металлические формы на автоматах различной конструкции. Формование на таких автоматах осуществляется по следующей схеме: отливочные механизмы непрерывно дозируют оттемперированную и отфильтрованную шоколадную массу в металлические формы, закрепленные на движущемся цепном транспортере, затем формы обрабатывают на вибротранспортере, что обеспечивает равномерное заполнение формы шоколадной массой и удаление воздуха. Далее формы поступают в охлаждающий шкаф, который имеет две зоны охлаждения: первая с температурой около 8 °C и вторая с температурой 15... 16 °C. В охлаждающем шкафу формы находятся в течение 20...25 мин. В этот период идет кристаллизация какао-масла и переход шоколада в твердое состояние, что сопровождается некоторым уменьшением объема шоколада, вследствие чего он хорошо извлекается из форм. При выходе форм из охлаждающего шкафа они перевертываются и шоколад поступает на пластинчатый транспортер и направляется на завертывание, а пустые
397
формы вновь переворачиваются, поступают на подогрев и последующее заполнение.
Для изготовления пористого шоколада используют десертные шоколадные массы, обработанные в вакууме при небольшом охлаждении, в результате чего мельчайшие пузырьки воздуха, находящиеся в шоколадной массе, расширяются и образуется характерная пористая структура.
Для получения шоколада с начинкой используют автоматы более сложной конструкции, осуществляющие следующие операции: после заполнения форм шоколадной массой и обработки их на вибротранспортере удаляются излишки шоколада путем опрокидывания форм. Затем формы возвращаются в первоначальное положение, охлаждаются, заполняются начинкой, проходят через охлаждающий шкаф для охлаждения начинки и вновь поступают под отливочный механизм, заполняющий форму шоколадной массой для образования донышка. Далее формы вновь проходят вибротранспортер, охлаждающий шкаф, только после этого шоколад извлекается из форм и направляется на завертывание.
Для предохранения шоколада от влияния внешней среды, удлинения сроков хранения и придания ему привлекательного внешнего вида шоколад завертывают в алюминиевую фольгу и художественную этикетку на машинах различных конструкций. Завернутые плитки шоколада упаковывают в картонные футляры, а затем в ящики из гофрированного картона, фанеры или дощатые.
Хранят шоколад в сухих, чистых, хорошо вентилируемых помещениях при температуре 18+3 °C и относительной влажности воздуха не выше 75 %. При соблюдении этих условий срок хранения шоколада без добавок составляет 6 мес, шоколада с добавками и с начинкой — 3 мес, считая со дня выработки.
ТЕХНОЛОГИЯ КАКАО-ПОРОШКА
Какао-порошок вырабатывают из какао-жмыха путем его измельчения. Какао-жмых, образующийся в результате прессования какао тертого, имеет вид дисков, которые предварительно дробят в специальных жмыходробилках на куски размером около 25 мм, охлаждают до температуры 35...40 °C и подают на какао-размольные агрегаты различной конструкции, отличающиеся системой разделения какао-порошка по размерам частиц. Для этого применяют системы с механическим (просеиванием) и воздушным сепарированием. Наиболее совершенными являются какаоразмольные агрегаты с воздушным сепарированием. Принцип работы такого агрегата заключается в следующем: кусочки какао-жмьгха, пройдя измельчающий механизм, увлекаются потоком воздуха в охладитель, откуда охлажденный какао-порошок потоком воздуха подается в воздушный сепаратор, в котором крупные частицы отделяются от мелких и направляются на по
398
вторное измельчение, а мелкие частицы выводятся из сепаратора и поступают к фасовочным агрегатам.
Содержание влаги в какао-порошке 5 %. Содержание крупных частиц, не прошедших через шелковое сито № 38, не должно превышать 1,5 %. Какао-порошок фасуют в банки или пачки по 50 и 100 г и хранят в сухих, чистых, хорошо проветриваемых складах при температуре не выше 18 °C и относительной влажности воздуха не выше 75 %. Гарантийный срок хранения при этих условиях от 3 мес до 1 года в зависимости от вида тары.
ТЕХНОЛОГИЯ КОНФЕТ
Конфетами называют кондитерские изделия, получаемые из одной или нескольких конфетных масс, имеющих мягкую консистенцию. Конфеты характеризуются высокой пищевой ценностью, разнообразны по составу, форме, отделке и вкусу. Ассортимент конфет насчитывает более 1000 наименований. В зависимости от способа изготовления и отделки конфеты подразделяют на глазированные, неглазированные и шоколадные. Изделия, поступающие на глазирование после формования, принято называть корпусами конфет, которые готовят из следующих конфетных масс: помадных, пралиновых, сбивных, ликерных, грильяжных, молочных, кремовых, марципановых, фруктовых и др. Корпуса конфет можно изготавливать из одной, двух и более (многослойные) конфетных масс. В качестве корпусов конфет используют также цукаты, сухофрукты, орехи, заспиртованные ягоды, фрукты и т. п.
Большое многообразие конфетных масс, технологических процессов их получения позволяет выделить следующие общие стадии производства конфет: приготовление конфетной массы, формование корпусов, охлаждение (выстойка), глазирование и упаковывание.
Приготовление конфетных масс. Помадные массы. Получают из помады, представляющей собой двухфазную дисперсную систему, которая состоит из кристаллов сахарозы (твердая фаза), равномерно распределенных в насыщенном сахаро-паточном сиропе. В зависимости от рецептуры помаду готовят на основе сахаро-паточного сиропа (сахарная помада) и на основе молочного сахаро-паточного сиропа (молочная, сливочная помада и крем-брюле). Помадную конфетную массу готовят путем введения в помаду вкусовых и ароматизирующих веществ. К сахарной помаде добавляют фруктово-ягодное сырье, какаопродукты и др., а к молочной и к помаде крем-брюле — сливочное масло, тертые орехи, какаопродукты и др. Добавки оказывают влияние на вкусовые качества массы и ее структурные свойства.
Технологическая схема приготовления помадных масс состоит из следующих стадий: приготовления помадного сиропа, получе
399
ния помады и приготовления помадной массы. Основным сырьем для помадного сиропа служат сахар и патока, количество которых в рецептуре зависит от назначения помады и способа формования конфетной массы и составляет от 5 до 25 % к массе сахара.
Помадный сироп получают периодическим или непрерывным способом.
Один из способов получения сиропа осуществляется на универсальной станции непрерывного приготовления конфетных масс (рис. 84), в состав которой входят промежуточные сборники для сырья, насосы-дозаторы, рецептурный смеситель, змеевиковая варочная колонка, помадосбивальная машина. Из промежуточных сборников 1 сырье плунжерными насосами-дозаторами 2 непрерывно подается в рецептурный смеситель 3, в котором при нагревании образуется жидкая рецептурная смесь с содержанием влаги 16... 18 %, подаваемая затем насосом 4 в одно- или двухзмеевиковые варочные колонки 5, соединенные в линию с помадосбивальными машинами. Образующийся при уваривании вторичный пар проходит через пароотделители 6 и 8. Уваренный до содержания влаги 10... 14 % помадный сироп поступает в помадосбивальную машину 7, где сироп непрерывно охлаждается, сбивается и в виде помадной массы направляется в промежуточную емкость 12. В темперирующей машине 10 осуществляется получение рецептурной смеси конфетной массы. Насосы 9 и 11 служат для перекачивания конфетных масс.
При охлаждении помадного сиропа сначала образуется насыщенный, а затем пересыщенный сироп. Степень пересыщения зависит от температуры сиропа: чем ниже температура, тем выше степень пересыщения и тем больше образуется центров кристаллизации, тем меньше размер кристаллов сахарозы. Поэтому температуру помады при сбивании определяют йо крупноте кристаллов сахарозы, которая не должна превышать 20 мкм. Кроме того, на качество помады влияет соотношение в ней твердой и жидкой фаз, зависящее от содержания влаги и редуцирующих веществ в сиропе, соотношения патоки и сахара в рецептуре. Качество помады зависит также от интенсивности сбивания. С возрастанием интенсивности сбивания помада получается с большим содержанием мелких кристаллов.
Для получения высококачественной помады используют вертикальный агрегат пленочного типа, который входит в состав станции ШПА. Станция (рис. 85) состоит из варочного котла 2, сборника для сиропа 1 с фильтрующей сеткой, змеевикового подогревателя 4, насоса 3 и пленочного аппарата 5.
Приготовленный сироп, уваренный до содержания влаги 12... 14 %, поступает в верхнюю часть пленочного аппарата, который представляет собой вертикальный стальной цилиндр с двойными стенками, между которыми циркулирует холодная вода. Внутри цилиндра вращается вал со скребками, равномерно рас-
400
2
5	12	11 10	9
Рис. 84. Универсальная станция непрерывного приготовления конфетных масс
пределяющими по поверхности цилиндра сироп. Охлаждение сиропа в тонком слое и его интенсивное перемешивание вызывают процесс кристаллизации, который способствует образованию помады с мелкокристаллической структурой.
В последние годы наибольшее распространение получил «холодный» способ приготовления помадных конфетных масс, в основу которого положен процесс перемешивания мелкокристаллической сахарной пудры с водой, патокой, инвертным сиропом и вкусовыми добавками при комнатной температуре. Приготовление помады проводят без уваривания, охлаждения и сбивания. Помада, полученная «холодным» способом, обладает высокой пластичностью, и ее формуют выпрессовыванием с последующей резкой и глазированием.
401
Рис. 85. Схема помадоварочной станции ШПА
Далее в помадную конфетную массу вносят добавки и подвергают темперированию, которое осуществляют в темперирующих машинах. Готовую помадную массу при температуре, соответствующей определенному способу формования, подают в формующую машину.
Пралиновые и марципановые массы. Пралиновые конфетные массы получают из обжаренных ядер орехов и маслосодержащих семян, марципановые — из сырых или подсушенных ядер орехов. Ассортимент конфет из этих масс весьма разнообразен. Из пралиновых масс готовят конфеты «Белочка», «Ну-ка, отними!», «Маска», «Мишка на севере» и др. Эти конфетные массы отличаются высокой пищевой ценностью, обусловленной большим содержанием жира, белков и углеводов. В большинство рецептур этих масс на 1 часть тертого ореха вводят 1 или 2 части сахара. В эти массы вводят также 10...20 % твердых жиров: какао-масло, сливочное масло и кондитерский жир. Жир орехов придает массе пластичность, а вводимые твердые жиры придают готовым изделиям необходимую прочность.
Приготовление пралиновых масс состоит из следующих операций: очистки ореховых ядер, обжарки, растирания их, смеши
402
вания с сахаром и другими компонентами рецептуры, измельчения, разводки и отминки массы.
Очищенные и пропущенные через магнитное устройство орехи подают на обжарку, в процессе которой снижается содержание влаги, изменяется цвет и формируется аромат. Обжарка осуществляется непрерывным или периодическим способом. При изготовлении некоторых пралиновых масс применяется обжарка орехов с сахаром, в результате чего масса приобретает специфические вкус и аромат.
Обжаренные орехи измельчают на трех- и восьмивалковых мельницах или в меланжерах. При измельчении орехов происходят разрыв клеточных тканей и освобождение жира. Растертые орехи собираются в промежуточный сборник, откуда направляются на приготовление рецептурной смеси. Приготовление рецептурной смеси, измельчение массы, ее разводку и отминку проводят как периодическим, так и непрерывным способом. При периодическом способе приготовление рецептурной массы, разводку и отминку осуществляют в меланжерах, а измельчение — на пятивалковых мельницах. Цель разводки и отминки — придание массе пластичности, что достигается вымешиванием порошкообразной массы с оставшейся частью предусмотренного рецептурой жира. В конце вымешивания в массу вводят ароматические и вкусовые добавки и направляют на формование.
Получение пралиновых масс непрерывным способом осуществляют на поточно-механизированной линии приготовления шоколадных масс.
Особенность приготовления марципановых масс — это использование сырых (необжаренных) ядер, чаще всего миндаля. Процесс получения марципановой массы состоит из следующих операций: шпарки миндаля, очистки от кожицы, подсушки и растирания, смешивания с сахарной пудрой и другим сырьем, формования. В связи с тем что сырой марципан не проходит стадию термической обработки, марципановые массы имеют ограниченный срок хранения.
Сбивные массы. Сбивные массы получают сбиванием пенообразователей с агаро-сахаро-паточным сиропом с добавлением в пенообразную массу вкусовых и ароматических веществ. Различают легкие сбивные массы типа «Суфле», «Птичье молоко» и тяжелые — типа «Нуга», «Зоологические».
При образовании пены происходит увеличение поверхности раздела между жидкой и газообразной фазами, что влечет за собой возрастание силы поверхностного натяжения. Под действием этой силы воздушные пузырьки сливаются и, прорывая пленку жидкости, выходят наружу — происходит опадение пены. Для повышения устойчивости пены используют поверхностноактивные вещества, которые снижают поверхностное натяжение. В кондитерской промышленности в качестве пенообразователя применяют яичный белок. При интенсивном перемешивании
403
сиропа яичный белок адсорбируется в поверхностном слое и образует прочную пленку вокруг воздушных пузырьков. Для повышения прочности образовавшейся пены в массу вводят раствор агара, • который при застудневании фиксирует структуру массы. Качество сбивных масс зависит также от способа их получения, температуры, pH и других факторов.
Существует два способа получения пенообразной структуры: интенсивное перемешивание сиропа, при котором происходят захват воздуха и его распределение по всему объему, или пропускание воздуха под давлением через сироп. В первом случае сбивание осуществляют в сбивальных машинах путем интенсивного механического перемешивания в течение 35...45 мин, во втором — сбивание производят под давлением на непрерывнодействующей установке. В этом случае длительность сбивания составляет 2...4 мин.
Для получения сбивных масс легкого типа готовят сахаро-паточно-агаровый сироп, который затем подвергают сбиванию вместе с яичным белком. В приготовленную таким образом массу вводят вкусовые и ароматические добавки. При изготовлении конфет «Птичье молоко» в сбитую массу постепенно вводят смешанное со сливочным маслом сгущенное молоко.
Процесс получения сбивных масс тяжелого типа состоит из следующих операций: приготовления сахаро-паточного сиропа, сбивания сиропа с белком, смешивания с остальными компонентами рецептуры (сахарная помадная масса, цукаты и др.). При получении масс этого типа агар не используется.
Относительная плотность сбивных масс легкого типа составляет 0,56...0,66, а масс тяжелого типа — 0,8...1,2, так как они удерживают значительно меньше воздуха.
Ликерные массы. Представляют собой насыщенный раствор сахарозы с добавлением молока, фруктовых заготовок, вкусовых и ароматических веществ с обязательным введением в массу алкогольных напитков, спирта, коньяка, ликера и др. Ликерные массы в зависимости от вводимых добавок подразделяют на три группы: винные («Медный всадник» и др.), молочные («Столичные» и др.), фруктовые («Вишневый ликер» и др.). При производстве ликерных масс получают насыщенный раствор сахарозы, чтобы при охлаждении после формования получился пересыщенный раствор и на поверхности изделий образовался тонкий, достаточно прочный слой из кристаллов сахарозы.
Приготовление этих конфет состоит из следующих операций: варки ликерной массы, отливки корпусов в крахмальные формы, выстойки, выборки и очистки корпусов, глазирования, завертывания и упаковывания. Для получения винной ликерной массы готовят сахарный сироп с соотношением воды к сахару 1 : 1 и уваривают его в открытых варочных котлах до температуры 108...112 °C. После охлаждения до температуры 85...90 °C вводят спирт и другие добавки и разливают в крахмальные формы.
404
Фруктовые ликерные массы готовят путем уваривания сахарного сиропа до температуры 116... 120 °C с последующим введением в него фруктово-ягодного пюре и повторного уваривания до 110...112 °C. Затем массу охлаждают до 90...95 °C, вводят спирт, вино, другие добавки и разливают в крахмальные формы.
Молочно-ликерные массы получают увариванием молочно-сахар-ного сиропа с последующим введением патоки. В готовый охлажденный сироп добавляют спирт, коньяк и другое сырье по рецептуре.
После отливки ликерных масс в крахмальные формы поверхность засыпают сверху крахмалом и лотки направляют на выстойку в сушильные камеры, где происходит образование корпусов из сахарной корочки. Пересыщенный сахарный раствор при соприкосновении с крахмалом отдает ему часть влаги, что вызывает кристаллизацию сахара в поверхностных слоях. По мере кристаллизации скорость процесса снижается, но продолжается даже при хранении готовых конфет и может привести к полному засахариванию, поэтому гарантийный срок хранения этих конфет короткий (15...30 дней).
Грильяжные массы. Вырабатывают два типа грильяжных масс: твердые и мягкие. Твердый грильяж («Грильяж в шоколаде») представляет собой массу, полученную плавлением сахара или увариванием сиропа с добавлением дробленых ядер орехов или масличных семян. Мягкий грильяж («Серенада», «Грильяж фруктовый с цукатом») представляет собой фруктовую массу, уваренную с ядрами орехов, масличными семенами или цукатами.
Процесс получения грильяжных масс осуществляется периодическим или непрерывным способом на поточных линиях.
Кремовые массы. Кремы и кремообразные массы — это пенообразные массы, получаемые сбиванием шоколадно-ореховых масс с жирами, молочным сиропом, вкусовыми и ароматическими добавками. При этом масса насыщается воздухом, становится более легкой за счет снижения плотности и нежнее на вкус. Из кремовых конфетных масс получают такие конфеты, как «Трюфели», «Красная Москва», «Космические» и др. Для получения конфет «Трюфели» шоколадную массу после вальцевания перемешивают с какао-маслом, кокосовым или сливочным маслом при температуре 40...45 °C, затем массу фильтруют, темперируют и сбивают. Конфеты «Космические» получают сбиванием молочной шоколадной массы со сгущенным молоком и сахаропаточным сиропом. В конце сбивания вводят спирт и коньяк.
Желейно-фруктовые массы. Имеют студнеобразную структуру. В зависимости от используемого сырья подразделяются на три группы: фруктовые, изготовляемые из фруктово-ягодного пюре; желейно-фруктовые, изготовляемые с добавлением к фруктово-ягодному пюре агара или агароида; желейные, изготовляемые с использованием агара, агароида и крахмала. Из фруктовых масс готовят конфеты «Лето», «Южная ночь» и др.; из желейнофруктовых — «Огонек» и др.; из желейных — «Желейные» и др.
405
Желейные конфетные массы получают по следующей схеме: составление рецептурной смеси, уваривание массы, получение конфетной массы путем смешивания уваренной массы с вкусовыми и ароматизирующими добавками. Приготовление массы может осуществляться периодическим или непрерывным способом.
Формование корпусов конфет. Формование — это процесс придания конфетам определенного внешнего вида и формы. Формование конфетных масс осуществляется двумя способами: получением конфетного пласта или жгута с последующим резанием его на отдельные изделия и непосредственным получением отдельных изделий. Конфетный пласт формуют методом размазывания или прокаткой; жгут — методом выпрессовывания или прокаткой. Формование по второму способу осуществляется методом отливки или отсадки. Выбор метода определяется физико-химическими (температура, содержание, состав и др.) и структурно-механическими (вязкость, прочность и др.) свойствами конфетных масс.
Самым распространенным в настоящее время методом формования является формование отливкой. Этим методом формуют массы, обладающие при определенных условиях хорошей текучестью: помадные, фруктово-желейные, молочные и ликерные. Этот метод позволяет получать конфеты разной формы, многослойные изделия и конфеты с твердыми добавками (рубленый орех, цукаты и т. п.). Формование этим методом производится в формы, отштампованные в крахмале, который должен удовлетворять следующим требованиям: не должен прилипать к штампу и должен легко удаляться с поверхности конфет, иметь высокую температуру клейстеризации и др. Отштампованные формы выполняют, как правило, с гладкой поверхностью. Таким требованиям удовлетворяет кукурузный и рисовый крахмал. Многократное использование крахмала при отливке требует периодического просеивания, подсушивания до содержания влаги 5...9 % и смешивания со свежим крахмалом таким образом, чтобы содержание сахара в нем не превышало 5 %. Конфетные корпуса формуют отливкой на поточно-механизированных линиях, которые состоят из непрерывнодействующего отливочного агрегата и установки для непрерывной выстойки. В отливочном агрегате осуществляется несколько операций: отливка массы в формы, выборка конфетных корпусов из форм, очистка корпусов от крахмала и его просеивание, заполнение лотков крахмалом, штампование форм, подача лотков с крахмальными формами на отливку, передача лотков на выстойку и их прием после выстойки. В установке для выстойки происходит процесс затвердевания конфетных масс. Длительность выстойки и температурный режим зависят от вида конфетной массы. Процесс отливки и выхода готовых корпусов конфет протекает непрерывно по замкнутому циклу.
Для формования преимущественно сбивных и кремовых конфетных масс применяют метод размазки, так как, несмотря на
406
крупные недостатки, этот способ обеспечивает наибольшую сохранность таких хрупких масс, как пенообразные. Формование размазыванием состоит из следующих стадий: подготовки конфетной массы к формованию, формования массы в пласт, выстойки пластов и резания пластов на отдельные изделия или корпуса.
Процесс осуществляется на размазном конвейере, который представляет собой стол длиной 20...30 м, шириной 0,4...0,6 м и высотой 1,0...1,2 м. На нем проложена движущаяся транспортерная лента, ширина которой несколько меньше ширины стола. На столе над транспортерной лентой устанавливаются специальные формующие каретки без дна, оборудованные подвижными наклонными пластинами, с помощью которых регулируют толщину получаемого пласта. Конфетная масса, находящаяся в каретке, при движении конвейера размазывается в виде пласта. Для охлаждения конфетной массы после каретки над лентой конвейера установлен короб, в который подается охлажденный воздух. Над конвейером может быть установлено несколько кареток, что обеспечивает получение многослойных пластов. В конце конвейера конфетный пласт режется на отдельные корпуса.
Более прогрессивным методом по сравнению с размазкой является формование прокаткой. Этот способ используется для формования корпусов из помадных, грильяжных, ореховых и других масс. Конфетный пласт образуется в результате прохождения массы между вращающимися валками. В зависимости от вида конфетной массы и конструкции машины число валков может колебаться от двух до четырех. Пласт, отформованный валками, поступает на охлаждение, а затем на специальные машины, осуществляющие резку.
При формовании методом выпрессовы вания конфетная масса выдавливается в виде жгутов через отверстия в матрицах соответствующего профиля. После охлаждения жгуты разрезаются на отдельные конфеты. Выпрессовывание осуществляется с помощью шнеков, рифлеными или шестеренчатыми валами. Этот метод используется в основном для формования пралиновых и помадных масс. При формовании выпрессовыванием сокращаются возвратные отходы, поверхность изделий получается гладкой. Этим методом можно получать и двухслойные конфеты.
Разновидностью метода выпрессовывания является отсадка, при которой выдавливание массы осуществляется в вертикальной плоскости с одновременным образованием отдельных изделий. Отсадкой формуют кремовые, помадные, сбивные и ореховые массы. В зависимости от формы насадки формующей машины изделия могут иметь гладкую конусообразную форму («Трюфели») и цилиндрическую («Сливочная помадка»).
Глазирование конфет. Для предохранения корпусов конфет от воздействия внешней среды, повышения пищевой ценности, вкуса, для придания красивого внешнего вида готовые конфетные корпуса покрывают тонким слоем различных масс. Этот процесс
407
называется глазированием, а кондитерские массы, которыми покрывают корпуса конфет, — глазурями. Чаще всего используют шоколадные и жировые глазури. Шоколадная глазурь отличается высокими вкусовыми достоинствами, стойкостью при хранении. Существуют высокопроизводительные машины для нанесения шоколадной глазури, работающие следующим образом: оттемпе-рированная глазурь подается в емкость, расположенную над движущейся сетчатой лентой транспортера, на которой находятся корпуса конфет. Из емкости через щелевидное отверстие в виде сплошной завесы льется сверху глазурь и покрывает корпуса. Нижняя сторона корпусов глазируется с помощью валиков. Излишки глазури сдуваются воздухом, поступающим из вентилятора. Регулируя подачу воздуха, добиваются различной толщины слоя глазури, так как процентное содержание шоколадной глазури в конфетах регламентируется унифицированными рецептурами. Глазированные конфеты непрерывно переходят с сетки глази-ровочной машины на транспортер охлаждающего шкафа, в котором поддерживается температура 6... 10 °C. Продолжительность охлаждения 5...6 мин. Готовые конфеты направляют на заключительную стадию — завертывание и упаковывание.
Завертывание, упаковывание и хранение конфет. Конфеты, как глазированные, так и неглазированные, завертывают, фасуют в коробки или укладывают в ящики. В настоящее время значительная часть конфет выпускается в завернутом или фасованном виде. Конфеты завертывают в этикетку или фольгу, в этикетку с подверткой из парафинированной бумаги и фольги на машинах. Фасование конфет производится в пачки и коробки. Для упаковывания конфет во внешнюю тару служат короба из гофрированного картона, дощатые и фанерные ящики.
Конфеты хранят в сухих, проветриваемых помещениях при температуре не выше 18 °C и относительной влажности воздуха не выше 75 %. Недопустимо хранить конфеты в помещении с резкими колебаниями температуры и влажности воздуха, а также нельзя хранить конфеты с продуктами, обладающими стойким специфическим запахом.
ТЕХНОЛОГИЯ ХАЛВЫ
Халва — кондитерское изделие, приготовленное из обжаренных измельченных ядер масличных семян или орехов путем перемешивания с карамельной массой, сбитой с пенообразующим веществом, что обусловливает слоисто-волокнистую структуру халвы.
В зависимости от вида маслосодержащих семян или ядер, из которых приготовлена халва, она подразделяется на подсолнечную, арахисовую и соевую. Халва, полученная из семян кунжута, называется тахинной. Процесс получения халвы состоит из следующих стадий: приготовления тертых масс, получения карамельной массы, приготовления экстракта мыльного корня, сби
408
вания карамельной массы с экстрактом мыльного корня, вымешивания халвы, фасования и упаковывания (схема).
Приготовление	Варка сиропа	Приготовление экстракта
Приготовление тертых масс. Тертые массы — тонкоизмельченные маслосодержащие семена кунжута, подсолнечника, арахиса и пр., которые получают по следующей схеме: очистка семян от примесей, обрушивание (снятие семенной оболочки), отделение ядер от оболочки, термическая обработка ядер и измельчение. Получение тертых масс из различных культур имеет некоторые отличия.
Приготовление тахинной массы. Оболочка семян кунжута плотно прилегает к ядру и трудно отделяется, но при замачивании становится эластичной и легко отстает от ядра. Поэтому очищенные от примесей семена замачивают в течение 0,5...3 ч в емкостях вместимостью от 100 до 1500 л водой температурой 40...50 °C. Затем оболочку отделяют (обрушивают) на машинах непрерывного или периодического действия. Оболочка отделяется от семян за счет трения семян о стенки корпуса и
409
взаимного трения. После обрушивания отделяют оболочку от ядра, используя различие в их плотности. Ядро, содержащее большое количество жира, имеет плотность 1070 кг/м3, а оболочка, состоящая в основном из клетчатки, — 1500 кг/м3. Ядра разделяют, помещая эту смесь в раствор поваренной соли плотностью 1120...1150 кг/м3. Такой раствор называется соломуром. В нем оболочка тонет, а ядро всплывает. Разделение производится на машинах периодического или непрерывного действия и заканчивается промыванием ядер от солевого раствора и удалением воды центрифугированием. Затем следуют термическая обработка (обжарка), в результате которой ядра приобретают специфические вкус и аромат и снижается влажность ядер; охлаждение и измельчение на дисковых, вальцовых или штифтовых мельницах.
Приготовление подсолнечной белковой масс ы. Подсолнечную белковую массу готовят по следующей схеме: очистка семян, подсушка, обрушивание, отвеивание оболочек на семеновейках, промывка ядер от остатков оболочек водой, подсушка, обжарка и измельчение.
Арахисовую массу получают путем обжаривания ядер, удаления пленки и измельчения.
Получение карамельной массы. К карамельной массе, применяемой при производстве халвы, предъявляют ряд особых требований: она должна долго сохранять пластичность, не затвердевать, иметь повышенную стойкость против кристаллизации. Поэтому сироп готовят с повышенным содержанием патоки: на 1 часть сахара 1,5...2 части патоки. Сироп уваривают в вакуум-аппаратах до содержания сухих веществ 94...95 %. Пониженное содержание сухих веществ облегчает последующее сбивание массы с пенообразователем и вымешивание халвы.
Приготовление экстракта мыльного корня. Чтобы халва была слоисто-волокнистой, ей следует придать пористую структуру. Для этого карамельную массу сбивают с пенообразователем, в качестве которого используют отвар мыльного корня (корень растения мыльнянки), содержащего до 5 % поверхностно-активного вещества сапонина. Отвар получают из промытых нарезанных корней путем 3...4-кратного отваривания и последующего уваривания собранных отваров до экстракта с относительной плотностью 1,05.
Карамельную массу сбивают в закрытых варочных котлах при температуре 105... ПО °C с добавлением 2 % (от массы) экстракта мыльного корня в течение 15...20 мин.
Сбитую- массу направляют на смешивание с белковой массой.
Вымешивание халвы должно обеспечить образование слоистоволокнистой структуры и равномерное распределение белковой и карамельной масс. Это достигается путем вытягивания карамельной массы с образованием из нее волокон, между которыми распределяется белковая масса. Вымешивание халвы осуществля-
410
стся на модернизированных тестомесильных машинах. На 55...60 % белковой массы берется 40...45 % сбитой карамельной массы, одновременно вводят вкусовые и ароматические вещества.
Вымешанная халва при температуре 60...65 °C направляется на фасование и упаковывание. Некоторые виды халвы глазируют шоколадом.
Халву фасуют и упаковывают в мелкую и крупную жестяную тару, ящики из гофрированного картона и фанеры. Халву хранят в сухих, чистых, вентилируемых помещениях при температуре не выше 18 °C и относительной влажности воздуха 70 %. При этих условиях срок хранения тахинной и глазированной шоколадом халвы 2 мес, всех остальных видов — 1,5 мес.
ТЕХНОЛОГИЯ МАРМЕЛАДА И ПАСТИЛЫ
К этой группе кондитерских изделий относятся мармелад (фруктовый, желейный, паты), пастила и зефир. По структуре мармеладные изделия представляют собой студни, а пастила и зефир — кондитерские пены.
Мармелад по способу формования делят на формовой, резной и пластовый. В зависимости от вида сырья, являющегося студнеобразующей основой, мармелад делят на фруктово-ягодный, желейный и фруктово-желейный.
Студнеобразователем для фруктово-ягодного мармелада служит пектин, содержащийся во фруктовом пюре (обычно яблочном). На основе абрикосового и сливового пюре готовят паты. При производстве желейного мармелада в качестве студнеобра-зователя используют агар, агароид, пектин и др.
Пастилу выпускают двух видов: клеевой, в которой в качестве студнеобразующей основы используется агар или пектин, и заварной, в которой в качестве студнеобразующей основы применяется фруктово-ягодная мармеладная масса.. В свою очередь, клеевая пастила подразделяется на резную (пастила прямоугольного сечения) и отливную (зефир). Заварная пастила выпускается в виде резной (прямоугольного сечения) и пластовой (пласт, рулет, батон).
Основной процесс в производстве мармеладно-пастильных изделий — процесс студнеобразования, обусловленный свойствами пектиновых и других желирующих веществ. Пектиновые вещества относятся к полисахаридам сложного строения и входят в состав практически всех растительных тканей, особенно плодов, ягод, корнеплодов и др. Пектин в холодной воде только набухает, растворяясь лишь при нагревании, переходя в вязкий коллоидный раствор. Образование студня из раствора пектина возможно лишь при соблюдении ряда условий: концентрации пектина 0,8...1,2 %, сахара —60 % и кислотности на уровне pH 2,8...3,2. Эти соотношения могут изменяться в небольших пределах в зависимости от желирующей способности пектина. Значе
411
ние сахара для образования пектинового студня состоит в том, что сахар обладает большой дегидратирующей способностью и растворимость пектина в сахарном растворе уменьшается. Роль кислоты состоит в том, что она, снижая pH пектинового раствора, способствует образованию межмолекулярных водородных связей. Это повышает студнеобразующую способность пектинового раствора и улучшает качество студня.
Кроме пектина в качестве желирующих веществ используются агар и агароподобные вещества (агароид, фурцелларан и др.), относящиеся также к группе полисахаридов сложного состава, которые получают из некоторых морских водорослей. Они растворимы в горячей воде и при охлаждении растворов образуют студни. Прочные студни получают при концентрации агара 0,3.1 %, агароида — 0,8...3 % к массе студня. Присутствие сахара необязательно, он играет лишь роль вкусовой добавки. Наличие кислоты отрицательно сказывается на студнеобразующей способности агара и агароида из-за гидролиза последних. Гидролизующее действие кислоты уменьшают, добавляя буферные соли (лактат натрия или динатрийфосфат).
Получение фруктово-ягодного мармелада. Процесс получения фруктово-ягодного мармелада состоит из следующих стадий: подготовки сырья, приготовления рецептурной смеси, уваривания мармеладной массы, разделки, отливки, сушки, выстойки и упаковывания.
Различные партии яблочного пюре в зависимости от качественных показателей (студнеобразующая способность, кислотность, цветность, содержание сухих веществ и др.) смешивают (купажируют) для получения однородной по составу массы пюре. Полученную смесь протирают через сита.
Рецептурную смесь получают смешиванием подготовленного яблочного пюре с сахаром-песком и патокой в соотношении пюре и сахара 1:1. При изготовлении ягодных видов мармелада к яблочному добавляют ягодное пюре в соответствии с рецептурой. Так как студнеобразующая способность пюре определяется в значительной степени качеством и количеством содержащегося в нем пектина, то оптимальное соотношение основных компонентов рецептуры уточняют путем проведения пробных варок.
В рецептурную смесь вводят также соли-модификаторы (буферные соли): лактат натрия или динатрийфосфат. Введение этих солей обусловливает снижение скорости и температуры застудневания мармеладной массы, ее вязкость, что позволяет уваривать массу до более высокого содержания сухих веществ и сокращает процесс сушки мармелада. Количество вводимых солей зависит от кислотности пюре. Рецептурную смесь получают в смесителях периодического действия, после чего массу подают на уваривание в вакуум-аппараты периодического действия или в непрерывнодействующие змеевиковые аппараты. В варочных аппаратах ис
412
пользуется греющий пар давлением 300...400 кПа. Массу уваривают до содержания сухих веществ 68...74 %.
На стадии разделки уваренную массу охлаждают в емкостях, снабженных мешалкой, до температуры на 5...7 °C выше студне-образования и вводят ароматические, вкусовые добавки и красители, перемешивают и подают на отливку.
Мармелад отливают на мармеладоотливочных машинах, выполняющих следующие операции: дозирование и разливку мармеладной массы в формы; встряхивание для равномерного распределения; выстаивание в специальной камере при 15...25 °C, во время которого идет процесс студнеобразования длительностью от 20 до 45 мин (продолжительность студнеобразования зависит от качества пюре и рецептуры мармеладной массы); выборку мармелада из форм. Выборка производится путем выталкивания мармелада из форм сжатым воздухом через отверстия диаметром 0,2 мм, расположенные в дне форм. Такой способ извлечения мармелада вызван тем, что при застудневании линейные размеры массы не изменяются, кроме того, мармеладная масса прилипает к материалу форм.
Извлеченный из форм мармелад с липкой влажной поверхностью направляется на сушку, в результате которой содержание сухих веществ в нем повышается до 76...80 %. В процессе сушки на поверхности мармелада выкристаллизовывается часть сахара, образуется мелкокристаллическая корочка, предохраняющая мармелад от намокания и придающая ему привлекательный внешний вид. Процесс сушки ведут так, чтобы удаление влаги шло с опережающей кристаллизацию скоростью. Иначе преждевременно образовавшаяся корочка будет сдерживать влагоотдачу. Поэтому мармелад сушат в камерных, шкафных и конвейерных сушилках в несколько стадий, где предусмотрены зоны с различными температурными режимами. Высушенный мармелад имеет температуру 60 °C, поэтому его охлаждают либо в специальных камерах, либо в помещении цеха. Продолжительность охлаждения от 45...55 мин до 1,5...2 ч — в зависимости от времени года. Охлажденный мармелад укладывают в коробки или лотки, а затем в ящики.
Получение желейного мармелада. Желейный мармелад выпускается трех видов: формовой, резной (трехслойный, «Лимонные и апельсиновые дольки»), фигурный. В качестве студнеобразователя используются агар, агароид или другие студнеобразующие вещества. Введением различных эссенций, пищевых кислот и красителей имитируются вкус, аромат и цвет натуральных фруктов.
Рецептура желейного мармелада зависит от вида и желирующих особенностей студнеобразователей. В среднем для образования достаточно прочного студня в рецептуру должно входить (%): 0,8...1 агара (или 1...1,5 пектина, или 2,5...3 агароида), 50...65 сахара, 20...25 патоки, 23...24 воды. Для создания приятного кислого вкуса добавляют 1...1.5 % пищевой кислоты.
Получение желейного мармелада производится по следующей
413
схеме: подготовка сырья, получение желейной массы, формование, выстойка, сушка и упаковывание.
При получении желейного мармелада на агаре его промываю! в холодной проточной воде в течение 1...3 ч, в результате чего происходит набухание агара, а затем растворение его в воде. Далее вносят сахар-песок и патоку. Полученный сахаро-паточно-агаровый сироп уваривают до содержания сухих веществ 73...74 %. Уваренную массу охлаждают в темперирующих машинах до 50...60 °C.
Технология и параметры процесса приготовления желейного мармелада на агароиде отличаются от схемы приготовления на агаре, так как агароид обладает более низкой желирующей способностью, более высокой температурой застудневания и в значительной степени подвержен гидролизу в кислой среде, что резко снижает студнеобразующую способность агароида. В связи с этим сироп на агароиде уваривают до содержания сухих веществ 70...72 %, затем охлаждают до 74...78 °C, а для торможения гидролитического распада агароида в кислой среде вводят соли-модификаторы.
Готовая уваренная желейная масса формуется различными способами на формовочном транспортере. Формовой мармелад получают методом отливки в металлические формы с последующей выстойкой в течение 10...90 мин (в зависимости от вида студнеобразователя). Для облегчения выборки мармелада из форм поверхность отформованных изделий подогревают.
Выстойка желейного мармелада необходима для подсушки поверхности изделий. После выстойки мармелад обсыпают со всех сторон сахаром-песком и подают на сушку. Мармелад, приготовленный на агароиде, высушивается при температуре 38...40 °C, а на агаре — 50...55 °C в течение 6...8 ч. Затем мармелад охлаждают и упаковывают. Мармелад «Лимонные и апельсиновые дольки» формуется на механизированной поточной линии следующим образом. Желейная масса для первого слоя температурой 55...60 °C методом размазки наносится на ленту транспортера. Студнеобразование первого слоя происходит в шкафу при температуре воздуха 10 °C в течение 10 мин, затем на этот слой методом размазки наносится слой из сбивной массы. После студнеобразования второго слоя двухслойная лента разрезается дисковыми ножами на полосы, которые укладывают в продольные желоба полукруглого сечения, находящиеся на транспортере. Дозирующий механизм отливочной машины заполняет желоба желейной массой. Полученные трехслойные заготовки (батоны) поступают на охлаждение, во время которого происходит студнеобразование. Затем батоны в перевернутом виде поступают на ленточный транспортер, на котором они покрываются слоем сахара-песка и направляются на следующий транспортер ддя окончательного студнеобразования. Продолжительность выстойки 60 мин. Поступающие затем на резательную машину за
414
готовки разрезаются на отдельные дольки и обсыпаются саха-ром-песком. Далее дольки укладывают на лотки и направляют на сушку. Продолжительность сушки 6...8 ч при температуре 45 °C. Готовые дольки с содержанием сухих веществ 81 % укладывают в коробки, пакеты и лотки.
Содержание сухих веществ в желейном мармеладе должно быть не менее 77 %. Его следует хранить при температуре не выше 18 °C и относительной влажности воздуха в пределах 75...80 %. В этих условиях гарантийный срок хранения желейного мармелада, приготовленного на агаре, 3 мес, а для мармелада, приготовленного на агароиде, 1,5 мес.
Получение пастилы. Пастила вырабатывается путем сбивания смеси фруктового пюре с сахаром-песком и яичным белком. С целью закрепления пенообразной структуры в сбитую массу добавляют горячий сахаро-агаро-паточный сироп (клей) или горячую фруктово-ягодную мармеладную массу.
При использовании агарового сиропа получаемую массу называют клеевой, а в случае добавления мармеладной массы — заварной.
Процесс производства клеевой пастилы состоит из следующих операций: подготовки сырья, приготовления сахарно-яблочной смеси, получения клеевого сиропа, сбивания, формования, сушки, укладки и упаковывания.
Яблочное пюре, используемое в производстве пастилы, должно иметь высокую студнеобразующую способность и влажность не более 88 %. Такое пюре получают на предприятиях путем уваривания под вакуумом до содержания сухих веществ 15... 17 %. Различные партии уплотненного пюре затем подвергают смешиванию для получения пюре с определенной желирующей способностью. Затем уплотненное пюре смешивают с сахаром-песком в смесителях как периодическим, так и непрерывным способом. Для получения пышной пенообразной массы содержание сухих веществ в сахаро-яблочной смеси должно быть на уровне 57...59 %, что достигается смешиванием сахара-песка и пюре в соотношении 1:1.
На крупных предприятиях резную клеевую пастилу получают на поточно-механизированных линиях (рис. 86).
Сахаро-паточно-агаровый сироп получают в емкости 1 путем растворения в воде при нагревании набухшего агара с последующим введением в раствор рецептурных количеств сахара-песка и патоки. Готовый сироп из емкости 3 насосом 4 подается в змеевиковую варочную колонку 5 и уваривается до содержания сухих веществ около 79 %. Затем сироп проходит через пароотделитель 7 и поступает в сборник 8. Подготовленное яблочное пюре из емкости 2 через расходный сборник 6 насосом 4 непрерывно перекачивается в сбивальный агрегат.
Агрегат состоит из четырех цилиндров, расположенных горизонтально один над другим. Два из них являются смесителями
415
Рис. 86. Технологическая схема получения резной клеевой пастилы
13, а в двух других 12 осуществляется сбивание массы. В верхний смеситель кроме яблочного пюре ленточным дозатором 11 подается сахар-песок. За счет вращения вала с лопастями идут перемешивание смеси и растворение сахара-песка. Сахаро-яблочная смесь стекает в следующий смеситель 12, куда непрерывно из емкости 9 дозируется яичный белок и где последовательно в первой и второй секциях машины происходит сбивание массы. При сбивании масса насыщается воздухом и плотность ее значительно снижается, а объем увеличивается почти в два раза. Сбитая масса поступает во второй смеситель 13, где смешивается с уваренным сахаро-паточно-агаровым сиропом, который подается насосом 4, и вкусовыми, ароматическими и красящими добавками, поступающими из емкости 10.
Готовая пастильная масса температурой около 40 °C самотеком поступает в формующую машину 14, из которой масса в виде пласта выливается на движущуюся резиновую ленту транспортера 16 с боковыми ограничителями 15. Для мойки ленты транспортера 16 служит ванна 18. Отформованный пласт поступает в зону охлаждения 77, а затем в камеру охлаждения 19, где происходит процесс студнеобразования и масса приобретает прочность и эластичность, которые препятствуют выделению воздушных пузырьков из нее. Затем пласт поступает в камеру с инфракрасным обогревом 21, где происходят подсушка и образование мелкокристаллической корочки из сахарозы, что также увеличивает прочность. Далее пласт охлаждается воздухом, покрывается слоем
416
сахарной пудры и при помощи устройства 22 подается транспортером 23 в перевернутом виде на режущие машины 24 и 25, которые разрезают пласт на бруски размером 70x21x20 мм. Готовые изделия по транспортеру 26 направляются на сушку в непрерывнодействующие или камерные сушилки 20. Процесс сушки ведут в две стадии с различным режимом сушки: первая продолжительностью 2,5...3 ч при температуре воздуха 40...45 °C и относительной влажности 40...45 %, вторая продолжительностью 2 ч при более жестком режиме: температуре 50...55 °C и относительной влажности 20...25 %. Высушенную до содержания влаги 17...19 % пастилу охлаждают, обсыпают сахарной пудрой и подают на фасование и укладку. Пастилу упаковывают в целлофановые пакеты, картонные коробки, короба из гофрированного картона или ящики.
Получение зефира. Отличается тем, что в рецептуре зефирной массы содержится меньше яблочного пюре и больше агара. Сахаро-агаро-паточный сироп уваривают до содержания сухих веществ S4...85 %, яичного белка вносят в три раза больше, чем в пастильную массу, и массу сбивают до меньшей плотности. Зефирную массу сбивают на агрегатах непрерывного действия под избыточным давлением, что позволяет резко сократить продолжительность сбивания. Формуется зефир на зефироотсадной машине и, так как масса имеет большую вязкость, чем пастильная, при отсадке (выдавливании через металлический наконечник) сохраняет приданную форму, не растекается. Отформованные порции зефира в виде полусфер направляются на выстойку и подсушку. Выстойка осуществляется в специальной камере или в помещении цеха в течение 5 ч, после чего зефир подсушивают в камере до содержания сухих веществ 77...80 %. При этом на поверхности образуется мелкокристаллическая сахарная корочка. Затем половинки зефира обсыпают сахарной пудрой и вручную складывают (склеивают) попарно с нижними, не имеющими корочки поверхностями. Склеенные половинки зефира направляют для подсушки до содержания сухих веществ 80...84 % и подают на укладку в коробки, пакеты, картонные или фанерные ящики.
Пастильные изделия хранят в чистых, сухих, проветриваемых складах при температуре не более 18 °C и относительной влажности воздуха 75...80 %. Гарантийный срок хранения при соблюдении этих условий для клеевой пастилы и зефира 1,5 мес, для заварной — 3 мес.
ТЕХНОЛОГИЯ МУЧНЫХ КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ
В зависимости от технологического процесса и рецептуры мучные кондитерские изделия подразделяются на следующие группы: печенье (сахарное, затяжное, сдобное), пряники (сырцовые и заварные), галеты (простые, улучшенные), крекеры (с жиром и без него), кексы, рулеты, торты (бисквитные, песочные, слоеные, вафельные и др.) и пирожные (схема).
417
Мучные кондитерские изделия
Большинство мучных кондитерских изделий отличается высокой энергетической способностью, большим содержанием легкоусвояемых углеводов, жиров и белков, что обусловлено использованием при их производстве в больших количествах наряду с мукой таких высококалорийных продуктов, как сахар-песок, жиры, яйцепродукты, молочные продукты и др. Благодаря низкому содержанию влаги мучные кондитерские изделия имеют длительный срок хранения. В настоящее время производство мучных кондитерских изделий является высокомеханизированным.
Печенье, галеты и крекеры
Печенье — наиболее распространенный вид мучных кондитерских изделий с большим содержанием сахара-песка и жира, низким содержанием влаги, разнообразной формы. Печенье подразделяется на сахарное, затяжное и сдобное. Сахарное печенье изготавливается из высокопластичного теста, готовые изделия отличаются хорошей пористостью, набухаемостью, высокой
418
хрупкостью. Затяжное печенье вырабатывают из упругопластичного теста, а изделия характеризуются наличием слоистости, меньшей хрупкостью, набухаемостью. Сдобное печенье (песочное, сбивное, миндальное и др.) вырабатывают из нескольких видов теста, в рецептуру которого входит большое количество сахара, жира, яйцепродуктов. Во всех этих видах печенья используются химические разрыхлители теста.
Технология получения галет и крекеров отличается от технологии других мучных изделий тем, что тесто готовят с использованием дрожжей в качестве разрыхлителей. Эти изделия содержат небольшое количество сахара и жира, отличаются слоистой структурой и хрупкостью.
Получение различных видов печенья, галет и крекеров имеет свои особенности, но можно выделить общие основные стадии: подготовку сырья, замес теста, формование, выпечку, охлаждение и упаковывание.
Основным видом сырья при производстве печенья, галет и крекеров является пшеничная мука высшего, I и II сортов. Для получения муки оптимального качества отдельные партии муки одного сорта смешивают в различных соотношениях, крахмал, соевую и кукурузную муку добавляют согласно рецептуре. Все сыпучее сырье (мука, сахар, крахмал и т. п.) просеивают для удаления примесей и подвергают магнитной очистке для освобождения от металлопримесей. Все виды жидкого сырья (молоко цельное и сгущенное, расплавленные жиры, патока, инвертный сироп и т. д.) пропускают через сита с отверстиями определенного диаметра. Фруктовое сырье протирают" на протирочной машине.
Тесто для различных видов печенья готовят по-разному. Главную роль в образовании кондитерского теста играют белки пшеничной муки, способные при набухании в воде образовывать клейковину, обладающую упругоэластичными свойствами. На процесс набухания белков муки существенное влияние оказывают компоненты рецептуры теста. Сахар-песок ограничивает набухание белков муки, делает тесто более пластичным и мягким. Избыток сахара-песка приводит к получению расплывающегося, липкого теста. Жир также уменьшает набухаемость белков, вследствие чего увеличивается пластичность теста. Такие компоненты, как крахмал, молочные продукты, также способствуют увеличению пластичности теста. Кроме того, большое влияние на свойства теста оказывают технологические условия замеса теста: содержание влаги, температура, продолжительность замеса. Увеличение этих параметров при замесе теста приводит к ускорению набухания белков муки, а уменьшение — к ограничению набухания. Изменяя условия замеса и соотношение между компонентами теста, можно получить тесто с различными упругопластичновязкими свойствами. Для получения пластичного, легко рвущегося сахарного теста в рецептуру вводят большое количество
419
сахара-песка и жира. Непродолжительный замес проводят при относительно низкой влажности и низкой температуре.
При замесе затяжного теста, наоборот, создают все условия для более полного набухания белков муки, что обусловливает получение упругого теста. Для этого в тесто вносят меньшее количество сахара-песка и жира и процесс ведут при большой влажности и повышенной температуре теста и более длительное время.
Тесто для затяжного печенья и крекеров готовят в машинах периодического действия, а для сахарного — в агрегатах непрерывного действия. Для замеса теста периодическим способом используются универсальные месильные машины, внутри корытообразного корпуса которых вращаются Z-образные лопасти. Для замеса используют также горизонтальные барабанные месильные машины с П-образными месильными лопастями. При замесе теста периодическим способом большое значение имеет порядок загрузки сырья в месильную машину. С учетом свойств сырья его вводят в следующей последовательности: сахар-песок, соль, расплавленный жир, сгущенное молоко, яйца, патока, инвертный сироп, вода или молоко. Содержимое тщательно перемешивают в течение 2...3 мин и добавляют химические разрыхлители (соду, углекислый аммоний). В последнюю очередь вносят муку и крахмал. Продолжительность замеса теста для затяжного печенья составляет 40...60 мин при 30...40 °C.
При получении теста для галет и крекеров в качестве разрыхлителя используют дрожжи. Приготовление теста для этих видов изделий ведется по следующей схеме: замешивается опара с содержанием влаги 52...60 % из 10...25 % муки от всей положенной по рецептуре и дрожжей. Затем опара выстаивается при температуре 32...35 °C в течение 1 ч для галет и до 10 ч для крекеров. При этом происходит процесс брожения, формируется вкус и увеличивается набухаемость белков. По окончании процесса брожения на опаре замешивают тесто, добавляют воду, все сырье, кроме муки, перемешивают, а затем вносят муку и замешивают тесто в течение 25...60 мин. Температура готового теста 32...36 °C, содержание влаги в тесте для галет 31... 36 %, для крекеров 26...31 %.
Тесто для сахарного печенья замешивают в агрегатах непрерывного действия. Процесс осуществляется путем смешивания предварительно приготовленной эмульсии с мукой и крахмалом. Эмульсию готовят из воды и всех видов сырья, за исключением муки и крахмала. В эмульсии жир должен быть равномерно диспергирован в воде, чему способствуют эмульгирующие вещества — лецитин яичного желтка, казеин молока и фосфатидные концентраты. Тесто, приготовленное на эмульсии, имеет более однородную консистенцию и лучше формуется. Эмульсию готовят в две стадии: смешивание и сбивание. Смешивание проводят в цилиндрическом смесителе. В это время растворяются все компоненты рецептуры. Эмульсию сбивают либо в центробежном
420
эмульсаторе непрерывного действия, либо в гидродинамическом преобразователе. Центробежный эмульсатор представляет собой корпус, внутри которого находятся четыре диска— два неподвижных и два вращающихся. Смесь при вращении дисков разбивается на мельчайшие частицы, образуя эмульсию.
Гидродинамический преобразователь (рис. 87) состоит из сопла 2 и расположенного внутри резонатора 7, который представляет собой многостержневой металлический стакан. При истечении смеси сырья под определенным давлением из сопла она попадает на упор 3. В струе возникают колебания со звуковой частотой. Резонатор усиливает интенсивность колебаний и передает их жидкости. Под действием этих колебаний происходит превращение жира в мельчайшие шарики. Путем многократного пропускания смеси сырья через преобразователь получается мелкодисперсная эмульсия. Полученная эмульсия и мука поступают в камеру предварительного смешивания агрегата непрерывного замеса теста. Камера представляет собой цилиндрическую емкость, внутри которой вращается вал с лопастями. Здесь происходит первая стадия образования теста. Далее масса направляется в горизонтальную тестомесильную камеру с лопастным валом, где поддерживается определенная температура. Замес длится 16...18 мин. Готовое тесто с содержанием влаги 16...17 % при температуре 25...28 °C поступает на формование.
Формование сахарного и затяжного печенья, крекеров и галет осуществляется различными методами, которые зависят от свойств этих видов теста.
Сахарное печенье формуется на ротационных машинах (рис. 88). Формующий механизм машины состоит из вращающихся навстречу друг другу рифленого вала / и формующего ротора 2, на поверхности которого выгравированы углубления (формы с рисунком). При их вращении тесто впрессовывается в углубления ротора. Избыток теста счищается с поверхности ножом 6. Отформованные заготовки извлекаются из ротора с помощью транспортерной ленты 3, которая прижимается к формующему ротору, ведущим барабаном 5 транспортера. Извлеченные заготовки 4 поступают на ленту транспортера и направляются на выпечку.
Затяжное печенье, галеты и крекеры формуют методом штампования. Перед подачей на штампмашину тесто проходит стадию
421
Рис. 88. Схема ротационной машины
прокатки, которое заключается в том, что тесто многократно пропускается между двумя гладкими вращающимися валками. Прокатка чередуется с периодами вылеживания теста. Кусок теста, проходя между валками, превращается в пласт определенной толщины. Для равномерного распределения возникающих в тесте напряжений пласт периодически поворачивают на 90' против направления предыдущей прокатки. После первой пятикратной прокатки тесто оставляют на вылеживание на 2—2,5 ч, во время которого происходит рассасывание внутренних напряжений и возрастает пластичность теста. Затем проводится повторная четырехкратная прокатка с чередованием поворотов и уменьшением толщины пласта, после чего следует второе вылеживание теста в течение 30 мин. Последняя пятикратная прокатка предусматривает доведение толщины пласта до 10... 12 мм. В результате такой обработки тесто приобретает слоистую структуру, уменьшаются упругоэластичные и повышаются пластичные свойства теста, снижается вязкость, в готовых изделиях увеличиваются хрупкость, набухаемость, улучшаются вкусовые качества. Количество прокаток и продолжительность вылеживания зависят от сорта муки: чем ниже сорт, тем меньше число прокаток и менее длительно вылеживание.
Прошедшее прокатку тесто подают на штампмашину. Штампующий механизм состоит из матриц, имеющих форму стакана с заостренными кромками, внутри которых движется пуансон в виде пластины с гравировкой и шпильками, которые служат для прокалывания тестовой заготовки. Штампующий механизм, опускаясь на тестовую ленту, некоторое время движется вместе с ней в горизонтальном направлении, затем поднимается вверх и возвращается в исходное положение, и цикл повторяется вновь. В момент формования матрица вырубает тестовые заготовки, а пуансон, прижимаясь к тестовой ленте, наносит рисунок и с помощью шпилек прокалывает тестовые заготовки. Проколы способствуют выходу водяных паров из тестовой заготовки, что препятствует образованию вздутий на поверхности выпеченного изделия. В последнее время для формования затяжного печенья
422
используется роторный способ формования, заключающийся в том, что вырезка тестовых заготовок из прокатанного пласта теста производится вращающимся ротором, на Котором укреплены матрицы.
Отформованные заготовки направляются на выпечку, во время которой происходят сложные физико-химические, коллоидные процессы и удаление влаги. Под влиянием высокой температуры в заготовках идет перенос теплоты и влаги. При этом вначале происходит прогрев теста с испарением влаги из поверхностных слоев и миграцией определенной части влаш от наружных слоев к центральным, а затем наступает период, характеризующийся миграцией влаги от внутренних слоев к наружным. Под действием высокой температуры пекарной камеры идет быстрый прогрев заготовки. К концу выпечки температура поверхностного слоя достигает 180 °C, а центральных — 106... 108 °C. По достижении температуры 50...70 °C в тестовой заготовке происходит денатурация белков, которая сопровождается выделением воды, поглощенной при набухании. Крахмал при этих температурах интенсивно поглощает воду, набухает и частично клейстеризуется. Под воздействием температуры происходит разложение химических разрыхлителей с образованием газообразных продуктов, что обусловливает увеличение объема заготовок. Разрыхлению теста способствует также парообразование. Воздействие высоких температур приводит к целому ряду химических изменений в тесте: часть крахмала гидролизуется с образованием растворимого крахмала и декстринов, происходит разложение сахаров (карамелизация); кроме того, взаимодействие сахаров с азотсодержащими веществами приводи!' к образованию соединений с характерными ароматом и цветом.
Для каждого вида теста устанавливается режим выпечки, учитывающий его особенности и оптимальные условия процесса выпечки. Продолжительность вьщечки зависит от содержания влаги в тесте, температуры печи и других факторов и составляет для сахарного и затяжного печенья и крекеров 4...5 мин, для сдобного печенья — 3...10, для галет — 7...15 мин.
Выпечка печенья осуществляется в печах различных конструкций. Наиболее распространенными являются печи с газовым или электрическим обогревом и подом в виде ленточного или цепного транспортера.
При выходе из печи печенье имеет высокую температуру (118...120 °C), при которой нельзя снять изделия с пода без нарушения их формы. Поэтому изделия охлаждают вначале до температуры 65...70 °C, при которой они приобретают твердость и их можно снять с пода, а затем охлаждают до 30...35 °C на охлаждающих транспортерах, заключенных в деревянные или металлические короба. Продолжительность охлаждения зависит от температуры и скорости воздуха: при высоких температурах удлиняется процесс и увеличиваются потери влаги; низкие температуры приводят к растрескиванию поверхности изделий. Оптимальным ре
423
жимом является температура воздуха 20...25 °C со скоростью движения 3...4 м/с. Охлажденное печенье поступает на упаковывание.
Некоторые сорта печенья перед упаковыванием подвергают отделке: глазируют шоколадной глазурью, прослаивают начинка-•ми, обсыпают миндалем, сахарной пудрой и сахаром-песком. В результате улучшается внешний вид и повышаются вкусовые качества изделий.
Фасуют печенье, галеты и крекеры в пачки, а сдобное печенье — в картонные коробки. Для фасования печенья в пачки и укладки пачек в коробки используют специальные машины. При фасовании в коробки печенье укладывают или засыпают вручную.
Печенье, крекеры и галеты следует хранить в сухих, проветриваемых, не зараженных вредителями складах при температуре не выше 18 °C и относительной влажности воздуха 70...75 %. Гарантийный срок хранения для печенья сахарного и затяжного 3 мес, для сдобного печенья в зависимости от содержания жира 15...45 дней, для крекеров и галет 1...6 мес, для герметически упакованных галет 2 года.
Качество готовых изделий регламентируется соответствующими стандартами по органолептическим (вкус, запах, цвет, форма и т. д.) и физико-химическим (содержание сахара, жира, влаги, щелочность и т. д.) показателям.
Пряники
Пряники — мучные кондитерские изделия разнообразной формы, содержащие значительные количества сахаристых веществ и пряностей. Различают два вида пряников: заварные и сырцовые. Все виды пряников могут выпускаться с начинкой или без нее. Для отделки используют глазирование сахарным сиропом, шоколадной глазурью, обсыпку сахаром-песком, маком и др. В настоящее время на крупных предприятиях пряники вырабатывают на поточно-механизированных линиях.
Технологическая схема производства сырцовых пряников состоит из следующих операций: подготовки сырья, замеса теста, формования, выпечки, охлаждения, отделки и упаковывания. В производстве заварных пряников замесу теста предшествуют стадии приготовления и охлаждения заварки.
Тесто для сырцовых пряников содержит значительное количество сахара, что ограничивает набухание белков муки и способствует образованию рыхлого, вязкого теста. Тесто замешивают в барабанных месильных машинах с П-образными лопастями или в универсальных месильных машинах с Z-образными лопастями. Сырье загружают в машину в определенной последовательности: сахар-песок, вода, мед, патока, инвертный сироп, меланж, эссенция, химические разрыхлители, и в последнюю очередь вносят муку. Все сырье, без муки и химических разрыхлителей, переме
424
шивают в течение 2... 10 мин, что обеспечивает растворение сахара-песка и равномерное перемешивание сырья, после чего вводят химические разрыхлители в виде водного раствора и муку. Продолжительность замеса теста составляет 5... 12 мин и зависит от температурных условий цеха, температуры воды, частоты вращения вала и вместимости месильной машины. Полуфабрикаты, получаемые нагреванием (сахарный, инвертный сироп, жженка и т. д.), перед введением в машину охлаждают до 20 °C. Температура готового теста не должна превышать 20...22 °C, а содержание влаги — 23,5...25,5 %.
Приготовление заварного пряничного теста состоит из трех фаз: заваривания муки в сахаро-медовом, сахаро-паточном или сахаро-паточно-медовом сиропе; охлаждения заварки и замеса теста. Заварку готовят следующим образом. В открытом варочном котле перемешивают сахар-песок, мед, патоку при температуре 70...75 °C до полного растворения сахара-песка. Полученный сироп подают в месильную машину и при температуре не ниже 65 °C добавляют муку. Заваренную массу перемешивают в течение 10... 15 мин и охлаждают до температуры 25...27 °C, для этого в водяную рубашку подают холодную воду. Содержание влаги в заварке должно быть не выше 19...20 %. К охлажденной заварке добавляют остальное сырье и тесто замешивают в течение 10...60 мин. Продолжительность замеса зависит от частоты вращения месильного вала. Температура готового теста 29...30 °C и содержание влаги 20...22 %.
Пряничное тесто формуют преимущественно на отсадочных машинах ФПЛ, работа которых осуществляется следующим образом. Тесто из воронки захватывается двумя рифлеными валками, вращающимися навстречу друг другу, и продавливается через шаблоны с вырезом разнообразного контура. От жгутов теста с помощью металлической струны отсекаются заготовки, которые укладывают рядами на трафареты или на стальную ленту печи. Пряничное тесто формуют также ручным способом с применением разнообразных приспособлений (металлических выемок или деревянных форм).
Пряники выпекают в основном в конвейерных печах непрерывного действия. Продолжительность выпечки 7...12 мин при температуре около 200...240 °C.
После выпечки пряники охлаждают в течение 20...22 мин до 40...45 °C, после чего их снимают с пода и окончательно охлаждают.
С целью сохранения свежести, уменьшения скорости черствения пряников и улучшения вкусовых качеств их подвергают глазированию. Эта операция заключается в том, что на поверхность пряников наносят слой сахарного сиропа, в котором после охлаждения выкристаллизовывается сахароза. На поверхности пряников образуется глянцевая, мраморного вида корочка. Пря
425
ники глазируют периодическим способом в дражировочных котлах или в агрегатах непрерывного действия.
Готовые пряники упаковывают в ящики из гофрированного картона, фанерные или дощатые. Часть пряников фасуют в коробки.
Срок хранения пряников в сухих, вентилируемых помещениях с температурой 18 “Си относительной влажностью воздуха 65...75 % составляет 10...45 дней в зависимости от типа пряников.
Вафли
Вафлями называют изделия, которые представляют собой высокопористые листы с начинкой или без нее. Вафли выпускают разнообразной формы: прямоугольные, круглые, фигурные и т. д. Они могут быть полностью или частично покрыты шоколадной глазурью.
Технологический процесс получения вафель состоит из следующих операций: замеса теста, выпечки вафельных листов, охлаждения, приготовления начинки, получения переслоенных начинкой пластов, их охлаждения, резки пластов, завертывания и упаковывания. В настоящее время вафли получают на поточномеханизированных линиях, на которых выполняются все операции по их изготовлению.
Тесто для вафель имеет сметанообразную консистенцию, низкую вязкость и содержит до 65 % влаги, чем отличается от теста для других видов мучных кондитерских изделий. Вафельное тесто готовят в агрегатах непрерывного действия следующим образом. Сначала получают концентрированную эмульсию на эмульсаторе, который представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат с Т-образными лопастями. В эмульсатор загружают все сырье, за исключением муки: желток или меланж, фосфатиды, растительное масло, соль, соду — и перемешивают около 50 мин, затем добавляют около 5 % воды от общего количества, идущего на замес теста, и перемешивают еще 5 мин. Затем концентрированную эмульсию и воду непрерывно подают в гомогенизатор, представляющий собой вертикальный цилиндр, в котором вращается тарельчатый ротор с щелевидными отверстиями. Под действием ротора образуется мелкодисперсная эмульсия, которая непрерывно подается в вибросмеситель, где происходит замешивание теста. В этот смеситель непрерывно подается мука, и за счет механического перемешивания и вибрации, создаваемой дебаланс-ным вибратором, обеспечивается равномерное распределение компонентов в смеси и сокращается продолжительность замеса теста.
Вафельные листы Выпекают в полуавтоматических печах с газовым или электрическим обогревом при прямом контакте вафельного теста с парой массивных нагретых металлических плит, количество которых 24 или 30 шт. Печь работает следующим образом. Вафельное тесто насосом подается на нижнюю
426
подогретую плиту, разливается по его поверхности, верхняя плита опускается, и вафельница попадает в обогреваемую зону печи. Температура выпечки 150...170 °C, продолжительность выпечки 2...4 мин. За это время конвейер с вафельницами совершает полный оборот, в конце цикла верхняя плита поднимается и вафельный лист снимается. Поверхность плиты может быть гладкой, гравированной или фигурной, что обусловливает характер поверхности готовых вафельных листов.
Для производства вафель применяют жировые, пралиновые, фруктовые и помадные начинки. Наиболее широко используются жировые начинки, получаемые на основе кондитерского гидрированного жира или кокосового масла и сахарной пудры. Жировая кремообразная начинка содержит большое количество воздуха, имеет легкотающую, маслянистую, нежную консистенцию. Помадные начинки готовят путем введения в помадную массу жира, фосфатидов и сорбита, что препятствует переходу влаги из начинки в вафельные листы. Фруктовые начинки получают либо увариванием фруктово-ягодной смеси до содержания сухих веществ 85 %, либо смешиванием фруктовой подварки с сахарной пудрой, что обеспечивает сохранение хрустящих свойств вафельных листов.
Вафельные листы прослаивают начинкой на специальных машинах. Для этого их укладывают на транспортер, который направляет один лист под намазывающий механизм, состоящий из трех валков. Последние ровным слоем наносят начинку на вафельный лист. Затем на вафельный лист с начинкой укладывают второй вафельный лист и вторым намазывающим механизмом наносят следующий слой начинки и т. д.
Таким образом образуется пятислойный вафельный пласт.
Готовые пласты охлаждают в холодильных шкафах непрерывного действия при температуре 4 °C. Охлажденные вафельные пласты поступают на струнные резательные машины, обеспечивающие резку вафельных пластов в продольном и поперечном направлениях. Готовые вафли укладывают в ящики или фасуют в пачки или коробки.
Торты и пирожные
Торты и пирожные — изделия разнообразных формы и размеров, с привлекательным внешним видом, отличающиеся высокой калорийностью. В зависимости от вида основного (выпеченного) полуфабриката торты классифицируются на следующие группы: бисквитные, песочные, слоеные, миндально-ореховые, воздушные вафельные, заварные, сахарные и др.
Технологический процесс получения тортов и пирожных состоит из следующих основных стадий: получения основных выпеченных полуфабрикатов, изготовления отделочных полуфабрикатов, отделки изделий.
427
Бисквитный полуфабрикат, обладающий пышной, мелкопористой, эластичной структурой, получают путем сбивания меланжа и сахара-песка с последующим смешиванием с мукой. Бисквитное тесто получают периодическим способом на сбивальных машинах или на станциях непрерывного сбивания. Приготовленное тесто разливают в капсулы различной формы и выпекают в печах при температуре около 200 °C в течение 40...65 мин. Выпеченный полуфабрикат выстаивается 20...30 мин и извлекается из форм.
Песочный полуфабрикат получают из пластичного теста с высоким содержанием жира, яиц и сахара-песка. Тесто готовят в универсальных месильных машинах, затем раскатывают в пласты толщиной 3...4 мм и выпекают при 200 °C в течение 8... 15 мин. Влажность готового полуфабриката 4...7 %.
Слоеный полуфабрикат имеет слоистую структуру, обусловленную многократным складыванием пласта теста, содержащего большое количество жира. Слой теста чередуется с тонкой прослойкой жира. Процесс получения такого теста состоит из замеса теста, подготовки сливочного масла и прокатки теста с маслом. Тесто замешивают в универсальных месильных машинах при условиях, обеспечивающих высокую степень набухаемости белков муки. Сливочное масло смешивают с мукой в соотношении 10:1 и охлаждают. Затем кусок теста раскатывают в пласт и заворачивают в него масло. Тесто с завернутым в него маслом неоднократно прокатывают, складывают и охлаждают, после чего эти операции повторяют. Полученный полуфабрикат выпекают при температуре 215...250 °C в течение 25...30 мин, охлаждают в течение 1 ч и направляют на отделку.
Миндально-ореховый полуфабрикат готовят из предварительно очищенных ядер миндаля или ореха, смешанных с сахаром-песком и белком, с последующим измельчением их на валковых мельницах. Растертую массу смешивают с мукой и белком, формуют и выпекают при 150...160 °C в течение 25...35 мин.
Заварной полуфабрикат готовят путем заваривания муки и смешивания заваренной массы с большим количеством меланжа. При выпечке внутри заготовок образуется полость, которую затем заполняют полуфабрикатом (кремом).
Белково-сбивной, или воздушный, полуфабрикат получают путем сбивания белков с сахаром-песком и последующей выпечкой. Массу сбивают в течение 30...50 мин из предварительно охлажденных яичных белков до увеличения первоначального объема в 7 раз, затем вводят сахар-песок, ванильную пудру и т. д. Готовые полуфабрикаты выпекают при 105... 135 °C в течение 1 ч.
В настоящее время существуют механизированные поточные линии производства заварных пирожных типа «Эклер» и бисквитных тортов.
Для придания выпеченным полуфабрикатам красивого внеш
428
него вида и улучшения вкуса и аромата используют отделочные полуфабрикаты: кремы, фруктово-ягодные начинки, глазури, сиропы, цукаты, желе, помады и др.
Кремы представляют собой пенообразные массы, отличающиеся высокой пищевой ценностью. Кремы получают путем сбивания на сбивальных машинах такого высококачественного сырья, как сливочное масло, яйца, сахар-песок, какао-порошок, орехи, коньяк, ликер и т. п. Наиболее широко используются масляные и белковые кремы. Масляный крем готовят путем сбивания сливочного масла с сахаро-молочным сиропом на яичной основе или сбиванием сливочного масла с сахарной пудрой. Белковые кремы получают сбиванием яичного белка с сахаром-песком.
Приготовление других отделочных полуфабрикатов, таких, как помада, сиропы, мармелад, шоколад и др., принципиально не отличается от технологии получения сахарных кондитерских изделий.
Отделку выпеченных полуфабрикатов проводят в три стадии. Сначала подготавливают выпеченные полуфабрикаты, затем прослаивают их отделочными полуфабрикатами и далее художественно оформляют верхнюю поверхность. Подготовка выпеченного полуфабриката заключается в очистке поверхности от деформированных и пригорелых мест, выравнивании краев и придании правильной формы. Перед прослойкой выпеченные полуфабрикаты пропитывают ароматизированными сиропами. Прослойка производится различными начинками или кремами. Штучные полуфабрикаты, имеющие полость, заполняют отделочными полуфабрикатами. Отделка поверхности — сложная операция, требующая навыка и художественного вкуса.
Готовые торты укладывают в художественно оформленные картонные коробки, пирожные — в лотки, которые закрывают крышкой. Эти продукты являются скоропортящимися и хранятся в холодильниках при 0...6 °C. В зависимости от вида отдельных полуфабрикатов срок хранения тортов и пирожных составляет от 6 до 72 ч.
Контрольные вопросы
1.	Что такое карамель?
2.	Какую роль играет патока в производстве карамели?
3.	С какой целью проводят термическую обработку какао-бобов?
4.	Что собой представляет шоколадная масса?
5.	В чем отличие десертных шоколадных масс от обыкновенных?
6.	Чем определяется выбор метода формования конфетных масс?
7.	Какова роль пектина и агара в производстве мармелада и пастилы?
8.	Какова роль белка в производстве зефира?
9-	В чем отличие сахарного теста от затяжного?
429
Глава 19 ТЕХНОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ И ЖИРОВ
Масло-жировая промышленность — одна из важных отраслей пищевой промышленности, наиболее сложная по структуре. В ее состав входят маслоэкстракционные заводы, производящие из масличного сырья растительные масла и жиры; гидрогенизаци-онные заводы, превращающие жидкие масла в твердые гидрированные (саломасы); цехи по переэтерификации масел и жиров, изменяющие их свойства; маргариновые заводы, производящие маргарин, майонез и кулинарные жиры; мыловаренные заводы, вырабатывающие туалетные и хозяйственные мыла, глицерин и жирные кислоты; заводы по производству пищевых поверхностно-активных веществ (ПАВ) и синтетических моющих средств. В последнее время получило развитие производство пищевых белков из обезжиренных масличных семян.
Среди разнообразных масел и жиров, применяемых в народном хозяйстве, ведущее место по объему производства занимают растительные масла, на долю которых приходится свыше 80 % всех производимых в мире жиров.
Мировое производство основных видов растительного масличного сырья составляет около 200...230 млн т в год.
На предприятиях масло-жировой промышленности все шире применяют автоматизированные технологические линии и установки, контроль и регулирование работы которых осуществляют с помощью ЭВМ.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИРОВ
Жиры — это сложная смесь органических соединений с близкими физико-химическими свойствами, содержащимися в тканях растений и животных. Общими признаками для всех жиров являются нерастворимость в воде (гидрофобность*) и хорошая растворимость в органических растворителях (бензине, диэтиловом эфире, хлороформе и др.), наличие в молекулах длинноцепочечных углеводородных о
II радикалов и сложноэфирных (— С — о — ) группировок. Жиры составляют основную группу липидов (lipos — жир).
Липиды широко распространены в природе и вместе с белками и углеводами составляют основную массу органических веществ всех живых оргайизмов, являясь обязательным компонентом каждой клетки.
Жиры являются важным компонентом пищи. Они применяются при получении многих продуктов питания, во многом определяя их пищевую и биологическую полноценность.
* Гидрофобность — боязнь воды; вещества не взаимодействуют с водой.
430
В растениях липиды накапливаются главным образом в семенах и плодах. Содержание липидов зависит не только от индивидуальных особенностей — вида растений, но и от сорта, места и условий произрастания.
У животных и рыб жиры концентрируются в подкожных тканях и тканях, окружающих многие важные органы (сердце, почки), а также в мозговой и нервной тканях.
Содержание жиров в тушке рыб (например, осетровых) может достигать 20...25 %, сельди — 10 %, у крупного рогатого скота оно сильно колеблется: от 33 % у свиней и 9,8 % у коров до 3 % у поросят. В молоке животных содержится липидов: у козы — 5 %, коровы — 3,5...4 %.
По своему составу липиды делятся на две группы: простые и сложные. Жиры — наиболее важные и распространенные представители простых липидов и составляют основную массу липидов (иногда до 95...97 %). По своей химической природе они являются ацилглицеринами — производными многоатомных (высших, с 12—22 атомами углерода) карбоновых кислот и трехатомного спирта глицерина. В природе известна и другая группа простых липидов — воски, однако содержание их в липидах невелико.
В состав жиров входят в основном триацилглицерины, но присутствуют в небольших количествах ди- и моноацил-глицерины:
о
I H2C-O-C-R
I
• 2 Н—С—О—С—R.
I 4
3 Н,С-О- С-R, II О
Триацилглицерин (триглицерид)
О
а 1 H2C-O-C-R
Р 2 Н—С—О—С—R.
I II
О а'З Н2С-ОН
1,2-Диацилглицерин (1,2- диглицерид)
1	Н2С-ОН
2	Н—С—О—С—R.
I II О
3	Н2С-ОН
2-Моноацилглицерин (2- моноглицерид)
где R, Ri, R2 — углеводородные радикалы.
В построении молекул ацил глицеринов участвует до 100 карбоновых кислот различного строения, однако большинство из них присутствует в небольшом количестве. Наиболее распространенные (их 5—8) содержат от 12 до 18 атомов углерода и представляют собой неразветвленные углерод-углеродные цепи с четным числом углеродных атомов (табл. 19-1).
431
Таблица 19.1
Кислота	Число углеродных атомов	Формула	I Условное обозна-' чение (символ)*
Насыщенные кислоты Лауриновая	12		СНз(СН2)юСООН	^12
Миристиновая	14	СНз(СН2)12СООН	
Пальмитиновая	16	СНз(СН2)иСООН	
Стеариновая	18	СНз(СН2)1бСООН	е18
Ненасыщенные кислоты Олеиновая	18		СНз-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-	С1
Эруковая	22	соон СНз-(СН2)7-СН=СН-(СН2) 11-соон	18 с22
Линолевая	18	СНз-(СН2)4СН=СН-СН2-СН=	с2
Линоленовая	18	=СН-(СН2)7- соон СНз-(СН2-СН=СН)з-(СН2)7-соон	18 С|8
Арахидоновая	20	СНз-(СН2)3- (СН2—СН=	4,
Оксикислоты Рицинолевая	18	=СН)4-(СН2)з-СООН с СНз-(СН2)5-Ьн-СН2-СН= =СН-(СН2)7-СООН	
* В символ входят число атомов углерода и количество двойных связей между углеродными атомами в молекуле жирной кислоты.
Стеариновая, пальмитиновая кислоты входят в состав практически всех природных масел и жиров, тогда как эруковая кислота — только в масло растений семейства капустных, например в состав рапсового масла. В состав большинства наиболее распространенных масел входят ненасыщенные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая), содержащие 1—3 двойные связи. Арахидоновая кислота, содержащая 4 двойные связи, присутствует в жирах животных; в жирах рыб и морских животных обнаружены кислоты с 5—6 и более двойными связями. Ненасыщенные кислоты природных масел и жиров, как правило, имеют ^ис-конфи-
О
гурацию. Кислоты, содержащие окси- (—ОН), кето- (—С—) и другие группы в липидах растений, животных и рыб, встречаются в незначительном количестве. Исключение составляет рицинолевая кислота в касторовом масле.
Природные жиры содержат главным образом смешанные три-ацилглицерины, в состав которых входят остатки различных кислот, насыщенных и ненасыщенных.
Широкое разнообразие свойств триацилглицеринов связано с различным положением (1, 2, 3) остатков жирных кислот в их молекулах
432
и их различным строением, что существенно влияет на физико-химические свойства и биологическую ценность масел и жиров.
Триацилглицерины — вязкие жидкости или твердые вещества, с низкими (до 40 °C) температурами плавления, без цвета и запаха, легче воды (при 15 °C плотность 900...980 кг/м3), нелетучи. Они, как уже указывалось, хорошо растворимы в органических растворителях и нерастворимы в воде. В твердом состоянии триацилглицерины существуют в нескольких кристаллических полиморфных формах. Другая группа простых липидов — воски — сложные эфиры высокомолекулярных одноосновных карбоновых кислот (С®8 — Сзо) и одноосновных высокомолекулярных (с 18—30 атомами углерода) спиртов.
О
R-CH2-0 —С—R]
О
где R—СН2—О — остаток высокомолекулярного спирта; —С—Ri — остаток высокомолекулярной карбоновой кислоты.
В растениях воски покрывают тонким слоем листья, стебли, плоды, предохраняя их от смачивания водой, высыхания, действия микроорганизмов. Содержание их в масличных семенах, зерне, плодах невелико.
Сложные липиды содержат в своем составе кроме углерода, кислорода и водорода атомы фосфора и азота. Наиболее важными их компонентами являются фосфолипиды, молекула которых построена из остатков спиртов (главным образом глицерина), высокомолекулярных жирных кислот, ортофосфорной кислоты (Н3РО4), азотистых оснований {чаще всего холина — [НО — СН2 - СН2 - N+(CH3)3[OH- и этаноламина - (НО-СН2 -СН2 — NH2)}, аминокислот и некоторых других соединений.
Общая формула фосфолипидов
О II h2c-o-c-r
Н—С—О—С—R.
II
°о // Н2С-О-Р-ОХ
O'-
где R, Ri — углеводородные радикалы; X—Н; —СНг—СН2—ЬС(СНз);
-CH2-CH2-N+H3 и др.
433
Следовательно, в молекуле фосфолипидов имеются заместители (группы атомов) двух типов: гидрофильные и гидрофобные. В качестве гидрофильных (полярных) группировок выступают остатки фосфорной кислоты и азотистого основания («голова»), гидрофобных (неполярных) — углеводородные радикалы («хвосты»).
Вместе с белками и углеводами фосфолипиды участвуют в построении внутриклеточных мембран и субклеточных структур (органелл), регулируя поступление в клетку разнообразных веществ и другие биохимические процессы клетки. Количество и состав фосфолипидов влияют на технологию переработки масел и качество получаемых продуктов.
Выделенные в качестве самостоятельных продуктов из растительных масел фосфолипиды широко используются в качестве эмульгаторов в хлебопекарной и кондитерской промышленности, при производстве маргариновой продукции, а также лечебных препаратов.
ФУНКЦИИ И СВОЙСТВА ЖИРОВ
Липиды по функциям в живых организмах делят на запасные и структурные. Это деление, несмотря на его условность, широко применяется. Отдельные авторы, подчеркивая защитные функции структурных липидов, выделяют их в особую группу. Запасные липиды, в основном ацил глицерины, обладая высокой калорийностью, являются энергетическим и строительным (резервным) материалом организма, они используются им при недостатке питания и заболеваниях; запасные липиды являются защитными веществами, помогающими растению переносить неблагоприятное воздействие внешней среды, например низкие температуры. Запасные липиды животных и рыб, концентрируясь в подкожной жировой ткани, защищают организм от холода. Жировая ткань, окружающая внутренние органы, предохраняет их от травм. Запасные липиды семян большинства масличных растений и животных являются основной по массе группой липидов (иногда до 95...96 %), извлекаемых из жиросодержащего материала.
Структурные липиды, в первую очередь фосфолипиды, образуют сложные комплексы с белками (липопротеины), с углеводами и в составе клеточных структур участвуют в разнообразных биохимических процессах, протекающих в клетках. Структурные и защитные липиды (воски) составляют значительно меньшую группу липидов (в масличных семенах 3...5 %). Это трудноизвлекаемые связанные и прочносвязанные липиды. Для их извлечения необходимо предварительно разрушить их связь с белками, углеводами и другими компонентами клетки. Воски, выполняющие защитные функции, могут быть условно отнесены к защитным липидам.
Для триацилглицеринов характерны следующие основные хи
434
мические превращения: гидролиз, обмен остатков жирных кислот (переэтерификация), входящих в их молекулы, окисление, гидрирование ненасыщенных ацилглицеринов.
Под влиянием фермента липазы, кислот, щелочей масла и жиры гидролизуются, образуя сначала ди-, затем моноацилгли-церины и в итоге жирные кислоты и глицерин.
о
Н2С—O-C-R
HC-O-C-R.
I II о H2C-O-C-R2
н2с-он I
+ ЗН,0	HC-OH + RCO0H + R.COOH + R.COOH
4 ЛиПЭЗЗ	.
эд q__0эд	Смесь жирных кислот
Глицерин
о Триацилглицерии
Полный гидролиз триацилглицеринов можно выразить следующей схемой:
о
II
Н2С—О—С—R I
HC-O-C-R,
Н2С—О—С—R, II
О
Триацилглицерии
Н2С-О-Н • I кислота, щелочь, ______„___„__+ RCOOH кислота,
липаза	‘ S и S К1	щелочь, *
О	Жирная ли||йза
Н2С—О—С—R,	кислота
II О
2,3-Диапилглицерин
н,с-он
I
HC-O-C-R. + R2COOH
I II
Q	Жирная
Н2С—ОН	кислота
2- Моноани лгимцерин
Н2С-ОН I кислота, щелочь, г ____
липаза ~ * ''L ।
Н2С-ОН Глицерин
+ RjCOOH
Жирная кислота
Щелочной гидролиз получил название омыления, так как в результате его образуются соли жирных кислот — мыла.
Гидролитический распад жиров и масел, липидов зерна и продуктов его переработки, мяса и рыбы, многих других видов пищевого сырья и готовой продукции — это одна > из причин ухудшения их качества, приводящая в итоге к порче. Этот процесс особенно ускоряется при повышении содержания влаги в хранящихся продуктах, температуры и активности фермента липазы. Гидролитический распад липидов и липидосодержащих продуктов играет важную роль во многих процессах пищевой технологии и кулинарной обработки пищевых продуктов.
Количество свободных жирных кислот в масличном сырье
435
либо в пищевых продуктах может быть оценено с помощью величины кислотного числа.
Кислотное число — это количество милиграммов едкого кали, необходимого для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в одном грамме жира. Для ряда пищевых продуктов кислотное число нормируется.
Жиры и масла нестойки при хранении. Нестойкость их — это следствие особенностей строения их жирнокислотных остатков (ацилов). Растительные и животные жиры, а также масличные семена и другие жиросодержащие продукты под влиянием кислорода воздуха, света, влаги, ферментов постепенно приобретают неприятные вкус и запах. В них накапливаются вредные для организма человека продукты окисления жирных кислот, снижается их пищевая и физиологическая ценность, и они могут оказаться непригодными для употребления. Совокупность этих процессов получила название прогоркания. Прогоркание жиров и жиросодержащих продуктов — результат сложных химических и биохимических процессов, протекающих в липидном комплексе. Различают окислительное и гидролитическое прогоркание.
Жиры и масла, особенно содержащие остатки ненасыщенных (линоленовой, линолевой, олеиновой) жирных кислот, легко окисляются кислородом воздуха. Начальными продуктами окисления являются разнообразные по строению пероксиды и гидропероксиды, которые получили название первичных продуктов окисления. В результате сложных превращений пероксидов образуются вторичные продукты окисления: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты с углеродной цепочкой различной длины, а также их разнообразные производные. Именно эти вещества вызывают появление неприятного привкуса, а входящие в их состав летучие соединения обусловливают ухудшение запаха. В основе этого типа прогоркания лежат цепные радикальные процессы, в которых участвуют кислород воздуха и ненасыщенные жирные кислоты или их остатки. Окислительное автокаталитическое прогоркание индивидуальных жиров — это один из основных процессов, снижающих качество пищевых жиров при. хранении.
На его скорость влияют жириокислотный состав окисляющегося жира, наличие кислорода, воздействие световой энергии, наличие веществ, ускоряющих процесс окисления (катализаторов) и его замедляющих (ингибиторов).
Чем выше степень непредельности остатков жирной кислоты, тем больше скорость их окисления, т. е. кислоты по способности к окислению можно расположить в следующий ряд:
> с' > с®
с18 '“18 е18 48-
436
Следовательно, природа жирных кислот, входящих в состав жира, является важнейшим показателем его склонности к окислению.
Скорость автоокисления жиров возрастает при увеличении кислорода в окружающей среде (его парциального давления). На этом основан способ хранения жиров в среде с пониженным содержанием кислорода. Окисление жиров ускоряется с повышением температуры хранения и под действием световой энергии. Ионы металлов переходной валентности (Си, Fe, Мп, Ni) могут оказывать как каталитическое, так и ингибирующее действие на процесс автоокисления жиров. Большое влияние на скорость окисления оказывают антиоксиданты (ингибиторы) — вещества, замедляющие процесс окисления. Наибольшее значение для ингибирования автоокисления жиров имеют антиоксиданты фенольной природы: бутилокситолуол, додецилгаллат. Ингибирующей активностью обладают многие природные вещества, переходящие в масла при их извлечении из масличных семян, — токоферолы, госсипол, меланоидины, меланофосфолипиды и др.
Ферментативное окислительное прогоркание, характерное для масличных семян, зерна, продуктов их переработки, протекает при участии ферментов липазы и липоксигеназы.
Липаза осуществляет гидролиз триацилглицеринов; липоксигеназа катализирует образование гидропероксидов ненасыщенных жирных кислот (главным образом линолевой и линоленовой).
В общем виде этот процесс может быть представлен в виде схемы
437
При извлечении липидов из масличного сырья в масло переходит большая группа сопутствующих жирам жирорастворимых веществ: стероиды, терпены, пигменты, жирорастворимые витамины и некоторые другие соединения. Часто, эти вещества объединяют в «группу неомыляемых веществ. Они играют большую роль в пищевой технологии и влияют на пищевую и физиологическую ценность полученных продуктов питания. Извлекаемая из природного объекта смесь, состоящая из соединений различного химического строения, получила название «сырого» жира. Упрощенная схема компонентов «сырого» жира может быть представлена следующим образом:
ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ МАСЕЛ И ЖИРОВ
Растительные жиры и масла являются обязательным компонентом пищи, источником энергетического и пластического материала для человека, поставщиком ряда необходимых для него веществ, т. е. являются незаменимыми. Рекомендуемое содержание жиров в рационе человека (по калорийности) составляет 30...35 %, в среднем 33 %. Для населения южных районов России рекомендуется более низкое потребление жиров — 27...28 %, для северных — более высокое — 38...40 %, а в весовых единицах потребления в среднем 100... 108 г в сутки, в том числе непосредственно в виде жиров 50...52 г. Длительное ограничение жиров в питании или систематическое использование жиров с пониженным содержанием необходимых компонентов — незаменимых жирных кислот приводит к физиологическим отклонениям: нарушается деятельность центральной нервной системы, снижается устойчивость организма к инфекциям (иммунитет), сокращается продолжительность жизни. Но избыточное потребление жиров также нежелательно, оно приводит к ожирению и сердечно-сосудистым заболеваниям.
438
Наиболее важные источники жиров в питании — растительные масла (в рафинированных маслах 99,7.-99,8 % липидов), сливочное масло (61,5...82,5 % липидов), маргарин (до 82 % липидов), кулинарные жиры (99 %).
В питании имеет значение не только количество, но и химический состав липидов, особенно содержание полиненасыщенных (линолевой Cj8, линоленовой С^8, арахидоновой С^) кислот. Линолевая и линоленовая кислоты не синтезируются в организме человека, арахидоновая — синтезируется из линолевой кислоты. Поэтому они получили название незаменимых или эссенциальных кислот.
Более 50 лет назад была доказана необходимость их для нормального функционирования и развития организма. Ненасыщенные жирные кислоты участвуют в построении клеточных мембран, в синтезе простагландинов (сложные органические соединения, которые участвуют в регулировании обмена веществ в клетках, кровяного давления, агрегации тромбоцитов), способствуют выделению из организма избыточного количества холестерина, предупреждая и ослабляя атеросклероз, повышают эластичность стенок кровеносных сосудов. Но эти функции выполняют только ((«с-изомеры ненасыщенных кислот. При их отсутствии прекращается рост организма и возникают тяжелые заболевания.
Биологическая активность указанных кислот неодинакова. Наибольшей активностью обладает арахидоновая кислота, высокой — линолевая, активность линоленовой кислоты значительно (в 8... 10 раз) ниже линолевой.
Среди продуктов питания наиболее богаты полиненасыщен-ными кислотами растительные масла, в которых содержание линолевой кислоты составляет 50...60 %, значительно меньше ее в маргарине — до 20 %, крайне мало в животных жирах (в говяжьем жире 0,6 %). Арахидоновая кислота в продуктах питания содержится в незначительном количестве.
В настоящее время считают, что суточная потребность организма человека в линолевой кислоте составляет 10... 12 г, минимальная — 2...6 г. Следовательно, состав жирных кислот липидов в пищевых продуктах должен быть сбалансированным: 10 % полиненасыщенных, 60 — мононенасыщенных и 30 % насыщенных. Это обеспечивается при использовании в пищевом рационе 1/3 растительных и 2/3 животных жиров.
ПОЛУЧЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
Современная технология производства растительных масел включает в себя операции подготовки семян к хранению и хранение семян; подготовительные операции, связанные с подготовкой семян к извлечению масла; операции прессования и
439
экстракции масла, первичной и комплексной очистки масла, переработки шрота (рис. 89).
Специфической особенностью подготовки семян подсолнечника к переработке является их разделение по размерам, как правило на крупную и мелкую фракции, перерабатываемые отдельно по различным технологическим схемам.
В настоящее время для извлечения масла из семян применяют два способа: последовательное извлечение масла при переработке семян с высоким содержанием масла — сначала прессовым способом, при котором получают примерно 3/4 всего масла, а затем экстракционным, с помощью которого извлекают осталь-
Поступление семян транспортом поставщиков.
Очистка от примесей. Снижение содержания влаги (сушка). Хранение. Передача в производство Очистка от примесей.
Кондиционирование семян по содержанию влаги и размерам. Обрушивание семян и отделение оболочки. Измельчение
Инактивация и влаготепловая обработка. Отжим масла. Получение лепестковой структуры экстрагируемого материала. Первичная очистка прессового масла Экстракция масла. Переработка мисцеллы. Обработка шрота
Очистка масла в гущеловуш-ках. Фильтрация. Получение фосфатидного концентрата
Извлечение белков и получение белковых продуктов. Обогащение шрота
Рис. 89. Основные процессы получения растительных масел
440
ное масло, и однократное извлечение масла из низкомасличных семян методом экстракции, получившее название метода прямой экстракции.
Как видно из рис. 89, технологическая схема получения растительных масел существенно упрощается при переходе к схеме прямой экстракции, при которой извлечение масла осуществляется только методом экстракции. В этом случае исключаются операции предварительного прессования.
При переработке масличного сырья, не требующего отделения семенной (или плодовой) оболочки от ядра семян, исключаются операции обрушивания и отделения оболочки.
Сушка и хранение масличного сырья. Период заготовки большинства видов масличного сырья длится не более 2...3 мес, поэтому необходимо сохранить большие партии семян до переработки. в течение длительного времени с минимальными потерями и без ухудшения качества.
Семена большинства масличных растений поступают после уборки на хранение с содержанием влаги, превышающим оптимальные значения для хранения и технологической переработки. Для храняшихся семян характерен дыхательный газообмен, или дыхание, — закономерный процесс, направленный на сохранение семенами жизнеспособности. Дыхание требует расхода запасных веществ семян, в первую очередь липидов или масла. Поэтому в ходе хранения масличность семян снижается, в масле растет содержание свободных жирных кислот и продуктов их окисления.
Интенсивность дыхания зависит от содержания влаги в семенах, их температуры и газового состава атмосферы, окружающей семена. Эти факторы воздействую! не только на семена, но и на все живые компоненты семенной массы — микроорганизмы и различных насекомых, всегда присутствующих на семенах и сорных примесях, семенах сорных растений.
Семенная масса, состоящая из семян, полностью закончивших созревание на растении, имеет низкую влажность и низкий уровень дыхания. Условия для развития жизнедеятельности других живых организмов в такой семенной массе затруднены. При повышении содержания влаги в семенах интенсивность дыхания семенной массы возрастает вначале медленно, затем, начиная с определенной границы влажности (критической влажности), резко. Скачкообразное возрастание интенсивности дыхания, отражающее активизирование всех биохимических процессов в семенах, идущих с расходованием запасных веществ семян, обусловлено появлением в тканях семян свободной влаги, которая в отличие от связанной способна участвовать в биохимических реакциях.
Хранение семян при повышенных температурах также способствует росту дыхания семенной массы, при понижении тем-
441
пературы интенсивность дыхания падает, расходование запасных веществ семян прекращается. Охлаждение семян до низких плюсовых или небольших минусовых температур продуванием холодного воздуха через семенную массу благотворно влияет на иХ качество даже при хранении семян с влажностью выше критической. Одним из перспективных способов хранения влажных семян является хранение в регулируемых газовых средах, содержащих 1...2 % кислорода, остальное — азот. Почти полное отсутствие кислорода тормозит дыхание семенной массы, в результате чего качество семян может быть сохранено. Для хранения семян этим способом необходимы специальные хранилища, оборудованные устройствами для удаления из семенной массы паров воды и диоксида углерода, выделяемых семенами при дыхании. Сложность устройств и хранилищ сдерживает применение этого способа в промышленных условиях. Поэтому при подготовке масличных семян к хранению необходимо снизить их влажность до уровня ниже критической.
Наиболее распространенный метод снижения содержания влаги в семенах перед хранением — тепловая сушка, в процессе которой семена нагревают с помощью сушильного агента (обычно в смеси воздуха и дымовых газов). Высушенные семена затем охлаждают, продувая через них атмосферный воздух.
Для сушки семян широко применяют сушилки шахтного типа (ВТИ, СЗШ, ДСП) (рис. 90).
Высушиваемые семена из бункера / проходят через сушильную шахту, где расположены короба, подводящие и выводящие из шахты газовоздушную смесь. Семена, опускаясь под действием своей массы между коробами, нагреваются смесью воздуха и дымовых газов, поступающих из специальной топки. Влага, со-
Рис. 90. Схема сушилки шахтного типа
442
держащаяся в семенах, при этом испаряется, а высушенные семена охлаждаются в охладительной камере 4, где через семенную массу подают атмосферный воздух. Высушенные семена поступают в приемный бункер 5.
Сушка ведется по одно- и двухступенчатому режиму. При двухступенчатом режиме сушку сначала проводят при невысоких температурах сушильного агента, а окончательное досушивание — при повышенных температурах, экономически более выгодных. Снижение содержания влаги повышает термостойкость семян.
Сушильная шахта сушилки, работающая по двухступенчатому режиму, разделена на две части. В верхней части 2 (первая ступень) семена сушат при низких температурах, а в нижней части 3 (вторая ступень) семена досушивают при повышенных
температурах.
При одноступенчатой сушке в сушильную камеру поступает смесь воздуха и дымовых газов одной температуры.
Под влиянием тепловых воздействий в высушенных семенах идут химические и биохимические процессы, улучшающие технологические свойства семян.
В последние годы для интенсификации процесса сушки семян и повышения съема влаги из семян применяют газовые рециркуляционные сушилки. Одной из разновидностей таких сушилок является сушилка «Целинная-50» (рис. 91), предназначенная для сушки семян подсолнечника. Высушиваемые семена поступают в надсушильный бункер 5, проходят камеру нагрева 4 и направляются в бункера теп-ловлагообменника 2, а затем в шахты промежуточного / и окончательного 7 охлаждения, устройство которых аналогично устройству шахт сушилки шахтного типа. Отработавший сушильный агент отсасывается вентилятором 6, наружный воздух подается в шахты вен-
Рис. 91. Устройство газовой рециркуляционной сушилки «Целинная-50»
443
тилятором. Часть семян, прошедших сушку, возвращается в надсушильный бункер, куда продолжают пощупать сырые семена. Горячие высушенные семена контактируют в надсушильном бункере с холодными сырыми семенами. В результате контактирования прошедшие сушку семена охлаждаются и у них несколько повышается содержание влаги, а сырые нагреваются и подсушиваются. Затем семена поступают в сушильную шахту и там просушиваются. Таким образом, в надсушильный бункер все время поступает часть высушенных, но не полностью охлажденных семян. Это способствует увеличению съема влаги, уменьшению нагрева семян и повышает экономичность сушки.
В тепловлагообменнике при установившемся режиме работы сохраняется постоянный уровень семян.
Потоки семян регулируют так, чтобы сырые семена непрерывно поступали в сушилку, а из шахты окончательного охлаждения непрерывно выходило такое же количество высушенных семян. Чем выше содержание влаги в семенах, поступающих в сушилку, тем меньше должно выходить их из шахты окончательного охлаждения и больше должно подаваться на рециркуляцию из шахты промежуточного охлаждения в надсушильный бункер.
Снижение содержания влаги будет тем больше, чем выше кратность рециркуляции. Таким образом, в этой сушилке семена, подвергаемые сушке, несколько раз проходят циклы нагрева, отлежки и промежуточного охлаждения. Часть семян поступает в камеру окончательного охлаждения и выходит из сушилки, а для остальных семян цикл повторяется (семена рециркулируют).
Камера нагрева сушилки выполнена из железобетона и имеет прямоугольную форму. Внутри камеры в поперечном направлении установлено 20 рядов чугунных труб диаметром 100 мм. Для лучшего и более равномерного распределения падающих семян по сечению камеры трубы каждого последующего ряда сдвинуты на 100 мм относительно предыдущего ряда.
Сушильный агент температурой 300...350 °C по воздуховоду 3 поступает в нижнюю часть камеры нагрева, где он движется навстречу семенам. Содержание влаги в семенах снижается на 10...12 %.
Заводы, перерабатывающие масличные семена, имеют обширные складские хозяйства со всеми вспомогательными службами. Наиболее совершенные — это хранилища силосного или элеваторного типа, состоящие из круглых или квадратных в сечении железобетонных ячеек 2, в которых хранятся семена (рис. 92).
Система горизонтальных транспортеров обеспечивает подачу семян из сушильно-очистительных устройств 1 в любую из силосных ячеек, система вертикального перемещения — нории — обеспечивает подъем семян на верхние ленточные транспортеры 3.
Элеваторные хранилища компактны, огнестойки, обеспечивают полную механизацию всех работ с семенами с использовани-
444
Рис. 92. Элеватор для семян
ем дистанционного управления. Но в элеваторных хранилищах, в которых высота слоя семян составляет 30 м, не могут храниться семена с плохой сыпучестью (семена хлопчатника) и семена с непрочной семенной оболочкой (клещевина), которая может быть разрушена при загрузке силосов или выгрузке из них из-за значительных механических усилий на ткани семян.
Менее интенсивным воздействиям подвержены семена при хранении в механизированных складах, загрузка и выгрузка семян из которых также полностью механизированы, но высота слоя семян составляет до 15 м. В таких складах могут храниться все масличные семена, кроме хлопковых.
Для хранения семян хлопчатника и трудносыпучих видов масличного сырья применяют шатровые склады с плоскими полами. Загрузка таких складов механизирована, выгрузка требует применения передвижных погрузчиков.
Обрушивание семян. Запасы масла в тканях масличных семян и плодов распределены неравномерно: главная часть сосредоточена в ядре семян — в зародыше и эндосперме, плодовая и семенная оболочки содержат относительно небольшое количество масла, имеющего другой (худший по пищевой ценности) липидный состав.
445
А-А
Рис. 93. Рушка центробежная РЗ-МОС
В связи с этим при переработке многих масличных семян и плодов плодовые и семенные оболочки отделяют от основных маслосодержащих тканей — ядра. При этом повышается масличность перерабатываемого сырья, увеличивается производительность технологического оборудования, растет качество масла и белка.
Отделение оболочек от ядра складывается из операции разрушения покровных тканей семян —- обрушивания и последующего разделения (отвеивания) полученной смеси — ру-шанки на ядро и шелуху (лузгу).
В зависимости от физикомеханических свойств оболочки и ядра масличные семена и плоды обрушивают различны
ми методами. Важнейшее требование к операции обрушивания — разрушение оболочки не должно сопровождаться дроблением или разрушением ядра. Из-за несовершенства существующих обрушивающих машин это требование в полной мере не выполняется.
Плодовую оболочку подсолнечных семян разрушают на центробежной обрушивающей машине РЗ-МОС (рис. 93), обеспечивающей однократный направленный удар семян о деку.
Семена подсолнечника непрерывным потоком поступают на предохранительную решетку 3, где равномерно распределяются тонким слоем по всей ее площади. Примеси, более крупные, чем семена, отделяются. Затем семена через распределительное устройство 2 поступают в пятнадцать радиальных направляющих каналов 6 рабочих дисков 4 верхней и нижней рабочих зон вместе со всасываемым воздухом. Диаметр диска ротора 380 мм, частота вращения ротора 2100...2400 мин-*. Из радиальных каналов 6, футерованных износостойкой керамикой, семена выбрасываются на кольцевую деку 5. При этом происходит обрушивание семян подсолнечника за счет однократного направленного удара вдоль большой оси семянки. Рушанка по патрубкам 77 из корпуса 7 поступает на цилиндрическое сито 13, расположенное внутри циклона 12. Диаметр отверстий сита 4 мм. При движении рушанки нисходящей спиралью по цилиндрическому ситу происходит отделение из рушанки части масличной пыли, которая затем по течке 9 отводится в линию ядра. Рушанка по течке 10 поступает в аспирационную вейку.
446
Конструктивными элементами обрушивающей машины являются станина рушки 8, вал ротора 7.
Качество обрушивания семян (качество рушанки) характеризуется содержанием в ней нежелательных фракций — целых семян и разрушенных частично, так называемый целяк или не-доруш, раздробленного ядра (сечка) и масличной пыли. Присутствие целых и частично разрушенных семян увеличивает лузжис-тость ядра, присутствие сечки и масличной пыли увеличивает потери масла с отделяемой лузгой.
Разделение рушанки на лузгу и ядро основано на различии в их размерах и аэродинамических свойствах. Поэтому сначала получают фракции рушанки, содержащие частицы лузги и ядра одного размера, а затем в потоке воздуха рушанку разделяют на лузгу и ядро. Такой способ разделения рушанки применен в аспирационной семеновейке Р1-МСТ.
Аспирационная семеновейка Р1-МСТ (рис. 94) состоит из
------Рушанка	— о—z— Ядро с мелкой лузгой—/—/— Лузга
—*—/— Недаруш слузгай------Масличная пыль —//—о—Перебей
—о—х— Ядро с недорушем------Воздух	—о—о— Ядро
Рис. 94. Аспирационная семеновейка Р1-МСТ
447
двух основных частей — рассевов 1 и 2 и аспирационной камеры 3. В передней части рассева — предрассеве рушанка освобождается от мелкой фракций, состоящей из части лузги и ядра. Собственно рассев служит для разделения рушанки на шесть фракций по размерам частиц. Для этого в рассеве расположены друг над другом три ряда сит, каждое сито по длине разделено на два неравных участка — длинный и короткий. Под первым и вторым рядами сит установлены раздельные поддоны из кровельной стали, под третьим — общий поддон. Диаметры отверстий в ситах уменьшаются сверху вниз примерно на 2 мм между соседними рядами. Рассев вейки при работе совершает круговые движения в горизонтальной плоскости радиусом 45 мм с частотой 200 мин-1.
В аспирационной камере для разделения фракций рушанки, полученных в рассеве, имеется пять независимых воздушных каналов (шестая фракция — масличная пыль воздушной обработке не подвергается).
Каждая из фракций рушанки под действием своей массы пересыпается с одной полочки 4 воздушного канала на другую и при этом продувается потоком воздуха. Последний уносит в осадочные конусы аспирационной камеры 3 лузгу, а ядро, освобожденное от лузги, сходит с последней полочки. Так как полного разделения лузги и ядра в один прием достичь не удается, перевей первого из осадочных конусов, содержащий вместе с лузгой некоторое количество ядра, направляется на повторную обработку в такую же аспирационную вейку, а недоруш — в воздушно-ситовый сепаратор, аналогичный применяемым для очистки семян, для отбора лузги из недоруша. Затем недоруш идет на повторное обрушивание. Ядро поступает на дальнейшую переработку, а лузга выводится из цеха.
Качество работы рушально-веечного цеха оценивают по величине остаточного содержания лузги в готовом ядре и потерям масла с отводимой из цеха лузгой.
Оболочки хлопковых семян отделяют на машинах другой конструкции, однако технологическая последовательность операций остается такой же.
Измельчение семян. Для извлечения масла из семян необходимо разрушить клеточную структуру их тканей. Конечным результатом операции измельчения является перевод масла, заключенного в клетках семян, в форму, доступную для дальнейших технологических воздействий. Необходимая степень измельчения достигается путем воздействия на обрабатываемый материал механических усилий, производящих раздавливающие, раскалывающие, истирающие или ударные действия. Обычно измельчение достигается сочетанием нескольких видов указанных усилий.
Получаемый после измельчения семян материал называется мяткой и отличается очень большой удельной поверхностью, так
448
Рис. 95. Вальцовый станок ВС-5 пять валков, расположенных
как помимо разрушения клеточных оболочек при измельчении нарушается также внутриклеточная структура маслосодержащей части клетки, значительная доля масла высвобождается и сразу же адсорбируется на поверхности частиц мягки.
Хорошо измельченная мятка должна состоять из однородных по размеру частиц, проходящих через сито' с отверстиями диаметром 1 мм, не должна содержать целых, неразрушенных клеток, и в то же время содержание очень мелких (мучнистых) частиц в ней должно быть невелико.
Для получения мягки применяют вальцовые станки. Рабочими органами наиболее широко применяемого станка типа ВС-5 (рис. 95) являются
один над другим; верхний валок рифленый, остальные гладкие. Все валки закреплены на станине 7.
Измельченное ядро поступает на щит 2, направляющий его к проходу между верхними двумя валками 3, где оно измельчается с помощью ножей 4. С помощью следующего щита измельчаемый материал направляется к проходу между следующими валками. При максимальном измельчении материал делает 4 прохода. Диаметр валков 400 мм, частота вращения 162... 165 мин-1. Все пять валков приводятся во вращение от привода.
Более совершенными являются четырехвалковый станок Б6-МВА и плющильно-вальцовый станок ФВ-600 (рис. 96). Принцип работы последнего заключается в однократном проходе ядра между одной из двух независимых пар валков 1. Для каждой пары валков предусмотрено отдельное вибрационное загрузочное устройство 3. Каждая пара валков приводится во вращение от индивидуального привода. Один из валков в каждой паре может перемещаться с помощью механического устройства или автоматически с помощью гидромеханического устройства 2, развивающего давление 16 МПа и обеспечивающего постоянное расстояние между работающими валками. Очистка валков осуществляется с
449
3
Рис. 96. Плющильно-вальцовый станок ФВ-600
помощью ножей 4. Диаметр валков 600 мм, частота вращения 300 мин-1.
Извлечение масла. Масло, адсорбированное в виде тонких пленок на поверхности частиц мятки, удерживается значительными поверхностными силами. Для эффективного извлечения масла необходимо эту связь ослабить. С этой целью используют гидротермическую (влаготепловую) обработку мятки — приготовление мезги или жарение. При увлажнении и последующей тепловой обработке мятки ослабевает связь липидов с нелипидной частью семян — белками и углеводами и масло переходит в относительно свободное состояние. Затем мятку нагревают до более высоких температур, вязкость масла заметно снижается, одновременно снижается и содержание влаги в мятке, происходит частичная денатурация белков, изменяющая пластические свойства мятки. Мятка превращается в мезгу.
В производственных условиях приготовление мезги состоит из двух этапов. Первый — увлажнение мятки и первоначальный подогрев осуществляется в инактиваторах или пропарочно-увлажнительных шнеках. Интенсивное кратковременное нагревание мятки до температуры 80...85 °C с одновременным увлажнением до 8...9 % (для подсолнечника, льна) способствует равномерному распределению влаги в мятке и частичной инактивации гидролитических и окислительных ферментов семян, ухудшающих качество масла. Второй этап — нагревание мятки до 105 °C и ее высушивание до конечного содержания влаги (5...6 %) — осуществляется в жаровнях различных конструкций. Мезга с такими характеристиками обеспечивает эффективный предвари-450
гсльный отжим масла на прессах. Жаровни для приготовления мезги по конструкции подразделяются на чанные, барабанные и шнековые.
Наиболее широко применяют чанные жаровни, состоящие из 6 или 5 последовательно работающих чанов. Шестичанные жаровни Ж-68 имеют чаны диаметром 2100 мм и высотой 435 мм, расположенные один над другим. По вертикальной оси жаровни проходит общий вал, на котором в каждом чане установлены пожи-мешалки.
Как правило, жаровни входят в состав агрегата, состоящего из одной жаровни и одного-двух прессов предварительного прессования.
Масло отжимается в шнековых прессах различных конструкций. Шнековый пресс (рис. 97) состоит из разъемного ступенчатого цилиндра и шнекового вала. Стенки ступенчатого цилиндра—зеера выполнены из стальных пластин, уложенных в каркасе цилиндра так, что между пластинами имеются узкие щели для выхода отпрессованного масла. Шнековый вал 1 состоит из отдельных винтовых звеньев, по длине разделенных промежуточными цилиндрическими или коническими кольцами, и прилегающих к нему ножей 5 зеерного барабана 3.
Мезга поступает в приемную часть ступенчатого цилиндра через питатель 2, захватывается там витками 4 шнекового вала 1
451
Рис. 98. Агрегат РЗ-МОА
и перемещается вдоль него к выходному отверстию. Давление, развиваемое шнековым прессом, достигает 30 МПа, степень уплотнения (сжатия) мезги 2,8...4,4 раза, продолжительность прессования 78—225 с в зависимости от типа пресса.
Современный шнековый мас-лопресс РЗ-МОА-Ю входит в состав маслоотжимного агрегата РЗ-МОА.
Агрегат РЗ-МОА (рис. 98) состоит из семичанной жаровни 2, шнекового пресса 1 с питателем 4, крана-укосины 3 с электро-талыо, применяемого при разборке зеера пресса. Агрегат осуществляет автоматическое регулирование уровня мезги в верхнем чане жаровни. Жмых выходит из пресса в виде ракушки или гранул. Шнековый вал пресса вращается с частотой 42—72 мин-1, диаметр чанов жаровни 3000 мм, поверхность нагрева жаровни 80 м2. Производительность пресса по семенам подсолнечника 300 т/сут.
Прессовым способом невозможно добиться полного обезжиривания мезги, так как на поверхности жмыха, выходящего из пресса, всегда остаются тонкие слои масла, удерживаемые поверхностными силами, во много раз превышающими давление, развиваемое современными прессами.
Даже на прессах, работающих с максимальным съемом масла и развивающих максимальные давления, получают жмых мас-личностыо 4...7 %. На прессах предварительного прессования — форпрессах, наиболее широко применяемых в промышленности, получают жмых масличностыо 15... 17 %.
Единственным способом, обеспечивающим практически полное извлечение масла, является экстракционный способ.
Форпрессовый жмых перед экстракцией структурируют, придавая ему структуру крупки, гранул или лепестков, обеспечивающую максимальное извлечение масла растворителем.
Схема экстракционного процесса представлена на рис. 99.
В качестве растворителей для экстракции растительных масел применяют экстракционный бензин марки А (ТУ 38.101303) и нефрас (ОСТ 38.01199) с температурой кипения в пределах
452
63...75 °C. Перспективным является нефрас с более узким интервалом между началом и концом кипения (65...75 °C).
Экстракцию растительных масел чаще всего ведут способами погружения экстрагируемого материала в противоточно движущийся растворитель в условиях абсолютного противотока или многоступенчатого орошения растворителем в условиях относительного противотока, когда перемещается только растворитель, а экстрагируемый материал остается в покое на перемещающейся ленте, в ковше, секции ротора и др. Другие способы экстракции распространены меньше. Преимущества экстракции погружением — высокая скорость экстракции, небольшая продолжительность процесса, простота конструкции экстракционного аппарата и высокий коэффициент использования его геометрического объема (до 95 %). Последнее исключает возможность образования в экстракторе взрывоопасной смеси воздуха и паров растворителя. К недостаткам экстракторов этого типа относятся низкая концентрация конечной мисцеллы (15...20 %), высокое содержание примесей в мисцелле, большие габариты экстрактора по высоте.
Преимущества экстракции многоступенчатым орошением — получение чистых высококонцентрированных мисцелл (35...40 %), недостатки — более длительный процесс экстракции, невысокий коэффициент использования геометрического объема экстрактора (45 %) и возможность образования взрывоопасных смесей паров растворителя и воздуха внутри аппарата, сложность конструкции экстрактора.
По способу погружения работает вертикальный шнековый экстрактор НД-1250 (модернизированный). Экстрактор (рис. 100)
Экстрагируемый материал (крупка, гранулы, лепестки)
Шрот на склад
Масло на склад
Рис. 99. Схема экстракционного процесса
453
Рис. 100. Модернизированный экстрактор НД-1250
состоит из загрузочной колонны 2 с декантатором, горизонтального шнека 5 и экстракционной колонны 1. Внутри экстрактора установлены перфорированные рабочие шнеки, которые приводятся во вращение от электродвигателей через редукторы. Растворитель вводят через форсунки 6 в вертикальной части экстракционной колонны 1, а готовую мисцеллу отводят из декантатора через патрубок 3.
В загрузочной колонне 2 предусмотрена установка форсунок 4 для гидроразмыва запрессовок экстрагируемого материала растворителем, подаваемым под избыточным давлением.
В декантаторе мисцелла отстаивается и фильтруется через слой поступающего на экстракцию материала. Шрот выгружается из экстракционной колонны через люки 7. Продолжительность одного оборота шнекового вала экстракционной колонны 72 с, горизонтального шнека 61 с, загрузочной колонны 100 с.
По способу ступенчатого орошения работает горизонтальный ленточный экстрактор МЭЗ (рис. 101). Он представляет собой сварную прямоугольную коробку из листовой стали, внутри которой расположен пластинчатый ленточный транспортер 3, который является рабочим органом экстрактора. Транспортер состоит из рамок, болтами прикрепленных к щекам двух цепей, которые образуют его каркас. К рамкам крепятся стальные перфорированные листы, называемые подкладными, с ячейками 8x8 или 20 х 20 мм. Подкладные листы обтянуты сверху металлической плетеной сеткой с ячейками 0,8 х 0,8 мм, скорость движения ленты от 0,7 до 1,5 • 10-3 м/с.
Продукт, направляемый на экстракцию, поступает в загрузочный бункер 2.
Верхняя рабочая часть ленты транспортера условно разбита на восемь зон орошения. Под верхней частью ленты установлены сборники для рециркуляционной мисцеллы и для сбора мис-целлы, промывающей ленту экстрактора и перетекающей из последнего рециркуляционного сборника. Нижняя часть ленты нерабочая. Здесь сетка ленты очищается щетками от частиц экстрагируемого материала и промывается мисцеллой. Подача
454
мисцеллы на рециркуляцию осуществляется двумя блок-насоса-ми 5, каждый из которых состоит из четырех секций.
Сначала экстрагируемый материал орошается мисцеллой убывающей концентрации, а затем чистым растворителем, которые подаются через форсунки 1. Мисцелла или растворитель, фильтруясь через слой материала, экстрагирует из него масло и в виде мисцеллы более высокой концентрации, чем та, которая поступила на орошение, стекает в расположенный под этой зоной сборник. Мисцелла и материал движутся противотоком. Мисцелла продвигается к выходу из экстрактора только через мис-целлосборники 4. В стенках сборников находятся переливные отверстия, расположенные по нисходящей линии, понижаясь в сторону, противоположную движению экстрагируемого материа-иа. При циркуляции мисцелла направляется на орошение «на себя», т. е. мисцелла, забираемая из сборника, секцией блок-на-сосов подается на орошение своей же зоны, образуя замкнутый цикл циркуляции в своей зоне.
Наиболее совершенным типом экстрактора в настоящее время является роторный карусельный экстрактор. Это камерный противоточный аппарат, работающий по принципу многоступенчатого орошения экстрагируемого материала растворителем в режиме затопленного слоя. Существуют экстракторы в одно- и двухъярусном исполнении.
Рис. 101. Ленточный экстрактор МЭЗ
455
Экстрагируемый материал
Рис. 102. Одноярусный ротационный карусельный экстрактор
Одноярусный экстрактор (рис. 102) состоит из цилиндрического газонепроницаемого корпуса 4, ротора 9, перфорированного (щелевого) днища 5, мисцеллосборников 14, загрузочного и разгрузочного устройств, привода и перекачивающих мисцеллу насосов 1...3.
Ротор состоит из наружной 6 и внутренней 8 обечаек, образующих кольцевое пространство, разделенное радиальными перегородками 7 на секции, или камеры. Днище экстракто-
ра неподвижно, оно состоит из концентрически расположенных щелевых элементов, вы-
полненных из проволоки трапециевидного сечения, образующих щели шириной 0,8 мм сверху и 1,5 мм снизу. К нижним частям радиальных перегородок 7 прикреплены пластины, исключающие забивание щелей днища экстрагируемым материалом. Днище 5 имеет секторный вырез, через который обезжиренный материал (шрот) выводится из экстрактора. Следующий за вырезом участок 13 днища сплошной. После прохождения ротором сплошного сектора днища в него загружается экстрагируемый материал, который подается с помощью насосов 10... 12.
Нижняя часть экстрактора (под щелевым днищем) разделена вертикальными радиальными перегородками, образуя мисцелло-сборники (рис. 103). Для каждой ступени орошения под щелевым днищем расположены мисцеллосборники для стекающей миснел-лы. Днища мисцеллосборников имеют уклон 12° к наружной
Рис. 103. Схема движения мисцеллы в роторном карусельном экстракторе
456
стенке экстрактора и патрубки для вывода мисцеллы к рециркуляционным насосам. Перегородки, разделяющие мисцеллосбор-ники, в нижней части имеют вырезы, позволяющие мисцелле перетекать из камеры в камеру, образуя противоток по отношению к движущемуся материалу. Готовая мисцелла из последней (загрузочной) секции ротора подается в третью по ходу экстрагируемого материала секцию, что позволяет дополнительно улавливать из мисцеллы мелкие твердые примеси — частицы шрота. Затем чистая концентрированная мисцелла выводится из экстрактора.
Экстрагируемый материал располагается в виде слоя высотой 1...1,8 м. По мере медленного вращения ротора (продолжительность одного оборота составляет 35...208 мин) материал орошается мисцеллой возрастающей концентрации, проходя семь ступеней орошения. Работа насосов отрегулирована так, что над экстрагируемым материалом всегда находится небольшой слой мисцеллы или растворителя.
Режим работы экстрактора дискретный — сначала орошение материала, затем сток мисцеллы. Производительность экстракторов роторного типа до 1000 т экстрагируемого материала в сутки, объем материала в экстракторе до 300 м3.
Для очистки мисцеллы от твердых примесей применяют отстойники, гидроциклоны и тканевые фильтры. Если содержание примесей в мисцелле невелико, то мисцеллу очищают, пропуская ее через раствор электролита (5%-й раствор NaCl), например мисцеллу из экстракторов, работающих по способу ступенчатого орошения.
Дистилляция мисцеллы. Мисцелла состоит из легкокипящего растворителя и практически нелетучего масла. При относительно невысоких концентрациях масла в мисцелле, выходящей из экстрактора, процесс удаления растворителя вначале сводится к обычному процессу выпаривания. По мере повышения концентрации мисцеллы температура ее кипения очень быстро возрастает. В связи с этим для уменьшения температуры отгонки и ускорения процесса применяют отгонку растворителя под вакуумом, а также с водяным паром. В масло-жировой промышленности операцию отгонки растворителя называют дистилляцией. Различают дистилляцию распылением, дистилляцию в пленке — в стекающей и поднимающейся пленке и дистилляцию в слое. Эти виды дистилляции применяют на различных стадиях процесса отгонки растворителя из мисцеллы.
В промышленных установках дистилляцию мисцеллы проводят по двух- и трехступенчатой схеме. Установка для трехступенчатой дистилляции экстракционной линии НД-1250 состоит из двух пленочных дистилляторов (первая и вторая ступени дистилляции), работающих последовательно при атмосферном давлении (рис. 104, а), и окончательного (рис. 104, б), работающего под разрежением (остаточное давление 0,04...0,06 МПа).
457
Пленочный дистиллятор (см. рис. 104, а) состоит из сепаратора 1 и трубчатой секции 2.
В пленочных дистилляторах мисцелла, проходящая внутри трубок в виде тонкой поднимающейся пленки, интенсивно обогревается глухим перегретым паром до температуры 60...85 °C.
В окончательном дистилляторе представлены все три метода дистилляции — распылением, в стекающей пленке и слое. Окончательный дистиллятор (см. рис. 104, б) состоит из ггрех камер: распылительной 3, пленочной 4 и дезодорационной 5 — и каплеуловителя 1. Перегретая мисцелла из второго пленочного дис-
Рис. 104. Дистиллятор экстракционной линии НД-1250
458
Рис. 105. Схема дистилляции мисцеллы экстракционной линии МЭЗ: 1мисцелла; 2' — пары растворителя; 3 ' — масло
тиллятора поступает в распылительные форсунки 2. При распылении под вакуумом происходит интенсивная отгонка растворителя. Затем капли распределяются по вертикальным щиткам пленочной камеры и в виде пленки стекают вниз, навстречу острому перегретому пару. В дезодорационной камере почти готовое масло обрабатывается в слое 400...450'мм острым перегретым паром и подогревается глухим паром до температуры 100... ПО °C. Здесь происходит окончательное освобождение масла от следов растворителя.
Дистилляционнаяустановка экстракционной линии МЭЗ трехступенчатая (рис. 105). Первая ступень дистилляции мисцеллы в системе сепаратор 2 уровня первой ступени — экономайзер /. Вторая ступень — в системе сепаратор 4 уровня второй ступени — трубчатый испаритель 3. Третья ступень дистилляции состоит также из двух аппаратов, но уже работающих последовательно: подогревателя-испарителя 5 и окончательного пленочного дистиллятора 6. Все три ступени дистилляции работают под вакуумом: первая при 0,05 МПа, вторая при 0,07 и третья при 0,08...0,09 МПа. Дистилляционная установка экстракционной линии с карусельным роторным экстрактором действует по трехступенчатой схеме и состоит из испарителя первой ступени с опускающейся пленкой, работающего под вакуумом 0,05 МПа, испарителя второй ступени с восходящей пленкой, работающего под таким же вакуумом, и двойной вакуумной ректификационной колонки, которая состоит из двух оросительных колонн с
459
попеременно выпуклыми и вогнутыми тарелками орошения. Масло во всей схеме дистилляции не нагревается выше 90 °C, что обеспечивает его высокое качество.
Качество масла в ходе дистилляции мисцеллы зависит как от технологических параметров процесса — конечной температуры масла и продолжительности обработки мисцеллы, так и от содержания и состава липидов, извлекаемых при экстракции из экстрагируемого материала — фосфолипидов, каротиноидов и других жирорастворимых пигментов, витаминов и провитаминов, а также продуктов окисления липидов и др. Тепловое воздействие на эти группы липидов приводит к их изменению и не только снижает качество масла, но и существенно затрудняет ведение самой дистилляции мисцеллы. Особое значение приобретает проблема удаления перед дистилляцией жирорастворимого пигмента хлопковых семян — госсипола, который при нагревании подвергается разнообразным химическим превращениям и образует продукты, трудноудаляемые из масла. Для удаления госсипола перед дистилляцией мисцеллу подвергают щелочной рафинации. Рафинация (нейтрализация) масла в мисцелле эффективно идет при оптимальной концентрации мисцеллы 35...45 %.
Поэтому мисцеллу, выходящую из экстрактора с более низкой концентрацией, или вначале упаривают на первой ступени дистилляции, или добавляют в мисцеллу масло предварительного прессования, полученное из этих же семян. Мисцелла оптимальной концентрации при температуре 20...22 °C поступает в струйный смеситель, где смешивается с щелочью. Смесь мисцеллы, хлопьев мыла, образующихся при взаимодействии щелочи со свободными жирными кислотами масла, фосфолипидов, госсипола и других веществ подогревают до 60...70 °C и обрабатывают обессоленной водой при температуре 90...95 °C в отстойниках неггрерывного действия. Отсюда очищенная мисцелла поступает в дистилляторы второй ступени.
Отгонку растворителя из осадка (со-апстока), отделенного от мицеллы в отстойниках, проводят в колоннах (рис. 106), которые представляют собой цилиндрический вертикальный корпус 1 со сферической крышкой и коническим днищем. В верхней части его для гашения пены установлен паровой барботер 2, в средней части —- две паровые форсунки 3 для распыления соапстока. Ко-
Рис. 106. Колонна для отгонки растворителя из соапстока
460
полна работает под вакуумом. Нагретый до ПО °C соапсток с растворителем через форсунки выбрасывается в паровое пространство колонны, растворитель испаряется, а соапсток поступает на склад.
Отгонка растворителя из шрота. Выходящий из экстрактора шрот содержит от 20 до 30 % растворителя, который удаляется нагреванием в чанных испарителях (тостерах), конструкция которых аналогична жаровням для приготовления мезги.
Чанный испаритель-тостер (рис. 107) представляет собой аппарат колонного типа, состоящий из 9, 10 и И чанов диаметром 2,1 м. Каждые два чана имеют общую паровую рубашку. Через все чаны проходит вал 7 с ножами-мешалками 2 для перемешивания и перемещения шрота из чана в чан. Тостер загружается через шлюзовой затвор в верхний чан 3, выгружается через клапанный выгрузитель 6.
Для максимально полной отгонки растворителя необходимы высокие температуры. В то же время нагревание шрота повышенной влажности сопровождается денатурацией белков, потерей незаменимых аминокислот, снижает пищевую и кормовую ценность шрота и бел
Рис. 107. Чанный испаритель-тостер
ковых продуктов, которые могут быть получены из него.
В процессе отгонки растворителя из шрота по существующей технологии происходят также изменения, улучшающие качество шрота как кормового продукта: инактивируются токсичные и нежелательные соединения, присутствующие в семенах (рицин семян клещевины, ингибиторы трипсина и химотрипсина семян сои и арахиса), снижается содержание гликозинолатов и горчич-
461
ных эфирных масел семян рапса и горчицы, госсипол семян хлопчатника связывается с белками, достигается оптимальная денатурация белков семян. Поэтому влаготепловая обработка шрота в тостерах должна быть отрегулирована так, чтобы кроме максимально полного отделения растворителя ингибировались антипитательные вещества семян и повышалась питательная ценность шрота.
Шрот в тостере проходит последовательно все чаны, обогрев которых идет глухим паром через днища и боковые стенки.
Каждый чан имеет отвод паров в вертикальный воздуховод — коллектор 5, соединяющий для выравнивания давления в чанах все чаны тостера.
В верхние три чана кроме острого пара подводится вода. В верхнем чане шрот увлажняется, в последующих — высушивается. Это обеспечивает низкое содержание растворителя в готовом шроте и желаемую глубину денатурации белков шрота. В верхней части чанного испарителя расположен расширитель 4, в котором установлена мешалка со скребками для очистки стенок расширителя от прилипших частиц шрота, уносимых парами растворителя и воды.
В шроте, выходящем из тостера, содержание влаги должно быть в пределах 8,5...9 %, растворителя — не выше 0,1, ферропримесей — не более 0,01 %. Температура не выше 40 °C.
Растворитель, удаляемый при обработке мисцеллы и шрота, регенерируется путем конденсации из парогазовых смесей в теплообменниках-конденсаторах и затем возвращается в производство.
Шрот, предназначенный для использования в качестве корма для животных, подвергают гранулированию, предварительно смешивая его с гидрофузом — массой, выпадающей в осадок при обработке водой прессовых и экстракционных масел, или с со-апстоком — осадком, который получают при обработке раствором щелочи мисцеллы или растительного масла. Смешивание шрота с гидрофузом или соапстоком проводят в чанной жаровне, затем в шнеке-смесителе и, наконец, в грануляторе. Готовые гранулы шрота охлаждают, отделяют от мелочи и направляют на склад. Гранулированный подсолнечный шрот согласно требованиям ОСТ 18.43 должен содержать (%): влаги 7...9,5, липидов 2,5...4, белков (протеина) 42...45.
Получение белковых изолятов из шрота. Белок извлекают из шрота сначала водным раствором NaCl, затем NaOH. Нерастворимый осадок отделяют, а экстракт, содержащий 2...3 % белка, очищают и осаждают НО. Осажденный белок промывают и высушивают в распылительной сушилке воздухом при температуре 180...200 °C.
Готовый белок с содержанием влаги 3...8 % фасуют и отправляют потребителям. Суммарный выход белка составляет 20...25 % к массе шрота. Пищевой белок из подсолнечного шрота должен содержать (%): протеина не менее 85, растворимо
462
го протеина (к общему протеину) не менее 80, масла не более 1,5, золы не более 3, клетчатки не более 3.
Нерастворимый остаток шрота после высушивания используют на корм животным.
РАФИНАЦИЯ МАСЕЛ И ЖИРОВ
В растительных маслах в зависимости от их природы, способа извлечения из исходного сырья, условий хранения, кроме основной группы — запасных липидов (триацилглицеринов) содержатся также структурные липиды, определяющие цвет, вкус, запах, свойственные данному виду масла. В зависимости от назначения масла некоторые из этих групп липидов нежелательны. При получении масла из семян прессованием в масло переходят, кроме того, твердые частицы мезги, а также группа чужеродных веществ — остатки гербицидов и пестицидов, накапливающиеся в масличном сырье и переходящие в масло; полициклические ароматические углеводороды, попадающие в семена и масло из окружающей среды; продукты жизнедеятельности микрофлоры, развивающейся на масличном сырье, — афлатоксины и другие токсины.
Процесс очистки масла от нежелательных групп липидов и примесей называется рафинацией, конечной целью которой является выделение из природных масел и жиров триацилглицеринов, свободных от других групп липидов и примесей. Однако не во всех случаях рафинацию проводят до полного удаления всех структурных липидов и примесей, за исключением механических примесей и воды, удаление которых является обязательным уже при первичной очистке масла на маслодобывающих предприятиях.
Удаление из масла твердых взвешенных примесей и воды проводят методом отстаивания в отстойниках, механических гу-щеловушках, с помощью осадительных центрифуг и при фильтровании через ткань на рамных фильтрах-прессах.
Вследствие разнообразия физических и химических свойств липидов, входящих в состав природных масел и жиров, современная рафинация представляет собой комплексный процесс, включающий последовательную цепь технологических операций, отличающихся по характеру химических и физических воздействий на удаляемые группы липидов. Обязательное условие применяемых технологических операций — это сохранение триацилглицериновой части масел и жиров в нативном состоянии.
Полная схема рафинации масел и жиров приведена на рис. 108.
Современная технология полной рафинации предусматривает удаление из масел фосфолипидов (операция гидратации масла), восков и воскоподобных веществ (операция вымораживания), свободных жирных кислот (операция щелочной нейтрализации), красящих веществ (операция отбеливания масла), веществ, ответственных за вкус и запах масел и жиров (операция дезодорации).
463
Рафинированное дезодорированное масло
Подогревание масла. Смешивание его с гидратирующим агентом. Отделение и обработка гвдратационного осадка
Нейтрализация свободных жирных кислот.
Промывка масла с предварительной обработкой лимонной кислотой для удаления мыла. Сушка масла
Охлаждение масла. Выдержка в экспозиторе. Слабый подогрев и фильтрование масла для отделения кристаллов восков
Подогревание масла и смешивание его с сорбентом.
Отделение сорбента от масла
Подогревание масла и его деаэрация. Подогревание и обработка (дезодорация) острым паром в вакууме. Охлаждение масла
Рис. 108. Полная схема рафинации масел и жиров
Полная рафинация необходима не всегда. Ее проводят при получении салатного масла,, поступающего для непосредственного употребления в пишу, для масел и жиров, используемых при производстве маргарина, кондитерских, кулинарных жиров и майонеза.
В других случаях, например при производстве гидрированных жиров, могут быть исключены операции отбелки и дезодорации.
В настоящее время для масел и жиров с низким содержанием свободных жирных кислот рекомендован метод дистилляционной рафинации, исключающий такие операции, как щелочная нейтрализация. В этом случае одновременно происходит удаление из масла свободных жирных кислот и веществ, ответственных за вкус и запах, — одорирующих веществ.
Объем и последовательность технологических операций при рафинации устанавливают конкретно применительно к виду масла, поступающего на обработку.
Так, операция гидратации применяется преимущественно при рафинации подсолнечного масла, хотя этой операции могут подвергаться соевое, арахисовое, кукурузное и хлопковое масла.
Гидратация — это удаление из масла с помощью воды группы веществ с гидрофильными свойствами, важнейшими из которых являются фосфолипиды. Фосфолипиды — ценные в пищевом отношении соединения с антиокислительными свойствами. При хранении масел они выпадают в виде легко разлагающегося осадка, который затрудняет ряд технологических операций по переработке масла. Поэтому фосфолипиды выделяют из масла путем гидратации, а затем использук ного продукта в пищевых, кормовых
Процесс гидратации заключается в смешивании подогретого масла с дозированным количеством воды. Оптимальная температура гидратации масел различная: для подсолнечного масла 45...50 °C, для соевого — 65...70 °C; количество воды, добавляемое в масло, также различно: для подсолнечного масла 0,5...3,0 % от массы масла, для соевого — до 6 %.
Воду и масло смешивают в струйных смесителях или реакторах-турбулизаторах (рис. 109), в которых обеспечивается более полный контакт масла и воды. Затем смесь масла и воды через патрубки 1 и 2 поступает в экспозитор (коагуляторы 3 и 4), где происходят ко-
>т в качестве само< и лечебных целях.
Рис. 109. Реактор-турбулизатор
465
| Пары
Рис. ПО. Вакуум-сушильный аппарат
агуляция и формирование хлопьев осадка. Продолжительность этого процесса, протекающего при медленном перемешивании масла, 20...40 мин. Затем масло, содержащее крупные, сформированные хлопья гидратированных фосфолипидов, поступает на сепаратор или тарельчатый отстойник непрерывного действия. Масло после сепаратора или отстойника передается на дальнейшую рафинацию или сушку, так как содержание влаги в масле после гидратации высокое и хранению оно не подлежит.
Для высушивания масла применяют вакуум-сушильный аппарат колонного типа (рис. ПО), который представляет собой цилиндрический аппарат, где процесс высушивания осуществляется в пленочном режиме в условиях вакуума.
Подогретое до 85...90 °C масло распыляется с помощью трех форсунок 7. При стекании масла по внутренним стенкам и контактным поверхностям 2 образуется тонкая пленка масла, из которого удаляется влага. Остаточное давление в аппарате 2,6...5,3 кПа, начальное содержание влаги масла 0,2 %, конечное — 0,05 %.
Гидратационный осадок (фосфолипидную эмульсию) из сепаратора или отстойника подают для высушивания в ротационнопленочный аппарат цилиндрического типа (рис. 111) через патрубок 7. Внутри аппарата расположен полый вращающийся ротор 2 в виде звездочки, на котором расположено шесть радиальных лопастей. Толщина слоя эмульсии между зазором лопастей и внутренней обогреваемой поверхностью аппарата 1 мм. Остаточное давление в аппарате 2,5 кПа. За время прохождения через аппарат (2 мин) содержание влаги эмульсии снижается с 50...60 до 1 %, и полученный фосфолипидный концентрат через патрубок 3 направляется на фасование.
При гидратации подсолнечного масла высшего и I сортов получают пищевой фосфолипидный концентрат, а при Гидратации масла II сорта — кормовой.
Гидратированное подсолнечное масло должно быть освобождено от восков и воскоподобных веществ. Это достигается путем низкотемпературной очистки, или вымораживания. Сущность процесса
466
Рис. 111. Ротационно-пленочный аппарат
заключается в медленном охлаждении масла до 10... 12 °C при слабом перемешивании в экспозиторе — цилиндрическом аппарате, снабженном рамной мешалкой, с частотой вращения 2 мин"'1. Масло выдерживают в экспозиторе в течение 4...6 ч. Здесь происходит кристаллизация восков, растворенных в масле. Затем масло подогревают до 16... 18 °C для снижения его вязкости и фильтруют на рамных фильтрах-прессах. Для ускорения процесса на фильтрующую поверхность наносят вспомогательные порошки (кизель!ур, фильтроперлит и др.), улучшающие дренажные свойства осадка.
Способ нейтрализации масел щелочью основан на обработке рафинируемого масла водными растворами NaOH, в ходе которой свободные жирные кислоты, взаимодействуя с щелочью, дают водные растворы мыла — соапстоки.
Соапстоки нерастворимы в масле и, так как их относительная плотность выше, чем у масла, образуют осадки (отстой), которые затем отделяют от масла.
В присутствии воды при недостатке щелочи могут образовываться кислые мыла, плохо растворимые в воде. Поэтому для реакции нейтрализации щелочь берут с некоторым избытком против расчетного (по уравнению химической реакции) количества. Избыток щелочи подавляет образование кислых мыл, но он ведет также к нежелательному омылению нейтрального масла. Поэтому эффективность щелочной рафинации определяют как по качеству полученного масла, так и по величине отходов и потерь при нейтрализации. Выход рафинированного масла зависит не только от избытка щелочи, но и от концентрации ее раствора, температуры и продолжительности процесса. При непрерывных методах нейтрализации и невысоком кислотном числе отходы составляют 1,25...1,5 %, потери — 0,1 % к массе масла, поступившего на нейтрализацию.
467
Рис. 112. Аппарат для нейтрализации масла в мыльно-щелочной среде
Нейтрализацию осуществляют путем смешивания в реакторах-смесителях, устройство которых аналогично применяемым при гидратации щелочи и масла. Последующее разделение нейтрального масла и соапстока ведут в центробежном поле на сепараторах. Применяемые в промышленности установки А1 -ЖРН и зарубежные отличаются в основном производительностью и типом применяемых сепараторов.
Температура нейтрализации 85...90 °C, концентрация щелочи от 70 до 150 г/л и избыток щелочи от теоретического количества 5...20 % в зависимости от
кислотного числа масла, поступающего на нейтрализацию.
Другим непрерывным методом нейтрализации является нейтрализация в мыльно-щелочной среде, преимущество этого метода состоит в том, что процессы нейтрализации и отделения образовавшегося мыла совмещают во времени, а также применяют щелочь низкой концентрации и с минимальным избытком,
что снижает потери масла.
Процесс ведут в нейтрализаторе (рис. 112), заполненном раствором щелочи. Масло с помощью перфорированного распределителя I поступает в виде капель диаметром 2 мм в щелочной раствор расширителя 2 и медленно всплывает на поверхность, так как плотность масла меньше плотности водного раствора щелочи. Нейтрализация идет на поверхности всплывающей капли масла, куда направляются более полярные по сравнению с триацилгли-церинами свободные жирные кислоты. С поверхности раствора щелочи в расширителе 2 масло отводят в сушильно-деаэрационный аппарат, предварительно обрабатывая масло раствором лимонной кислоты для разложения мыла. Мыльно-щелочной раствор, содержащий 8... 12 % мыла, непрерывно поступает на мыловаренный завод. Лучшие результаты получают при концентрации щелочи в нейтрализаторе 12...20 г/л и температуре 70...95 °C. При установившемся режиме работы нейтрализатора концентрация щелочи в нем снижается до 1...3 г/л, что обеспечивает минимальные потери масла.
Вариантом щелочной нейтрализации является нейтрализация в мисцелле, применяемая при переработке хлопкового масла, описанная ранее.
Адсорбционная рафинация (отбеливание масла) предусмотре
468
на для растительных масел (кроме подсолнечного), предназначенных для гидрирования и производства маргариновой продукции. Для отбеливания масел — удаления из масла жирорастворимых пигментов — каротиноидов, хлорофиллов, а для хлопкового масла также госсипола и его производных и др. применяют активированные кислотной и термической обработкой отбеливающие бентонитовые глины. Основным компонентом бентонитовых глин являются алюмосиликаты A12O3-nSiO2, в состав которых входят щелочные и щелочноземельные металлы.
Реже для осветления масел применяют активированные угли — в смеси с глинами и отдельно.
При отбелке в масле протекают нежелательные процессы — изомеризация жирных кислот, снижающая биологическую ценность масла, образование в составе триацилглицеринов жирных кислот с сопряженными двойными связями, что приводит к активированию окислительных процессов в отбеленном масле при хранении. Для снижения окислительных процессов в масле при отбеливании рекомендуется процесс вести под вакуумом, а сорбенты предварительно обрабатывать под вакуумом. Масло на отбеливание необходимо направлять только после нейтрализа
ции, промывки и сушки.
Процесс адсорбционной рафинации заключается в приготовлении концентрированной масляной суспензии адсорбента, собственно отбеливании, осуществляемом в две стадии (предварительное и окончательное отбеливание), и отделении адсорбента от основной части масла на фильтрах.
Активные глины вводят в
масло в количестве 0,5...2 % от массы масла (для хлопковых масел — 4...5 %). Температура отбеливания 75...80 °C, остаточное давление в отбельных аппаратах 4 кПа. Для получения суспензии используют 1/4 отбеливаемого масла.
Основная часть масла (3/4 общего количества) поступает в аппарат для предварительного отбеливания (рис. 113), где одновременно осуществляется деаэрация масла. Суспензия, попадая на дно вращающегося диска 1 (п = 274 мин-1), распыляется и контактирует с маслом, которое также распыляется на нижерасположенном диске. В нижней части аппара
В аппарат окончательного отбеливания
Рис. 113. Аппарат для деаэрации и предварительного отбеливания
469
та смесь суспензии и масла интенсивно перемешивается двумя лопастями-мешалками 2. Окончательное отбеливание ведут в специальном аппарате (рис. 114), где смесь суспензии и масла разбрызгивается с помощью распылителя 1, попадает на распределительную тарелку 2 и в виде тонкой пленки стекает по нагретой внутренней поверхности аппарата. Отсюда смесь масла и суспензии поступает на фильтрование. Первые мутные порции фильтруемого масла возвращаются в аппарат через патрубок 3. Содержание масла в глине после фильтрования до 15 %.
Дезодорация масел представляет собой дистилляционный процесс, цель которого — удаление из масла одорирующих веществ — низкомолекулярных жирных кислот, альдегидов, кетонов и других летучих продуктов, определяющих запах и вкус масла, а также выделение из растительных масел нежелательных чужеродных соединений — полициклических ароматических углеводородов, ядохимикатов, токсичных продуктов — афлатоксинов и др.
Дезодорация является обязательной операцией для получения масел и жиров, применяемых при производстве маргарина, в консервном производстве, и масла, непосредственно используемого в питании.
Дезодорацию проводят путем обработки масла при низком остаточном давлении — в вакууме и высокой температуре, при одновременном введении в нагретое масло острого водяного пара.
Рис. 114. Аппарат для окончательного отбеливания
Рис. 115. Дезодоратор непрерывного действия:
а — вертикальный разрез; б — разрез кубовой части по А—А
470
Перед дезодорацией нейтрализованное и отбеленное масло направляют в деаэратор, где оно распыляется в вакууме и подогревается в пленке на поверхности змеевиков до 130...180 °C. После деаэратора масло поступает в дезодоратор непрерывного действия, который входит в состав установки А1-МНД.
Дезодоратор (рис. 115) представляет собой цилиндрический пленочный аппарат вертикального типа, состоящий из трех разъемных частей: средней цилиндрической, головки и нижней кубовой части. Масло в дезодораторе распыливается гидравлическим распылителем 7 в вакууме и поступает на 38 вертикальных пластин 2 из нержавеющей стали, по которым стекает пленка дезодорируемого масла, собираясь в кубовой части аппарата. Кубовая часть состоит из 6 радиальных секций и одной центральной, из которой масло стекает в радиальные секции. В кубовой части расположены эжекторы 3 для барботирования масла острым паром. Дезодорированное масло выводится из аппарата через переливную трубу.
Отгоняемые летучие вещества и капли жира собираются в сепараторе-каплесборнике, сначала в его верхней части — сепараторе, а затем в нижней — собственно каплесборнике. Время пребывания масла в дезодораторе 45 мин, температура масла на входе 230 °C, на выходе 215 °C, давление в аппарате 0,13...0,26 кПа. Полученное дезодорированное масло необходимо охладить и хранить в атмосфере инертного газа.
Перспективным направлением рафинации масел и жиров является близкая к дезодорации по физической сущности процесса бесщелочная рафинация, которая исключает операцию нейтрализации масла. Однако процессы гидратации и отбеливания масла обязательны. Процесс осуществляется в непрерывном де-зодорационном аппарате, который дополнительно оборудован устройством для улавливания отгоняемых вместе с одорирующими веществами жирных кислот.
Растительные масла должны отвечать требованиям ГОСТов. Так, подсолнечное масло должно соответствовать требованиям ГОСТ 1129. В соответствии с этим ГОСТом масла в зависимости от способа обработки подразделяют на следующие виды: рафинированное — дезодорированное и недезодорированное; гидратированное — высшего, I и II сортов и нерафинированное — высшего, I и II сортов. Для поставки в торговую сеть расфасованного масла и на предприятия общественного питания необходимо направлять только рафинированное дезодорированное масло.
Наличие отстоя в рафинированном и гидратированном маслах не допускается. Для нерафинированного масла допустим отстой по массе от 0,05 до 0,20 % в зависимости от сорта. Рафинированное дезодорированное масло должно иметь вкус обезличенного масла и не иметь запаха, остальные виды подсолнечного
471
масла должны иметь вкус и запах, свойственные этому маслу, без постороннего запаха, привкуса и горечи. Присутствие фосфорсодержащих веществ и мыл в рафинированном масле не допускается.
ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРИРОВАННЫХ ЖИРОВ
Для производства таких продуктов, как маргарин, кондитерские и кулинарные жиры, мыла, стеарин, технологические смазки различного назначения, необходимы пластичные, высокоплавкие и твердые (при комнатной температуре) жиры. Они могут быть получены из жидких растительных масел путем гидрогенизации. Задача гидрогенизации масел и жиров — целенаправленное изменение жирнокислотного, а следовательно, и ацилглицеринового состава исходного жира в результате присоединения водорода в присутствии катализатора к ненасыщенным остаткам жирных кислот, входящим в состав ацилглицеринов подсолнечного, хлопкового, соевого, рапсового и других жидких масел.
Основная химическая реакция, протекающая при гидрогенизации, — присоединение водорода к двойным связям непредельных жирных кислот:
-СН2-СН=СН-СН2- H?’ катали,3 -СН2-СН2-СН2-СН2-
Фрагмент остатка
кислоты
Гидрирование остатков полиненасыщенных жирных кислот, входящих в триацилглицерины, происходит ступенчато, т. е. более ненасыщенные последовательно превращаются в менее ненасыщенные:
С3 Ms Линоленовая кислота (три двойные связи)	+Н?	г2	+Н2	+Н2 Ms	Ms	Ms Линолевая	Олеиновая	Стеариновая кислота	кислота	кислота (две двой-	(одна двой-	(насыщенная ные связи)	ная связь)	кислота)
Селективность (избирательность) гидрирования объясняется большей скоростью гидрирования более ненасыщенных кислот, например линолевой, по сравнению с менее ненасыщенной олеиновой. Одновременно с основной химической реакцией изменяется пространственная конфигурация остатков жирных кис-
472
лот, входящих в. состав ацилглицеринов (цис-транс-изомериза-ция).
-сн2 сн2-
сн = сн
Фрагмент остатка кислоты (цис-форма)
-сн2
нс = сн
сн2-
(/и/юлс-форма)
Изменение пространственной конфигурации, появление /идонс-изомеризованных кислот (в отдельных случаях до 40 %) связано с особенностями механизма гидрирования линолевой кислоты, основного структурного компонента большинства природных растительных масел.
Гидрирование жиров проводят при участии катализаторов, важнейшими из которых являются никелевый катализатор на кизельгуре, выпускаемый промышленностью в виде таблеток, измельчаемых перед использованием, или в виде порошка, и никель-медный катализатор, выпускаемый под названиями ВНИИЖ-1 и ВНИИЖ-2. Для получения пищевых гидрированных жиров — саломасов применяют никелевый катализатор на кизельгуре. Никель-медные катализаторы используют в основном для получения саломасов технического назначения.
В настоящее время большинство гидрогенизационных заводов снабжаются готовыми катализаторами. После использования отработанный катализатор регенерации не подвергают, а направляют Вторцветмету. Это позволило исключить из схемы гидрогени-зационного завода операции, связанные с производством катализаторов.
Стационарные катализаторы — наиболее совершенные, позволяющие исключить операции приготовления суспензии катализатора в масле и фильтрования саломаса для отделения катализатора.
Технологическая схема гидрогенизации масел и жиров представлена на рис. 116.
Наиболее распространенный метод получения водорода для гидрирования — электролитический, который позволяет получить наиболее чистый водород. Электролизу практически подвергают не воду, а слабые водные растворы щелочей и кислот в электролизерах. Хранят водород в газгольдерах. На гидрирование поступает тщательно отрафинированное масло, так как примеси способны снизить активность катализаторов.
В промышленности в основном применяют непрерывный процесс гидрирования.
Для непрерывного гидрирования масел на суспензированных
473
Масло растительное для суспензии
лизованную Саломас регенерацию фильтрованный
Приготовление суспензии исходного катализатора
Получение водорода (электролитическим способом, способом конверсии природного газа)
Смешивание свежего водорода и водорода, отходящего из автоклавов. Очистка смеси
Гидрирование — насыщение водородом двойных связей жирных кислот масла
Фильтрование саломаса. Отделение катализатора для повторного использования и частично на регенерацию
Рис. 116. Технологическая схема получения гидрированных жиров
катализаторах применяют последовательно работающие реакторы с турбинными мешалками (рис. 117). Реактор — цилиндрический аппарат 1 из кислотоупорной стали со сферическим дном и крышкой, внутри которого находятся турбинная мешалка 4, работающая с частотой вращения 59 мин-1, барботер 5 для подачи водорода, расположенный ниже мешалки, и шесть змеевиков 2 для подогрева и охлаждения масла. Обычно в схеме установлено три последовательно работающих реактора. Частично прогидрированное масло по переливным патрубкам 3 поступает из первого реактора во второй, а затем>/ третий. Температура масла при гидрировании 210...230 °C (для пищевого саломаса) и 240...250 °C (для технического саломаса). Количество катализатора составляет от 0,5 до 2 кг (в пересчете на никель) на 1 т масла. Давление водорода в реакторе 0,5 МПа.
474
Для гидрирования масла со стационарным катализатором применяют колонные реакторы (рис. 118). Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр 1 высотой 10 м, внутри которого установлены корзины для катализатора 2, занимающие высоту около 7 м. Над катализатором находится газовое пространство (1...1,5 м). В нижней части расположены змеевик 3 для подачи греющего пара и устройство для подвода водорода. Обычно колонные реакторы устанавливаются в батареи из двух-трех аппаратов, особенно в том случае, если колонные реакторы работают не на стационарном, а на суспензированном катализаторе.
Гидрирование на стационарном катализаторе применяют главным образом при получении технических саломасов. По мере использования стационарный катализатор теряет гидрирующую активность (через 1...3 мес работы), после этого его необхо-
Рис. 118. Колонный реактор для гидрирования на стационарном катализаторе:
а — реактор; б — корзина для катализатора
475
Рис. 117. Реактор с турбинной мешалкой
димо регенерировать непосредственно в реакторе или заменить на новый.
Качественные показатели саломасов должны соответствовать ОСТ 18-262 «Саломас нерафинированный для маргариновой промышленности» и ОСТ 18-263 «Саломас технический».
ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИЯ МАСЕЛ И ЖИРОВ
Переэтерификация — один из основных методов модификации молекулярного (триацилглицеринового) состава жирового сырья. При йереэтерификации происходит перераспределение ацильных групп в триацилглицеринах жира или масла.
о	о	о	о
II	II	II	II	„
Н?С—О—С—R Н?С—О—С—Rlu	H.C-O-C-R H,C-O-C-R
I	I	I	I
HC-O-C-R’	+ HC-O-C-R’1' =? НС—О—С—Rn + НС—О—С—Rv
I II	I II	I II	I II
o	I о	I о	I о
H2C—О—C—Rn	H7C—О—C—Rv	H2C-O-C-R"‘ H2C-O-C-R,v
II	2 II	II	II
о	о	о	о
Изменения взаимного положения ацильных групп могут происходить в результате перемещения ацилов внутри триацилгли-церина (внутримолекулярная переэтерификация) или при обмене ацильных групп между триацилглицеринами (межмолекулярная переэтерификация). При переэтерификации состав жирных кислот жира не меняется, происходит их статистическое перераспределение в смеси триацилглицеринов, что приводит к изменению физико-химических свойств жировых смесей в результате изменения молекулярного состава. Переэтерификация высокоплавких животных и растительных жиров с жидкими растительными маслами позволяет получить пищевые пластичные жиры с высоким содержанием линолевой кислоты.
Процесс переэтерификации включает в себя следующие операции (рис. 119): дозирование, смешивание и подогрев исходной смеси масел и жиров, щелочную нейтрализацию полученной смеси, глубокую сушку рафинированной смеси, смешивание с катализатором и непосредственно процесс переэтерификации. Процесс переэтерификации протекает в течение 0,5... 1 ч при температуре 80...90 ”С. Расход катализатора 0,9... 1,5 кг на 1 т жира. В качестве катализаторов используют метилат и этилат натрия. После завершения переэтерификации катализатор дезактивируют. Полученный готовый продукт промывают и сушат.
Готовые переэтерифицированные жиры, предназначенные для получения маргариновой продукции, должны иметь следующие 476
Рис. 119. Схема переэтерификации масел и жиров
показатели: температуру плавления 25...35 °C; твердость при 15 °C 30... 130 г/м; содержание твердых триацилглицеринов при 20 °C 6...20 %. Переэтерифицированные жиры специального назначения применяют в хлебопечении, при производстве аналогов молочного и кондитерского жиров и т. д.
ПОЛУЧЕНИЕ МАРГАРИНА
Маргарин представляет собой физико-химическую систему, в которой один из основных компонентов — вода (дисперсная фаза) распределен в другом — масле (дисперсионной среде) в виде мельчайших капелек, образуя эмульсию типа «вода в масле». В состав маргарина входят высококачественные пищевые жиры, молоко, соль, сахар, эмульгаторы, красители, ароматиза
477
торы, витамины и другие компоненты. В жировую основу маргарина входят рафинированные дезодорированные растительные масла, животные жиры, пищевые саломасы, а также переэтери-фицированные жиры. Для придания маргарину вкуса и аромата сливочного масла в него вводят молоко в натуральном или сквашенном виде. С этой же целью вводят ароматизаторы, а для получения стойкой эмульсии «вода в масле» — эмульгаторы.
Пищевые красители придают маргарину цвет сливочного масла, соль и сахар—.полноту вкуса. Кроме того, присутствие соли повышает стойкость маргарина при хранении.
Технологическая схема получения маргарина представлена на рис. 120.
В основу получения маргарина входят процессы переохлаждения эмульсии «вода в масле» с одновременной механической
Маргарин на фасование
Хранение и темперирование рафинированных, дезодорированных жиров и масеп Нормализация или восстановление молока. Очистка. Пастеризация молока. Сквашивание молока молочнокислыми бактериями. Охлаждение молока
Растворение эмульгаторов в масле, ароматизаторов в масле или воде. Очистка воды.Подготовка лимонной кислоты, сахара, витаминов, консервантов, красителей
Дозирование и смешивание компонентов. Тщательное перемешивание. Эмульгирование
Переохлаждение. Кристаллизация. Механическая (пластическая) обработка маргарина
Рис. 120. Технологическая схема получения маргарина
478
обработкой. При приготовлении маргарина непрерывным способом компоненты рецептуры дозируют в основном весовым методом, хотя известны способы дозирования смешиваемых компонентов объемным способом с помощью насосов-дозаторов.
Компоненты смешивают в вертикальном цилиндрическом смесителе (рис. 121), где происходит также предварительное эмульгирование. Внутри смесителя имеется винтовая мешалка 1 с частотой вращения 59,5 мин'1. К корпусу смесителя прикреплены отбойники 2, которые не позволяют смеси закручиваться по ходу вращения мешалки. Смеситель снабжен водяной рубашкой 3. Продукт поступает через штуцер 4 и выходит через спускной патрубок 5.
На предприятии устанавливают два попеременно работающих аппарата. Грубая эмульсия эмульсатор центробежного типа,
Рис. 121. Вертикальный цилиндрический смеситель
из смесителя поступает затем в основными рабочими органами
которого являются два вращающихся и два неподвижных диска, в пространство между которыми поступает эмульсия. Диски вращаются со скоростью 1450 мин-1, обеспечивая интенсивное диспергирование эмульсии до размера частиц диаметром 6... 15 мкм.
После эмульсатора маргариновая эмульсия, пройдя через уравнительный бак, насосом высокого давления подается в переохла-дитель (рис. 122), который является одним из основных аппаратов для получения маргариновой продукции, обеспечивающих тонкое эмульгирование, охлаждение и механическую обработку эмульсии. Переохладитель состоит из нескольких одинаковых цилиндров — теплообменников 7, работающих последовательно.
Блок цилиндров трехсекционного переохладителя установлен в верхней части аппарата, каждый из цилиндров представляет собой теплообменник 2 типа «труба в трубе» с теплоизоляцией 3. Первая внутренняя труба является рабочей камерой 4, в которой расположен полый вал 5, куда подается горячая вода для предотвращения налипания маргариновой эмульсии. На валу закреплены двенадцать ножей 6, вал вращается с частотой 500 мин-1. Пространство между второй и первой трубами занимает испарительная камера 7 для охлаждающего агента — аммиака, который
479
/
Рис. 122. Переохладитель: а — общий вид; б — схема цилиндра переохладителя в разрезе
подается системой трубопроводов. Маргариновая эмульсия, охлаждаясь, кристаллизуется на поверхности внутренней трубы и снимается затем ножами. Температура эмульсии на выходе из третьего цилиндра 12...13 “С.
Затем эмульсия поступает в кристаллизатор (рис. 123), где ей придаются необходимая кристаллическая структура, требуемая твердость, однородность и пластичность, необходимые для фасования маргарина. Основными узлами кристаллизатора являются фильтр-гомогенизатор и три секции — коническая 4 и две цилиндрические 3, в которых маргарин медленно движется к конической насадке 1 и затем в фасовочный автомат. Компенсирую-
Рис. 123. Кристаллизатор
480
щее устройство 2 обеспечивает прерывистую подачу маргарина па фасование. Температура маргарина при этом повышается до 16...20 °C за счет теплоты кристаллизации.
При охлаждении маргариновой эмульсии происходят сложные процессы кристаллизации и рекристаллизации триацилглицери-пов — жировой основы маргарина, определяя важнейшие качественные показатели готовой продукции — консистенцию, пластичность и температуру плавления.
Качество готового маргарина должно соответствовать ГОСТ 240 «Маргарин. Технические условия». По физико-химическим показателям маргарин должен содержать не менее 82 % жира. В настоящее время масло-жировая промышленность выпускает и маргарин с низким содержанием жира (70...60 %). Содержание влаги и летучих веществ в различных маргаринах составляет 16... 17 %, температура плавления жира, выделенного из маргарина, от 27 до 36 °C в зависимости от назначения маргарина.
Кроме маргарина промышленность выпускает кондитерские и кулинарные жиры, жиры для пищеконцентратов, хлебобулочных изделий, а также майонезы.
Кулинарные и кондитерские жиры, жиры для пищеконцентратов и хлебобулочных изделий в отличие от маргарина практически не содержат воды.
Майонез представляет собой высокодисперсную эмульсию дезодорированного растительного масла, по внешнему виду и консистенции напоминающую сметану.
Физико-химические показатели кулинарных и кондитерских жиров должны соответствовать требованиям ОСТ 18—-197.
Контрольные вопросы
1.	Какие основные виды сырья применяют для производства масел и жиров?
2.	Каковы особенности химического состава ацилглицеринов?
3.	Какова пищевая ценность масел и жиров?
4.	Какие основные приемы подготовки масличного сырья к извлечению масла вы знаете?
5.	Какие существуют методы маслодобывания?
6.	Какие методы рафинации масел вы знаете?
7.	Как протекает процесс гидрогенизации масел и жиров?
8.	Каковы особенности и основные этапы технологии получения маргариновой продукции?
Глава 20
ТЕХНОЛОГИЯ СОЛОДА И СОЛОДОВЫХ ЭКСТРАКТОВ
Под солодоращением понимают проращивание различных видов зерна злаковых культур в специально создаваемых и регулируемых условиях. Для получения солода в основном используют ячмень и рожь, реже используют рис, пшеницу, овес и просо. Конечный продукт проращивания называется свежепроросшим
481
Зерно из приемного пункта
концентрата квасного	Выдержанный солод
сусла	для производства пива
Рис. 124. Принципиальная технологическая схема получения солодов различного назначения
солодом, в результате высушивания он превращается в сухой солод. Цель солодоращения — накопление в зерне максимально возможного или заданного количества ферментов, главным образом гидролитических.
Принципиальная технологическая схема получения различных видов солода приведена на рис. 124.
Среди общего выпуска солода различных видов наибольший удельный вес занимает пивоваренный солод, технология которого рассматривается более подробно. Технология остальных видов солода базируется на общих закономерностях, но имеет свои отличительные особенности.
ТЕХНОЛОГИЯ ПИВОВАРЕННОГО СОЛОДА
Очистка и сортирование зерна. Зерновая масса (в основном ячмень), которая поступает на пивоваренные и солодовенные заводы, содержит зерна различных размеров и различные примеси и в таком виде непригодна для хранения и солодоращения. Примеси не только ухудшают качество зерна, но и создают условия для его порчи. Поэтому зерновую массу перед хранением очищают. В результате очистки из основной культуры выделяют минеральные примеси (земля, песок, пыль), органические примеси (ости, пустые пленки), семена дикорастущих растений, вредные примеси (спорынья, куколь, головня), зерновые примеси (щуплые, проросшие, битые зерна) и металлопримеси. Как правило, зерно подвергается очистке дважды: первичной — перед хранением и вторичной — непосредственно перед переработкой.
Необходимость сортирования ячменя перед хранением обусловлена тем, что зерна различного размера обладают разной водочувствительностью, мелкие зерна интенсивнее поглощают влагу и в дальнейшем быстрее развиваются, чем крупные. Для обеспечения одинаковой влажности при замачивании и равномерного развития при проращивании прошедший первичную и вторичную очистки ячмень сортируют на плоских колеблющихся или круглых вращающихся ситах на три фракции по толщине зерна: менее 2,2 мм — III сорт (кормовое); 2,2...2,5 мм — II сорт; более 2,5 мм — I сорт. Тщательное сортирование зерна в дальнейшем позволяет увеличить оборачиваемость солодовенных аппаратов.
Замачивание ячменя. Содержание влаги ячменя, который находится на хранении, составляет 14... 15 %. Активные жизненные процессы в зародыше начинаются при влажности 30 %, при 38 % ячмень прорастает быстро и равномерно, хорошее растворение эндосперма и накопление ферментов наблюдаются при влажности 44...48 % и выше. Поэтому основная цель замачивания — увлажнение зерна до содержания влаги, оптимального для проращивания.
483
Превращения в зерне при замачивании. Объем зерна при замачивании увеличивается на 35...45 %. При замачивании вода поступает в зерно через отверстия в кончиках зеРна, главным образом со стороны зародыша. В зрелом зерне его клеточные структуры представляют собой высохшие коллоидные структуры, мицеллы которых с большой силой притягива-ют к себе воду. Так, гумми-вещества способны поглотить (к
Се с^Хого вещества) до 800 % воды, белковые вещества — до 1°0 крахмал — до 70 и целлюлоза — до 30 %.
Появившаяся в зерне свободная вегетационная влага обеспечивает Переход в раствор ферментов и питательных веществ и их миграцию к зародышу. Это создает благоприятные условия для проникновения в эндосперм ферментов, которые переводят резервные нерастворимые вещества зерна в растворимые и легко усвояемые зародышем. В результате активации ферментов в зерне ускоряются биохимические процессы, особенно его дыхание. Нормальный ход аэробного дыхания зависит от наличия кислорода в среде. Во время замачивания 1 кг зерна за 1 ч поглощает 63 мг кислорода и выделяет 86 мг диоксида углерода. При недостатке кислорода в воде может наступить анаэробное дыхание зерна с образованием этилового спирта, оксида углеро-да’	альдегида и других вторичных продуктов спиртово-
го брожения. Спирт при концентрации 0,1 % тормозит развитие зародыша, а при концентрации 0,8 % почти полностью подавляет его рост. Продукты анаэробного дыхания являются клеточными ядами, которые ведут к разрушению структуры тканей, к
Диоксид углерода, являющийся нормальным продуктом как аэробного, так и анаэробного дыхания зерна, также отрицательно влияет на жизненные процессы, происходящие в зерне. Поэтому для обеспечения нормального развития зерна при замачивании его подвергают искусственной аэрации.
В НезУ-Г1ьтате замачивания происходят глубокая перестройка всего ферментативного комплекса зерна, активирование ферментов, особенно амилолитических и протеолитических. В зерне содержание нерастворимых соединений уменьшается, а растворимых — увеличивается. Начинают развиваться вегетативные части зерна (корешок, росток). Таким образом, замачивание ™ считать первой стадией проращивания зерна.
Факторы, влияющие на процесс замачивания. Скорость замачивания в значительной степени зависит от температуры воды. Чем выше температура, тем быстрее вода поступает в зерно. С повышением температуры улучшается набу-хаемость белков, крахмала и клетчатки, что обусловлено снижением вязкости воды. Однако при повышении температуры замочной воды усиливается дыхание зерна и интенсифицируется размножение микроорганизмов, которые всегда присутствуют на 484
поверхности зерна, что приводит к резкому возрастанию потребления кислорода. Оптимальной температурой замачивания считается 10...12 °C, так как при более низкой сильно тормозится развитие зародыша, а при более высокой возрастает опасность инфицирования солода.
В зависимости от температуры, используемой для замачивания, различают холодное (температура воды ниже 10 °C), обыкновенное (температура воды 10...15 °C), теплое (температура поды 20...40 °C) и горячее (температура воды 50...55 °C) замачивание. Наиболее распространено обыкновенное (нормальное) замачивание. На ряде заводов применяют теплое замачивание. Однако в этом случае обязательно следует применять активные дезинфектанты и интенсивную аэрацию.
Скорость замачивания зависит также от размера зерен. Крупное зерно замачивают дольше, чем мелкое. Для достижения одинаковых значений содержания влаги и равномерного развития при производстве солода используют отсортированное зерно I и II сортов.
Жесткость замочной воды не должна превышать 7 мг-экв/л, так как в мягкой воде замачивание ячменя происходит быстрее, чем в жесткой.
Вода поглощается зерном неравномерно. В первые 25...30 ч замачивания содержание влаги зерна увеличивается очень быстро — со скоростью примерно 1 % за 1 ч и достигает 35...40 %. В последующие 30...40 ч содержание влаги увеличивается всего на 4...5 %.
Способы и технологические режимы замачивания зерна. При замачивании зерна выполняют следующие операции: мойку, удаление неполноценных зерен, дезинфекцию, увлажнение, которое сопровождается аэрированием и удалением образовавшегося диоксида углерода.
Замачивание начинается с мойки и дезинфекции. Цель этой операции — очистить поверхность зерна от загрязнений и удалить микроорганизмы, находящиеся на поверхности зерна. Качественная мойка обеспечивается в основном в результате отмока-ния загрязнений и интенсивного перемешивания зерна с водой гидравлическим или пневматическим способом. При этом на поверхность всплывают неполноценные зерна и органические примеси, которые называются сплавом. Последние вместе с грязной водой поступают в сливную коробку, откуда затем их удаляют. В качестве дезинфицирующих средств применяют водные растворы негашеной извести (1,5...3 кг на 1 т зерна) или перманганат калия (10... 15 г на 1 м- воды). Можно также использовать едкий натр, каустическую соду, кислые добавки, перекись водорода и другие дезинфицирующие средства. Дезинфекцию проводят после первичной мойки зерна и удаления первой грязной воды. В зимнее время при мойке охлажденного
485
зерна желательно применять теплую воду температурой 20...25 °C.
Ячмень замачивают раздельно по сортам в открытых аппаратах периодического или непрерывного действия, которые оборудуют водяной и воздушной коммуникациями для подачи свежей воды и сжатого воздуха, устройствами для аэрации, перемешивания и перекачивания зерна.
Существуют следующие способы замачивания: водяной с воздушными паузами и без них; воздушно-оросительный в различных модификациях в зависимости от сочетания между временем орошения и отлежки слоя зерна; в непрерывном токе воды и воздуха; перезамачивание и повторное замачивание; замачивание в моечных шнеках.
По технико-экономическим показателям наиболее эффективными являются оросительный и воздушно-оросительный способы замачивания. При оросительном замачивании зерно предварительно моют и дезинфицируют, загружают в замочный аппарат слоем не выше 1 м, заливают водой и выдерживают в течение 6...8 ч. Затем воду спускают и непрерывно увлажняют зерно орошением. Вода, просачиваясь через массу зерна, насыщает его кислородом и увлекает за собой образовавшийся диоксид углерода, обеспечивая тем самым нормальную жизнедеятельность зерна.
Воздушно-оросительное замачивание является комбинированным способом. Зерно периодически орошают водой, а путем отсоса воздуха из межзернового пространства создают стабильные условия аэробного дыхания зерна. По этому способу зерно после мойки и дезинфекции попеременно оставляют то под водой (2...4 ч), то без воды (12...14 ч). В период воздушной паузы зерно в течение 1...1,5 ч орошают водой через сегнерово колесо, а затем из нижней части аппарата в течение 15 мин вакуум-насосом отсасывают воздух. Длительность замачивания в зависимости от вида ячменя составляет 46...62 ч.
Воздушно-оросительное замачивание чистого зерна можно проводить и непосредственно в солодорастильных аппаратах, снабженных шнековыми или лопастными ворошителями. Слой зерна периодически орошают водой через распылительные форсунки. Продолжительность замачивания в этом случае составляет 35...45 ч. Первую продувку слоя зерна кондиционированным воздухом температурой 12...14 °C и содержанием влаги 95...100 % осуществляют через 5...6 ч после загрузки аппарата. Последующие продувки продолжительностью 20...25 мин проводят через 1,5...2 ч. Через каждые 2...3 ч зерно орошают водой одновременно с ворошением.
При воздушно-оросительном замачивании уже при содержании влаги 27...30 % зерно начинает прорастать. С повышением содержания влаги увеличивается количество проросших зерен. Данный способ замачивания при температуре воды 18...20 °C и 486
высоте слоя зерна до 1,5 м позволяет сократить процесс солодо-ращения на 1,5...2 сут, уменьшить потери сухих веществ и повысить активность ферментов.
Расход воды при замачивании состоит из расхода на мойку зерна и его увлажнение. При обычных способах замачивания в среднем на 1 т зерна расходуется около 10 м3 воды, в том числе 1...5 м3 на орошение. Расход воды при совмещенном воздушнооросительном замачивании и проращивании в 2...3 раза ниже. Расход воздуха колеблется от 160 до 300 м3/(т-ч).
Для экономии воды при замачивании рекомендуется проводить следующие мероприятия: повторно использовать замочную воду; лучше удалять примеси при очистке зерна; использовать механическое транспортирование зерна и интенсивную мойку ограниченным количеством воды в шнековых моющих машинах, а также использовать сборники воды для хлорирования и озонирования и др.
При замачивании ячменя для светлого солода содержание влаги в нем доводят до 43...45 %, а для темного солода—-на 2...3 % больше.
Проращивание ячменя. Цель проращивания — накопление максимального количества ферментов и целенаправленное проведение при их участии процессов гидролиза и синтеза при строго определенных условиях — достаточном количестве влаги, с помощью которой осуществляется движение продуктов метаболизма; избыточном или ограниченном количестве кислорода воздуха; оптимальной температуре, от которой зависит интенсивность процессов; при рациональном использовании активаторов и ингибиторов ферментативных процессов; необходимом времени, которое определяет глубину протекания процессов.
Превращения в зерне при солодоращении. При проращивании в зерне протекают сложные морфологические и биохимические превращения. К морфологическим превращениям относятся развитие зародыша с ростом корешков и лепестков и нарушение клеточной структуры эндосперма, к биохимическим — активация ферментов, дыхание, превращение сложных веществ в простые.
Длина корешков для светлого солода должна быть от 3/4 до 1,5 длины зерна, для темного солода — в 1,5...2 раза больше длины зерна. Корешки должны иметь слегка увядшие кончики и обладать свежим запахом.
Значительные изменения происходят и в мучнистом теле зерна. Составные части стенок эндосперма, которые содержат в основном некрахмальные полисахариды и белки, гидролизуются, т. е. происходит их растворение. Это открывает гидролитическим ферментам путь к крахмалу и белкам эндосперма. Он становится мягким и легко растирается между пальцами.
Образование и активация ферментов в зерне неразрывно свя
487
заны с жизнедеятельностью зародышевого корешка. В дальнейшем ферменты продолжают свою деятельность и в условиях, неблагоприятных для развития зародыша, т. е. при отсутствии кислорода или при высоких температурах. Эту особенность ферментов используют для снижения потерь при солодоращении путем торможения развития зародыша на конечных этапах солодоращения и достижения глубоких химических изменений в зерне.
Ферменты в зерне распределены неравномерно, главным образом в зародыше, эндосперме, прилегающем к щитку, и в периферийных частях зерна.
Значительное количество ферментов в спелом зерне находится в неактивном, связанном с белками состоянии. При прорастании зерна белки под действием протеолитических ферментов расщепляются и связанные с ними ферменты переходят в свободное, активное состояние. Повышение ферментативной активности обусловлено также новообразованием ферментов. При солодоращении активность амилолитических ферментов возрастает в 3...5 раз, протеолитических — в 2...4, фосфатаз — в 5...10, а-глюкозидазы — в 2 раза. Кроме гидролитических зерно содержит ферменты окислительно-восстановительного комплекса (каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза), активность которых при проращивании зерна также значительно возрастает.
В начале солодоращения питание зародыша зерна обеспечивается небольшим запасом сахаров, аминокислот, минеральных и других питательных веществ, которые растворяются в воде при замачивании зерна. При прорастании в результате повышения активности ферментов начинается расщепление всех высокомолекулярных соединений зерна (крахмал, белки, липиды, некрахмальные полисахариды и др.) с образованием простых низкомолекулярных соединений, которые расходуются как на рост зародыша, так и на дыхание зерна. Дыхание — это важнейший энергетический процесс, осуществляемый под действием оксидоредуктаз, которые катализируют превращение углеводов, а также органических кислот, липидов и азотсодержащих веществ.
В зависимости от количества кислорода в среде в процессе дыхания может.протекать как аэробный, так и анаэробный процесс. В результате выделения тепловой энергии  при дыхании температура в слое прорастающего зерна повышается, что способствует интенсификации дыхания и образованию ферментов. Интенсивное дыхание зерна при его проращивании — нежелательный процесс, так как он сопровождается повышенными потерями экстрактивных веществ, главным образом углеводов. Кроме того, возрастает расход воздуха для удаления теплоты из зерна и поддержания оптимальной температуры.
В зависимости от интенсивности аэрации в прорастающем зерне кроме диоксида углерода всегда образуется некоторое ко
488
личество органических кислот, спиртов и эфиров, которые придают свежепроросшему солоду специфический запах, напоминающий запах свежих огурцов.
Одним из первых ферментативных процессов при проращивании зерна является цитолиз гемицеллюлозы, гумми-веществ и других некрахмальных полисахаридов, что приводит к увеличению количества растворимых гексозанов и пентозанов в зерне в 3...5 раз. Амилазы гидролизуют крахмал с образованием глюкозы, мальтозы, мальтотриозы и различных декстринов. Одна часть из них немедленно расходуется, а другая остается в виде свободных сахаров, которые придают солоду сладковатый вкус. Содержание простых углеводов в солоде в 3...4 раза выше, чем в исходном зерне. Одновременно количество крахмала уменьшается на 5... 10 %.
Протеолитические ферменты гидролизуют белки и полипептиды до пептидов и аминокислот. Гидролиз белковых веществ может достигать 50 %. Однако в результате протекающих одновременно процессов синтеза к концу солодоращения 35...40 % белка становятся растворимыми. Содержание аминного азота увеличивается в 3...6 раз.
Органические фосфаты под действием фосфатазы расщепляются до неорганических фосфатов, а липиды под действием липазы — до глицерина и высших жирных кислот. Образование органических кислот, аминокислот и фосфатов приводит к повышению кислотности солода. Общее количество зольных компонентов при проращивании практически не изменяется.
В целом в результате проращивания масса водорастворимых веществ в зерне увеличивается почти в 2 раза, т. е. с 7 до 14 %.
Факторы, влияющие на проращивание зерна. Холодный (12... 16 °C) способ проращивания по всем показателям предпочтительнее, чем тепловой (выше 20 °C). Такой температурный режим обеспечивает умеренный рост зародыша, максимальное накопление гидролитических ферментов и глубокий распад белковых веществ. При температурах ниже 10 °C снижается жизнедеятельность зерна, температура же выше 20 °C приводит к непрерывному росту, растворению и повышенным потерям. Температура проращивания светлого солода не должна превышать 18 °C, а темного — 21...23 °C, что обусловлено необходимостью более глубокого распада белковых веществ.
Продолжительность проращивания светлых солодов 7...8 сут, темных солодов — 9 сут. Солод высокого качества можно получить и за 6 сут, а с применением активаторов — за 4,5...5 сут.
Для полной активации ферментов и достижения желаемой степени растворения эндосперма содержание влаги в зерне должно быть 44...48 %. Суточные потери влаги составляют 0,3...1 %. Поэтому при ращении зерно необходимо увлажнять водой путем его орошения, количество которой определяют расчетным путем.
Аэрация — один из важнейших факторов регулирования био
489
логических и ферментативных процессов при проращивании зерна. В первые 2...3 дня проращивания соотношение кислорода и диоксида углерода в слое зерна должно быть больше единицы, так как рост зародыша, активация и образование ферментов возможны только в аэробных условиях. В дальнейшем (после 4 сут ращения), после завершения биологической фазы, следует создавать анаэробные условия, при которых тормозится и останавливается рост корешка и ростка, но ферментативные процессы продолжают протекать. Однако и на этом этапе необходимо слой зерна продувать кондиционированным воздухом температурой на 2...3 °C ниже, чем в слое зерна, и содержанием влаги 98... 100 %, что обеспечивает заданную температуру ращения и удаление части образовавшегося диоксида углерода.
Для получения одинакового по качеству солода его необходимо разрыхлять (ворошить) 1...2 раза в сутки в зависимости от дня ращения.
Для интенсификации солодоращения используют различные активаторы, которые стимулируют процессы растворения эндосперма зерна и накопления ферментов. В качестве активаторов применяют гиббереллин (150...250 мг на 1 т зерна), молочную кислоту (1,5 л на 1 т зерна), диаммония фосфат (0,9 кг на 1 т зерна), комплексный ферментный препарат МЭК ПП-1 (10 г на 1 т зерна).
Способы и технологические режимы проращивания солода. Температура замоченного зерна, подаваемого на ращение, должна быть 12... 14 °C. Независимо от используемого оборудования процесс проращивания солода следует проводить так, чтобы зерно прорастало равномерно, с наименьшим количеством проростков и полным растворением эндосперма в конце проращивания. Зерно проращивают в специальных помещениях, которые оборудуют аппаратами и машинами для очистки, сортирования, замачивания, проращивания и сушки зерна, отделения ростков, кондиционирования воды и воздуха.
Технологические режимы проращивания солода в зависимости от типа солодовни приведены в табл. 20.1.
Таблица 20.1
Тип солодовни	Продолжительность проращивания, сут	Температура проращивания в слое зерна, °C	Специальное оборудование солодовен	Нагрузка ячменя на, сито, кг/м'	Основные условия для проращивания солода
Токовая	7...S	12...18	Орошение и ворошение зерна осуществляются ворошителями	120...140	Высота слоя в начале проращивания 40 см, в конце — 15... 12 см
490
Продолжение
Тип СОЛОДОВНИ	Продолжительность проращивания, сут	Температура проращивания в слое зерна, °C	Специальное оборудование солодовен	Нагрузка ячменя на сито, кг/м2	Основные условия для проращивания солода
Пневматическая:
периодичес-	7...8	I2...16	Индивидуальная	300...550	В барабанах
кого действия (яшик или барабан)			камера кондиционирования; сита; самовыгру-жающие ворошители типа продольного конвейера		вращение проводят	ч через 3...6 ч покоя; в ящиках зерно ворошат 2 раза в сутки
типа «передвижная грядка»	7...8	12...16	Групповые камеры кондиционирования; сита; подситовое пространство разделено на секции по дням ращения	300...400	Перемещение зерна на сита последующих секций и его ворошение проводят через каждые 12 ч при помощи ковшового ворошителя
большой единичной мощности для совмещенного способа производства солода	5.6	15...18	Индивидуальная камера кондиционирования; сита; ворошитель типа В-ВШ; теплогенератор для сушильного агента и вентиляторы; профильные конвейеры	400—600	Расход кондиционированного воздуха при воздушно-оросительном замачивании 300...400 м3/(тч). при проращивании — 500... 700 м3/(т-ч). Периодичность ворошения 2...3 раза в сутки
Различают токовые и пневматические солодовни. В токовой солодовне ячмень проращивают в тонком слое на бетонном или асфальтном полу (на току). Такие солодовни остались на заводах малой мощности, они малопроизводительны и требуют больших затрат ручного труда, особенно на ворошение зерна.
Основной способ солодоращения — это пневматический, осуществляемый в специальных механизированных ящиках или барабанах, через которые продувается кондиционированный воздух. Для проращивания солода применяют также аппараты для непрерывного, полунепрерывного и периодического солодоращения с увеличением единичной мощности аппарата. Перспек
491
тивным является производство солода с совмещением технологических операций в одном аппарате.
В результате проращивания получают свежепроросший солод, который отличается от исходного ячменя наличием корешков с содержанием влаги 42...46 %, растворимостью мучнистого тела и характерным запахом свежих огурцов. Амилолитическая активность свежепроросшего солода возрастает до 300...400 ед. для светлого солода и 400...500 ед. для темного солода против 60...90 ед. в исходном зерне.
Сушка солода. Заключительная стадия производства солода — сушка свежепроросшего солода, цель которой — снижение содержания влаги материала с 40...50 до 3...6 % и придание солоду специфических вкуса, цвета и аромата при сохранении высокой ферментативной активности. Поэтому сушка солода представляет собой сочетание сложных нестационарных процессов тепло- и массообмена и биохимических превращений.
Превращения в солоде при сушке. Свежепроросший солод во время сушки претерпевает глубокие физические, физиологические и биохимические изменения, которые зависят от скорости обезвоживания, температуры сушильного агента, содержания влаги и условий сушки. Физические преобразования состоят в изменении содержания влаги, массы, цвета, аромата и вкуса солода. В зависимости от физиологических и биохимических превращений в солоде технология сушки разделяется на три основные фазы.
Первая фаза — физиологическая, в течение которой продолжается рост листка и корешков, протекают ферментативные процессы. Температура солода в течение 10...12 ч повышается с 20...25 до 45 °C. Содержание влаги уменьшается до 30 %. При 45 °C синтетические процессы прекращаются, а гидролитические усиливаются, это сопровождается растворением эндосперма, накоплением низкомолекулярных продуктов распада крахмала, белков, липидов и других высокомолекулярных соединений.
Вторая фаза — ферментативная, длится 5...7 ч при повышении температуры от 45 до 70 °C. Рост и дыхание зародыша прекращаются, а ферментативные гидролитические процессы усиливаются. Это обусловлено пребыванием ферментов в зоне оптимальной температуры (40...60 °C). Содержание влаги солода снижается от 30 до 10 %, что лимитирует протекание ферментативных реакций.
Третья фаза — химическая, протекает при температуре 70...80 °C для светлого солода и 100... 105 °C для темного солода. Содержание влаги снижается до 3...5 %. Длительность фазы 3...4 ч. При температуре выше 75 °C все ферментативные реакции прекращаются. Ферменты частично инактивируются или переходят в связанное неактивное состояние. Происходит интенсивное взаимодействие аминокислот с редуцирующими сахара
492
ми, в результате чего образуются меланоидины, обусловливающие темный цвет, специфический вкус и аромат готового солода. Белки коагулируют.
В процессе сушки ферментативная активность солода претерпевает значительные изменения. Она постепенно увеличивается в физиологической фазе, проходит через свой максимум в ферментативной фазе и снова снижается в химической фазе.
В процессе сушки солода существенно изменяется химический состав солода. В течение первых 10... 15 ч сушки происходит ускоренный гидролиз крахмала, что приводит к увеличению количества сбраживаемых сахаров. При высоких температурах сушки изменяются состав солода и его органолептические показатели. Высокая активность протеолитических ферментов приводит к сильному расщеплению белков и накоплению продуктов их гидролиза. Однако на химической фазе в результате меланои-динообразования содержание простых углеводов и аминокислот в солоде уменьшается.
Свободная влага (до 12 %) удаляется за счет испарения, а для удаления связанной влаги требуется повышение температуры.
Факторы, влияющие на процесс сушки. Правильное соотношение температура : содержание влаги — это важнейшее условие получения высококачественного солода. Рекомендуется соблюдать следующие соотношения. При изменении содержания влаги от 45 до 30 % температура должна быть не выше 40 °C; от 30 до 12 % — не выше 50; от 12 до 8 % — не выше 60; от 8 до 3 % — 75...85 °C. Расход сушильного агента должен составлять 4000...5000 м3/(т-ч), что соответствует скорости в свободном сечении не менее 0,4 м/с. Уменьшение скорости (менее 0,2 м/с) приводит к увеличению продолжительности сушки, а высокая температура сушильного агента ухудшает качество готового солода.
Способы и технологические режимы сушки солода. Основное требование при сушке солода — обеспечение постепенного подъема температуры и соответствующего снижения содержания влаги солода. Для сушки солода применяют различные сушилки периодического и непрерывного действия. Основные технологические параметры сушки в сушилках различного типа приведены в табл. 20.2. В качестве сушильного агента применяют либо нагретый в калорифере чистый воздух, либо смесь холодного воздуха с топочными газами. Последние получают сжиганием природного газа, мазута, кокса или угля. Предпочтение отдают природному газу. Они не должны содержать взвешенных частиц и иметь посторонние запахи. Максимальная температура сушки не должна превышать для светлого солода 85 °C, темного — 105, карамельного — 140 °C.
493
Таблица 20.2
Тип сушилки	Продолжитель-ность сушки, ч	Содержание влаги солода, %		Температура сушильного
		начальное	конечное	агента. °C
Горизонтальные сушилки: двухъярусная	24 (для светлого	45	3...4		 50...80
	солода) 48 (для темного	45	3...4	50. .105
трехъярусная	солода) 36 (для светлого	45	3...4	50...80
	солода) 72 (для темного	45	3...4	50... 105
Непрерывная вертикальная сушилка ЛСХА по зонам сушки: I	солода) 16... 18 (для светлого солода)	45	27	50
II		27	12	67
III		12	6	81
IV		6	3	85
Аппарат большой единичной мощности при производстве солода совмещенным способом по стадиям сушки: I	6...9	45	20	40...50
II	8...12	20	9	60...65
III	4...6	9	7	65...70
IV	2...3	7	5	70...75
V	4—6	5	3	80...85
Горизонтальная непре-	10...12	45	4-5	85
рывнодействующая карусельная сушилка КТИПП Установка для произвол-	4...5 (с фермен-	45...50	6	70-140
ства карамельного солода	тацией)			
Для получения светлого солода его сушку проводят так, чтобы затормозить рост зародыша и дыхание зерна, не допустить глубокого гидролиза крахмала и белка. Для этого следует быстро удалить влагу при относительно низких температурах. Такой режим позволяет сохранить высокую ферментативную активность солода, так как высокая концентрация сухих веществ предохраняет ферменты от инактивации. Аромат, вкус и цвет светлого солода формируются в последние 3 ч при отсушке, когда температура повышается до 80 °C.
При сушке темного солода в отличие от светлого добиваются глубокого гидролиза белков и крахмала и интенсивного накопления сахаров и аминокислот. Процесс сушки протекает в три
494
стадии: томление при температуре около 50 °C, собственно сушка при температуре до 70 °C и обжаривание при температуре 105 °C. Такой режим приводит к увеличению продолжительности сушки темного солода примерно в 2 раза по сравнению с сушкой светлого солода.
По окончании сушки у сухого солода отделяют ростки, которые могут быть причиной горького вкуса пива. Ростки удаляют сразу после химической фазы, так как вследствие высокой гигроскопичности они быстро теряют хрупкость и трудно отделяются от зерна.
Свежевысушенный солод непригоден для переработки, и перед поступлением в производство его необходимо выдержать в хранилище не менее 30 сут при температуре не выше 20 °C. Во время хранения содержание влаги солода повышается на 2...3 %, в нем происходят благоприятные физико-химические превращения (увеличиваются объем зерна, содержание азотистых и минеральных веществ, повышается активность ферментов и др.), что в итоге приводит к повышению качества солода. Охлажденный и сухой солод при оптимальных температуре и влаге может храниться без потери качества до двух лет.
На рис. 125 приведена технологическая схема производства сухого ячменного пивоваренного солода по прогрессивной технологии. Из элеватора ячмень направляется на мойку и дезин
Рис. 125. Технологическая схема производства сухого ячменного пивоваренного солода
495
фекцию в моечный аппарат 1, откуда промытое и дезинфицированное зерно гидротранспортом подается в аппарат 2 большой единичной мощности для замачивания и проращивания зерна. Во время замачивания зерно орошается водой при помощи форсунок, установленных на самовыгружающем ворошителе 9. По достижении необходимого содержания влаги зерно проращивают по заданным технологическим режимам. В процессе проращивания слой зерна продувается с помощью вентилятора 11 воздухом, подаваемым из кондиционера 10, охлаждаемым в подситовом пространстве аппарата водой, распыленной форсунками. Зерновая масса в процессе проращивания периодически перемешивается вертикальным ворошителем 9. После проращивания по транспортной системе, состоящей из конвейеров 4, 8 и нории 3, свежепроросший солод подается в горизонтальную непрерывную солодосушилку 5 карусельного типа. Сушка осуществляется горячим воздухом, который предварительно нагнетается вентилятором 7 в калорифер 6 для нагревания.
ВЫХОД СОЛОДА И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛОДОВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
При правильном ведении технологических процессов и использовании стандартного сырья выход солода находится в пределах 78...79,5 % массы сухих веществ отсортированного ячменя. Согласно нормативным данным потери и отходы при производстве солода (в % к массе отсортированного ячменя) не должны превышать 11,6, в том числе: потери на выщелачивание при замачивании — 0,6 и на дыхание при проращивании — 5,7; отходы в виде сплава — 1 и ростков — 4,3. Количество потерь можно снизить, если уменьшить содержание влаги солода, использовать холодный режим, ингибиторы дыхания, сократить продолжительность проращивания и др.
Перспективное направление повышения эффективности производства солода — это разработка новых и оптимизация существующих способов и оборудования солодовенного производства. К достижениям этого направления можно отнести, в частности, способ совмещенного производства солода в аппарате большой единичной мощности и горизонтальную непрерывнодействующую сушилку карусельного типа.
ТЕХНОЛОГИЯ СОЛОДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В СПИРТОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Для получения солода в спиртовой промышленности используют ячмень, рожь, пшеницу, овес и просо. Для осахаривания крахмалистого сырья применяют смесь солодов, в которой доля овсяного и просяного солода должна быть не менее 30 %. Запре
496
щается использовать солод из той культуры, которая идет для производства спирта.
Отсортированное зерно моют, дезинфицируют и замачивают в замочных аппаратах воздушно-водяным способом до содержания влаги 38...40 % (для проса — 35...38 %). При замачивании зерно 3...4 ч находится в воде и 2...3 ч без воды. На промывку зерна и первое замачивание расходуется 1,8...2 м3 воды на 1 т зерна. Дезинфекцию проводят хлорной известью (300...400 г на 1 т зерна) при втором замачивании.
Зерно проращивают на токах или в пневматических аппаратах по технологическим режимам, приведенным в табл. 20.3.
Таблица 20.3
Зерновая культура	Температура в слое зерна, °C	Продолжительность проращивания, сут	Содержание влаги в солоде, %
Ячмень	23-»19—20-»13...14	10—12	44-45
Рожь	23->19...20->13...14	7...8	40...41
Овес	23->19...20->13...14	10...12	44-45
Просо	26...30-»25...26	5-6	40...42
Пшеница	23->18...20->14	8...10	44-46
В летний период допускается повышение температуры к концу проращивания до 16...17 °C, а срок выращивания ячменного и овсяного солодов сокращается до 7...8 сут. Зерно ворошат не менее 2 раз в сутки с обязательным предварительным орошением водой.
Потери сухих веществ при нормальном цикле солодоращения составляют около 16 %. Для интенсификации солодоращения применяют гибберелловую кислоту (400...600 мг на 1 т зерна). Это позволяет цикл проращивания сократить на 1...2 сут, повысить прорастаемость и ферментативную активность солода.
На спиртовых заводах широко используется разработанный в Украинском государственном университете пищевых технологий (в б. КТИППе) способ механической активации ферментов солода с помощью гидроакустического аппарата типа РПА, который позволяет в 1,5 раза повысить активности ферментов солода и сократить потери при солодоращении в 2 раза за счет снижения длительности солодоращения до 5 сут. Для механической активации ферментов солод измельчают и полученное солодовое молоко подвергают воздействию гидроакустических упругих колебаний частотой 1...5 кГц в активаторе типа РПА при 10...30 циклах обработки.
В спиртовом производстве применяют свежепроросший солод, который предварительно измельчают. Основным показателем качества такого солода является ферментативная активность.
497
ТЕХНОЛОГИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТИПОВ СОЛОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИСОЛОДОВЫХ ЭКСТРАКТОВ
Злаки и полученный из них солод — продукты, обладающие высокой питательной и физиологической ценностью. Из них вырабатывают различные виды солодовых экстрактов и другие продукты на их основе, которые используют как диетические, так и лечебные. Основные зерновые культуры, из которых готовится солод для производства полисолодовых экстрактов, — это ячмень, пшеница, кукуруза, горох и овес с прорастаемостью не менее 92 %.
Для выработки полисолодовых экстрактов вполне пригоден ячменный пивоваренный солод. Технология солода из других злаков имеет свои особенности. Отсортированное, промытое и продезинфицированное зерно замачивают воздушно-оросительным способом до содержания влаги 42...47 %.
Зерно проращивают на току или в пневматических аппаратах по технологическим режимам, приведенным в табл. 20.4.
Таблица 20.4
Зерновая культура	Температура в слое зерна, °C	Продолжительность проращивания, сут	Примечание
Пшеница	16...18	4...5	Продувка кондициони-
Овес	16...18	6...7	рованным воздухом температурой 12 °C и содержанием влаги 100 %
Кукуруза	20...25, в конце проращивания 18...20	7...8	Ворошение и дополнительное орошение через каждые 6...8 ч
Сушку и термическую обработку свежепроросшего солода проводят на одно- или двухъярусных солодосушилках или в аппарате, где осуществлялось проращивание подогретым воздухом, температуру которого постепенно повышают от 40 до 75 °C. Продолжительность сушки 20...25 ч, содержание влаги сухого солода 5...7 %. Высушенный солод после охлаждения направляют на росткоотбойную машину, а оттуда — на фасование. Оценку качества солода проводят в соответствии с требованиями, приведенными в табл. 12.2.
ТЕХНОЛОГИЯ РЖАНОГО (ФЕРМЕНТИРОВАННОГО И НЕФЕРМЕНТИРОВАННОГО) СОЛОДА
Рожь замачивают воздушно-оросительным способом до содержания влаги 48...52 %. Температура воды 17...20 °C, расход 1,5 м3 на 1 т ржи. Затем рожь проращивают в пневматических аппаратах
498
в течение 3...4 сут при температуре 14... 18 °C, периодически проводя ворошение. Готовность свежепроросшего (неферментированного) солода определяется специфическим запахом, длиной корешка (1,5...2 размера зерна) и р'остка (0,5 размера зерна). Солод ржаной неферментированный (светлый) сушат 18 ч до содержания влаги 8... 10 % при температуре не выше 70 °C.
Для получения ферментированного солода свежепроросший солод подвергают ферментации. Солод дополнительно увлажняют до 55 % и оставляют для ферментации на 48...72 ч. Через 36...48 ч в результате ферментации температура в слое солода повышается до 60...65 °C. За этот период в солоде накапливается значительное количество сахаров и аминокислот, из которых при сушке образуются ароматические и красящие вещества.
Ржаной ферментированный солод сушат не более 24 ч с постепенным повышением температуры сушильного агента от 50 до 90 °C и уменьшением содержания влаги от 50 до 6...8 %.
При производстве ферментированного солода потери составляют 23...25 %, а неферментированного — 20 % к массе исходного отсортированного зерна.
Контрольные вопросы
1.	Какие примеси зерна вам известны?
2.	Каков уровень влажности исходного зерна, замоченного и сухого солода?
3.	Какие факторы влияют на процесс замачивания?
4.	Какие технологические параметры характеризуют воздушно-оросительное замачивание зерна?
5.	Какие факторы влияют на процесс проращивания зерна? Укажите их параметры.
6.	Какие фазы сушки свежепророщенного солода вам известны?
7.	Какие процессы происходят при сушке солода?
8.	Чем отличается солод, применяемый в спиртовой и пивоваренной промышленности?
Глава 21 ТЕХНОЛОГИЯ ПИВА
Пиво — слабоалкогольный, жаждоутоляющий, игристый напиток с характерным хмелевым ароматом и приятным горьковатым привкусом. В пиве кроме воды, этилового спирта и диоксида углерода содержится значительное количество питательных и биологически активных веществ: белков, углеводов, микроэлементов и витаминов.
По цвету пиво делится на светлое и темное, а в зависимости от вида применяемых дрожжей — на пиво низового и верхового брожения. К пиву верхового брожения относится один сорт — пиво «Бархатное».
499
Около 90 % производимого пива низового брожения приходится на светлые сорта, для которых характерны тонкий, слабо-выраженный солодовый вкус, хмелевой аромат и ярко выраженная хмелевая горечь. Их готовят из светлого пивоваренного солода с добавкой несоложеных материалов (ячменя, рисовой сечки, обезжиренной кукурузы, сахара), воды, хмеля или хмелевых препаратов. Типичные представители светлого пива: «Жигулевское», «Московское», «Киевское», «Рижское». При производстве темных сортов пива используются также специальные сорта солода (темный, карамельный и др.). Поэтому темное пиво имеет солодово-карамельный сладковатый вкус, менее выраженную хмелевую горечь и более интенсивную окраску по сравнению со светлыми сортами. К темному пиву относятся «Украинское», «Мартовское», «Бархатное», «Портер» и др.
Физико-химические показатели качества некоторых сортов пива приведены в табл. 21.1.
Таблица 21.1
Показатели качества	«Жигулевское»	«Рижское»	«Московское»	«Украинское»	«Мартовское»	«Ленинградское»	«Портер»
Концентрация начального сусла, мае. %	11,0	12,0	13,0	13,0	14,5	20,0	20,0
Содержание алкоголя, мае. %, не менее	2,8	3,4	3,5	3,2	3,8	6,0	5,0
Кислотность, мл 1 н. раствора NaOH на 100 мл пива	1,6—2,8	1,9-3,1	2,0-3,3	2,1-2,3	2,4...3,7	3,3.5,1	4,0...5.5
Цветность, мл 0,1 н. раствора йода на 100 мл пива	1,6-2,0	0,5-1,0	0,5...1,0	4,0...8,0	4,0. ..6,0	1,0-2,5	8,0 и более
Содержание диоксида углерода, мае. %, не менее	0,30	0,33	0,33	0,30	0,30	0,33	0,35
Стойкость, сут, не менее	7	8	12	8	8	10	17
Срок выдержки, сут, не менее	21	42	42	30	30	90	60
Действительная степень сбраживания, %	49,0	55,0	52,0	47,5	50,0	55,5	46,0
Принципиальная технологическая схема производства пива представлена на рис. 126.
500
Зернопродукты	Подработка солода и ячменя				Отходы
из хранилища					
			Очищенные зернопродукты		
	Дробление солода и ячменя				
			Дробленые , зернопродукты		
Кондиционированная^	Приготовление затора				Конденсат
вода, пар, фермент-					
ный препарат			Осахаренный затор		
Кондиционированная^	Фильтрование затора				Дробина
вода					
	1				
Хмель, хмелевой	Кипячение сусла с хмелем				Конденсат
экстракт и пар					
			Горячее сусло с хмелевой дробиной		
	Отделение сусла от хмелевой дробины				Хмелевая дробина
			Охмеленное сусло '	Осадок		
Хладагент	Осветление и ох-лаждение сусла				взвесей
					кипячения
			Начальное г сусло 	СО2|>		
Семенные дрожжи,	Сбраживание пив-кого сусла				Осадочные
хладагент					дрожжи *
			Молодое f пиво		
Хладагент	Дображивание и созревание пива				Осадок
					
			Созревшее пиво		
	Осветление пива				осадок 	►
			Осветленное г пиво Готовое пиво		
диоксид углерода		Розлив пива		в склад или на ^реализацию	
					
Рис. 126. Принципиальная технологическая схема производства пива
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИВА
Солод и несоложеное сырье. Основным сырьем для производства пива является ячменный пивоваренный солод (светлый, темный и специальные сорта), характеристика которого приведена в табл. 21.2. Основные сортовые особенности пива (цвет, вкус, запах, аромат) во многом зависят от качества солода и соотношения его видов в рецептуре. Стандартом на пиво допускается использование несоложеного ячменя, рисовой сечки, пшеницы, обезжиренной кукурузной муки. Главные требования, предъявляемые к качеству заменителей солода, — это чистота и соответствие требованиям на продовольственное сырье. Применение несоложеного сырья экономически выгодно и технологически обосновано. Поэтому при приготовлении 10... 11 % светлого пива следует обязательно применять не менее 20 % несоложеного сырья без использования ферментных препаратов. При использовании свыше 20 % несоложеного ячменя применение ферментных препаратов обязательно.
При производстве пива «Жигулевское» допускается использование сахара-сырца в количестве до 6 % массы затираемых зер-нопродуктов.
Вода. Качество воды, ее ионный состав оказывают большое влияние на формирование органолептических показателей пива. Технологическая вода должна отвечать всем требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Она должна быть прозрачной, бесцветной, приятной на вкус, без запаха, с общей жесткостью 2...4 мгэкв/л и pH 6,8...7,3.
Вода считается оптимальной для производства пива, если отношение концентрации ионов кальция к общей щелочности воды (показатель щелочности) не менее 1, а соотношение ионов кальция и магния 1:1...3:1.
Жесткость воды и ее солевой состав регулируют, применяя различные способы водоподготовки: реагентный, ионообменный, электродиализный и мембранный, основанный на принципе обратного осмоса.
Для удаления неприятного запаха воду дезодорируют путем пропускания через колонку, заполненную активированным углем.
Хмель и хмелепродукты. Хмель — традиционное и наиболее дорогостоящее сырье пивоваренного производства. Он придает пиву специфический горький вкус и аромат, способствует удалению из сусла некоторых белков, служит антисептиком, подавляя жизнедеятельность контаминирующей микрофлоры, и повышает пеностойкость пива. Различают два основных вида хмеля: горький и ароматический. В пивоварении используют преимущественно женские соцветия ароматического хмеля — хмелевые
502
шишки, содержащие лупулин. В состав последнего входят ароматические и горькие вещества.
Горькие хмелевые вещества включают а- и р-кислоты, мягкие а-, р- и твердые смолы. Содержание а-кислот в зависимости от сорта хмеля может достигать 16 %. Наиболее ценные для пивоварения производные а-кислот — изосоединения обеспечивают около 90 % горечи пива.
Ароматические вещества представлены в основном эфирным маслом, содержание которого колеблется от 0,3 до 2 %. Важная составная часть хмеля — дубильные вещества, количество которых достигает 3 %.
По назначению хмель разделяют на две группы: тонкие сорта с содержанием горьких веществ около 15 % и а-кислот от 3 до 5 %, используемые для производства пива по классической технологии, и грубые сорта с содержанием горьких веществ более 20 %, предназначенные для изготовления порошков, гранул и экстрактов. В пивоварении используют высушенные хмелевые шишки, молотый, гранулированный или брикетированный хмель, а также различные хмелевые экстракты.
Хмель и хмелепродукты следует хранить в сухом, темном и охлажденном помещении с температурой от 0 до 2 "С и относительной влажностью воздуха не выше 70 %.
Ферментные препараты. Используют при применении более 20 % несоложеного сырья в количестве от 0,001 до 0,075 % к массе перерабатываемого сырья.
Применяют амилолитические (Амилосубтилин ГЮх, Амило-ризин Пх и др.), протеолитические (Протосубтилин ГЮх), цитолитические (Цитороземин П10х, Целлоконингин ШОх и др.) ферментные препараты, а также их смеси в виде мультиэнзим -ных композиций.
Амилолитические препараты применяют при затирании при повышенном количестве несоложеного сырья и низком качестве исходного сусла. Они существенно повышают выход экстракта и улучшают качество сусла.
Протосубтилин ГЮх используют при повышенных количествах несоложеного сырья и для улучшения качества сусла из некачественных солодов, а также для ликвидации коллоидных помутнений в пиве. Цитолитические препараты повышают выход экстракта за счет гидролиза некрахмальных полисахаридов, в основном гемицеллюлозы. Одновременно повышаются качество сусла и стойкость пива.
Наиболее перспективным средством является применение мультиэнзимных композиций (МЭК), которые позволяют сохранить высокое качество «Жигулевского» пива при использовании до 60 % несоложеного сырья.
503
ПОДРАБОТКА И ДРОБЛЕНИЕ СОЛОДА И НЕСОЛОЖЕНОГО СЫРЬЯ
Основная цель дробления солода и несоложеного сырья — облегчение и ускорение физических и биохимических процессов растворения зерна для обеспечения максимального перехода экстрактивных веществ в сусло.
Подработка зернопродуктов. При хранении и транспортировании солод и несоложеное сырье загрязняются. Поэтому перед измельчением их очищают от посторонних включений. Для удаления пыли и остатков ростков солод пропускают через полировочную машину. Несоложеное сырье от органической и минеральной примесей очищают на воздушно-ситовом сепараторе и полировочной машине. Для удаления металлопримесей зерно-продукты пропускают через электромагнитный сепаратор.
Дробление солода. Оптимальный состав помола должен обеспечить максимально возможный выход экстракта и достаточно высокую скорость фильтрования сусла, так как оболочка зерна служит хорошим фильтрующим материалом. Солод дробится в сухом или частично увлажненном (мокром) виде. Для измельчения сухого солода применяют четырех- и шестивальцовые дробилки, работающие с одинаковой частотой вращения вальцов. Состав помола (%) зависит от качества солода, способов его затирания и фильтрования (табл. 21.2). При мокром помоле солод предварительно увлажняют в бункере до содержания влаги 18...32 % путем орошения водой температурой 35...50 °C. При этом повышается эластичность оболочки, которая практически не измельчается на вальцовых станках, что приводит к созданию рыхлого и пористого фильтрующего слоя дробины.
Таблица 21.2
Составные части помола	Размер частиц, мм	Солод при фильтровании		Ячмень	Рис	Кукуруза
		на фильтр-аппарате	на фильтрпрессе			
Шелуха Крупка:	Более 2,20	15.18	9...12	10...20	0...2	0...5
крупная	1,00...2,20	18...22	12...15	20...30	30...35	25...30
мелкая	0,56... 1,00	30...35	30...35	30...35	40...45	25...34
Мука	Менее 0,56	20...30	40...45	15...25	20...25	40...50
Дробление несоложеных зернопродуктов. Ячмень, пшеницу и рис дробят на двухвальцовом станке с нарезными вальцами, которые вращаются навстречу друг другу с разной скоростью. Для измельчения кукурузы используют молотковые дробилки. Рекомендуемый состав помола приведен в табл. 21.2.
504
ПОЛУЧЕНИЕ ПИВНОГО СУСЛА
Затирание. Цель затирания — экстрагирование растворимых веществ солода и несоложеного сырья и превращение под действием ферментов нерастворимых веществ в растворимые с последующим переводом их в раствор. Вещества, перешедшие в раствор, называют экстрактом.
Затирание включает три стадии: смешивание измельченных зернопродуктов с водой, нагревание й выдерживание полученной смеси при заданном температурном режиме. При этом количество единовременно обрабатываемых измельченных зернопродуктов называют засыпью, объем применяемой воды — наливом, а полученный продукт — затором.
Превращения при з атир а н и и. На первых стадиях затирания в раствор переходят углеводы, частично белки и продукты их гидролиза, пектиновые, дубильные и горькие вещества, ферменты и минеральные соли, составляющие 10...15 % сухих веществ солода. В несоложеном сырье их примерно в 2...3 раза меньше. Основные же компоненты зернопродуктов — крахмал и белки нерастворимы. Поэтому их перевод в растворимое состояние осуществляется в результате направленного действия соответствующих ферментов.
Гидролиз крахмала начинается при солодоращении. При затирании крахмал проходит три стадии: клейстеризацию, разжижение и осахаривание. Собственно гидролиз крахмала (осахаривание) представляет собой разжижение крахмального клейстера, которое сопровождается накоплением в среде декстринов, мальтозы и глюкозы.
Схематически гидролиз крахмала можно представить в виде схемы: Крахмал -> Амилодекстрины -» Эритродекстрины -> Ах-родекстрины -> Мальтодекстрины -> Мальтоза -> Глюкоза.
Процесс осахаривания контролируется по йодной реакции, так как крахмал и декстрины дают различный цвет с йодом: крахмал и амилодекстрины — синий, эритродекстрины — красно-бурый, ахродекстрины и другие продукты гидролиза цвет йодного раствора не изменяют. Поэтому термин «осахаривание» в бродильном производстве означает не процесс превращения крахмала в сахара, а исчезновение окраски йодного раствора.
К гидролизу крахмала при затирании предъявляют следующие требования: сусло не должно содержать амило- и эритродекстри-нов, дающих окраску с йодом, но кроме мальтозы в сусле должны содержаться ахро- и мальтодекстрины, придающие пиву полноту вкуса и повышающие его вязкость. При правильно проведенном затирании из крахмала должно образоваться 20...30 % декстринов и 70...80 % «сырой» мальтозы, к которой относятся все продукты гидролиза крахмала, обладающие редуцирующей способностью, в пересчете на мальтозу.
505
Цитолитические ферменты гидролизуют гемицеллюлозы и гумми-вещества, входящие в состав клеточных стенок зернового сырья. При этом образуются декстрины, глюкоза, ксилоза и арабиноза. Продукты гидролиза некрахмальных полисахаридов повышают выход экстракта, снижают вязкость раствора, благоприятно влияют на вкус пива, образование пены и ее устойчивость.
Однако гидролиз некрахмальных полисахаридов зависит от действия протеолитических ферментов на белок, с которым эти вещества связаны.
Как и крахмал, белки начинают гидролизоваться в процессе солодоращения. Их гидролиз происходит в основном под действием эндопептидаз солода. Ферментативное расщепление белков можно представить в следующем виде: Белки Альбумозы -> Пептоны -> Полипептиды -> Пептиды -> Аминокислоты. Около 35 % белков (от общего содержания в сырье) должно переходить при затирании в сусло. Рекомендуется следующее соотношение фракций продуктов гидролиза белка (%): А:В:С = 25:15:60. Пептоны и полипептиды (фракция В) обусловливают образование пены пива, а пептиды и аминокислоты (фракция С) необходимы для питания дрожжей. Высокомолекулярные продукты гидролиза белка (фракция А) влияют на стойкость пива. Поэтому недостаточный гидролиз белка приводит к резкому снижению органолептических свойств пива и его стойкости при хранении.
При затирании протекают также многочисленные неферментативные процессы: экстракция образующихся растворимых веществ, образование меланоидинов, частичная коагуляция белка и др.
Факторы, влияющие на затирание. Основные факторы, влияющие на выход экстракта и его состав, — это соотношение фермент: субстрат, продолжительность процесса, температура и pH затора.
С увеличением концентрации затора ферментативные реакции замедляются. Поэтому концентрация затора обычно не превышает 16 %. Обычно на затирание 100 кг зернопродуктов расходуют 350...500 л воды.
В табл. 21.3 приведены оптимальные значения температуры и pH важнейших ферментов, гидролизующих крахмал, некрахмальные полисахариды и белки при затирании. Влияние температуры обусловлено температурным оптимумом и термостабильностью ферментов. Так, при 63 °C образуется большое количество мальтозы и мало декстринов. С повышением же температуры до 70 'С гидролиз крахмала протекает быстрее, но вследствие инактивации р-амилазы накапливаются преимущественно декстрины.
506
Таблица 21.3
Источник фермента	Фермент	Оптимальные значения	
		температуры, “С	pH
Солод	а-Амилаза	70	5,7
	Р-Амилаза	63	4,8
	Эндопептидаза	45...50	4,6. .5,0
	Экзопептидаза	40	7,0...8,0
	Фосфотаза	48	5,0...5,5
	Цитолитические	35...45	4,6...5,0
Амилосубтилин Г10х	а-Амилаза + р-амилаза	60	6,3...6,6
Амилосубтилин Г20х	Пептидаза	60	5,4...6,0
	Цитолитические	40..52	5,4...6,0
Амилоризин Пх	а-Амилаза	65	6,0
Амилоризин П10х	Пептидаза	45...55	4,5...4,6
Протосубтилин IT Ох	Эндопептидаза	45...52	6,0...9,5
Цитороземин Пх	Цитолитические	50...65	3,0...5,6
Оптимум pH для действия ферментов зависит от температуры среды. Как правило, с повышением температуры повышается и pH-оптимум. Так, для совместного действия амилаз при температуре затора 65 °C рН-оптимум 5,6.
С увеличением продолжительности затирания в сусле накапливаются низкомолекулярные продукты гидролиза крахмала и белков.
Важнейшими температурными паузами при затирании являются 50...52; 60...65; 70 °C, во время которых максимальную активность соответственно проявляют эндопептидаза, 0- и а-амилаза.
Способы и технологические режимы затирания. Приготовление затора начинают со смешивания дробленых зернопродуктов с водой при температуре 37...40 °C, которое осуществляется в заторном аппарате при включенной мешалке. Далее затирание ведут настойным или отварочным способом.
Настойный способ заключается в постепенном нагреве всего затора от 40 до 70 °C со скоростью 1 °С/мин и выдерживании при температуре 40; 52; 63 и 70 °C по 30 мин. Далее затор нагревают до 72 °C и выдерживают до полного осахаривания по пробе на йод. Затем осахаренный затор подогревают до 76...77 °C и направляют на фильтрование. Полученное этим способом сусло богато ферментами, содержит много мальтозы и аминокислот, мало декстринов и поэтому сильно сбраживается. Однако выход экстракта при отварочном способе выше. Это обусловлено тем, что при
507
отварочных способах затор подвергают не только ферментативному, но и физическому воздействию (кипячению).
Сущность отварочного способа состоит в том, что отдельные части затора (отварки) кипятят, а затем смешивают с остальной частью затора, постепенно повышая его температуру до 75 °C. При кипячении крахмальные зерна из крупных частиц дробленых зернопродуктов переходят в раствор, клейстеризуются и подвергаются действию ферментов. Различают следующие варианты отварочных способов: с одной, двумя, тремя отварками или кипячением всей густой части. Наиболее распространенные — одно- и двухотварочные способы. При отварочных способах затирание ведут в двух заторных аппаратах, один из которых используют для кипячения отварки.
Несоложеное сырье затирают в смеси с солодом или подрабатывают отдельно, а затем смешивают с солодом и готовят общий затор.
В табл. 21.4 в качестве примера рассмотрен технологический режим одноотварочного способа затирания, при котором все сырье — солод, ячмень и ферментный препарат — затирают одновременно, начиная с температуры 40 °C.
Таблица 21.4
Операция	Температура, °C	Продолжительность, мин	Примечание
Смешивание солода, несо-	40	60	Работает мешалка ложеного ячменя, ферментного препарата с водой Выдерживание	При 40	20	То же Подогрев	До	52	10	» Выдерживание	При	52	30	» Подогрев	До	63	10	» Выдерживание	При 63	30...40	» Выдерживание	При	63	20	Мешалка выключена Откачка жидкой части во	При	63	15...25	С помощью второй заторный аппарат	декантатора Подогрев гущи	До 70	10	Мешалка работает Выдерживание гущи	При	70	15...20	То же Подогрев гущи	До 100	20...25	» Кипячение гущи	100	-30	Мешалка	выключена Объединение густой части	70	10	Мешалка работает затора с жидкой Выдерживание	При 70	До 30	То же Подогрев	До 72...73	5	» Выдерживание	При 72...73 До полного	» осахаривания Подогрев	До 76	Перекачка	» затора на фильтрование			
508
Фильтрование затора. Осахаренный затор представляет собой суспензию, состоящую из двух фаз: жидкой (пивное сусло) и твердой (пивная дробина). Цель фильтрования — отделение пивного сусла от дробины. Фильтрование затора подразделяется на две стадии: собственно фильтрование первого (основного) сусла и выщелачивание — вымывание экстракта, задерживаемого дробиной. Сусло и промывные воды должны быть прозрачными во избежание затруднения последующих технологических операций и ухудшения качества пива.
Превращения при фильтровании затора. Фильтрование первого сусла представляет собой в основном физический процесс. А при выщелачивании дробины водой протекает конвективная диффузия, а также различные химические процессы, главным образом обменные реакции. С понижением концентрации сусла его pH возрастает от 5,7 до 6,2, что приводит к увеличению растворения кремниевой кислоты, полифе-нольных, дубильных, горьких и других веществ оболочки зерно-продуктов. Это повышает цветность пива, что может служить причиной ухудшения его вкуса.
Факторы, влияющие на фильтрование затора. На скорость фильтрования влияют состав и высота фильтрующего слоя. При фильтровании на фильтр-аппарате фильтрующим слоем является слой дробины, образующийся при отстаивании затора. Солод хорошего растворения, имеющий рекомендуемый состав помола (см. табл. 21.2), дает рыхлый, легкопроницаемый слой.
На скорость фильтрования существенно влияет температура, которая должна быть не выше 78 °C во избежание инактивации а-амилазы. Последняя завершает доосахаривание остатков крахмала. Кроме того, более высокая температура способствует увеличению растворимости продуктов гидролиза белка, полифе-нольных и других веществ, что влияет на стойкость пива.
В щелочной воде легко растворяются дубильные и горькие вещества оболочек. Но при длительном экстрагировании даже вода нормального состава извлекает из оболочек вещества, обусловливающие неприятный вкус пива.
Способы и технологические режимы фильтрования. Наиболее распространены периодические способы фильтрования с использованием фильтрационного аппарата или фильтр-пресса. Непрерывные способы фильтрования, центрифугирование, вакуум-фильтрование, автоматизация процесса по той или иной причине пока не нашли широкого распространения.
На первой фазе фильтрования затор перекачивают в фильтрационный аппарат, где он отстаивается для формирования фильтрующего слоя высотой 30...40 см. Затем начинают фильтрование, причем первое мутное сусло возвращают в фильтр-аппарат. По
509
окончании фильтрования первого сусла дробину промывают водой температурой 70...80 °C. Промывание ведут до содержания сухих веществ в промывной воде 0,5 %. Дальнейшее вымывание экстракта экономически нецелесообразно, так как ведет к выщелачиванию веществ, ухудшающих вкус пива, и перерасходу топлива на выпаривание избытка воды.
В фильтр-прессе в качестве основного фильтрующего слоя используется салфетка из специальной ткани, поэтому допускается более тонкий помол зернопродуктов (см. табл. 21.2). После сбора первого сусла дробину промывают водой температурой 75...80 °C до плотности промывных вод 0,5...0,7 %.
Кипячение сусла с хмелем. Отфильтрованное сусло и промывные воды собирают в сусловарочном аппарате и кипятят с хмелем. Цель кипячения — стерилизация сусла, стабилизация и ароматизация его состава горькими веществами хмеля.
Превращения при кипячении сусла с хмелем. Дробленые зернопродукты всегда содержат некоторое количество микроорганизмов. При кислой реакции среды сусла стерилизация достигается уже через 15 мин кипячения.
При кипячении хмеля в сусло переходит значительная часть его углеводов, белковых, горьких, дубильных, ароматических и минеральных веществ. Ароматизация сусла происходит в результате растворения в нем специфических составных частей хмеля и продуктов реакции меланоидинообразования.
С повышением температуры сусла происходит денатурация белков, которая внешне характеризуется появлением мути. Кипячение сусла с хмелем сопровождается снижением его вязкости и повышением цветности в результате реакции меланоидинообразования, карамелизации сахаров, окисления полифенольных веществ и растворения красящих веществ хмеля.
Факторы, влияющие на процесс кипячения сусла с хмелем. На процессы, происходящие при кипячении сусла с хмелем, существенное влияние оказывают его продолжительность, pH и состав воды, концентрация сусла.
При длительном кипячении сусла с хмелем раствор насыщается горькими кислотами, что приводит к изменению pH сусла. Это является причиной выпадения их в осадок. Коагуляция белков наиболее полно проходит при pH 5,2 в присутствии сульфатов и хлоридов. Дубильные вещества хмеля ускоряют коагуляцию белков.
При работе с мягкой водой образующиеся кислоты способствуют осаждению горьких веществ, тем самым снижая ощущение горечи. При использовании карбонатных вод действие кислот в начале брожения нейтрализуется.
При высокой концентрации сусла в среде возрастает количество коагулируемого белка, который при осаждении выводит из 510
раствора горькие вещества. Поэтому при упаривании концентрированного сусла дозу вводимого хмеля увеличивают.
Способы и технологические режимы кипячения сусла с хмелем. Сусло с хмелем кипятят в сусловарочных аппаратах. Поступающее в сусловарочный • аппарат сусло должно иметь температуру 63...75 °C, для того чтобы предохранить его от инфицирования и максимально продлить активность ферментов. В конце набора проверяют полноту осахаривания пробой на йод. При отрицательной реакции в сусло добавляют вытяжку из следующего затора и выдерживают при температуре не выше 75 °C до полного осахаривания. Сусло кипятят только после заполнения аппарата. Продолжительность кипячения не должна превышать 2 ч при скорости испарения воды 5...6 % в час к массе сусла. Наиболее интенсивно сусло кипятят в середине варки. В начале варки стараются избежать сильного вспенивания, а в конце — гарантировать хорошее образование хлопьев.
Расход хмеле продуктов (7/хп, г СВ) на 1 дал готового пива рассчитывают по формуле
77х п = Гс (100 + 77) / (100Гх),
где Гс — содержание горечи хмеля, вводимого в сусло для данного сорта пива, г СВ на 1 дал пива; 77—общие нормируемые потери жидкой фазы для пива данного сорта, %; Гх — содержание горечи в 1 г сухих веществ хмеля, г.
Горечь хмеля обусловлена в основном содержанием а-кисло-ты:
Гх = (а + 1) / 100,
где а — содержание а-кислот, %; 1 — содержание горечи р-фракции, %.
Удельный расход хмеля на 1 дал пива в зависимости от сорта хмеля и вида пива составляет от 20 до 60 г. Хмелепродукты в сусло вносят в два, три или четыре приема.
Конец кипячения сусла определяют по содержанию сухих веществ в нем, свертыванию белково-дубильных веществ, образованию хлопьев и прозрачности горячего сусла.
Отделение сусла от хмелевой дробины. После окончания кипячения охмеленное сусло поступает в хмелеотделитель. Хмелевая дробина задерживается на сите, сусло проходит сквозь него и центробежным насосом перекачивается в сборник для охлаждения и осветления. Затем хмелевую дробину промывают горячей водой для дополнительного выщелачивания экстрактивных веществ хмеля. Промывные воды присоединяются к суслу в сусловарочном аппарате.
Охлаждение и осветление сусла. Цель охлаждения и осветления сусла — понижение температуры до 6...16 °C (в зависимости
511
от способа брожения), насыщение его кислородом воздуха и осаждение взвешенных частиц.
Превращения при охлаждении и осветлении сусла. В охлаждаемом сусле остаются скоагулированные белки, которые находятся в состоянии тонких взвесей (суспензий). При понижении температуры они осаждаются.
В течение всего процесса охлаждения сусло поглощает кислород воздуха, который при температуре выше 40 °C расходуется на окисление органических веществ сусла, что приводит к потемнению сусла, снижению хмелевого аромата и хмелевой горечи.
Охлаждение сусла сопровождается испарением некоторого количества воды, что приводит к уменьшению его объема и повышению концентрации.
Факторы, влияющие на процессы при охлаждении и окислении. Крупные взвеси осаждаются на протяжении всего процесса охлаждения сусла. Тонкий осадок образуется при снижении температуры до 5...7 °C.
Растворение кислорода в сусле начинается при температуре 40 °C и ускоряется при перемешивании, увеличении площади и продолжительности контакта, снижении концентрации сусла. Одновременно протекают окислительные процессы и сусло насыщается кислородом.
Сусло температурой 20...40 °C является благоприятной средой для инфицирующей микрофлоры. Поэтому его охлаждают в две стадии. Первую стадию от 90 до 60 °C проводят в течение 2 ч для обеспечения максимального осаждения крупных взвесей, а вторую — от 60 до 6... 16 °C проводят быстро с использованием пластинчатых теплообменников.
Способы и технологические приемы охлаждения и осветления сусла. Для охлаждения сусла до 60 °C используют холодильные тарелки (тонкий слой сусла толщиной 150...250 мм), отстойный и гидроциклонный аппараты (высокий слой сусла). Сусло охлаждается до 60 °C в тонком слое в течение 2...6 ч, в высоком слое — до 2 ч. По достижении 60 °C сусло перекачивают на вторую ступень охлаждения в пластинчатые теплообменники.
Белковый отстой содержит значительное количество сусла, поэтому его фильтруют или сепарируют, стерилизуют и добавляют в сусло, которое идет на брожение.
Для осветления сусла используют также центробежные сепараторы, которые позволяют быстро получить прозрачное сусло и сократить потери экстракта с отстоем.
После охлаждения до 6...16 °C сусло аэрируют воздухом непосредственно в трубопроводе или аппарате предварительного брожения. Начальная концентрация охлажденного пивного сусла, его кислотность и цветность должны соответствовать виду пива.
512
Выход экстрактивных веществ и потери при получении пивного сусла. Оценить работу варочного цеха и определить правильность режима затирания можно на основании расчета выхода экстракта (%)
Э = Vmd • 0,96/М,
где И — количество горячего сусла в сусловарочном аппарате, л; т — содержание сухих веществ в сусле, %, d — плотность сусла, кг/л; 0,96 — поправочный коэффициент на уменьшение объема сусла при его охлаждении; М— масса перерабатываемых зернопродуктов, кг.
При хорошей работе варочного отделения разница между выходом экстракта и экстрактивностью переработанных зернопродуктов не должна превышать 1,6...2,2 %.
В зависимости от сорта пива потери экстракта в варочном цехе колеблются от 2,6 до 2,8 %, а потери в пивной и хмелевой дробине (к объему горячего сусла) на стадии осветления и охлаждения сусла — от 5,5 до 7,0 %, в том числе 4 % составляют мнимые потери объема в результате сжатия сусла при его охлаждении от 100 до 20 °C.
СБРАЖИВАНИЕ ПИВНОГО СУСЛА И ДОБРАЖИВАНИЕ ПИВА
Основной процесс, в результате которого сусло превращается в пиво, — спиртовое брожение. При этом химический состав сусла существенно изменяется и оно превращается в вкусный ароматный напиток. Сбраживание пивного сусла проходит в две стадии: главное брожение и дображивание. На первой стадии происходит интенсивное сбраживание сахаров сусла, в результате которого образуется молодое (мутное) пиво, имеющее своеобразные вкус и аромат, еще непригодное к употреблению. При дображивании оставшиеся сахара медленно сбраживаются, пиво приобретает характерные органолептические свойства, осветляется и насыщается оксидом углерода, т. е. происходит его созревание и пиво превращается в товарный продукт.
Дрожжи, используемые для производства пива. Дрожжи должны отвечать следующим требованиям: иметь высокую бродильную активность, хорошо образовывать хлопья и осветлять пиво в процессе брожения, придавать ниву чистый вкус и приятный аромат.
Бродильная активность дрожжей характеризуется степенью сбраживания сусла (%)
С = (£-е)100/Е,
где Е, е — содержание экстрактивных веществ в начальном сусле и в пиве соответственно, %.
Подготовка чистой культуры дрожжей к брожению сводится к накоплению их биомассы в условиях микробиологической сте
513
рильности в количестве, необходимом для начала процесса брожения. Кроме чистой культуры широко используют семенные дрожжи, представляющие собой дрожжи, которые осели в конце главного брожения. На практике семенные дрожжи после предварительной подготовки используются до 10 генераций.
Превращения при сбраживании пивного сусла и дображивании пива. Основной процесс при главном брожении — биохимическое превращение сбраживаемых углеводов в этиловый спирт и оксид углерода. Наряду с основными продуктами брожения образуются вторичные и побочные продукты, которые в значительной степени определяют органолептические показатели пива.
Образование спирта сопровождается выделением в среду теплоты, которую необходимо отвести для поддержания заданных температурных условий.
На первых этапах брожения происходит энергичное размножение дрожжей, что обусловлено полноценностью питательной среды. По мере обеднения среды, накопления продуктов брожения, создания избыточного давления скорость размножения дрожжей уменьшается.
В результате главного брожения сусло превращается в молодое пиво, которое еще не является товарным продуктом. Поэтому его направляют на дображивание и созревание. При дображивании протекают в основном те же процессы, что и при главном брожении, но более медленно. Выделяющийся в процессе добра-живания оксид углерода (IV) растворяется и связывается в пиве, что приводит к насыщению пива оксидом углерода.
При созревании пива происходят различные окислительно-восстановительные реакции, в результате которых исчезают характерные для молодого пива привкус дрожжей и хмелевая горечь.
При дображивании пиво осветляется. Это обусловлено выпадением в осадок дрожжей, которые адсорбируют на себе белковую муть и другие взвеси. Так же происходят коагуляция и осаждение хмелевых смол, белковых и дубильных веществ.
Факторы, влияющие на сбраживание сусла и дображивание пива. Наибольшее влияние на ход брожения оказывают температура и количество дрожжей. Различают холодное (7...9 °C) и теплое (12... 14 °C) брожение. Норма введения дрожжей зависит от способа брожения и колеблется от 0,4 до 1 л на 1 гл сусла. Сусло должно быть осахаренным, содержать достаточное количество ассимилируемых дрожжами азотистых веществ и правильное соотношение сахаров и несахаров. pH сусла не должно превышать 5,8. Лучше всего сбраживается сусло с начальной концентрацией 10... 12 %.
Способы и технологические режимы главного брожения и до-браживания. Главное брожение проводят в открытых или закрытых бродильных аппаратах периодическим, полунепрерывным
514
или непрерывным способом. Последний пока не нашел широкого распространения. При периодическом брожении пивное сусло температурой 5...7 °C направляется в бродильный аппарат. Семенные дрожжи задают в количестве 0,4 ..0,5 л на 1 гл сусла. Пивное сусло сбраживают в течение 7...И сут в зависимости от концентрации начального сусла. На третьи сутки допускается повышение температуры до 8...10 “С с последующим постепенным снижением до 4...5 °C. Видимая степень сбраживания молодого пива должна составлять 59,1...67,5 %.
Полунепрерывное брожение проводят только в закрытых бродильных аппаратах, которые комплектуют в батареи, состоящие из разбраживателя и пяти бродильных аппаратов. Норма задачи дрожжей 0,6... 1 л на 1 гл. Разбраживатель заполняют суслом температурой 6...8 °C, перемешивают в течение 30 мин и сбраживают 24 ч, а далее половину объема с содержанием видимого экстракта 8,4...8,6 перекачивают в первый бродильный аппарат. Затем оба аппарата доливают свежим суслом до полного объема. С интервалом в одни сутки заполняют все бродильные аппараты. Пивное сусло сбраживают при избыточном давлении в течение 5...6 сут до содержания видимого экстракта 4,5...4 %.
Дображивание пива проводят при температуре от 0 до 2 °C в закрытых аппаратах под избыточным давлением 0,03...0,06 МПа. При дображивании контролируют давление в аппарате, органолептические показатели и степень осветления пива. Продолжительность дображивания зависит от сорта пива и колеблется от 21 сут для пива «Жигулевское» до 90 сут для пива «Портер».
Регулируя температурный режим, оказалось возможным совместить процессы брожения и дображивания в одном аппарате. Процесс осуществляется в цилиндроконических бродильных аппаратах, которые снабжены двумя-тремя охлаждающими рубашками на цилиндрической части и одной — на нижней конической части. Сусло температурой 7...9 °C подают в аппарат и заполняют его на 85 %. В ток сусла задают дрожжи в количестве 0,7...1 л на 1 гл. Первые 50 % сусла аэрируют из расчета 0,5...0,7 м3/ч. В первые сутки брожения температура повышается до 13... 14 °C. При этой температуре сусло бродит 6...7 сут. Затем пиво охлаждают в нижней части аппарата до 1...2 °C, в результате чего образуется плотный осадок дрожжей, который выводят из аппарата. На восьмые сутки пиво охлаждают до 3...4 °C, на девятые—до 1...2 °C и выдерживают при этой температуре 5...6 сут для завершения процессов дображивания.
Совмещение процессов брожения и дображивания позволило сократить их продолжительность до 14...18 сут в зависимости от концентрации начального сусла. Эта технология характеризуется простотой, а капитальные затраты при установке аппаратов вне помещения существенно сокращаются.
При периодическом способе потери в отделении главного
515
брожения составляют 2,3—2,5 % к объему холодного сусла, а в отделении дображивания и фильтрования — 2,35...3 % к объему молодого пива. При совмещенном способе суммарные потери составляют 4,65 % к объему холодного сусла.
ОСВЕТЛЕНИЕ И РОЗЛИВ ПИВА
После дображивания и созревания для придания товарного вида и желаемой прозрачности пиво осветляют с помощью сепарирования или фильтрования. При этом из пива удаляют находящиеся во взвешенном состоянии дрожжевые клетки, белковые и полифенольные вещества, хмелевые смолы, соли тяжелых металлов и различные микроорганизмы.
Лучшие результаты получают при фильтровании пива на кизельгуровых фильтрах. Для придания прозрачности, блеска, а также повышения стойкости при хранении пиво дополнительно фильтруют на фильтр-прессах с использованием специальных сортов картона.
При фильтровании пиво теряет некоторую часть диоксида углерода, поэтому перед розливом его подвергают карбонизации путем продувки через пиво диоксида углерода.
После карбонизации пиво выдерживают 6—8 ч в сборниках, а затем направляют на розлив. Пиво разливают в бутылки вместимостью 0,33 и 0,5 л из темного стекла на автоматических розлив-ных линиях, на которых после мойки бутылок последовательно осуществляют операции розлива пива, этикетирования, бракеража, укладки в ящики или контейнеры. Часть пива разливают в алюминиевые и деревянные осмоленные бочки, а также в пиво-возы.
Пиво, бутылочный квас, а также минеральные воды содержат диоксид углерода, поэтому их разливают под некоторым избыточным давлением и без перепадов давления — изобарически. Для этого в таре (бутылке, бочке, автоцистерне) сначала создают давление, равное тому, под которым находится разливаемая жидкость, а затем приступают к наполнению тары напитком. Температура пива при розливе не должна превышать 3 °C.
Пиво разливают по уровню в автоматах Р-3, Р-6 и РУ-12 соответственно производительностью 3300, 6600 и 13000 бутылок в час. Бутылки, в которые поступает пиво или безалкогольные газированные напитки под избыточным давлением 0,05...0,3 МПа, укупоривают стальными колпачками с упругой пробкой или синтетической прокладкой. Для этой цели используют укупорочные автоматы, например марки У6-А производительностью 6000 бутылок в час.
Потери пива при фильтровании составляют 1,55 %, при розливе в бутылки — 2, в бочки — 0,50, при бестарной перевозке — 0,33 %.
516
АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПИВА
Отлежавшийся солод из склада (рис. 127) подают в воздушноситовой сепаратор 1, а затем шнеком 2 в сборник очищенного солода 3. Ячмень шнеком 2 также подают в воздушно-ситовой сепаратор 1, а затем норией в сборник ячменя 15. Солод и ячмень пропускают через магнитную колонку 4, взвешивают на автоматических весах 5 и измельчают: солод на установке для мокрого дробления 6, а ячмень на мельничном станке 16. Вода на технологические нужды поступает из сборников 10 и 11. Затирание проводят в заторно-варочном аппарате 7, в который дробленый солод поступает самотеком, а измельченный ячмень из сборника 17 — с помощью шнека 2. Сюда же поступает сахарный раствор, приготовленный в реакторе 9 и профильтрованный через ловушку 8. Затор фильтруют в фильтрационном аппарате 14. Прозрачное сусло и промывные воды насосом 13 перекачивают в сусловарочный аппарат 18, в котором сусло упаривается до заданной начальной концентрации. Хмель из склада подают в расходный сборник 72, откуда заданные порции хмеля через воронку поступают в сусловарочный аппарат 18. Пивную дробину насосом перекачивают в расходный сборник для реализации.
Горячее сусло из сусловарочного аппарата 18 самотеком направляется в хмелеотборный аппарат, откуда насосом оно перекачивается в гидроциклонный аппарат 28 для осветления. Насос 20 перекачивает осветленное сусло в пластинчатый теплообменник 29, где оно охлаждается до 6 °C, а затем поступает в аппарат главного брожения 34.
Для приготовления чистой культуры дрожжей предусмотрена установка, состоящая из стерилизаторов сусла 25, 27 и цилиндра для разбраживания дрожжей 26. Сброженная чистая культура дрожжей сжатым воздухом передавливается в ток сусла, поступающего на брожение. Избыточные дрожжи из аппаратов главного брожения 34 с помощью вакуума отбираются в вакуум-монжю 31. Семенные дрожжи воздухом передавливаются на вибросито 30 для очистки. Очищенные дрожжи самотеком поступают в монжю 31 на хранение. С помощью вакуум-насоса 32 они направляются в производство. Воду для заливки дрожжей охлаждают в баке 24. Избыточные дрожжи, пройдя монжю 31, сжатым воздухом направляются в сборник 33, из которого насосом 20 перекачиваются на реализацию.
Дезинфицирующие растворы готовят в сборниках 19, 21 и 22. После фильтрования на фильтре 2.3 они подаются на дезинфекцию оборудования.
Молодое пиво из аппаратов 34 насосом 20 перекачивают в аппараты для дображивания и созревания пива (лагерные танки) 35. По окончании дображивания через смесительный фонарь 36 пиво насосом 37 подается для охлаждения в пластинчатый теп-
517
15
16
17
2
Производство пивного сусла
11
К поз. 7
Склад 10-сахара-
Отходы на реализацию
Солод из склада
вода на технологические нужды
<S >
SS
МодопроМа
О
соорник сусла
2^-
На охлаждение кпоз.28
Рис. 127. Аппаратурно-технологическая схема производства пива
лообменник 38, а затем для фильтрования в диатомитовый фильтр 39. Сортовое пиво дополнительно фильтруют через картонный фильтр 40, охлаждают до 1 °C в теплообменнике 41, насыщают оксидом углерода (IV) в карбонизаторе 42 и собирают в сборниках-мерниках 43, откуда оно поступает на розлив.
Контрольные вопросы
1.	Какими показателями отличается «Жигулевское» пиво от «Украинского»?
2.	Воду какой жесткости используют для производства пива? Укажите соотношение ионов кальция и магния в воде.
3.	Какие свойства придают пиву хмель и хмелепродукты?
4.	Зачем и в каком количестве используют различные ферментные препараты в производстве пива?
5.	Из каких составных частей состоит помол пивоваренного солода?
6.	Чем отличается настойный способ затирания от одноотварочного? Укажите технологические параметры одноотварочного способа.
7.	Какова продолжительность кипячения сусла с хмелем?
8.	Как рассчитать выход экстрактивных веществ в процессе приготовления пивного сусла?
9.	Чем отличается процесс сбраживания пивного сусла от дображивания пива?
Глава 22 ТЕХНОЛОГИЯ КВАСА
Промышленность выпускает широкий ассортимент квасов и напитков из хлебного сырья.
Из общего количества безалкогольных напитков, вырабатываемых в нашей стране, примерно 30 % составляют квасы и напитки из хлебного сырья.
По технологическим приемам, которые в значительной степени определяют состав конечного продукта, квасы можно разделить на две группы: квасы, получаемые с использованием процесса брожения, и квасы и напитки, получаемые купажированием. Наибольшим спросом пользуются квасы, получаемые путем брожения, в частности квас хлебный.
ХАРАКТЕРИСТИКА КВАСОВ КАК НАПИТКОВ
Квас — напиток темно-коричневого цвета с приятным ароматом ржаного хлеба и кисло-сладким вкусом, который получают путем комбинированного незавершенного спиртового и молочнокислого брожения с последующим купажированием с сахарным сиропом. Наличие в нем незначительного количества спирта (0,4...0,6 мае. %) нисколько не снижает физиолотческого значения этого напитка для человека. При таком низком содержании спирта квас по праву называют безалкогольным напит
519
ком. Хлебный квас хорошо утоляет жажду, освежает и поднимает тонус чедовека.
В 100 г кваса содержится (г): воды 93,4; белков 0,2; углеводов 5; золы 0,2; органических кислот (в пересчете на лимонную) 0,3; спирта 0,6.
Биологически активные вещества кваса представлены витаминами, аминокислотами и кислотами. Первые в основном представлены водорастворимыми витаминами группы В (В| и В2) и ниацином (РР).
Сахара в хлебном квасе (фруктоза, глюкоза, мальтоза и сахароза) находятся в соотношении 1:0,8:3:2. Из кислот кваса превалируют молочная и уксусная. Особую ценность представляет молочная кислота, обладающая бактерицидными свойствами, т. е. способностью подавлять рост и жизнедеятельность гнилостных бактерий в кишечнике человека. Кроме того, молочнокислые бактерии благоприятно действуют на процессы пищеварения. Активная кислотность кваса 3,6...3,7, а общая — 2...4 см3 1 н. NaOH в пересчете на 100 см3 продукта. Состав минеральных веществ разнообразен, больше всего в квасе содержится калия (40...50 мг/100 г).
Энергетическая ценность хлебного кваса в пересчете на 1 л составляет лишь 250 ккал (1050 кДж).
В процессе незавершенного комбинированного спиртового и молочнокислого брожения кроме спирта, молочной и уксусной кислот образуются диоксид углерода, а также летучие ароматоб-разующие вещества: сложнее эфиры, альдегиды и другие примеси. Ароматобразующие вещества и меланоидины — продукты взаимодействия аминокислот и сахаров, содержащиеся в исходном сырье кваса, формируют органолептические показатели кваса.
Квас делят на хлебные квасы брожения и газированные квасы, получаемые купажированием и разливаемые в бутылки. К первым относят квасы брожения, квасы для горячих цехов и квасы для окрошки. В качестве сырья используют концентрат квасного сусла (ККС), получаемый на основе зернового сырья, и сахарный сироп. К квасам брожения относят также квасы с добавками виноградного или яблочного сусла.
Хлебные квасы брожения — хлебный и окрошечный составляют более 90 % общего количества квасов и напитков, приготовленных на хлебном сырье.
К газированным квасам относят не только квасы, получаемые на основе ККС, вкусовых и ароматических добавок, но и квасы, вырабатываемые на основе специфических концентратов «Московского» и «Российского» квасов.
Согласно требованиям ОСТ 18-118 готовый хлебный квас брожения должен содержать 5,4...5,8 % СВ, а окрошечный — 3...3,2 %. Кислотность этих квасов должна быть в пределах
520
2...4 см3 1 н. NaOH/lOO см3, содержание спирта — 0,4...0,6 мае. %. Вышеназванные квасы должны быть коричневого цвета, непрозрачными, с небольшим осадком дрожжей, кисло-сладкими на вкус, с приятным ароматом ржаного хлеба.
Микробиологические критерии безопасности кваса должны соответствовать принятым нормам. Так, например, 10 см3 хлебного кваса брожения, приготовленного на чистых культурах дрожжей, и 1 см3 такого же кваса, но приготовленного на хлебопекарных дрожжах, не должны содержать бактерий группы кишечной палочки. Последние микроорганизмы относят к санитарно-показательным. Превышение указанных показателей свидетельствует об инфицированное™ и опасности кваса для человека.
Производство хлебного кваса брожения и окрошечного кваса состоит из следующих основных стадий: подготовки сырья, получения ржаного солода или концентрата квасного сусла, приготовления квасного сусла, брожения сусла и купажирования кваса.
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КВАСОВ
Квас получают на основе ржаного и ячменного солодов, ржаной и ячменной муки, квасных хлебцев или концентрата квасного сусла. При купажировании кваса используют сахарный сироп. Для некоторых сортов кваса применяют концентраты яблочного или виноградного сока, ряд вкусовых и ароматических добавок. Для приготовления кваса используют воду только питьевого назначения.
Для приготовления кваса применяют ржаной солод двух видов: ферментированный и неферментированный. Первый солод получают из свежепроросшего солода, который подвергают ферментации (томлению) при повышенной температуре (50...55 °C) для накопления красящих и ароматических веществ. Томление солода в пневматаческих ящиках длится 5 сут.
Ферментированный солод содержит большое количество ме-ланоидинов, обусловливающих его специфический вкус и аромат ржаного хлеба. Более подробное описание технологии получения ржаного и ячменного сухих солодов приведено ранее.
В последнее время большинство цехов и заводов по приготовлению кваса используют концентрат квасного сусла (ККС), вырабатываемый на специализированных предприятиях. Это позволяет увеличить выпуск кваса, особенно в летний период, а также значительно упростить его технологию, снизить удельные потери сырья и электроэнергии.
По современной технологии, усовершенствованной КТИПП, концентрат квасного сусла получают из ржаного ферментаро-ванного (двух-трехсуточной ферментации, сухого или невысу-шенного), ржаного неферментарованного или ячменного солода,
521
ячменной, ржаной либо кукурузной муки. Соотношение различных видов сырья: солод ржаной ферментированный (42...50 %), солод ржаной неферментированный (20...28 %), рожь или ячмень несоложеные (25...30 %). При использовании несоложеного сырья в вышеуказанном количестве добавляют ферментные препараты, обладающие амилолитической, протеолитической и цитолитической активностью в заданном соотношении.
Приготовление ККС включает следующие технологические стадии: раздельное измельчение солода и зерна; приготовление и фильтрование затора; промывание дробины; кипячение, осветление, упаривание под вакуумом и тепловая обработка упаренного сусла; розлив концентрата квасного сусла.
На практике эти процессы осуществляют в аппаратах, устройство которых аналогично аппаратам, используемым в производстве пива и солодовых экстрактов.
Далее осветленное квасное сусло концентрацией сухих веществ 8... 12 мае. % упаривают в трубчатых выпарных установках или роторных пленчатых испарителях до содержания влаги 70 %.
Для улучшения физико-химических и органолептических показателей, придания полученному при упаривании концентрату ярко выраженного хлебного аромата и специфического вкуса, а также в целях стерилизации его подвергают термообработке.
Термообработку проводят в реакторе, снабженном паровой рубашкой и перемешивающим устройством. Для этого концентрат выдерживают в реакторе в течение 30...60 мин при непрерывно работающей мешалке и температуре 110...120 °C. Полученный концентрат охлаждают в теплообменнике до температуры 35...40 °C, взвешивают и направляют на хранение. Далее концентрат разливают в автоцистерны или в алюминиевые бочки.
Согласно требованиям ГОСТ 28-53 концентрат квасного сусла представляет собой вязкую густую жидкость темно-коричневого цвета, кисло-сладкого вкуса с ароматом ржаного хлеба, растворимую в воде. Продукт содержит 70±2 мае. % сухих веществ; его кислотность находится в пределах 16...40 мл 1 н. NaOH на 100 г концентрата.
При производстве квасов бутылочного розлива — «Московского» и «Русского» используют концентраты одноименного названия. Концентрат «Московского» кваса получают путем купажирования ККС, с добавлением сахарного сиропа и молочной кислоты; при приготовлении концентрата «Русского» соблюдаются те же рецептура и технология, но вместо молочной кислоты используют лимонную. Эти концентраты, как и ККС, содержат 70±2 мае. % сухих веществ, но отличаются кислотностью — 25...30 см3 1 н. NaOH на 100 г концентрата.
Указанные концентраты предназначены для промышленной переработки и продажи населению. В первом случае их разлива
522
ют в автоцистерны и бочки, во втором — в мелкую стеклянную посуду (от 0,2 до 1 л).
Гарантийный срок хранения всех концентратов 8 мес со дня выработки. '
Для специальных сортов квасов брожения кроме ККС используют вакуумированное сусло из винограда или яблок, содержание сухих веществ в котором должно быть до 70±2 %.
Сахарный сироп для квасов брожения и газированных квасов, разливаемых в бутылки, получают из сахара-песка или жидкого сахара.
В определенные виды кваса, разливаемые в бутылки, добавляют настои трав, чая, цитрусовых, а также хрена. Широко используют спиртовые настои мяты перечной и полыни горькой. В целом и молотом виде применяют плоды тмина, цветы и листья чабреца, хмель. Технология настоев аналогична настоям, применяемым в ликеро-водочном производстве. Указанные добавки формируют вкус и аромат различных сортов кваса.
В производстве кваса для создания заданной кислотности среды используют лишь пищевые кислоты: молочную, лимонную, уксусную; аскорбиновую кислоту применяют для витаминизации некоторых напитков на хлебном сырье.
Для квасов бутылочного розлива и напитков на хлебном сырье используют ггищевой диоксид углерода.
ПОЛУЧЕНИЕ КВАСА
Технология хлебных квасов брожения и газированных квасов на хлебном сырье, разливаемых в бутылки, имеет свои особенности.
В основе технологии квасов брожения лежат анаэробные процессы незавершенного спиртового и молочнокислого брожения. Суммарные уравнения этих процессов с указанием количества выделяемой теплоты приведены ниже:
С6Н)2О6	2С2Н5ОН + 2СО2 + 117 кДж,
C6HI2O6	2СН3СНОНСООН + 75,36 кДж.
Выделяющаяся в ходе брожения теплота отводится из аппарата через теплообменники, куда поступает хладагент. Брожение идет при 30 °C.
При приготовлении хлебного кваса брожения разрешается заменять до 50 % ККС неохмеленным пивным суслом из расчета 64,8 дм3 с содержанием сухих веществ 15 % на 100 дал кваса.
Для квасов брожения «Российский» и «Виноградный» исполь
523
зуют виноградное вакуум-сусло с содержанием сухих веществ 75 %, при этом расход ККС сокращают на 50 %.
«Яблочный» и «Столовый» квасы содержат яблочный экстракт, который используют для частичной замены ККС.
Сбраживание сахара в квасном сусле в количестве 0,6...0,8 % не может обеспечить интенсивного брожения, поэтому перед брожением в сусло вводят 25 % сахара от общей массы, расходуемой для приготовления кваса.
Путем купажирования сброженного квасного сусла с сахарным сиропом получают целевой продукт — хлебный квас брожения, отвечающий'.требованиям государственного стандарта.
Получение квасов с использованием процесса брожения. Технологический процесс производства квасов брожения состоит из следующих стадий: разведения культур микроорганизмов, приготовления сахарного сиропа и квасного сусла, сбраживания сусла, купажирования и розлива кваса. Основную часть квасов брожения готовят на основе ККС.
Принципиальная технологическая схема получения хлебного кваса приведена на рис. 128. Известное количество ККС разводят водой в аппарате предварительного разбавления, который оборудован мешалкой и паровой рубашкой. Полученный раствор пастеризуют с целью повышения стойкости и микробиологической чистоты кваса. Разбавленный ККС пастеризуют в потоке в пластинчатых пастеризационно-охладительных установках. Затем раствор ККС разбавляют холодной питьевой водой до содержания сухих веществ 1,6...2 % и перемешивают, после чего готовят основное квасное сусло концентрацией 2,8...3,2 %. Для этого к раствору добавляют расчетное количество сахарного сиропа (25 % общего количества). Далее квасное сусло перемешивают и направляют на анализ в лабораторию. После проверки сусло поступает на брожение.
Основное квасное сусло готовят в бродильно-купажных и цилиндроконических аппаратах, а также в специальных бродильных аппаратах. Предпочтение отдают первым двум аппаратам, так как они облегчают ведение технологического процесса и делают его более экономичным. В этих же аппаратах, оборудованных системой охлаждения, в сбраживаемое сусло вносят дрожжи и молочнокислые бактерии, содержание сухих веществ доводят до 1,8...2,2 %, а кислотность — не ниже 2 мл 1 н. раствора щелочи на 100 см3 кваса.
Из сброженного и охлажденного до температуры 2...7 °C квасного сусла путем осаждения удаляют образовавшийся плотный осадок из дрожжей и частично молочнокислых бактерий, после
Рис. 128. Принципиальная технологическая схема получения хлебного кваса из концентрата квасного сусла
524
чего приступают к купажированию кваса. Если сусло сбраживают в бродильном аппарате, то сброженную среду после охлаждения сусла и осаждения осадка осторожно перекачивают в купаж-ный аппарат. В бродильных аппаратах купажирование кваса не допускается.
Для купажирования хлебного кваса в сброженное сусло вводят остаток расчетного количества белого сахарного сиропа (75 %) с содержанием сухих веществ 60...65 % и перемешивают. Затем обязательно проводят контроль органолептических свойств продукта.
Готовый охлажденный купаж направляют на розлив.
Хлебный квас высокого и стабильного качества получают при использовании комбинированных заквасок из чистых культур квасных дрожжей следующих рас: М, С-2 и 131-К, а также молочнокислых бактерий МКБ (расы 11 и 13). Кроме того, в промышленности для получения кваса широко используют хлебопекарные прессованные дрожжи.
Дрожжи и молочнокислые бактерии задают в квасное сусло в виде предварительно подготовленной комбинированной закваски. Ее получают путем последовательного пересева чистых культур микроорганизмов, сохраняемых в лаборатории завода, на стерильном квасном сусле с концентрацией сухих веществ 8 г/100 г сусла.
Пересевы и размножение микроорганизмов осуществляют по-стадийно в лаборатории, отделении чистых культур, а затем в производственных условиях. Объемы разводок увеличивают от первой до шестой стадии за счет добавления сусла. Они находятся в тесной зависимости от производительности квасоваренного цеха (завода).
Дрожжи разводят стерильным суслом с содержанием сухих веществ 8 % по следующей схеме: в пробирке с чистой культурой на суслоагаре -- в пробирке с 10 см3 квасного сусла — в колбочке с 250 см3 квасного сусла — в бутыли с 2 дм3 квасного сусла — в бутыли или аппарате для чистой культуры (АЧК) с 20 дм3 квасного сусла. Продолжительность разбраживания сусла на каждой из трех стадий по 24 ч при температуре 25...30 °C, а на четвертой стадии — 12 ч при 30 °C.
В зрелой дрожжевой разводке должно быть не менее 40 млн клеток/см3. Эта разводка в количестве 18 дм3 используется для приготовления комбинированной закваски; 2 дм3 оставшейся дрожжевой разводки доводят до 20 дм3 квасным суслом температурой 30 °C для восстановления концентрации дрожжей и последующего использования их для комбинированной закваски. Такой прием можно повторять не более 15 раз, а затем дрожжевую разводку вновь получают из чистой культуры дрожжей, начиная ее пересев с первой стадии. Чистую культуру молочнокислых бактерий (МКБ) также разводят постадийно путем пересевов на
526
стерильном квасном сусле с содержанием сухих веществ 8 %. Отличие чистой культуры от разводки дрожжей состоит в том, что на первой стадии раса II МКБ размножается в 250 см3 сусла отдельно от расы 13 МКБ. Культуры МКБ выращивают 24 ч в термостате при температуре 30...35 °C, после чего их пересевают в одну колбу с 2 дм3 сусла. Всего осуществляют пять пересевов МКБ; первые три МКБ выращивают в течение 24 ч каждый, а на двух последних стадиях их размножают по 48 ч. Температура разбраживания сусла на всех стадиях одинаковая и составляет 30 °C. За счет наполнения молочной кислоты кислотность сброженного сусла в объеме 400 дм3 на пятой стадии достигает 6,8...7 см3 1 н. раствора щелочи на 100 см3 разводки. Из указанного объема 360 дм3 готовой молочнокислой разводки направляют на приготовление комбинированной закваски, как и в случае с дрожжевой разводкой, часть разводки МКБ (10 %) оставляют в аппарате, а остальную часть разводят 8%-м суслом и оставляют на 48 ч для размножения МКБ. Такой объемно-доливной процесс повторяют не более 7 раз, после чего меняют чистую культуру МКБ, начиная с лабораторной стадии.
Комбинированная закваска дрожжей и молочнокислых бактерий (4000 л) после разбраживания в течение не менее 6 ч готова для использования. Готовую закваску в количестве 2...4 % общего объема квасного сусла, используемого для получения кваса, направляют в аппарат для сбраживания производственного квасного сусла.
Подработка прессованных хлебопекарных дрожжей во избежание их инфицированное™ состоит в антисептировании дрожжевой суспензии молочной кислотой с последующим ее подмо-лаживанием и разбраживанием в стерильном охлажденном до 30 °C квасном сусле с содержанием сухих веществ 8 %. Расход молочной кислоты концентрацией 40 мае. % составляет 40 см3 на 1 кг прессованных дрожжей. При подмолаживаиии и разбра-живании расходуют пятикратный объем 8%-го квасного сусла на один объем дрожжевой суспензии. Подготовленную таким способом дрожжевую разводку направляют в бродильные, бродиль-но-купажные или цилиндроконические аппараты для сбраживания производственного квасного сусла. На 100 дал сбраживаемого сусла расходуют 150 г прессованных хлебопекарных дрожжей.
Квасы брожения готовят на белом сахарном сиропе концентрацией 60...65 мае. %, а другие напитки, в том числе и квасы на хлебном сырье, — на инвертированном сахарном сиропе, который содержит фруктозу и глюкозу.
Аппаратурно-технологическая схема приготовления как белого, так и инвертированного сахарного сиропа приведена на рис. 129.
Белый сахарный сироп готовят горячим способом, используя сахар-песок или жидкий сахар.
Сахар-песок норией 1 подают в сборник 2, откуда он направ-
527
Рис. 129. Аппаратурно-технологическая схема приготовления сахарного сиропа: С — белый сахарный сироп; Си — инвертированный сахарный сироп.
Условные обозначения: -> основной продукт; — 1 — вода; —2 — пар; —3 — воздух;
—1к — конденсат
ляется на весы 3. Питьевая отфильтрованная вода поступает в сборник-мерник 4, а затем в сироповарочный аппарат 5, где подогревается до температуры 60 °C. В аппарат 5 при перемешивании вводят сахар-песок. Сироп доводят до температуры 100 °C и кипятят в течение 30 мин, после чего его фильтруют через сетчатый фильтр 6. Отфильтрованный горячий сахарный сироп концентрацией 60...65 мае. % шестеренным насосом 7 подают на охлаждение в змеевиковый теплообменник 12. Охлажденный до температуры 10...20 °C сахарный сироп поступает в сборник-мерник 13 и далее направляется на приготовление квасов брожения.
Инвертированный сахарный сироп из сахара-песка готовят следующим образом. Приготовленный в сироповарочном аппарате 5 горячий сахарный сироп концентрацией 65...70 мае. % фильтруют через сетчатый фильтр 6, охлаждают до температуры 70+2 °C в теплообменнике 8 и подвергают инверсии в аппарате 11. Горячий инвертированный сироп фильтруют через фильтр 6. С помощью насоса 7 его подают на охлаждение в теплообменник 12. В случае использования жидкого сахара последний из сборника 9 направляется сразу в аппарат 11 для инверсии.
528
Инверсию сахарозы, т. е. ее гидролиз до глюкозы и фруктозы, осуществляют в аппарате 11 под действием 50%-го водного раствора лимонной кислоты из расчета 750 г на 100 кг сухих веществ при температуре 70 °C в течение 2 ч. Раствор лимонной кислоты хранят в сборнике-мернике 10. Профильтрованный и охлажденный до температуры 20 °C инвертированный в змеевиковом теплообменнике 12 сироп из сборника-мерника 14 направляется на производство напитков из зернового сырья. Степень инверсии 45...55 %.
На заводах широко используют сироповарочные аппараты с герметически закрывающейся крышкой типа ВВМ (полезная вместимость 100... 1500 л).
Использование непрерывнодействующих сироповарочных станций типов ОНС, ВНИИПБП и ШСК производительностью (по сахарному сиропу, дал/ч) 30, 50 и 140 соответственно, в которых проводят как варку сиропа, так и инверсию сахарозы, более перспективно.
На 100 дал хлебного кваса брожения, приготовленного на концентрате квасного сусла, расходуют 50 кг сахара, кваса для окрошки — 30 кг, а кваса для «горячих» цехов — 47 кг. Расход ККС составляет 29, 40 и 22,06 кг соответственно. Потери сахара при варке сиропа не более 1 %, влаги — 10 %.
Квас сбраживают в бродильно-купажных и цилиндроконических аппаратах.
Бродильно-купажный аппарат имеет цилиндрическую форму; нижняя часть аппарата выполнена в виде конуса, который соединен с дрожжеотделителем. Последний снабжен задвижкой и заслонкой. В конусной части аппарата расположена пропеллерная мешалка для перемешивания сусла и купажа кваса. Типовые аппараты имеют вместимость 10 и 30 м3 (типы Ш4-ВАК-10 и Ш4-ВАК-30).
В бродильно-купажный аппарат подают квасное сусло, а затем комбинированную закваску чистых культур дрожжей и молочнокислых бактерий или подмоложенную разводку прессованных дрожжей. Содержимое аппарата тщательно перемешивают и определяют исходное содержание сухих веществ в сусле. Оно должно быть для хлебного кваса 2,8...3,2 мае. %, а для окрошечного — 1,6 мае. %. После перемешивания сусла температурой 27...30 °C в течение 2...3 мин аппарат герметически закрывают и оставляют на брожение на 8 ч. Через 1,5...2 ч сусло перемешивают в течение 2...3 мин. В аппарате поддерживают рабочее давление на уровне 0,1...1,15 МПа. Когда концентрация сбраживаемого сусла снизится по сахаромеру на 1 %, брожение замедляют охлаждением среды до 2...7 °C, пропуская через рубашку и внутреннюю трубу рассол температурой 10... 15 °C. С понижением температуры растворимость COj в бродящей среде возрастает, а давление в аппарате снижается до 0,04...0,05 МПа.
529
Кислотность среды должна быть 2...2,5 мл гидроксида натрия концентрацией 1 моль/дм3 в пересчете на 100 см3.
Процесс охлаждения длится 4...5 ч. При этом дрожжи осаждаются в конической части аппарата плотным кольцом. Их осторожно удаляют из аппарата, 2...3 раза открывая задвижки, после чего приступают к купажированию кваса.
Для производства кваса успешно используют цилиндроконические аппараты ЦКА-50 и ЦКА-100 вместимостью 50 и 100 м3. Преимущество этих аппаратов состоит в том, что в одном аппарате совмещены такие процессы, как приготовление, сбраживание и охлаждение квасного сусла, отделение и удаление дрожжей и купажирование кваса, а также уменьшены капитальные и эксплуатационные затраты. Аппараты можно монтировать на открытых площадках. Сокращение перекачек и коммуникаций, а также съем дрожжей в конической части аппарата снижают производственные потери. С целью увеличения оборачиваемости ЦКА рекомендуется сусло готовить в отдельно расположенных аппаратах.
Аппаратурно-технологическая схема производства хлебного кваса брожения в ЦКА показана на рис. 130.
Рис. 130. Аппаратурно-технологическая схема приготовления хлебного кваса брожения в ЦКА.
Условные обозначения: KKC — концентрат квасного сусла; —28 — COj; —31 — рассол. Остальные обозначения те же, что на рис. 130
530
Концентрат квасного сусла и вода поступают в аппарат 1 для приготовления концентрированного квасного сусла, откуда оно направляется в пастеризатор 2 или, минуя его, насосом 3 перекачивается в ЦКА. Пастеризованное сусло охлаждают в пластинчатом теплообменнике 4. В ЦКА 5 поступают' также питьевая вода и белый сахарный сироп. После перемешивания сусла задается комбинированная закваска из ЧК дрожжей и молочнокислых бактерий в таких же количествах, как и для бродильно-купажных аппаратов. ЦКА оборудованы рубашками для рассольного охлаждения, моющей головкой 6, краником для отбора проб 7, смотровым стеклом 8, а также системой 9 для подвода воды и дезинфектанта. Шпунт-аппарат подключают к отверстию 10. ЦКА оборудован гидрозатвором 11. Осадочные дрожжи поступают в сборник 14. Готовый квас перекачивают в изотермический сборник 12. Розлив кваса осуществляют в изобарических условиях в автотермоцистерну 13. Аппарат оборудован воздушником, предохранительным клапаном, манометром и вакуум-прерывателем.
Квасное сусло, как указано в схеме, подают по верхнему трубопроводу. Однако для предотвращения пенообразования и упрощения эксплуатации аппарата сусло лучше подавать в нижнюю коническую часть. Содержание сухих веществ в сусле до брожения 2,8...3,8 %. Во избежание оседания дрожжей брожение проводят при температуре 28...30 °C при периодическом перемешивании через каждые 2 ч в течение 30 мин. Квасное сусло возвращают в аппарат центробежным насосом 3. Давление в ЦКА при брожении регулируется шпунт-аппаратом. Давление не должно превышать 0,065 МПа. Указанный режим задается вакуум-прерывателем. По окончании брожения, конец которого определяют по содержанию СВ (1,8...2,8 мае. %) и нарастанию кислотности (2...4 см3 NaOH концентрацией моль/дм3 на 100 см3) в сброженном сусле, включают’ все рассольные рубашки для охлаждения кваса до температуры 4...6 °C, при которой переброски кваса не происходит.
Осадок дрожжей удаляют при открытом воздушном вентиле, после чего приступают к купажированию кваса.
Особенности купажирования различных квасов брожения кратко изложены ниже.
При купажировании кваса хлебного, кваса для окрошки, кваса «Виноградного» к сброженному суслу добавляют остальное количество (75 %) сахарного сиропа; полученную смесь перемешивают.
В купаж хлебного кваса для «горячих» цехов кроме остатка сахарного сиропа с содержанием СВ 65 % вносят при постоянном перемешивании растворы солей: хлорид кальция, хлорид калия и фосфат калия, а также раствор аскорбиновой кислоты. Соли и аскорбиновую кислоту разбавляют квасом в соотношении 1:10.
531
OCT 18-117 предусматривает выпуск хлебного кваса брожения с использованием сгущенной очищенной молочной сыворотки концентрацией сухих веществ 30 мае. %. В этом случае на 100 дал кваса расходуют (кг): сахара — 50, ККС — 23 и молочной сыворотки — 13,64.
При приготовлении квасов из хлебного сырья непосредственно перед купажированием определяют их кислотность. Если она ниже допустимой, то ее повышают, добавляя в квас молочную или лимонную кислоту.
Купажирование кваса и перемешивание среды в зависимости от вместимости ЦКА длится 1,5..6,5 ч, а сбраживание сусла — 10... 18 ч. Сброженное сусло охлаждают с 30 до 4...6 °C в течение 6... 10 ч. Потери сухих веществ при брожении и купажировании составляют 1...0,5 мае. %.
После проверки качества заводской лабораторией готовый квас при температуре не выше 12 °C поступает на розлив. По аналогии с пивом квас разливают в изотермических условиях в автотермоцистерны, изотермические автоцистерны и бочки. При таком способе розлива потери составляют 0,8 %.
Гарантийный срок хранения кваса брожения 2 сут. За это время содержание спирта в квасе возрастает до 1...1,2 мае. %, а содержание сухих веществ снижается до 4,2...4,6 г/100 г кваса.
Приготовление квасов и напитков, получаемых купажированием. Технология квасов и напитков на хлебном сырье, разливаемых в бутылки, отличается от рассмотренной ранее технологии квасов брожения. В основе технологии квасов и напитков лежит процесс купажирования компонентов напитков, обусловленных их рецептурами, с последующим смешиванием полученного ку-пажного сиропа с деаэрированной водой, насыщенной диоксидом углерода при низкой температуре. Технология состоит из следующих стадий: подготовки воды, приготовления инвертированного сахарного сиропа и колера, подготовки ККС и других видов сырья, приготовления купажного сиропа, смешивания ку-пажного сиропа и воды с одновременной карбонизацией, подготовки посуды, розлива, укупорки и бракеража продукции, ее этикетировки, учета и укладки в ящики.
Купажный сироп, например для «Русского» кваса, готовят следующим образом. Сначала концентрат квасного сусла разбавляют холодной профильтрованной питьевой водой в соотношении 1:2. Полученную смесь отстаивают в течение 10... 12 ч, после чего ее декантируют (снимают с осадка) и фильтруют. Фильтрат направляют в купажный аппарат, куда поступают также инвертированный сахарный сироп и 50%-й водный раствор лимонной кислоты в количествах, предусмотренных рецептурой. Купажный сироп перемешивают и фильтруют. Для повышения стойкости квасов (например, «Русского» и «Московского») полученный купажный сироп пастеризуют в течение 90... 100 с при температуре
532
82...92 °C и охлаждают до температуры 4...5 °C. Затем из купаж-ного сиропа путем выдержки удаляют воздух. Подготовленный таким образом купажный сироп смешивают с водой, насыщенной СС>2, в соотношении 1:4, после чего его направляют на розлив в бутылки. Смесь купажного сиропа из ККС, инвертированного сахарного сиропа и воды, насыщенной диоксидом углерода, называют хлебным квасом бутылочного розлива.
Квас разливают на автоматических линиях мощностью 6, 12 и 24 тыс. бутылок в час.
Технология приготовления других квасов и напитков на хлебном сырье бутылочного розлива в основном идентична описанной выше. Отличие состоит лишь в приготовлении купажных сиропов.
При приготовлении, например, «Русского» и «Московского» квасов не из ККС, а из товарных концентратов указанных квасов технологический процесс сокращается, так как концентраты только разбавляют водой и фильтруют, после чего сусло направляют для приготовления купажных сиропов. Остальные стадии технологии остаются без изменений.
В купаж кваса с хреном дополнительно задают водный настой хрена в соотношении 1:0,5. На 100 дал кваса расходуют’ 23,87 кг тертого хрена с учетом количества сухих веществ кваса.
Купажный сироп кваса «Ароматный» кроме сусла из ККС, инвертированного сахарного сиропа и молочной кислоты содержит экстракт чабреца (1,38 л/100 дал кваса).
В купаж кваса «Тминный» кроме описанных ранее компонентов вносят размолотый тмин, кваса «Мятный» — водный раствор меда и настой мяты, а кваса «Литовский» — водный раствор меда, экстракт хмеля и размолотый тмин.
Хлебный квас и напитки на хлебном сырье являются благоприятной средой для развития микроорганизмов, которые вызывают ослизнение, уксуснокислое скисание и другие виды порчи продуктов. Для предупреждения этих пороков напитков необходимо тщательно соблюдать технологические нормы и санитарный режим производства и осуществлять систематический микробиологический контроль.
При производстве кваса возникают потери. Средние размеры потерь кваса: в бродильном отделении — до 4 %, при купажировании — 3...4, при розливе в бочки и автотермоцистерны — до 2, розливе в бутылки — 3 %.
Расход холода, включая охлаждение склада готовой продукции, составляет 3900 кДж, а расход воды — 8...9 дал/дал кваса.
Контрольные вопросы
1.	Чем отличаются квасы брожения от газированных квасов?
2.	Из каких технологических стадий состоит процесс приготовления квасного сусла?
533
3.	При какой температуре проводят термообработку квасного сусла?
4.	Каковы особенности приготовления квасов бутылочного розлива «Московского» и «Русского»?
5.	Какие расы чистых культур квасных дрожжей и молочнокислых бактерий вы знаете?
6.	При каких технологических параметрах осуществляется приготовление сахарного сиропа?
7.	Каковы технологические и экономические преимущества производства кваса в цилиндроконических аппаратах?
Глава 23
ТЕХНОЛОГИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Ферменты присущи живой природе и находятся практически во всех растениях, животных и микроорганизмах. Однако процесс биосинтеза ферментов находится в тесной взаимосвязи с метаболизмом клетки, поэтому не все объекты живой природы могут служить источником получения ферментных препаратов, которые в отличие от фермента содержат и различные балластные вещества. Наиболее часто для получения ферментных препаратов используют различные виды микроорганизмов, которые в процессе роста и развития в зависимости от условий могут осуществлять направленный синтез тех или иных групп ферментов с последующим выделением их в среду (экзоферменты) или накапливанием их внутри клетки (эндоферменты). В качестве продуцентов ферментов используют бактерии, дрожжи, актино-мицеты и мицелиальные грибы (микромицеты). Микроорганизмы в специально созданных условиях могут синтезировать большое количество разнообразных ферментов. Однако есть и такие штаммы микроорганизмов, которые являются «моноферментны-ми» и образуют в наибольших количествах только один промышленно важный фермент.
Широкое использование микроорганизмов для получения ферментных препаратов обусловлено следующими факторами: 1) неприхотливостью к составу питательной среды, что позволяет использовать в качестве сырья для их культивирования отходы (мелассу, свекловичный жом, пшеничные отруби и др.) различных производств; 2) высокой удельной скоростью роста и сравнительно коротким циклом роста (16—100 ч), что позволяет получать сотни урожаев за год; 3) более высоким удельным содержанием ферментов в пересчете на I мг белка биомассы по сравнению с растительными или животными объектами.
Промышленное производство ферментных препаратов микробного происхождения основано на культивировании продуцентов на поверхности твердых (реже жидких) сред или в глубине жидких сред. Соответственно культивирование называется поверхностным или глубинным. Глубинное культивирование более перспективно, так как технологический процесс легко
534
поддается механизации, автоматизации и управлению и позволяет создавать лучшие санитарно-гигиенические условия труда. При поверхностном же культивировании питательная среда не перемешивается, поэтому контаминирующая микрофлора незначительно инфицирует среду и, как правило, не влияет на активность ферментов.
НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Название каждого ферментного препарата состоит из четырех частей, которые включают название основного фермента препарата, измененное видовое название продуцента, способ культивирования и степень очистки. Очень часто ферментный препарат содержит несколько ферментов. Однако при определении названия учитывают только тот фермент, активность которого является преобладающей. Так, если основным ферментом в препарате является а- или р-амилаза, то наименование препарата начинается с «амил». При преимущественном содержании глюкоамилазы или протеолитических ферментов наименование соответственно начинается с «глюк» или «прот». Во второй части слова указывается название продуцента. Так, если продуцент Asp. oryzae, вторая часть названия препарата — оризин, если Вас. subtilis — субтилин и т. п. Наименование препарата всегда оканчивается суффиксом «ин». Соединительная «о» появляется, когда название вида микроорганизма начинается с согласной (прото-субтилин), в остальных случаях соединительной гласной служит первая буква наименования продуцента (амилоризин). Затем после названия при глубинном культивировании ставится буква Г, при поверхностном — П. Завершает название препарата буква х, впереди которой ставится цифра, которая указывает на степень очистки фермента при получении данного препарата.
Таким образом, готовая глубинная культура бактерий Вас. subtilis — продуцент протеолитических ферментов называется Протосубтилин Гх, а поверхностная — Протосубтилин Пх.
Номенклатура ферментных препаратов следующая:
Пх и Гх — стандартная исходная культура продуцента без какой-либо очистки;
П2х и Г2х — жидкий концентрат растворимых веществ исходной культуры, освобожденный от нерастворимой фазы. Для поверхностной культуры — это концентрат с содержанием 50 % сухих веществ; для глубинной — не более 40 %;
ПЗх и ГЗх —- сухие ферментные препараты, полученные высушиванием экстракта поверхностной культуры или фильтрата глубинной культуры;
ПЮх и ГЮх — сухие препараты, полученные осаждением ферментов из водных растворов органическими растворителями или методом высаливания;
535
П15х и Г15х — препараты очищенных ферментов, в технологии которых использованы различные методы очистки и фракционирования ферментов;
П25х и Г25х — высокоочищенные, но не кристаллические ферментные препараты, содержащие до 20...25 % балластных веществ.
Отечественные предприятия выпускают такие виды ферментных препаратов: 1) культуры микроорганизмов с индексом Пх и Гх; 2) технические ферментные препараты с индексом П2х, Г2х, ПЗх, ГЗх, в которых фермент отделен только от нерастворимой части балласта; 3) очищенные ферментные препараты с индексами от 10х до 25х.
Качество ферментных препаратов регламентируется соответствующей нормативно-технической документацией. Особое внимание уделяется ферментативной активности (табл. 23.1).
Таблица 23.1
Показатель
Глюкоаваморин Пх (по ОСТ 59-10-72)
Амилоризин Пх (по ОСТ 59-6-72)
Категория
Амилолитическая активность, ед/г, не менее Глюкоамилазная активность, ед/г, не менее Осахаривающая способность, ед/г, не менее Протеолитическая активность, ед/г, не менее Прозрачность вытяжки
1	2	|	3
35,0	ЗО7О	25,0
70,0	60,0	50,0
Не нормируется
Не нормируется
1	2	3
250+25	200+20	150+15
—	—	—
10,0	10,0	10,0
0,05	0,5	0,5
Прозрачная, допускается опалесценция
ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Технология получения ферментных препаратов включает три основные стадии: получение посевного материала; получение производственной культуры микроорганизма путем его культивирования глубинным или поверхностным способом и получение технических или очищенных ферментных препаратов. Первая и третья стадии технологии идентичны независимо от способа культивирования микроорганизмов.
Получение посевного материала. В качестве посевного материала используют исходный штамм продуцента, который заводская лаборатория получает из отраслевого НИИ или центральной лаборатории чистых культур. Необходимое количество посевного материала получают путем постадийного выращивания
536
продуцента во всевозрастающих объемах среды в асептических условиях, гарантирующих исключение развития посторонней микрофлоры. Технологический процесс размножения посевного материала зависит от вида продуцента и способа культивирования его в производстве. Так, при глубинном способе культивирования посевной материал готовят также глубинным способом. В зависимости от масштабов производства используют' три варианта.
Для предприятий с большой суточной мощностью — в четыре ступени: исходная культура продуцента -> маточная культура, выращенная в колбах на жидкой или твердой питательной среде на качалке -> посевная культура, выращенная в малом инокуля-торе -> посевная культура, выращенная в большом инокуляторе. Для предприятий средней мощности исключают четвертую стадию, а для предприятий малой мощности — третью и четвертую.
На всех стадиях размножение продуцента ведут при оптимальных температуре и pH. На первой стадии в качестве субстрата используют агаризованную питательную среду, которую пересевают в виде водной суспензии из расчета 1...5 % на жидкую питательную среду в колбы вместимостью 0,75...! л. Культуру выращивают на качалках и завершают в конце логарифмической фазы. Культуру, полученную на второй стадии, называют маточной, ее можно использовать в качестве посевной для ферментатора небольшого объема. На третьей стадии культуру из колб пересевают на свежую питательную среду из расчета 2...3 % ^к объему свежей среды. Цель этой стадии — обеспечить засев 'больших объемов производственной среды. Культивирование ведут до стадии физиологической зрелости. Для четвертой стадии используют, как правило, среды, аналогичные производственным. Среды больших инокуляторов составляют 3...5 % объема производственного ферментатора. На третьей и четвертой стадиях среду аэрируют в строго определенное время. Готовый посевной материал сразу передают в производство. Посевной материал не должен быть засорен посторонней микрофлорой, должен содержать определенное количество спор или клеток на единицу массы, стойко сохранять генетически заложенные в нем свойства продуцировать определенные ферменты.
Получение производственной культуры. Основными факторами, которые влияют на быстрый рост микроорганизмов и максимальный синтез ими ферментов, являются: состав питательных сред, условия приготовления и стерилизации этих сред, количество и способ подвода воздуха к растущей культуре, правильный выбор условий выращивания продуцента и контроля за этим процессом.
Основное условие, предъявляемое к составу питательной среды, — это ее полноценность с точки зрения направленности синтеза целевого продукта. В состав среды должны обязательно 537
входить источники углерода в виде органических соединений, азота в виде органических или аммонийных соединений, водорода в виде воды или органических соединений, кислорода в молекулярном виде или в качестве составной части органических соединений. В среде также обязательно наличие макро- и микроэлементов (калия, магния, железа и др.) и ростовых веществ. Оптимальный состав среды для каждого продуцента подбирается эмпирическим путем или с помощью математических методов планирования эксперимента. В связи с широким применением ЭВМ последний метод наиболее предпочтителен, так как позволяет рассчитать математическую модель процесса культивирования, а затем определить оптимальные состав среды и условия культивирования.
В зависимости от состава среды делятся на синтетические и комплексные. Синтетические среды составляют на основании определенных количественных соотношений индивидуальных веществ, которые являются источниками углерода, азота, фосфора и т. д. Комплексные же среды представляют собой богатые органическими веществами продукты, в том числе и отходы ряда производств. Они значительно доступнее и дешевле, чем синтетические, поэтому чаще используются в промышленности.
При поверхностном культивировании в качестве основных компонентов питательной среды применяют отруби и муку из различных злаков, свекловичный жом, пивную дробину, а при глубинном культивировании — свеклосахарную мелассу, замочные воды крахмало-паточного производства, гидрол, барду и др.
При приготовлении питательной среды для поверхностного культивирования к основному компоненту обязательно добавляют компоненты, улучшающие структуру (рыхлость) среды и содержащие индукторы синтеза основного фермента (биошрот, солодовые ростки, древесные опилки и др.). Среды для глубинного культивирования обогащают питательными солями, гидролизатами белков, аминокислотами, углеводами, а также источниками ростовых веществ. Питательные среды готовят на водопроводной воде с содержанием сухих веществ от 1,5 до 10 % в зависимости от вида продуцента.
Питательные среды готовят в стерилизаторе или специальной емкости с перемешивающим устройством, в которые дозируют отдельные компоненты среды, смешивают их с водой или водными растворами добавок. Приготовленную среду подвергают стерилизации, основной задачей которой является уничтожение микрофлоры, которая вносится в среду с компонентами, водой, воздухом и с поверхности аппаратуры. Стерилизацию твердых питательных сред для поверхностного культивирования проводят острым паром при температуре 104... 140 °C в течение 60... 120 мин, а жидких сред для глубинного культивирования — острым или глухим паром при температуре 110...145 °C в течение
538
5...90 мин. При высокой температуре (140...145 °C) длительность выдержки составляет 5... 15 мин. Посевные кюветы и стеклянную посуду стерилизую!' сухим жаром при температуре 160 °C не менее 1 ч, а аппаратуру и коммуникации — острым паром при температуре 105...120 °C в течение 1...1,5 ч.
Стерильную питательную среду помещают в простерилизован-ный и охлажденный до 60...80 °C ферментатор.
Подавляющее большинство продуцентов ферментов — аэробы, для культивирования которых требуется воздух. Аэрация растущей культуры призвана выполнять три основные задачи: 1) снабжение микроорганизма кислородом в количестве, необходимом для нормального развития; 2) отвод газообразных продуктов обмена, в частности диоксида углерода; 3) отвод выделяемой физиологической теплоты. К воздуху предъявляют особые требования, которые включают стерильность и отсутствие механических включений. Стерильность воздуха достигается путем фильтрации через обеспложивающие фильтры или обработки воздуха антисептиками, высокими температурами, ионизирующим излучением и др.
Поверхностное культивирование микроорганизмов проводят в специальных растильных камерах, называемых кюветами, а глубинное — в ферментаторах. Наиболее важными факторами, которые влияют на образование ферментов, являются: влажность питательной среды при поверхностном культивировании; степень аэрации; длительность; величина pH среды и температура.
Оптимальное содержание влаги в твердой питательной среде 50...70 %. При более низком содержании влаги (менее 40 %) микроорганизм слабо развивается и редко образует большое количество ферментов. Расход воздуха на аэрацию должен быть не менее 30...60 м3/(м3-ч). Оптимальная длительность культивирования устанавливается экспериментально в зависимости от вида продуцента и образуемого им фермента. Так, например, при культивировании гриба Asp. oryzae 8Fj максимальное количество амилолитических ферментов было образовано через 21...30 ч, а целлюлолитических — через 240 ч.
При поверхностном культивировании pH среды практически не изменяется, поэтому его влияние на образование ферментов минимально. При глубинном культивировании pH среды имеет решающее значение, так как его величина резко изменяется в процессе культивирования. Для стабилизации pH в питательную среду в процессе культивирования вводят минеральные кислоты или щелочи в зависимости от характера изменения pH. Микро-мицеты и дрожжеподобные организмы хорошо растут и образуют ферменты при pH от 3,8 до 5,6. Для бактерий лучшей средой является среда, в которой pH близок к нейтральному значению (6,2...7,4).
Большинство продуцентов ферментов — это мезофильные
539
микроорганизмы, и температурный оптимум их развития 22...32 °C. Среди бактерий часто встречаются термофилы, для которых оптимальная температура культивирования 35...60 °C. Термофильные микроорганизмы к тому же синтезируют ферменты, обладающие повышенной стойкостью к высоким температурам. Если микроорганизм термостабилен, то с повышением температуры до оптимальной для культивирования возрастает и скорость накопления фермента.
Получение очищенных ферментных препаратов. Доля ферментов в культуре микроорганизмов очень мала (0,5... 1 % для поверхностных культур и 0,1...0,01 % для глубинных). Выделение и очистка ферментов — трудоемкий и дорогой процесс. Поэтому, если ферментный препарат можно использовать в виде неочищенной культуры микроорганизмов, очистку не проводят. К таким отраслям относится, например, спиртовая, в которой качество готовой продукции не зависит от степени очистки ферментного препарата.
Схема очистки фермента от балластных веществ включает в себя отделение нерастворимых веществ культуры микроорганизмов и отделение сопутствующих растворимых веществ и других ферментов. В зависимости от особенностей продуцента и свойств выделяемого фермента схема очистки и получения ферментного препарата может включать такие приемы и методы, как водная экстракция, фильтрование, различные способы сушки, осаждение органическими растворителями и др. Ферментные препараты могут быть получены в виде порошка или жидких концентратов. Процесс выделения и очистки ферментов сопровождается повышением доли активного белка в обшей массе препарата, что находит свое выражение в увеличении удельной активности препарата и активности на 1 г. Так, в результате очистки активность а-амилазы возросла от 38 ед/г в поверхностной культуре до 6600 ед/г в кристаллическом препарате. Соответственно растет и стоимость получения очищенного препарата.
Общие принципы оптимизации получения ферментных препаратов. На первом этапе изучают динамику роста культуры и биосинтеза ферментов, что позволяет установить связь синтеза фермента с ростом культуры, определить параметры роста и дать количественную характеристику процесса. Далее необходимо определить лимитирующий фактор, который оказывает решающее влияние на образование фермента. Третий этап оптимизации связан с подбором среды, обеспечивающей хороший рост культуры и не содержащей компонентов, подавляющих синтез ферментов. Следующий, четвертый этап — это подбор способа культивирования, наиболее благоприятного для синтеза данного фермента. На пятом этапе необходимо определить и уменьшить непроизводительные затраты субстрата и энергии, которые рас
540
ходуются на иные процессы, чем синтез клеточной массы и целевого продукта.
Иммобилизация ферментов. Благодаря высокой активности и специфичности некоторые ферментные препараты давно нашли применение в ряде отраслей промышленности. Более широкое технологическое применение ферментов сдерживается рядом причин: трудоемкостью отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции после завершения процессов, в результате чего ферменты, как правило, используют однократно; лабильностью ферментов при хранении и под действием различных факторов (главным образом тепловых); высокой стоимостью высокоактивных очищенных препаратов. Для устранения этих недостатков производят иммобилизацию ферментов, т. е. их прикрепляют к водонерастворимой основе или заключают в полупроницаемую мембрану. Фермент прикрепляют к основе за счет химической связи или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель. Основные методы получения иммобилизованных ферментов: ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю; захват фермента в сетку геля или полимера; ковалентная сшивка молекул ферментов друг с другом или с инертными белками; адсорбция ферментов на водонерастворимых носителях; микрокапсулирование.
В результате иммобилизации ферменты приобретают свойства гетерогенных катализаторов, что позволит легко отделить их от субстрата и продуктов реализации и исключить загрязнение пищевого продукта ферментом. Кроме того, появляется возможность перевода многих ферментативных процессов на непрерывный режим. В целом, большинство иммобилизованных ферментов оказались более устойчивыми к влиянию внешних факторов, чем растворимые ферменты.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Увеличение объемов производства пищевых продуктов и повышение их качества требуют значительного совершенствования технологии, сокращения длительности технологического процесса, создания условий для рационального использования сырья, увеличения выхода конечного продукта и снижения производственных потерь. В решении этих вопросов важная роль принадлежит ферментным препаратам микробного происхождения, специфическим для каждой отрасли пищевой промышленности. Существенно сдерживает использование ферментных препаратов их малотоннажное производство при ограниченном ассортименте. Для водораствори
541
мых ферментов разового использования большое значение имеет их стабилизация при изменении условий внешней среды. Для этой цели начинают успешно применять химическую модификацию фермента путем использования вещества для адсорбции фермента (например, крахмал) и «инертного наполнителя» — полиолы и их производные (глицерин, этиленгликоль), поверхностно-активные и другие вещества.
Микробиологическая промышленность пока не вырабатывает активных иммобилизованных ферментов, что не позволяет в производственном масштабе реализовать технологические приемы по стабилизации пива, вина, соков и других продуктов. В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные исследования по расширению области применения ферментных препаратов и увеличению объемов их использования. Синтезируются новые ферментные препараты и их многокомпонентные композиции, которые по своим свойствам превосходят отдельные ферменты.
Контрольные попроси
1.	Что используют в качестве продуцентов ферментов?
2.	Что используют в качестве посевного материала?
3.	Из чего складывается название ферментного препарата?
4.	Как получают производственную культуру?
5.	Для чего проводят иммобилизацию ферментов?
Глава 24 ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ
АССОРТИМЕНТ НАПИТКОВ
В нашей стране производятся газированная вода, искусственные минерализованные и природные минеральные воды, газированные фруктовые воды, витаминизированные и тонизирующие напитки, сухие шипучие и нешипучие напитки.
Выработка безалкогольных напитков в б. СССР в 1990 г. составила 700 млн дал, а потребление на душу населения в том же году по сравнению с 1980 г. возросло почти вдвое и составило 24 л в год. Для стран же Европы этот показатель значительно выше и находится в пределах 30...34 л, а для США — 45...50 л на душу населения в год. Потребление минеральных вод на душу населения в нашей стране составило лишь 15 бут/год.
За последнее десятилетие в б. СССР значительно расширился ассортимент напитков, в том числе и напитков, выпускаемых в жидкой, пасто- и порошкообразной формах. Разработана технология концентратов для безалкогольных напитков.
Сложный и разнообразный состав сырья позволяет использо
542
вать его в различных сочетаниях и создавать напитки различного действия — диетические, тонизирующие, антистрессовые, выводящие из организма ионы тяжелых металлов, радионуклиды и др., а также напитки общего назначения — для утоления жажды человека.
В производстве новых напитков достаточно широко используются безотходная технология и комплексная переработка растительного сырья.
Газированная вода — это питьевая вода, которая в охлажденном состоянии под давлением насыщена диоксидом углерода до содержания СО2 0,4...0,5 % к массе воды. Такая вода имеет слегка кисловатый вкус, характеризуется своеобразной свежестью и способностью хорошо уголять жажду.
Искусственно минерализованные воды представляют собой бесцветные растворы химически чистых солей натрия, кальция и магния в воде, насыщенной диоксидом углерода. К. ним относятся «Сельтерская столовая» и «Содовая столовая». Солоноватый вкус обусловлен комплексом минеральных солей, содержащихся в данной воде. Например, в «Содовой столовой» содержание (%) NaCO3 составляет 0,42...0,44, NaCl — 0,15...0,16 и СО2 — не менее 0,4.
К минеральным водам относят природные воды, не оказывающие или оказывающие на организм человека лечебное действие, которое обусловлено основным ионно-солевым и газовым составом, повышенным содержанием биологически активных компонентов (БАК) и специфическими свойствами.
Минеральные воды разделяют на природные столовые, лечебно-столовые и лечебные. Последние две группы вод широко используют для лечения органов пищеварения, системы кровообращения, нарушений обмена веществ, заболеваний эндокринной системы и др.
К природным столовым водам относят воды, минерализация которых не превышает 1 г/дм3 и в состав которых не входят микрокомпоненты, оказывающие на человека лечебное действие.
К лечебно-столовым согласно ГОСТ 13273 относят природные минеральные воды с общей минерализацией (М) L..10 г/дм3, а также воды с минерализацией менее 1 г/дм3, в состав которых входят биологически активные компоненты в количестве не ниже принятых в стране нормативов (табл. 24.1). Под минерализацией понимают суммарное содержание растворенных в воде соединений (г/дм3). Природные воды с высокой степенью минерализации (10...15 мг/дм3) и содержащие биологически активные компоненты (мышьяк, йод, растворенный диоксид углерода, бор и др.) относят к минеральным питьевым лечебным водам.
543
Таблица 24.1
Наименование		Содержание БАК, мг/дм3, не менее
минеральной воды	биологически активного компонента (БАК)	
Углекислая	Свободная СОг (растворенная)	500,0
Железистая	Железо	10,0
Мышьяковистая	Мышьяк	0,7
Борная	Ортоборная кислота (Н3ВО3)	35,0
Кремниевая	Метакремниевая кислота (Нг5Юз)	50,0
Бромная	Бром 	25,0
Йодная	Йод	5,0
Содержащая органи-	Органические вещества (в расчете на	5,0
ческие вещества	углерод)	
В природных водах обнаружены практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Они содержатся в минеральной воде в форме ионов, молекул, коллоидов и комплексных соединений.
Химический состав минеральных вод (М<10...15 мг/дм3) обусловлен прежде всего макроэлементами, которые присутствуют в водах в форме катионов Na4, Са2+, Mg2+ и анионов Cl-, SO4", НСО3, СО2". Между минерализацией воды и ее химическим составом наблюдается определенная связь: в водах невысокой минерализации преобладают ионы НСО^ и Са2+, средней — Mg2+ и SO2~, а высокой — СГ, Na+ и Са2+.
В природных минеральных водах в достаточно широком ассортименте представлены газы биохимического, химического, воздушного и радиоактивного происхождения. Больше других в воде содержится таких газов, как СН4, СО2, N2, и меньше H2S, О2, Н2, Не и др. Степень растворения указанных газов в воде различная.
При постоянной температуре растворимость газов согласно закону Генри изменяется прямо пропорционально давлению. С другой стороны, с повышением температуры растворимость газов снижается. По тому же принципу оценивается и степень минерализации воды. Эти свойства газов учтены при разработке технологии водоотвода, подработки и розлива минеральных вод. В воде хорошо растворяется СО2.
Во всех минеральных природных водах в различных количествах (от единиц до десятков мг/дм3) присутствуют органические вещества, среди них гуминовые вещества, битумы (асфальтены, смолы, масла), фенолы, жирные и нафтеновые кислоты. Основными источниками органических веществ в минеральных водах являются почвенные растворы, осадочные породы (угли, торф и
544
др.) и нефть. Гуминовые вещества — это высокомолекулярные продукты темно-коричневого цвета органического происхождения. К ним относятся гуминовые кислоты, содержащие (%): С — 55...65, Н — 3,5...5,5, О, N и S — до 30...40. Битумы преимущественно содержат С и Н, но часто в их состав входят также О и N. Они хорошо растворяются в органических растворителях. Фенолы — ароматические соединения с одной или несколькими группами в бензольном кольце. Жирные кислоты представлены в минеральных водах муравьиной, уксусной, щавелевой, винной, молочной и др. Содержание кислот и фенолов заметно возрастает в водах, прилегающих к нефтеносным горизонтам. Органические кислоты — это продукты биохимического разложения и биохимического анаэробного окисления углеводородов.
Органические вещества минеральных вод обладают ярко выраженным биологическим действием, которое, однако, быстро ослабевает при непродолжительном хранении вод.
В рассматриваемых водах обнаружены также специфические микроорганизмы, участвующие в круговороте N, S, Fe и других элементов. Они способны изменять состав не только природных вод, но и вод, разлитых в бутылки. После отделения микроорганизмов готовая продукция полностью сохраняет природный химический состав, свои лечебные и органолептические свойства.
В зависимости от химического состава минеральные воды согласно ГОСТ 13273 подразделяют на 31 группу (гидрокарбо-натную, натриевую, сульфатную, магниево-кальциевую и др.). Эти группы вод делятся далее на типы по минерализации. Основной ионный состав данного типа минеральной воды предопределяет ее назначение — лечебно-столовое или лечебное. Указанный выше стандарт оговаривает местонахождение источника воды. Так, например, вода типа «Боржоми» (гидрокарбонатная натриевая группа воды) характеризуется минерализацией, равной 5...8,5 г/дм3. Основные ионы в ней представлены анионами НСОу и суммой катионов (Na++K+).
Вода «Боржоми» (Грузия) содержит (мг/дм3): НСО2 — 3500...5000, SO^<10, СГ’-250...500, Са2+< 100, Mg2+< 50, Na+ + К+ — 1200...2000. Специфическим компонентом является СО2 (1000... 1800 мг/дм3). Это одна из наиболее распространенных лечебно-столовых вод. Такую воду принято разливать в бутылки вместимостью 0,5 и 0,33 дм3 из коричневого и зеленого стекла. Содержание диоксида углерода в готовой продукции должно быть не менее 0,3 %.
К лечебно-столовым водам относятся также воды «Нарзан», «Машук», «Ессентуки № 4», «Миргородская», «Арзни», «Дара-сун» и др. Широко известны лечебные воды «Нафтуся», «Ессентуки № 17», «Юрмала», «Джермук».
545
Газированные фруктовые воды представлены двумя группами напитков: общего назначения и для больных диабетом.
Напитки общего назначения — это водные растворы купаж-ных смесей, насыщенные диоксидом углерода до 0,4 мае. % и состоящие из сахарного сиропа, фруктово-ягодных соков и морсов, натуральных экстрактов и концентрированных соков из плодов и ягод, экстрактов и спиртовых настоев цитрусовых и пряноароматического и другого сырья, пищевых кислот и красителей. В напитках, предназначенных для диабетиков, сахароза заменена ксилитом, сорбитом или сахарином.
В зависимости от компонентов, входящих в сироп, выпускают напитки («Клубника», «Вишня», «Клюквенный на соке» и др.), приготовленные на плодово-ягодных полуфабрикатах. Часть напитков готовят на основе цитрусовых настоев («Апельсин», «Лимон», «Мандариновый»), другую часть готовят, используя настои и экстракты растительного сырья, в том числе и чая («Бах-маро», «Росинка», «Байкал», «Тархун» и др.). В ряде случаев используют виноматериалы («Крюшон»),
В последнее время большое значение уделяют тонизирующим и витаминизированным напиткам. Тонизирующими свойствами, т. е. способностью активизировать жизнедеятельность организма, восстановить силы и повысить трудоспособность, обладают некоторые растения (левзея сафлоровидная, аралия маньчжурская, элеутерококк, женьшень, чай и др.). На их основе созданы напитки «Женьшеневый», «Саяны», «Бахмаро» и др.
Различают две группы безалкогольных витаминизированных напитков. В первую входят газированные напитки с содержанием витамина С в пределах 150...160 мг/л. Вторая группа безалкогольных газированных напитков предназначена для школьников и больных, которые проходят курс лечения в профилакториях и больницах. Эти напитки обогащены витамином С (150...160 мг/л), а также витаминами группы В. Содержание их в напитке составляет (мг/л): Bj —1...1,2, В2 — 0,6...1 и В6 — 1,5...2,5. При употреблении 200 мл напитка в день человек восполняет 1/2 суточной потребности витамина С и около 1/5 — витаминов группы В. Рецептурой допускается и иной витаминный состав напитков.
Сухие напитки выпускают в виде шипучих («Освежающий» и др.) и нешипучих («Вишневый», «Черносмородиновый» и др.). Первые состоят из смеси сахара, виннокаменной кислоты, пищевых эссенций, плодово-ягодных экстрактов, а также гидрокарбоната натрия (пищевой соды). Вторые напитки пищевую соду не содержат, поэтому при растворении сухой части напитка в воде газ не выделяется. В промышленности освоен выпуск почти 20 сухих напитков в виде таблеток и порошка. Состав сухих напитков после растворения в 200 мл воды по содержанию сухих веществ и кислотности идентичен составу газированных
546
безалкогольных напитков. В состав сухих напитков консерванты не включают.
Сухие напитки хранят в сухом вентилируемом помещении при температуре от 2 до 20 °C. Гарантийный срок хранения продукции в виде таблеток до 1 года, в виде порошка — до 6 мес, в жидком укупоренном виде — I год.
ДОБЫЧА И РОЗЛИВ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД
Промышленное производство природных минеральных вод включает каптирование (водозабор), транспортирование, хранение, технологическую обработку воды, подготовку стеклянной тары и розлив воды в бутылки.
С целью вывода подземных минеральных вод к местам потребления без загрязнения их на выходных путях и сохранения качества строят каптаж — гидротехническое сооружение для захвата в трубы, колодцы и другие устройства подземного источника. Современным типом каптажа является буровая скважина.
В зависимости от расстояния между каптажной буровой скважиной и предприятием по подготовке и розливу природной минеральной воды последнюю транспортируют по трубопроводу или перевозят в специально оборудованных автомобильных и железнодорожных цистернах. Первый способ применим для транспортирования вод на расстояние до 50 км, при этом для предотвращения дегазации и подсоса грунтовых вод его осуществляют под небольшим избыточным давлением. Трубопроводы выполняют из нержавеющей стали, стекла или из полиэтилена низкой пористости. При транспортировании воды на расстояние до 200 км применяют коррозионно-устойчивые автоцистерны, которые заполняют водой на 95...97 % их объема. Потери воды при перевозках в автоцистернах составляют до 1 %. Воду подают в автоцистерну со скоростью 0,8 м/с при давлении до 0,05 МПа, предварительно удалив воздух и заполнив ее диоксидом углерода. Слой COj остается над минеральной водой. Это исключает дегазацию воды. Термальные минеральные воды перед заполнением охлаждают до температуры 20 °C.
Если расстояние от источника минеральной воды до потребителя более чем 200 км, используют изотермические железнодорожные цистерны. Этот способ транспортирования минеральной воды внедрен в промышленность с 1972 г. и позволяет транспортировать воду в любое время года. Химические и бактериологические показатели воды, перевозимой в бутылках и в железнодорожных цистернах, практически тождественны, в то же время последний способ транспортирования более экономичен, чем первый. Он же позволяет расширить географию заводов по розливу минеральных вод и повысить степень обеспечения ими населения.
547
Всего разработано пять технологических схем обработки природной минеральной воды в зависимости от ее группы и типа, т. е. в зависимости от ее химического состава, насыщения газом, а также места расположения источника, которое предопределяет тип воды. Особое значение придается диоксиду углерода, стабилизирующему состав воды.
Рассмотрим одну из технологических схем (первую) подработки неуглекислых вод, в жидкой фазе которых отсутствуют легко-окисляемые компоненты (рис. 131).
Забор природной минеральной воды из буровой скважины 1 осуществляют специальным каптажным устройством, после чего ее направляют в цистерны 3 прикаптажного помещения 2. Центробежным насосом 4 воду подают в сборник 3', затем направляют на фильтрование в рамный фильтр-пресс 5. Осадки и грязные воды идут в канализационные системы, а чистая минерализованная вода охлаждается в теплообменнике 6 и далее направляется в сборник 3". Из последнего сборника она поступает в сатуратор 7. Насыщенная диоксидом углерода вода затем проходит антисептирование в бактерицидной установке 8 под действием ультрафиолетового излучения. Подготовленную таким способом минеральную воду подают в специальный железнодорожный вагон-цистерну 9 для транспортирования на завод, где осуществляется розлив минеральных вод в бутылки. Железнодорожная цистерна перед приемом минеральной воды тщательно обрабатывается раствором щелочи из сборника 10, хлором и промывается питьевой водой во избежание инфицирования продукции. В ряде случаев цехи розлива расположены на небольшом расстоянии от каптажной и подготовительной станций. Насос 4 подает обработанную минеральную воду из цистерны 9
Рис. 131. Аппаратурно-технологическая схема забора, подготовки и транспортирования минеральных неуглекислых вод на расстояние свыше 200 км.
Условные обозначения: В — воздух; ХА — хладагент; К — канализация; Вп — вода питьевая; Хл — хлор газообразный; СОз — диоксид углерода
548
в сборник 3"'. После фильтрования в каптажном свечном фильтре 77 вода охлаждается в теплообменнике 6', подвергается ультрафиолетовой обработке в установке дополнительно газируется диоксидом углерода в сатураторе 7' и поступает на розлив.
Природные минеральные воды подвержены заражению различными бактериями (условно-патогенными и патогенными) непосредственно в месте залегания, особенно на небольшой глубине, при перекачке, транспортировании, хранении, применяемых методах обработки, а также при розливе вод в бутылки.
Частичного обеззараживания достигают на керамических свечных фильтрах. Для более эффективного обеззараживания воду подвергают безреагентной или реагентной обработке.
Первый способ основан на бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей, которые пропускают через минеральную воду. При УФ-облучении (А. = 225‘...260 нм; Хтах = 260 нм) происходят глубокие изменения в наследственном аппарате клетки. На предприятиях используют бактерицидные установки типа ОВ-1П с погружным источником излучения мощностью 30 или 60 Вт. Коэффициент использования бактерицидного потока этих ламп составляет 0,9...0,98.
Реагентные способы обеззараживания питьевых минеральных вод основаны на использовании серебра или хлора. Водный раствор сульфата серебра (7,22 г/дм3) в количестве 40 см3/м3 минеральной воды через 2...4 ч (реже через сутки) приводит к полной гибели условно-патогенной и патогенной микрофлоры воды, а также улучшает органолептические показатели воды.
Улучшение бактериологических показателей минеральных вод' обработанных серебром, позволяет сократить сроки карантина готовой продукции и значительно увеличить пропускную способность складских помещений.
Карантин — это выдержка готовой продукции в бутылках в течение определенного времени с обязательным проведением санитарно-бактериологического анализа и контрольным бракеражем. Он осуществляется на заводах розлива при получении неблагоприятных результатов санитарно-бактериологического анализа в готовой продукции с целью уточнения результатов анализа и защиты безопасности человека. Длительность карантина свыше 90 дней недопустима.
Насыщение охлажденной до 4... 10 °C воды диоксидом углерода осуществляют на установках различных марок: Е6-АССМ, АСМ, АСК-1, РЗ-ВСВ и др. при избыточном давлении 0,2...0,25 МПа.
Содержание диоксида углерода в лечебных минеральных водах, разлитых в бутылки, должно быть в пределах 0,15...0,2 %, в лечебно-столовых — не менее 0,3, в железистых — не менее 0,4 %.
549
Природные минеральные воды разливают в бутылки из бесцветного, а также зеленого, коричневого и белого стекла вместимостью 0,33 и 0,5 л на автоматизированных отечественных и зарубежных линиях мощностью от 3000 до 12 000 бут/ч и более. При этом избыточное давление, создаваемое СО2 в напорном баке разливочной машины, соответствует противодавлению в пустой бутылке, образуемому диоксидом углерода или воздухом.
Гарантийный срок хранения минеральных вод в бутылках в сухих темных складских помещениях при температуре 5...20 °C до 1 года.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ
Технологический процесс безалкогольных газированных напитков включает следующие стадии: хранение и подготовка сырья и полуфабрикатов; приготовление и обработка купажного сиропа; приготовление газированных напитков; розлив и оформление напитков.
Хранение и подготовка сырья и полуфабрикатов. Основным сырьем рассматриваемых напитков являются вода, сахар и его заменители. Среди других видов сырья безалкогольные напитки включают большой ассортимент разнообразных полуфабрикатов и вспомогательных видов сырья.
В качестве полуфабрикатов используют такие плодово-ягодные полуфабрикаты, как осветленные плодово-ягодные натуральные соки в фасованном виде (1...5 л), спиртованные, сброженно-спиртованные и концентрированные соки, виноградное вакуум-сусло, натуральные плодово-ягодные сиропы, экстракты, морсы, виноградные и плодово-ягодные виноматериалы.
К дополнительным видам сырья относят пищевые кислоты, красители, ароматические вещества в виде настоев, эссенций, эфирных масел и т. п., стабилизаторы напитков и диоксид углерода, а также спирт этиловый ректификованный.
Напитки готовят только на воде питьевого назначения (ГОСТ 2874).
В связи с тем что воде, используемой непосредственно для приготовления напитков, предъявляют более высокие требования, чем указанные в вышеупомянутом стандарте, по жесткости (до 1,5 мгэкв/дм3), содержанию железа (до 0...0,1 мг/дм3) и хлора (должен отсутствовать), сухому остатку (до 500...850 мг/дм3), органолептическим и бактериологическим показателям, для достижения указанных показателей ее подвергают технологической обработке.
Выбор технологии подготовки воды зависит от ее свойств. Мутную воду, не поддающуюся фильтрованию, отстаивают в течение суток и более. Если процесс отстаивания воды и ее
550
осветление идет медленно и неэффективно, прибегают к коагуляции примесей воды. В необходимых случаях взвеси воды различной молекулярной массы удаляют фильтрованием.
Для освобождения от постороннего запаха, дехлорирования или обесцвечивания воду пропускают через угольно-песочные фильтры. Соединения железа удаляют из воды аэрированием, коагулированием, известкованием и катионированием.
Как показано выше, использование жесткой воды для производства безалкогольных газированных напитков недопустимо. Воду жесткостью 6 мг-экв/л и более обязательно подвергают умягчению различными способами. Наиболее часто используют ионный обмен. В практике для этой цели применяют Na-катионирование и Н-катионирование. Широкое распространение в безалкогольной промышленности получило Н-катионирование воды, при котором происходит значительное снижение величины pH.
На заводах безалкогольных напитков биологическую очистку воды проводят фильтрованием через обеспложивающие фильтры, УФ-облучением или хлорированием. В первом случае используют керамические свечные фильтры.
Очистку и умягчение воды обычно проводят в водоподготовительном отделении завода, откуда она направляется на сатурацию, т. е. ее искусственно насыщают диоксидом углерода, а затем смешивают с купажным сиропом.
Растворимость диоксида углерода в воде увеличивается с понижением температуры и повышением давления (рис. 132). Поэтому перед сатурацией воду охлаждают до 2...5 °C; процесс сатурации. ведут при давлении 0,4...0,7 МПа.
Для сатурации охлажденной воды СО2 служат установки—сатураторы АСМ, АСК-1, РЗ-ВСВ и др. Все эти установки аналогичны по конструкции и принципу действия, но отличаются габаритами и производительностью. Так, производительность сатуратора АСМ 1500 л/ч, а АСК-1 - 3000 л/ч.
В современных синхронносмесительных установках диоксидом углерода насыщают охлажденную смесь деаэрированных купажного сиропа и умягченной воды.
Для сатурации воды и купажного сиропа применяют пищевой жидкий диоксид углерода (ГОСТ 8050) с содержанием СО2 не
менее 98,8 %.	туры и давления
Рис. 132. Растворимость диоксида углерода в зависимости от темпера-
551
Приготовление и обработка купажного сиропа. При купажировании сиропов для напитков в качестве полуфабриката используют белый сахарный сироп концентрацией 60...65 мае. %. Его готовят из сахара-песка, сахара-рафинада или жидкого сахара в виде водного раствора концентрацией 64 мае. %. При использовании сахара-песка и сахара-рафинада для приготовления сиропа берут воду из расчета 0,5...0,55 л на 1 кг сахара.
Снизить расход сахара при производстве безалкогольных напитков и улучшить их качество позволяет использование инвертированного сахарного сиропа. Инверсия основана на гидролитическом расщеплении сахарозы в присутствии слабых кислот или фермента инвертазы. В промышленности в настоящее время для этой цели в основном используют лимонную кислоту, реже (при получении сухих напитков) — винную.
Аппаратурно-технологическая схема приготовления белого сахарного и инвертированного сахарных сиропов и ее описание приведены выше.
Для приготовления низкокалорийных безалкогольных напитков и напитков для больных сахарным диабетом применяют заменители сахарозы — искусственные сладкие вещества: сорбит, ксилит и сахарин.
В производстве безалкогольных фруктовых напитков используют пищевые лимонную, виннокаменную, ортофосфорную, молочную, аскорбиновую и сорбиновую кислоты. Из указанных кислот две последние применяют только для повышения стойкости напитков. Наибольшее распространение получила лимонная кислота. Одна из перечисленных кислот может быть заменена другой, при этом исходят из того, что 1 г лимонной кислоты заменяет 1,17 г виннокаменной или 0,5 г ортофосфорной, 1,4 г молочной (100%-й).
Ассортимент спиртованных соков (вишневый, сливовый, виноградный, малиновый, абрикосовый и др.) велик — 35 наименований. Их получают спиртованием соков до 16 об. %. В зависимости от вида сырья экстрактивность спиртованных соков находится в пределах от 5 до 15 г/100 см3, а кислотность — 0,8...5 г/100 см3 в пересчете на лимонную кислоту.
В последнее время получили распространение плодово-ягодные сброженно-спиртованные соки. В этом случае соки сначала сбраживают, а затем полученный продукт укрепляют спиртом до 16 об. %. Готовые полуфабрикаты содержат небольшой остаток экстрактивных веществ (0,8...4 г/100 см3), а кислотность их достаточно велика; такие соки можно хранить до двух лет.
Наиболее перспективные и экономичные полуфабрикаты — это концентрированные плодово-ягодные соки или их экстракты. Эти полуфабрикаты получают упариванием соков в вакуум-аппаратах при температуре 40...50 °C. Содержание сухих веществ концентрированных соков (яблочного, виноградного и др.) не
552
менее 70 %, а экстрактов (рябинового, черничного, сливового и др.) — в зависимости от вида сырья — 44...62 мае. %.
Для ароматизации напитков используют спиртовые настои и экстракты, а также эссенции из растительного сырья. Широко распространены эфирные масла и некоторые синтетические душистые вещества.
В- последние годы широкое применение получили концентраты и композиции безалкогольных напитков. Среди концентратов отечественного производства — концентраты для напитков «Байкал», «Яблоко», «Фруктовый» и др. Кроме концентратов наши заводы вырабатывают композиции для напитков «Саяны», «Бах-маро» и др. Наша страна импортирует и производит совместно концентраты напитков «Пепси-Кола» и «Фиеста» (фирма «Пеп-сико»), «Фанта» и «Кока-Кола» (фирма «Кока-Кола»),
Приготовление газированных напитков. Принципиальная технологическая схема приготовления газированных безалкогольных напитков из полуфабрикатов и концентратов напитков приведена на рис. 133. Из схемы следует, что приготовлению купаж-ного сиропа предшествует стадия подготовки полуфабрикатов. В том случае, если напитки готовят на полуфабрикатах, поступают следующим образом. Все плодово-ягодные соки фильтруют. Плодово-ягодные концентраты и экстракты разбавляют подработанной питьевой водой в соотношении Г.5, смесь отстаивают в течение 2...5 ч, а затем фильтруют. Ароматические настои и эссенции перед подачей в купаж фильтруют, а колер предварительно растворяют в воде в соотношении 1:5. Все кристаллические пищевые кислоты задают в купаж в виде 50%-го водного раствора, а молочную кислоту — в жидком виде. Инвертированный белый сахарный сироп перед купажированием фильтруют, если есть необходимость, осветляют, используя активированный уголь, и охлаждают до 20 °C. При купажировании используют, как изложено ранее, мягкую и среднежесткую профильтрованную, дезодорированную и обеспложенную воду.
Технология же подготовки концентратов и композиций для напитков зависит от их химического состава и свойств. Например: концентрат напитка «Байкал» состоит из двух частей:, экстрактивной Б и ароматической А. Подрабатывают только экстрактивную часть концентрата. Для этого ее растворяют в горячей воде в соотношении 1:4 при температуре 40...60 °C и перемешивают. Далее смесь отстаивают сутки при комнатной температуре, а затем фильтруют раздельно жидкую фракцию и осадок. В купажный аппарат к отфильтрованной смеси добавляют сахарный сироп и ароматическую часть А.
Купажный сироп охлаждают до 8... 10 °C, выдерживают сутки для ассимиляции ароматических веществ, фильтруют и далее направляют в цех розлива. В бутылки вместимостью 0,5 л дозируют по 100 см3 сиропа концентрацией 33...46 мае. %.
553
Плодово-ягодные соки (натуральные и спиртованные)
Плодово-ягодные соки (концентраты и экстракты)
Ароматические настои и эссенции
Фильтрование
Разбавле-ние (1:5)
Разбавление (1:5)
О-*•
Кислота лимонная
Вп
Колер
Вп
Концентраты и композиции напитков-----►
Вп
Отстаивание (3 ч)
Отстаивание (12 ч)
Сахар
В
	
Разбавление (СВ 65—70%)	
Кипячение (30 мин)	
Фильтрование
Фильтрование
Охлаждение (72 °C) " 1 т...
Фильтрование
Вода
О
1	
Умягчение	
Фильтрование и дезодорирование	
Обеспложивание
Разбавление (СВ 50%)
Разбавление (1:5)
Разбавление (50°С, СВ 30- 35%)
Инверсия сахарозы (70 °C, 1,5 ч)
Фильтрование
Охлаждение (20°С)
Охлаждение (10°С)
Воздух
Деаэрирование
В
В
► О
I
Купажирование при перемешивании (СВ 33...46 %)
Фильтрование (КС)
Вьщержка и деаэрирование КС
Воздух
1
Приготовление (ВКС)
Охлаждение ВКС (4...6°С)
Диоксид углерода
Насыщение ВКС диоксидом углерода (СО2 —0,4 %)
Напитки
Бутылки ► Учет ►Бракераж -►Мойка -►Розлив -►Укупорка ►
►Бракераж -►Этикетирование -►Учет ►На склад----►
Купажные сиропы из полуфабрикатов готовят одним из трех способов — холодным, полугорячим и горячим. Два последних способа предусматривают совмещение процесса купажирования и инверсии сахарозы, происходящей под действием кислот, соков, добавляемых вместо воды при варке сиропа.
Первый способ — наиболее распространенный, его применяют для приготовления напитков с добавлением цитрусовых настоев, концентратов, композиций, ароматических настоев и натуральных эссенций.
При холодном способе все полуфабрикаты задают в купаж-ный аппарат при перемешивании в такой последовательности: сахарный инвертированный сироп, плодово-ягодный сок или экстракт, композиции, растворы кислоты и красителя, цитрусовые и ароматические настои эссенции.
В случае необходимости приготовленный купаж фильтруют до полной прозрачности. Готовый купаж охлаждают до температуры 8... 10 °C. После проверки показателей качества и их соответствия требованиям технологического регламента купажный сироп направляют в цех розлива напитков. Потери купажа при приготовлении холодным способом 3,4 %.
Розлив газированных безалкогольных напитков. Розлив имеет свои особенности. Его осуществляют двумя способами. В первом случае в вымытую бутылку дозируют охлажденный до 10 °C купажный сироп с последующим заполнением необходимого объема холодной умягченной питьевой водой, предварительно деаэрированной и насыщенной диоксидом углерода. Объем сиропа составляет 20 % по отношению к объему напитка в бутылке. Деаэрирование воды, т. е. удаление из нее воздуха, необходимо для полного насыщения ее СО2, а также нормального розлива напитка.
Для розлива газированных безалкогольных напитков, приготовленных по первому способу, а также минеральных вод в промышленности широко используют серийно выпускаемые агрегаты ВД2Р-3, ВД2Р-6 и ВД2Р-12 производительностью 3000, 6000 и 12 000 бут/ч. В состав такого агрегата входят дозировочный автомат для сиропа, разливочный автомат для газированной воды и укупорочный автомат, который комплектуют с учетом вида продукции.
Укупоренные бутылки с напитками далее направляют для перемешивания в специальные смесительные машины.
Рис. 133. Принципиальная технологическая схема производства газированных безалкогольных напитков из полуфабрикатов (------), а также из композиций и
концентратов напитков (------) с использованием синхронно-смесительных
установок.
Условные обозначения: В — вода; Вп — вода подработанная; О — осадок; КС — купажный сироп; ВКС — водно-купажная смесь
555
В настоящее время наибольшее распространение получил второй, более прогрессивный и целесообразный способ розлива безалкогольных газированных напитков. В разливочные автоматы поступает полностью подготовленный к розливу напиток. Все предшествующие технологические операции, связанные с охлаждением воды, ее деаэрированием в условиях вакуума, смешиванием холодного купажного сиропа и воды, насыщением смеси диоксидом углерода, осуществляют с помощью непрерывнодействующих синхронно-смесительных установок РЗ-ВНС-1, РЗ-ВНС-2 и Б2-ВРР/6. Эти установки входят в комплект оборудования автоматических линий по розливу газированных напитков различной производительное™. Например, синхронно-смесительная установка Б2-ВРР/6 — это часть оборудования линии по розливу газированных напитков производительностью 24 000 бут/ч. Готовый напиток температурой не выше 10 °C поступает в расходный сборник и далее к разливочно-укупорочному автомату.
Для снижения потерь СО2 при розливе перепады между давлением в сатураторе или в синхронно-смесительной установке и рабочим давлением в разливочной машине должны быть минимальными.
Потери напитка при розливе составляют 2,3 %. Бой бутылок в производстве 2,5 %, общий бой бутылок с учетом хранения в складах посуды и готовой продукции 3,4 %.
Контрольные вопросы
1.	Какие минеральные воды относятся к лечебным столовым?
2.	Какие газы содержатся в природных минеральных водах?
3.	Каков состав воды «Боржоми»?
4.	Какими витаминами обогащают безалкогольные напитки?
5.	Что такое карантин минеральных вод и какова его продолжительность?
6.	С какой целью сатурируют воду в процессе купажирования сиропа?
Глава 25
ТЕХНОЛОГИЯ ЭТИЛОВОГО СПИРТА
Технология спирта — это наука о методах и процессах переработки различных видов сырья в этиловый спирт.
Этиловый, или винный, спирт — прозрачная бесцветная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом (J40 0,78927;
78,35 °C при давлении 0,1 МПа; tBcn 13 °C; pH 7). Спирт гигроскопичен, летуч, смешивается с водой в любых соотношениях, является хорошим растворителем для многих веществ. Он широко используется в пищевой, фармацевтической и парфюмерной
556
промышленности, а также в лакокрасочной, химической и других отраслях промышленности.
Этиловый спирт получают двумя способами: микробиологическим и химическим. В основе первого способа лежит сбраживание сахара в спирт дрожжами семейства сахаромицетов. Второй способ предусматривает синтез спирта из этилена сернокислотной гидратацией по схеме
Н2О
С2Н4 + H2SO4 —- С2Н5ОН ---- С2Н5ОН + H2SO4
Этилен	Этилсерная Спирт
кислота
При прямой гидратации этилена схема получения синтетического спирта изменяется:
С2Н4 + Н2О — С2Н5ОН.
Этилен	Спирт
Микробиологическим путем получают этиловый ректификованный спирт, который предназначается для пищевых и медицинских целей. Для этого используют разнообразное растительное сырье: зерна злаковых культур, картофель, свеклу и мелассу. Из непищевого сырья — гидролизатов древесины, соломы, хлопковой шелухи и сульфитных щелоков (отходов сульфитцеллюлозного производства) вырабатывают гидролизный и сульфитный спирты.	\
В данном учебнике изложена технология этилового спирта ректификованного из крахмалсодержащего сырья — зерна, картофеля и из сахарсодержащего сырья — свекловичной мелассы.
Пищевая промышленность — главный потребитель этилового спирта: спирт используют при изготовлении ликеро-водочных изделий, плодово-ягодных вин, в производстве уксуса, пищевых ароматизаторов и т. д. В этой главе изложена технология получения этилового спирта, предназначенного только для пищевых целей, производство же этанола (синтетического спирта) рассматривается в других учебниках.
Ректификованный этиловый спирт, полученный из пищевого сырья, по своим органолептическим и физико-химическим показателям должен удовлетворять требованиям ГОСТ 5962. В зависимости от степени очистки различают спирт четырех сортов: I сорта, высшей очистки, «Экстра» и «Люкс». Физико-химические показатели этих спиртов представлены в табл. 25.1, в которой для сравнения приведены показатели качества неректифико-ванного спирта-сырца.
557
Таблица 25.1
Показатель	Этиловый ректификованный спирт				Спирт-сырец из зерна н картофеля
	«Люкс»	«Экстра»	высшей очистки	I сорта	
Концентрация этилового спирта, об. %, не менее	96,3	96,5	96,2	96,0	88
Проба на чистоту с серной кислотой			Выдерживает		—
Проба на окисляемость при 20 °C, мин, не менее	22	20	15	10	—
Массовая концентрация, мг/л (б. с.)*, не более:					
альдегидов в пересчете на указанный	2	2	4	10	300
сивушного масла в пересчете на смесь изоамило-ла и изобутанола (3:1)	2	3	4	15	5000
сложных эфиров в пересчете на уксусно-этиловый	18	25	30	50	500
кислот	8	12	15	20	—
Объемная доля метилового спирта, об. %, не более	0,03	0,03	0,05	0,05	0,13
Содержание фурфурола		Не допускается			
*(б. с.) — безводный спирт.
Спирт из пищевого сырья получают непрерывным и периодическим способами. Первый имеет явное преимущество перед вторым и широко внедрен на спиртовых заводах мощностью 1000... 10 000 дал спирта в сутки. В стране вырабатывают 45...55 % спирта из зерна, 10... 15 из картофеля, 2...3 из свеклы и 38...45 % из мелассы.
Зерно и картофель относят к крахмалсодержащему сырью, а свеклу и мелассу — к сахарсодержащему. Зерно поступает на заводы с содержанием влаги 12... 15 % и более. В зависимости от культуры оно содержит 46...55 % крахмала и 9... 16 % белка. Картофель — сочное сырье, которое содержит 9... 18 % крахмала и до 2 % белка. К переработке пригодны средне- и позднеспелые сорта с высокой крахмалистостью, хорошей лежкостью и здоровыми клубнями.
На спиртовых заводах, а также заводах пищевых кислот, хлебопекарных и кормовых дрожжей используют свеклосахарную мелассу. Меласса, являясь отходом свеклосахарного производства, используется в бродильной промышленности как вторичный продукт. Это густая сиропообразная непрозрачная жидкость коричневого и темно-бурого цвета, сладкая на вкус с горьким
558
привкусом. Согласно ОСТ 18-395 в ней содержится не менее 75 мае. % сухих веществ, не менее 43 % сахарозы; pH мелассы 6,5...8,5. Сумма сбраживаемых веществ составляет не менее 44 мае. %.
Переработка зерна и картофеля осуществляется по однотипной технологии и включает следующие технологические стадии: получение и подготовку осахаривающих материалов; подготовку зерна и картофеля к развариванию; разваривание сырья; осахаривание крахмалсодержащего сырья; культивирование дрожжей; сбраживание сусла; извлечение спирта из бражки, его укрепление и очистку от примесей.
Получение спирта из мелассы включает меньше технологических стадий: подготовку мелассы к сбраживанию; культивирование дрожжей; сбраживание мелассного сусла; извлечение спирта из бражки и его очистку.
Основное различие технологического процесса при переработке крахмал- и сахарсодержащего сырья состоит в подготовке сырья и приготовлении питательной среды (субстрата) для сбраживания дрожжами в спирт.
В зависимости от вида сырья спиртовые заводы делят на три типа: заводы, перерабатывающие зерно и картофель; перерабатывающие мелассу и смешанного типа.
Технологию спирта целесообразнее рассматривать по стадиям технологического процесса. Это даст возможность критически оценить особенности технологии спирта при непрерывном способе производства из различных видов пищевого сырья. При этом акцент будет уделан на комплексный подход переработки сырья с учетом экономических и экологических оценок.
ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ К ПЕРЕРАБОТКЕ
Спирт получают из крахмалистого и сахарсодержащего сырья. К первому относят злаковые культуры (ячмень, рожь, пшеница, просо, кукуруза, чумиза и овес), а также картофель; ко второму — свеклу и мелассу. Более половины спирта получают из крахмалистого сырья. Свеклу перерабатывают на спирт в ограниченном количестве.
Подготовка зерна и картофеля. Подготовка сырья заключается в очистке зерна от примесей, мойке картофеля, измельчении сырья и разбавлении измельченной массы водой до заданного содержания сухих веществ. Чем выше степень измельчения сырья, тем оно быстрее разваривается при более мягком режиме.
Подготовка картофеля осуществляется так же, как и в производстве крахмала. Вымытый картофель измельчают на молотковых дробилках или терках. Размер частиц измельченного картофеля не должен превышать 3 мм.
Зерно сначала очищают от посторонних примесей, в том
559
числе сорных, на воздушно-ситовом сепараторе, а затем от металлических примесей на магнитном сепараторе. После очистки зерно измельчают. Степень измельчения контролируют ситовым анализом. При переработке зернового сырья по непрерывной схеме для снижения температуры и длительности разваривания, а также для уменьшения технологических потерь рекомендуют использовать тонкий или сверхтонкий помол. В первом случае помол через сито с размером отверстий 1 мм должен быть не менее 85...95 %. По данным Б. А. Устинникова и др., температура разваривания при этом понижается на 5...6 °C, а продолжительность варки уменьшается на 15...20 мин. В связи с тем что специальных машин для тонкого измельчения зерна в промышленности фактически нет, зерно пропускают через две последовательно установленные измельчающие машины (молотковые, вальцовые). Между машинами устанавливают рассев для отбора фракций с размером частиц более 1 мм. Именно эти фракции и направляют на повторное измельчение.
В настоящее время получило распространение сверхтонкое измельчение сырья, позволяющее получать высокодисперсные помолы, содержащие 80...95 % частиц размером менее 250 мкм. Сырье измельчают с помощью специальных установок, оборудованных измельчающей машиной-дезинтегратором и сепарирующим устройством. В основе использования данного способа (авторы В. А. Маринченко, Л. В. Кислая, Р. И. Чипчар) лежат механические превращения полимеров сырья. Этот процесс сложный, многостадийный, и начинается он с механического деформирования сырья. Механическая деструкция макромолекул вызывает изменение энергии активации распада химических связей. Одним из возможных и перспективных методов активации реакций является сверхтонкое диспергирование сырья как результат воздействия механической энергии. Кроме того, в результате механохимической деструкции зерна возникают физико-химические изменения высокополимеров (клетчатки, крахмала, белков и др.). В высокодисперсных помолах зерна по сравнению с исходным сырьем возрастает содержание растворимых сахаров и аминокислот. Например, крахмал при данном способе измельчения превращается в сбраживаемые сахара (30...50 % от исходного крахмала). Такие помолы содержат большое количество легко усвояемых дрожжами питательных веществ. Разваривание сырья, приготовленного из высокодисперсных помолов, проводят при пониженных температурах (95... ПО °C), что обусловливает уменьшение потерь крахмала.
Измельченное зерно и картофель поступают в смеситель, в котором смешивают измельченную массу с водой. В зависимости от крахмалистости на 1 кг зерна добавляют 2,5...3,5 л воды, а на 1 кг картофеля — 0,2...0,5 л. После перемешивания и подогрева
560
картофельную кашицу и зерновой замес направляют в аппараты для разваривания.
Подготовка мелассы. Мелассу перерабатывают на спирт по схемам одно- или двухпоточного производства. В первом случае всю мелассу разбавляют водой для получения мелассного сусла одной концентрации (22...24 мае. %), вследствие чего упрощаются технология и управление процессом брожения. Мелассное сусло сначала используют для культивирования дрожжей, которые затем сбраживают мелассное сусло. При двухпоточном производстве готовят два сусла: для размножения дрожжей концентрацией 12 мае. % и основное сусло концентрацией 30...34 мае. %.
Первая схема распространена на заводах, вырабатывающих спирт и дрожжи, вторая — при получении одного продукта — спирта.
В настоящее время в промышленности находят распространение различные модификации этих схем. Так, при работе по усовершенствованной двухпоточной схеме УкрНИИСП сусло для дрожжей готовят с содержанием сухих веществ 8...9 %, а основное сусло — 35...36 %. Соотношение потоков мелассного сусла для дрожжей и основного сусла при двухпоточных схемах сбраживания 1:1, вследствие чего среднее содержание сухих веществ смеси равно 22...23 %.
В основу однопоточной схемы положены гомогенизация и антисептирование неразбавленной мелассы при высокой концентрации кислоты, приготовление сусла одной концентрации (рис. 134).
В качестве вспомогательного сырья в этом производстве применяют серную или соляную кислоту. Кислота прибывает на завод в железнодорожной цистерне 1, насос 3 перекачивает ее в сборник 2, из которого по мере необходимости ее поставляют в производство.
Меласса поступает на спиртовые заводы большей частью в железнодорожных цистернах 4. Пройдя заглубленный резервуар 6 и ловушку 7, она насосом 8 подается в резервуары 5 хранилища. Растворы антисептика готовят в смесителе 9, дополнительного азотно-фосфорного питания — в смесителе 10. В сборнике 11 хранят антисептик, в сборнике 12 — ортофосфорную кислоту, в сборнике 13 — раствор диаммонийфосфата. Для отбора кислоты служит мерник 14, суточный запас кислоты хранится в сборнике 15. Для смешивания кислоты и воды служит смеситель 16.
При поступлении в производство для контроля качества с помощью пробоотборника 17 отбирают пробу мелассы. Ее направляют сначала в напорные сборники 18, далее на весы 19 и затем в смеситель 20. в который кроме мелассы поступают вспомогательное сырье и антисептики. С целью подавления вредной микрофлоры и доведения pH среды до оптимального значения
561
Условные обозначения:------вода; -----продукт; - х — воздух; ЧК — чистая культура дрожжей; Вхол и Вгор — соответственно холодная и
горячая вода; - • - — C0j
мелассу подкисляют серной или соляной кислотой для получения кислотности мелассного сусла 0,5. На 1 т мелассы приходится (>...7 кг кислоты. Кроме кислоты для антисептирования применяют также сульфанол из расчета 40... 150 г или хлорную известь в количестве 200...400 г активного хлора на 1 т сырья. Меласса в сборниках-аппаратах 21 проходит стадию антисептирования, далее насосами 22, 23 подается вначале в напорный сборник 29, а гатем в смеситель 33. Дрожжи чистой культуры выращивают в аппаратах 24...27. Во все аппараты цеха сбраживания мелассы подается воздух, прошедший очистку через фильтр 28.
Для обеспечения нормального выхода спирта и накопления дрожжей (16... 18 г/л бражки) в мелассу добавляют питательные вещества, содержащие легкоусвояемые источники фосфора и азота. Количество питательных веществ зависит от состава мелассы и содержания дрожжей в бражке. Питательные вещества подают в смеситель в виде водных растворов из расчета на 1000 дал спирта: ортофосфорной кислоты (70%-й) 13, а карбамида 9 кг.
Если наряду со спиртом получают хлебопекарные дрожжи, количество дополнительных питательных веществ соотносят с требуемым выходом дрожжей. Если количество хлебопекарных дрожжей получают из расчета до 1800 кг/1000 дал спирта, то расход ортофосфорной кислоты и карбамида составляет 21,5 и 20 кг соответственно. С увеличением выпуска хлебопекарных дрожжей более 1800' кг/1000 дал расход кислоты возрастает до 22 кг, а карбамида — до 45 кг.
Приготовленную смесь мелассы с кислотой, антисептиком и питательными веществами непрерывно подают в резервуары, где выдерживают 6...8 ч; znocJie антисептирования неразбавленную мелассу перекачивают насосом в напорный сборник. Из сборника меласса поступает в вертикальный полочный смеситель, куда непрерывно подают воду. Затем мелассное сусло температурой 25 °C, содержащее 22...23 мае. % сухих веществ, самотеком направляют в систему из 5...6 аппаратов 34иля размножения дрожжей.
Вода для приготовления мелассного сусла непрерывно поступает через сборники 30 и 31, оборудованные трубами 32 для слива излишков воды. Процесс брожения осуществляют в батарее из 10 бродильных аппаратов 37. Спиртовые пары, образующиеся при генерировании и брожении, направляются в спирто-ловушки 35. В первом случае после очистки пары поступают в атмосферу, а во втором — в цех пищевого диоксида углерода. Контроль за работой спиртоловушек ведут с помощью специальных фонарей 36. Готовая бражка, пройдя фильтр 38, поступает на сепаратор 39. Выделенные дрожжи поступают в цех хлебопекарных дрожжей, а обездроженная бражка — в сборник 40. Бродильные аппараты оборудованы теплообменниками, куда посту
563
пает вода, трубопроводами 41 для отвода и гашения пены, передаточными трубопроводами 42 и пропеллерными мешалками бражки 43.
Подготовка осахаривающих материалов. Для осахаривания сырья в спиртовом производстве применяют свежепроросший солод, а также ферментные препараты. Расход зерна на солод зависит от вида и количества основного сырья и составляет (%): при переработке зерна 14,9, картофеля 13 и овса, сорго и риса 18,5.
Из солода получают солодовое молоко, для чего дробленый солод смешивают с водой в соотношении 1:5. Полученное солодовое молоко с содержанием сухих веществ 5...6 % дополнительно дезинфицируют 40%-м формалином и направляют для осахаривания охлажденной разваренной массы.
Высокий эффект дает механическое активирование солода на роторно-пульсационном аппарате. При этом активность солода увеличивается в 1,5...2 раза (КТИПП, Вузловской спиртовой завод).
Ферментные препараты получают на ферментных заводах или в специализированных цехах при спиртовых и пивоваренных заводах.
В спиртовой промышленности используют ферментные препараты микромицетов и бактерий. Ферментный препарат отличается от фермента тем, что кроме активного белка содержит различные балластные вещества. В качестве заменителя солода с успехом применяют ферментные препараты микроскопических грибов рода Aspergillus видов oryzae, usamii, awamori, niger bata-tae, бактерий Вас. niesentericus, Вас. subtilis, дрожжеподобных грибов Endomycopsis и др. В качестве продуцентов амилолитических ферментов в спиртовом производстве используют микроскопические грибы, реже — споровые бактерии и дрожжеподобные организмы.
Ферменты грибов в отличие от солода не содержат р-амилазы; некоторые из них продуцируют кроме а-амилазы ценный для спиртового производства фермент глюкоамилазу, который гидролизует крахмал до глюкозы и обладает высокой кислотоустой-чивостью. Использование ферментных препаратов культур микромицетов взамен солода позволяет более полно осахарить сырье и тем самым увеличить выход спирта из 1 т крахмала на 1...4 %. При этом высвобождается зерно, расходуемое на солод, и снижается себестоимость спирта.
Для осахаривания крахмалистых сред используют глубинную культуру амилбататин Гх, содержащую 3...4 мае. % СВ, из расчета 80...90 % к массе крахмала перерабатываемого сырья. Еще лучшие результаты получают, если используют глюкоаваморин Гх-466, содержащий глюкоамилазу (ГлА), вводя на 1 т крахмала сырья 1 ед. АС и 6 ед. и более ГлА.
564
При использовании поверхностных культур расход глюкоава-морина Пх и амилоризина Пх составляет 4 и 1 % соответственно к массе крахмала сырья. Ферментные препараты из поверхностных культур задают в виде водных антисе тированных вытяжек. На практике используют также смеси солода и ферментных препаратов микробного происхождения.
РАЗВАРИВАНИЕ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Основная цель разваривания — разрушение клеточной структуры и растворение крахмала сырья. В растворимом состоянии крахмал легко осахаривается ферментами. Зерно и картофель разваривают паром при избыточном давлении. При тепловой обработке происходят сложные структурно-механические, физико-химические и химические изменения сырья. При нагревании с водой белки набухают и денатурируют, крахмал клейстеризует-ся и переходит в коллоидный раствор. Набухание и клейстериза-ция обусловлены поглощением воды высокополимерными соединениями. В зависимости от культуры зерна клейстеризация крахмала начинается в диапазоне температур 55...60 °C и сопровождается увеличением вязкости среды. С постепенным нарастанием температуры клейстеризованный крахмал разжижается и вязкость среды, резко уменьшается. При выходе разваренной массы из варочного аппарата вследствие перепада давления от избыточного к атмосферному клеточная структура сырья разрушается и оно превращается в однородную массу.
Химические изменения, происходящие при разваривании, связаны с увеличением содержания сахаров и декстринов в связи с частичным кислотным и ферментативным гидролизом крахмала, с образованием пептидов и аминокислот при гидролитическом расщеплении белков, с разложением гексоз и пентоз до фурфуролсодержащих веществ. В результате взаимодействия сахаров и аминокислот при нагревании идет меланоидинообразо-вание. При термическом разложении простых углеводов образуются также карамели, в состав которых входят ангидриды сахаров, темноокрашенные и другие малоизученные соединения; повышается кислотность среды.
Меланоидины и карамели дрожжами не сбраживаются. Суммарные потери сбраживаемых веществ (в том числе и от неполноты растворения крахмала) в ходе разваривания картофеля и зерна составляют 2,5...4 %.
Наибольшее распространение получило непрерывное разваривание. Первые непрерывнодействующие варочные аппараты были созданы еще в 1932—1936 гг. (И. П. Бобрик, А. Г. Логинов, А. Л. Малченко).
Непрерывное разваривание характеризуется стабильностью, процесс поддается оптимизации и автоматизации, отличается
565
высокой удельной производительностью оборудования. Выход
спирта из 1 т крахмала сырья увеличивается на 0,7...1,2 дал по сравнению с выходом при полунепрерывном методе разваривания. Уменьшаются расход пара и потери крахмала.
В качестве типовых принято две схемы непрерывного разваривания сырья: схема ВНИИПрБ и Мичуринского спиртового завода, а также схема УкрНИИСП и Мироцкого спиртового завода. Первая схема предусматривает разваривание сырья при пониженной температуре (130... 140 °C) и сравнительно продолжительной выдержке (50...60 мин), вторая — при повышенной температуре (165... 172 °C) и прохождении массы через варочный аппарат за 2...4 мин.
Указанные схемы совершенствуют, модернизируют и получают новое развитие, в том числе и с учетом способов подготовки сырья. На рис. 135 показана аппаратурно-технологическая схема подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию, разработанная под руководством проф. В. А. Маринченко и внедренная в промышленность. Особенностью схемы являются сверхтонкое измельчение крахмалсодержащего сырья, механическое активирование солода, разваривание сырья при пониженных температурах, использование вакуума для охлаждения сусла.
Зерно, поступающее из бункера в дезинтегратор 5, подвергается сверхтонкому измельчению. Помол зерна под действием центробежной силы и воздушного потока от вентилятора 2 по трубопроводу выбрасывается в среднюю часть сепарационной камеры 1. Воздух, поступающий снизу камеры, уносит помол зерна с размером частиц 250 мкм и менее в циклон 4, из кото-
Рис. 135. Аппаратурно-технологическая схема подготовки крахмалсодержащего сырья к сбраживанию.
Условные обозначения:---основной продукт; —1 — вода; —2 -- пар; —3 — воздух; —28 —
дезинфектор
566
рого он через шлюзовой затвор 5 поступает в дисмембратор-сме-ситель 6 для смешивания с водой. Полученный замес поступает в сборник 7 замеса. Отходящий воздух из циклона 4 направляется на повторное использование. Для воздухообмена в системе установки в дезинтегратор 3 подсасывается воздух из атмосферы.
Приготовленный замес подают плунжерным насосом 8 в контактную головку 18. В необходимых случаях массу пропускают вначале через ловушку 9, после чего ее вновь направляют насосом 10 в сборник 7 замеса для мгновенного подогрева среды до температуры 80... 130 °C. Температурный режим зависит от вида перерабатываемого сырья. Далее масса направляется в выдержи-ватель-сепаратор 19, а оттуда при температуре не выше 105 °C — в испаритель-осахариватель 20. Разрежение в осахаривателе, обеспечивающее снижение температуры разваренной массы до 58...62 °C, создается с помощью вакуум-насоса 16. В указанный осахариватель насосом 23 подают активированное солодовое молоко из ячменного и просяного солодов 4...5-суточного ращения совмещенным способом.
Предварительно солод после отделения влаги из сборника 11 поступает’ в молотковую дробилку 12 для грубого измельчения. Солодовое молоко (смесь измельченного солода и воды в соотношении 1:4) направляется в сборник 13, после чего подвергается механическому активированию в активаторе 14 по замкнутому циклу в течение 5... 10 мин. Активированное солодовое молоко подается в сборник 75, после чего направляется насосом 16 через расходомер 17 в испаритель-осахариватель 20. Для повышения активации ферментов и процесса осахаривания сусло, пройдя ловушку 25, направляется в активатор 24, а затем по замкнутой схеме — в испаритель-осахариватель 20. Образовавшаяся паровоздушная смесь направляется через ловушку-отделитель 21 в теплообменник 22. Сконденсировавшаяся в теплообменнике 22 влага удаляется, а воздух направляется к вакуум-насосу. Эта схема позволяет вести осахаривание замеса при принятых температурных режимах (58...62 °C). Осахаренная масса перед поступлением в бродильное отделение из осахаривателя направляется насосом 23 в теплообменник для охлаждения до температуры 24...26 °C.
На многих спиртовых заводах применяют технологическую схему разваривания тонкоизмельченного зерна (проход через сито с диаметром отверстий 1 мм 95... 100 %), разработанную ВНИИПрБ (рис. 136). Особенностями схемы являются: узел измельчения сырья, наличие модернизированного агрегата для разваривания сырья, двухступенчатое использование ферментных препаратов — на стадии разжижения замеса до разваривания и на стадии осахаривания охлажденной разваренной массы.
В соответствии со схемой разваривания, приведенной на рис. 136, зерно с помощью нории 1 поступает в подготовитель-
567
Рис. 136. Технологическая схема разваривания на модернизированном агрегате ВНИИПрБ
ное отделение варочного цеха. Здесь зерно взвешивают на весах 2, очищают от органических и металломагнитных примесей на сепараторах 3 и электромагнитном сепараторе 4. После очистки зерно вновь взвешивают на весах 5 и направляют в бункер 6. Далее зерно поступает на предварительное измельчение в молотковую дробилку 7. Пройдя бункер 8, измельченное зерно норией 9 направляется на рассев 10, который разделяет помол зерна на фракции. Проход помола поступает сначала в сборник-дозатор 13, а затем в смеситель для приготовления замеса 14. Крупная фракция в виде схода с рассева 10, пройдя бункер 11, поступает на повторное измельчение на вальцовый станок 12, после чего измельченный продукт возвращается в бункер 8.
Таким образом добиваются равномерного тонкого измельчения зерна. Далее помол смешивают в смесителе 14 с теплой водой в соотношении 1:(2,8...3) и с раствором разжижающего ферментного препарата, поступающего из сборника 18 через дозатор 17. Расход амилосубтилина Гх и амиломезентерина Гх на разжижение составляет по АС 1...0,5 ед/г крахмала. Расход воды на замес зависит от концентрации сусла, которая после вакуум-охлаждения равна 19... 19,5 % по сахаромеру.
Хорошо перемешанный замес температурой 40...45 °C через 5...10 мин из смесителя 14 подают на разжижение в аппарат 75, в котором замес подогревают до температуры 80...85 °C вторичным паром, поступающим из паросепаратора 31.
568
Хорошо разжиженный замес легко перекачивается насосом 16 в контактную головку 23 вторичного пара. Масса подогревается до температуры 80...85 °C в течение 15 мин и поступает в промежуточный сборник 24, а затем с помощью плунжерного насоса 25 перекачивается в контактную головку 27. Замес подогревают при давлении 0,5...0,65 МПа до температуры 132...134 °C острым паром, поступающим из коллектора 28.
Нагретая масса из контактной головки 27 поступает в трубчатый разварник 26, обеспечивающий полную конденсацию пара, где выдерживается в течение 1...1,5 мин. Для окончательного доваривания массу направляют в выдерживатели 29 и 30, в которых она находится соответственно 25 и 10 мин. Из выдержива-теля 30 масса поступает в паросепаратор 31, в котором она находится 15 мин при температуре 107... 108 °C, а затем направляется на охлаждение и последующее осахаривание.
На схеме показана также переработка картофеля (см. рис. 136, поз. 32...38). Картофель сначала моют, затем взвешивают, далее направляют норией 21 через весы 20 и питатель 19 на измельчение в молотковую дробилку 22. Проход через сито с диаметром отверстий 3 мм составляет 100 %. Температура подваривания картофеля по данной схеме 80...85 °C, а разваривания — 136... 140 °C. На приготовление замеса из зерна расход воды составляет (2,8...3):1, а на приготовление картофельной кашки (0...0,2):1 (в зависимости от крахмалистости картофеля).
Аппаратурно-технологическая схема скоростного разваривания приведена на рис. 137. Измельченное сырье поступает в подогреватель 1 замеса, а затем в контактор-подогреватель 2 и далее
Рис. 137. Аппаратурно-технологическая схема скоростного разваривания и осахаривания крахмалистого сырья (с вакуумным охлаждением)
569
для разваривания в прямоточный трубчатый разварник 3, оборудованный диафрагмами. Благодаря такому устройству аппарата скорость прохождения разваренной массы через него возрастает, в результате чего она хорошо перемешивается и диспергируется. Затем масса поступает в паросепаратор-выдерживатель 4, проходит конденсатор 5, в котором происходит снижение температуры. Масса температурой 58...62 °C направляется для осахаривания ферментным препаратом (Ф) или солодовым молоком в осахари-ватель 6. Через ловушку 7 осахаренная масса насосом 8 подается в теплообменник 9 и далее в бродильное отделение. Продолжительность разваривания 2...3 мин, расход пара 66,8 % к массе сырья, расход электроэнергии 12,25 кВт ч/т зерна. Схема отличается низкой металлоемкостью, не требует применения пара высокого потенциала. В данной установке вторичного пара образуется в 1,5...2 раза больше, чем в рассмотренных выше. Частично вторичный пар направляется на подогрев замеса в трубчатый подогреватель 1 и смеситель измельченного сырья с водой.
Замес или картофельная кашка температурой 45...50 °C непрерывно подается в подогреватель 7. После подогрева вторичным паром до 75...85 °C они поступают в контактор-подогреватель 2. В последнем подогрев среды ведут острым паром при избыточном давлении 0,8 МПа. Замес кукурузы подогревают до 175...180 °C, остальных зерновых культур —до 168...170, картофельной кашки —до 165... 166 °C. Время разваривания резко сокращено и составляет лишь 2...3 мин. В результате перепада давлений температура зернового замеса на выходе из трубчатого разварника 3 составляет 145... 155 °C, а картофельной кашки — 145...152 °C. Для завода мощностью 1000 дал спирта в сутки используют 8... 10-секционные трубчатые разварники общей длиной до 45 м, с диаметром труб 150 мм.
Разваренная масса поступает в паросепаратор-выдерживатель 4, откуда через конденсатор 5 после охлаждения до температуры 58...60 °C благодаря созданию вакуума масса направляется в оса-хариватель 6. В последний в качестве осахаривающих материалов подают растворы ферментных препаратов (Ф) и солодовое молоко. Осахаренную массу через ловушку 7 плунжерным насосом подают в теплообменник. Охлажденное до температуры 24...26 °C сусло (О) поступает в бродильное отделение.
ОСАХАРИВАНИЕ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Крахмал разваренного сырья осахаривают солодовым молоком или ферментами плесневых грибов. Одновременно при участии протеолитических ферментов происходит гидролиз белков до легко усвояемых дрожжами аминокислот и пептидов. В разваренной массе крахмал находится в растворенном состоянии (90 %) и в виде крахмального клейстера (10 %).
570
Осахаривание разваренной массы осуществляют преимущественно непрерывным способом при определенных условиях: температуре, pH среды, концентрации субстрата и осахаривающего материала. В ходе осахаривания около 67 % крахмала превращается в мальтозу и 33 % — в декстрины, которые при брожении доосахариваются ферментами среды в сбраживаемые сахара. Осахаренную массу называют суслом. Процесс осахаривания включает охлаждение разваренной массы, смешивание массы с осахаривающим материалом, осахаривание и охлаждение сусла.
При осахаривании в одну ступень разваренная масса непрерывно поступает в осахариватель — цилиндрический стальной аппарат вместимостью 3...5 м3, оборудованный мешалкой и змеевиком для подачи воды. В осахаривателе масса охлаждается до 57...58 °C в течение не менее 10 мин. Одновременно с охлаждением в аппарат задают 16... 18 % солодового молока от объема разваренной массы. Осахаренная масса непрерывно отводится из осахаривателя через теплообменник, в котором охлаждается до 20...24 °C, в бродильное отделение.
При осахаривании поверхностными культурами плесневых грибов разваренную массу охлаждает до 57...58 °C, а глубинными—до 55...56 °C. Продолжительность осахаривания разваренной массы при этом сокращается до 5 мин.
Для повышения выхода спирта на 0,2 дал из I т крахмала, снижения расхода осахаривающего материала и воды разваренную массу сначала охлаждают до 62...63 °C в вакуум-испарителе, в котором с помощью кольцевого мокровоздушного вакуум-насоса создается остаточное давление 80 кПа. Затем охлажденную разваренную массу осахаривают в осахаривателе так, как описано выше (см. рис. 137).
Готовое сусло содержит сухих веществ 16...18 мае. %, его кислотность 0,25...0,3°, а pH 5...5,3. При пробе на йод окраска сусла не изменяется.
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ДРОЖЖЕЙ
В качестве возбудителей спиртового брожения используют культурные дрожжи из семейства сахаромицетов. Такие дрожжи должны обладать высокой бродильной активностью, иметь и сохранять анаэробный тип обмена, обладать стойкостью к продуктам обмена, посторонним микроорганизмам и к изменениям состава питательного субстрата. При переработке зерна и картофеля применяют пылевидные дрожжи расы XII, при переработке мелассы — осмофильные дрожжи рас В30, В, Я, Вх, М5, а также гибридные дрожжи Г-67, Г-73, Г-75, Г-112, У-563 и др., полученные К. В. Косиковым и др.
В начале производственного сезона дрожжи получают из чистой культуры. Далее их культивируют по методу естественно-чис
571
той культуры, при котором подбором температуры и pH среды создают условия, благоприятные для размножения дрожжей и неблагоприятные для жизнедеятельности бактерий. Дрожжи размножают в дрожжевых аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиком, на сусле концентрацией 17...18 мае. %. Сусло вначале пастеризуют при 70 °C в течение 20 мин, а затем охлаждают до 50 °C и подкисляют серной кислотой до pH 3,6. В подкисленное и охлажденное до 25 °C сусло задают 10 % засевных дрожжей. Накопление дрожжей при температуре 25...28 °C ведут до тех пор, пока концентрация сусла не снизится на 1/3 от первоначальной.
Для размножения дрожжей экономически выгодно использовать часть бродящей массы, взятой из бродильного аппарата через 16... 18 ч после начала брожения. В такой среде еще мало спирта и много питательных веществ. Отъемы бражки подкисляют и оставляют для размножения дрожжей при 28 °C.
При переработке мелассы на спирт дрожжи размножают также по методу чистой культуры в закрытых цилиндрических дрожже-генераторах (Д.Н = 1:6), выполненных из стали и оборудованных устройством для подачи воздуха, змеевиком для подачи воды и патрубками для подачи мелассного сусла, дрожжей, пара и пеногасителя. В настоящее время дрожжегенераторы оборудуют пнев-моциркуляционным устройством для подачи воздуха, предложенным б. УкрНИИСП. Бродящую массу отводят через наклонный коллектор, соединяющий все дрожжегенераторы, а диоксид углерода — по верхнему газопроводу. Диоксид углерода направляют в спиртоловушку, а затем выбрасывают в атмосферу. Чистую культуру дрожжей ведут стерильно в специальных аппаратах.
Дрожжегенератор засевают чистой культурой дрожжей периодически. Производственные дрожжи по однопоточной системе размножают непрерывно при постоянном притоке мелассного сусла с содержанием СВ 21...22 % и оттоке бродящей массы. Дрожжи размножают при температуре 28...29 °C и постоянной аэрации среды 3...4 м3/(ч-м3). На стадии дрожжегенерирования сбраживается около 30 % сахара, содержащегося в сырье. Когда в 1 мл бродящей среды накопится 120 млн дрожжевых клеток, а содержание сухих веществ сусла снизится до 16... 17 % и в сусле накопится 2,5...3,5 об. % спирта, начинают переток бродящей массы из дрож-жегенераторов в первый аппарат бродильной батареи.
СБРАЖИВАНИЕ ОСАХАРЕННОЙ МАССЫ
При. сбраживании сахара диффундируют в дрожжевую клетку, где вовлекаются в цепь ферментативных процессов, конечным результатом которых является образование спирта и диоксида углерода, выбрасываемых дрожжевой клеткой в окружающую среду как продукт ее метаболизма. Ферментативные процессы сложны, осуществляются последовательно при участии различ
572
ных ферментов. Кроме спирта и диоксида углерода при брожении образуются вторичные и побочные продукты. Ко вторичным продуктам относят все вещества, которые образуются в результате сбраживания сахара дрожжами: глицерин, уксусный альдегид, пировиноградную кислоту и др. Побочные продукты образуются не из сахара, а из других веществ, содержащихся в сбраживаемом субсарате. Наиболее важными побочными продуктами являются высшие спирты (сивушное масло), которые, как показали И. Я. Веселов и И. М. Грачева, образуются главным образом при размножении дрожжей и являются продуктами взаимодействия различных аминокислот и пировиноградной кислоты.
Брожение осуществляется в бродильных аппаратах (ферментерах) периодическим или непрерывным способом. Ферментеры представляют собой цилиндрические стальные резервуары вместимостью 50...100 м3, оборудованные змеевиками и патрубками для подвода сусла, дрожжей, воды, пара и отвода сброженной массы. Периодический процесс брожения характеризуется большим количеством непроизводительных операций и низкой продуктивностью бродильной аппаратуры. Съем Спирта с 1 м3 дрожжебродильной аппаратуры составляет всего лишь 2 дал/сут.
Широкое распространение получил непрерывно-поточный способ брожения, предложенный В. Л. Яровенко, аппаратурнотехнологическая схема которого представлена на рис. 138. Процесс протекает в двух дрожжевых аппаратах 7, взбраживателе 2 и батарее бродильных аппаратов 3, соединенных между собой
Рис. 138. Аппаратурно-технологическая схема непрерывно-поточного брожения;
Условные обозначения: Б — зрелая бражка; В — вода; ВС — водно-спиртовой раствор; Д — дрожжи; О — осахаренная масса; П — пар; К — конденсат
573
переточными трубами. Первые бродильные аппараты считаются головными; они так же, как дрожжевые аппараты и взбражива-тель, оборудованы змеевиками. В головных аппаратах происходит главное брожение и выделяется большое количество теплоты. Готовые дрожжи из дрожжевых аппаратов 7 самотеком направляются во взбраживатель 2, куда одновременно с дрожжами поступает подкисленное до 0,5° охлажденное сусло с содержанием СВ 16... 18 мае. %. После заполнения взбраживателя, служащего для накопления большого количества засевных дрожжей (40 % вместимости бродильного аппарата), дрожжи оставляют для размножения. При содержании сухих веществ в дрожжевой массе 5...6 % зрелые дрожжи самотеком спускаются в головной бродильный аппарат 3. В зрелых дрожжах содержится 2...3 об. % спирта и 90... 100 млн дрожжевых клеток в 1 мл среды. В первый головной аппарат одновременно со зрелыми дрожжами из теплообменника поступает сусло, охлажденное до температуры складки дрожжей. Когда головной аппарат заполнится суслом, начинается переток бродящей среды по бродильной батарее, состоящей из 10 аппаратов. Длительность брожения при температуре бродящей массы 26...30 °C 56...60 ч. Зрелую бражку из последнего бродильного аппарата направляют для извлечения спирта в ректификационное отделение. С целью предупреждения развития инфекции систематически через каждые 2 сут проводят профилактическую стерилизацию бродильных аппаратов паром от головного к последнему. При стерилизации содержимое аппаратов освобождают с помощью центробежных насосов 4. В борьбе с инфицированием применяют сильный и специфический антисептик лактомицин микробного происхождения. Выделяющийся при брожении диоксид углерода выводится через спиртоловушку 5 в специализированный цех.
Зрелая бражка содержит спирта 8... 10 об. %, несброженных сахаров 0,25...0,4 г/мл и нерастворенного крахмала 0,2 г/100 мл, кислотность зрелой бражки 0,5...0,6°.
Применение непрерывно-поточного способа брожения вместо периодического позволяет увеличить пропускную способность бродильного отделения на 20 %, автоматизировать процесс и увеличить выход спирта на 0,3 дал из 1 т условного крахмала, т. е. в пересчете на крахмал картофеля. Перспективным способом также является непрерывно-поточное брожение с рециркуляцией сбраживаемого сусла.
ОСОБЕННОСТИ СБРАЖИВАНИЯ СУСЛА ИЗ МЕЛАССЫ
Мелассное сусло, поступающее из дрожжегенераторов, сбраживают также в непрерывнодействующей установке, состоящей из 10 бродильных аппаратов (см. рис. 138). Аппарата соединяют горизонтальными переточными трубопроводами, которые подве
574
дены к аппарату по касательной, что способствует’ перемешиванию жидкости в бродильных аппаратах за счет энергии струи жидкости. В каждом аппарате в нижней части установлена пропеллерная мешалка для лучшего перемешивания среды. Пена, накапливаемая в головных бродильных аппаратах, разрушается в переточных трубах, расположенных в верхней части аппаратов над уровнем жидкости. В этом случае пену гасят механическим способом. В бродильной батарее масса находится 17...20 ч при температуре 30 °C. Зрелую бражку направляют в сепараторное отделение для извлечения дрожжей, а затем в ректификационное отделение.
Зрелая мелассная бражка содержит спирта 7,5...9,5 об. %, не-сброженных сахаров 0,3...0,4 г/100 см3 и (дрожжей 16...30 г/л. Кислотность зрелой бражки 0,5...0,65°, видимый отброд составляет 5...5,5 мае. %. Съем спирта с 1 м3 дрожжебродильной аппаратуры 7,8...8,1 дал.
Производство спирта сопряжено с некоторыми потерями крахмала и сахара. Поэтому практический выход всегда ниже теоретического, определенного по уравнению спиртового брожения и равного 71,98 дал на 1 т условного крахмала. Практический выход составляет 92,4 % теоретического. Из 1 т мелассы в пересчете на условный крахмал при непрерывном способе получают 66,5 дал спирта; из 1 т крахмала картофеля — 65,7, а из 1 т крахмала ржи — 63,9 дал.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ СПИРТА ИЗ БРАЖКИ И ЕГО ОЧИСТКА
Зрелая бражка — полупродукт спиртового производства. Для получения 1 м3 спирта требуется около 12 м3 бражки.
Бражка — сложная многокомпонентная. система, состоящая из трех фаз: жидкой, газообразной и твердой. Жидкая фаза составляет основную долю из суммы трех фаз. Она представлена водой (82...90 мае. %) и этиловым спиртом 4,8...8,8 мае. % (или 6... 11 об. %) с сопутствующими легколетучими примесями, число которых превышает 70 наименований. Среди летучих примесей — кислоты, сложные эфиры, альдегиды и высшие спирты, серо- и азотсодержащие примеси. Летучие вещества бражки составляют 0,5 % по отношению к этиловому спирту, содержащемуся в ней.
Твердая фаза бражки представлена нерастворимыми частицами исходного сырья — шелухой и дробиной. К ней относятся также все вещества, которые остаются в остатке после выпаривания спирта, воды и летучих примесей. Это растворимые экстрактивные вещества органического и неорганического происхождения. К первым относят несброженные сахара, декстрины, белки, а ко вторым — минеральные вещества. В мелассной браж
575
ке содержится СВ 8...10 мае. %, в зерновой — 5...7, а в картофельной — 3...5 мае. %.
Газообразная фаза бражки представлена главным образом диоксидом углерода — продуктом жизнедеятельности дрожжей, который образуется при сбраживании сахаров. В 1 дм3 зрелой бражки содержится до 1...1.5 г СО2; при перекачке бражки из бродильного в ректификационное отделение количество СО2 в ней снижается на 30...50 %.
Извлечение этилового спирта из бражки и его очистка-осуществляются ректификацией. Ректификацией принято называть процесс разделения бинарной или многокомпонентной жидкой смеси на компоненты или группы компонентов (фракции), различающиеся между собой летучестью. Разделение бинарной смеси спирт—вода часто называют простой перегонкой или дистилляцией. Разделение однородных летучих смесей осуществляют путем многократного двустороннего массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками.
При взаимодействии фаз в процессе ректификации происходит диффузия (перенос) легколетучего компонента из жидкой фазы в паровую и труднолетучего компонента, наоборот, из паровой фазы в жидкую.
Способ контактирования потоков при разделении водноспиртовых смесей носит ступенчатый характер. Ректификацию проводят при нормальном давлении в аппаратах колонного типа, оборудованных контактными устройствами в виде тарелок различных типов (ситчатых, колпачковых, клапанных). Эти устройства способствуют максимальному приближению соприкасающихся противоположно движущихся в аппарате парового и жидкостного потоков, а следовательно, к интенсивному массообмену.
При кипении смеси более летучий компонент переходит в паровую фазу в большем количестве, чем менее летучий. Смесь обогащается одним из компонентов практически в процессе ректификации, которую можно рассматривать как способ сложной или многократной перегонки.
Цель очистки этилового спирта — освобождение его от сопутствующих летучих примесей и получение спирта стандартной крепости. Очень важно наряду с очисткой спирта максимально сконцентрировать отбираемые примеси и максимально освободить их от этанола и воды. В этом случае потери спирта с отходами будут минимальными; отходы же при высокой степени концентрации примесей возможно и экономически целесообразно использовать в качестве вторичных материальных ресурсов (BMP). Например, из сивушного масла, получаемого при ректификации этилового спирта как BMP, на специализированных предприятиях химико-фармацевтической промышленности по-
576
лучают высшие спирты — изоамиловый, изобутиловый и пропиловый и на их основе сложные эфиры как компоненты ряда
лекарственных препаратов.
В основу современной теории перегонки положены закономерности перегонки бинарных смесей, которые установлены Д. П. Коноваловым и М. С. Вревским. Состав равновесных фаз
играет важную роль в изучении процессов разделения простых и сложных летучих смесей.
На рис. 139 изображена кривая равновесной бинарной системы этиловый спирт—вода при нормальном давлении и температуре кипения смеси. На горизонтальной оси этого графика приведено содержание этанола х в жидкой фазе (мае. %), а на вертикальной оси — в паровой фазе у (мае. %). Кривая равновесия располагается выше диагонали (х = у) от начала координат до точки А, что свидетельствует об обогащении паровой фазы спиртом на указанном участке кривой равновесия. Кривая равновесия представляет собой геометрическое место точек коэффициентов испарения этанола, которые наглядно характеризуют его летучесть в зависимости от состава жидкой фазы.
Коэффициент испарения этанола (Кэс) равен х/у. Он применяется в широких пределах (см. рис. 149): при малых концентрациях спирта в смеси его значения максимальны (около 13), а при больших — минимальны (около 1). При х = 10 об. % Кэс = 5,1, а при х — 50 об. % Кэс = 1,5; в азеотропной точке Кэ с = 1. Кривая равновесного состава в точке А пересекает диагональ, следовательно, в этой точке состав паровой и жидкой фаз одинаков. Точка А характеризует состав неразделыюкипя-щей смеси. Для нее х = у и Кэс = 1. При нормальном давлении нераздельнокипящая (азеотропная) смесь этанол—вода содержит 95,57 мае. % спирта при температуре кипения 78,15 °C, при том
же давлении температура кипения этанола равна 78,3, а воды — 100 °C.
После точки А кривая равновесия проходит несколько ниже диагонали до правой верхней точки Б диаграммы (см. рис. 139). Следовательно, обогащение пара спиртом при содержании его в смеси более 95,57 мае. % невозможно.
Рис. 139- Кривая равновесия системы этиловый спирт — вода при нормальном давлении:
х, у — концентрация спирта в парах и в жидкости соответственно
577
Лишь изменение давления в системе ниже нормального позволяет получать более крепкий спирт, чем указано ранее. В этом случае кривая равновесия располагается выше диагонали, вплоть до точки Б.
Первый закон Коновалова устанавливает зависимость между составом жидкой и паровой фаз в системе этанол—вода, а второй — положение азеотропной точки на кривой, устанавливающей зависимость между упругостью пара Р (МПа) и составом жидкой смеси X (мае. %):
Р=ДА).
Законы Вревского указывают направление, в котором сдвигается равновесие в смеси этанол—вода при изменении давления в системе. Так, при давлении в системе 0,009 МПа и температуре кипения 27,92 °C возможно получение безводного (абсолютного) спирта.
Технология выделения этилового спирта из бражки и его очистка от сопутствующих легколетучих примесей обусловлена различной летучестью этих веществ. Для оценки летучести введены понятия коэффициента испарения и ректификации. Первое понятие применяют для спирта и примесей, второе — только для этанола.
Формула для определения коэффициента испарения этанола приведена выше. Аналогично вычисляют этот коэффициент для примеси (А11р).
Летучесть примесей в значительной степени зависит от содержания спирта в разделяемой смеси. Чтобы судить, насколько полно можно очистить этиловый спирт от данной примеси, необходимо сравнить ее коэффициент испарения (АГ|р) с коэффициентом испарения этилового спирта (А,с) и вычислить значение коэффициента ректификации примеей по формуле
К' = а-Г1Р/аэс.
П. С. Цыганков предложил новую классификацию примесей по их летучести, в зависимости от содержания этанола в смеси.
Все примеси разделены на четыре группы: головные, хвостовые, промежуточные и концевые. К первой группе относят головные примеси (ацетальдегид, этилацетат и др.), у которых коэффициент испарения при любом содержании этилового спирта выше, чем коэффициент испарения спирта; следовательно, у этих примесей всегда Апр>1 и они концентрируются в парах при любом содержании спирта в жидкой фазе. Вторая группа включает хвостовые примеси, у которых летучесть всегда меньше летучести этанола и А/р < 1. Наиболее типичной хвостовой примесью является вода. Третья группа представлена промежуточными
578
примесями (изоамиловым, изобутиловым, пропиловым спиртами, рядом сложных эфиров), которые обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях спирта в разделяемой смеси они ведут себя как хвостовые примеси, а при низких — как головные. При определенных концентрациях этанола Л^р = Кэ с и коэффициент ректификации примеси будет равным 1. Характерной концевой примесью является метиловый спирт. Концевые примеси обладают коэффициентом ректификации К„р > 1 при высоких концентрациях спирта и Х;1р < 1 — при низких.
Процесс ректификации проводят в противоточных аппаратах колонного типа, в которых пары разделяемой смеси движутся снизу вверх, а навстречу им стекает жидкость. Колонны оборудованы контактными устройствами или тарелками.
Для увеличения крепости дистиллята ректификацию водноспиртовых смесей проводят в сочетании с дефлегмацией, повышая крепость водно-спиртовых паров частичной их конденсацией. Ее осуществляют в специальных теплообменных аппаратах — дефлегматорах. Жидкость, образующаяся при дефлегмации, называется флегмой. Последнюю возвращают в колонну. Нескон-центрировавшиеся в дефлегматоре крепкие водно-спиртовые пары поступают в холодильник, где полностью конденсируются (сжижаются), охлаждаются и выводятся из испарителя в виде дистиллята. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята называют флегмовым числом (ФЧ).
Для создания парового потока в колонну снизу подводят теплоту в виде греющего пара. Подлежащая разделению смесь подается чаще всего в среднюю часть колонны в жидком, парообразном или в смешанном состоянии. Для разделения бинарной смеси используют одну колонну. Ректификацию многокомпонентных смесей проводят в нескольких колоннах, работающих последовательно.
По техническому назначению ректификационные установки спиртового производства подразделяют на сырцовые, ректификационные и брагоректификационные. Первые предназначены для получения бражки спирта-сырца, содержащего кроме этанола все летучие примеси. На ректификационных установках спирт-сырец очищают и получают ректификованный спирт. В брагоректификационных установках совмещены технологические операции сырцовых и ректификационных аппаратов. Эти установки позволяют получать ректификованный спирт непосредственно из бражки.
В состав брагоректификационной установки входят три основные и две дополнительные колонны. К основным относят бражную, эпюрационную и ректификационную колонны, а к дополнительным — сивушную и окончательную. Бражная колонна предназначена для отделения из бражки всех летучих компо-
579
центов. Освобожденная от летучих компонентов бражка называется бардой. В эпюрационной колонне из бражного дистиллята выделяют головные и концевые примеси в виде головной фракции этилового спирта (ГФЭСп). Спиртовая колонна служит для укрепления и очистки спирта от промежуточных примесей. Сивушная колонна предназначена для разгрузки спиртовой от высших спиртов с последующим их концентрированием. В окончательной колонне дополнительно удаляют концевые и промежуточные примеси спирта, особенно эффективно удаляют метиловый спирт. Кроме этих колонн для извлечения спирта из ГФЭСп используют разгонные колонны, применение которых увеличивает выход спирта на 2,5...3,5 %.
В зависимости от способа включения бражной колонны в схему брагоректификационной установки различают установки прямого, непрямого (косвенного) и полупрямого действия.
Наибольшее распространение получили брагоректификационные установки косвенного действия, в которых спирт и примеси извлекаются из бражки в виде жидкого продукта — бражного дистиллята, которым питают эпюрационную колонну. В нашей стране выпускают брагоректификационные установки косвенного действия мощностью 1000, 1500, 2000, 3000 и 6000 дал условного спирта-сырца, под которым понимают сумму всех спиртсодержащих продуктов, полученных на установке в пересчете на безводный спирт. В условный спирт включают также и потери спирта при ректификации (0,8... 1 %).
Аппаратурно-технологическая схема установки косвенного действия для получения этилового спирта из бражки представлена на рис. 140.
Бражка, подогретая до 85...92 °C в бражном подогревателе 5, направляется в сепаратор 4 для удаления диоксида углерода и далее на верхнюю тарелку бражной колонны 7; диоксид углерода СО2 выводится в атмосферу через конденсатор 3 сепаратора. В колонну 1 снизу поступает пар (П). Пары, обогащенные спиртом, идут через пеноловушку 2 в подогреватель 5; отдают свою теплоту бражке и поступают в конденсатор 6 бражной колонны для конденсации. Бражный конденсат крепостью 45...55 % поступает на питательную тарелку эпюраиионной колонны 7. Барда (Бар), удаляемая из нижней части колонны 7 при температуре кипения 104 °C и давлении 0,016 МПа, направляется в качестве отходов на корм скоту или в качестве питательной среды для выращивания кормовых дрожжей в специальных цехах.
Пары, обогащенные головными примесями, поступают в дефлегматор 8 эпюрационной колонны 7 для укрепления, а затем в конденсатор 9 для конденсации. Эта колонна работает при большом флегмовом числе (ФЧ) (свыше 400). Ключевые примеси, определяющие основные параметры работы колонны, — ацеталь-
580
Рис. 140. Аппаратурно-технологическая схема браторектификационной установки косвенного действия:
Условные обозначения: В — вода; Бар — барда; Б — бражка; П — пар; СМ — сивушная фракция; С — спирт ректификованный; Т — число тарелок; ГФЭСп — головная фракция этилового спирта; ЛВ — лютерная вода
дегид и этилацетат. Примеси, содержащие альдегиды и сложные эфиры, выводят через смотровой фонарь 10 из колонны в виде ГФЭСп в количестве 2...4 % по отношению к спирту-сырцу. Крепость этой фракции равна 95 об. %. В нижней части колонны, где расположено 40 реальных тарелок, поддерживают температуру 90 ”С и давление 0,015...0,020 МПа. Из этой зоны отводят жидкий продукт — эпюрат крепостью 40...45 об. %. Эпюрат лишен основной массы головных примесей. Он является питанием для спиртовой колонны 13.
Снизу в спиртовую колонну, как и в эпюрационную, поступает греющий | пар. Спиртовые пары направляются в верхнюю часть колонны. Обедненная спиртом жидкость, наоборот, стекает вниз и в виде лютерной воды, содержащей труднолетучие примеси этилового спирта — сложные эфиры и кислоты, выводится из колонны при закрытом ее обогреве из расчета в среднем 20 л на 1 дал спирта.
Для спиртовой колонны характерно наличие вверху зоны непастеризованного спирта, содержащего остаточное, но повышенное количество метанола, эфиров и альдегидов, которые попали
581
в нее из эпюрационной колонны. Поэтому отбор целевого продукта — ректификованного стандартного спирта крепостью 96,2...96,5 об. % производят в виде жидкости ниже указанной зоны с 5...7 тарелок концентрационной части, считая сверху колонны. Спирт охлаждают в холодильнике 14 до 15...20 °C, после чего его направляют сначала для измерения объема и количества безводного спирта в контрольный снаряд, а затем в спиртоприемное отделение. Из этого отделения спирт поступает на хранение или на отпуск потребителю. Из отгонной части колонны, расположенной ниже места ввода эпюрата, удаляют высшие спирты — сивушное масло (СМ), выход которых после сивухопромывателя составляет 0,3...0,35 %. Колонна 13 снабжена дефлегматором 11 и конденсатором 12.
Спиртовая колонна работает при ФЧ = 3,5 и давлении в нижней части 0,02...0,028 МПа; температура в зоне отвода лютера составляет 105... 107 °C.
Геометрические размеры колонн зависят от мощности брагоректификационной установки. Так, например, диаметры бражной, эпюрационной и спиртовых колонн установки мощностью 6000 дал спирта в сутки равны соответственно (мм): 2000, 1500 и 2000. Число тарелок в колоннах указано на рис. 140. Расстояние между тарелками в бражной колонне 500 мм, а в эпюрационной и спиртовой — 170 мм.
Выход ректификованного спирта в брагоректификационной установке косвенного действия составляет 95...96,5 % к условному спирту-сырцу.
Ректификация многокомпонентных смесей связана с большим расходом воды и пара. Для получения 1 дал спирта в 3-колонной установке расходуют около 0,6 м3 воды и 59...60 кг пара. Наиболее емкими по расходу пара являются бражная и ректификационные колонны, расходующие 20 и 22 кг пара на 1 дал спирта соответственно.
Если брагоректификационная установка оборудована кроме бражной, эпюрационной и спиртовой колонн сивушной, дополнительной и разгонной колоннами, расход пара возрастает до 70 кг/дал спирта.
Экономический анализ процессов брагоректификации показывает, что затраты на ее проведение определяются в основном расходом греющего пара и в незначительной мере амортизационными отчислениями на эксплуатацию оборудования.
Расход пара в рассматриваемом процессе можно понизить путем повышения концентрации спирта в бражке на 2...3 об. %, использования закрытого обогрева колонн, перевода брагоректификационных установок косвенного действия на работу в условиях вакуума. Под разрежением работают бражная и эпюрацион-ная или эпюрационная и спиртовая колонны. В первом случае обогрев колонн осуществляют за счет теплоты конденсации
582
спиртового пара спиртовой колонны, а во втором — за счет теплоты бражной колонны (ВТИ УкрНИИСП). Рационально также, чтобы бражная колонна работала под давлением, близким к атмосферному, а эпюрационная и спиртовая колонны работали под разрежением около 0,05 МПа. Данная схема, разработанная б. КТИПП, позволяет снизить удельный расход пара на 45...50 % и довести его до 27...28 кг/дал при минимальных затратах на переоснащение брагоректификационных установок косвенного действия мощностью до 3000 дал/сут.
На многих спиртовых заводах внедрена и успешно эксплуатируется брагоректификационная установка косвенно-прямоточного действия, которая предложена ВНИИПрБ (рис. 141). Особенность этой установки состоит в эпюрации бражки и обогреве эпюрационной колонны водно-спиртовыми парами бражной колонны. В установках производительностью 3000 и 6000 дал/сут, оснащенных колоннами с 25 тарелками, рекомендуется устанавливать разграничительную царгу высотой до 0,5 м. Верхняя часть бражной колонны, расположенная над царгой и содержащая 7...8 тарелок, используется для эпюрации бражки, т. е. для удаления
Рис. 141. Схема брагоректификационной установки косвенно-прямоточного действия:
Условные обозначения: Бар — барда; Б — бражка; В — вода; П — лар; ЛВ — лютерная вода; С — спирт; СМ — сивушное масло; ГФЭСп — головная фракция этилового спирта
583
из нее основной массы легколетучих примесей спирта. Остальные 17... 18 тарелок (нижняя выварная часть бражной колонны) используются для полного извлечения спирта их эпюрированной бражки. Образовавшиеся водно-спиртовые пары из цилиндрической разграничительной царги 2 направляются в эпюрацион-ную колонну 8 для ее обогрева.
Установка работает следующим образом. Бражка температурой 30 °C, поступившая из бродильного отделения, подогревается в подогревателе 5 до температуры 70...75 °C. Далее она направляется сначала в сепаратор диоксида углерода 4 для удаления СО2, а затем поступает на верхнюю тарелку эпюрирующей части 2 бражной колонны 1.
Выделенные при эпюрации бражки водно-спиртовые пары с примесями этилового спирта последовательно проходят через подогреватель бражки 5 и конденсатор 6 бражной колонны. Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары, обогащенные примесями этанола, вместе с конденсатом из конденсатора СО2 3 через сборный коллектор бражного конденсата поступают на тарелку питания эпюрационной колонны 8. Барда удаляется из колонны через бардорегулятор 75.
Эпюрированная бражка стекает вниз по тарелкам верхней части колонны и поступает на верхнюю тарелку бражной колонны 7, обогреваемой паром. Водно-спиртовой пар из бражной колонны частично (около 50 %) поступает в брагоэпюрационную часть для эпюрации бражки; другая его часть (также около 50 %), пройдя пеноловушку 7, направляется для обогрева эпюрационной колонны 8. Соотношения этих потоков регулируют шибером, который устанавливают между верхом бражной колонны 1 и подогревателем бражки 5.
Особенность работы эпюрационной колонны состоит в том, что она обогревается открытым способом водно-спиртовым паром, а количество питания (бражного дистиллята) уменьшается при этом примерно в 1,6 раза. Колонна 8 снабжена дефлегматором 9 и конденсатором 10. Очистку спирта от метанола, поступившего в эпюрационную колонну 8 с эпюрированными водноспиртовыми парами, осуществляют далее в спиртовой колонне 13. Для этого она должна иметь развитую зону пастеризации, которая представляет собой одну-две пяти-восьмитарельчатые царги. Отбор ректификованного спирта осуществляют ниже зоны пастеризации с 14... 16-х тарелок спиртовой колонны, считая сверху. Укрепление спиртовых паров идет в дефлегматоре 77, а их конденсация — в конденсаторе 12. Отобранные из колонны 13 пары воды, этилового спирта и сивушного масла вначале конденсируются в теплообменнике 14. Далее сивушное масло промывается водой (водная экстракция сивушного масла).
В остальном брагоректификационная установка косвеннопрямоточного действия как по устройству, так и по технологи
584
ческому режиму ведения процесса не отличается от установок косвенного действия, описанных выше. Экономические и экологические преимущества при использовании установок косвеннопрямоточного действия очевидны. Расход пара и воды примерно на 20 % меньше, чем на установках косвенного действия. Эти установки работают стабильно.
ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ В СПИРТОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В спиртовой промышленности страны внедрены и внедряются схемы комплексной переработки сырья, ресурсосберегающие и безотходные технологии. Это позволяет уменьшить материалоемкость продукции, ее себестоимость, а также существенно снизить уровень загрязнения воздуха, воды и почвы.
При получении спирта из крахмалсодержащего сырья ресурсосбережение обеспечивается, как показано ранее, полной или частичной заменой солодового молока микробными ферментными препаратами, механическим активированием солодового молока и сусла, развариванием заторов из сверхтонких помолов при пониженных температурах, использованием непрерывного сбраживания сусла с рециркуляцией дрожжей, новыми схемами брагоректификации, сушкой барды или ее частичным кислотным консервированием и другими технологическими решениями.
На спиртовых заводах реализован комплексный подход к переработке крахмалсодержащего сырья путем производства жидкого диоксида углерода из газов брожения, а также сухих или жидких кормовых дрожжей на зерно-картофельной нативной барде или ее фильтрате.
Различные виды барды — это основные отходы спиртового производства; ее выход составляет 0,12 м3 на 1 дал выработанного спирта.
Зерновая барда содержит 7...8 % сухих веществ, картофельная — 4...5 %. В состав сухих веществ барды входит в среднем (%): сахаров 0,25...0,50, глицерина 0,5, крахмала 0,15, гемицеллюлоз и целлюлоз 2,4. Кроме того, барда содержит белки, аминокислоты, органические кислоты, минеральные соединения, а также витамины.	I
Послеспиртовая барда, получаемая в отечественной спиртовой промышленности в количестве 10... 12 млн т/год, в основном используется на корм скоту в сыром виде. Иногда ее высушивают. Во ВНИИПБ разработана технология выращивания кормовых дрожжей на послеспиртовой зерно-картофельной барде. Свыше 20 спиртовых заводов имеют цехи по выпуску сухих или жидких кормовых дрожжей. Основную массу кормовых дрожжей получают на мелассно-спиртовых заводах.
585
Выход сухих кормовых дрожжей, в том числе гранулированных, прежде всего зависит от вида сырья, а также принятой схемы комплексной его переработки. На каждую 1000 дал спирта выход (кг) составляет: при выращивании дрожжей на зерновой барде — 3000, на картофельной — 1700, на мелассной с предварительным выделением сахаромицетов (хлебопекарных дрожжей) — 1450, а без выделения — 2500—2700.
Получение диоксида углерода. Диоксид углерода, образующийся при спиртовом брожении, является ценным BMP, нашедшим широкое применение в производстве безалкогольных напитков, шипучих вин, в тепличном хозяйстве, при сварочных работах и для других целей.
В газах спиртового брожения содержится 99...99,5 % диоксида углерода, а также примеси (%): этанол — 0,4...0,6, сложные эфиры — 0,03, кислоты — 0,08, следы альдегидов. В товарном пищевом жидком диоксиде углерода содержание СО2 не менее 98,8...99,8 об. %, воды не более 0,1 мае. %.
При спиртовом брожении образуется 7,53 кг СО2 в пересчете на 1 дал спирга. С учетом потерь (10 %) выход СО2 составляет 6,78 кг/дал спирта. При сбраживании мелассного сусла утилизируют лишь 70 % газов брожения; СО2 из дрожжегенераторов не утилизируют, так как он содержит большое количество кислорода. Себестоимость такого продукта значительно ниже, чем СО2, полученного на специализированных заводах из дымовых газов и газов топочных печей. Следует также отметить высокую степень чистоты и безопасности товарного СО2, полученного на спиртовом заводе.
На спиртовых заводах, перерабатывающих как крахмал-, так и сахарсодержащее сырье, при утилизации СО2 из газов брожения широко используют технологическую схему, которая работает по циклу высокого давления. Данная схема включает следующие операции: очистку СО2, его осушку, компримирование (сжатие) до давления 6...7,5 МПа, охлаждение и розлив.
Газы брожения из бродильных аппаратов через спиртоловуш-ку направляют для улавливания механических примесей в промывной скруббер — цилиндрический аппарат, заполненный кольцами Рашига. Последние обеспечивают высокий контакт очищаемого газа и воды, поступающей в скруббер в противотоке к газу. После охлаждения до 20 °C очищенный газ направляют на компримирование. Сжатие газа осуществляю'! последовательно по трехступенчатой схеме.
При каждом сжатии газ нагревается, поэтому перед подачей на следующую ступень сжатия его охлаждают до 25...30 °C. На первой ступени, например, газ нагревается до температуры ПО...115 °C. Диоксид углерода сжимают на I ступени до 0,6...0,8 МПа, на II — до 1,8...2,4, а на III — до 6,5...7 МПа.
После III ступени сжатия и охлаждения газ направляют вна- ‘
586
чале в водомаслоотделитель, а затем в реакторы. Один из реакторов заполнен активированным углем, а второй — силикагелем, поглощающим влагу.
Очищенный диоксид углерода охлаждают в конденсаторе до 15...20 °C, при этом газ сжижается. В таком виде его сначала направляют в блок ресиверов, а затем в коллектор станции наполнения. Жидкий СО2 разливают в специальные баллоны при соблюдении правил безопасности. Баллоны с газом взвешивают, после чего направляют потребителю.
Кроме описанной схемы низкотемпературный диоксид углерода можно производить по циклу одноступенчатого дросселирования. В этом случае жидкий СО2 разливают и транспортируют на заводы-потребители в изотермических цистернах.
На ряде спиртовых заводов для пищевых целей производят твердый диоксид углерода (сухой лед). Он обладает высокой холодопроизводительностью (в 3 раза больше, чем льдосоляная смесь), а также санитарно-гигиеническими свойствами. В нем отсутствует влага и микрообсемененность, поэтому сухой лед используют для создания низкотемпературных условий при хранении, транспортировании и реализации замороженных и охлажденных пищевых продуктов.
Все технологические операции по выпуску товарного диоксида углерода осуществляют в специальных углекислотных цехах, расположенных на территориях спиртовых заводов.
На мелассно-спиртовых заводах внедрена комплексная схема переработки сырья и утилизации BMP. Она направлена на повышение уровня использования мелассы, послеспиртовой ме-лассной барды, последрожжевой барды, утилизацию диоксида углерода и спиртовых дрожжей, содержащихся в бражке.
В период с 1981 по 1985 г. уровень использования послеспиртовой барды возрос с 44,4 до 98,8 %. Причем спиртовую барду используют преимущественно в качестве питательной среды для выращивания кормовых дрожжей. В настоящее время уровень утилизации последрожжевой барды превышает 50 %. Значительно возросла и степень утилизации диоксида углерода, выделяющегося при брожении, с целью получения сжиженного и твердого СО2 пищевого назначения. Около 50 % дрожжей, используемых в хлебопечении Украины, (поставляют мелассно-спиртовые заводы.	\
По данным А. Г. Забродского, П. В. Рудницкого и др., заводы, перешедшие на комплексную переработку мелассы, получают значительную прибыль в пересчете на 1 т мелассы, экономят 30...35 % условного топлива и 75...80 % технологической воды. При этом себестоимость основной продукции снижается на 1,5...2 %.
При комплексном подходе к использованию мелассы и ути
587
лизации BMP стало возможным осуществить экономически и экологически оправдавшее себя безотходное производство.
Наиболее распространенными являются два варианта безотходной технологии, по которой можно производить следующие виды продукции:
вариант 1: спирт, диоксид углерода, сухие кормовые дрожжи и упаренная последрожжевая барда;
вариант 2: спирт, диоксид углерода, сухие кормовые дрожжи, хлебопекарные дрожжи, упаренная последрожжевая барда (или органо-минеральные удобрения).
Эти схемы позволяют организовать оборотное водоснабжение, использовать конденсаты вторичного пара выпарных аппаратов для получения мелассного сусла, питательных солей, промывки оборудования. Небольшое количество сточных вод подвергается биологической очистке. Выбросы дрожжей с отходящими газами из сушильных агрегатов не допускаются.
С переходом на безотходную технологию на мелассно-спирто-вом заводе мощностью 6000 дал спирта в сутки за год получают кроме основного продукта 2,4...4,1 тыс. т сухих кормовых дрожжей, 5...6,1 тыс.т сжиженного диоксида углерода, около 5 тыс. т хлебопекарных прессованных дрожжей и 29 тыс. т упаренной последрожжевой барды. Абсолютную долю (96...98 %) в общем объеме экономического эффекта безотходной технологии составляет эффект, получаемый от применения кормовых дрожжей и упаренной барды; а также возврата в сельскохозяйственный оборот земельных угодий, используемых в промышленности в качестве полей фильтрации для барды и других стоков. Выход барды на каждую 1000 дал спирта составляет 120 м3 в сутки, а 1 га земли способен отфильтровать 15 м3 барды в сутки. Площадь фильтрования барды и других стоков для заводов мощностью 1000 дал спирта в сутки равна 7...8 га. Поля фильтрации на длительный срок выводят землю из севооборота; выделяющиеся продукты разложения белка дрожжей очень сильно загрязняют атмосферный воздух.
Комплексная переработка мелассы. На рис. 142 изображена принципиальная технологическая схема комплексной переработки мелассы. Она предусматривает получение целевого продукта — ректификованного этилового спирта, а также жидкого диоксида углерода, прессованных хлебопекарных дрожжей и сухих кормовых дрожжей. Схемой предусмотрена возможность получения упаренной послеспиртовой и упаренной последрожжевой
Рис. 142. Принципиальная технологическая схема комплексной переработки мелассы:
Условные обозначения: ПСБ — послеспиртовая барда; ПДБ — последрожжевая барда;
УЦЦБ — упаренная последрожжевая барда; ЧК— чистая культура; Воздух ст. — стерильный; С — спирт;--------производство спирта; ----- производство кормовых дрожжей
588
барды, а также гранулированных органо-минеральных удобрений. Основные положения схемы, за исключением выработки хлебопекарных дрожжей, успешно реализованы на Лужанском экспериментальном спиртовом заводе мощностью 6000 дал спирта в сутки.
Технологии хлебопекарных дрожжей и диоксида углерода описаны ранее. Получение кормовых дрожжей на послеспирто-вой барде описано ниже.
При переработке мелассы на спирт в течение года в количестве 1,4...1,8 млн т образуется 4,2...5,5 млн т барды. По составу она отличается от зерновой и картофельной барды. Это объясняется тем, что дрожжи сахаромицеты используют только 45...50 % ее сухих веществ; остальные же сухие вещества переходят в барду. В послеспиртовой мелассной барде содержится 7,5...10 % СВ и 90...92,5 % воды. Сухие вещества барды на 67...72 % состоят из органических и на 28...33 % из неорганических веществ. Она значительно превосходит по содержанию золы зерно-картофельную барду: в первой содержится около 3 % золы, во второй — 0,5 %. Минеральные вещества послеспиртовой мелассной барды включают в себя К2О (40...50 %), Na2O (7...8 %), СаО (1,5...2 %), соединения магния, железа, фосфора (0,2...0,4 %) и др. В ней содержатся также редуцирующие сахара (0,2...0,5 %), глицерин (0,6...0,9 %), органические кислоты (1,5...2,5 %), аминокислоты, спирта, витамины группы В, микроэлементы, продукты метаболизма (обмена) спиртовых рас дрожжей и др. Содержание общего азота в барде составляет 3...6 %. Азотистые вещества представлены в основном бетаином и некоторым количеством аммиачного азота, азота оснований и аминокислот. Значительная часть этих соединений азота усваивается кормовыми дрожжами, менее прихотливыми к источникам питания, чем истинные сахаромицеты — спиртовые и хлебопекарные расы дрожжей.
Для синтеза биомассы кормовых дрожжей пригодны органические кислоты, ряд аминокислот (валин, лейцин, глютаминовая и аспарагиновая аминокислоты и др.), глицерин и другие спирты, остаточные доли сахара, содержащиеся в послеспиртовой мелассной барде. Наличие полноценных источников питания, стимуляторов роста (витаминов, ряда микроэлементов и других веществ) характеризует послеспиртовую барду как полноценную биологическую среду. Поэтому она применяется в спиртовой промышленности не только как сырье для производства кормовой добавки, используемой в рационе животных, но и для выращивания кормовых дрожжей.
Получение кормовых дрожжей. Кормовые дрожжи, выращенные как на послеспиртовой мелассной, так и на зерно-картофельной барде, — ценная белковая добавка к растительным кормам, используемым в животноводстве и птицеводстве. По своим достоинствам они приближаются к рыбной муке. Эти дрожжи не
590
являются патогенными микроорганизмами и гибели животных и птиц не вызывают. Эти аэробы образуют значительное количество белка и витаминов группы В. Кормовые дрожжи — биологически активный продукт. При добавлении к растительным кормам, несбалансированным по количеству и составу белка, растет степень усвояемости белков на 10... 15 %; корма обогащаются витаминами (особенно витаминами группы В), ферментами, макроэлементами (Р, Са и др.) и микроэлементами (Fe, Си, Со, Ni, Мп, Zn и др.). При добавлении 1—1,5 кг сухих дрожжей к суточному рациону кормов значительно повышаются привесы у животных и птиц, растут удои и жирность молока у коров, повышается яйценоскость кур.
Кормовые дрожжи выпускают в виде порошка или гранул. В зависимости от показателей качества различают четыре группы кормовых дрожжей: высшую, I, II и III. Они имеют светло-коричневый, светло-желтый или коричневый цвет и характерный, без постороннего запах. Содержание влаги у дрожжей до 10 %; золы в пересчете на абсолютно сухое вещество (АСВ) — 10...14 %. Сырого протеина (белка) в пересчете на АСВ в кормовых дрожжах должно содержаться не менее (%): в дрожжах высшей группы — 56, 1 — 51, II — 46 и III — 43. Характерная особенность кормовых дрожжей, выращенных на зерно-картофельной барде, — относительно низкая зольность (8 %).
Технология кормовых дрожжей, выращиваемых на послеспиртовой барде, включает следующие стадии: кондиционирование барды, приготовление питательной среды, размножение чистой культуры и засевных дрожжей, выращивание кормовых дрожжей, выделение и термолиз дрожжей, сушка, гранулирование и фасование дрожжей.
Аппаратурно-технологическая схема получения сухих кормовых дрожжей на послеспиртовой барде мелассно-спиртовых заводов приведена на рис. 143.
Мелассная барда из брагоректификационного отделения постоянно поступает в сборник-стерилизатор 4 цеха кормовых дрожжей. Барду выдерживают в стерилизаторе 45...60 мин при температуре 95...98 °C. Далее барду насосом 5 перекачивают в теплообменник 6 для охлаждения до 20...25 °C. Растворы питательных солей готовят в сборнике 7, откуда их подают насосами 2, 8, 15 в напорный мерный сборник 3. Растворы солей смешивают с бардой в сборнике 7, после чегб питательную среду насосами 8 и 15 подают в дрожжерастильныи аппарат 16, а также в малый дрожжевой аппарат 12. В аппаратах 9, 10 и 11 чистую культуру кормовых дрожжей выращивают на мелассном сусле при температуре 25...30 °C при постоянном продувании через среду стерильного воздуха. Из аппарата 12 чистая культура дрожжей направляется в малый дрожжерастильный аппарат 13, оборудованный теплообменником и устройством для диспергирования стерильного
591
Рис. 143. Аппаратурно-технологическая схема получения сухих кормовых дрожжей на послеспиртовой барде мелассно-спиртовых заводов.
Условные обозначения: ЧК — чистая культура дрожжей; В — вода; П — пар; Бар — барда
воздуха. Воздух подают с помощью воздуходувки 17. Кислота из сборника 14 смешивается с питательной средой, которая направляется в дрожжерастильный аппарат 16. Пену в дрожжевой бражке гасят с помощью деэмульгатора 18. Далее дрожжевую бражку насосом 19 подают через фильтр 20 на разделение в сепаратор 22 I ступени; отток бражки идет в сборник 21, а дрожжевая суспензия — в сборник 23. Затем дрожжевую суспензию насосом 19 подают в сепаратор 26. После второй ступени сепарации суспензия дрожжей направляется в сборники 27 и 25; при необходимости еще раз проводят сепарацию. Готовая суспензия из сборника 27 насосом 28 направляется в плазмолизатор 29. Насосы 24, 28 и 30 перекачивают дрожжевую суспензию на разных стадиях ее разделения и обработки. Из напорного сборника концентрированная дрожжевая суспензия через напорный сборник 31 направляется в сушилку 32, из которой высушенные кормовые дрожжи поступают в бункер 33 и далее на склад.
В настоящее время эта схема дополнена участком гранулирования дрожжей и природоохранным оборудованием, обеспечивающим очистку отработавшего воздуха от клеток сухих дрожжей перед его выбросом в атмосферу.
Кондиционирование барды состоит в стерилизации и охлаждении барды с последующим обогащением среды растворами, содержащими азот и фосфор.
Мелассная барда из брагоректификационного отделения поступает в сборник-стерилизатор 4 непрерывного действия цеха кормовых дрожжей. В нем барду выдерживают 45...60 мин при
592
температуре 95...98 °C, после чего ее направляют насосом 5 в теплообменник 6 для охлаждения.
Мелассную барду охлаждают до 20...25 °C, а зерно-картофельную — до 70 °C. Последнюю далее фильтруют на разделительном сите, в результате чего получают грубый фильтрат (80 %) и дробину (20 %). Дробина присоединяется к вторичной пбследрож-жевой барде, а также поступает на корм скоту. Грубый фильтрат после обогащения растворами питательных солей, содержащих азот и фосфор, поступает в дрожжегенератор и дрожжерастиль-ный аппарат. Растворы солей готовят при разбавлении их 5-кратным количеством теплой воды при перемешивании. Расход солей при переработке зерно-картофельной барды составляет (кг/м3): сульфата аммония 5 или карбамида 2...3, ортофосфорной кислоты 0,09; при переработке мелассной барды — соответственно карбамида 1, ортофосфорной кислоты 1.
Размножение чистой культуры и засевных дрожжей. В цехах кормовых дрожжей на мелассно-спиртовых заводах дрожжи из чистой культуры выращивают периодически, постепенно увеличивая объем среды от пробирки и колбы до 0,2...2 м3 в аппаратах чистой культуры (АЧК) до 5...7 м3 в дрожжевом аппарате. В колбах и АЧК дрожжи размножаются на стерильном мелассном сусле концентрацией 4...5 % с добавкой питательных солей. В дрожжевом аппарате и дрожжегенераторе посеянные дрожжи размножаются на барде с содержанием СВ 6,8...7,2 %. Размножение дрожжей осуществляют при температуре 33...35 °C в аэробных условиях при pH среды, равном 4,5 (в дрожжегенерато-рах pH барды снижается до 3,5...3,8). Общая продолжительность выращивания засевных дрожжей в колбах, АЧК, дрожжевом аппарате и дрожжегенераторе составляет 2,5...3 сут. Концентрация биомассы с содержанием влаги 75 % возрастает от колбы до дрожжегенератора и составляет соответственно 12 и 30 г/л.
В дрожжевых цехах спиртовых заводов, работающих на зернокартофельной барде, размножение засевных дрожжей также начинают в лабораторных условиях, а продолжают в АЧК-1 и АЧК-2. Засевные дрожжи далее направляют в дрожжерастиль-ный аппарат не реже 1 раза в сутки. В лабораторных условиях дрожжи засевают через каждые 5... 10 сут на стерильное сусло; в АЧК-1 и АЧК-2 используют грубый фильтрат барды, обогащенный азотом и фосфорсодержащими добавками.
На мелассной послеспиртовой барде выращивают чистые культуры дрожжеподобных грибов Candida utilis, штамм Л-35, Forulopsis pinns Л-30, Trichosporon cutaneum Л-52, но их используют раздельно. Последний штамм дрожжей успешно используют при двустадийном выращивании дрожжей на II стадии, и она растет медленнее, чем другие культуры, но более эффективно использует трудноусвояемые пептиды, пептоны, липиды и другие вещества, содержащиеся в барде. При использовании зерно
593
картофельной барды в основном применяют дрожжеподобные грибы Candida tropicales СК-44.
Выращивание кормовых дрожжей. Осуществляют в дрожжерастильных аппаратах вместимостью 320 и 600 м3 высотой 13,5 и 15 м. К 2...3 дрожжерастильным аппаратам устанавливают один дрожжегенератор вместимост ью 100 м3. Процесс выращивания дрожжей осуществляют непрерывно-поточным способом, при котором равномерный и непрерывный приток питательной среды соответствует такому же оттоку' дрожжевой бражки. Важнейшее условие этого способа культивирования — непрерывный приток свежей питательной среды, энергичное смешивание ее с культуральной средой и непрерывная интенсивная аэрация воздухом для обеспечения дрожжевых клеток растворенным кислородом. Равномерное распределение клеток по всей высоте аппарата в усредненной питательной среде обеспечивается специальной конструкцией эрлифтной системы аэрации, с помощью которой среда перемешивается за счет циркуляции, определяемой скоростью ее подъема и опускания в аппарате.
На мелассной барде товарные дрожжи выращивают, используя среду с содержанием СВ 6,8...7,2 %, при pH 4...4,5, температуре 33...36 °C и расходе воздуха 55...60 м3/(м3-ч). Время пребывания среды в аппарате 7 ч. Среду подкисляют соляной кислотой. В дрожжевой бражке накапливается 35...45 г/л дрожжей.
Для полного использования усвояемых веществ барды по предложению б. УкрНИИСП дрожжи выращивают с рециркуляцией сепарационных оттоков, образующихся на стадии выделения дрожжей из дрожжевой бражки, с помощью центробежных сепараторов. В этом случае работают на неразбавленной барде с содержанием сухих веществ 9... 10 %. Благодаря рециркуляции оттоков снижаются потери дрожжей на станции сепарации, уменьшается расход барды, кислоты; снижается инфицирован-ность среды, так как оттоки предварительно подвергают кислотной обработке.
На зерно-картофельной барде дрожжи выращивают на грубом фильтрате барды с содержанием СВ 4...6 % при pH 4,5...5,5 и температуре 35 °C; среду подкисляют серной кислотой. Расход воздуха и длительность процесса аналогичны данным, приведенным ранее.
Выделение и термолиз дрожжей. Дрожжевая бражка на выходе из дрожжерастильного аппарата представляет собой эмульсию (жидкость—газ), содержащую 2/3 пены и 1/3 жидкости. Для уменьшения потерь дрожжей с оттоком на стадии сепарирования необходимо дрожжевую бражку деэмульгировать, т. е. разрушить в ней пену'. Это осуществляют с помощью специальных пеногасителей (олеиновой кислоты, соапстока и др.) механическим путем с помощью разделительных насосов типа НР-70 и т. п.
594
Перед сепарированием дрожжевая суспензия проходит сетчатый фильтр с диаметром отверстий 0,25...3 мм для удаления сорных примесей. Для выделения дрожжей, выращенных на ме-лассной барде, используют три ступени сепараторов; в ходе сепарирования дрожжи дважды промывают чистой водой.
Обеспененная жидкость на сепараторах 1 группы разделяется на отток (~ 75 %) и дрожжевую суспензию (~ 30 %) с содержанием биомассы 100... 120 г/л. На второй ступени сепарирования дрожжевая суспензия сгущается до 250...300 г/л, разбавляется в сборнике водой до концентрации 150...200 г/л и подается насосом в Ш группу сепараторов, работающих по замкнутому циклу с одновременной промывкой водой и сгущением суспензии до концентрации не менее 450...500 г/л (10...15 % СВ). В дрожжевом концентрате зерно-картофельных заводов содержание сухих веществ меньше — 8...10 %.
Затем сгущенная суспензия дрожжей подвергается непрерывному термолизу при 70...75 °C в течение 45 мин, в результате чего дрожжевые клетки биологически обезвреживаются (отмирают).
Оттоки (фугаты) при разделении дрожжевой суспензии на станции сепарирования кормовых дрожжей зерно-картофельных спиртовых заводов присоединяют к вторичной последрожжевой барде, которая вместе с дробиной идет на корм скоту. На заводах, использующих мелассу, оттоки сбрасывают на поля фильтрации или упаривают. После I ступени сепарации получают последрожжевую барду.
Сушка, гранулирование и фасование дрожжей. Дрожжи сушат на вальцовых или распылительных сушилках при температуре 90...95 °C до содержания влаги 8... 10 %. В первом случае дрожжи сушат паром бесконтактным, а во втором — контактным способом, при котором в качестве сушильного агента используют смесь топочных газов и воздуха. Температура сушильного агента на входе в сушилку 300 °C, на выходе — 85...90 °C. Дрожжи нагреваются до температуры 90...95 °C, что гарантирует им высокое качество по структуре и цвету порошка, а также по содержанию усвояемого белка. Сушка дрожжей осуществляется при небольшом разрежении. Отработавшие газы перед выбросом в атмосферу обязательно проходят мокрый или сухой фильтр для улавливания единичных высушенных дрожжей. При использовании мокрого пылеуловителя конструкции ВНИИППД эффективность улавливания дрожжевой пыли составляет 95...97 %. Для того чтобы избежать трудоемкого процесса в неблагоприятных санитарных условиях при упаковке кормовых дрожжей, их гранулируют на специальном пресс-грануДяторе, снабженном охладительно-сортировочной машиной. Диаметр гранул 9... 13 мм, содержание влаги в гранулах 9... 11 %. Содержание влаги в дрожжах на выходе из сушилки 8... 10 %.
Питательные свойства послеспиртовой барды (ПСБ) и после-
595
дрожжевой барды (ПДБ) свидетельствуют о возможности эффективного использования этих продуктов в качестве добавок к кормовым рационам крупного рогатого скота и птицы. В связи с тем что эти продукты легко обсеменяются гнилостными бактериями, содержат небольшое количество сухих веществ, нестойки при хранении и нетранспортабельны, их концентрируют путем упаривания в специальных аппаратах. Содержание СВ в упаренной послеспиртовой барде составляет 75 %, а в упаренной последрож-жевой барде — 45 %. Расход сгущенной барды 1... 1,5 кг по отношению к суточному рациону обеспечивает привес скота до 1 кг.
В условиях Лужанского мелассно-спиртового завода освоено производство гранулированного органо-минерального удобрения (ГОМУ), технология которого разработана А. И. Скирстымон-ским, П. В. Рудницким и М. С. Сушием. Сырьем для получения ГОМУ являются упаренная до 45 % СВ последрожжевая барда и суперфосфат (1:1) с щелочной добавкой (известью). Подогретая до 80...85 °C в специальном реакторе смесь этих компонентов направляется на сушку. Смесь сушат топочными газами от сжигания природного газа или мазута. Из сушилки гранулированный продукт (при 90... 105 °C) поступает через питатель в холодильник, где охлаждается до 40 °C. Затем продукт подают на грохот. Гранулы удобрения размером 1...4 мм поступают в бункер, из которого направляются на фасование в полиэтиленовые мешки.
Содержание влаги в ГОМУ 1,5...4 %, золы — 61...64,5, общего азота — 2,5...3,5, органических веществ — 34...37 %. Насыпная масса 800... 1000 кг/м3. Продолжительность хранения 2 года.
Применение ГОМУ повышает урожайность сахарной свеклы, пшеницы, кукурузы, картофеля и льна. Наилучший результат получен при работе с сахарной свеклой.
Контрольные вопросы
1.	Какими показателями качества отличается этиловый ректификованный спирт I сорта от указанного спирта «Экстра»?
2.	Какие помолы зерна относят к высокодисперсным?
3.	Какова концентрация сухих веществ в мелассном сусле при сбраживании его по однопоточной схеме?
4.	Как готовят солодовое молоко?
5.	Какое принципиальное отличие в типовых схемах непрерывного разварива-ния сырья?
6.	Какой режим используют для осахаривания разваренной массы ферментными препаратами плесневых грибов?
7.	Каковы преимущества непрерывного способа сбраживания сусла перед периодическим?
8.	Что входит в состав мелассной бражки?
9.	Какой процесс называют ректификацией?
10.	По каким формулам рассчитывают коэффициенты перегонки и ректификации?
11.	В чем суть комплексной переработки мелассы и каковы ее преимущества?
596
Глава 26
ТЕХНОЛОГИЯ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ
Дрожжи — одноклеточные микроорганизмы, которые относятся к классу грибов сахаромицетов.
В хлебопечении дрожжи используют в качестве возбудителей спиртового брожения и разрыхлителей теста. Кроме того, дрожжи оказывают существенное влияние на вкус и аромат хлеба и повышают его питательную ценность. В производстве витаминов дрожжи используют в качестве источника витаминов группы В и D2. Дрожжи используют также для производства кваса.
Хлебопекарные дрожжи получают на специализированных дрожжевых и мелассно-спиртовых заводах. На дрожжевых заводах вырабатывают прессованные и сушеные дрожжи и дрожжевое молоко, на мелассно-спиртовых заводах получают только прессованные дрожжи. Жидкие дрожжи и хлебные закваски готовят непосредственно на хлебозаводах.
ПОЛУЧЕНИЕ ДРОЖЖЕЙ НА ДРОЖЖЕВЫХ ЗАВОДАХ
В основе технологии хлебопекарных дрожжей лежат биохимические процессы, связанные с превращением питательных веществ культуральной среды при активной аэрации в клеточное вещество дрожжей. Дрожжи сахаромицеты — факультативные анаэробы. В среде, лишенной кислорода, дрожжи размножаются относительно слабо, но зато быстро сбраживают сахар в спирт и диоксид углерода с небольшим выделением теплоты (анаэробное дыхание). При аэрации дрожжи окисляют сахар питательной среды до воды и диоксида углерода (аэробное дыхание) по схеме
С6Н12°6 + 6О2 “> 6СО2 + 6Н2°-
В этом случае каждая грамм-молекула гексозы освобождает 2872 кДж теплоты. Выделившаяся тепловая энергия используется дрожжами для синтеза клеточного вещества и обменных процессов. В аэробных условиях в субстрате накапливается значительно больше биомассы, чем при анаэробном дыхании.
Дрожжевая клетка содержит в среднем 67 % воды и 33 % сухого вещества. Сухое вещество дрожжевой клетки состоит из (%): белковых веществ — 37...50, углеводов — 35...40, сырого жира — 1,2...2,5 и зольных веществ — 6... 10. Зольные вещества наполовину состоят из соединений фосфора, большого количества калия и значительно меньшего — ратрия, кальция, магния, железа, серы и других элементов.
Состав и концентрация питательной среды для культивирования дрожжей обусловливают скорость их размножения и конечный выход продуктов. Полноценная питательная среда должна
597
содержать вещества, которые обеспечили бы дрожжевые клетки необходимой энергией для жизненных процессов и синтеза сложных соединений, составляющих биомассу. Для конструктивного и энергетического обмена дрожжи используют сахара, азотистые соединения, зольные элементы и кислород воздуха. Для размножения дрожжей необходимы макро- и микроэлементы, а также некоторые витамины.
Хлебопекарные дрожжи культивируют на мелассных средах, разбавленных водой. Сахар такой среды легко усваивается дрожжами.
Биосинтез белковых и безазотистых веществ связан прежде всего с проникновением в микробную клетку питательных веществ среды, молекулы которых вначале расщепляются вне клетки выделившимися из нее ферментами на моно- и димерные соединения. Внутри клетки последние подвергаются сложным биохимическим процессам распада и синтеза, происходящим под действием клеточных ферментов. Направленность биохимических реакций обусловливается главным образом количеством растворенного кислорода в питательной среде. Глюкоза внутри клетки через ряд промежуточных реакций превращается в пировиноградную кислоту. Далее в анаэробных условиях из нее вначале образуется уксусный альдегид, а затем этиловый спирт, который клетка «выбрасывает» в окружающую ее среду. При активной аэрации пировиноградная кислота окисляется до СО2 и воды. Пировиноградная кислота, а также промежуточные соединения цикла ди- и трикарбоновых кислот, соединяясь с аммиаком, образуют аминокислоты — основные строительные блоки клетки.
Главными, легкоусвояемыми источниками азота для дрожжей служат минеральные соли аммония и мочевина питательной среды. Кроме того, дрожжи усваивают свободные аминокислоты питательного субстрата непосредственно или путем отщепления от них аммиака. В клетке под действием специфических ферментов одна аминокислота может превратиться в другую. Эти аминокислоты также используются для построения белка. Биосинтез белковых веществ из аминокислот в соответствии с современными представлениями осуществляется сложным путем в особых органеллах дрожжевых клеток — рибосомах при участии нуклеиновых кислот. Безазотистые вещества дрожжей синтезируются из промежуточных продуктов распада сахара.
Теоретический выход биомассы дрожжей с содержанием влаги 75 % находится в пределах 96,6... J 16,8 % по отношению к массе мелассы, содержащей 46 % сахара. В заводских условиях выход дрожжей составляет лишь 68...92 %.
Процесс получения хлебопекарных дрожжей на дрожжевых заводах складывается из нескольких стадий: подготовки питательной среды, выращивания дрожжей, выделения дрожжей из
598
бражки, формования и упаковывания дрожжей, сушки дрожжей (при необходимости).
Подготовка питательной среды. Основной питательной средой для хлебопекарных дрожжей служит меласса. Для удаления грубых взвешенных частиц, коллоидов и микроорганизмов перед подачей в производство ее осветляют. Существуют разные способы осветления (очистки) мелассы. Все они включают химическую обработку и выделение осадка, производимое декантацией, центрифугированием или фильтрованием.
Различают механический и отстойный способы осветления мелассы, которые осуществляют при разных температурных режимах: холодном и горячем. Механическое осветление мелассы проводят с помощью жидкостных сепараторов-очистителей, принцип действия которых основан на разделении неоднородной смеси методом осаждения в центробежном поле. Этот способ осветления, как наиболее перспективный, вытеснил отстойный, обеспечил быструю и качественную подготовку мелассы и уменьшил потери сырья с осадками.
Осветление мелассного раствора проводят в специальных аппаратах — центрифугах. Предварительно мелассу разводят питьевой водой в соотношении от 1:1 до 1:3, затем центрифугируют и получают раствор с устойчивой прозрачностью. Осветление ме-лассных сред необходимо для получения дрожжей с повышенной стойкостью и ферментативной активностью (подъемной силой), а также для увеличения выхода дрожжей. На дрожжевых заводах работают саморазгружающиеся сепараторы-кларификаторы фирмы «Альфа-Лаваль» (Швеция), а также отечественные типа А1-ВСЕ.
К первым относят аппараты с программным и ручным управлением, периодической автоматической выгрузкой осадка. Сепаратор-кларификатор состоит из станины, приводного механизма, барабана, оборудованного вставками, тормоза, приемно-выводного устройства, гидроузла и гидросистемы для управления циклами осветления и выгрузки осадка.
Взвешенные частицы выделяются под действием центробежной силы из разбавленной мелассы плотностью раствора J150...2000 кг/м3 в верхней части сепаратора в межтарелочном пространстве барабана. Осветленная жидкость из барабана кла-рификатора через выводное устройство, расположенное вверху аппарата, с помощью напорного диска по технологическим коммуникациям подводится в приточные сборники. Образовавшийся шлам (осадок) накапливается в периферическом внутреннем пространстве барабана и периодически выводится из него через нижний патрубок. Производительность (по воде) сепараторов-кларификаторов фирмы «Альфа-Лаваль» 10, 15 и 20 м3/ч.
Сепаратор-кларификатор А1-ВСЕ — саморазгружающийся с ручным или автоматическим управлением. Производительность 599
аппарата (по разбавленной мелассе) 7,3 м3/ч. Барабан вращается с частотой 83,3 с-1, мощность электродвигателя 15 кВт. Сусло сепарируют при температуре 10...20 °C. При работе необходимо следить, чтобы давление осветленного мелассного раствора не превышало на выходе из аппарата 0,44 МПа. После завершения рабочего цикла аппарат останавливают, разбирают и тщательно моют.
При механическом осветлении по холодному режиму мелассу разбавляют водой в соотношении 1:(1...2), вводят хлорную известь, подкисляют серной, соляной или молочной кислотой в зависимости от состава сырья. Подготовленный таким образом раствор мелассы, пройдя сквозь сетчатый фильтр, направляется в сепаратор-очиститель. При горячем режиме мелассу предварительно разбавляют горячей водой. Полученный раствор стерилизуют, охлаждают до 85 °C и передают на очистку. Осветленный горячий раствор мелассы поступает в приточные сборники, откуда он направляется через теплообменник в дрожжерастильные аппараты. Для повышения эффекта осветления мелассу очищают на сепараторах дважды — в горячем и холодном состоянии.
Для получения высоких выходов дрожжей и увеличения продуктивности дрожжерастильной аппаратуры состав меласс нормализуют, вводя дополнительное питание в виде сульфата аммония, карбамида (мочевины), диаммонийфосфата, ортофосфор-ной кислоты и других веществ. Кроме этого применяют соли калия и магния, специальный препарат смеси микроэлементов, а также ростовые вещества: кукурузный экстракт и дестиобиотин. Для создания активной кислотности среды при выращивании дрожжей используют водный аммиак марки А. Количество питательных солей и химикатов устанавливают расчетным путем и задают в дрожжерастильные аппараты в виде прозрачных водных растворов концентрацией 10...12 мае. %.
Кроме нормализации состава на стадии производства при приемке и хранении мелассу подвергают гомогенизации. Для этого ее тщательно перемешивают с различными порциями сырья или перекачивают из одного хранилища в другое.
Выращивание дрожжей. Все существующие технологические схемы предусматривают постоянное наращивание биомассы дрожжей в три стадии. Сначала получают дрожжи генерации А, к которым относят маточные дрожжи чистой культуры (ЧК) и естественно-чистой культуры (ЕЧК); затем генерации Б — засев-ные дрожжи и на завершающей стадии выращивания — генерации В, к которым относятся товарные дрожжи. Товарные дрожжи далее выделяют из дрожжевой бражки, промывают водой, прессуют и формуют.
В дрожжевой промышленности используют несколько схем выращивания дрожжей. Схемы отличаются друг от друга периодичностью или непрерывностью процессов, кратностью разбавле
600
ния мелассы, количеством стадий, скоростью роста, уровнем технологических параметров (температура, pH, величина засевов) и др.
Из известных технологических схем выращивания хлебопекарных дрожжей (непрерывная ВНИИХП, Тбилисского, Узлов-ского, Эркен-Шахарского, Минского заводов и др.) на предприятиях дрожжевой промышленности наибольшее распространение получила непрерывная схема, разработанная Е. А. Плевако и Н. М. Семихатовой во ВНИИХП. Сущность этой схемы заключается в получении маточных и засевных дрожжей периодическим способом, а товарных — в две фазы. На первой фазе получают «рабочую массу» дрожжей с высокой генеративной активностью (способностью к размножению), способную ежечасно давать прирост, соответствующий заданному производственному графику (например, 500 кг). Подача мелассного сусла соответствует ожидаемому приросту биомассы дрожжей.
Вторая фаза предусматривает непрерывный рост культуры в течение 10...14 ч и отток прироста дрожжей в отборочный аппарат. В этом аппарате дрожжи дозревают в течение 1 ч, после чего их направляют на сепарирование.
Схема разработана в трех вариантах, в которых кратность разбавления мелассы водой составляет соответственно 1:17, 1:12 и 1:10. Накопление дрожжей идет при температуре 30 °C и pH 4,5...5,5.
Рассмотрим более подробно технологию выращивания дрожжей по схеме ВНИИХП.
Многостадийное накопление биомассы позволяет получать активные засевные дрожжи, хорошо приспособленные к условиям роста в дрожжерастильном аппарате. Для засева готовят маточные дрожжи из чистой культуры, в которой нет ни бактерий, ни диких дрожжей, снижающих выход и резко ухудшающих подъемную силу дрожжей. Большой засев энергичных дрожжей чистой культуры подавляет развитие инфекции. Размножение дрожжей в среде, обеспеченной питанием и растворенным кислородом, описывается уравнением геометрической прогрессии
М1 = Мое^х,
где Мо, М\ — биомасса в начале и конце процесса соответственно, кг; ц — удельная скорость роста (модуль роста) дрожжей, прирост 1 г дрожжей, г/ч; t — длительность выращивания дрожжей, ч.
Из приведенного уравнения находят удельную скорость роста дрожжей (ч~‘)
ц = 1п(Л7| / Mq)/x.
Расчет почасового расхода сырья, питательных солей и воздуха проводят с учетом заданной удельной скорости роста дрожжей (0,16 ч"1).
601
Выращивание маточных дрожжей. Маточные дрожжи в виде чистой культуры (ЧК) и естественно-чистой культуры (ЕЧК) получают сначала в лабораторных условиях, а затем в цехе чистой культуры.
На заводах культивируют такие расы хлебопекарных дрожжей, как Томская 7, Одесская 14, Киевская 21, штаммы Л-441, Л-2, ЛК-14 и гибридные расы дрожжей 176, 262, 616 и др.
В лаборатории дрожжи размножают в четыре стадии на стерильном витаминизированном солодовом сусле концентрацией 12 мае. %, на последней стадии к суслу добавляют мелассу. Соотношение объемов засевной среды и питательного субстрата Г. 10. Дрожжи вырашивают по схеме: пробирка чистой культуры — подмолодочная пробирка — подмолодочная колба — металлическая колба Карлсберга. Накопление дрожжей осуществляют при температуре 26...30 °C без аэрации; продолжительность одной лабораторной стадии 16...24 ч. В одной колбе Карлсберга получают 7,5 л дрожжей, которые используют в цехе чистой культуры в качестве засевных.
В цехе чистой культуры маточные дрожжи размножают по схеме: малый инокулятор — большой инокулятор — аппарат ЧК-1 (маточный инокулятор) — аппарат ЧК-2 (промежуточный аппарат маточных дрожжей). Последнюю стадию осуществляют в основном производстве. Инокуляторами называют аппараты, предназначенные для размножения дрожжей в стерильных условиях. Объем (м3) малого инокулятора 0,5, большого инокулятора — 2,5, маточного инокулятора ЧК-1 — 7,5 и дрожжерастильного аппарата ЧК-2 - 30 (или 50).
Маточные дрожжи в цехе чистой культуры размножают периодическим способом при слабой аэрации среды воздухом, а в производственных условиях — воздушно-приточным способом, который предусматривает постоянный приток питательной среды и непрерывную усиленную аэрацию. В качестве питательной среды используют разбавленную мелассу (до 12 мае. %), растворы питательных солей и ростовых веществ. Малый инокулятор засевают содержимым двух колб Карлсберга. Дрожжи размножают в течение 12 ч при температуре 30 °C и слабой аэрации среды стерильным воздухом. Выращенные дрожжи из малого инокулятора поступают в большой. Условия выращивания дрожжей на второй стадии аналогичны условиям культивирования дрожжей в малом инокуляторе. На первой стадии накапливают 5 кг дрожжей, а на второй — 25 кг.
В аппарате ЧК-1 засевают все дрожжи из большого инокулятора. Дрожжи выращивают на мелассном сусле концентрацией 12 % СВ, обогащенном питательными и ростовыми веществами, в течение 12 ч при 30 °C, pH среды 4,5 и постоянном расходе воздуха 25 м3/ч на 1 м3 среды. Увеличение расхода воздуха способствует повышению выхода дрожжей по массе мелассы. Нако
602
пившиеся дрожжи ЧК-1 (170 кг) используют в качестве засевных на стадии ЧК-2.
В промежуточный маточный аппарат ЧК-2 меласса и вода поступают из расчета конечного их разбавления, т. е. в 10 раз больше начальной концентрации (3,5 мае. %). Кроме того, в аппарат подают раствор сульфата аммония, в качестве пеногасителя используют водную эмульсию олеиновой кислоты в соотношении 1:20. После засева и разбраживания дрожжей начинают приток растворов мелассы и питательных солей согласно расчетному часовому графику. Расход воздуха составляет 30 м3/ч на 1 м3 среды. Размножение дрожжей заканчивается через 12 ч при СКОц = 3,5 мае. %. В аппаратах ЧК-2 в зависимости от их вместимости накапливают 800... 1200 кг дрожжей.
По окончании размножения и дозревания маточные дрожжи чистой культуры направляют на сепарацию, промывание, сгущение и прессование. Прессованные дрожжи хранят в холодильной камере. Иногда дрожжи, полученные в аппарате ЧК-2, сохраняют в виде суспензии при температуре 2...4 °C. Маточные дрожжи готовят периодическим способом из расчета обеспечения завода чистым засевным материалом на 10...20 сут.
Полученные дрожжи ЧК-2 используют в качестве засевных для выращивания естественно-чистой культуры (ЕЧК), которое проводят в две стадии: сначала в аппарате ЧК-1, а затем в ЧК-2. Первая стадия называется промежуточной или стадией ЕЧК-1, а вторая — стадией ЕЧК-2. Дрожжи ЕЧК-2 хорошо приспособлены к составу мелассы, перерабатываемой на заводе. На стадии ЕЧК-1 дрожжи периодически размножают на разбавленном ме-лассном сусле в течение 10 ч. Выращенные дрожжи (280 кг) поступают в аппарат ЧК-2 для получения дрожжей ЕЧК-2. Естественно-чистую культуру дрожжей на второй стадии выращивают воздушно-приточным способом при разбавлении мелассы водой в соотношении 1:12. Среду постоянно аэрируют стерильным воздухом из расчета 45 м3/ч на 1 м3; Снач = 3,5 мае. %, а Скон — 4,0 мае. %; pH 4,5; длительность периода размножения 12 ч. Удельная скорость роста дрожжей 0,152 ч-1. На этой стадии получают 50 % дрожжей к массе израсходованной мелассы, что составляет в зависимости от вместимости аппарата ЕЧК-2 от 1020 до 1420 кг дрожжей. Дрожжи ЕЧК-2 сепарируют и хранят в виде дрожжевого молока при температуре 2...4 °C. Эти дрожжи используют в качестве засевных на товарной стадии. Чистую культуру получают с выходом дрожжей 35 %, естественно-чистую — 50 %. Существуют и другие, в том числе укороченные, схемы выращивания маточных дрожжей ЧК и ЕЧК. Большой интерес представляет технология ЧК из сушеных дрожжей ЧК.
Выращивание товарных дрожжей. Товарные дрожжи выращивают в дрожжерастильных аппаратах большой вместимости в прозрачной питательной среде в две стадии. Вна
603
чале выращивают засевные дрожжи в дрожжерастильном аппарате Б (стадия Б), а затем товарные — в аппарате В (стадия В).
Товарные дрожжи выращивают в дрожжерастильном отделении завода, которое оснащено стандартным порядком аппаратами системы ВДА:
аппарат Б для засевных дрожжей вместимостью 30 м3, дрож-жерастильный аппарат В для товарных дрожжей вместимостью 100 м3 и отборочный аппарат О для дозревания товарных дрожжей вместимостью' 30 м3.
Дрожжерастильные аппараты ВДА вместимостью 30 м3 (d - 3200 мм; Н= 7225 мм) и 100 м3 (d — 5360 мм; Н = 7500 мм) изготавливают из нержавеющей стали. Это цилиндрические сосуды с плоским дном, охлаждающей рубашкой, моющим механизмом, вытяжной трубой для удаления воздуха и диоксида углерода, воздухораспределительной системой специальной конструкции и системой продуктовых трубопроводов. Чистый воздух подается воздуходувными машинами производительностью 3000 и 5000 м3/ч, установленными в компрессорном отделении. Аппараты ВДА обеспечивают накопление дрожжей до 65 кг/м3.
В настоящее время выпускают аппараты ВД2А-100 с новой системой аэрации (М. П. Гандзюк и др. — КТИПП). Кроме них на дрожжевых заводах страны начинают применять аппараты-диспергаторы, оснащенные специальными вращающимися воздухораспределительными устройствами и позволяющие накапливать до 150 кг дрожжей в 1 м3 среды.
Технологический режим получения засевных и товарных дрожжей по 12- и 20-часовой схемам представлен в табл. 26.1, из которой видно, что технология засевных дрожжей для указанных схем одинакова. В аппарат Б набирают часть воды, мелассного сусла, осветленного по холодному режиму, растворов питательных солей и ростовых веществ. После этого задают засевные дрожжи ЕЧК-2 и сразу начинают продувать среду воздухом. По окончании засева дрожжей начинают приток мелассного сусла по графику. Дрожжи выращивают при температуре 30 °C по воздушно-приточному способу при соблюдении технологического режима, указанного в табл. 26.1.
Таблица 26.1
Показатель	Стадия Б	Товарная стадия В с размножением дрожжей в течение	
		12 ч	20 ч
Общая вместимость аппарата, м3 Расход мелассы, кг:	30	100	100
всего	1730	7130	12330
по стадиям	1300	5400	10600
604
Продолжение
Показатель	Стадия Б	Товарная стадия В с размножением дрожжей в течение	
		12 ч	20 ч
Длительность накопления био-	11	12	20
массы, ч			
В том числе:			
в накопительный период	—	7	7
в период оттоков	—	5	13
Разбавление среды	1:17	1:17	1:17
Засев дрожжей:			
%	16,5	39	39
КГ	215	1100	1100
Накопление дрожжей, г/л	50	47	46
Расход воздуха, м3/(ч • м3)	80	100	100
Концентрация СВ среды, мае. %:			
начальная	2-2,5	2,5	2,5
конечная	3...3.5	3-3,5	3-3,5
pH среды:			
начальный	4,5	4,5	4,5
конечный	4,5-5,0	5,5...5,8	5,5-5,8
Удельная скорость роста, ч-1:			
общая	0,15	—	—
в накопительный период	—	0,16	0,16
в период оттоков	—	0,135	0,135
Получено дрожжей всего:			
%	63,5	75,0	75,0
КГ	1100	5360	9300
В дрожжерастильном аппарате В в течение первых 7 ч постепенно накапливают биомассу дрожжей по воздушно-приточному способу. Для этого в аппарат задают часть воды, растворов мелассы, питательных солей и пеногасителя, после чего из аппарата Б подают засевные дрожжи. Одновременно начинают аэрацию среды воздухом, приток мелассы и питательных солей по графику. К 7-му ч заполняют весь полезный объем аппарата, после чего начинают непрерывный отбор дрожжевой бражки, содержащей 47 кг и более дрожжей в 1 м3, в отборочный аппарат со скоростью 11 м3/ч, при этом поступление в аппарат В питательного субстрата не прекращают. Период оттоков при 12-часовой схеме длится 4 ч, а при 20-часовой — 12 ч.
Созревание дрожжей в отборочном аппарате происходит в течение 2 ч без подачи питания при умеренной аэрации среды.
Выход дрожжей по двум схемам составляет не менее 75 % к массе израсходованной мелассы. Производительность (продук
605
тивность) одного комплекта дрожжерастильной аппаратуры составляет 9,3... 10,5 т дрожжей в сутки по удлиненной 20-часовой схеме и 5,4...6 т/сут по 12-часовой.
На мощных заводах установлено несколько стандартных порядков технологического оборудования отечественного, а также зарубежного (Польша и др.) производства.
Аппаратурно-технологическая схема производства хлебопекарных дрожжей, разработанная во ВНИИХП, Приведена на рис. 144.
Меласса поступает на заводы в железнодорожных цистернах 1. Ее сливают в промежуточный сборник 2 и перекачивают шестеренным насосом 40 в сборник 3, установленный на весах 4. Меласса через промежуточный сборник 5 перетекает в мелассо-хранилище 6. Через промежуточный сборник 7 меласса поступает в смеситель 8, где ее разбавляют водой, подкисляют и далее насосом 20 перекачивают в стерилизатор 9. Далее меласса поступает на охлаждение в теплообменник 10 и на очистку в кларифи-катор 11.
Очищенная разбавленная меласса разделяется на два потока, один из которых поступает в приточный аппарат 12 питательной среды для получения дрожжей ЧК и ЕЧК, а другой — в аппарат 13 для получения двух стадий товарных дрожжей. Из сборника 14 вода согласно технологическому регламенту направляется в различные аппараты {15...19, 21, 22 и др.).
В цехе чистых культур дрожжей питательная среда стерилизуется в стерилизаторе 15, после чего поступает в инокуляторы чистых культур: малый 16 и большой 17. Чистые культуры дрожжей выращивают последовательно на двух стадиях в дрожжерас-тильных аппаратах. Дрожжи чистых культур ЧК-1 и ЕЧК-1 направляют в дрожжерастильный аппарат 18, а дрожжи чистых культур ЧК-2 и ЕЧК-2 — в аппарат 19.
Естественно-чистая культура 1 дрожжевым насосом подается на концентрирование в сепаратор 24 и далее в промежуточный сборник 25. На второй стадии концентрирования для этих дрожжей используют сепаратор 26, сборник концентрата 27. После охлаждения в теплообменнике 10 дрожжевое молоко поступает в дрожжерастильный аппарат 21 на первую стадию выращивания товарных дрожжей. Из этого аппарата дрожжевая масса со значительно большей концентрацией микроорганизмов через сепаратор 28, сборник концентрата товарных дрожжей 29 насосом 20 подается в теплообменник-охладитель и далее в дрожжерастильный аппарат 22 на вторую стацию получения товарных дрожжей. Из аппарата 22 дрожжи поступают в отборочный аппарат 23.
Сгущение товарных дрожжей идет последовательно на трех стадиях в сепараторах 30, 32 и 34. На первых двух стадиях дрожжевую массу промывают водой и направляют последовательно в сборники 31 и 33. Сгущенное дрожжевое молоко из сборника 35 после охлаждения насосом перекачивается на ваку-
606
Рис. 144. Аппаратурно-технологическая схема производства хлебопекарных дрожжей
ум-фильтр 36. Далее прессованные дрожжи из сборника 31 поступают на автоматизированные линии для формования и фасования.
Воздух — важный технологический фактор в производстве хлебопекарных дрожжей. Очищенный на фильтре 38 воздух с помощью воздуходувной машины 39 возвращается обратно в технологический цикл (поз. 16... 19, 21, 22). Отработанный воздух, содержащий СО2 и другие примеси, выводится из аппаратов в атмосферу. Станции питательных веществ, пеногасителей, растворов антисептиков оборудованы специальными сборниками-мерниками 41...45. Из этих мерников растворы указанных веществ направляют в аппараты 16...22.
Выделение дрожжей из бражки. Из отборочного аппарата дрожжевую бражку немедленно направляют для выделения дрожжей на сепараторы-разделители тарелочного типа. Разделение бражки на дрожжи и обездроженный продукт, называемый оттоком, происходит под действием центробежной силы в тонких слоях бражки, которая образуется коническими вставками барабана. Дрожжи, как более тяжелые частицы, отбрасываются к периферии барабана, а обездроженная бражка направляется к центру, поднимается и выводится через боковое отверстие аппарата. Дрожжи, собравшиеся в дрожжевой камере, в виде суспензии отводят из сепаратора через дрожжевые трубки и мундштуки.
Для выделения дрожжей используют сепараторы отечественного производства ВСЖ-2, ДСГ-35, СОС-501К-01, СОС-501К-3 и СДС-531К-01 производительностью по воде 25, 35, 45 и 50 м3/ч соответственно. Кроме них на ряде заводов установлены более мощные дрожжевые сепараторы фирм «Де-Лаваль» и «Альфа-Ла-валь» (Швеция) производительностью по воде 80 и 120...200 м3/ч.
Дрожжи выделяют из бражки по трехступенчатой схеме. Дрожжевая бражка сначала попадает через крупноячеистые фильтры на сепаратор первой ступени, в котором происходит отделение дрожжей от бражки. Полученная дрожжевая суспензия (150 г/л) поступает в сборник для промывки холодной водой, а отток направляется в канализацию. Разбавленная дрожжевая суспензия подается на сепараторы второй ступени. Полученное дрожжевое молоко повторно смешивают с водой и направляют на сепараторы третьей ступени, где происходит сгущение дрожжей до 400...600 г/л. Длительность сепарирования не более часа. Затем дрожжевую суспензию охлаждают до 8... 12 °C и направляют для последующего сгущения под давлением на фильтр-прес-сы или при разрежении на вакуум-фильтры. Указанные фильтры позволяют получать дрожжи с содержанием влаги 75 %.
Рамные фильтр-прессы малопроизводительны и обслуживаются вручную. Вместо фильтр-прессов широко используют барабанные вакуум-фильтры. Начинают применять автоматические
608
камерные фильтр-прессы марки ФПАКМ, изготовляемые Бердичевским заводом химического машиностроения «Прогресс».
Формование и упаковывание дрожжей. Прессованные дрожжи поступают к потребителю в фасованном виде. Дрожжи формуют, фасуют в брикеты и завертывают в этикетированную бумагу на автоматических линиях, в состав которых входят машина для формования дрожжей и заверточный автомат. В настоящее время выпускают брикеты дрожжей массой 100 и 1000 г. Для этой цели используют автоматы марки ВРУ и М6-АРЗ-С производительностью 60 и 40 брикетов в минуту соответственно. Спрессованные на вакуум-фильтре дрожжи направляют в формовочную машину, из которой дрожжевая масса в виде бесконечного бруска поступает в заверточную машину. Эта машина обеспечивает резку дрожжей на бруски, подачу и резку бумаги, завертывание брусков дрожжей в бумагу и транспортирование отходов дрожжей в формовочную машину. Фасованные дрожжи укладывают в картонные короба или деревянные ящики и далее направляют на склад, где они хранятся при температуре 1...4°С. В таком состоянии дрожжи отпускают потребителям.
Сушка дрожжей. Сушеные дрожжи пользуются большим спросом благодаря тому, что они сохраняются в таком состоянии в течение 6 и более месяцев. Обычные способы сушки при высокой температуре неприменимы для дрожжей, так как высушенные дрожжи должны сохранять жизнеспособность без потерь их биологических свойств. При высушивании дрожжи переводят в состояние, близкое к анабиозу. В благоприятных условиях такие дрожжи быстро восстанавливают свои жизненные функции.
Сушеные дрожжи готовят из прессованных дрожжей, к которым предъявляют повышенные требования. Стойкость дрожжей должна быть не менее 72 ч, а содержание сухих веществ — 27...29 %. В этом случае используют специальные расы дрожжей 21 и 14.
Хлебопекарные дрожжи высушивают в шахтных, ленточных и барабанных сушилках, а также в сушилках с виброкипящим слоем. На многих специализированных заводах установлены автоматизированные непрерывнодействующие сушилки шахтного типа марки ВИС-42 ДК производительностью 1 т дрожжей в сутки. Эта сушилка отличается жестким температурным режимом, снижающим качество готовой продукции, и большими габаритами.
Высокие технико-экономические показатели были получены на непрерывнодействующей автоматизированной вибрационной сушилке фирмы «Пресс-индустрия» (Италия), в которой дрожжи высушиваются во взвешенном состоянии при высоте слоя до 150 мм. В состав установки производительностью 150 кг/ч (по сухим дрожжам) входят гранулятор и сушильная камера. В грануляторе дрожжи выпрессовываются через решетку с отверстия
609
ми диаметром 3 мм. Температура дрожжей не превышает 30 °C. Гранулированные дрожжи сушат в сушильной камере, в которой заранее устанавливают рабочий температурный режим по зонам сушки. Подогретый воздух подают снизу индивидуально с помощью вентиляторов в каждую из четырех секций сушилки. Эти секции размешены ступенчато друг за другом. Их разделяют по вертикали решетчатые стены с диаметром отверстий I мм. При сушке дрожжи переходят в ожиженное состояние и равномерным слоем движутся от первой к четвертой секции через окна в перегородках. Из четвертой секции они поступают в бункер с шлюзовым затвором, не позволяющим засасывать воздух извне, и далее с помощью пневмотранспорта (воздушного трубного) дрожжи подаются на упаковывание.
Отработавший воздух согласно требованиям охраны атмосферного воздуха проходит через циклоны, очищается от пыли и с помощью вентилятора выводится в атмосферу. В модернизированных установках для улавливания клеток дрожжей используют высокоэффективные мокрые фильтры.
Дрожжи сушат в течение 3...4 ч в условиях мягкого режима: температура поступающего воздуха различная в зависимости от зоны сушки, но не выше 70 °C в первой зоне, в которую поступают влажные дрожжи. Максимальная температура массы дрожжей по зонам составляет (°C): 1—16, II—19, III—24, IV—28. Из четвертой зоны сухие дрожжи выходят с содержанием влаги 7...8 % с высокой активностью ферментов и большой стойкостью при хранении.
Описанная выше сушилка производительностью 3 т сухих дрожжей в сутки успешно эксплуатируется на Курганском и Нижне-Тагильском дрожжевых заводах. Она выгодно отличается от других типов сушилок небольшими размерами.
Сушеные дрожжи фасуют в мелкую тару и в бумажные мешки и хранят при температуре 15 °C.
ПОЛУЧЕНИЕ ДРОЖЖЕЙ НА МЕЛАССНО-СПИРТОВЫХ ЗАВОДАХ
На мелассно-спиртовых заводах вырабатывают 15 % хлебопекарных дрожжей от общего их выпуска в стране. Эти дрожжи получают в качестве отходов производства при сепарации зрелой спиртовой бражки, в 1 м3 которой содержится 18...35 кг дрожжей (в пересчете на дрожжи с содержанием влаги 75 %). Выход прессованных дрожжей составляет до 3,5 кг на 1 дал спирта. Себестоимость хлебопекарных дрожжей, получаемых на спиртовых заводах, примерно на 30 % ниже, чем на специализированных предприятиях.
Получение дрожжей из спиртовой бражки состоит из следующих технологических стадий: выделения дрожжей из бражки, промывания и концентрирования дрожжевой суспензии, дозре
610
вания дрожжей, окончательного промывания и концентрирования дрожжей, прессования, формования и упаковывания дрожжей. При двухпродуктовой схеме расход азотного и фосфорного питания для дрожжей следует увеличить на 50 % по сравнению с однопродуктовой.
Особенность получения дрожжей на спиртовых заводах заключается в том, что бражка содержит спирт, поэтому оттоки после сепараторов первой и второй ступеней направляют на перегонку для извлечения спирта. Дрожжи промывают в пять или семь ступеней. При этом широко используют принцип противотока промывной воды и дрожжевой суспензии. Из промывной воды после сепараторов первой ступени также извлекают спирт. Дрожжи выделяют, промывают и концентрируют в основном на сепараторах ДСГ-35. После сепараторов четвертой ступени дрожжи дозревают при аэрации суспензии. Охлажденную суспензию, содержащую до 450...500 г/л дрожжей, направляют на фильтр-пресс. Затем дрожжи формуют и фасуют так, как на специализированных заводах.
Гарантийный срок хранения прессованных дрожжей 12 сут при температуре от 0 до 4 °C. Хранят дрожжи в специальных охлажденных боксах. Дрожжи транспортируют в авторефрижераторах и в вагонах-ледниках при температуре 0...4 °C.
Хлебопекарные дрожжи получают только на спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу по однопоточной схеме. Лучшими хлебопекарными свойствами обладает смесь дрожжей: гибрид 112 и раса В, взятые в соотношении 70:30. Кроме этих дрожжей в последние годы на мелассно-спиртовых заводах, вырабатывающих спирт и хлебопекарные дрожжи, получили распространение венгерские дрожжи У-30. По данным В. Н. Швеца, последние превосходят дрожжи расы В по генеративной способности, мальтозной активности (способности сбраживать мальтозу) в 2,5 раза. Они легче сепарируются при выделении из зрелой бражки и благодаря своим большим размерам меньше теряются с промывными водами.
Качество хлебопекарных дрожжей определяется требованиями ГОСТ 171. Они должны иметь плотную консистенцию, легко ломаться, обладать серым с желтоватым оттенком цветом и характерным дрожжевым запахом, пресным вкусом, содержание влаги не более 75 %, кислотность в пересчете на уксусную кислоту (мг на 100 г дрожжей) не более 120 в день выработки и не более 360 спустя 12 сут. Стойкость при температуре 35 °C дрожжей, выработанных на дрожжевых заводах, не менее 60 ч, а на спиртовых — 48 ч. Подъемная сила (подъем теста до 70 мм) не более 70 мин.
Сушеные хлебопекарные дрожжи. ОСТ 18-193 предусматривает выпуск дрожжей высшего и I сортов в виде гранул, вермишели, крупы или порошка от светло-желтого до светло-коричневого
611
цвета. Содержание влаги в дрожжах (%): высшего сорта не более 8, I сорта 10. Подъем теста до 70 мм (мин): для высшего сорта — не более 70 и для I сорта — 90. Сохранность со дня выработки составляет для сушеных дрожжей не менее 12 мес для высшего сорта и 5 мес для 1. Дрожжи, не соответствующие показателям I сорта, используются для кормовых целей.
Сушеные дрожжи упаковывают в специальную влагонепроницаемую тару массой нетто по 15 кг, 100...2000 и 10...15 г.
Товарное дрожжевое молоко. Согласно ОСТ 18-369 дрожжевое молоко — это водная суспензия с оседающим на дно при отстаивании слоем дрожжевых клеток бело-сероватого цвета с желтым оттенком, с характерным запахом. Концентрация дрожжей не менее 450 г/л в пересчете на влажность 75 %. Показатели качества дрожжей дрожжевого молока: содержание влаги не более 75 %, подъемная сила не более 75 мин, кислотность (мг на 100 г в пересчете на уксусную кислоту), не более: 120 в день выработки и 360 через 72 ч.
В процессе сбраживания в мелассной бражке в зависимости от технологии в 1 л накапливается от 22 до 35 г дрожжей. Такие дрожжи можно использовать как вторичный продукт в ряде отраслей пищевой промышленности. С этой целью на мелассно-спиртовых заводах на основе выделения дрожжей из зрелой бражки вырабатывают хлебопекарные дрожжи. Цехи хлебопекарных дрожжей при крупных мелассно-спиртовых заводах по мощности не уступают специализированным дрожжевым заводам. Себестоимость этих дрожжей ниже себестоимости дрожжей, полученных на специализированных заводах, примерно на 45 %, что связано с меньшими удельными расходами мелассы, теплоты и электроэнергии, а также в связи с экономией трудовых и удельных капитальных затрат. Выход хлебопекарных дрожжей на спиртовых заводах может достигать 3...3,5 кг/дал спирта. Качество хлебопекарных дрожжей, полученных на спиртовых заводах, почти не уступает качеству дрожжей специализированных заводов. Однако требуется строгое соблюдение санитарно-гигиенических нормативов на заводах как первого, так и второго типа.
Исследования В. И. Дробот, Н. Т. Фалендыш, В. Ф. Суходол и др. показали, что небольшое усовершенствование технологии хлебопечения при использовании хлебопекарных дрожжей мелассно-спиртовых заводов позволяет получать хлеб высокого качества.
Технология хлебопекарных дрожжей складывается из следующих технологических операций: выделения дрожжей из зрелой бражки сепарированием, промывания их водой и получения дрожжевого концентрата; прессования; формования и упаковывания; хранения. Получение этих дрожжей во многом повторяет технологию завершающей стадии производства дрожжей на специализированных заводах. На спиртовых заводах для выделения дрожжей из бражки используют пяти- и семиступенчатую, а также
612
ступенчато-круговую схему сепарирования. Указанная технология отличается количеством и принципом организации промывок дрожжей водой, числом сепараторов, расходом воды и электроэнергии. Типовой считают семиступенчатую схему сепарирования дрожжей, которая применяется на заводах большой мощности. На Украине до 45...50 % хлебопекарных дрожжей вырабатывают на мелассно-спиртовых заводах. Срок хранения дрожжей не менее 12 сут при температуре 0...4 °C и относительной влажности воздуха в холодильных камерах 82...96 %. По физико-химическим показателям прессованные хлебопекарные дрожжи должны удовлетворять требованиям ГОСТ 171: влажность дрожжей не более 75 %; подъем теста до 70 мм не более 75 %.
Контрольные вопросы
1.	Каковы теоретический и практический выходы биомассы дрожжей влажностью 75 % по отношению к массе мелассы?
2.	Каков состав дрожжевой клетки?
3.	В каком соотношении разводят водой мелассу как исходное сырье для получения хлебопекарных дрожжей?
4.	Зачем и каким путем нормализуют состав мелассы?
5.	Какие дрожжи называют засевными, а какие — товарными?
6.	При каких технологических условиях выращивают дрожжи в дрожжерас-тильных аппаратах марки ВДА?
7.	Какие процессы называют формованием и упаковыванием дрожжей?
8.	В чем отличие технологии хлебопекарных дрожжей, получаемых на специализированных дрожжевых и спирто-дрожжевых заводах?
Глава 27
ТЕХНОЛОГИЯ ЛИКЕРО-ВОДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
АССОРТИМЕНТ ЛИКЕРО-ВОДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
На ликеро-водочных заводах вырабатывают водку и ликероводочные изделия. Водка — спиртовой напиток, получаемый обработкой водно-спиртового раствора с объемным содержанием спирта (крепостью) 40...56 % активированным углем с добавлением в него ингредиентов или без них с последующим фильтрованием. При этом добавляемые ингредиенты не должны изменять цвета водки. Она представляет собой прозрачную бесцветную жидкость без посторонних включений с характерными водочным ароматом и вкусом.
Водки готовят на спиртах высшей очистки, «Экстра» и «Люкс». В зависимости от сорта спирта и ингредиентов они делятся на водки и водки особые. Особые водки («Кристалл Дзидрайс», «Украинская горилка», «Новая» и др.) отличаются специфическим ароматом и мягким вкусом, которые обусловлены внесением таких ингредиентов, как глицерин, мед и эфирные масла.
613
Физико-химические показатели водок и водок особых в соответствии с требованиями ГОСТ 12712 приведены в табл. 27.1.
Таблица 27.1
Показатель	Норма для водок из этилового ректификованного спирта					Нормы для особых водок из спирта высшей очистки
	высшей очистки	«Экстра»			«Люкс»	
	«Русская»	«Столичная», «Пшеничная», «Московская особая»	«Сибирская»	«Посольская»	«Золотое кольцо»	
Крепость, об. %	40	40	45	40	40	40...45
Щелочность, см3 раствора НС1 концентрацией 0,1 моль/дм3 на 100 см3 водки, не более Массовая концентрация:	3,5	3	3	3,5	3	3,5
альдегидов (в пересчете на уксусный) в 1 дм3 б.с.*, мг, не более	8	3	3	6	3	8
сивушного масла[в пересчете на смесь изоамилового и изобутилового спиртов (3:1)] в I дм3 б.с., мг, не более	4	3	3	4	2	4
эфиров (в пересчете на уксусно-этиловый эфир) в 1 дм3 б.с., мг, не более	30	25	25	25	18	30
Объемная доля метилового спирта в пересчете на б.с., %, не более ♦б.с,— безводный спирт.	0,05	0,03	0,03	0,03	0,03	0,05
Ликеро-водочные изделия — спиртные напитки крепостью от 12 до 60 об. %, приготовленные смешиванием полуфабрикатов (спиртовых настоек, соков, морсов, ароматных спиртов, сахарного сиропа, экстрактов из растительного сырья), эфирных масел с этиловым ректификованным спиртом и водой с добавлением красителей или без них. Эти напитки готовят по специальным рецептурам и технологиям. Они характеризуются определенными физико-химическими показателями и органолептической индивидуальностью. В зависимости от содержания спирта, сахара и кислот рассматриваемые напитки в соответствии с ГОСТ 7190 Делят на 11 групп (табл. 27.2).
614
Таблица 27 2
Группа изделий	Крепость, об. %	Массовая концентрация, г/100 см3		
		общего экстракта	сахара	кислот (в пересчете на лимонную)
Ликеры крепкие	35...45	25...50	25...50	0-0,5
Ликеры десертные	25...30	30. ..50	30—50	О...О,7
Кремы	20...23	50...60	49...60	0-0,75
Наливки	18...20	26—47	25...40	0,2...1,0
Пунши	15...20	30..43	30...40	О...1,3
Настойки:				
сладкие	16...25	9...32	8...30	0-0,9
• полусладкие	30...40	10...12	9...10	0-0,8
полусладкие слабоградусные	20...28	5. .12	4..10	0...0,8
горькие	30...60	0...8	0...7	0-0,5
горькие слабоградусные	25-28	—	—	—
Напитки десертные	12...16	15...32	14...30	0,2... 1,0
Аперитивы	15...35	5...20	4... 18	0,2-0,7
Бальзамы	40...45	7...30	—	—
Коктейли	20...40	0...25	0...24	0-0,5
Из данных табл. 27.2 видно, что ликеры отличаются сравнительно высоким содержанием спирта и сахара; кремы же содержат умеренное количество спирта (20...23 об. %) и высокое — сахара (49...60 г/см3). Настойки представлены пятью группами изделий, из которых три содержат спирт и сахар, а две — практически только спирт. Отличительная черта горьких настоек и бальзамов — отсутствие в их составе сахара. Их готовят, используя большее количество ароматных спиртов, настоек и эфирных масел. Аперитивы — новый вид напитков пониженной крепости, в состав, которых входят настои лекарственных, трав и кореньев, вызывающие аппетит, улучшающие пищеварение и обладающие общетонизирующим действием. По содержанию спирта и сахара наливки занимают промежуточное положение между ликерами и сладкими настойками.
Существует свыше 300 различных рецептур водок и ликероводочных изделий.
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОК И ЛИКЕРО-ВОДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Основным сырьем для водок являются этиловый ректификованный спирт и питьевая вода. Для улучшения вкуса в некоторые сорта водок добавляют незначительное количество сахара,
615
меда, гидроксида натрия, уксусной и лимонной кислот, дихр<> мата калия, тминное масло и другие ингредиенты.
Сырьем для ликеро-водочных изделий кроме спирта и воды служат различные плоды, ягоды, травы, коренья, цветы, семена растений и корка плодов, состав которых представлен различии ми вкусовыми, ароматическими и вяжущими веществами, а также сахар, мед, портвейн и коньяк, лимонная кислота, эфир ные масла и красители. Из растительного сырья сначала получа ют полуфабрикаты — изделия, подлежащие дополнительной об работке и используемые при сборке купажа напитка. В качестве полуфабрикатов используют спиртовые соки, морсы, настои и ароматные спирты. В настоящее время все шире используются концентраты сырья и композиции напитков.
Из сахара готовят сиропы концентрацией 73,2 мае. %, которые применяют при приготовлении кремов, некоторых ликеров и наливок; для других сладких изделий применяют сахарный сироп концентрацией 65,8 мае. %. Технология и аппаратурнотехнологическая схема приготовления сахарного сиропа, в том числе и инвертного, изложены ранее.
Эфирные масла плохо растворяются в воде и хорошо — в спирте. Для приготовления напитков используют свыше 20 видов эфирного масла, в том числе лимонное, розовое, кориандровое, тминное и др.
Красители. Для подкраски алкогольных напитков применяют в основном натуральные пищевые красители: черничный морс, энокраситель из выжимок темных сортов винограда, красный краситель из ягод бузины черной и травянистой, свекольный и чайный красители, а также колер. Из синтетических красителей применяют желтый краситель — тартразин и синий краситель — индигокармин.
Спиртованные соки. Эти соки получают прессованием свежего плодово-ягодного сырья с последующим консервированием спиртом.
Технология спиртованных соков включает следующие стадии: измельчение сырья -> спиртование сока (до крепости 25 об. %) -> отстаивание спиртованного сока в течение 10...30 сут в зависимости от вида плодов и ягод -> декантация (слив осветленной части) сока -> хранение осветленного спиртованного сока (не более 12 мес).
В зависимости от вида спиртованного сока в нем содержится (г/100 см3): общего экстракта — 5...10,4, сахара — 2,4...5,4, кислот в пересчете на лимонную — 0,7...4,2. Выход спиртованного сока из 1 т различного сырья колеблется в пределах 69...95 дал. Потери спирта составляют 4 %.
Морсы. Это водно-спиртовые смеси экстрактивных веществ, получаемые настаиванием сушеных и свежих плодов и ягод. Состав морсов определяется видом сырья и способом его пере-
616
работки. В настоящее время морсы получают в основном из сушеного сырья двукратным настаиванием. Первое настаивание измельченного сырья в водно-спиртовой смеси проводят при периодическом перемешивании в течение 10 сут. После выравнивания концентрации экстрактивных веществ в сырье и в растворителе первое настаивание прекращают и сливают морс первого слива. Для полного извлечения экстрактивных веществ проводят второе настаивание сырья также в водно-спиртовой жидкости в течение 6... 10 сут. Полученный морс второго слива присоединяют к морсу первого слива. Отработанное сырье прессуют и направляют в специальный перегонный аппарат для извлечения спирта паром. Потери спирта при получении морсов около 6 %.
Выход морса из 1 т при двукратном настаивании составляет в зависимости от вида сушеного сырья 462...385 дал, а свежего — 247...165 дал. Объемная доля спирта в морсах из свежего сырья 25...26 %, из сушеного — от 35 до 47 %. В первом случае морсы содержат экстрактивных веществ в зависимости от вида сырья 2,6...6,5 г/100 см3, а во втором — 5,4...17,3 г/100 см3. Морсы из свежего сырья хранят не более 12 мес, из сушеного — не более 6 мес.
Спиртованные настои. Это полуфабрикаты, которые получают из сушеного эфирно-масличного и неароматического растительного сырья экстрагированием его водно-спиртовым раствором. К основным настоям относят настои травы зубровки, кедрового ореха, лимонной корки и др. В ряде случаев используют сложные композиции сырья (травы, плоды, корневища, цветы, почки и листья).
Подготовленное отсортированное и измельченное сырье загружают в экстрактор и заливают водно-спиртовой жидкостью крепостью 45...90 об. % в соотношении сырье — экстрагент (1:4)...(1:20).
В ликеро-водочной промышленности получают распространение экстракционные установки, позволяющие вести экстрагирование сырья при температуре 40 °C водно-спиртовым раствором при разрежении до 25... 10 кПа. В этих условиях происходит интенсивное кипение, процесс экстрагирования резко сокращается до 4...5 ч (1-й залив) и до 2...3 ч (2-й залив).
Вакуум-экстрактор снабжен паровой рубашкой для подогрева смеси до 40 °C и барботером, через который подается пар при извлечении спирта из отработанного сырья. Пары спирта, пройдя дефлегматор, конденсируются и далее в виде жидкости поступают в холодильник, а затем в сборник.
Крепость готовых настоев в зависимости от вида сырья составляет 39...69 об. %.
Концентраты пряно-ароматического сырья, соков и купажных смесей. В пищевой промышленности, в частности в ликеро-во-617
дочной отрасли, а также в производстве безалкогольных напитков применяют концентраты пряно-ароматического сырья, соков и купажных смесей. Это позволяет более эффективно использовать растительное сырье, сократить длительность получения полуфабрикатов, снизить потери сырья, расширить ассортимент напитков и регионы их использования, улучшить качество и стабильность как полуфабрикатов, так и напитков на их основе.
Различают концентраты экстрактивных и ароматических веществ растительного пряно-ароматического сырья, концентрата соков, а также концентраты композиций и купажных смесей, предназначенных для приготовления различных напитков. Концентраты на основе пряно-ароматического сырья получают путем интенсивного экстрагирования экстрактивных и ароматсо-держагцих веществ сырья в течение 10...15 мин водно-спиртовым раствором крепостью 40 об. % с последующим концентрированием отфильтрованной экстрактивной части или в роторно-пленочном испарителе под разрежением при температуре 55...60 °C. Легколетучие ароматические вещества из водно-спиртовых паров, выходящих из испарителя, улавливают путем их адсорбции на активированном угле с последующей десорбцией инертным газом азотом теплодинамическим способом при 250 °C в течение 6 ч. Полученные концентраты перед использованием смешивают.
Концентрированные продукты, выпускаемые по этой схеме, характеризуются высоким содержанием сухих веществ (68...72 мае. %), имеют густую консистенцию, не содержат токсических веществ сверх допустимых норм, обладают допустимой кислотностью, по вкусу и запаху близки к исходному сырью.
На рис. 145 показана принципиальная технологическая схема получения концентратов из пряно-ароматического сырья, разработанная ВНИИППД и Полтавским ликеро-водочным заводом.
Потери экстрактивных и ароматических веществ, а также спирта составляют от исходного их содержания до 0,3, 5 и 10 % соответственно. Концентраты хранят не более 1 года при температуре 20 °C.
Н. Я. Савченко и др. (Украина) разработана другая технологическая схема получения концентратов растительного сырья и его композиций с использованием непрерывно-поточного экстрагирования экстрактивных и ароматических веществ водноспиртовым раствором, упаривания полученного настоя под разрежением, извлечения и концентрирования ароматических веществ путем ректификации водно-спиртовых паров, содержащих ароматические вещества. Схема внедрена на Шпановском спиртовом заводе.
Вырабатывают также и концентраты купажных смесей, полученных на основе водно-спиртовых настоев с добавлением ли-
618
Пряно-ароматическое растительное сырье
налитков
Рис. 145. Принципиальная технологическая схема получения концентратов из пряно-ароматического сырья.
Условные обозначения: ВН — вакуум-насос; АВ — ароматические вещества; АВК — концентрат ароматических веществ; ЭВк — концентрат экстрактивных веществ
монной кислоты, колера и некоторых других компонентов напитков, предусмотренных рецептурой.
В ряде стран (США, Франция, Италия и др.) для концентрирования соков с успехом используют также вымораживание, вакуумное выпаривание, обратный осмос и ультрафильтрацию.
Ароматные спирты. Представляют собой дистилляты, получаемые перегонкой эфирно-масличного и другого ароматического
619
сырья с водно-спиртовым раствором. Ароматные спирты бес цветны, прозрачны, с ярко выраженными специфическими вку сом и ароматом. По составу это водно-спиртовые растворы кре постью 70...80 об. %, содержащие 0,2...0,6 г эфирного масла в 100 см3. В качестве сырья используют не только растительное сырье, но и морсы, спиртованные соки, настои, углекислотные экстракты ароматических веществ, а также эфирные масла. Ассортимент ароматных спиртов велик — свыше 50 наименований; известны ароматные спирты какао, кофе, плодов тмина, кориандра, апельсиновой корки и др.
Получение ароматных спиртов из растительного сырья -сложный процесс, включающий экстрагирование, перегонку с дефлегмацией и фракционированную дистилляцию. Ароматные спирты получают в кубовых перегонных аппаратах периодического действия при атмосферном давлении или разрежении. На рис. 146 изображена схема установки для получения ароматных спиртов в двух режимах — при атмосферном давлении и под вакуумом.
В первом случае в аппарат 1 загружают сырье и водно-спиртовой раствор в различных соотношениях в зависимости от вида сырья (1:5, 1:10, 1:20, 1:250), после чего подают хреющий пар. При достижении в кубе температуры 75 °C сначала в укрепляющую колонну 2, затем в дефлегматор 3, а далее в холодильник 4 пускают воду.
Крепость ароматного спирта определяют по спиртометру,
Рис. 146. Схема установки для получения ароматных спиртов.
Условные обозначения: А — ароматный спирт; В — вода; К — конденсат пара; О — отходы; П — пар; Р — ароматическое сырье; СВр — водно-спиртовой раствор
620
вмонтированному в смотровой фонарь 6. Воздушник 5 позволяет стабилизировать систему получения ароматного спирта.
Ароматные спирты поступают в сборник 7. Для улавливания ароматных паров служит ловушка 8. Создание вакуума в системе обеспечивается вакуум-насосом 9. Сконденсировавшийся пар из теплообменника аппарата 1 отводят с помощью конденсатоот-водчика 10.
Температура в кубе аппарата в начале сгонки и при получении ароматного спирта 80...90 °C, а в конце сгонки — до 100 °C. Длительность сгонки 8 ч.
В ходе сгонки отбирают три фракции — головную (0,1...2 %), среднюю (50...70 %) и концевую (28...50 %).
Для приготовления напитков используют среднюю фракцию; головная и концевая фракции, содержащие легко- и труднолетучие вещества с неприятным запахом, идут на приготовление технического денатурированного спирта крепостью 82 об. %, используемого для хозяйственных нужд. При получении ароматных спиртов извлекается 70...75 % эфирного масла от содержания их в сырье. Потери спирта составляют около 4 %.
Новый вакуумный аппарат для ароматных спиртов марки ШЗ-ВПВ-1 вместимостью куба 200 л (г. Орел, завод «Продмаш», 1989 г.) позволяет получать продукцию при разрежении 80 кПа и температуре 50...55 °C. В этом случае улучшается качество, а также возрастает выход ароматного спирта на 10...30 %.
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОК
Технология водок состоит из следующих стадий: подготовки воды, приготовления, фильтрования и обработки водно-спиртовой смеси, фильтрования водки, внесения добавок, улучшающих вкус продукта, контрольного фильтрования водки перед розливом, подготовки посуды, розлива и оформления готовой продукции.
Аппаратурно-технологическая схема полунепрерывного производства водки представлена на рис. 147.
Исходная питьевая вода повышенной жесткости поступает из напорного сборника и умягчается на ионообменном реакторе 2 (катионитовом или анионитовом). Вода подается сверху вниз, после чего она направляется в сборник 3 исправленной (умягченной) воды. Регенерацию катионита осуществляют раствором соли, поступающим в реактор из солерастворителя 7. Промывные воды из позиций 7 и 2 направляются в канализацию. Этиловый ректификованный спирт, пройдя мерники 4 и 5, поступает в смеситель, куда направляется также и умягченная вода. Перемешивание смеси и подача ее в напорный сборник осуществляются центробежным насосом 7. Спиртовые пары из смесителя 6 и другого оборудования поступают для улавливания в
621
Рис. 147. Аппаратурно-технологическая схема полунепрерывного производства водки.
Условные обозначения: Б — поваренная соль; В — вода; С — спирт; Г — водка; К — канализация; Н — брак; О — конденсат спиртовых паров; П — пар; Р — дополнительное сырье
ловушку-адсорбер 15. Водно-спиртовые пары после извлечения их паром из реактора направляются для конденсации в теплообменник 14 и далее в виде отгона в сборник брака. Водно-спиртовая смесь из сборника 8 самотеком поступает вначале на предварительное фильтрование через песочный фильтр 9 в реактор-адсорбер 10 и далее в фильтр-песочник 11 на окончательное фильтрование. Скорость обработки водно-спиртового раствора определяют с помощью ротаметра 12. После этого раствор поступает в сборник готовой продукции 13. При необходимости крепость водки корректируют, добавляя спирт или воду при перемешивании.
Подготовка воды. На ликеро-водочных заводах применяют воду питьевого назначения из городских водоканалов и артезианских скважин. В ликеро-водочных изделиях содержится до 70 % воды, поэтому их качество в значительной степени определяется органолептическими свойствами и составом воды. Наи
622
большее значение имеют жесткость, величина сухого остатка, активная кислотность и щелочность, окисляемость воды, содержание в ней ионов железа. В воде контролируют также содержание фосфатов, силикатов, сульфатов, хлоридов, гидрокарбонатов и других солей.
Жесткость воды как мера содержания в ней растворенных солей кальция и магния выражается в мг • экв. Са2+ и Mg2+, содержащихся в 1 дм3 воды; 1 мг • экв. жесткости соответствует 20,04 мг-экв. Са2+ или 12,16 мг-экв. Mg2+ в I дм3 воды. Различают общую жесткость воды, которая представляет сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. При смешивании спирта с водой растворимость солей кальция и магния понижается тем больше, чем выше крепость раствора. В водках, приготовленных на воде с различной степенью жесткости, выпадает осадок, состоящий из карбонатов, бикарбонатов и сульфатов кальция и магния. В этом осадке преобладает СаСОз-
Образование осадка на стенках бутылок приводит к потере товарного вида водок и значительно удорожает подготовку возвратной стеклянной тары к розливу продукции.
. Большое влияние на показатели качества воды оказывают примеси, находящиеся в ней в концентрациях, превышающих пороговые, т. е. минимально ощутимые. Так, катионы магния придают воде горьковатый привкус, катионы железа — железистый и катионы меди — медный. Газы аммиак и сероводород обусловливают характерные затхлый запах и вкус воды.
В воде могут содержаться песок и глина, которые ухудшают ее прозрачность и засоряют трубопроводы. В весенне-летний период года в воде повышается содержание кремниевой кислоты, ее солей и гуминовых веществ, которые находятся в тонко-дисперсном состоянии (размер частиц 1 • Ю-5...1 • 10~б мм) и образуют устойчивые, плохо осветляемые растворы. Повышенное содержание в воде закисных солей железа также изменяет ее цвет и ухудшает вкус. Поэтому исходную питьевую воду подвергают осветлению, обесцвечиванию, дезодорированию и умягчению.
Осветлением называют процесс выделения из воды различных твердых частиц. Грубодисперсные взвеси (песок, глина) обычно удаляют фильтрованием через фильтры, заполненные слоем кварцевого песка. Тонкодисперсные взвеси (гумми-вещества и др.) удаляют коагуляцией с последующим фильтрованием воды через песочные фильтры.
Коагуляция — процесс укрупнения частиц дисперсной системы вследствие их взаимного слипания. Для укрупнения частиц, несущих отрицательный заряд, в воду добавляют специальные вещества — коагулянты, нейтрализующие заряд взвесей или понижающие его до критического значения. При этом укрупненные частицы оседают в виде хлопьев, а вода осветляется.
623
В качестве коагулянта используют неочищенный сульфат алюминия (глинозем) A12(SO4)3 • 18Н2О, сульфат железа Fe2(SO4)3 и другие вещества из расчета 25...30 мг коагулянта на 1 л осветляемой воды. Для осветления успешно применяют установки непрерывного действия, фильтры которых заполнены гравием и песком.
Для улучшения воды с повышенной цветностью и неприятными запахом и вкусом применяют специальные дополнительные методы обработки. Эти методы обработки применяют как на ликеро-водочных заводах, так и на заводах безалкогольных напитков. К ним относят аэрирование воды для удаления закисных солей железа и обесцвечивание воды на анионитовых установках и др.
Цель дезодорации — устранить из воды неприятные запахи и привкусы, обусловленные небольшим количеством примесей органического происхождения. Для этого используют химические и физико-химические методы обработки воды: окисление органических загрязнений перманганатом калия, обработка воды в реакторах, заполненных активированным углем.
Умягчение — процесс удаления из воды катионов кальция и магния, обусловливающих ее жесткость. В зависимости от состава исходной воды и требований, предъявляемых к умягченной воде, воду умягчают различными способами. Среди них наибольшее распространение получили три способа: термический, химический (реагентный) и ионообменный. В последние годы получил распространение обратноосмотический способ подготовки воды, представляющий собой физико-химический процесс деминерализации и тонкой очистки технологической воды с использованием мембран.
Термический метод умягчения воды основан на снижении растворимости диоксида углерода при повышении температуры, что приводит к сдвигу углекислотного равновесия и образованию карбоната кальция, который выпадает в осадок. Этот способ в странах СНГ распространения не получил.
Среди реагентных способов умягчения воды наиболее известен известково-содовый. Умягчение воды этим способом основано на переводе растворимых в ней кальциевых солей карбонатной (временной) жесткости Са(НСО3)2 в присутствии расчетного количества гашеной извести [гидроксида кальция — Са(ОН)2] в нерастворимую соль СаСО3.
Недостаток способа состоит в длительности процесса формирования и осаждения осадка, большом расходе реагентов и больших габаритах технологического оборудования. Поэтому этот способ как самостоятельный по изложенным причинам встречается достаточно редко.
Наибольшее распространение для умягчения воды не только в ликеро-водочном производстве, но и в производстве безалко
624
гольных напитков получил способ ионного обмена. Снижение жесткости.воды при использовании этого способа основано на способности некоторых природных или синтетических соединений, практически нерастворимых в воде, обменять находящиеся в их составе ионы Na+ или Н+ на ионы Са2+ и Mg2+, обусловливающие жесткость воды.
Катиониты — это высокомолекулярные органические соединения (твердые гели), содержащие ионогенные активные группы кислотного характера, способные к реакциям катионного обмена. Они нерастворимы не только в воде, но и в растворах минеральных кислот, щелочей и в органических растворителях; способны набухать в воде. Среди катионитов, используемых для умягчения воды, широко известны сульфоугли и синтетические смолы КУ-1, КУ-2 и особенно КУ-2-8ч, КУ-23-ч и КУ-13. Последние отличаются высокой степенью чистоты и обменной емкости (ОЕ).
При подборе технологии умягчения воды и типа катионита учитывают не только жесткость и солевой состав, но и ее щелочность.
Na-катионирование воды широко применяют на заводах, использующих воду с жесткостью (1...7 мг-экв/л) и щелочностью до 6 см3 0,1 н. раствора НО на 100 см3.
Более жесткую воду с щелочностью свыше 6 см3 0,1 н. раствора НС1/100 см3 до обработки катионитами в Na-форме подвергают известкованию или же параллельной и последовательной обработке Н- и Na-катионами без предварительной очистки. При параллельном Н- и Na-катионировании часть воды пропускают через Na-катионитовый фильтр, а часть — через Н-ка-тионитовый фильтр, а затем обе части обработанной щелочной и кислой воды смешивают; при этом в процессе нейтрализации удаляется СО2, образовавшийся при смешивании воды. Таким путем можно умягчить воду до 0,01...0,03 мг-экв/л и существенно понизить ее общую щелочность.
При последовательном Н- и Na-катионировании часть воды подают через Н-катионитовый фильтр. Умягченную подкисленную воду далее смешивают с остальной исходной водой; полученную смесь пропускают через дозатор для удаления диоксида углерода, а затем всю воду подают на Na-катионитовые фильтры. В результате такой обработки щелочность умягченной воды не превышает допустимого значения.
В ряде случаев на заводах безалкогольных напитков воду умягчают Н-катионами, что позволяет уменьшить расход пищевых кислот на приготовление напитков.
Реакции умягчения воды, протекающие на поверхности катионита в Na-форме, можно представить уравнением
2Na[KaT] + Са(НСО3)2 #Са[Кат]2 + 2NaHCO3.
625
При Н-катионировании воды обратимые реакции осуществляются по схеме
2[Кат]Н + Са(НСО3)2 #Са[Кат]2 + 2СО2 + 2Н2О;
2[Кат]Н + CaSO4 #Са[Кат]2 + 2H2SO4
Аналогичные реакции протекают и при участии катиона Mg2+.
Символом [Кат] обозначена нерастворимая матрица полиме-ра-катионита, условно принимаемая одноосновной кислотой.
При истощении обменной емкости (ОЕ) катионита, т. е. способности поглощать ионы Са2+ и Mg2 , его подвергают регенерации — восстановлению его ОЕ. При регенерации реакция ионного обмена смещается справа налево.
Регенерацию Na-катионита проводят 8... 10%-м раствором NaCl, а Н-катионита— 1...1,5%-м раствором H2SO4 или 5...6%-м раствором НС1.
В качестве примера рассмотрим технологию Na-катионитово-го способа умягчения воды.
Катионитовые фильтры марок ХВ-122 и ХВ-040-1 имеют диаметр 0,7... 1 м, высоту от 3,2 до 3,6 м. Они работают под давлением 0,5 МПа.
Процесс обработки воды в Na-катионитовых фильтрах складывается из следующих последовательных операций: умягчения воды путем пропуска через катионит сверху вниз с линейной скоростью 3...20 м/ч до достижения в сборнике средней жесткости воды 0,1...0,2 мг-экв/л; взрыхления слоя катионита восходящим потоком неумягченной воды (4...35 °C) с линейной скоростью 8... 12 м/ч; спуска «водяной подушки» во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита 8... 10%-м раствором поваренной соли сверху вниз со скоростью 3...5 м/ч; для сокращения расхода соли можно использовать часть промывной воды; отмывки катионита водой со скоростью сначала 4...5 м/ч, а затем 6...10 м/ч до получения прозрачной воды с жесткостью до 0,05...0,07 мг-экв/л; расход воды 5 м3/м3 катионита.
Полный оборот Na-катионитового фильтра в зависимости от типа катионита и величины ОЕ, а также жесткости исходной воды находится в пределах 14...48 ч. На регенерацию катионита обычно затрачивают около 2 ч, в том числе на его взрыхление 10... 15 мин, спуск промывной воды и регенерацию катионита — 15...30, его отмывку — 30...60 мин. Регенерацию катионитов КУ-2, КУ-2-8чС, КУ-28, обладающих высокой ОЕ, производят обычно один раз в течение 2 сут работы фильтра. Сульфоугли и смолу КУ-1 регенерируют ежедневно.
После технологической обработки в питьевой воде с исходной
626
жесткостью свыше 1 мг-экв/дм3 общая жесткость не должна превышать 0,2 мг-экв/дм3, щелочность —4 см3 0,1 н. НС1 на 100 см3, сухой остаток — 500 мг/дм3, pH — 7,8 окисляемость — 6 мг Оз/дм3, содержание железа — 0,15 мг/дм3. Если исходная жесткость питьевой воды не превышает 1.0 мг-экв/дм3, то приведенные выше показатели не должны превышать значений 1,1; 100; 7,8; 6 и 0,10 соответственно. Эти данные применимы для воды, используемой в ликеро-водочном производстве.
В настоящее время получают распространение новые перспективные методы обессоливания вод: электродиализный и обратноосмотический.
На рис. 148 показана аппаратурно-технологическая схема очистки воды на мембранной обратноосмотической установке плоскопараллельного типа.
Исходная вода из городского водопровода поступает через песочный фильтр предварительной очистки 2 в сборник 1. Из сборника 1 воду плунжерным насосом 8 подают на умягчение в мембранный аппарат 3, который представляет собой пакет фильтрующих мембран, стянутых болтами между двумя плоскими фланцами. Пройдя обратноосмотический аппарат, поток воды разделяется на две части. Умягченная очищенная вода— пермиат через вентиль 6 направляется в сборник 7 и далее на технологические нужды. Концентрат воды, пройдя дроссельный вентиль 5, через расходомер 4 поступает в канализацию.
Комплектуя установку мембранами различных марок, можно получить воду любого заданного качества, при этом ее солеза-
Рис. 148. Аппаратурно-технологическая схема подготовки воды на мембранной обратноосмотической установке плоскопараллельного типа
627
держивающая способность в зависимости от типа мембран изменяется от 70 до 97,5 %.
Приготовление водно-спиртовых растворов. Для приготовления водок спирт сначала смешивают с очищенной умягченной водой. Полученный водно-спиртовой раствор называют сортировкой. Особенность данного технологического процесса — это выделение теплоты (наибольшее тепловыделение наблюдают при содержании спирта в растворе 36,25 об. %) и сжатие (контракция) раствора. Выделение теплоты и сжатие раствора свидетельствуют о взаимодействии молекул воды и спирта, при котором образуются непрочные соединения — гидраты.
При расчете количества спирта и воды при приготовлении заданного объема сортировки учитывают эти особенности процесса.
Количество спирта X (дал), необходимое для приготовления сортировки в объеме Vc (дал) крепостью 4С (об. %) с учетом крепости исходного спирта Лсп (об. %), рассчитывают по уравнению
Х= Щ/А^.
Количество воды Y (дал), необходимое для приготовления заданного объема сортировки Ус (дал),
Y = XV^/100,
где Ив — количество воды, которое необходимо добавить с учетом сжатия раствора к 100 дал спирта крепостью Лсп (об. %) для получения сортировки крепостью Л (об. %). Значение Ц (дал) находят по специальным таблицам. Например, для приготовления водно-спиртового раствора крепостью 40 об. % необходимо к 100 дал спирта крепостью 96,2 об. % прибавить нс 100, а 147,59 дал воды.
В соответствии с требованиями технологического регламента на производство водок и ликеро-водочных изделий (ТР-10-04-03-09) и ГОСТов на ту же продукцию к водно-спиртовым растворам ряда водок добавляют ингредиенты. Это различные добавки в основном вкусового характера, рассчитанные на 1000 дал водки. Например, при приготовлении «Столичной» водки в сортировку задают в виде сиропа 20 кг сахара, «Украинской горилки» — 40 кг меда, в «Русскую» водку — 0,01 кг КМ11О4 для окисления примесей и улучшения вкуса. Сухое обезжиренное молоко (3,1...6,2 кг) используют в производстве «Посольской» водки как природный белковый полимер для извлечения ряда примесей спирта и воды, в том числе азотсодержащих, значительно ухудшающих вкус водки, а также как источник сахара лактозы.
Водно-спиртовые растворы готовят периодическим и непрерывным способами. При периодическом способе применяют стальные смесители (d:H = Г. 1,2; V= 3...12 м3). Раствор готовят
628
примерно 1,5 ч. Сначала из мерников последовательно задают расчетное количество спирта, а затем воду.
Смесь перемешивают в течение 5...20 мин, а затем центробежным насосом перекачивают в напорный сборник. Воздух, содержащий пары спирта, направляют в ловушку-адсорбер для их улавливания. Десорбцию спирта из ловушки осуществляют паром. Полученный конденсат спиртовых паров после теплообменника направляют на переработку для последующего использования спирта в качестве отходов производства.
В настоящее время все большее распространение получает непрерывный способ приготовления водно-спиртовых растворов. Он обеспечивает достаточно высокую стабильность и точность крепости сортировки ± (0,05...0,1) об. % по отношению к номинальному значению, сокращает время процесса, потери спирта (примерно на 0,05 %), удельный расход металла, позволяет автоматизировать этот участок технологического цикла.
Среди непрерывных способов приготовления сортировок наибольший практический интерес представляют два из них: проточный со струйным перемешиванием (Ленинградский ликероводочный завод) и инжекционный (Полтавский ликеро-водочный завод).
Приготовление водно-спиртовой смеси в первом случае осуществляют в проточном многоступенчатом смесителе (рис. 149).
Спирт и вода поступают через патрубки /и 4 соответственно в
Рис. 149- Проточный многоступенчатый смеситель спирта и воды.
Условные обозначения: L..III— ступени смешивания
629
коллекторы 2 и 3 (I ступень смешивания). Далее перемешивание смеси продолжается в коллекторе, оборудованном ситом 5 (II ступень смешивания). При встречном турбулентном движении струй спирта и воды в смесителе 1 ступени происходит быстрое перемешивание компонентов, сопровождающееся образованием гидратов. Далее смесь направляется на III ступень смешивания, оборудованную ситами 8 и соединительным стержнем 7. Водно-спиртовой раствор из данного смесителя через разделительную диафрагму 9 и патрубок 6 направляется на фильтрование.
При работе по этому способу спирт и умягченная вода дозируются в соотношении 1:1,48. Крепость сортировки при этом 40 ± 0,2 об. %. Ингредиенты вводят в поток воды перед смесителем. Скорость подачи спирта и умягченной воды контролируют расходомерами, а концентрацию спирта — проточным плотномером. Производительность установки 3...5 м3/ч.
Более устойчиво работает инжекторная установка Полтавского ликеро-водочного завода, обеспечивающая крепость водноспиртового раствора 40 ± 0,05 об. % (рис. 150). Спирт из спирто-хранилища поступает в мерник 7, а затем через смотровой фонарь 3 в бачок постоянного уровня 4. Спирт подается в инжектор-смеситель 7 с помощью регулируемого вентиля 5, снабженного специальным маховиком. При изменении поворота
маховика на одно деление крепость сортировки изменяется на 0,05 об. %. При этом учитывается влияние температуры сырья. Обработанная вода подается из сборника 2 в смеситель центробежным насосом 6 марки ЦНС-38/66, работающим с частотой 3000 мин”1. Этот насос обеспечивает постоянство коэффициента инжекции смеси. Диа-
метр трубопровода 50 мм. Сам смеситель выполнен в виде инжектора 7, который заканчивается турбулизатором 8, оборудованным внутри перфорированной трубкой. Благодаря такому устройству водно-спиртовой раствор подверга-
Рис. 150. Аппаратурно-технологическая схема приготовления водно-спиртового раствора инжекционным способом.
Условные обозначения: С — спирт; СВр — спиртово-водный раствор; Вум — вода умягченная
630
ется эффективному гидродинамическому перемешиванию. Турбулизатор соединен через о'братный клапан 9 с напорным сборником водно-спиртового раствора 11. Манометры 10 регистрируют давление в системе. Спиртовые пары Сп направляют на улавливание.
Скорость истечения смеси через отверстие перфорированной трубки 2,5...4,5 м/с. Давление на входе в инжектор составляет 0,8 МПа, а на выходе — 0,1 МПа.
В случае необходимости при приготовлении сортовых водок в смеситель подают расчетное количество ингредиентов в виде соответствующих растворов.
Для уменьшения потерь спирта спиртовые пары Сп направляют в спиртоловушки. Производительность смесителя инжекционного типа 18 м3/ч (1800 дал/ч).
Фильтрование водно-спиртовых смесей. В приготовленной водно-спиртовой смеси всегда присутствует небольшое количество тонкодисперсных частиц, которые приносятся с умягченной водой и образуются из солей жесткости при смешивании спирта с водой. Эти частицы могут забивать поры активированного угля, предназначенного для обработки, и тем самым снижать его активность.
Активированный уголь получают обугливанием березовой древесины без доступа воздуха с последующей обработкой перегретым водяным паром при температуре 800 °C. Уголь содержит также небольшое количество пылевидной фракции. При обработке — сортировке водно-спиртовой смеси углем в результате гидродинамического воздействия смеси уголь постепенно частично разрушается с образованием тонкодисперсной системы с пониженной прозрачностью
Все это вызвало необходимость двухступенчатого фильтрования водно-спиртовых растворов до и после обработки их активированным углем.
В качестве фильтрующего материала обычно применяют чистый кварцевый песок, реже — пористые керамические плитки, причем только для фильтрования водки.
В промышленности в настоящее время нашли широкое распространение два типа песочных фильтров: одно- и двухпоточные. Они выполнены из нержавеющей стали, имеют цилиндросферическую форму; диаметр фильтра 0,7 м, высота 1,1 м. Они представляют собой модернизированные типовые фильтры. В них нет матерчатых прокладок. На ячеистой сетке, расположенной на решетке, размещают три слоя чистого песка с определенным размером зерен (d зерен 3, 2 и 1 мм).
В однопоточных фильтрах исходная сортировка поступает сверху и выводится снизу, а в двухпоточных сортировка поступает двумя потоками — сверху и снизу, а выводится посередине. Фильтрование водно-спиртовых смесей до угольных реакторов и
631
после них на типовых фильтрах ведется с линейной скоростью 0,77 м/ч, или 30 дал/ч. Пропускная способность однопоточных фильтров выше типовых в 3...5 раз, а двухпоточных — в 7...9 раз.
Обработка водно-спиртовых смесей активированным углем. Для улучшения органолептических свойств водки сортировку обрабатывают активированным углем. В угле содержатся адсорбированный кислород и окислы некоторых металлов (примеси угля). Поэтому при обработке сортировки активированным углем кроме физической сорбции примесей спирта, придающих ему неприятные запах и вкус, происходят окислительные процессы и процессы этерификации (образования эфиров). В результате смесь становится мягче, вкус и запах — более тонкими, без резких запахов.
Сортировку непрерывно обрабатывают активированным углем двумя способами: динамическим и в псевдокипящем слое сорбента. В первом случае ее пропускают через стальной реактор марки ГСШ-10 колонного типа (d = 0,72 м, Н = 4,25 м), заполненный активированным углем слоем около 4 м; массой до 300 кг.
Технология обработки заключается в следующем. Профильтрованная водно-спиртовая смесь непрерывно поступает в реактор снизу и проходит слой угля с различной скоростью в зависимости от сорта водки, степени использования угля и состава исходной сортировки. При использовании свежего адсорбента скорость обработки сортировок высококачественных водок через одну угольную колонку не должна превышать 0,4 м3/ч, а ординарных водок («Русская», «Старорусская» и др.) — 0,6 м3/ч. При работе на регенерированном активированном угле она ниже и составляет соответственно 0,3 и 0,4 м3/ч.
Смесь выводится из реактора сверху и направляется для окончательного фильтрования в песочный фильтр.
В процессе эксплуатации реактора активность угля истощается, поэтому скорость прохождения смеси постепенно снижают, но не менее чем до 0,05 м3/ч.
Показателями эффективности действия угля служат разности в значениях органолептических оценок и окисляемости (проба с перманганатом калия) сортировки и водки, отобранных на входе и выходе из угольного реактора. В первом случае эта разность должна быть не менее 0,2 балла для высокосортных водок и не менее 0,1 балла для ординарных. Соответственно разность в окисляемости сортировки и водки должна быть не менее 2,5 и 2 мин, в противном случае уголь регенерируют..
Продолжительность работы угольных реакторов зависит от ряда факторов: качества угля, спирта, воды, природы примесей, скорости фильтрования и находится в пределах от 1 до 5 мес. За этот межрегенерационный период подвергают очистке от 15 до 100 тыс. дал водки.
632
Активированный уголь регенерируют насыщенным или перегретым водяным паром в течение 3...4 ч при давлении не выше 0,07 МПа. Температура сухого пара при давлении 0,07 МПа равна 114,6 °C. Расход пара на 1 кг угля составляет около 4 кг. При регенерации отгоняются спирт и адсорбированные углем летучие примеси сортировки. Образовавшиеся в процессе регенерации водно-спиртовые пары далее конденсируются в теплообменнике. Полученный конденсат с объемным содержанием спирта 55...60 % в количестве 50...60 дал (из расчета на один реактор) направляют на ректификацию или используют для получения денатурированного спирта, предназначенного для бытовых нужд. После того как содержание спирта в конденсате будет равно нулю, его направляют в канализацию. Реактор пропаривают еще 10 ч. Затем реактор с содержимым охлаждают до комнатной температуры и заполняют водно-спиртовой смесью. После достижения обработанной смесью крепости, равной 40 об. %, реактор вводят в новый рабочий цикл.
Кроме рассмотренного выше динамического способа обработки сортировки активированным углем его можно применять во взвешенном состоянии. При этом оптимизируются окислительные и адсорбционные процессы при очистке сортировки и снижается удельный расход активированного угля.
На Московском ликеро-водочном заводе имеется установка для обработки сортировки во взвешенном («псевдокипящем») слое мелкозернистого активированного угля. Установка представляет собой систему реакторов, в которых можно создать турбулентный режим движения потока. Такой реактор выполнен в виде угольной колонки с верхней расширенной частью—сепаратором. В реактор предварительно загружают уголь на 60 % по объему. Водно-спиртовую смесь подают снизу вверх с интенсивностью потока 5...8 л/(м2-с), т. е. выше критической. Уголь переходит во взвешенное состояние, и занимаемый им объем увеличивается на 140 %. Водно-спиртовая жидкость в сепараторе-расширителе изменяет свою скорость до критической, а уголь возвращается в колонну. При этом зерна угля вновь увлекаются вниз. Обработанная водно-спиртовая смесь далее подвергается двухступенчатому фильтрованию: через фильтр с намывным слоем и затем через песочный фильтр. Производительность установки составляет до 5 м3/ч.
На Полтавском ликеро-водочном заводе сортировку обрабатывают пылевидным углем в потоке. Суспензию такого угля в спирте подают в инжекционную, установку для приготовления сортировки. Затем сортировка вместе с углем направляется в напорный сборник, из которого поступает на очистку в фильтр тонкой очистки, работающий под разрежением.
После окончательного фильтрования прозрачная водка поступает в сборник готовой продукции. В необходимых случаях кре
633
пость водки корректируют, добавляя обработанную воду или спирт. Вместимость сборников 1000 дал.
В очистных цехах ликеро-водочных заводов кроме водок готовят этиловый пищевой спирт крепостью 95 об. %.
Потери спирта в производстве водок зависят от их сорта и способа розлива в бутылки. Общие потери спирта при приготовлении всех видов водок с использованием спирта высшей очистки и налитых по объему составляют’ 0,93 %, в том числе в очистном цехе — примерно 0,45 % и при розливе — 0,48 %.
Общие потери спирта при изготовлении сортовых водок на спиртах «Экстра» и «Люкс», разлитых по уровню, под винт и предназначенных для внутреннего рынка, равны 1,87 %; в очистном цехе они составляют около 0,50 %, а в цехе розлива достигают 1,37 %.
ПОЛУЧЕНИЕ ЛИКЕРО-ВОДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Все ликеро-водочные изделия готовят по действующим в промышленности рецептурам, составленным на основе научных разработок и практики работы предприятий. Рецептуры утверждены соответствующими органами и должны полностью соблюдаться при выпуске изделий.
Под купажированием — основным технологическим процессом приготовления ликеро-водочных изделий понимают смешивание различных компонентов изделий в определенной последовательности.
Принципиальная технологическая схема приготовления ликеро-водочных изделий приведена на рис. 151.
Ликеро-водочные изделия купажируют в купажных аппаратах цилиндрической формы, которые изготавливаю!' из кислотоупорной стали, стали, покрытой эмалью, дерева или кислотоупорной керамики. Эти аппараты снабжены мешалками; их вместимость составляет от 1,5 до 10 м3.
Последовательность купажирования обусловлена составом купажа. При купажировании изделий из плодово-ягодных полуфабрикатов в купажный аппарат вносят спиртованные соки, морсы и часть воды (1/3), затем последовательно спирт, часть воды (1/3), сахарный сироп, раствор кислоты, краситель (80 %) и последнюю фазу воды (1/4) для доведения купажа до заданного объема. Во время корректировки процесса задают остальную часть красителя. Изделия купажируют при комнатной температуре.
При купажировании напитков из настоев и ароматных спиртов вначале задают настои, ароматные спирты, спирт, часть воды, затем сахарный сироп, красящие вещества и воду. В ходе приготовления купаж тщательно перемешивают, после окончания сборки его дополнительно перемешивают' в течение 20 мин. Средняя продолжительность приготовления купажа изделий объ-
634
Изделия на реализацию
Рис. 151. Принципиальная технологическая схема приготовления ликеро-водочных изделий
емом 5 м3 составляет (мин): горьких — 60...90, сладких — 90...120 и ликеров — 120... 180. После приготовления купажа и в случае необходимости корректировки его спиртом, сахаром или водой его направляют на фильтрование. Для получения однородного, гармоничного по вкусу и аромату напитка его необходимо выдержать в течение 24 ч. Ликер «Бенедиктин» и все бальзамы выдерживают 72 ч.
Напитки, в состав которых входит большое количество пектиновых, дубильных и фенольных соединений, нестойки при хранении. К ним относятся «Клюковка», «Нежинская рябина» и др. Для предотвращения помутнения купажи таких напитков охлаждают до температуры минус 8...—10 °C, выдерживают в течение 48 ч, декантируют, а затем фильтруют.
Для стабилизации ликеро-водочных изделий, предупреждения обратимых коллоидных помутнений в них применяют растворимый поливинилпирролидон (ПВП) из расчета 40...80 мг/л купажа. Иногда используют желатин, бентонит или их смеси (ВНИИПрБ). В последние годы для повышения стойкости готовых изделий используют микробные ферментные препараты, но обрабатывают ими в основном полу
635
фабрикаты (соки из алычи, абрикосов, слив). Например, наиболее эффективной по степени осветления абрикосового, алычового и сливового спиртованных соков, фильтрования и стабильности изделий на их основе является композиция ферментных препаратов из Пектофоедина ШОх, Протосуб-тилина ГЮх и Амилосубтилина Г10х в соотношении 3:1:1. ФП задают в количестве 0,02 % объема обрабатываемого объекта. Соки с ФП выдерживают в течение 3...6 сут при комнатной температуре.
Ликеро-водочные изделия фильтруют в основном на передвижных камерных фильтр-прессах «Прогресс» с поверхностью фильтрования 6 м2, являющихся аппаратами периодического действия. Для фильтрования используют также рамные фильтрпрессы с поверхностью фильтрования 2,8 м2. Широко используют фильтр-картоны марки Т для фильтрования горьких настоек, марки КТФ — для ликеро-водочных изделий с сахаром. При использовании фильтр-картона марки Т иногда намывают диатомит (по аналогии с фильтрованием пива).
Средняя скорость фильтрования на фильтре «Прогресс» составляет, м3/(ч • м2): для горьких настоек — 0,6, сладких изделий — 0,4 и ликеров — 0,3.
Осветленные изделия поступают в сборники готовой продукции вместимостью до 10 м3. После получения заключения лаборатории о соответствии напитков требованиям стандарта их направляют на розлив.
Некоторые ликеры подвергают’ выдержке (старению) в дубовых бочках вместимостью 0,05 м3 или бутах вместимостью 2,5 и 5 м3 при температуре 8...20 'С и относительной влажности воздуха 80 % в течение 2...24 мес в зависимости от вида изделий.
Гарантийные сроки хранения ликеро-водочных изделий при температуре 10...20 °C зависят от вида изделий и составляют 2..8 мес. Лучше хранятся ликеры и наливки (6...8 мес), бальзамы (6 мес). Лишь до 3 мес хранятся горькие настойки, приготовленные на настоях из перца, других вкусовых и красящих веществ.
Общие потери при приготовлении и розливе горьких, десертных напитков, наливок, пуншей по объему составляют 0,83 % спирта, поступившего в производство. При приготовлении этих же изделий с розливом по уровню под колпачок потери возрастают до 2,37 %. Общие потери спирта при приготовлении ликеров, кремов и бальзамов составляют 2,3; 3,1 и 3,81 % соответственно с учетом технологии розлива.
Потери сахара в производстве составляют для разнообразных сладких изделий 2,2 %, а для ликеров и кремов — 2,4 % от количества сахара, поступившего в производство.
636
ПОДГОТОВКА ПОСУДЫ И РОЗЛИВ НАПИТКОВ
Ликеро-водочные изделия разливают при нормальном атмосферном давлении в основном в стеклянные бутылки из обесцвеченного или полубелого стекла (ГОСТ 10117) вместимостью 0,25; 0,5; 0,75 и 1 л. Небольшое количество изделий разливают в стеклянные фигурные бутылки и фарфоровые графины.
Все операции по розливу напитков в бутылки производят на автоматических линиях, параметрические ряды которых в нашей стране характеризуются следующей градацией производительности: 1500, 3000, 6000, 12 000, 18 000 и 24 000 бутылок в час. Для мощных предприятий разрабатываются отечественные линии производительностью 36 000 и 48 000 бутылок в час. Такие мощные линии широко используются за рубежом.
Структурные схемы подготовки посуды и розлива различных напитков, характеризующие состав линий и последовательность технологических операций, имеют много общего.
На рис. 152 в качестве примера рассмотрена аппаратурно-технологическая схема подготовки посуды и розлива водки и ликеро-водочных изделий (на двух этажах). Одноэтажное решение розливно-моечного цеха характерно для производства пива и безалкогольных напитков.
С помощью пакеторазгрузочного автомата 7 бутылки укладывают в ящик 2, после чего они направляются к автомату 3, в котором бутылки освобождаются из ящиков. Пустые ящики транспортером 18 передаются на участок 14, где в ящики укладывают бутылки с продукцией. Пустую посуду моют в автоматически действующей бутылкомоечной машине 4, после чего она направляется вверх транспортером 5 на линию розлива 6. Качество бутылок и степень их чистоты контролируют на участке визуального контроля 8. Розлив продукции после ее фильтрования на фильтре 7 обеспечивает автомат 9; укупоривание продукции осуществляется на автомате 10, а последующий контроль — полуавтоматически с помощью бракеражного устройства 11. После внешнего оформления бутылок, которое осуществляют с помощью автомата 12 для наклеивания этикеток, продукция проходит автоматический счетчик бутылок 13 и далее направляется на первый этаж на участок 14 укладки готовой продукции в ящики. Учет продукции осуществляют с помощью автоматического счетчика ящиков 75. Далее продукция формируется в пакеты ящиков с помощью автомата 16 и направляется потребителю. Стеклобой из сборника 19 поступает на реализацию на специализированные стеклозаводы. Исправимый водочный брак из сборника 20 возвращается в отделение приготовления водноспиртовых смесей в качестве вторичных материальных ресурсов. Важный участок схемы — это участок подготовки и использования моющих средств, а также сточных вод. Для мойки посуды
637
Рис. 152. Аппаратурно-технологическая схема подготовки посуды и розлива водок
используют раствор щелочи, который готовят в резервуаре 26. Через трехходовой кран 24 с помощью центробежного насоса раствор щелочи подают в бутылкомоечную машину 4. Отработанный раствор щелочи выводят из бутылкомоечной машины, отстаивают в сборнике 21 и фильтруют через фильтр 22 в сборник 23. После этого его используют определенное время в качестве добавки к вновь введенному раствору щелочи, используя насос 25. Сточные воды, имеющие выраженную щелочную реакцию (рН>9), отстаивают в сборнике 17, направляют вначале на станцию локальной очистки для нейтрализации и повторного фильтрования, а затем в систему городской канализации.
На ликеро-водочные заводы поступает 85...90 % оборотной посуды и 10...15 % новой. Из торговой сети бутылки поступают в ящиках из древесины, полимерных материалов, а иногда из стальной оцинкованной проволоки. Новая посуда со стекольных заводов обычно поступает в специальных мешках. Все бутылки проходят соответствующий контроль.
В последнее время широко используется поддонная система транспортирования и хранения стеклянной посуды. Емкость ящика по 30 бутылок вместимостью 0,33 л или по 20 бутылок вместимостью 0,5 л. На поддоне размещается 24 ящика с посудой.
С помощью захватывающих устройств электропогрузчик перемещает поддон с ящиками, заполненными бутылками, к ленточному, роликовому или цепному транспортеру. Пакеторазборочный автомат 1 направляет ящик с посудой на транспортер, доставляющий ящик 2 с посудой к автомату 3 для выемки посуды из ящика. В целях механизации выемки посуды на заводах применяют автоматы марок ВИА-11, И2-АИА-6 и И2-АИА-12.
Наиболее эффективно мойка бутылок производится на отечественных автоматически действующих машинах конвейерного типа с цепным тяговым органом и отмочно-шприцевой системой марок АММ-3, АММ-6, АММ-12, АМ2М-6, АМ2М-12, Т1-АМ2М-12 и В6-ВМТ-12. Последнее число указывает на мощность машины (бут/ч).
Технология мойки бутылок состоит в следующем. Бутылки, поступившие на стол загрузки машины, сначала подогревают путем орошения отработавшей водой до температуры 25...30 °C. Далее они распределяются по гнездам цепного носителя и направляются в первую щелочную отмочную ванну. По пути следования их снова обливают теплой слабощелочной водой (40...45 °C). В первой ванне происходит отмачивание загрязнений в щелочном растворе концентрацией 1...2 % и температурой 60...65 °C. При выходе из ванны с поверхности бутылок сначала смывают этикетки, а затем из них выливают моющий раствор. Во второй отмочной ванне бутылки вновь погружают в раствор
639
щелочи, но при более высокой температуре — 75...80 °C. Далее бутылки поднимают вверх и на прямом участке пути подвергаю'! многократному наружному обмыванию и внутреннему шприцеванию сначала раствором щелочи при 60...65 °C, затем водой при 40...45 и 25...30 °C, а перед выходом из машины — водопроводной умягченной водой.
Общее время пребывания бутылок в машине 14...16 мин. С целью экономии моющих средств (каустическая сода, триполифосфат натрия, сульфонол) предусмотрено централизованное и повторное использование моющих растворов.
На практике на каждую тысячу бутылок в отмочно-щелочных машинах расход холодной воды колеблется в пределах 500... 1000 л, пара — 15...45 кг. Суммарная мощность установленных электродвигателей в автоматах марки AM М-6 составляет 20,6 кВт, марки АМ2М-6 — 16,8, марки Т1-АМ2М-12 — 33,1 кВт.
Кроме автоматов типа АММ в ликеро-водочном, а особенно в пивоваренном и безалкогольном производствах применяются бутылкомоечные автоматы зарубежного производства мощностью 6000...24 000 бут/ч.
Известно три способа розлива напитков: гравитационный, вакуумный и изобарический.
В первом случае заполнение бутылок жидкостью происходит из дозатора самотеком при атмосферном давлении. Во втором случае вакуум можно создавать либо только в таре, либо в таре и расходном резервуаре. При изобарическом розливе обеспечивается одинаковое давление в таре и в расходном резервуаре, превышающее атмосферное.
В ликеро-водочном производстве применяют разливочные автоматы с розливом напитков соответственно по объему и по уровню. Напитки, реализуемые на внутреннем рынке, разливают в основном с точным дозированием по объему; на внешний рынок разливают напитки только под вакуумом по уровню с использованием навинчивающегося укупорочного колпачка.
Для водок и ликеро-водочных напитков, разливаемых по объему, используют разливочные автоматы непрерывного действия карусельного типа марок ВАР-6, Д9-ВРМ-6 и Т1-ВРА-6А, которые снабжены расходными резервуарами с поплавковыми регуляторами и дозаторами жидкости в виде мерных стаканов.
Для этой операции используют автоматы различных конструкций. Наибольшее распространение получил штамповочноукупорочный агрегат ШУ-Р-1.
Для розлива ликеро-водочных изделий по уровню используют в основном импортные автоматы, например автоматы SV-24 фирмы PROT производительностью 6000 бут/ч.
Большое значение имеет контроль качества вымытой посуды и готовой продукции. В автоматизированных линиях
640
(см. рис. 152) имеются инспекционные участки. Вымытые пустые бутылки контролируют на световом экране. Бутылки с налитой продукцией после укупорки поступают на инспекционный автомат. В ликеро-водочной и других отраслях промышленности используют автоматы марок ВАЗ-6 и Т1-ВИМ производительностью 6000 бут/ч. Это линейные машины конвейерного типа непрерывного действия, снабженные световыми экранами. Просмотр одной бутылки, повернутой автоматом на 180° горлышком вниз, на световом экране осуществляют за 0,5 с. Если в продукции находят включения (ворсинки, песчинки и т. п.), обнаружен недолив или отсутствует герметичность укупорки, то ее как исправимый брак направляют после фильтрования на повторное использование.
После инспекции продукция направляется по цепному транспортеру к этикетировочным автоматам. В зависимости от вида изделий этикетки имеют различные формы и размеры. Их наклеивают на разные участки поверхности бутылок. В ликеро-водочной промышленности этикетки наклеивают на цилиндрическую часть бутылок с помощью автоматов марок ВЭМ и ВЭВ, а также автоматов итальянской фирмы PROT производительностью 6000 бут/ч. На бутылки, предназначенные для пива или безалкогольных газированных напитков, этикетки наклеивают также с помощью автоматов. Но в основном этикетки размещают в верхней конической части бутылки. В качестве клея используют клей из кукурузного и картофельного крахмала с небольшой добавкой столярного клея, а также клей на основе синтетических материалов.
Автоматические линии по розливу ликеро-водочных изделий оборудованы счетчиками бутылок и готовой продукции.
Поддонная и контейнерная системы транспортирования продукции в торговую сеть являются наиболее совершенными и более экономичными.
Контрольные вопросы
1.	Какие изделия относят к водкам, а какие к ликеро-водочным изделиям?
2.	В чем отличие спиртованных соков от морсов?
3.	Какая крепость у ароматного спирта?
4.	Зачем умягчают питьевую воду, используемую для приготовления водок и ликеро-водочных изделий?
5.	Зачем водно-спиртовую смесь обрабатывают активированным углем?
6.	Какой процесс в ликеро-водочном производстве называют купажированием напитков?
641
Глава 28
ТЕХНОЛОГИЯ ВИНОГРАДНЫХ ВИН
Виноградарство и виноделие — древнейшее направление дсп тельности человека. В настоящее время винодельческая про мышленность — одна из ведущих отраслей пищевой индустрии Приготовление вин осуществляется по передовой технологии в непрерывном потоке. В настоящее время проводится работа по расширению ассортимента и улучшению качества столовых и марочных вин, повышению уровня механизации, созданию заво дов-автоматов. Разрабатываются и внедряются схемы комплексной переработки винограда, предусматривающие полное исполь зование ценных веществ сырья и отходов производства.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ВИНОГРАДНЫХ ВИН
Виноградное вино — напиток, полученный в результате спир тового брожения виноградного сока. При получении виноград ного вина не разрешается добавлять какие-либо вещества, кроме предусмотренных Основными правилами производства вино градных вин и действующими стандартами. Поэтому натураль ные виноградные вина имеют естественный химический состав, обладают диетическими и лечебными свойствами. По принятой в настоящее время классификации все вина делятся на два типа (табл. 28.1): тихие вина (первый тип) и вина, содержащие СО> (второй тип). Типы вин различаются по химическому составу, органолептическим свойствам и технологии получения.
Таблица 28 1
Группа и тип вина	Спирт, об. %	Сахара, i на 100 см
Тихие вина		
Столовые вина:		
сухие	9...I4	До 0,3
полусухие	9-12	До 2,5
полусладкие специального типа (Кахетинское, Херес столовый, Эчмиадзинское)	9...12 10,5.16	ДО 8,0 До 0,3
Крепленые вина:		
крепкие специального типа (Херес, Портвейн, Мадера,	17...20	1,5... 12,0
Марсала) десертные (полусладкие, сладкие, ликерные)	12...17	5,0—35,0
Ароматизированные вина (крепкие, десертные)	16...18	6,0...16,0
Вина, содержащие СО2		
Советское шампанское (брют, сухое, полусухое, полусладкое, сладкое)	10,5... 12,5	0,3...10,0
Игристые вина (белые, розовые, красные, мускатные)	9,0... 13,5	6,0-12,0
Газированные вина (шипучие)	9,0... 12,0	3,0-8,0
642
Столовые вина представляют собой напитки, полученные в результате брожения свежего виноградного сока без добавления спирта. При производстве сухих столовых вин исходный сок сбраживается полностью (весь сахар используется дрожжами), «насухо», и в готовом вине сахар практически отсутствует. Полусладкие столовые вина получаются в результате неполного сбраживания сока путем остановки брожения (охлаждением, оклейкой, пастеризацией) в момент, когда в бродящем сусле остается необходимое количество сахара (3...8 %). Полусладкие столовые вина получают также путем купажа (смешивания) сухих виноматериалов и консервированного виноградного сусла. По цвету различают белые, розовые и красные столовые вина.
Крепленые вина получают путем неполного сбраживания виноградного сока и остановки брожения добавлением ректификованного спирта.
Ароматизированные вина — это напитки, получаемые купажированием виноградных виноматериалов, ректификованного спирта, настоя ароматических трав, цветов и кореньев растений. Используют полынь, мяту, кориандр, зубровку, липовый цвет, березовые почки, шалфей, ваниль, корицу и др. К группе ароматизированных вин относятся вермуты.
Вина, насыщенные COj, подразделяются на насыщенные СО2 естественным путем при брожении в герметических сосудах под давлением (игристые, шампанские) и искусственно насыщенные СО2 способом сатурации (шипучие вина).
Вина выпускают сортовые и купажные. Сортовые вина получают в основном из одного сорта винограда (примеси других сортов не должны превышать 15 %). Купажные вина готовят из нескольких сортов винограда.
В зависимости от качества виноградные вина делят на ординарные и марочные. Ординарными называются вина, выпускаемые без выдержки, но не ранее чем через 3 мес после переработки винограда. Марочные вина — высококачественные, выдержанные от 1,5 до 4 лет (в зависимости от типа) вина, выработанные из лучших сортов винограда в определенных винодельческих районах. Наилучшие по качеству марочные вина, которые дополнительно выдерживаются в бутылках не менее 3 лет.
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВИНОГРАДНЫХ ВИН
Для получения высококачественного виноградного вина используют зрелый, здоровый, свежий или завяленный виноград определенных сортов. Каждый сорт винограда обладает присущими только ему свойствами. Определенный сорт винограда используют для производства соответствующих вин. Так, для получения десертных вин используют сахаристые сорта винограда (Пино серый, Фурминт). Из мускатных сортов винограда
643
изготавливают вина со специфичным сильным ароматом. Дин получения столовых вин используют такие сорта, как Рисли и I. Алиготе, Каберне, Саперави, Ркацители и др.
Химический состав ягод винограда, оказывающий значится i. ное влияние на качество получаемого вина, зависит от сорти винограда, почвенно-климатических условий его выращивания и агротехники возделывания.
На качество вина существенное воздействие оказывает влия ние участие отдельных частей виноградной грозди в технологи ческом процессе. Гроздь винограда состоит из ягод и гребня Сок винограда содержит 10...30 % сахаров (глюкоза, фруктош, сахароза); 0,5... 1,7 % органических кислот (винная, яблочная и др.); 0,1...0,9 % белковых веществ; 0,1...0,3 % пектиновых нс ществ; 0,1...0,5 % минеральных веществ; витамины С, В], В;. РР; ароматические вещества и др. Ягода винограда занимап 93...97 % массы грозди и состоит из кожицы, мякоти и семян Кожица составляет 9...11 % массы виноградной ягоды, в пей присутствуют такие соединения, как клетчатка, органические кислоты, но наибольшее значение имеют содержащиеся в пей красящие и дубильные вещества. Кроме того, клетки кожицы, соприкасающиеся с мякотью, включают ароматические вещества, обусловливающие специфичный аромат сока винограда. Мя коть, составляющая 85...90 % массы ягоды, содержит основную часть важнейших химических веществ (сахара, кислоты, азотис тые вещества, микро- и макроэлементы, эфирные масла и др.). В семена, на долю которых приходится около 3 % массы вино градной ягоды, наряду с клетчаткой входят дубильные вещества, масло, ванилин и смолистые вещества.
Гребни, занимающие 3...7 % массы грозди, содержат в основ ном дубильные вещества и влияют на качество вина, придавая ему терпкий вкус. При длительном контакте гребней с соком вино приобретает неприятный вкус.
Виноград собирают в период технической (промышленной) зрелости при достижении им необходимого для получения данного типа вина содержания сахаров и кислот. Для получения столовых вин виноград собирают при содержании в нем сахара 17...20 % и кислотности 6...8 г/л, а для производства десертных вин содержание сахара в винограде должно составлять не менее 25 %, кислотность — 5...7 г/л.
ПОЛУЧЕНИЕ ТИХИХ ВИН
Столовые вина. Белые столовые вина готовят по следующей технологической схеме: дробление винограда и отделение гребней, стекание и прессование мезги, осветление сока, брожение, снятие вина с осадка, обработка и выдержка вина.
В нашей стране белые столовые вина получают на поточных
644
линиях ВПЛ-20 и ВПЛ-20К, обеспечивающих высокий уровень механизации и автоматизации. На рис. 153 показана линия ВПЛ-20К. Виноград из бункера-питателя 1 поступает в валковую дробилку-гребнеотделитель 2, откуда раздробленная масса (мезга) мезгонасосом 3 направляется в стекатель 4, а затем в пресс 5, в котором отделяется сусло. Затем насосом 6 сусло нагнетается в сульфитодозатор 7, где оно обрабатывается SO2. В резервуарах 8 происходит осветление сусла (отстаивание). Далее насосом 9 сусло перекачивается в установку для сбраживания 10, в которую одновременно поступает чистая культура дрожжей (ЧКД). После этого виноматериал поступает в емкости 11, в которых протекает дображивание. Выброженный виноматериал насосом 12 направляется в сульфитодозатор 13, а затем в емкость для эгализации 14, откуда насосом 75 он перекачивается на дальнейшую обработку.
Дробление винограда и отделение гребней с целью получения высококачественных столовых и шампанских виноматериалов осуществляют на валковых дробилках-гребнеотделителях (рис. 154). Эта машина состоит из дробильного устройства, представляющего собой два восьмилопастных резиновых валка 7, гребнеотделяющего устройства и сборника для мезги. Гребнеотделяющее устройство состоит из вращающегося перфорированного цилиндра 2, внутри которого вращается вал с бичами 3, служащий для выведения из машины гребней. Раздробленная мезга через перфорированную поверхность поступает в сборник 5, откуда с помощью шнека 6 она выводится из машины и направляется через патрубок 7 в стекатель. Гребни выводятся через горловину 4.
Сок извлекается из мезги сначала на стекателях, на которых отделяют сусло-самотек, идущее на приготовление высококачественных белых столовых вин, а затем на прессах. Сусло-самотек
Рис. 153. Аппаратурно-технологическая схема приготовления столовых полусухих и полусладких вин
645
Рис. 154. Схема валковой дробилки-гребнеотделителя
получают на корзиночных, ротационных и ленточных стекате-лях. В настоящее время наиболее широко используются шнековые стекатели непрерывного действия, в которых сусло-самотек отделяется свободным стеканием через перфорированную поверхность приемного бункера, а затем частично осушенная мезга поступает в наклонный цилиндр с вращающимся шнеком, где происходят прессование мезги и получение сусла первого давления. Дальнейшее извлечение сока из мезги осуществляется на прессах периодического или непрерывного действия. Процесс прессования чередуется с перемешиванием мезги. Сусло, полученное прессованием, содержит большое количество взвешенных частиц и используется для приготовления крепленых вин. Полученное сусло должно быть освобождено от взвешенных частиц, обрывков кожицы и мякоти. Для этого сусло выдерживают в отстойных резервуарах в течение 20...24 ч. Одновременно для подавления жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в сусле, в сусло вводят SO2 из расчета 75... 120 мг/л. Во время отстаивания сусла происходит его осветление. Перед осветлением сусло может охлаждаться до температуры 10...12 °C. В этом случае продолжительность отстаивания составляет 10...12 ч.
Затем осветленное сусло из отстойных резервуаров подается на брожение. Процесс брожения осуществляется периодическим или непрерывным способом. Для проведения брожения используют бочки, буты, металлические или железобетонные резервуары. При периодическом способе брожения сусло перекачивают в бродильную емкость, вводят разводку винных дрожжей в коли
646
честве 2 % по объему сусла. Температуру бродящего сусла поддерживают на уровне 15...20 °C. В первые несколько суток происходит размножение дрожжей и начинается медленное брожение. Затем наступает период брожения, характеризующийся бурным выделением диоксида углерода и продолжающийся в течение 8... 10 сут. Скорость брожения постепенно снижается, и начинается третий период брожения — дображивание (тихое брожение), которое длится 2...3 нед. В этот период СО2 образуется слабо, дрожжи постепенно оседают на дно, происходит осветление молодого вина. Наряду со спиртом и диоксидом углерода в процессе брожения образуются вторичные продукты спиртового брожения (глицерин, альдегиды, кислоты и др.), играющие важную роль в создании вкуса и аромата вина. На накопление вторичных продуктов брожения оказывают влияние состав сусла, раса дрожжей и условия брожения. По окончании брожения дрожжи удаляют, а молодое вино переливают в другую емкость. Затем молодое вино подвергают обработке и выдержке.
При непрерывном способе брожение проводят в бродильных установках, состоящих из бродильных резервуаров вместимостью 2000 дал каждый и пяти напорных баков. Бродильные резервуары соединены системой трубопроводов, обеспечивающей переток сбраживаемого сусла из резервуара в резервуар, заполнение и освобождение установки. Сбраживаемое сусло перетекает из резервуара в резервуар последовательно под давлением образующегося диоксида углерода.
При получении красных столовых вин в отличие от белых обеспечивают хороший контакт сусла с мезгой для более полного извлечения из нее красящих, дубильных и ароматических веществ. Получаемые вина отличаются интенсивной окраской, характерными вкусом и ароматом. Красные столовые вина готовят из красных сортов винограда с содержанием сахара не менее 17 % и кислотностью 6...9 г/л. После дробления и отделения гребней мезга подается в накопительные резервуары, смешиваясь в потоке с SO2 (75...100 мг/л). Существует несколько технологических схем переработки винограда для получения красных вин. Сущность одной из них заключается в том, что полученную мезгу загружают в резервуары, в которых при температуре 28...32 °C протекает брожение с плавающей или погруженной «шапкой». В процессе брожения под действием выделяющегося СО2 кожица винограда всплывает и уплотняется на поверхности бродящего сусла — образуется так называемая «шапка». С целью лучшего извлечения из нее красящих и дубильных веществ «шапку» периодически, 3...4 раза в сутки, перемешивают. При достижении молодым вином необходимых окраски и полноты его отделяют от мезги, а мезгу прессуют. Красные вина можно получать и путем предварительной тепловой обработки мезги при 55...60 °C до приобретения суслом требуе
647
мой окраски, после чего мезгу охлаждают и прессуют. Получен ное красное сусло сбраживают по белому способу.
Крепленые вина. Крепленые вина готовят путем полного сбра живания виноградного сока из сортов, обладающих способное тью к высокому накоплению сахара при созревании или к завя ливанию и заизюмливанию при перезревании. Процесс броже ния останавливают спиртованием, добавляя ректификованный спирт. При изготовлении десертных вин спиртование осущест вляют на начальных стадиях брожения, когда в сусле остается еще довольно высокое количество сахаров. Введение повышен ного количества спирта перед окончанием брожения приводит к получению крепкого вина. Введение спирта не только обуслов ливает требуемую крепость, но и способствует созданию необхо димых устойчивости и характера готового вина. При изготовлении высококачественных десертных вин, отличающихся пони женным содержанием дубильных веществ, гребни отделяют па специальных терках. Для лучшего извлечения из сырья аромати ческих, красящих и дубильных веществ мезгу до прессования можно настаивать с перемешиванием, подогревать или спирто вать в зависимости от требований технологии и качества приготовляемого вина.
К крепленым винам относятся следующие типы вин: Портвейн, Мадера, Херес, Мускат, Токай, Кагор и др.
При получении вин типа Портвейн используют такие техно логические приемы: интенсивное дробление мезги, купажирование виноматериалов из нескольких сортов винограда, тепловая обработка виноматериалов на солнечных площадках, в солнечных камерах или в термокамерах в течение 1—2 летних сезонов.
Для получения вин типа Мускат используют ароматические сорта винограда с высокой сахаристостью в стадии полной физиологической зрелости и легкого подвяливания. После отделения гребней сусло настаивают на мезге 24...36 ч, затем проводя! частичное спиртование сусла в мезге с последующим прессованием мезги. Полученное сусло подбраживают и проводят окончательное спиртование. Мускатные вина выдерживают в бочках от 1 до 3 лет.
Вина типа Кагор получают из интенсивно окрашенных сортов винограда с содержанием сахара не менее 20 %. После дробления и отделения гребней проводят сульфитацию мезги, нагревают ее до 75...80 °C и выдерживают при этой температуре в течение 18...24 ч при тщательном перемешивании. После остывания мезги вносят дрожжи и ведут брожение до необходимого содержания сахара, затем отделяют сусло-самотек, а мезгу прессуют. Все фракции сусла смешивают и добавляют спирт, когда в под-броженном сусле останется требуемое количество сахара.
Технология приготовления вин типа Херес имеет целый ряд особенностей. Хересный виноматериал получают по технологии
648
белых столовых вин, затем его подспиртовывают до крепости 15...16 об. % и выдерживают при температуре 16...20 °C под пленкой (солерой) специально выращенных хересных дрожжей. Хересные дрожжи потребляют питательные вещества вина, крепость вина снижается, а количество альдегидов, ацеталей и эфиров возрастает. В результате вино приобретает ярко выраженный специфический аромат и вкус. В нашей стране разработан метод непрерывного хересования.
Ароматизированные вина. В нашей стране выпускают Вермут крепкий (содержание спирта 18 об. %, сахара — 6...10 %) и десертный (содержание спирта 16 об. %, сахара — 16 %) трех видов: белый, розовый и красный.
Для получения ароматизированных вин используют виноматериалы со слабовыраженным ароматом.
Для полного удаления красящих и ароматических веществ виноматериалы обрабатывают активированным углем. Затем виноматериал подвергают деметаллизации, обрабатывая раствором К4[Ре(СЬ0б], и оклеивают бентонитом и желатином.
Купаж готовят из обесцвеченного сухого виноматериала, ректификованного спирта, раствора сахарозы в вине и ароматического экстракта. В купаж для красного вермута вводят колер из термически обработанного сахара. В качестве ароматических экстрактов используют отечественные или зарубежные (Италия) настои из культурных и дикорастущих трав (от 20 до 40 видов). Это такие растения, как полынь, тмин, ромашка, мята, зверобой, кориандр, тысячелистник, корица, имбирь, гвоздика, другие тропические пряности, валериана, зубровка, липовый цвет, березовые почки, аир, душица, мелисса, элеутерококк и др.
ОБРАБОТКА И ВЫДЕРЖКА ВИН
Молодое вино (виноматериал) еще не обладает свойствами, отличающими выдержанные, зрелые вина. Технологические приемы, с помощью которых виноматериал улучшает свои свойства, приобретает стабильность, осуществляют в соответствии с утвержденными технологическими схемами обработки виноматериалов и вин. Для всех типов вин предусматривается комплексная обработка, включающая следующие операции: купаж, деметаллизацию, оклейку осветляющими веществами, обработку теплом и холодом, фильтрование и др.
При выдержке вин в бочках или бутах используют такой технологический прием, как доливка и переливка вина. Вследствие испарения вина при хранении в бочке образующееся пространство заполняется воздухом, что отрицательно сказывается на качестве вина. Для того чтобы исключить доступ воздуха к вину, проводят доливку бочек и бутов вином того же сорта и возраста. Допускается использование более старого вина, более
649
молодое использовать нельзя. Вино доливают в период хранения через определенные промежутки времени в зависимости от типа вина и его возраста. Цель переливки — своевременное отделение вина от осадка и приведение всей массы вина в однородное состояние. Переливку проводят открытым или закрытым способом. Открытые переливки вина проводят при свободном доступе воздуха. Поглощенный вином кислород участвует в окислительных процессах, происходящих в вине, что способствует накоплению веществ, участвующих в создании букета вина, и осветлению вина. На определенном этапе выдержки переливку осуществляют закрытым способом для предотвращения контакта вина с воздухом, так как развитие букета вина происходит в анаэробных условиях.
Купаж проводят для получения однородной партии с выравненными показателями по цвету, содержанию кислот, сахара и т. д. Смешивают виноматериалы одного и того же сорта и назначения.
Деметаллизацию проводят обработкой вин гексациано-(П)-ферратом калия (K4fFe(CN)6]), фитином, трилоном Б, которые, реагируя с нежелательными компонентами вина — тяжелыми металлами, образуют осадки и выводят их тем самым из вина. Это повышает стабильность и улучшает вкус вина.
Оклейка вина — введение органических (желатин, казеин, танин) или неорганических (диатомит, бентонитовые глины) сорбентов, вступающих во взаимодействие с коллоидами вина и образующих хлопьевидные скопления, которые при оседании увлекают за собой взвеси и вещества, способные образовывать муть и придавать вину посторонние привкусы и запахи.
Охлаждение вин ускоряет созревание и стабилизацию, так как при низких температурах снижается растворимость виннокислых солей, осаждаются дубильные и красящие вещества, белковые и пектиновые соединения, бактерии, споры грибов и мельчайшие взвешенные частицы.
Тепловая обработка (60...65 °C) обусловливает повышение стойкости вина, ускоряет созревание, улучшает вкусовые свойства и придает специфические особенности некоторым типам вин.
Фильтрованием через различные материалы (диатомит, перлит) достигается освобождение вина от частиц, вызывающих образование мути, полное осветление (до прозрачности с блеском).
Для обработки вина применяют и другие способы воздействия на него. Выбор способа обработки определяется в зависимости от состояния и типа приготовляемого вина.
Технологические приемы по осветлению и стабилизации вин выполняют периодическим, полунепрерывным и непрерывным способами. Выбор способа зависит от мощности завода, выпускаемого ассортимента вин и других факторов.
650
Вино представляет собой сложную систему, в которой непрерывно протекают различные физические, химические и биохимические процессы. Для каждого этапа развития вина можно выделить наиболее характерные процессы и явления, в соответствии с которыми различают несколько стадий развития вина: образование, формирование, созревание, старение и отмирание.
Стадия: образования вина связана с алкогольным брожением и рядом сопутствующих процессов. После окончания спиртового брожения вино еще мутное, нестойкое.
Формирование вина характеризуется физическими, химическими и биологическими процессами, протекающими в период дображивания, и заканчивается к моменту первой переливки. В этот период развития вина продолжается алкогольное брожение, происходит образование кристаллов винной кислоты, выпадение в осадок которых улучшает вкус вина и повышает его стойкость. Происходит разложение яблочной кислоты на молочную кислоту и СО2, что обусловливает смягчение вкуса. Идет постепенное оседание дрожжевых клеток, выделение СО2, растворившегося при брожении и осветлении вина. Такое вино еще незрелое, молодое.
Созревание вина связано с процессами, которые идут в период выдержки вина, и обусловлено в основном окислительными процессами, протекающими в вине с участием кислорода воздуха. В результате сложных окислительно-восстановительных реакций частично выпадают в осадок белковые, пектиновые и красящие вещества, что ведет к изменению окраски вина, его вкуса. В вине развивается букет. В процессе созревания идет целый ряд химических превращений составных вехцеств вина, например реакции эфирообразования. На стадии созревания вина протекают процессы, способствующие улучшению вкуса, букета и стабилизации вина. Длительность выдержки, в результате которой вино становится зрелым и пригодным к розливу, зависит от целого ряда факторов, важнейшими из которых являются тип вина, общая экстрактивность вина, количество дубильных веществ, кислотность, условия обработки и выдержки и т. д.
При достижении вином устойчивой стабильности и хорошо развитых дегустационных свойств (зрелого и способного к розливу состояния) дальнейший контакт вина с кислородом воздуха приводит к ухудшению качества вина. Последующее хранение вина должно осуществляться в герметически закрытых емкостях для исключения контакта вина с воздухом. При хранении вина в анаэробных условиях (чаще всего в плотно укупоренных бутылках) происходит старение вина, связанное со сложными физико-химическими процессами, идущими за счет составных частей вина без участия кислорода, т. е. протекают реакции восстановительного характера. В результате этих процессов в вине особенно сильно формируются тонкий вкус и аромат — букет старения. В
651
этот период свойства вина достигают максимального развития. Срок достижения вином таких качеств весьма длителен и зави-cut от многих факторов. Для белых, легких, малоэкстрактивных вин — 4...5 лет; для крепких, высокоэкстрактивных вин — 10... 12 лет и более.
Старые вина могут долго сохранять высокие показатели качества: белые и красные столовые вина — до 30...35 лет, крепкие вина — до 100 лет и более. Однако через определенное время начинается необратимый распад составных веществ вина: разрушаются и выпадают в осадок красящие вещества, исчезает букет, оно приобретает неприятный вкус и запах продуктов разложения. Происходит отмирание вина.
Ординарные вина реализуют в молодом возрасте, марочные вина подвергают выдержке в течение установленного срока в зависимости от типа вина: для столовых вин — не менее 1,5 лет, для крепких и десертных — не менее 2 лет. Марочные вина особо высокого качества, дополнительно выдержанные в течение не менее трех лет в бутылках, носят название коллекционных.
ПОЛУЧЕНИЕ ВИН, НАСЫЩЕННЫХ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА
К группе вин, насыщенных СО2, относят «Советское шампанское», игристые и шипучие вина.
Шампанские вина. «Советское шампанское» — это вино, полученное из шампанских виноматериалов путем вторичного алкогольного брожения в герметических сосудах под давлением. Шампанские вина отличаются приятным, тонким букетом, чистым, гармоничным, освежающим вкусом, имеют бледно-соломенную окраску с оттенком от зеленоватого до золотистого.
Процесс изготовления шампанского состоит из получения виноматериалов и проведения шампанизации.
Шампанские виноматериалы готовят в основном по технологии белых столовых вин. К сырью предъявляют повышенные требования. Используют лучшие технические сорта винограда (Шардоне, Совиньон, Рислинг, Пино фран и др.), культивируемые только в некоторых виноградарских районах. Виноград должен быть одного сорта, зрелым, здоровым, свежим, с сахаристостью 17...20 % и кислотностью 8... 11 г/л. Для приготовления виноматериалов используют только сусло-самотек и сусло первого прессования с общим выходом не более 50 дал из 1 т винограда. Брожение проводят при пониженной температуре, что способствует лучшему осветлению и сохранению букета. Молодые вина снимают с осадка и объединяют в однородные партии. Виноматериалы, поступающие на заводы шампанских вин, подвергают специальной обработке, состоящей из целого ряда операций, выполняемых в определенной последовательности. Виноматериалы обязательно подвергают деметаллизации и оклейке.
652
После отдыха проводят купаж вин разных сортов и возрастов для получения смеси, отвечающей по химическому составу, аромату и вкусу требованиям производства. Приготовленные купажи оклеивают и обрабатывают холодом (при минус 5 °C) для лучшего осветления, фильтруют, а затем удаляют кислород. Для этого в купаж вводят разводку дрожжей, которые потребляют растворенный в вине кислород. Готовые купажи до передачи на шампанизацию хранят в условиях, исключающих контакт с воздухом.
Процесс шампанизации состоит в естественном насыщении вина диоксидом углерода путем вторичного алкогольного брожения и воздействия на составные части вина ферментативных, химических и физико-химических процессов, развивающихся при выдержке шампанского. Существует три способа проведения процесса шампанизации: бутылочный, резервуарный (периодический) и непрерывный.
Производство шампанского бутылочным способом состоит из следующих операций: приготовления тиражной смеси, розлива тиражной смеси в бутылки (тираж), выдержки, переведения осадка на пробку (ремюаж), удаления осадка (дегоржаж), введения экспедиционного ликера и укупоривания, выдержки и оформления бутылок.
Тиражную смесь готовят путем ввода в подготовленный для шампанизации виноматериал разводки дрожжей чистой культуры, растворов танина и рыбьего клея в вине, а также тиражного ликера, представляющего собой раствор сахарозы концентрацией 50 % в виноматериале, подлежащем шампанизации. Вместо танина и рыбьего клея можно использовать бентонит, который способствует образованию зернистого осадка. Готовая перемешанная тиражная смесь должна содержать 10... 11 об. % спирта, 2,2 % сахара и иметь титруемую кислотность 7...8 г/л. Смесь разливают в тщательно вымытые бутылки из толстостенного стекла и закрывают корковой или полиэтиленовой пробкой, которую закрепляют металлической скобой. Бутылки укладывают в штабеля в бродильном отделении. Брожение ведут при температуре 10...12 °C в течение трех и более лет. Под действием дрожжей, введенных при тираже, в бутылках происходит медленное брожение с выделением СО2. По мере брожения скапливающийся в свободном пространстве бутылки диоксид углерода создает высокое давление (около 400 кПа), в результате чего СО2 растворяется в вине. Такое вино называют кюве. При выдержке кюве СО2 вступает в физико-химическое взаимодействие с составными частями вина, переходя в связанную форму. Наличие диоксида углерода в связанной форме обеспечивает медленное и продолжительное выделение пузырьков СО2 из вина, налитого в бокал. Это определяет игристые и пенистые свойства шампанского, его вкусовые и ароматические достоинства. В начальный период выдержки кюве в нем происходит размножение дрожжей,
653
которые потребляют азотистые вещества вина. При отмирании дрожжевых клеток идет автолиз (распад под действием собственных ферментов), что приводит к обогащению вина аминокислотами, витаминами и другими продуктами, которые принимают участие в формировании специфичных дегустационных свойств шампанского.
Для получения прозрачного вина после окончания срока выдержки проводят постепенное сведение дрожжевого осадка на пробку (ремюаж). Эту операцию осуществляют в специальных станках (пюпитрах), в которых бутылки постепенно за 1,5...2 мес переводятся из горизонтального в почти вертикальное положение, что обеспечивает концентрацию осадка на пробке без взмучивания вина. Затем удаляют осадок из бутылок (дегоржаж). Для уменьшения потери вина предварительно проводят замораживание. При снятии скобы осадок вместе с пробкой выталкивается из бутылки и сбрасывается в специальный сборник. В открытую бутылку сразу же вводят по объему экспедиционный ликер для корректировки содержания сахара в готовом шампанском. Экспедиционный ликер готовят растворением сахара в выдержанном высококачественном виноматериале с добавлением коньячного спирта и лимонной кислоты. Затем бугылки укупоривают полиэтиленовыми или корковыми пробками, закрепляемыми металлической уздечкой, и отправляют на контрольную выдержку в течение 10 сут. Шампанское, прошедшее контрольную выдержку, оформляется на специальных автоматах фольгой, этикеткой и кольереткой.
Обеспечивая высокое качество шампанского, бутылочный способ, однако, имеет серьезные недостатки: продолжительный процесс, большой объем ручных операций, требующих высокой квалификации, потребность в большом количестве производственных помещений с постоянной температурой и др.
Основным способом получения шампанского у нас в стране является непрерывная шампанизация в потоке, осуществляемая на линиях шампанских вин (рис. 155).
Рис. 155. Схема шампанизации вина в непрерывном потоке
654
Как видно из схемы, в бродильную батарею, состоящую из 6...8 последовательно соединенных аппаратов (акратофоров) 3 вместимостью 500... 1000 дал каждый, в которых постоянно поддерживается избыточное давление диоксидом углерода на уровне 0,5 МПа, непрерывно подают приготавливаемые в потоке компоненты. Их готовят так же, как и для бутылочного метода: обескислороженный купаж нагревают до 50...60 °C, вносят ликер до содержания сахара 2,2 % и направляют в напорный резервуар 1. Там его смешивают в потоке с дрожжевой разводкой, подаваемой из аппаратов 2, и направляют в бродильные аппараты. Последний бродильный аппарат в батарее выполняет роль биогенератора: он заполнен насадкой из керамических обрезков труб, на которых задерживается часть дрожжей, подвергающаяся естественному бескислородному автолизу. Вино, подвергаемое шампанизации, проходит через биогенератор в течение 36 ч, обогащаясь биологически активными веществами дрожжевых клеток. Загрузка бродильной батареи начинается с биогенератора с интервалом в 2...3 сут, а заканчивается первым бродильным аппаратом. После выбраживания до требуемого уровня создают необходимое давление с помощью диоксида углерода и устанавливают непрерывный поток сбраживаемой смеси. Шампанизацию проводят при температуре 15 °C. Выходящее из биогенератора вино, обогащенное продуктами жизнедеятельности дрожжей, охлаждают в теплообменниках 4 и 6 до минус 3...—4 °C, смешивают с экспедиционным ликером, подаваемым из резервуаров 5, выдерживают в термосах-резервуарах 7. Готовое шампанское подают на фильтр 8, а затем на розлив.
Эта принципиально новая технология шампанизации, разработанная в б. Советском Союзе, позволила с одновременным улучшением качества шампанского сократить длительность технологического цикла с 3 лет до 3 нед, в несколько раз снизить затраты высококвалифицированного ручного труда. Этот метод широко используется не только в нашей стране, но и за рубежом.
Игристые вина. Получают путем вторичного алкогольного брожения сухих и. крепленых виноматериалов в герметически закрытых сосудах по технологии, утвержденной для каждого наименования вина.
«Цимлянское игристое» вырабатывают на Дону из сухих (содержание спирта 11...12 об. %, сахара — 0,2 %) и крепленых (содержание спирта 12...13 об. %, сахара — 12...18 %) виноматериалов, получаемых из винограда Плечистик, Буланый и др. Шампанизацию проводят непрерывным способом.
Игристые мускаты вырабатывают из ароматического винограда мускатных сортов без добавления сахарозы. Купаж получают смешиванием спиртованного виноматериала (мистеля) из этих сортов с шампанским виноматериалом. Процесс шампанизации
655
проводят резервуарным периодическим методом при температуре не выше 18 °C. Игристые мускаты содержат 11,5 об. % спирта и 9... 12 % сахара, хорошо пенятся, отличаются своеобразными ароматом и вкусом.
Газированные шипучие вина. Получают искусственным насыщением диоксидом углерода осветленных вин, прошедших технологическую обработку. Введенный диоксид углерода только растворяется в вине и не вступает в физико-химическое взаимодействие с составными частями вина, что обусловливает быстрое, обильное выделение СО2 при открывании бутылки. Вкус шипучих вин имеет неприятную остроту, свойственную газированным напиткам. Представителями шипучих вин являются «Гуниб», «Машук», «Салют» и др.
БОЛЕЗНИ, ПОРОКИ И НЕДОСТАТКИ ВИН
При отклонениях в развитии вина в нем появляются различные дефекты, нарушающие естественный состав напитка, что ухудшает его качество. Ухудшение качества вин связано с развитием в них болезней, пороков и недостатков.
Болезнь вина — это такое его состояние, при котором в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит глубокое изменение его химического состава, приводящее к порче продукта. Больные вина способны заражать здоровые, поэтому в случае обнаружения заболевания вино изолируют от здоровых образцов. Проводят дезинфекцию помещения и всего инвентаря, соприкасавшегося с больным вином. Для прекращения деятельности возбудителей болезни применяют пастеризацию или суль-фитирование, а затем комплексом мероприятий восстанавливают потребительские свойства вина.
Болезни вина могут вызывать аэробные и анаэробные микроорганизмы. Наиболее часто аэробные микроорганизмы вызывают цвель вина и уксусное скисание.
Цвель вина, или винная плесень, возникает обычно в столовых винах, которые хранятся после окончания брожения в неполных емкостях при свободном доступе воздуха. Болезнь выражается в появлении на поверхности вина характерной пленки, разложении спирта до диоксида углерода и воды и разложении экстрактивных веществ вина. Вино приобретает неприятный вкус, появляется прогорклый запах. Предупредительной мерой служит хранение вин в заполненных герметически закрывающихся емкостях. Для уничтожения плесени вино обрабатывают SO2 и пастеризуют.
Уксусное скисание (уксуснокислое брожение) — наиболее распространенное заболевание вин. Болезнь вызывается уксусными бактериями, которые разносятся насекомыми (муха-дрозофила). Лучшее средство борьбы с ними — SO2. Уксусные бакте
656
рии также образуют на поверхности вина пленку. В вине происходят глубокие изменения, наиболее существенным из которых является окисление этилового спирта в уксусную кислоту. Радикальных способов лечения вин от этой болезни нет, поэтому уксусное скисание вин — это весьма опасное и трудно поддающееся лечению заболевание.
Анаэробные микроорганизмы вызывают такие болезни, как маннитное брожение, молочнокислое брожение, пропионовое брожение, прогоркание и др.
Пороки вина — это изменения его свойств, ухудшающие качество вина. Пороки вина вызываются действием химических, биохимических и физико-химических факторов. Отдельные пороки не вызывают больших изменений в составе вина, и своевременно принятые меры устраняют их без ущерба для его качества. Часть пороков приводит к необратимым, существенным изменениям. Наиболее распространенные пороки вин: черный касс, оксидазный касс, белый касс, медный касс, пороки, вносимые с виноградом и обусловленные нарушением технологии.
Черный касс возникает в результате обогащения вин железом, которое образует с дубильными и красящими веществами нерастворимые осадки от голубого до черного цвета. Для предупреждения и устранения черного касса вино обрабатывают гексациа-но-(П)-ферратом калия.
Оксидазный касс (побурение вина) вызывается ферментом эноксидазой, содержащимся в несвежем винограде, и связан с изменением дубильных и красящих веществ вина. Для прекращения действия этого фермента вино обрабатывают SO2 или пастеризуют.
Белый касс (посизение вина) — это порок белых вин, возникающий в малокислотных винах, содержащих избыток железа и фосфатных соединений. Для устранения белого касса вино обрабатывают гексациано-(П)-ферратом калия и подкисляют лимонной кислотой.
Медный касс развивается преимущественно в белых винах вследствие повышенного содержания в вине соединений меди и в результате протекания реакций восстановительного характера. Наилучшее средство предупреждения и устранения этого порока — обработка сусла и вина гексациано-(П)-фер-ратом калия.
Пороки, вносимые с виноградом, обусловленные нарушением технологии, — это чаще всего появление в вине неприятных, несвойственных ему привкуса и запаха.
Недостатки вина — это резкие изменения его состава, обусловливающие негармоничность вкуса. Между пороками и недостатками нет резкой границы. Недостатки, как правило, устраняются соответствующей технологической обработкой вина.
657
ПОЛУЧЕНИЕ КОНЬЯКОВ
Ассортимент и характеристика коньяков. Коньяк — крепкий алкогольный напиток, обладающий специфическими цветом, букетом и вкусом, получаемый перегонкой молодых виноградных вин с последующей выдержкой в течение не менее трех лет.
В зависимости от срока выдержки и качества коньяки делят на ординарные, марочные и коллекционные.
К ординарным коньякам относят напитки, полученные из коньячных спиртов со сроком выдержки от 3 до 5 лет. Срок выдержки обозначается звездочками. Крепость ординарных коньяков от 40 до 42 об. %.
Марочные коньяки готовят из коньячных спиртов со сроком выдержки свыше 6 лет. Крепость марочных коньяков от 40 до 57 об. %.
Коллекционные коньяки готовят из марочных коньяков, дополнительно выдержанных не менее трех лет в дубовых бочках или бутах.
Основные технологические операции коньячного производства: приготовление виноматериалов, получение и выдержка коньячных спиртов, купаж, обработка и выдержка коньяков.
Приготовление виноматериалов. Виноматериалы для коньячного производства готовят по белому способу из белых или красных сортов винограда, имеющих цветочный или нейтральный аромат: Сильванер, Плавай, Алый терский, Ркацители и др. В коньячном производстве используют здоровые, неосветленные вина, содержащие дрожжевые клетки, летучие ароматические вещества (энантовый эфир и др.), переходящие при перегонке в дистиллят и способствующие образованию специфических вкуса и аромата. Вина должны отличаться малой экстрактивностью, отсутствием сильно выраженного аромата и окраски. Вина с ярко выраженным ароматом или с посторонними привкусами и запахами непригодны для выработки коньяка вследствие их передачи готовому напитку. Коньячные виноматериалы должны содержать не менее 8 об. % спирта, до 0,2 % сахара, не более 1,5 г/л летучих кислот и не менее 4,5 г/л титруемых кислот, участвующих в образовании сложных эфиров при перегонке.
Получение и выдержка коньячных спиртов. Коньячные виноматериалы подвергают перегонке таким образом, чтобы в отгоняемом спирте сохранить часть летучих соединений (эфиры и кислоты), принимающих участие в создании характерных аромата и вкуса коньяка.
Для перегонки коньячных виноматериалов используют простую перегонку с последующей перегонкой спирта-сырца, однократную перегонку с фракционированием дистиллята либо непрерывную перегонку на специальных установках. При простой перегонке сначала выделяют спирт-сырец крепостью 22...35 об. %,
658
содержащий все летучие примеси, который затем подвергают вторичной перегонке. При этом отделяются головные, средние и хвостовые фракции. Для приготовления коньяка используют среднюю фракцию, крепость, которой составляет 62...70 об. %. Простой перегонкой получают коньячные спирты для марочных коньяков.
Коньячный спирт — бесцветная прозрачная жидкость со специфическим ароматом и довольно резким вкусом. Кроме этилового спирта он содержит различные летучие примеси, переходящие в дистиллят из вина и образующиеся в процессе перегонки. Содержание этих соединений в коньячном спирте зависит не только от состава виноматериала, но и обусловлено способами и режимами перегонки.
Коньячные спирты выдерживают в дубовых бочках вместимостью 30...50 дал или в эмалированных резервуарах, в которых равномерно распределена дубовая клепка.
В резервуарах выдерживают только коньячные спирты для ординарных коньяков. При длительной выдержке в дубовых бочках в коньячном спирте происходит ряд сложных физико-химических процессов. В коньячный спирт переходят из дубовой древесины растворимые высокомолекулярные соединения (лигнин, таниды, гемицеллюлозы и др.), претерпевающие в процессе выдержки ряд превращений. Лигнин образует ароматические соединения, окисление танидов смягчает вкус, предотвращает окисление ароматических веществ. Гемицеллюлозы под влиянием естественной кислотности коньячного спирта гидролизуются с образованием соответствующих сахаров, что также способствует смягчению вкуса.
В процессе выдержки уменьшается крепость коньячного спирта за счет его частичного испарения, а также за счет его взаимодействия с составными частями коньячного спирта и кислородом воздуха. Химические процессы, протекающие при выдержке, способствуют созданию характерного букета.
Все эти и другие сложные процессы, происходящие при выдержке, обусловливают получение коньячного спирта с янтарно-коричневой окраской, сложными гармоничными вкусом и ароматом.
Купаж, обработка и выдержка коньяков. Вследствие неоднородности коньячных спиртов по вкусу, аромату и крепости однородные партии получают путем купажирования различных коньячных спиртов.
Так как крепость коньячных спиртов выше крепости изготовляемых коньяков, крепость коньяков специально понижают подготовленными спиртованными водами, которые получают из дистиллированной или умягченной воды пугем смешивания с коньячным спиртом среднего возраста, используемым для купажа, до крепости 20...25 об. %. Затем смесь выдерживают в дубовых бочках в течение месяца, что позволяет получать темноокрашенные
659
ароматические жидкости, уменьшающие крепость коньячных спиртов без снижения экстрактивности и интенсивности окраски.
С целью придания коньякам мягкого вкуса и установления кондиции по содержанию сахара в купаж вводят сахарный сироп, выдержанный определенное время в дубовых бочках в смеси с коньячным спиртом крепостью 30...35 об. %, а для ординарных коньяков, не имеющих развитой окраски, вводят колер.
Полученный смешиванием коньячных спиртов, спиртованных вод и сахарного сиропа купаж тщательно перемешивают и выдерживают в дубовых бутах или эмалированных резервуарах с дубовыми клепками не менее 3 мес для ординарных коньяков и не менее 6 мес для коньяков высшего качества. Выдержке предшествует обработка купажа, которая включает оклейку, обработку гексациано-(П)-ферратом калия и фильтрование. После окончания необходимого срока выдержки коньяки обрабатывают холодом при температуре минус 8...—12 "С в течение 5...10 сут, фильтруют при этой же температуре и разливают в бутылки.
РОЗЛИВ, МАРКИРОВКА И ХРАНЕНИЕ ВИН И КОНЬЯКОВ
Виноградные вина разливают в бутылки вместимостью 0,5 и 0,75 л, а также в посуду другой вместимости в соответствии с действующими техническими условиями. Игристые вина разливают в бутылки вместимостью 0,4 и 0,8 л, коньяки — в бутылки вместимостью 0,5; 0,25 л и сувенирные. На винзаводах используют в основном линии розлива отечественного производства Б2-ВЛВ производительностью 6 тыс. бут/ч, осуществляющие следующие операции: мойку и подготовку бутылок, розлив напитков, укупорку, бракераж, отделку бутылок и упаковку их в ящики.
На этикетках указывают наименование предприятия, название напитка, вместимость, крепость, сахаристость, номер стандарта.
На бутылки с марочным вином наклеивают кольеретку, на которой указывают год урожая винограда, для ординарных коньяков — количество звездочек, а для марочных и коллекционных — название марки или группы коньяков.
Хранят вино при температуре 8...16 “С без доступа света. Полусладкие вина хранят при температуре от минус 2 до плюс 8 °C.
Качество вина определяется по органолептическим показателям (прозрачность, цвет, вкус, букег, типичность), оцениваемым по десятибалльной системе.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
При производстве виноградных вин образуются побочные продукты и отходы производства, представляющие собой ценные вторичные материальные ресурсы (BMP). Эти отходы виноделия (виноградные выжимки, гребни, дрожжевые и гущевые осадки и
660
Г ребни
Выжимки
			
Спирт			Винная кислота
Уксус			Энанто-вый эфир
Энокраситель			Эн омел а-нин
Рис. 156. Технологическая схема переработки отходов и получения вторичных продуктов из винограда
Дрожжевые и гущевые осадки
Коньячная барда
др.) составляют до 20 % объема перерабатываемого винограда. При рациональном использовании этого вторичного сырья ежегодно можно получать до 5 млн дал этилового спирта, 6 тыс. т винной кислоты, 18 тыс. т виноградного масла, более 150 тыс. т кормовой муки и гранулированных кормов и других ценных пищевых продуктов и кормов. На рис. 156 показаны основные отходы виноделия и получаемые из них вторичные продукты комплексной переработки винограда.
Контрольные вопросы
1.	Что представляют собой столовые вина?
2.	В чем отличие игристых вин от шипучих?
3.	Каковы особенности производства красных вин?
4.	Как получают крепленые вина?
5.	В чем суть обработки и выдержки вин?
Глава 29
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСЕРВИРОВАНИЯ ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ
Консервированием называется способ обработки пищевых продуктов, предохраняющий их от порчи, прежде всего микробиологической, и позволяющий удлинить сроки их хранения. Несмотря на множество способов консервирования и разнообразие факторов воздействия на продукт, класси
661
ческой остается классификация Я. Я. Никитского, предложившего принципы, на которых основано большинство способов консервирования.
ПРИНЦИПЫ КОНСЕРВИРОВАНИЯ
Первый принцип — поддержание жизненных процессов, происходящих в сырье и препятствующих развитию микроорганизмов. Принцип биоза — основа для хранения свежих плодов, ягод и овощей.
Известно, что естественный иммунитет против различного рода заболеваний определяет сопротивляемость растений действию микроорганизмов и, следовательно, удлиняет сроки их хранения, предотвращая порчу. Иммунные сорта обладают способностью вырабатывать вещества определенного химического состава, не позволяющие развиваться основным возбудителям порчи растения. Многие из них полностью невосприимчивы к специфическим возбудителям порчи данного вида плодов или овощей. Таким образом, подбор сортов — это одно из основных условий при хранении сочного растительного сырья.
Второй принцип — подавление жизнедеятельности микроорганизмов воздействием различных физических или химических факторов.
Принцип анабиоза основан на том, что подавляются (но не полностью) жизненные функции как микроорганизмов, так и подвергнутых обработке продуктов. Характерным примером использования этого принципа является хранение сочного растительного сырья в регулируемой газовой среде, т. е. в среде, где количество кислорода значительно снижено, а количество диоксида углерода повышено по сравнению с содержанием в атмосфере воздуха. Регулируемая газовая среда кроме СО2 может содержать другие инертные газы, например окись углерода, азот.
Классическим примером анабиоза можно назвать способ хранения растительного сырья в условиях пониженных температур, позволяющих задержать жизненные функции продукта и развитие на нем микроорганизмов.
К принципу анабиоза можно отнести и способ хранения пищевых продуктов при высоком осмотическом давлении (при больших концентрациях в среде сахара или соли жизнедеятельность микроорганизмов замедляется или прекращается), в высушенном состоянии.
Третий принцип — прекращение жизнедеятельности микроорганизмов и жизненных процессов в растительном сырье.
К этому процессу относятся все способы воздействия, при которых полностью погибают микроорганизмы за счет необратимых изменений, возникающих в их тканях. Такие изменения происходят в микроорганизмах под действием высоких темпера
662
тур, электрических токов, ультразвука, высоких доз ионизирующей радиации и т. д. Стерилизующий эффект, который достигается, как правило, при жестких режимах обработки, вызывает значительные изменения и в растительном сырье, часто ухудшая его вкус, цвет, аромат и снижая пищевую ценность. Поэтому разработка режимов стерилизации должна преследовать и другую, не менее важную задачу — сохранить качество консервированного продукта.
Таким образом, к способам консервирования сочного растительного сырья можно отнести все способы хранения его в свежем виде, так как повысить лежкость плодов и овощей можно, только создавая специальные условия и воздействуя различными факторами (температура, относительная влажность воздуха, газообмен, создание определенного состава атмосферы и т. д.).
К консервированию растительного сырья относятся также все способы обработки, воздействие которых позволяет получить продукты нового качества и удлинить сроки их хранения. К ним относятся тепловая обработка, замораживание, сушка, соление, квашение, маринование, копчение, обработка антисептиками, сахаром, консервантами и т. д.
Все способы переработки сочного растительного сырья так же, как и способы хранения его длительное время в свежем виде, осуществляют консервированием продукции. Но при переработке образуются качественно новые продукты, жизненные функции которых подавлены частично или полностью. Это связано с различными факторами воздействия на растительное сырье, а также внесением добавок (соль, сахар и т. д.). Необходимо отметить, что хранение свежих плодов, ягод и овощей может завершиться реализацией их в свежем виде, но они же могут служить сырьем для переработки. В данном случае хранение и переработка дополняют друг друга и преследуют одну цель — сохранить качество продукта и его пищевую ценность.
Способы переработки плодов и овощей можно разделить на 5 групп в зависимости от факторов воздействия: физические (температура, сушка, ионизирующая радиация, электрические токи и т. д.), химические (антисептики, консервирующие средства), физико-химические (осмотически деятельные вещества), биохимические (квашение, соление), комбинированные (тепло и консервирующие средства).
Все виды сырья, подвергаемые переработке, проходят определенные стадии технологического процесса, многие из которых повторяются при разных способах консервирования. Повторяются также требования к сырью, таре, методам выявления видов брака и т. д.
Поэтому сначала будут рассмотрены общие приемы и требования, используемые в технологии консервирования.
663
ОСНОВНОЕ СЫРЬЕ
Сырье, применяемое для консервирования, подразделяют на следующие группы:
семечковые плоды (яблоки, груши, айва и др.), косточковые плоды (черешня, вишня, слива, абрикосы, персики, кизил и др.), ягоды (виноград, земляника, крыжовник, смородина и др.), орехи, тропические и субтропические плоды (апельсины, лимоны, мандарины и др.);
овощи подразделяют на плодовые (томатные, бобовые, зерновые и тыквенные) и вегетативные (клубнеплоды, корнеплоды, капустные, шпинатные, салатные, луковичные, пряные, листовые и десертные).
При производстве консервов большое значение имеет правильный выбор сырья с учетом его целевого назначения. При этом учитывают урожайность сырья с большим выходом стандартных плодов, естественный иммунитет его против болезней и сельскохозяйственных вредителей, вегетационный период развития (скороспелость), способность к послеуборочному дозреванию. Важно, чтобы плоды, ягоды и овощи имели форму, удобную для механизированной уборки, были стойкими к механическим повреждениям, имели оптимальное соотношение в содержании различных частей (плодоножка, кожица, мякоть, косточки или семена), наиболее ценный химический состав.
Чтобы обеспечить перечисленные требования, необходимо постоянно заниматься не только подбором сортов для консервной промышленности, но и селекцией новых, сочетающих в себе все необходимые свойства.
Например, селекцию новых сортов томатов ведут так, чтобы они были пригодны для механизированной уборки урожая, т. е. чтобы томаты одновременно созревали на определенной площади, имели однородную форму куста, были стойки к механическим воздействиям и вместе с тем соответствовали всем технологическим требованиям (плоды определенных размеров, высокое содержание сухих веществ, отсутствие пятен прозелени и т. д.).
Для удлинения сезона работы в сырьевой зоне завода выращивают сорта с разными сроками созревания (ранние, средние и поздние), регулируя сроки высадки рассады.
Косточковые плоды, используемые для компотов, должны иметь определенные размеры и форму, интенсивную, стойкую к тепловой обработке окраску, не развариваться.
Используемые для сушки овощи должны быть устойчивыми к инфекционным заболеваниям (сезон переработки овощей длителен), содержать большое количество сухих веществ и иметь определенный химический состав, позволяющий избежать потемнения их тканей при технологической переработке и в процессе сушки.
664
Для консервной промышленности важное значение имеет выращивание в определенном соотношении в зоне завода различных плодовых и овощных культур. Правильный подбор соответствующих видов плодов и овощей позволяет заводу ритмично перерабатывать в течение 6...8 мес в году свежее сырье, а в остальное время — полуфабрикаты.
Плоды, ягоды и овощи имеют три стадии зрелости: физиологическую, характеризующуюся окончанием роста организма и наличием зрелых семян; потребительскую, т. е. полную, наиболее пригодную для использования в пищу, и техническую — неполную стадию зрелости, когда плоды окончательно сформировались, имеют определенные размеры, форму, хорошие естественный вкус, цвет, аромат и плотную ткань. Переработка плодов и овощей в технической стадии зрелости обеспечивает наилучшее качество консервной продукции.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ
Вода, применяемая при производстве консервов, должна удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к питьевой воде. В соответствии с ГОСТом состав и свойства питьевой воды должны обеспечивать ее санитарную безопасность, безвредность химического состава, хорошие органолептические показатели. Она должна быть прозрачной, бесцветной, обладать приятным вкусом, не иметь запаха. Вода не должна содержать болезнетворных микробов, общее количество бактерий в 1 мл воды не должно превышать 100. Титр кишечной палочки (наименьшее количество воды в 1 мл, в котором обнаружена кишечная палочка) должен быть не менее 300.
В воде не должно быть токсичных для человека веществ, в том числе аммиака и сероводорода.
Большое значение для технологических целей имеет показатель жесткости воды. Общая жесткость должна быть не более 7 мг-экв. на 1 л.
Сахар-песок должен быть белого цвета, чистым, сухим, сыпучим, без комков, сладким, без посторонних запахов и вкуса. Содержание влаги до 0,15 %, золы — 0,05 %.
Для консервирования применяют соль поваренную, пищевую высшего или I сорта. Она должна быть чистой, без механических загрязнений, белого цвета, с незначительным сероватым или желтоватым оттенком. Содержание влаги до 0,5...0,6 %, нерастворимых примесей — 0,05... 1 %.
Растительные масла и жиры используются для производства овощных консервов. В основном это рафинированное подсолнечное масло, прозрачное, без посторонних вкуса и запаха, с кислотным числом не более 0,4.
665
Допускается применять хлопковое или нерафинированное подсолнечное масло.
Перед употреблением все растительные масла следует прокаливать.
В производстве обеденных блюд и полуфабрикатов используют некоторые животные жиры — свиной, говяжий, костный.
При изготовлении консервов для детского питания используют сливочное масло.
Уксус и уксусную эссенцию желательно использовать биологического происхождения. Уксус содержит 3...6 %, а эссенция — 80 % уксусной кислоты.
Лимонная и винная кислоты должны содержать не менее 99,5 % кислоты и не более 0,1...0,35 % золы. Не допускается наличие в них мышьяка и солей тяжелых металлов.
В консервной промышленности используют следующие пряности: перец черный душистый, лавровый лист, гвоздику и корицу. Наряду с сухими пряностями используют экстракты, которые представляют собой вытяжки ароматических веществ пряного сырья, полученные с помощью сжиженного диоксида углерода.
СБОР, ДОСТАВКА, ПРИЕМКА И ХРАНЕНИЕ СЫРЬЯ
Сбор плодов и овощей, загрузка и разгрузка транспорта, как правило, очень трудоемкие операции. Поэтому в промышленности эти операции механизируют. Необходимым условием для эффективной механизированной уборки является выведение пригодных для этого вида обработки сортов. В плодоводстве это выражается в том, что дерево или куст должны быть компактными, плоды и овощи — вызревать одновременно и быть прочными, легко отделяющимися от материнского растения.
Для уборки томатов, зеленого горошка, капусты, огурцов, лука, для срезания гроздей винограда используют комбайны, для сбора ягод — уборочные машины. Плоды сбрасывают с деревьев при помощи вибраторов, помещая под дерево брезентовый поддон. Основная цель при сборе урожая — сохранить целостность тканей, не допустить механических ударов, приводящих впоследствии к повреждению кожицы и появлению пятен. Нарушение целостности тканей вызывает вытекание сока, а следовательно, потерю сухих веществ, а при хранении, даже непродолжительном, способствует развитию микроорганизмов и значительным потерям сырья в результате микробиологической порчи.
В зависимости от вида сырья применяют различные способы его доставки на предприятия. Сырье доставляют в ящиках различной вместимости, решетчатых контейнерах, навалом, соблюдая основное требование: сырье должно сохранять свое качество, не иметь механических повреждений и вмятин.
666
К таре, используемой для транспортирования и хранения сырья, предъявляются два требования: она должна быть подвергнута тщательной санитарной обработке, размер ее и качество материала должны быть выбраны в соответствии со свойствами сырья. Плоды и овощи при транспортировании повреждаются значительно реже, если они находятся в таре — контейнерах, ящиках, лотках, картонных коробах, полиэтиленовых пакетах, тканевых мешках и сетках, на решетах.
Для доставки сырья с сырьевых зон консервных заводов используют в основном автомашины.
Ящики с сырьем массой 16...20 кг устанавливают на деревянные поддоны, которые подают на автомашину или снимают с нее при помощи автопогрузчика с вилочным захватом.
Практикуется перевозка овощей в контейнерах вместимостью от 300 кг до 1 т, которые состоят из отдельных секций. Площадь секции 0,8 х 0,6 м, высота 0,2; 0,3 и 0,4 м.
Овощевозы для перевозки овощей с грубой тканью имеют вместимость 0,45 м3. При перевозке легко повреждаемых плодов делают отдельные секции для уменьшения объема. Овощи и плоды, имеющие легко повреждаемые ткани, перевозят на стеллажах в самосвалах.
Фасоль, сахарную кукурузу, шпинат, тыкву, цветную капусту перевозят в корзинах — поддонах вместимостью около 1 т. Зеленый горошек в зернах, а также целые томаты перевозят в цистернах с холодной водой в соотношении 2:1. Это позволяет замедлить их перезревание, сократить механические потери.
Если сырье (дробленая томатная масса, виноградная мезга и т. д.) первоначально обрабатывают на первичных пунктах сырьевой зоны, то его доставляют на завод в автоцистернах.
Обязательное условие при транспортировании сырья, особенно в оборотной таре, — санитарная обработка.
При приемке качество плодов и овощей определяют по специальным ГОСТам. В настоящее время на заводах используют экспресс-анализы, позволяющие быстро и объективно оценить сырье и предсказать качество получаемой из него продукции.
Хранят сырье на крытых сырьевых площадках или в сухом, хорошо вентилируемом помещении с цементным или асфальтовым покрытием или в холодильных помещениях.
В консервной промышленности используют в основном сырье, хранившееся недлительное время — от нескольких часов до нескольких суток. Однако отдельные виды сырья (картофель, морковь, свекла, лук, капуста, яблоки) хранят месяцами.
Сроки хранения растительного сырья определяются их физиологическими особенностями, прежде всего их способностью сопротивляться инфекции и дозревать в процессе хранения. Большую роль играет инфекционная нагрузка, т. е. степень зараженности сырья микроорганизмами.
667
Сырье должно сразу поступать на переработку, однако необходимо учитывать объективные причины (неритмичность поступления сырья на заводы, невозможность переработки сырья ввиду перегрузки технологических линий). В таких случаях сырье необходимо хранить с наименьшими потерями, возникающими за счет микробиологических, биохимических и химических процессов в его тканях.
Сырье следует хранить на сырьевых площадках цехов при режимах, которые складываются с учетом погодных условий, и в специальных складах с искусственным охлаждением. На всех партиях должны быть вывешены ярлыки с указанием товарного сорта и времени поступления на завод.
На сырьевых площадках сроки хранения выражаются в часах, иногда достигают нескольких суток. В охлажденных складах сроки хранения можно увеличить в несколько раз.
Исключение составляет сырье, сроки хранения которого исчисляются месяцами (клубнеплоды, корнеплоды, лук, капуста, яблоки зимних сортов и т. д.). Для них предусматривают специальные условия хранения: строгое регулирование температуры и поддержание ее на оптимальном уровне для каждого вида сырья; создание оптимальной относительной влажности воздуха; вентилирование (если необходимо — активное) хранилищ; регулирование состава газовой среды в камерах и т. д.
Хранят сырье обычно в той таре, в которой оно прибыло на переработку. Ящики устанавливают в штабеля высотой до 2 м, ящичные поддоны и контейнеры — в три яруса.
Для циркуляции воздуха оставляют расстояние между штабелями не менее 10 см.
Размеры сырьевой площадки определяются часовой производительностью цеха по переработке данного вида сырья. Нагрузка на 1 м2 30...60 кг сырья.
Высота ящичных поддонов (штабеля) 4,3...5,5 м. Должны быть предусмотрены зазоры между верхним штабелем и потолком (20...30 см) и между штабелем и стенами (40...60 см).
На длительное хранение закладывают сырье после сортирования, просушки и отбора поврежденных экземпляров. Сырье хранят россыпью в закромах или навалом по всей площади хранилища. На длительное хранение закладывают преимущественно корнеплоды, капусту, лук, яблоки и груши зимних сортов. Можно хранить сырье и в таре — ящиках, ящичных поддонах, контейнерах и т. д. с учетом физиологических особенностей сырья.
Для хранения используют также ямы, траншеи, бурты, где созданы условия, обеспечивающие поддержание температуры на уровне 1...3 ‘С (высота и длина траншеи, укрытие буртов и т. д.).
668
ОБЩИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ КОНСЕРВИРОВАНИИ ПЛОДОВ И ОВОЩЕЙ
Из плодоовощного сырья можно получить большой набор разнообразных видов консервированной продукции.
Технологические схемы производства консервов различаются в зависимости от вида перерабатываемого сырья и назначения готового продукта. Однако существуют отдельные способы обработки, используемые только при производстве определенной группы консервов или включенные как самостоятельные этапы в технологию производства разных видов консервов. Имеются и обязательные операции для всех видов сырья.
Сортирование, мойка, очистка сырья. Большое влияние на получение высококачественных консервов оказывает однородность сырья по размерам, цвету и степени зрелости.
От этого зависят выбор технологического режима обработки сырья, качество готовой продукции.
Процесс, при котором отбирают гнилые, битые, неправильной формы плоды и посторонние примеси, называется инспекцией. Инспекция сочетается с сортированием, при котором плоды разделяют на фракции по цвету и степени зрелости. Инспекция — важный технологический процесс, так как позволяет удалить сырье, легко подвергаемое порче и ухудшающее качество готовой продукции. Инспекцию проводят на ленточных транспортерах с регулируемой скоростью движения конвейера (0,05...0,1 м/с).
Один из прогрессивных способов —- это электронное сортирование, осуществляемое с учетом интенсивности и оттенка цвета плодов (например, зеленые, бурые и спелые томаты).
Процесс разделения сырья по различным признакам часто называют калиброванием.
Например, зеленый горошек калибруют либо по размерам, либо по плотности в зависимости от сорта. Оба способа позволяют делить зерна по содержанию крахмала, которое должно быть минимальным. Зерна горошка в стадии технической зрелости всплывают в растворе NaCl плотностью 1,03... 1,05 г/см<
Томаты сортируют по размерам и степени зрелости на транспортерах, вручную.
Калибрование, предусматривающее сортирование сырья по размерам, позволяет механизировать операции по очистке, резке, фаршированию овощей, регулировать режимы стерилизации, сократить расходы сырья при чистке и резке.
Плоды калибруют, используя тросовые, валковые, дисковые, шнековые, диафрагмовые и другие калиброватели, сортирующие их по массе или размеру.
Барабанные калиброватели используют для плодов и овощей круглой формы (зеленый горошек, картофель и др.); тросовые —
669
для слив, вишен, абрикосов, моркови, огурцов; валиколенточные — для яблок, томатов, лука и огурцов.
Мойка позволяет удалить с поверхности сырья остатки земли, следы ядохимикатов, снижает обсемененность микроорганизмами. В зависимости от вида сырья используют разные типы моечных машин.
Зеленый горошек моют во флотационной моечной машине, в которой отделяются легковесные и раздробленные зерна и легкие примеси. Тяжелые примеси оседают на дно.
Бобы фасоли моют в вентиляторных или встряхивающих машинах; початки кукурузы — в ротационной конусной моечной машине, в барабан которой подают воду под давлением 200...300 кПа.
Томаты, баклажаны, кабачки, перец моют последовательно в элеваторной и вентиляторной моечньгх машинах и инспектируют на транспортере.
Свеклу моют последовательно в барабанной и вибрационной моечных машинах, а при сильном загрязнении предварительно обрабатывают в лопастной моечной машине.
Зелень (шпинат, салат и др.) моют под душем при давлении воды в водопроводе 200...300 кПа.
Косточковые плоды моют в вентиляторных или моечно-встряхивающих машинах, семечковые — последовательно в роторных и вентиляторных машинах, ягоды — под душем.
На многих консервных предприятиях отечественной промышленности эксплуатируют моечные комплексы, входящие в состав комплексных линий по переработке разных видов плодов и овощей. Это моечные машины фирмы «Единство» (СФРЮ), «Комплекс» (ВНР), «Росси и Котелни», «Тито Манцини» (Италия) и др. В этих комплексах проводят следующие операции: отмочку сырья, предварительную мойку, мойку, ополаскивание и инспекцию.
Плоды и овощи очищают разными способами в зависимости от их физиологических особенностей и целей переработки.
Зеленый горошек очищают от примесей на зерновом сепараторе с системой сит, совершающих колебательное движение.
Корнеплоды и клубнеплоды очищают от кожицы механическим способом, используя машины с терочной поверхностью; термическим, при котором оказывается комбинированное воздействие паром и температурой (0,3...0,5 МПа, 140... 180 °C) и удаляется слой кожицы 1...2 мм в моечно-очистительных машинах; химическим, воздействуя на поверхностный слой раствором горячей щелочи (соответственно 8...12%-й раствор, 90...95 °C, 5...6 мин).
Плоды семечковых очищают от кожицы на специальных машинах с вращающимися стержнем и ножами. Можно проводить очистку плодов химическим способом (2... 10%-й раствор щелочи, 100 °C, 1...6 мин), обжигом (343...371 °C, 12...16 с), паром
670
(10 с при давлении 1 МПа) с последующим удалением кожицы струей воды, инфракрасными лучами.
При очистке удаляются несъедобные части плодов и овощей (кожура, плодоножки, косточки, семечки, семенные гнезда и г- Д.)-
Измельчение сырья, резка и другие операции. Сырье измельчают при производстве многих видов консервов. Степень измельчения определяет в дальнейшем интенсивность других технологических операций, качество продукта и др.
Так, тонкое измельчение плодов позволяет увеличить выход сока при прессовании, однако наличие большого количества мелких частиц затрудняет отделение сока от мякоти.
Тип дробильной машины зависит от вида сырья, структуры его тканей и цели измельчения. Плоды твердой структуры, например яблоки, можно измельчить до кашицеобразного состояния на быстроходных ножевых дробилках и до состояния, позволяющего пропускать измельченный продукт через сито, на молотковых дробилках. Желательно, чтобы дробильные машины позволяли получить сырье с заданным гранулометрическим составом. Например, на молотковой дробилке типа 1-63 гранулометрический состав мезги следующий; частицы размером от 1 до 3 мм — 20 %, от 3 до 5 мм — 30, от 9 до 12 мм —- 10 %. Диаметр отверстий сита 12 мм.
При дроблении плодов с мягкой тканью на дробилках с ситами, имеющими отверстия малого диаметра, в мезге повышается содержание очень мелких частиц. Извлечение сока из такой мезги затруднено, так как при прессовании отсутствует дренажная система.
При дроблении винограда важно добиться не только увеличения выхода сока, но и получить сок высокого качества. Увеличение в соке мокрых взвесей приводит к тому, что во вкусе и аромате присутствуют окисленные тона. Эти явления наблюдаются при использовании ударно-центробежных дробилок.
Измельчение плодов и овощей на кусочки определенного размера и формы производится на резательных машинах. Сырье может быть нарезано в виде брусков, кубиков, кружков, прямоугольников и т. д.
Некоторые виды плодов и овощей требуют удаления косточек, плодоножек, семян. Эти операции также осуществляются на специальных машинах.. Вручную производят процесс доочистки.
Тепловая обработка сырья. После мойки, очистки и измельчения или резки сырье, как правило, подвергают кратковременной тепловой обработке паром, водой или водными растворами солей, сахара или органических кислот. Этот процесс называют бланшированием. Цель его — инактивировать ферменты растительных тканей, в первую очередь окислительно-восстановительного комплекса, снизить обсемененность продукта микроорга
671
низмами, удалить частично воздух из тканей сырья, а также вещества, придающие ему нежелательный вкус или запах. Бланширование способствует сохранению цвета продукта, улучшает его консистенцию и вкус.
Для предотвращения потерь растворимых в воде ценных компонентов бланширование чаще осуществляют паром.
Зеленый горошек, бобовые бланшируют в воде 3...7 мин при температуре 75...90 °C в барабанных или шнековых бланширова-телях. При бланшировании паром продолжительность процесса 1...5 мин. Чтобы сохранить зеленый цвет горошка, лучше проводить бланширование в жесткой воде. Соли Са и Mg нейтрализуют частично органические кислоты и предотвращают процесс превращения хлорофиллов в бурые по окраске феофитины.
Цветную капусту бланшируют до отбеливания 2 мин при температуре 97 °C в 1 %-м растворе поваренной соли с добавлением лимонной кислоты (0,015 %).
Перец сладкий бланшируют паром в течение 1...2 мин, капусту — 3...4, а баклажаны и кабачки — 3...5 мин.
Бланширование позволяет удалить летучие вещества, придающие продукту неприятный запах, цвет или горький привкус. Так, для удаления горечи баклажаны бланшируют в 1,5...2%-м растворе NaOH, сернистые соединения капусты удаляют кипячением в воде и т. д.
Бланширование повышает проницаемость клеток тканей плодов и овощей, что облегчает пропитывание их сахарным сиропом или извлечение сока.
Тепловые аппараты, предназначенные для предварительной обработки сырья, в зависимости от способа и цели нагревания продукта классифицируют на бланширователи, шпарители и подогреватели. Аппараты каждой из этих групп подразделяют на аппараты периодического и непрерывного действия. Они работают при атмосферном давлении, вакууме и избыточном давлении, могут быть снабжены нагревательной камерой и барботерами.
Наиболее широко в консервной промышленности используются водяные и паровые ленточные бланширователи для сладкого перца, зеленого горошка, капусты, картофеля, яблок и т. д. Используют также ковшовые бланширователи, барабанные, карусельного типа, а также шнековые.
Для предотвращения потемнения тканей семечковые плоды (яблоки, груши) бланшируют в воде, подкисленной лимонной кислотой (0,1...0,2%-й раствор), что позволяет не только ускорить инактивацию ферментов, но и предотвратить окисление фенольных соединений за счет действия кислорода воздуха.
Для предупреждения разваривания плодов, особенно кислых, их рекомендуется бланшировать в 35%-м растворе сахарозы при температуре 80...90 °C в течение 4...5 мин.
В отдельных технологических схемах предусмотрено развари
672
вание плодоовощного сырья в кипящей воде или паром для разрушения структуры тканей и облегчения протирания продукта. Процесс разваривания осуществляют при производстве фруктового или овощного пюре, соков с мякотью, повидла, консервов для детского или диетического питания. Для этих целей используют шнековые и шахтные шпарители (открытые и закрытые) или установки непрерывного действия. Продолжительность разваривания 15...25 мин при температуре 100... НО °C в зависимости от вида сырья, сорта, степени зрелости, размеров и т.д.
В консервном производстве часто используют подогрев жидких и пюреобразных продуктов, преследуя различные цели. Так, в производстве концентрированных томатопродуктов, томатного сока и пюре подогрев помогает размягчить ткани, легче удалить кожицу и семена, снизить отходы за счет перехода части протопектина в растворимый пектин.
Предварительный подогрев способствует удалению воздуха из тканей, предотвращая тем самым образование пены в дальнейших операциях, инактивирует ферменты, удаляет часть микрофлоры, обеспечивает более быстрое закипание продукта, например в выпарных аппаратах.
В зависимости от вида продукта и цели подогрев осуществляют при 85... 125 °C в течение различного времени. Для некоторых продуктов (в основном с низким значением pH) подогрев может заменять процесс стерилизации, однако для этого должен быть выполнен ряд условий (стерильная тара, крупные емкости и т. д.).
В консервной промышленности существуют специфические технологии, например производство разных видов закусочных консервов, некоторых полуфабрикатов для общественного питания и др., в которых предусмотрены процессы обжаривания овощей или пассерование. Обжаривание придает овощам специфический вкус и золотистый цвет, повышает их калорийность. Масса сырья при этом уменьшается от 30 до 50 %, овощи впитывают от 4 до 27 % масла (к массе обжариваемого продукта) в зависимости от их вида. Температура масла при обжаривании 120...150 °C.
Пассерование овощей — это легкое, менее продолжительное обжаривание в паромасляных печах при температуре 120... 140 °C. Потери массы при пассеровании должны быть не выше 30 %.
Продолжительность обжаривания зависит от вида и размера продукта, количества удаляемой влаги, температуры массы, поверхности нагрева. Продолжительность обжаривания овощей в паромасляных печах составляет от 5 до 20 мин.
Обжаривание и пассерование проводят в растительном масле или животном жире. При выборе масла или жира учитывают его биологическую ценность, органолептические свойства, физико-химические показатели (температура плавления и застывания,
673
удельный вес, вязкость, коэффициент преломления, кислотное, йодное и перекисное числа и т. д.), вкус, цвет, запах, прозрачность.
Под воздействием теплоты в продукте происходят различные процессы: выделение и удаление влаги, сложные превращения компонентов продукта (свертывание белков, клейстеризация крахмала, карамелизация сахаров, разрушение протопектина, изменения пигментов и т. д.). Все эти процессы следует строго контролировать во избежание обугливания поверхности продукта, ухудшения его цвета, вкуса и аромата, разваривания внутренних слоев и т. д.
Для обжаривания используют паромасляные печи, в которых в качестве теплоносителя используют насыщенный водяной пар. В качестве загрузочно-дозирующего устройства используют элеватор «гусиная шея». Лента транспортера с овощами движется через ванну с маслом длиной 5...6,5 м.
Протирание, гомогенизация, деаэрация. При получении концентрированных томатопродуктов, соков с мякотью, продуктов детского питания дробленое и подогретое сырье протирают на протирочных машинах. Подогревание до 75...90 °C позволяет перевести частично нерастворимый протопектин в растворимый, инактивировать ферменты и подавить жизнедеятельность микроорганизмов.
Сырье протирают для отделения кожицы и семян и получения тонкоизмельченной однородной массы. Для этого последовательно включают 2...3 протирочные машины. Машины состоят из барабанов с ситами (диаметр отверстий 1,2...1,5, 0,8...0,5 и 0,4...0,5 мм) и бичей, через которые протирается масса.
В консервном производстве часто используют два процесса, позволяющие улучшить качество продукции. К ним относятся гомогенизация — доведение продукта до тонкодисперсной массы с диаметром частиц 20...30 мкм при давлении 10...15 МПа и деаэрация — удаление воздуха из продукта. Первый процесс позволяет избежать расслаивания пюреобразных продуктов, второй — изменения цвета и потерь ценных компонентов в результате действия окислительно-восстановительных ферментов.
Принцип работы гомогенизатора заключается в продавливании продукта через узкую щель между седлом и клапаном гомогенизирующей головки. Продукт продавливается через щель под давлением 15...20 МПа, величина зазора (30...100 мм) регулируется усилием, с которым клапан прижимается к седлу. Скорость движения продукта в зазоре 150...200 м/с. Имеются дезинтеграторы-гомогенизаторы с очень высокой степенью дисперсности, в которых сырье измельчается в очень малом зазоре (0,05 мм) между дисковым ротором с частотой вращения 100 с“* и неподвижным статором.
Деаэратор представляет собой вертикальный цилиндр, внутри
674
которого находится цилиндр из перфорированных листов. Сок подается сбоку и разбрызгивается форсунками. За счет разбивания потока жидкого продукта (как правило, сока) на мелкие капли и создания внутри цилиндра вакуума происходит интенсивное удаление кислорода.
Вакуум внутри цилиндра составляет 93 МПа (остаточное давление 8 кПа), температура продукта не выше 35 °C.
Концентрирование жидких и пюреобразных продуктов. При производстве томатопродуктов, повидла, джема, концентратов соков и других продуктов проводят процесс удаления влаги из продукта с целью концентрирования сухих веществ. Это дает возможность сократить объем жидких полуфабрикатов или получить готовый консервированный продукт.
Влагу из продукта удаляют разными способами. Наиболее распространенный из них — выпаривание влаги при кипении. При выпаривании увеличиваются плотность продукта, вязкость, происходит гидролиз сложных компонентов, вступают в реакцию простые по своей структуре вещества, образуя, сложные соединения с различными цветом, вкусом и ароматом.
Основная цель при выпаривании влаги из жидких продуктов — сохранить их качество и не вызвать глубоких изменений физико-химических свойств. Этого удается достичь в значительной мере при выпаривании под вакуумом, когда температура кипения раствора снижается от 100 до 75...80 °C. Вакуум-аппараты позволяют уменьшить потери теплоты в окружающую среду, увеличить полезную разность между температурами греющего пара и кипящего раствора. При атмосферном давлении вторичный пар отводят в атмосферу. Такой способ прост, но малоэкономичен, ухудшает качество продукта за счет высокой температуры нагрева.
Выпаривание можно проводить в одном выпарном аппарате или в нескольких, последовательно установленных (многокорпусная установка). Существуют низкотемпературные выпарные аппараты, в которых низкая температура выпаривания сочетается с быстрым прохождением сока через аппарат, что обеспечивает сохранение продукта высокого качества.
Непрерывное выпаривание в тонком слое обеспечивают пластинчатые выпарные аппараты.
В консервном производстве имеются установки, позволяющие получить концентраты ароматических веществ плодов и ягод, в которых осуществляется процесс улавливания аромата, включая отгон, и концентрирование с помощью абсорбции, экстрагирования и перегонки.
Сухие вещества соков можно концентрировать вымораживанием (криоконцентрированием) при температуре минус 10...минус 12 °C. Вода при этом выкристаллизовывается в виде чистого льда и удаляется, а остается лишь концентрированный
675
раствор. Этот способ позволяет концентрировать до 40...55 % сухих веществ, сохраняя качество продукта.
Установки по вымораживанию влаги состоят из кристаллизатора, в котором происходит образование кристаллов льда, и центрифуг для отделения концентрата сока от кристаллов льда.
К современным способам концентрирования можно отнести способ обратного осмоса, основанный на способности специальных селективных мембран пропускать только воду, задерживая сухие вещества, имеющие небольшую молекулярную массу. Если мембраны пропускают молекулы сравнительно большого размера, процесс называется ультрафильтрацией.
Обратный осмос проводят при высоком давлении, которое зависит от содержания сухих веществ. Так, осмотическое давление плодовых соков с содержанием сухих веществ 10... 12 % равно 1,4...1,6 МПа, а яблочного концентрата с содержанием сухих веществ 40 % — 9 МПа.
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МИКРОФЛОРУ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Выбор способа консервирования всегда связан с действием на микрофлору продукта, но в зависимости от конечной цели он может вызвать полный стерилизующий эффект, подавить частично микрофлору продукта или активизировать определенные виды микроорганизмов.
Стерилизация пищевых продуктов
О длительном хранении пищевых продуктов без порчи можно говорить только в том случае, если их подвергали какой-либо обработке, подавляющей жизнедеятельность практически всех микроорганизмов, присутствующих на продукте. Этот процесс называется стерилизацией, хотя термин «стерилизация» имеет условный характер. В продукте, как правило, остаются микроорганизмы, не проявляющие своей жизнедеятельности и не вызывающие его порчи.
Необратимые изменения происходят в микроорганизмах под действием высоких температур, электрических токов, ультразвука, высоких доз ионизирующей радиации и т. д. Стерилизующий эффект, который достигается, как правило, при жестких режимах обработки, вызывает значительные изменения в растительном сырье, ухудшая часто его цвет, вкус, аромат и снижая пищевую ценность. Поэтому разработка режимов стерилизации должна преследовать и другую, не менее важную задачу — сохранить качество консервированного продукта.
При тепловой стерилизации режимы определяются температурой и продолжительностью ее воздействия. Повышение темпера
676
туры сокращает продолжительность стерилизации, что способствует сохранению качества продукта. Но очень высокие температуры тоже могут привести к ухудшению качества некоторых видов консервов. Поэтому необходимо учитывать также особенности свойств консервируемого продукта.
Требованию сохранить качество продукта при использовании высоких температур в значительной степени отвечает асептический способ консервирования. Он заключается в том, что продукт перед фасованием стерилизуют кратковременным нагреванием при высокой температуре (несколько секунд или минут при 130... 160 °C) и фасуют в стерильную тару в стерильных условиях. Кратковременное тепловое воздействие способствует сохранению качества продукта.
Перспективны также комбинированные способы обработки продуктов, позволяющие снизить нежелательное длительное действие высоких температур или, например, высоких доз ионизирующей радиации.
Предварительные способы обработки сырья (даже такие простые, как мойка, непродолжительная обработка паром или кипящей водой), обработка антисептиками и т. д. могут смягчить режимы стерилизации. В большой мере режимы стерилизации зависят от культуры производства, санитарно-гигиенических условий на предприятии.
Температура стерилизации зависит от активной кислотности (величины pH), специфики микроорганизмов, поражающих продукт. Так, в кислотных продуктах (компоты, томатопродукты, некоторые плодово-ягодные соки) основная микрофлора представлена термонеустойчивыми плесневыми и дрожжевыми грибами, температура их стерилизации не превышает 100 °C. Овощные, мясо-овощные консервы, имеющие pH выше 4,2 и термоустойчивую бактериальную микрофлору, стерилизуют при высоких температурах. Часто режимы заведомо ужесточают, учитывая возможность наличия спор Cl. botulinum.
Зная оптимальную температуру стерилизации, необходимо установить продолжительность процесса. Время, необходимое для уничтожения микроорганизмов при определенной температуре, называется смертельным или летальным. Оно зависит не только от температуры стерилизации и кислотности продукта, но и от вида микроорганизмов и их количества. Большое значение имеют консистенция продукта, его вязкость, теплоемкость, теплопроводность, т. е. все факторы, влияющие на скорость проникновения теплоты в продукт и, следовательно, на время стерилизации.
Существенное значение имеет начальная температура продукта; продукты лучше фасовать горячими.
Проникновение теплоты также зависит от вида и размера тары, при этом толщина и теплопроводность жести и стекла различаются.
677
В консервной промышленности обычно проводят два вида расчетов: режимов стерилизации с учетом скорости отмирания клеток микроорганизмов в зависимости от различных факторов (прежде всего начального количества их в продукте и специфических особенностей) и формулы стерилизации с учетом первых расчетов.
Учитывая сложность процесса стерилизации и механизма отмирания клеток микроорганизмов, трудно строго количественно рассчитать режим стерилизации. Поэтому пользуются эмпирическими закономерностями между числом жизнеспособных клеток и параметрами нагрева. Гибель популяции клеток происходит не мгновенно, и если в полулогарифмической системе координат изобразись этот процесс (продолжительность нагрева — число жизнеспособных клеток), то на определенном участке он изобразится прямой линией. В этом случае скорость отмирания клеток Kv определяется известным уравнением скорости химических реакций
^ = 2,303/1(18^.-1^),
где т — продолжительность нагрева; № — начальное число клеток микроорганизмов; Nx — число жизнеспособных клеток после нагрева в течение времени т.
Из этой формулы следует, что продолжительность нагрева
1 = 2,303/^(18^-18^).
Мерой отмирания спор и штаммов микроорганизмов служит наклон участка кривой выживаемости. По формуле продолжительности нагрева этот наклон характеризуется величиной Dt = 2,303/Ау, которая представляет собой время (мин), необходимое для снижения числа спор в 10 раз. Обычно эту величину относят к температуре 121,1 °C.
Величину ^определяют экспериментальным путем при прогреве тест-культур (разная температура, разная концентрация культуры).
Под временем летальности (гибели микроорганизмов) понимают продолжительность нагрева, необходимую для полного подавления жизнедеятельности спор данного микроорганизма. В расчеты вводят также величину Е, которая показывает зависимость времени гибели микроорганизмов от температуры. Значение z зависит от свойств микроорганизмов и среды, в которой ведется нагрев. Величина г представляет собой число градусов Цельсия, в пределах которых значение Dt изменяется в 10 раз. С учетом всех изложенных факторов устанавливаем режим или формулу стерилизации, т. е. условно выражаем запись данных,
678
характеризующих режим стерилизации. Эта формула схематически изображается следующим образом:
А—В- С t
где А — время подъема температуры греющей среды в автоклаве до температуры стерилизации, мин; В — продолжительность стерилизации, в процессе которой в автоклаве поддерживается постоянная температура, мин; С — время снижения давления пара или время охлаждения греющей среды в автоклаве, мин; t — температура греющей среды в автоклаве во время стерилизации, °C; Ра — максимальная величина суммарного давления, создаваемого в автоклаве для компенсации внутреннего давления, возникающего в банках, кПа.
Существует два основных способа стерилизации теплом — при атмосферном давлении и при давлении выше атмосферного. В соответствии с этим применяют стерилизационные аппараты, работающие при атмосферном и сверхатмосферном давлении. И те и другие могут быть периодического или непрерывного действия.
Пастеризацию при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 100 °C, применяют для некоторых видов плодоовощных консервов (в основном с высокой кислотностью), фасованных в жестяные или стеклянные банки. Для этого существуют аппараты открытого типа — ванны или автоклавы, оборудованные барботерами для подачи пара. Банки погружают в воду температурой 80... 100 °C, подогревают воду до определенной температуры и стерилизуют в течение заданного времени. Существуют пастеризаторы-охладители непрерывного действия, обогреваемые паром, горячей водой или горячим воздухом.
Для стерилизации при температурах выше 100 °C и давлении выше атмосферного применяют герметически закрытые аппараты — вертикальные и горизонтальные автоклавы или непрерывнодействующие стерилизаторы.
Для обеспечения температуры стерилизации (НО... 125 °C) консервы стерилизуют насыщенным паром или горячей водой под давлением выше атмосферного. Консервы в жестяных банках стерилизуют и паром, и в воде. Консервы в стеклянной таре стерилизуют в воде, создавая необходимое давление в автоклаве напором воды или сжатого воздуха.
Чтобы избежать деформации концов жеегяных банок и срыва крышек со стеклянных банок за счет повышения давления внутри банки, при стерилизации и при охлаждении консервов в автоклаве создают избыточное давление с помощью воды или сжатого воздуха.
Для предотвращения брака консервов и соблюдения собственного режима стерилизации при заданных значениях времени и температуре необходимо тщательно следить за повышением
679
давления в автоклаве при подаче пара или увеличении температуры воды, снижением температуры и давления после завершения стерилизации, за охлаждением консервов.
После стерилизации и охлаждения банки моют, подсушивают и этикетируют.
Применение токов высокой и сверхвысокой частоты — один из вариантов тепловой стерилизации продуктов. Пищевой продукт в электромагнитном поле поглощает электрическую энергию, преобразуя ее в тепловую. Скорость нагревания пищевого продукта в поле ВЧ или СВЧ значительно выше и вычисляется не десятками минут, а минутами или секундами. Это позволяет в значительной степени сохранить качество продукта.
Определенный интерес представляет радиационный способ стерилизации пищевых продуктов. Характерная особенность этого способа — использование способности ионизирующих излучений (у-лучей, рентгеновых лучей, 0-лучей, ускоренных электронов) превращать атомы и молекулы веществ в электрически заряженные частицы — ионы. Поглощение веществами даже больших доз ионизирующих излучений не вызывает повышения температуры. В этом и заключается специфика радиационного способа обработки, который называют холодным способом стерилизации.
К сожалению, стерилизующие дозы ионизирующих излучений столь велики, что вызывают глубокие изменения в пищевых продуктах и вряд ли найдут практическое применение. Использование ионизирующих излучений для стерилизации возможно лишь при комбинировании с другими способами обработки (тепло, холод, консервирующие средства, антибиотики).
К стерилизации можно условно отнести обработку пищевых продуктов антисептиками. Это химические вещества, вызывающие глубокие изменения в клетках микроорганизмов, приводящие к их гибели.
Наиболее широко в промышленности применяется способ сульфитации. Сернистая кислота вызывает гибель микроорганизмов, действуя на их липоидно-протеиназный комплекс, задерживая дыхание и нарушая обмен веществ. Особенно легко погибают бактерии под действием сернистой кислоты.
Консервирующее действие сернистой кислоты повышается в кислой среде, которая уменьшает степень ее диссоциации.
Антисептик можно считать идеальным, если он, будучи ядовитым для микроорганизмов, не оказывает действия на клетки тканей пищевого продукта; не вступает в реакцию с компонентами пищевых продуктов; легко удаляется из продукта при обработке; имеет широкий спектр действия на микроорганизмы. Антисептика, удовлетворяющего всем перечисленным требованиям, не существует.
Оксид серы (SO2) ядовит, придает продукту специфический
680
запах, вступает в реакцию с красящими веществами плодов, ягод и овощей и с сахарами, вызывает коррозию оборудования. Однако правильное использование SO2 дает возможность широко применять его в промышленности. Он быстро улетучивается при нагревании продукта, после десульфитации сахара высвобождаются, а цвет продукта восстанавливается. Оксид серы, как и сернистая кислота, имеет широкий спектр действия.
Успешно используются в промышленности сорбиновая кислота и ее соли. Она безвредна, не имеет посторонних привкуса и запаха, оказывает консервирующее действие в малых концентрациях. Но применение ее строго ограничено кислотностью продукта.
Подавление жизнедеятельности микроорганизмов пищевых продуктов
Один из способов подавления жизнедеятельности микроорганизмов — использование низких температур. Однако речь идет не об охлаждении плодов, ягод и овощей при длительном хранении, когда жизнедеятельность микроорганизмов замедляется, задерживаются жизненные функции и самого продукта. В данном случае речь идет о способе, при котором используют температуры, обеспечивающие полное или частичное превращение клеточного сока тканей продукта в лед.
При замораживании происходит почти полное прекращение деятельности микроорганизмов, многие из них погибают. Однако оставшиеся сохраняют свою жизнедеятельность, особенно если впоследствии температура хранения в силу каких-либо причин повышается.
Общепринятой считается температура замораживания минус 18 °C. Криоскопическая же температура, при которой вода переходит в лед, зависит от свойств продукта и его химического состава (обычно минус 2...—4 °C).
Микроорганизмы в замороженных продуктах лишаются возможности использовать питательные вещества, которые находятся в твердом состоянии, подавляется и активность их ферментов. Нарушение режимов замораживания и хранения может привести к восстановлению жизнедеятельности части микрофлоры и к порче продукта.
Жизнедеятельность микроорганизмов подавляется также сушкой продукта.
Известно, что для жизнедеятельности микроорганизмов необходима влага, так как они используют вещества, находящиеся в клеточном соке.
При сушке из плодов и овощей удаляется большая часть содержащейся в них влаги. Концентрация клеточного сока и, следовательно, его осмотическое давление увеличиваются во
681
много раз. В результате развитие микроорганизмов становится невозможным. Прекращаются и биохимические процессы в продукте. При сушке происходят сложные физико-химические изменения, от которых зависит качество продукта.
Необходимо учитывать характер связи влаги с продуктом. В крупных межклетниках тканей она удерживается слабо и испаряется со скоростью, близкой к испарению со свободной поверхности. В мелких капиллярах содержится гигроскопическая влага, удаляемая с трудом, так как она удерживается за счет адсорбирующей способности продукта. Наиболее трудно удаляется химически или структурно связанная влага.
В первый период сушки происходит испарение влаги с поверхности продукта и из крупных межклетников наружных зон, т. е. идет внешняя диффузия. Затем температура продукта и скорость сушки устанавливаются на постоянном уровне. По мере испарения влаги с поверхности продукта выравниваются ее концентрации путем передвижения воды из внутренних зон продукта к периферии (идет внутренняя диффузия влаги). Одновременно протекает диффузия влаги от более нагретых поверхностных зон к менее нагретым — внутренним (термодиффузия), но преобладает внутренняя диффузия.
Когда скорость сушки установится на постоянном уровне, необходимо поддерживать при помощи температуры одинаковую интенсивность внешней и внутренней диффузий.
Большое значение имеет температура в заключительный период, когда удаляются гигроскопическая вола и влага набухания. Испарение с поверхности уменьшается и не компенсирует притока теплоты с теплоносителем. Температура продукта повышается и может привести к ухудшению его качества (деформация, усадка, потери набухаемости, развариваемости, аромата, цвета, вкуса).
При сушке необходимо учитывать особенности строения, химического состава продукта, степень его измельчения, способ подготовки и такие важные факторы, как температура и скорость движения теплоносителя, нагрузка на единицу сушильной поверхности.
В настоящее время для плодов и овощей кроме традиционного способа применяют сушку при пониженном давлении, в распылительных сушилках, в кипящем слое, сублимацией влаги.
Подавлять жизнедеятельность микроорганизмов можно, повышая осмотическое давление. Увеличение концентрации сахара (производство варенья, джемов, повидла и т. д.) при частичном удалении воды способствует обезвоживанию клеток микроорганизмов, и они, как правило, погибают. Но это происходит при концентрации сахара 60...65 %. Снижение концентрации может создать условия, благоприятные для развития дрожжевых и плесневых грибов.
682
Аналогичное действие оказывает и поваренная соль. Консервирующие дозы ее 10...20 %.
Направленное действие микроорганизмов
Особое место среди способов консервирования занимает способ квашения, соления и мочения овощей и плодов. Он основан на сбраживании сахаров продукта ферментами дрожжей и молочнокислых бактерий, в результате чего естественным путем образуется консервирующее средство — молочная кислота. Количество образующейся молочной кислоты зависит от количества сахара и соли в среде, молочнокислых бактерий, температуры при ферментации и хранении продукта. Развитие многих микроорганизмов тормозит молочная кислота начиная от концентрации 0,5 %, но это ее количество не задерживает развития дрожжевых и плесневых грибов.
Основное условие при биохимическом способе консервирования стимулировать действие молочнокислых микроорганизмов и подавлять вредных (маслянокислых, уксуснокислых).
Положительная роль поваренной соли в процессах квашения заключается в том, что она кроме вкусового эффекта вызывает плазмолиз клеток и выделение клеточного сока, ослабляет деятельность маслянокислых бактерий, слабо действуя на молочнокислые бактерии. Оптимальное количество соли для получения продукта хорошего качества 3 %.
Определенные трудности вызывает выбор температуры, так как при оптимальной для молочнокислых бактерий температуре 36 °C хорошо развивается и вредная микрофлора. При температуре 18...25 °C заметно угнетается деятельность посторонней микрофлоры при интенсивной жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
В процессе брожения необходимо ограничить доступ воздуха для того, чтобы задержать образование нежелательных побочных продуктов. Молочнокислые бактерии в анаэробных условиях образуют только молочную кислоту, тогда как на воздухе они образуют и другие продукты.
АССОРТИМЕНТ ПЛОДООВОЩНЫХ КОНСЕРВОВ
Консервы, получаемые из различных видов плодов и овощей, разнообразны по своему назначению, обладают различными вкусовыми свойствами и пищевой ценностью.
Они могут быть использованы в пищу без какой-либо обработки, после дополнительной кулинарной обработки или служить сырьем для последующей переработки, как, например, сульфитированные плодово-ягодные продукты.
Все консервы получают согласно стандартам или техническим
683
условиям. На основании стандартов разрабатываются технологические инструкции. В этих документах строго регламентированы требования к качеству сырья и других материалов, показатели качества готового продукта, указаны методы испытаний качества, правила приемки и хранения продукции.
Технохимический и бактериологический контроль производства на предприятии возложен на лабораторию, которая оформляет качественное удостоверение на готовую продукцию, контролирует качество исходного сырья и материала, соблюдение рецептур, технологических режимов производства, санитарных правил на всех его стадиях, режимы хранения продукции на складах, качество оформления и упаковки.
Из овощей на предприятиях получают следующие виды консервов: овощные натуральные консервы, маринады из овощей, овощные закусочные консервы, овощные соки, обеденные блюда и полуфабрикаты для общественного питания, концентрированные томатные продукты, томатные соусы, квашеные и соленые овощи.
Из плодов и ягод получают компоты, соки, пюре, соусы, маринады, сульфитированные плодово-ягодные продукты, желе, повидло, джем, конфитюр, варенье.
Продукты детского питания, диетические продукты и продукты специального назначения готовят как из овощей, так и из различных видов плодов и ягод.
Овощные консервы
Овощные натуральные консервы изготовляют из целых, резаных или протертых овощей, залитых слабым раствором поваренной соли (2,5...3 %), иногда с небольшим количеством сахара (2,5...3 %) и лимонной или уксусной кислоты. Для приготовления их используют зеленый горошек, некоторые сорта сахарной кукурузы, цветную капусту, спаржу, свеклу, морковь, сладкий перец, пюре и пасту из перца, шпината и щавеля. Температура заливки при фасовании должна быть не менее 85 °C.
Технологическая схема производства овощных. натуральных консервов состоит из следующих операций: мойки, сортирования, калибрования, бланширования, резки и измельчения (при необходимости), заполнения тары, укупоривания и стерилизации.
Маринады из овощей. Так называют продукты, залитые раствором, содержащим уксусную кислоту. Различают маринады слабокислые и кислые. Первые имеют кислотность 0,4...0,6 %, вторые — 0,6...0,9 %.
Овощи (предварительно обработанные по технологической схеме) фасуют в банки, заливают маринадной заливкой, закатывают и стерилизуют или пастеризуют.
684
Маринады бывают из одного вида сырья или из нескольких (из 2...6).
Для приготовления маринадов используют огурцы, патиссоны, перец сладкий, баклажаны и кабачки.
Овощные закусочные консервы. Представляют собой готовый к употреблению продукт, не требующий дополнительной кулинарной обработки. Овощные закусочные консервы готовят из предварительно обжаренной продукции.
Различают следующие виды овощных закусочных консервов:
овощи, заполненные смесью обжаренных корнеплодов, лука (иногда и риса), залитые томатным соусом. К ним относятся фаршированный перец, баклажаны, томаты, голубцы из капусты;
овощи, нарезанные кусочками (баклажаны, кабачки, томаты) или полосками (перец); эти консервы вырабатывают из смеси или отдельных видов овощей с фаршем и без фарша, залитых томатным соусом или протертыми томатами;
нарезанные кружками обжаренные баклажаны или кабачки, которые консервируют с фаршем или без фарша в томатном соусе.
При приготовлении овощных закусочных консервов проводят большое число операций, так как необходимо приготовить овощные смеси, подготовить и обжарить фарш, составить заливку, расфасовать смесь в соответствии с рецептурой, укупорить и простерилизовать.
Овощные обеденные блюда. Делятся на первые и вторые.
К первым блюдам относятся борщи, щи, свекольники, рассольник, овощные супы; ко вторым — различные виды солянок, овощи с мясом, капуста со свининой и др.
Для выработки консервированных обеденных блюд используют свежие овощи, квашеную капусту, соленые огурцы, консервированное пюре из шпината и щавеля, сушеный лук, грибы, мясо, фасоль, макароны, рис, томат-пасту, муку, сметану, молоко, сливки, соль, сахар, жир свиной и говяжий, масло подсолнечное и сливочное, пюре из сладкого красного перца, лимонную или винную кислоту, глютамат натрия.
Процесс производства включает подготовку сырья, приготовление заправки, смешивание компонентов, фасование и стерилизацию.
Концентрированные томатные продукты. Получают путем уваривания протертой томатной массы. Томат-пюре содержит 12, 15 или 20 % сухих веществ, томат-паста — 30, 35 или 40 %. Основным видом концентрированных продуктов является томат-паста с содержанием сухих веществ 30 %.
Производство этих продуктов включает следующие этапы: мойку сырья, дробление и отделение семян, подогревание массы и протирание, варку ее в выпарных аппаратах, розлив в банки (можно фасовать в алюминиевые тубы или бочки). Если томат-
685
пасту разливают в горячем виде (92...95 °C) и в крупную тару, ее можно не стерилизовать, но банки выдержать при этой температуре в течение 20...25 мин.
Томатные соусы. Представляют собой томатную массу, уваренную с добавлением поваренной соли, сахара, уксуса и различных пряностей.
Соус готовят из свежих томатов или из концентрированных томатопродукгов. В первом случае протертую томатную массу уваривают.
Овощные соки. Это натуральные продукты. Их готовят из томатов, моркови, свеклы, квашеной капусты и других овощей.
Производство овощных соков предусматривает процессы дробления овощей, подогревание и протирание массы, отжим сока, тщательное, тонкое измельчение взвешенных в соке частиц (гомогенизация). Каждая из этих операций имеет свое назначение и способствует увеличению выхода сока, предотвращению его расслаивания или бомбажа. Фасованные соки подвергают стерилизации.
Плодово-ягодные консервы
Компоты. Продукт, полученный из плодов и ягод в сахарном сиропе, называют компотом. Они вырабатываются из сырья одного или нескольких видов (ассорти).
Разновидностью компотов служат плоды и ягоды, залитые натуральным плодовым соком.
Для производства компотов сырье сортируют (по размерам, форме, зрелости, окраске), моют, чистят, режут, бланшируют (проводя или не проводя эти операции с учетом специфики каждого вида сырья), удаляют, если нужно, косточки, укладывают в банки, заливают сахарным сиропом, закатывают в банки, а затем стерилизуют.
Маринады из плодов и ягод. Готовят из одного вида или из смеси разных плодов и ягод (ассорти).
После подготовительных операций плоды фасуют в банки и заливают маринадной заливкой, в состав которой входят уксус, сахар и пряности. Слабокислые маринады для винограда, слив, вишни, крыжовника и смородины содержат 0,2...0,4 % уксусной кислоты; слабокислые маринады для груш и яблок — 0,4...0,6; кислые маринады для винограда и слив — 0,6...0,8 %.
Содержание сахара в слабокислых маринадах 6...12 %, в кислых — 14...20 %.
Плодово-ягодные маринады стерилизуют при 100 °C.
Плодово-ягодные соки. Получают из плодов и ягод отжимом или диффузией. Соки используют в качестве напитков, а также для производства сиропов, желе, наливок, ликеров, вин и безалкогольных напитков.
686
Различают следующие виды соков:
натуральные соки, выработанные из одного вида сырья, без добавления других веществ;
купажированные соки, у которых к основному соку добавляют сок из других видов сырья или сок из одного вида сырья с разным химическим составом (в основном содержание сахаров и органических кислот);
соки с добавлением сахара или сахарного сиропа. Сахар вносят в соки осветленные, а сахарный сироп — в соки с мякотью;
напитки фруктовые, выработанные из двух—четырех видов плодовых соков с добавлением сахарного сиропа;
сатурированные соки, содержащие диоксид углерода, который придает им свежий вкус;
соки сброженные, полученные частичным или полным сбраживанием сахаров в этиловый спирт (сидр, пуаре);
сгущенные соки (концентраты), полученные из натуральных соков путем удаления воды.
Плодово-ягодные пюре. Представляют собой протертую плодовую массу, которую используют для производства повидла, соусов, мороженого и кондитерских изделий. При добавлении пряностей и сахара получают фруктовые приправы.
Плодово-ягодные полуфабрикаты. Предназначены для дальнейшей переработки в межсезонный период работы предприятий. Для консервирования полуфабрикатов используют асептические способы хранения, охлаждения, замораживания; консервирующие средства. Для изготовления полуфабрикатов используют практически все виды плодов и ягод. Их особенности определяют выбор консервирующего средства — окуривание диоксидом серы (семечковые плоды), обработка растворами сернистой кислоты (косточковые плоды и ягоды), растворами бензоата натрия или сорбиновой кислоты (плодовые пюре с высокой кислотностью) и т. д.
Желе, повидло, джем, конфитюр, варенье. Изготавливают из плодов или плодовых заготовок (сок, пюре), уваренных с сахаром до высокой концентрации сухих веществ (около 70 %).
Желе готовят из свежих или сульфитированных соков, сиропов или концентратов. Для получения желе необходимо наличие не менее 1 % пектина, pH 3,2...3,4, количество сахара 65 %. В случае необходимости пектин и органические кислоты вносят дополнительно.
Повидло получают увариванием плодово-ягодного пюре с сахаром. На 1 часть сахара берут 1,25 части пюре, содержащего 11 % сухих веществ. Повидло имеет густую консистенцию, его можно резать ножом. Содержание сухих веществ в нем не менее 66 %, сахара — 60 %.
Джем — продукт, получаемый из плодов и ягод, сваренных в сахарном сиропе, имеет желеобразную консистенцию. В готовом
687
продукте плоды от сиропа не отделяются, они должны быть мягкими, но непротертыми. Содержание сахара в джеме 62...65 %, сухих веществ — 68...70, содержание пектина — 1 %, pH 3,2...3,6.
Конфитюр — разновидность джема, вырабатывается из свежих или замороженных плодов. Это желе, в котором равномерно распределены целые или измельченные плоды. При варке соотношение плодов к сахару должно быть 1:1 или 1:2. В конфитюр добавляют также пектин и органические пищевые кислоты. Продукт содержит не менее 42 % сахара, кислотность не ниже 0,4 %.
Варенье — это продукт из плодов и ягод, сваренных в сахарном сиропе. Плоды в варенье не разварены, сироп свободно отделяется от плодов, соотношение плодов и сиропа составляет 1:1. Сироп не должен желировать.
При варке варенья к сырью предъявляют те же требования, что и при приготовлении компотов, технологии подготовки сырья к варке варенья и компотов также близки.
Варка варенья бывает однократной и многократной в зависимости от вида сырья. Концентрация сиропа после варки 70...73 %, плодов — 65...70, готового варенья — 68 %.
Правильное ведение технологического процесса предупреждает один из основных видов брака варенья — засахаривание. Для предотвращения образования кристаллов сахара в сироп необходимо добавлять инвертный сахар и патоку, желательно избегать передвижения продукта, быстрого охлаждения после варки и хранения при пониженных температурах.
Консервы для детского питания
Это особая группа консервов, включающая широкий ассортимент овощных, фруктовых, плодово-овощных и мясо-овощных продуктов. Продукция отличается хорошим вкусом, ароматом, высокой энергетической ценностью, содержит витамины, минеральные вещества и другие ценные компоненты. Ассортимент этой продукции насчитывает более 200 наименований.
Для детей в возрасте от 2 до 5 мес выпускают тонкоизмель-ченное пюре с размером частиц не более 100 мкм, а также плодовые и овощные соки; для детей от 8 мес до 1 года — продукты с размером частиц до 2 мм; от 1,5 до 4 лет — 2...4; от 4 до 7 лет — 5... 10 мм.
Пюреобразные консервы выпускают следующих типов:
овощные натуральные пюре из зеленого горошка, моркови, тыквы, томаты протертые;
овощные натуральные пюре с добавлением других компонентов;
супы-пюре (овощные, томатные, мясо-овощные, куриные с
688
овощами, из печени), для выработки которых используют цветную капусту, тыкву, томаты, кабачки, зеленый горошек.
Кроме того, пюре получают из разных видов овощей с добавлением риса, манной крупы, молока; фруктово-ягодное пюре или пюре из смеси плодово-ягодного и овощного пюре.
К сырью, используемому для производства продуктов детского питания, предъявляют строгие требования в отношении его качества и санитарной чистоты. Строго следят и за соблюдением технологических режимов обработки (сортированием, мойкой, измельчением, протиранием, гомогенизацией, фасованием) и режимами тепловой обработки.
Консервы для диетического питания
Химический состав этих консервов зависит от их целебного назначения. Овощи содержат, как правило, небольшое количество белков, поэтому их используют, если надо ограничить количество белка в пище.
Если необходимо повысить количество белка, используют молоко, сметану, мясо, яйца и, наконец, овощи, содержащие больше, чем другие, белка (зеленый горошек, капуста).
Чтобы сократить количество жира в закусочных консервах, процесс обжаривания овощей заменяют бланшированием, а чтобы увеличить его содержание, вводят сливочное масло, сметану, молоко и яйца.
Для больных диабетом используют сырье (капусту, кабачки, баклажаны) с небольшим количеством сахара и крахмала или заменяют сахар специальными препаратами.
При необходимости выбирают сырье, бедное клетчаткой (кабачки, рис) и богатое ею (отруби, морковь, свекла, капуста), также исключают из рецептуры поваренную соль, пряности, острые соусы и т. д.
Сушеные плоды и овощи
Сушеные плоды и овощи содержат незначительное количество влаги (8...25 %), что обеспечивает длительное их хранение без значительных потерь качества и питательных веществ.
Сушеные продукты имеют ряд преимуществ перед другими видами консервов: масса их на 75...80 % меньше, чем свежих, поэтому сокращаются занимаемые ими площади при хранении и транспортировании; ими можно заменить свежие продукты в специальных условиях, не позволяющих сохранить свежее сырье; они могут служить резервом для производства консервов в зимнее время.
Из-за низкого содержания влаги в сушеных продуктах созда
689
ются условия, исключающие развитие микроорганизмов. Активность воды свежих плодов и овощей 0,85, сушеных — 0,2.
Сушку проводят в аппаратах различного типа, основанных на способности воздуха поглощать пары влаги до определенного предела, определяемого температурой.
Скорость процесса сушки зависит от температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, от физико-химических свойств высушиваемого материала, его размеров и т. д. Для каждого вида сырья устанавливаются оптимальные режимы сушки.
Квашеные, соленые и моченые плоды и овощи
Производство этих видов консервированных продуктов основано на способности молочнокислых бактерий сбраживать сахара плодов и овощей с образованием молочной кислоты. Молочная кислота, подавляя развитие других микроорганизмов, оказывает консервирующее действие на продукт. Предел накопления молочной кислоты в готовом продукте зависит от наличия сахара в среде, концентрации соли, вида молочнокислых бактерий, температуры брожения.
Наличие молочной кислоты и соли обеспечивает соленым, квашеным и моченым продуктам специфические вкус и аромат.
В конце брожения продукт содержит 1...2 % молочной кислоты, 0,5...0,7 % этилового спирта (продукт побочного спиртового брожения).
В зависимости от вида перерабатываемого сырья процесс называют засолом (огурцы, томаты, арбуз), квашением (капуста), мочением (яблоки, груши, сливы и т. д.).
Основа правильного ведения процесса — выбор определенных сортов плодов и овощей, содержащих достаточное количество сахаров (чтобы обеспечить брожение), оптимальное количество поваренной соли (она должна вызвать плазмолиз растительных клеток, тормозить развитие нежелательной микрофлоры и не влиять на молочнокислые бактерии), а также выбор температуры, оптимальной для развития молочнокислых бактерий, но неблагоприятной для развития плесеней, маслянокислых бактерий и др., и соблюдение высоких санитарных условий производства.
Замороженные плоды, ягоды и овощи
Замораживание является способом консервирования, основанным на обезвоживании тканей плодов и овощей путем превращения содержащейся в них влаги в лед.
Лед образуется при температурах от минус 2 до минус 6 °C, а в некоторых видах овощей — от минус 1 до минус 3 'С. Чем
690
быстрее проходит процесс замораживания, тем больше образуется кристаллов, меньше их размеры, выше, качество продукта.
Плоды, ягоды и овощи замораживают при температуре минус 35 °C, минус 40 °C, доводя температуру продукта до минус 18 °C. При этом вымерзает около 90 % влаги, содержащейся в сырье.
Для замораживания используют сырье только высокого качества, отсортированное по размерам, вымытое, с удаленными дефектными экземплярами. Некоторые виды сырья для инактиви-рования ферментов перед замораживанием бланшируют.
Сырье замораживают россыпью или в таре в морозильных камерах, в скороморозильных аппаратах в потоке холодного воздуха или на движущемся конвейере, обдуваемом холодным воздухом.
Замороженные продукты хранят при температуре минус 18 °C и относительной влажности воздуха не менее 95 %.
ТАРА ДЛЯ КОНСЕРВОВ
Общим при производстве всех видов консервов является процесс подготовки тары.
Всю используемую тару независимо от ее вида необходимо тщательно инспектировать, отбирать брак, тщательно мыть (за исключением полимерной тары), контролировать на герметичность, если продукт подвергают стерилизации.
В консервной промышленности применяют два вида тары — герметичную и негерметичную. Выбор тары зависит от способа консервирования, вида продукта и его назначения.
К герметичной таре относятся металлические (жестяные, алюминиевые) банки и тубы, стеклянные банки, бутылки, бутыли, стаканы, коробки, банки, пакеты из полимерных материалов. В герметичную тару фасуют продукты, подлежащие стерилизации или пастеризации.
Негерметичная тара — деревянные бочки и ящики, фанерные ящики и барабаны, картонные короба, бумажные мешки, пластмассовые ящики и лотки.
Бочки применяют для фасования повидла, джема, соленой томат-пасты, соленых и квашеных овощей, плодовых полуфабрикатов. Вместимость бочек от 50 до 100 дм3. Бочки изготовляют из бука, дуба, осины и других пород дерева. Для придания герметичности при фасовании в сухую бочку вкладывают полиэтиленовый мешок из пленки толщиной 0,2 мм.
В деревянные ящики фасуют пастилу, цукаты и повидло.
В фанерные барабаны и ящики затаривают сухие фрукты и овощи, а в парафинированные картонные короба — замороженные продукты.
Картонные короба и пластмассовые ящики используют для упаковывания и транспортирования готовой продукции.
691
Жестяные банки широко применяют для стерилизуемых пищевых продуктов. Изготавливают жестяные банки из белой жести горячего или электролитического лужения, иногда из черной (нелуженой) жести.
Для предупреждения коррозии жесть (иногда готовые банки) покрывают пищевыми лаками или эмалью, а иногда пассируют, создавая на поверхности жести тонкую пленку окислов олова. Существуют и белково-устойчивые эмали.
По действующему стандарту геометрические размеры банок (диаметр, высота, вместимость и др.) регламентированы, каждой банке присвоен соответствующий номер. Для производства плодоовощных консервов используют 8 номеров банок.
Тонкий лакированный алюминий также используют для изготовления банок и крышек. Алюминий и его сплавы обладают малой плотностью, хорошей эластичностью, легко штампуются, имеют высокую теплопроводность, безвредны для организма, не влияют на вкус и запах контактирующих с ними продуктов. Некоторые недостатки (меньшая прочность, невозможность пайки) нисколько не умаляют достоинств алюминия. Наибольшее распространение получили алюминиевые тубы для .фасования соков с мякотью, томат-пасты, джема, меда и т. д.
Стеклянную тару широко применяют в консервной промышленности. Стекло и тара из него хорошо дезинфицируются, хорошо переносят нагревание и охлаждение, внутреннее избыточное давление, обладают высокой устойчивостью к действию солей, кислот и других веществ. Укупоривают стеклянную тару металлическими крышками из жести и алюминия с резиновыми уплотняющими кольцами. В консервной промышленности используют банки вместимостью от 100 до 10 000 см3, бутылки с узким горлом от 200 до 500 см3.
В тару из полимерных материалов упаковывают свежие, сушеные, замороженные плоды и овощи, джем, повидло и варенье. Тара может быть сделана в виде коробок, пакетов, стаканов, мешков и т. д., а материалом для них служат обычно лакированный целлофан, полиэтилен, полипропилен, полиофильм, поли-этилентерефталат, поливинилхлорид, полистирол и различные комбинированные материалы, сочетающие два или три из перечисленных выше материалов.
В последние годы при упаковке пищевых продуктов применяется алюминиевая фольга, ламинированная полипропиленом, под условным названием «ламистер». Используют также сочетание полимерных материалов с картоном и бумагой. Так, на фольгированный картон с обеих сторон наносят термопластичный материал, например полиэтилен.
Полимерные материалы используют для изготовления ящиков методом литья. Ящики имеют разные форму и рместимость и используются для транспортирования сырья и полуфабрикатов.
692
ВИДЫ БРАКА КОНСЕРВОВ В ГЕРМЕТИЧНОЙ ТАРЕ
При производстве консервов брак выявляется либо в процессе их изготовления, либо в процессе хранения. Первый вид брака называется производственным, к нему в первую очередь относят негерметичные или сильно деформированные банки, второй вид брака называется складским. Наличие первого вида брака вскрывается до и после стерилизации. Содержимое банок используют повторно в обоих случаях, но в первом случае содержимое перекладывают в другие банки и стерилизуют, а во втором — идет на производство других консервов (икра, пюре и т. д.).
Основным видом складского брака является бомбаж банок (вздутие крышек, донышек). Это происходи!' под действием газов, образующихся по разным причинам внутри банки. Газ может быть продуктом жизнедеятельности микроорганизмов (микробиологический бомбаж), может быть результатом процессов коррозии жести или накопления солей тяжелых металлов (химический бомбаж), может образоваться в переполненных продуктом банках и при замерзании (физический бомбаж).
Браком являются также ржавые, подтечные банки, с нарушенной герметичностью («хлопуши»), деформированные.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ КОНСЕРВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В консервной промышленности решаются проблемы увеличения объема производства готовой продукции при высоком ее качестве, рациональном использовании сырья и материалов, снижении всех видов потерь.
Работы по комплексному и рациональному использованию сырья следует проводить с условием создания технологий, при которых максимально сокращается или практически исключается образование отходов. Следует предусмотреть организацию переработки отходов с получением из них пищевых или технических продуктов. Отходами считают отдельные экземпляры некондиционного сырья, которое можно разделить на две группы: сырье, которое по внешнему виду, форме, размерам, зрелости не подходит для производства данного вида консервов, и сырье, полностью непригодное в пищу.
Кроме того, при механизированной уборке увеличивается приблизительно на 15 % количество нестандартного сырья.
Из всего количества овощей, направляемых на переработку, большую часть составляют томаты. Отходы томатного производства идут на корм птицы и скота, но во избежание микробиологической порчи для этого требуется быстрая реализация свежих отходов.
Семена томатов после сушки могут быть переданы на маслоэкстракционные заводы, а если перед сушкой их не отделять от
693
кожицы и остатков пульпы, то из них можно получать кормовую муку, которая содержит 13... 14 % белка.
При переработке косточковых плодов (вишни, черешни, абрикосов, персиков) основными видами отходов являются косточки. Из ядра косточек получают пищевые масла и миндальную пасту. Жмых используют для получения кормовой муки и удобрений. Ядра и жмых непригодны для кормления скота, так как они содержат большое количество амигдалина.
Ядра косточек можно использовать и в кондитерской промышленности.
Наиболее ценные из отходов — виноградные выжимки. Отходы производства виноградного сока (гребни, выжимки, отстой) обрабатывают холодной водой в экстракторах, вымывая растворимые вещества (сахара, органические кислоты). Отходы используют для получения виннокаменной извести, спирта, уксуса, красителя (из окрашенных сортов винограда), на корм скоту, для производства масла, таннина, витамина Р.
Обжаренные виноградные косточки после измельчения можно добавлять к кофейным напиткам.
Яблоки составляют 70 % в общем объеме плодов, перерабатываемых в нашей стране. Из них в основном получают сок. При этом образуется большое количество выжимок, 20 % из которых идет на производство пектина — пищевого студнеобразователя, используемого в кондитерской промышленности.
В процессе комплексной переработки яблок могут быть получены не только сок и пектин, но и такие продукты, как этиловый спирт, пищевой порошок из выжимок, яблочный концентрат.
Комплексная переработка яблок может осуществляться по разным технологическим схемам, различающимся видом и выходом готовых продуктов.
Основные технологические процессы этих схем следующие.
Схема 1 — извлечение сока прессованием, сушка выжимок, получение пектина с извлечением спирта из промывных вод пектинового производства. Получаемые продукты — сок, пектин и спирт.
Схема 2 — извлечение сока прессованием, экстрагирование сырых выжимок и получение экстракта, сушка выжимок, изготовление пектина. Получаемые продукты — сок, яблочный экстракт, пектин.
Схема 3 — извлечение сока с помощью фильтрующих центрифуг, выработка пюре из оставшейся массы. Получаемые продукты — сок, пюре.
Схема 4 — извлечение сока на стекателях, выработка пюре из мезги, сушка его. Получаемые продукты — сок, пюре, порошок.
Процесс получения пектина из яблочных выжимок складывается из следующих основных операций: купажирование выжи
694
мок, их промывание, кислотный гидролиз, экстракция пектина, смешивание и отстаивание, фильтрование, концентрирование экстракта, коагуляция пектина, вакуумная сушка, фасование готового продукта. По другой схеме комплексной переработки плодовых выжимок выжимки промывают сразу после прессования. И наконец, существует третья схема, по которой вымытые яблоки поступают в фильтрующую центрифугу, где измельчаются на терочном диске. Под действием центробежных сил частицы разделяются на сок и мезгу. Сок поступает в емкость, где его выдерживают в течение 20...30 мин и декантируют в другую емкость, оттуда он насосом перекачивается на последующие технологические операции (подогрев, отстаивание, центрифугирование, фильтрование и фасование).
Мезга, полученная в центрифуге, подается в шпаритель и прошпаривается острым паром при температуре 45 °C, а затем в протирочную машину. В результате выжимки разделяются на пюре (плодовую мякоть) и отходы (вытерки). Пюре идет на производство повидла, сухого порошка, подварок, пюре стерилизованного. Отходы сушат, фасуют и используют для получения пектина или кормовой муки.
Кроме яблок значительных размеров достигает переработка мандаринов, в основном в Грузии. Сок, полученный из очищенных плодов, смешивают с сахаром. Выжимки, оставшиеся после получения сока, содержат большое количество экстрактивных веществ и могут быть использованы для разных целей.
Комплексная переработка предусматривает получение спиртовых настоев из кожуры и цедры цитрусовых.
Контрольные вопросы
1.	Какие принципы и способы консервирования пищевых продуктов вы знаете?
2.	Какие требования предъявляют к основному и дополнительному сырью, используемому при консервировании плодов и овощей?
3.	Какие общие технологические приемы используют при консервировании плодов и овощей?
4.	Какие основные способы воздействия на микрофлору плодов и овощей вы знаете?
5.	Какие виды плодоовощных консервов вы знаете?
Глава 30
ТЕХНОЛОГИЯ ЧАЯ
Технология чая базируется на сложнейших биохимических, термохимических, химических и теплофизических процессах, в результате которых зеленый чайный лист превращается в различные виды чайных продуктов. Эти изменения настолько сложны, что затрагивают почти все химические вещества, входящие в
695
состав чайного листа. С точки зрения технологии особенно важны те изменения, которые связаны с химическим составом сырья.
Химический состав чайного листа обусловливается многими факторами: разновидностью сорта чайного растения, его возрастом, сроками и способом сбора листа, географическими и метеорологическими условиями, проведением агротехнических мероприятий и т. д. Различаются по химическому составу и технологическим достоинствам и чайные побеги одного растения, а также их составные части. Например, из растущей почки и первого листа получают чай наилучшего качества. Из второго листа получают продукцию преимущественно I сорта, из третьего — продукцию более низкого качества и т. д. Это обусловливается, во-первых, тем, что молодые, нежные побеги чайного листа (почка и первый лист) благодаря незначительному содержанию лигнина и высокомолекулярных полисахаридов легко подвергаются качественной технологической обработке. Во-вторых, они в больших количествах содержат химические соединения (катехины, эфирные масла и др.), определяющие глубину и направление биохимических превращений, в результате которых формируются качество и биологическая ценность готового чая.
Из химических компонентов, содержащихся в чайном листе и определяющих качество готового продукта, наиболее важными следует считать: фенольные соединения — таннины, простые полифенолы, в первую очередь катехины и продукты их ферментативных окислительных превращений; алкалоиды — кофеин, теофиллин и теобромин; эфирные масла; углеводы; витамины; пектиновые вещества; пигменты; органические кислоты; белки и аминокислоты; минеральные вещества; ферменты.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАЯ
Натуральная чайная продукция 'по целевому назначению делится на две основные группы: первичной и вторичной переработки. Чай первичной переработки называют также фабричными сортами или нефасованными чаями, а вторичной переработки — торговыми или фасованными.
Фабричные сорта чая получают на первичных чайных фабриках путем технологической переработки зеленого чайного листа. Торговые сорта чая получают на чаеразвесочных фабриках путем вторичной переработки (купажа) однотипных фабричных сортов чая с последующим фасованием его в приемлемую для торговой сети и потребителя тару. К чаям вторичной переработки относят также прессованный чай, жидкие и сухие концентраты и частично тонизирующие напитки на чайной основе.
В зависимости от нежности и возраста перерабатываемого сырья и применяемой технологии готовый чай первичной пере-696
работки делят на две группы: байховый чай и лао-ча. Последний получают путем специальной переработки грубого чайного листа осеннего и весеннего сборов. Лао-ча, в свою очередь, служит сырьем для производства зеленого кирпичного чая.
Байховый чай — основной вид чайной продукции. На первичных фабриках он вырабатывается из сортового чайного листа и делится на четыре типа: черный, зеленый, желтый и красный (этот тип чайной продукции в России не вырабатывается). С точки зрения биохимической теории чайного производства эти типы отличаются друг от друга по степени ферментативного окисления таннино-катехиновой смеси (ТКС).
Условно можно считать, что в зеленом байховом чае окислено 10...12 % начального содержания ТКС, в черном — 31...50, в желтом — 13...20, в красном — 21...30 %.
Таким образом, зеленый чай можно отнести к неферментированным чаям, а черный — к наиболее ферментированным. Желтый или красный чай занимает промежуточное место между зеленым и черным чаем. При этом как по глубине ферментативного окисления ТКС, так и по вкусу, аромату и цвету настоя желтый ближе стоит к зеленым, а красный — к черным чаям.
С физиологической точки зрения, учитывая высокие лечебнопрофилактические и резко выраженные Р-витаминные свойства чайных катехинов, зеленый чай — биологически наиболее ценный продукт. По этому показателю за зеленым чаем следует желтый, затем — красный и на последнем месте — черный.
Однако черный чай по сравнению с другими типами характеризуется терпким, полным вкусом, интенсивным красновато-темно-коричневым настоем и неповторимым ароматом. Благодаря этим показателям черный чай стал наиболее популярным напитком среди народов мира.
С точки зрения используемого сырья и технологии переработки продукты чая, известные на мировом рынке, делятся на три группы: рассыпные, прессованные и растворимые. К рассыпным чаям относятся все типы байховых чаев (черный, зеленый, , желтый и красный). К прессованным относятся зеленый кирпичный, черный прессованный (например, китайский «Хичуанча»), черный плиточный и др. К растворимым чаям относятся концентраты черного и зеленого чаев.
ПОЛУЧЕНИЕ ЧАЯ И ПРОДУКТОВ ИЗ ЧАЯ
Черный байховый чай. Это продукт, приготовленный из сортового чайного листа ручного или механизированного сбора.
В результате биохимических превращений, протекающих в чайном сырье, количественно и качественно изменяются почти все компоненты химического состава листа, формируются вкус, аромат и цвет чайного настоя. В результате ферментативных
697
окислительных превращений ТКС образуются водорастворимые темно-красные и коричневые продукты окисления и конденсации катехинов, придающие черному чаю свойственную ему окраску. Горький вкус неокисленных катехинов исчезает, и образуется приятный, терпкий, полный вяжущий вкус чайного настоя, обусловленный присутствием окисленных форм ТКС.
Значительно изменяются эфирные масла и альдегиды зеленого чайного листа; запах зелени свежих листьев исчезает, и постепенно образуется характерный аромат сухого черного чая. На образование новых соединений, обусловливающих аромат, вкус и цвет черного чая, частично расходуются такие важные химические компоненты листа, как ТКС, аминокислоты, водорастворимые углеводы, £-аскорбиновая кислота, хлорофилл. Часть растворимых веществ переходит в нерастворимое состояние, что приводит к уменьшению суммы экстрактивных веществ готового чая.
Производство черного байхового чая включает следующие основные технологические процессы: завяливание, скручивание, ферментацию, сушку.
После сушки полуфабрикат ,чая поступает в цех готовой продукции, где его сортируют^ купажируют, упаковывают в фанерную тару или тару из гофрированного картона и отправляют на фабрики вторичной переработки.
По внешнему виду (уборке) готовый черный чай представляет собой массу ровных, однородных по размеру, хорошо скрученных чаинок. Обладает тонким, нежным ароматом, приятным терпким вкусом. Его настой яркий, прозрачный, разной интенсивности; разваренный лист однородный, со светло-коричневым оттенком.
Содержание влаги в готовом черном чае не должно превышать 8,5 %, а содержание ТКС и кофеина в зависимости от сортности — соответственно не менее 8... 11 и 1,8...2,8 %.
Зеленый байховый чай. Аналогично черному вырабатывается из сортового чайного листа ручного или механизированного сбора.
По химическому составу зеленый чай очень близок к зелено му чайному листу. Это является следствием того, что в самом начале технологической обработки проводят тепловую обработку сырья с целью инактивации ферментов. В результате ферментативно-окислительных превращений ТКС не происходит.
Инактивация ферментных систем осуществляется путем фиксации свежего чайного листа. Известно два способа фиксации: китайский и японский. Китайский способ предусматривает обжаривание, а японский — пропаривание свежего чайного листа. В том и в другом случае действие ферментов прекращается под влиянием высокой температуры.
В процессе выработки зеленого чая, особенно при фиксации 698
и сушке, незначительно уменьшается содержание экстрактивных веществ и катехинов, а хлорофилл разрушается.
Исключение окислительных процессов на первой стадии производства позволяет получать чай с зеленым цветом, специфическими вкусом и ароматом. Зеленый чай в отличие от черного готовят без завяливания и ферментации. В нем почти полностью (до 90 %) сохраняются все катехины и другие биологически активные вещества, в том числе витамин С.
По внешнему виду готовый зеленый чай представляет собой ровные, однородно скрученные, различные по размеру (в зависимости от рода листа) чаинки. Он обладает тонким, нежным, свойственным зеленому чаю, приятным терпким вкусом. Настой чая — прозрачный напиток лимонного цвета. Цвет разваренного листа однородный, с оливковым зеленоватым оттенком.
Содержание влаги в готовом зеленом чае не должно превышать 8...8,5 %, а содержание ТКС и кофеина — соответственно не менее 12...17 и 1,8...2,8 %.
Желтый и красный чай. Аналогично черному и зеленому желтый и красный чай вырабатываются из сортового чайного листа ручного или механизированного сбора.
Технология желтого чая предусматривает незначительное развитие ферментативных окислительных превращений ТКС в процессе фиксации сырья. Желтый чай, являясь промежуточным продуктом между черным и зеленым чаем, сочетает в себе химико-органолептические показатели этих чаев. По глубине ферментативного окисления ТКС он ближе к зеленому чаю, что обусловливает сходство их качественных показателей. По мягкости, нежности вкуса, интенсивности настоя и силе аромата желтый чай превосходит зеленый, а по физиологическим свойствам — черный чай.
Красный чай — оолонг вырабатывают в Китае. Сырьем для его производства служат нежные 2...3-листные молодые, преимущественно глухие побеги. Иногда для приготовления красного чая используют только 3-й и 4-й листья.
Технология красного чая предусматривает развитие окислительных превращений ТКС до определенной глубины, после чего действие ферментов прекращают с помощью высокой температуры (обжаривание ферментированного листа). Из-за неполной ферментации оолонг часто называют полуферментирован-ным или слабоферментированным чаем.
В силу рационального сочетания процессов ферментации и фиксации (обжаривания) полученный красный чай имеет более сильно выраженный аромат, чем черный, и характеризуется, с одной стороны, некоторыми свойствами черного, а с другой — зеленого чая. Особенностью красного чая является то, что он, соединяя неповторимый аромат черного чая с ароматом зеленого, представляет собой в высшей степени тонизирующий и осве
699
жающий напиток. Другой характерной и исключительно важной особенностью красного чая являются его высокая экстрактивность и высокое содержание таннинов.
Технология желтого и красного байхового чая предусматривает переработку зеленого листа при выработке желтого байхового чая по следующей схеме: завяливание до остаточного содержания влаги 63...66 %; фиксация завяленного сырья; двукратное скручивание до 40 мин; сушка до содержания влаги 5...7 %; термическая выдержка полуфабриката в течение 2...5 ч, при которой окончательно формируются характерные свойства желтого и красного чая. Технология красного байхового чая предусматривает следующие стадии: завяливание до остаточного содержания влаги 63...65 %; первое легкое скручивание в течение 20...30 мин; кратковременную ферментацию в течение 2...3 ч до начала скручивания; сушку до содержания влаги 5...7 % и термическую выдержку полуфабриката в течение 2...5 ч.
Красный чай обладает прекрасным ароматом, приятным и характерным вкусом, используется для улучшения качества черного чая при купажировании.
Прессованный чай. Необходимость прессования чая обусловлена прежде всего условиями хранения и частично удобством его транспортирования. Поскольку чай — очень гигроскопичный продукт, влажный климат пагубно влияет на его качество. Химические изменения, протекающие в увлажненном рассыпном чае, приводят к ухудшению его аромата и вкуса. Прессование значительно уменьшает площадь поверхности продукта, затрудняет проникновение влаги внутрь, уменьшает гигроскопичность чая. Увеличиваются сроки и упрощаются условия хранения чая. Кроме того, значительно повышается объемная масса (плотность) продукта, что делает его более компактным и позволяет снизить расходы на транспортирование, а также на тароупаковочные материалы.
В России в промышленном масштабе производят два вида прессованного чая: зеленый кирпичный и черный плиточный.
Зеленый кирпичный чай вырабатывают путем прессования лао-ча. Технология зеленого кирпичного чая предусматривает проведение двух самостоятельных процессов: первый — выработка полуфабриката (лао-ча) из старых, грубых листьев, а также формовочного материала осенней и весенней подрезки и второй — прессование лао-ча. Грубый чайный лист в самом начале переработки подвергают обжариванию, назначение и сущность которого аналогичны процессу фиксации при производстве зеленого чая. При производстве лао-ча в результате инактивации ферментных систем глубокие окислительные превращения ТКС чайного сырья исключаются. Это обусловливает максимальное сохранение биологически активных веществ, прежде всего катехинов, в лао-ча и готовом продукте.
700
Зеленый кирпичный чай обладает оригинальным, резким вкусом, специфическим запахом, красноватым настоем и высокой биологической активностью. Широкая популярность в суровых климатических условиях, где с особой остротой ощущается недостаток витаминов, обусловливается тем, что зеленый чай вполне удовлетворяет потребность организма человека в биологически активных веществах, в первую очередь в кофеине, витаминах Р и С.
Содержание влаги в зеленом кирпичном чае должно быть не выше 12 %, а содержание ТКС — не менее 3,5 %.
Черный плиточный чай вырабатывают путем купажа и прессования высевок и крошки нефасованного черного чая.
Черный плиточный чай по химическим и органолептическим показателям почти не отличается от черного байхового чая соответствующего качества. Сырьем для прессования черного плиточного чая являются преимущественно высевки и крошка, получаемые после сортирования полуфабриката черного чая на первичных фабриках. Высевки — это наиболее мелкие фракции чая, а крошка — пылеобразный материал, который получают главным образом при сортировании полуфабриката резаного чая. Высевки и крошка из-за высокой гигроскопичности и большой площади поверхности без прессования очень быстро впитывают влагу. Это создает благоприятные условия для протекания в них нежелательных химических изменений, развития микроорганизмов, что значительно ухудшает качество продукции и понижает его стабильность при хранении.
Для предотвращения указанных нежелательных явлений высевки и крошку целесообразно прессовать в виде маленьких плиток массой 125 или 250 г. Плиточный черный чай более стабилен при хранении и легко фасуется в каптированную фольгу или в подпергамент, хорошо транспортируется. Он широко используется в разных экспедициях, туристических походах и т. д.
Содержание влаги в черном плиточном чае должно быть не выше 9 %, содержание ТКС и кофеина — соответственно не менее 8,0...9,1 и 1,8...2,2 %. Для повышения биологической ценности черного плиточного чая при составлении купажной смеси в него добавляют 20...30 % зеленого чая соответствующих вида и сорта.
Концентраты чая. Чайное сырье и готовая продукция состоят из двух частей: водорастворимой и нерастворимой. Растворимую часть, или экстракт, потребитель получает в виде чайного настоя, а нерастворимая часть, или разваренный лист, является балластом. Экстракт составляет около 40...50 % общей массы чайного листа, а в готовой продукции его содержание еще меньше — 24...43 %.
В каждой тонне чая, отгружаемого для транспортирования на
701
тысячи километров, растворимая часть составляет в среднем 300 кг, а балластные вещества — 700 кг. Получается, что на транспортирование не чая, а в основном балласта расходуются дефицитные тароупаковочные материалы, транспортные средства, рабочая сила и т. д., что нерентабельно. Все это в значительной степени обусловило необходимость разработки и организации в ряде стран производства сухих и жидких концентратов чая, т. е. чайных продуктов, освобожденных от балласта.
Производство чайных концентратов продиктовано также необходимостью создания чайного продукта, отличающегося повышенной биологической ценностью, высокой степенью концентрации, быстротой и несложностью приготовления напитка, хорошей усвояемостью при малых объеме и массе, транспортабельностью и способностью сохранять качество при более длительном хранении, чем обычный чай.
Чайные концентраты вырабатывают из свежего чайного листа, готового чая любого вида и сорта, а также отходов производства байхового чая.
Различают сухой и жидкий концентраты чая. Концентрат чая — это натуральный продукт, обогащенный в случае необходимости сахаром, лимоном, различными ароматизаторами или биологически активными веществами (кофеином, витаминами и т. д.).
Сухой концентрат чая —- это высушенный натуральный чайный экстракт, содержащий все полезные вещества чая. Он вырабатывается путем горячей экстракции соответствующего материала, фильтрования экстракта и сушки. Концентраты чая используют для получения гранулированного быстрорастворимого чая с сахаром и лимоном, в качестве пищевых красителей, пищевых добавок и антиокислителей.
Способ производства сухих чайных концентратов (зеленого и черного) имеет два варианта. Первый предусматривает использование распылительной сушки, после которой продукт получается со слабым ароматом, а второй, более дорогой, — применение сублимационной сушки, при которой сохраняется аромат исходного чая.
Производство зеленого растворимого чая осуществляется в две стадии. Первая, подготовительная стадия включает обжаривание зеленого листа, горячее скручивание с измельчением, сушку с получением полуфабриката. Ко второй, основной стадии относятся экстракция полуфабриката, фильтрование экстракта и его сушка распылением до порошкообразного состояния.
Комбинированную выработку высококачественного черного байхового и черного быстрорастворимого чая из зеленого чайного листа можно осуществить по технологической схеме, включающей завяливание, скручивание, ферментацию, сортирование, сушку, экстракцию, фильтрование.
702
Сухой концентрат по химическим и органолептическим показателям почти не отличается от исходного сырья. Поэтому он по своему физиологическому действию является полноценным продуктом.
Биологическая активность сухого концентрата зеленого чая, разумеется, выше, чем черного. Это обусловливается прежде всего более богатым химическим составом зеленого чая по сравнению с черным.
Чайные концентраты в достаточном количестве содержат кофеин, катехины, аминокислоты, различные витамины и органические кислоты, водорастворимые углеводы и другие полезные вещества.
Чайные концентраты можно использовать в качестве вкусовых добавок, для окрашивания, стабилизации и витаминизации различных пищевых продуктов, прежде всего кондитерских и хлебобулочных изделий. Если учесть компактность и удобство потребления сухих концентратов в условиях. экспедиций, путешествий, а также снабжения отдаленных и труднодоступных районов страны, то их преимущества очевидны.
Содержание влаги в сухом концентрате зеленого или черного чая должно быть не выше 4 %, ТКС — не менее 1,6...5,5, кофеина — 0,3...0,75, сахара — 75...90 %, ферропримесей — не более 2 мг на 1 кг, pH не менее 4,5...6,0.
Чайные красители. Представляют собой высушенные до порошкообразного состояния натуральные экстракты, вырабатываемые главным образом из формовочного материала и грубого чайного листа. Чайные красители могут быть черного, зеленого, желтого, коричневого, оранжевого, розового и красного цветов.
При производстве красного красителя основным является сок столовой свеклы, а дополнительным компонентом — желтый чайный краситель, который стабилизирует пигменты красного красителя, улучшает вкусовые качества, а также обогащает его биологически активными веществами, прежде всего витамином Р. Остальные красители получают путем специальной технологической переработки грубого чайного листа и формовочного материала. Красители, полученные из чайного листа или столовой свеклы, — пищевые, и поэтому они широко используются в пищевой промышленности для окраски преимущественно кондитерских изделий (драже, мармелада, леденцов и др.).
Технология чайных красителей предусматривает термическую обработку формовочного материала или грубого чайного листа при температуре, достаточной для полной инактивации ферментов. Далее сырье экстрагируют водой или этиловым спиртом, после чего экстракт сушат до порошкообразного состояния. Смешиванием различных красителей можно получить пищевые красители с широкой гаммой цветов и оттенков (розовый, оранжевый и т. д.).
703
Все чайные красители содержат присущие чаю ценные химические компоненты — ТКС, кофеин, сахара, органические кислоты и аминокислоты, микроэлементы и др. А черный, кроме того, дополнительно содержит комплекс молочнокислого железа, способствующий повышению содержания гемоглобина в крови человека.
По внешнему виду чайные красители представляют собой сухие порошки желтого, коричневого, зеленого и коричневокрасного цветов. Настой желтого красителя обладает вкусом зеленого чая, настой коричневого красителя — черного, настой зеленого красителя — горьковато-терпким вкусом катехинов, а настой красного сочетает вкус чая и столовой свеклы.
Содержание влаги в чайных красителях должно быть не выше 4 %, ТКС — не менее 6 %.
Жидкий концентрат чая. Это сгущенный натуральный чайный экстракт, который вырабатывают из смеси труднореализуемых низкосортных байховых чаев и вторичных сырьевых ресурсов путем экстракции сырья, фильтрования экстракта с обогащенным сахарным сиропом или без него. Жидкие концентраты чая, как и сухие, могут быть без добавок и обогащенными сахаром, лимонной кислотой, эфирными маслами и другими ароматизаторами. Жидкие концентраты служат как бы полуфабрикатами для сухих чайных концентратов и отличаются только агрегатным состоянием. Поэтому они характеризуются теми же свойствами и физиологической активностью, что и сухие концентраты или соответствующее исходное сырье.
Технология жидких чайных концентратов предусматривает проведение некоторых дополнительных процессов, а именно: стерилизацию и герметическую упаковку жидкого продукта. Эти процессы обусловливают прекращение ферментативных и не-ферментативных окислительных процессов в продукте и тем самым способствуют стабильности качества жидких чайных концентратов при их длительном хранении.
Жидкий концентрат черного чая с сахаром и лимоном —- сиропообразная жидкость темно-коричневого цвета со слабым ароматом. Содержание сухих веществ в нем не менее 60 %, ТКС — 1 %.
Тонизирующие напитки на чайной основе. Это освежающие, витаминсодержащие безалкогольные напитки типа «Пепси-кола» или «Кока-кола» («Бахмаро», «Тбилисоба», «Колхури», «Сенаки», «Техура», «Араду» и др.). Они вырабатываются из концентратов черного и зеленого чая с добавлением сахара, спиртового настоя ароматических растений, черного чая, лимонного эфирного масла, лимонной кислоты, фруктовых соков, сахарного колера и воды, насыщенной диоксидом углерода. Технология тонизирующего безалкогольного напитка «Бахмаро» включает следующие операции: приготовление купажной смеси,
704
напитка, розлив напитка в соответствующую тару и его герметизацию.
Тонизирующие напитки на чайной основе содержат присущие чаю ценные химические компоненты (ТКС, кофеин, органические кислоты, различные витамины, водорастворимые углеводы, аминокислоты, микроэлементы и др.). Это делает их более полезными для человеческого организма, чем всемирно известные напитки типа «Пепси-кола» и «Кока-кола».
По внешнему виду отечественные напитки на чайной основе очень приятные и разнообразные — лимонного, желтого, вишневого, зеленого, коричневого и других цветов. Их вкусовые качества, по мнению многих специалистов, даже превосходят лучшие мировые образцы прохладительных напитков.
Контрольные вопросы
1.	Какие основные химические вещества входят в состав чайного листа?
2.	Как классифицируют чай, полученный по различным технологиям?
3.	Какие концентраты чая вы знаете?
4.	По какой технологии получают тонизирующие напитки на основе чая?
Глава 31
ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ КИСЛОТ И УКСУСА ТЕХНОЛОГИЯ ЛИМОННОЙ кислоты
В пищевой промышленности лимонную кислоту используют при производстве кондитерских изделий, безалкогольных напитков и пищеконцентратов. Пищевую лимонную кислоту получают в процессе ферментации сахарсодержащих сред грибом Aspergillus niger.
Для приготовления сахарсодержащих сред используют мелассу. Меласса — это отход свеклосахарного производства, который получают при центрифугировании утфеля последней кристаллизации и отделении кристаллов сахарозы. Свекловичная меласса содержит около 80 % СВ, в том числе 46...51 % сахарозы, 0,4...1,5 % инвертного сахара, 0,5...2 % раффинозы и др. Содержание азотистых веществ в мелассе составляет 0,8...2,7 %, минеральных веществ — 8,5 %. В состав минеральных веществ мелассы входят калий, магний, кальций, фосфор, железо и др. В мелассу входят также витамины группы В (Вь В2, Bg), РР, биотин и др. Свекловичная меласса, используемая в производстве лимонной кислоты, должна содержать (%): не менее 75 СВ, 46 сахарозы, не более 1 инвертного сахара, 0,7 оксида кальция, 0,03 диоксида серы, 0,05 фосфорного ангидрида. Величина pH должна быть не ниже 6,5.
Кроме свекловичной мелассы в качестве сырья для приготовления сахарсодержащих сред используют мелассу, получаемую 705
при переработке импортного тростникового сахара-сырца. Сырцовая меласса содержит около 80 % СВ, в том числе около 44 % сбраживаемых сахаров, величина pH около 6,5.
Ферментация сахара осуществляется плесневым грибом A. niger, который хорошо усваивает глюкозу, фруктозу, сахарозу, плохо — галактозу, лактозу. Однако наибольшее количество лимонной кислоты образуется при сбраживании сред, содержащих сахарозу. Оптимальная концентрация сахара в среде составляет 10...15 %.
Процесс образования лимонной кислоты при ферментации сахара может быть представлен следующим уравнением:
С12Н22ОП + ЗО2 -> 2С6Н8О7 + ЗН2О.
При лимоннокислом брожении часть сахара расходуется на процессы роста и дыхания гриба.
Одним из важнейших факторов эффективности производства лимонной кислоты является использование соответствующего штамма гриба A. niger. Штаммы гриба должны давать наибольший выход лимонной кислоты, быть устойчивыми к внешним воздействиям. В условиях поверхностного и глубинного способов ферментации используют разные штаммы гриба, удовлетворяющие соответствующим условиям среды.
A. niger — аэроб, т. е. не может существовать без кислорода, поэтому ему свойствен поверхностный стелющийся рост, однако в условиях достаточной аэрации размножение может происходить глубинным способом.
К числу важных факторов, влияющих на жизнедеятельность A. niger, относятся также величина pH, температура, влажность, наличие минеральных веществ. Оптимальная температура для образования лимонной кислоты составляет 31...32 °C, для роста и развития гриба — 35...37 °C. Величина pH может находиться в пределах от 3,0 до 7,0, в процессе роста гриба и ферментации значение pH культуральной среды меняется. Минеральные вещества необходимы A. niger в процессе роста и лимоннокислого брожения. Для этого применяют гидрофосфат калия КН2РС>4 (источник калия и фосфора), сульфат цинка, а в ряде случаев — соли меди и кобальта.
Технологическая схема производства лимонной кислоты приведена на рис. 157. Основные стадии процесса происходят в специальных производственных помещениях.
Приготовление питательной среды. В состав питательных сред, используемых для ферментации, входят растворы мелассы и минеральных веществ. Все компоненты питательных сред подвергаются стерилизации.
Приготовление мелассных сред различной концентрации заключается в растворении мелассы в воде. Затем величину pH
706
Рис. 157. Технологическая схема производства лимонной кислоты
полученного раствора доводят до 6,8...7,2 путем добавления серной кислоты или раствора карбоната натрия, после обработки раствор кипятят. Для удаления ионов тяжелых металлов в ме-лассную среду вносят растворы гексациано-(П)-феррата калия и трилона Б. Далее добавляют растворы солей (ZnSOzp КН2РО4) и стерильную воду для доведения концентрации среды до необходимой величины.
Получение посевного материала. Посевной материал для глубинной и поверхностной ферментации готовят централизованно. Он представляет собой конидии производственного штамма A. niger, обладающие высокими всхожестью, продуктивностью, не содержащие посторонней микрофлоры.
707
Посевной материал получают размножением конидий на сусло-агаровых средах в стерильных условиях.
Ферментация мелассных сред в процессе производства лимонной кислоты может быть осуществлена глубинным или поверхностным способом.
Ферментация. Глубинная ферментация. Способ глубинной ферментации включает выращивание мицелия и основную ферментацию.
Ферментатор представляет собой стальной вертикальный цилиндрический сосуд, снабженный водяной рубашкой, устройствами для подачи воздуха и перемешивания культуральной жидкости.
Мицелий выращивают в посевном ферментаторе, объем которого составляет 10 % объема основного ферментатора. При этом к 3%-й мелассной питательной среде температурой 35...36 °C добавляют суспензию конидий, которую готовят предварительно за 5...6 ч, смешивая сухие конидии с мелассной средой и выдерживая в термостате при 32 °C. Мицелий выращивают при непрерывном перемешивании и аэрации среды. Температура выращивания составляет 34...35 °C. Количество воздуха, подаваемого для аэрации среды, увеличивают в процессе роста мицелия, после 24...30 ч и до окончания культивирования подают 90... 100 м3/ч. В процессе выращивания периодически осуществляют контроль чистоты культуры. Продолжительность выращивания мицелия может составлять 18...28 или 28...36 ч.
Основную ферментацию проводят в ферментаторах вместимостью 50 или 100 м3. Готовят стерильную мелассную питательную среду 3%-й концентрации температурой 32...33 °C, из посевного ферментатора поступает подросший мицелий. В течение первых суток после засева мицелий разрастается, начинается интенсивное брожение, что приводит к снижению содержания сахара в среде. Когда содержание сахара составит 0,4...0,8 %, в ферментатор подливают концентрированную мелассную среду, содержащую 20...25 % сахара. Обычно в процессе ферментации делают 3...4 подлива. Суммарную концентрацию сахара в исходном объеме среды доводят до 12... 13 %.
В процессе глубинной ферментации большое внимание уделяют аэрации культуральной жидкости, так как гриб нуждается в постоянном поступлении кислорода и удалении образующегося диоксида углерода. В ферментаторе вместимостью 100 м3 в течение первых суток увеличивают подачу воздуха со 100... 150 до 2200 м3/ч и поддерживают на данном уровне до окончания ферментации.
Температуру среды в процессе ферментации поддерживают в пределах 31...32 °C.
О завершении процесса брожения судят по изменению величины титруемой кислотности культуральной жидкости. Если
708
титруемая кислотность практически не изменяется в течение 4...8 ч, то брожение заканчивают. При этом культуральную жидкость в ферментаторе нагревают паром до 65...70 °C, а затем перекачивают в сборник.
Съем лимонной кислоты, т. е. ее количество, полученное с I м3 объема ферментатора за сутки, составляет 8...10 кг.
Мицелий отделяют и промывают на вакуум-фильтрах. После отделения культуральной жидкости мицелий промывают горячей водой температурой около 100 °C. Содержание кислоты в отмытом мицелии не должно превышать 0,2 %.
Поверхностная ферментация. Ферментацию проводят в закрытых камерах, на стеллажах которых установлены плоские кюветы прямоугольного сечения. Кюветы изготовляют из алюминия или нержавеющей стали (размеры кюветы: длина 7 м, ширина 1,8 м, высота 0,2 м).
Необходимую температуру в камере поддерживает приточновытяжная вентиляция.
Кюветы заполняют мелассной питательной средой, содержание сахара в которой составляет 13... 16 %, высота слоя среды 12...18 см. Затем проводят посев сухими спорами гриба A. niger.
Начальный период процесса, продолжающийся около трех суток, включает рост гриба и формирование пленки мицелия на поверхности среды в кювете. При этом поддерживают температуру 33...34 °C.
В процессе ферментации температуру культуральной жидкости поддерживают на уровне 30...32 °C. Ферментацию завершают, когда в среде остается 2...3 % сахара от введенного, кислотность достигает около 20 %. После окончания брожения сливают культуральную жидкость, под пленку мицелия подливают горячую воду для удаления лимонной кислоты. После промывания мицелий снимают с кювет, а культуральную жидкость и промывную воду направляют на выделение лимонной кислоты.
Способ поверхностной ферментации устарел и значительно уступает глубинному способу. Способ глубинной ферментации позволяет обеспечить более высокую скорость брожения, стерильные условия процесса, сокращает затраты ручного труда.
Получение цитрата кальция. Культуральная жидкость содержит лимонную, глюконовую и щавелевую кислоты. Содержание лимонной кислоты от общего содержания кислот составляет при глубинном способе 80...85 %, при поверхностном — 97...99 %.
В процессе выделения лимонной кислоты из культуральной жидкости ее осаждают в виде малорастворимого цитрата кальция. Культуральную жидкость обрабатывают известковым молоком до рН>6 при температуре около 90 °C. Происходит реакция нейтрализации лимонной, глюконовой и щавелевой кислот, в результате образуется осадок цитрата и оксалата кальция. Отде
709
ление осадка осуществляют на вакуум-фильтрах. Полученный на фильтре осадок промывают водой температурой не ниже 90 °C.
Разложение цитрата кальция. Промытый осадок обрабатывают серной кислотой в реакторе из кислотоупорной стали. В реакторе из осадка готовят суспензию, концентрация которой обеспечит получение 25%-го раствора лимонной кислоты. Температуру суспензии доводят до 75 °C и добавляют техническую серную кислоту в количестве, обеспечивающем ее избыток в растворе 5... 10 г/л. При этом происходит экзотермическая реакция разложения цитрата кальция с образованием лимонной кислоты и осадка сульфата кальция, температура реакционной смеси возрастает примерно до 90 °C.
При поддержании таких условий процесса оксалат кальция остается в осадке, так как для его разложения требуется большой избыток серной кислоты.
После разложения цитрата кальция в реактор добавляют 10%-й раствор гексациано-(П)-феррата калия или кальция для осаждения ионов трехвалентного железа, в результате чего образуется осадок берлинской лазури. Для осветления раствора лимонной кислоты вносят активированный уголь. Осаждение тяжелых металлов и мышьяка проводят сульфидом бария.
Очистка и выпаривание раствора лимонной кислоты. Осадок отделяют на вакуум-фильтрах, промывают его водой температурой около 90 °C до содержания лимонной кислоты в промывной жидкости не более 0,1 %. Промывную воду смешивают с фильтратом, среднее содержание лимонной кислоты в смеси должно быть не ниже 16 %.
Полученный раствор лимонной кислоты выпаривают до плотности 1,26... 1,28 г/см3 в вакуум-аппарате при остаточном давлении около 80 кПа, что позволяет уменьшить цветность раствора. В процессе выпаривания раствора выпадает осадок сульфата цинка. После выпаривания раствор лимонной кислоты осветляют активированным углем в количестве 1,5...2 % к массе лимонной кислоты в растворе. Активированный уголь и сульфат цинка отделяют фильтрованием.
Осветленный раствор лимонной кислоты поступает на второе выпаривание при остаточном давлении около 80 кПа. Раствор концентрируют до плотности 1,37...1,38 г/см3, при этом содержание кислоты в растворе составит 69...71 %. Концентрированный раствор фильтруют и подают в кристаллизатор.
Кристаллизация лимонной кислоты. Проводят с охлаждением горячего раствора в кристаллизаторе при непрерывном перемешивании. Пересыщение, необходимое для образования центров кристаллизации, достигается при снижении температуры концентрированного раствора. При температуре около 37 °C вносят затравку кристаллов лимонной кислоты в количестве 0,05 % к массе раствора. Образование и рост кристаллов происходят при
710
снижении температуры до 8 °C. При этой температуре утфель, который представляет собой смесь кристаллов и маточного раствора, выдерживают в течение 30 мин.
Отделение кристаллов кислоты. Кристаллы отделяют от маточного раствора на центрифугах. Полученные кристаллы пробеливают — опрыскивают водой температурой не выше 35 °C для удаления пленки маточного раствора на их поверхности. После центрифугирования влажность кристаллов лимонной кислоты составляет 2...3 %.
Сушка кристаллов. Кристаллы лимонной кислоты сушат в условиях, обеспечивающих удаление поверхностной влаги и сохранение кристаллизационной воды, для чего используют барабанные или ленточные пневматические сушилки, в которых кристаллы высушивают воздухом температурой 35 °C.
Упаковывание и хранение лимонной кислоты. После сушки кристаллы кислоты охлаждают, просеивают и упаковывают. Лимонную кислоту выпускают в упакованном виде, для реализации через розничную торговлю кислоту фасуют по 10... 100 г в пакеты из полиэтиленовой пленки или этикетировочной бумаги, ламинированной полиэтиленом, или пачки из бумаги с вкладышем.
Для поставок на предприятия лимонную кислоту фасуют в льно-джуто-кенафные мешки или льняные продуктовые вместимостью до 40 кг с вкладышем из полиэтиленовой пленки. Допускается упаковка кислоты в ящики из гофрированного картона, выстланные подпергаментом.
Лимонную кислоту хранят в закрытых помещениях при относительной влажности воздуха не выше 70 %. Срок хранения лимонной кислоты составляет 6 мес со дня изготовления.
В соответствии с требованиями ГОСТ 908 лимонную кислоту вырабатывают следующих сортов: «Экстра», высший, I с содержанием не менее 99,5 % лимонной кислоты в пересчете на моногидрат. Лимонная кислота представляет собой бесцветные кристаллы или белый порошок без комков, для кислоты I сорта допускается желтоватый оттенок. Вкус кислый, без постороннего привкуса, 2%-й раствор кислоты в дистиллированной воде не должен иметь запаха. Содержание золы для сорта «Экстра» не более 0,07 %, для высшего — 0,1, для I — 0,35 %.
ТЕХНОЛОГИЯ молочной кислоты
Пищевая молочная кислота представляет собой водный раствор молочной кислоты, который получают ферментацией углеводсодержащего сырья молочнокислыми бактериями Дельбрюка.
Сырьем для производства молочной кислоты служит смесь тростникового сахара-сырца, рафинадной патоки и свекловичной мелассы.
Тростниковый сахар-сырец содержит 99,4...99,6 % СВ, в том
711
числе 96,5...98 % сахарозы, 0,6...0,9 — редуцирующих веществ, 0,7...1 % органических несахаров.
Рафинадная патока является отходом производства сахара-ра-финада. Это вязкая коричневая жидкость, содержащая не менее 72 % СВ, в том числе 49 % сахарозы, величина pH не ниже 5,5.
В качестве возбудителя молочнокислого брожения при производстве молочной кислоты используют гомоферментативные термофильные бактерии Lactobacillus delbrueckii. Эти бактерии хорошо сбраживают глюкозу, мальтозу, фруктозу, галактозу и сахарозу.
Гомоферментативное молочнокислое брожение может быть представлено следующим уравнением:
С6Н12°6 2СзН6Оз + 94 кДж.
Для успешного культивирования L. delbrueckii необходимо наличие в сахарсодержащей среде аминокислот, витаминов группы В, биостимуляторов. С этой целью используют сухие солодовые ростки, содержащие азотистые вещества, витамины и биологически активные вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
Оптимальной температурой для брожения, вызываемого L. delbrueckii, является 48...50 °C, которая создает неблагоприятные условия для большинства других микроорганизмов, обеспечивает сохранение культуры молочнокислых бактерий.
Брожение протекает в средах с pH около 5,5, при увеличении pH появляется опасность заражения среды посторонними бактериями.
Образующаяся при брожении молочная кислота угнетает L. delbrueckii, поэтому кислоту, накапливающуюся в процессе ферментации, нейтрализуют мелом. В результате образуется растворимый лактат кальция. Кислотность поддерживают на уровне 0,3...0,4 %. Содержание лактата кальция в культуральной жидкости в конце брожения составляет 15...16 %. Выход молочной кислоты в процессе ферментации составляет в среднем 85...86 % к массе сахара.
Технологическая схема производства молочной кислоты приведена на рис. 158.
Подготовка питательной среды. При переработке сахарсодержащего сырья питательную среду готовят непосредственно в бродильном аппарате. Сахар-сырец, мелассу и рафинадную патоку растворяют в воде, получают среду с содержанием сахара 3...4 %. Раствор нагревают до 70 °C и пастеризуют при этой температуре в течение 1 ч. Затем раствор охлаждают до 48...50 °C и добавляют 15 % солодовых ростков к массе сахара.
Получение посевного материала. Посевную культуру получают из чистой культуры молочнокислых бактерий в производствен-
712
Рис. 158. Технологическая схема производства молочной кислоты
ной лаборатории путем выращивания на стерильной питательной среде из солодового сусла. Выращивание посевной культуры в лабораторных условиях включает три стадии продолжительностью 20...24 ч каждая при температуре 48...50 °C. Четвертую стадию выращивания проводят на стерильной производственной среде. Чистую засевную культуру готовят в начале производства и при необходимости ее замены. В производственных условиях посевной культурой служит отбор культуральной жидкости из предыдущего бродильного аппарата.
Сбраживание питательной среды. К подготовленной питательной среде добавляют засевную культуру молочнокислых бакте
713
рий, отобранную из другого аппарата, в количестве 20 % вместимости бродильного аппарата. Брожение проводят при температуре 48...50 °C. При температуре ниже 45 °C развивается посторонняя микрофлора. Кратковременное повышение температуры более 55 °C снижает активность молочнокислых бактерий.
Для нейтрализации образующейся молочной кислоты в бродильный аппарат несколько раз в сутки добавляют стерилизованное меловое молоко или измельченный мел.
В процессе брожения молочнокислые бактерии сбраживают до 2 % сахара в сутки, для поддержания концентрации сахара в бродящей среде 3...4 % в бродильный аппарат в несколько приемов вводят 50%-й раствор сахара-сырца.
Продолжительность брожения составляет 6...8 сут. Культуральная жидкость в конце брожения содержит до 15 % лактата кальция и 0,2...0,5 % несброженного сахара.
Очистка культуральной жидкости. В культуральной жидкости находятся твердые примеси: мел, солодовые ростки, а также коллоидные частицы. На первом этапе очистки культуральную жидкость обрабатывают известковым молоком температурой 70...80 °C, при этом осаждается железо, коагулируют белки, разрушается несброженный сахар. Для отделения взвешенных частиц культуральную жидкость отстаивают в течение 6... 12 ч при температуре выше 48 °C. Отстоявшуюся жидкость направляют на фильтрование, полученный фильтрат подают в кристаллизатор.
Кристаллизация лактата кальция. Для очистки лактата кальция от примесей при получении молочной кислоты высшего сорта проводят кристаллизацию. В кристаллизаторе отфильтрованную культуральную жидкость доводят до температуры 30 °C и вносят затравку в виде кристаллов лактата кальция предыдущей кристаллизации в количестве 6...7 % к массе раствора. В процессе образования центров кристаллизации и роста кристаллов смесь постепенно охлаждают. Конечная температура утфеля не должна превышать 10 °C. Продолжительность процесса кристаллизации составляет 10... 12 ч.
Отделение кристаллов лактата кальция. Кристаллический лактат кальция отделяют на фильтрах-прессах или центрифугах и пробеливают холодной водой для удаления поверхностной пленки маточного раствора.
Выход кристаллического лактата кальция составляет около 80 % его содержания в утфеле. Маточный раствор используют для получения молочной кислоты II сорта. Для этого проводят разложение лактата кальция, отделение гипса и осветление раствора активированным углем.
Разложение лактата кальция. Кристаллы лактата кальция расплавляют паром. Полученный раствор содержит 20...25 % лактата.
714
Лактат кальция разлагают серной кислотой с образованием молочной кислоты и нерастворимого осадка сульфата кальция:
Са(С3Н5О3)2 + H2SO4 -> 2С3Н6О3 + CaSO4.
В реакторе концентрацию раствора лактата кальция повышают до 18 % и проводят разложение при температуре около 80 °C и 0,5%-м избытке серной кислоты.
Очистка раствора молочной кислоты. Полученный раствор молочной кислоты подвергают очистке. Соединения железа осаждают 20%-м раствором гексациано-(П)-феррата калия, тяжелые металлы и мышьяк — сульфидом бария. Для осветления раствор молочной кислоты обрабатывают активированным углем. Осадок, образующийся в результате очистки раствора кислоты, отделяют фильтрованием.
Получение молочной кислоты I сорта. Молочную кислоту 1 сорта получают без кристаллизации лактата кальция. Лактат кальция, содержащийся в очищенной культуральной жидкости, разлагают серной кислотой. Полученный раствор молочной кислоты обрабатывают гексациано-(П)-ферратом калия и сульфидом бария. Гипсовый шлам отделяют фильтрованием.
Раствор молочной кислоты осветляют в течение 30 мин при температуре 80 °C активированным углем, который вносят в количестве 3...4 % к массе 40%-й молочной кислоты. Затем отработавший уголь отделяют фильтрованием.
Очистка раствора молочной кислоты. Для удаления примесей минеральных веществ, красящих и азотистых соединений осветленный раствор кислоты очищают с помощью ионообмена на катионитовых и анионитовых фильтрах.
Выпаривание раствора молочной кислоты. Полученный раствор кислоты выпаривают в вакуум-аппаратах при остаточном давлении не менее 80 кПа до концентрации, превышающей 40 %.
Полученный концентрированный раствор молочной кислоты дополнительно осветляют активированным углем, проверяют на полноту разложения лактата, на содержание железа, тяжелых металлов и мышьяка. Раствор кислоты обрабатывают гексациа-но-(П)-ферратом калия и сульфидом бария. Затем кислоту фильтруют, доводят умягченной водой до стандартной концентрации 40 % и выдерживают в течение 2... 10 сут.
Розлив молочной кислоты. Готовую молочную кислоту разливают в стеклянные бутыли вместимостью 10 л, бочки из полиэтилена вместимостью 50 л. Стеклянные бутыли укладывают в деревянные ящики, заполненные упаковочным материалом. Молочную кислоту перевозят всеми видами транспорта с соблюдением соответствующих правил.
715
Молочную кислоту хранят в таре изготовителя в закрытых складских помещениях в течение 1 года со дня выработки.
В соответствии с требованиями нормативных документов пищевую молочную кислоту выпускают 40%-й концентрации высшего, I и II сортов. Она представляет собой прозрачную жидкость без мути и осадка, со слабым запахом, специфическим для молочной кислоты, кислого вкуса, без постороннего привкуса.
Готовая молочная кислота содержит различные продукты дегидратации, которые называются ангидридами. При увеличении концентрации кислоты содержание ангидридов возрастает. Образование ангидридов приводит к снижению кислотности, ухудшает качество кислоты.
Физико-химические показатели качества пищевой молочной кислоты приведены в табл. 31.1.
Таблица 31.1
Показатели качества	Норма для молочной кислоты следующих сортов		
	высшего	I	II
Содержание:
общей молочной кислоты, % прямотитруемой молочной кислоты, %,	40,0+1,0 37,5	40,0+1,0 37,5	40,0+1,0 35
не менее ангидридов, %, не более	2,5	2,5	5,0
золы, %, не более	0,6	1,0	4,0
редуцирующих веществ, %, не более	1,0	Не нормируется	
Цветность, усл. град, не более	6,5	10	30
В молочной кислоте определяют содержание железа, мышьяка, сульфатов, проводят пробы на наличие бария, солей тяжелых металлов, ферроцианидов, цианисто-водородной кислоты, свободной серной кислоты.
ТЕХНОЛОГИЯ УКСУСА
Столовый уксус представляет собой слабый водный раствор уксусной кислоты, получаемый при окислении этанола уксуснокислыми бактериями или при разбавлении водой уксусной эссенции. Уксус используют при изготовлении майонезов, соусов, консервов, а также в качестве приправы.
Основное сырье для производства спиртового уксуса — спирт-сырец из зерна, картофеля или их смеси, ректификованный спирт I сорта. Для выработки фруктового уксуса используют сухие плодово-ягодные виноматериалы.
716
Ферментация осуществляется уксуснокислыми бактериями Acetobacter aceti.
Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями можно представить в виде суммарного уравнения
С2Н5ОН + О2 -> СН3СООН + Н2О + 487 кДж.
Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, так как уксусная кислота образуется только в присутствии кислорода воздуха. Оп-
тимальной для развития бактерий является температура около 30 °C. Бактерии могут развиваться в среде с pH около 3,0, оптимальными же значениями pH являются 5,4...6,3. Накапливающаяся при ферментации уксусная кислота угнетает клетки бактерий, снижается скорость кислотообразования.
Содержание спирта в сбраживаемом сусле составляет 6... 10 об. %. Повышенная концентрация спирта в среде затрудняет развитие уксуснокислых бактерий.
Уксуснокислые бактерии могут окислять уксусную кислоту с образованием диоксида углерода и воды. Этот процесс переокис-ления происходит, если окислен весь спирт, содержащийся в сбраживаемом сусле. Он приводит к снижению выхода уксусной кислоты. Для предотвращения переокисления ферментацию заканчивают при содержании 0,2...0,3 об. % неокисленного спирта
в сброженном сусле.
В питательной среде должны находиться сахара, минеральные соли, содержащие азот, фосфор, серу, калий и магний.
Технологическая схема производства столового уксуса циркуляционным способом приведена на рис. 159.
Сусло для ферментации готовят из спирта, воды и добавок, обеспечивающих развитие бактерий.
С этой целью в сусло вносят минеральные соли (сульфат аммония, диаммония фосфат, гидрофосфат калия, суперфосфат), сахара (техническая глюкоза, крахмальная патока, солодовое сусло).
Ферментацию проводят в генераторах-окислителях, изготовленных из дерева, керамики, нержавеющей стали и других кислотоустойчивых материалов.
Для увеличения площади поверхности окислительного взаимодействия в генератор вводят наполнитель — стружку из бука, граба, березы. На поверхности стружек закрепляются уксуснокислые бактерии.
схема производства столового уксуса
717
Стружку орошают подготовленным суслом, бактерии окисляют спирт в уксусную кислоту. Из сборника сусло с помощью насоса через теплообменник повторно перекачивают в ороситель. Оптимальной температурой для интенсивного кислотообра-зования является в верхней части генератора 28...32 °C, в нижней — 32...36 °C. Процесс ферментации продолжается 4...5 сут, накопление уксусной кислоты составляет 9... 10 %. Высокая производительность генератора обеспечивается необходимой аэрацией среды. Полученный уксус сливают, оставляя в генераторе некоторое его количество, и начинают следующий цикл. В генератор-окислитель подают приготовленное сусло.
Полученный уксус осветляют, для этого его обрабатывают оклеивающими материалами (желатин, рыбий клей) и активированным углем. Образующийся осадок отделяют фильтрованием.
Для улучшения вкуса и запаха уксус выдерживают в дубовых бочках.
Стандартную кислотность пищевого уксуса получают, разбавляя его водой до требуемой концентрации уксусной кислоты.
Готовый уксус пастеризуют для получения продукта, стойкого при хранении. Уксус разливают для розничной продажи в бутылки, а для использования в промышленности — в бочки и бутыли.
В зависимости от вида сырья и содержания уксусной кислоты вырабатывают пищевой, уксус спиртовой 6, 9, 12%-й, фруктовый 6%-й.
Уксус должен быть прозрачным, без мути, осадка, слизи, посторонних включений. Запах и вкус соответствуют виду уксуса. Фруктовый уксус имеет слабый запах исходного сырья без посторонних запахов и привкусов.
Наличие свободных минеральных кислот и солей тяжелых металлов в уксусе не допускается.
Уксус хранят в хорошо вентилируемых помещениях при температуре от 0 до 20 °C и относительной влажности воздуха 75...80 %. Срок хранения в бутылках составляет: 6%-го — 6 мес, 9%-го и 12%-го — 12, фруктового — 3 мес.
Контрольные вопросы
1.	Из какого сырья получают молочную кислоту?
2.	Какие микроорганизмы используют при производстве лимонной и молочной кислот?
3.	Где применяют пищевые кислоты?
4.	Что собой представляет пищевая молочная кислота?
5.	Как получают уксус?
Раздел V ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
•
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ
Под окружающей средой понимают всю земную природу, окружающую человека, где естественные факторы функционируют в органическом единстве с продуктами человеческой деятельности.
Четвертый период (последние 40...50 лет) взаимоотношений человека с природой характеризуется развитием второго глобального экологического кризиса, возникновением и усилением потепления климата (парниковый эффект) благодаря повышению содержания диоксида углерода в воздушной среде, появлением озоновых дыр и кислотных дождей, супериндустриализацией, суперхимизацией, супермилитаризацией, суперпотреблением и суперзагрязнением всех геосфер Земли. Следует отметить, что начиная с 1980 г. и до настоящего времени отношение людей на планете к природе существенно изменилось. Получает всестороннее развитие экологическое образование во всех странах мира, ширится общественное движение за сохранение природной среды, появляются и развиваются альтернативные источники энергии, развивается дехимизация сельского хозяйства, наблюдаются рост и эффективность ресурсосберегающих технологий, развивается и усиливается экономический механизм природопользования и охраны окружающей среды, а также правовая основа последних. Разрабатываются и принимаются новые национальные и международные программы и законы об охране природы. В наиболее развитых странах мира начинается также процесс демилитаризации.
Важное значение приобретает охрана здоровья людей, а также соблюдение гигиенических требований к уровню безопасности пищевого сырья и продуктов. Заметим при этом, что рост населения на планете все более возрастает. Так, население мира в 1995 г. превышало 5,6 млрд человек, к 2020 г., по данным ООН, оно достигнет 8 млрд человек. Оздоровление окружающей среды — проблема человечества.
Все изложенное выше свидетельствует о росте загрязнения окружающей среды — воздуха, воды и почвы сверх допустимых пределов. Принимаемые в последние 10... 15 лет в разных странах мира, в том числе и в СНГ, законы и подзаконные правовые документы, реальные практические решения приносят только
719
первые ощутимые результаты по стабилизации и оптимизации окружающей среды, по уменьшению ее загрязнения и влияния на здоровье человека, по коренному улучшению системы природопользования. Однако в целом состояние природной среды требует оздоровления. В связи с этим в настоящее время придается важнейшее значение не только охране природной среды, но и ее защите.
Под охраной окружающей среды понимают систему мер, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей средой, обеспечивающую сохранение и восстановление природных богатств, рациональное использование природных ресурсов, предупреждающее прямое или косвенное вредное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека. Эти меры могут носить международный, государственный, региональный, общественный или административный характер.
Под защитой окружающей среды понимают природоохранную деятельность, направленную на снижение или полное исключение поступления в биосферу загрязнителей антропогенного происхождения.
Решение Продовольственной программы как в нашей стране, так и в других странах современного мира тесно связано с обеспечением населения высококачественной, экологически чистой продукцией широкого ассортимента, с рациональным природопользованием и охраной окружающей среды. Современные тенденции и подходы к развитию отдельных отраслей пищевой промышленности свидетельствуют о том, что вопросы производства, потребления и качества продукции взаимосвязаны с понятиями «экологизация производства» и «экологизация технологий».
Экологизация производства — это процесс неуклонного и последовательного внедрения систем технических, управленческих, организационных и других решений, которые дают возможность повышать эффективность использования природных ресурсов, улучшать или сохранять качество природной среды на локальном, региональном и глобальном уровнях.
Под экологизацией технологий понимают разработку и внедрение в производство таких технологий, которые при максимальном получении продукции высокого качества обеспечивали бы сохранение экологического равновесия в окружающей среде и природном круговороте веществ и энергии, не допускали загрязнения среды обитания. Основу экологизации составляют разработка и внедрение малоотходных, энерго- и ресурсосберегающих технологий, а также таких природоохранных технологий, как очистка отработавшего воздуха и сточных вод. В основе подхода к экологизации технологического цикла (ресурсного цикла) лю
720
бого производства заложен социо-эколого-экономический принцип. Он сохраняется и в условиях рыночных отношений.
Пищевая промышленность принадлежит к числу материалоемких отраслей, так как использует значительное количество природных сырьевых, топливно-энергетических и водных ресурсов. В большинстве отраслей пищевой промышленности удельный расход сырья и материалов, т. е. расход сырья и материалов на единицу выпускаемой продукции, достаточно велик. Этот показатель существенно влияет не только на развитие и размещение производства, формирование сырьевых зон и сроков переработки сырья, но и на экологичность производства в релом.
Среди первой, наиболее многочисленной группы производств, для которых характерны высокие удельные расходы сырья и материалов, — сахарные, спиртовые, крахмало-паточные, масло-жировые, консервные, винодельческие и другие заводы.
Ко второй группе относят отрасли, сырьем для которых обычно служат продукты других отраслей пищевой промышленности. Это кондитерские и макаронные фабрики, маргариновые и сахаро-рафинадные заводы.
Третью группу производств составляют такие, в которых масса готовой продукции значительно выше массы сырья. К ним относят производство хлеба, пива, ликеро-водочных изделий и другие отрасли. Как правило, они размещаются в районах потребления готовой продукции.
Каждое из пищевых производств в той или иной степени загрязняет окружающую природную среду за счет выброса ряда вредных веществ в атмосферу, образования сточных вод и твердых отходов. Пищевая промышленность занимает 14-е место среди отраслей и производств промышленного цикла по уровню загрязнения окружающей среды. До 10 % сточных вод промышленных предприятий приходится на долю пищевых производств.
ОХРАНА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА
Атмосфера — газовая оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она простирается на высоту от поверхности Земли приблизительно до 2000...3000 км. Масса атмосферы составляет 5,15- 1015 т. Основная ее масса сосредоточена в нижнем слое — тропосфере, хотя ее кислородно-азотный состав сохраняется даже на высоте 400...500 км.
В толще атмосферы протекают многочисленные и разнообразные физические и химические процессы. Однако наиболее важный для жизни приземной слой имеет постоянный газовый состав (%): азот — 79,09; кислород — 20,94; аргон — 0,93; неон, гелий, криптон и ксенон (инертные газы) представлены в мик
721
родозах. Постоянный газовый состав приземного слоя превышает 99 %. Переменными компонентами такого воздуха являются микрогазы: диоксид и оксид углерода, озон, оксиды серы и азота, метан, аммиак, а также пары воды и др. Переменные микрогазы имеют как естественное, так и антропогенное происхождение. Их роль в биосфере достаточно разнообразна и велика. Так, например, озон служит своеобразным фильтром, не пропускающим жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всех живых организмов. Ряд микрогазов (диоксид углерода, метан, пары воды) играют важную роль в изменении теплового баланса Земли. Содержание в воздухе диоксида и оксида углерода подвержено большим колебаниям.
Внесение в атмосферу, как и в любую другую среду, новых, нехарактерных для нее агентов или превышение естественного среднего многолетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением, а сами агенты — загрязнителями. Основными загрязнителями окружающей среды являются газообразные вещества и аэрозоли. Наиболее распространенными газами, загрязняющими воздух, являются сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, аммиак, соединения фтора, хлора, сероводород, диоксид и оксид углерода, а также непредельные углеводороды. Жидкие аэрозоли — это пары кислот, щелочей и фенолы.
Твердые частицы, поступающие в атмосферу, чаще всего состоят из несгоревших частиц угля, золы, сульфатов, сульфитов и сульфидов металлов (железа, меди, цинка, свинца и др.), кремнезема, хлоридов, соединений кальция, натрия, фосфора. В последнее время возросло биологическое загрязнение атмосферы.
В странах СНГ основное загрязнение атмосферы создают ряд отраслей промышленности, автотранспорт и теплоэнергетика.
Самыми распространенными в атмосфере токсическими веществами являются СО, SOj, NOX, углеводороды, канцерогены и пыль. Некоторое количество загрязняющих веществ образуется в процессе обменных реакций в биосфере.
Наименьшее количество загрязнений содержится в воздушной среде над океаном (0,1 %) и над сельской местностью (1 %). В воздухе городов загрязнение достигает 12,9 %, а в воздухе промышленных районов — 86 % общего количества загрязнений воздуха. •
Выбросы вредных веществ в атмосферу достигают большой величины. По данным материалов Конференции ООН по окружающей среде и развитию (КООНОСР), которая состоялась в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро, и Центра за наше общее будущее (Женева, 1993), мировые выбросы (млн т) антропогенного происхождения составили в 1990 г.: SOX— 100, NOX— 70, СО —-178, взвешенные частицы — 59. Кроме того, ежегодно в атмосферу выбрасывается (млн т/год), по данным С. В. Белова и др.: диоксида углерода 18  Ю3, углеводородов 88, свинца 0,5.
722
Все вещества антропогенного происхождения, загрязняющие атмосферу (их свыше 700), классифицируют следующим образом. Их различают по природе (материальные или энергетические), степени химической активности или инертности, по агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные), по химическому составу, по размерам частиц, по массе вещества, образующегося в кг/ч.
Кроме того, они различаются по степени опасности и влиянию на человека. Известно четыре класса загрязняющих атмосферу веществ: чрезвычайно опасные (ртуть и др.), высокоопасные (диоксиды серы и азота), умеренно опасные (сажа) и малоопасные (бензин). Важно знать также характер воздействия этих веществ на человека. Поэтому загрязняющие вещества делят на общесоматические (СО, свинец, ртуть, мышьяк и др.), вызывающие отравление всего организма; раздражающие (хлор, аммиак, озон, оксиды азота и др.), вызывающие раздражение дыхательного тракта и слизистых оболочек; аллергические (формальдегид, лаки на основе нитросоединений, различные растворители); канцерогенные [3,4~бенз(о)пирен, амины, асбест, радон и др.], вызывающие злокачественные опухоли; мутагенные (свинец, марганец, радий, уран и др.), приводящие к изменению наследственной информации.
Предприятия пищевой промышленности, хотя и в меньшей степени, чем заводы химической, металлургической и других отраслей промышленности, также выбрасывают в атмосферу загрязняющие вещества.
Выбросы промышленных предприятий подразделяют на неорганизованные и организованные. Неорганизованные выбросы — это выбросы газов, паров, пыли и сточных вод, которые образуются в результате неплотностей в аппаратах, установках, трубопроводах, коммуникациях, через оконные и дверные проемы, особенно при открытых процессах загрузки, выгрузки продуктов, при плохо организованном транспортировании и складировании пылящих и выделяющих газы материалов, химикатов, отходов производства. Особенно опасны для воздушной среды и водоемов аварийные (залповые) выбросы жидких и газообразных веществ, образующихся при нарушениях технологических процессов, при неполадках и по другим причинам.
Организованные выбросы — это выбросы, которые отводят от мест их образования системой воздуховодов, газоходов (дымовые трубы, шахты, общеобменные вентиляционные системы, местные вытяжные системы от технологического оборудования).
Выбросы в атмосферу пищевыми предприятиями можно разделить на следующие группы:
выбросы, сопровождающиеся при выделении энергии и теплоты и в результате использования транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания;
723
выбросы, сопутствующие основным технологическим процессам;
выбросы цехов по переработке вторичных материальных ресурсов;
выбросы вспомогательных цехов и производств.
Как отмечалось ранее, источником первой группы выбросов на пищевых предприятиях являются теплоэлектроцентрали и паросиловое оборудование, хлебопекарные и кондитерские печи, а также автотранспорт.
Мощности котлоагрегатов серий ДКВР, Е-1/9, ДЕ и др. различны. Теплоэлектроцентрали сахарных заводов обеспечивают выработку пара от 50 до 200 т/ч, спиртовых заводов — 30...40 т/ч. Мощность котельных установок на спиртовых и пивоваренных заводах, кондитерских фабриках, как правило, составляют от 4 до 25 т пара в час, на хлебозаводах, винодельческих предприятиях, консервных заводах — от 2,5 до 10 т пара в час.
В качестве топлива используют газ, мазут и твердое топливо — каменный уголь. В хлебопекарных печах используют преимущественно природный газ или электрообогрев.
Удельные выбросы вредных веществ при сжигании различного топлива в котлоагрегатах зависят прежде всего от вида топлива. Из данных табл. 32.1 видно, что наиболее чистым в экологическом отношении является природный газ. В процессе работы котлоагрегатов строго следят за параметрами технологического режима их работы, выводом шлама из системы труб, рациональным использованием образующихся зольных шлаков.
Таблица 32.1
Топливо	Удельные выбросы вредных веществ (кг/т)			
	твердые частицы	SO2	со	окислы азота
Угли:				
воркутинские	67,2	14,4	45,5	2,17
донецкие	67,6	50,4	49,0	2,21
якутский	43,0	3,6	45,1	2,01
карагандинский	75,2-	14,4	43,9	1,97
кузнецкий	53,6	7,2	51,3	2,23
Мазут:				
высокосернистый	6,0	54,9	37,7	2,46
низкосернистый	5,6	5,9	37,7	2,57
Газ, кг/1000 м3	—	—	12,9	2,15
На сахарных заводах б. СССР, по данным Л. Г. Белостоцкого, В. А. Лагоды и др., основная масса годовых выбросов (80...90 %) приходится на сезон сахароварения (110... 130 сут) и составляет в
724
среднем по сахарной промышленности 735,2 тыс. т. Из них (тыс. т): твердые частицы — 37,3, окислы серы — 509,9, окись углерода — 106,5, окислы азота — 81,5.
В приведенных данных по сахарным заводам представлены выбросы не только из котельных, но и из технологического оборудования: известковая и жомовая пыль, отходящие газы сатурации и сульфитации соков и сиропов (СО, SO2).
На солодовенных и пивоваренных заводах специфическими выбросами является зерновая и мучная пыль, образующаяся при приемке, транспортировании и очистке зерна и солода, а также при дроблении солода и зерна. Кроме того, на пивоваренных заводах образуются газы брожения, содержащие СО2, этиловый спирт, альдегиды, сложные эфиры и летучие кислоты.
Из компрессорных установок отводят аммиак или фреон в зависимости от типа установки и ее назначения.
Из бутылкомоечных машин в атмосферу выбрасываются пары щелочи. Пивоваренный завод мощностью 2 млн дал пива в год выбрасывает за 12 мес более 0,1 т паров щелочи. Отметим, что пивоваренный завод с солодовней мощностью 7,2 млн дал пива в год в среднем имеет 50 организованных источников выброса зерновой пыли, которые оборудованы очистительными устройствами (КПД 96...98 %). При общей массе пыли свыше 400 т/год в атмосферу выбрасывается только 10... 15 т пыли.
На кондитерских фабриках к вредным организованным выбросам кроме выбросов из котельной относят технологические выбросы: пыль (мучная, сахарная, крахмальная, какаовеллы), окислы азота и оксид углерода, поступающие в атмосферу из печей для выпечки вафель, печенья, тортов и др., а также аммиак и фреон, отводимые из компрессорных установок.
На хлебобулочных комбинатах специфическими организованными выбросами являются мучная и сахарная пыль, отработавшие газы сжигания топлива, газы, отводимые из компрессорновоздушных установок, для получения сжатого воздуха, предназначенного для аэрозольтранспорта муки.
На спиртовых заводах, перерабатывающих зерно, кроме газовых выбросов из котельных в процессе очистки и транспортирования зерна образуются выбросы сорной и зерновой пыли. В процессе помола зерна, особенно сверхтонкого, из системы выделяется тонкая мучная пыль, которую улавливают с помощью специальных воздушных сепараторов. При работе элеваторов и зерноочистительных машин образуется много пыли, но с помощью циклонов основная масса зерновой пыли задерживается и реализуется как доброкачественные отходы производства. При дрожжегенерировании и брожении выделяются диоксид углерода, содержащий этиловый спирт, альдегиды и сложные эфиры. Для улавливания паров этилового спирта и летучих примесей газы брожения проходят через спиртоловушки. Из брагоректи
725
фикационного отделения в атмосферу могут попасть этиловый и высшие спирты, метанол, фурфурол. В настоящее время на большинстве заводов диоксид углерода используется как вторичный материальный ресурс и направляется не в атмосферу, а в цех товарного продукта.
На спиртовых заводах, осуществляющих комплексную переработку мелассы, кроме выбросов из котельных образуются вы-, бросы диоксида углерода, паров хлора и формальдегида, газов брожения, микроорганизмов при аэрации питательной среды дрожжерастильных аппаратов, отработавших дымовых газов, использованных при сушке кормовых дрожжей, пыли сухих кормовых дрожжей и др.
Наиболее опасным местом с точки зрения охраны природы является цех сухих кормовых дрожжей. Поэтому в настоящее время дрожжерастильные аппараты и сушильные установки оборудуют мокрыми фильтрами, КПД которых равен 98 %. Дрожжи возвращаются в дрожжерастильные аппараты, сухую биомассу используют на корм скоту.
Для улавливания пыли органического происхождения используют, как правило, различные системы сухих пылеулавливателей (циклоны, пылеосадительные камеры и др.) с КПД 85...98 %, выбор которых обусловлен характером и размером частиц. Используют также пористые фильтры и электрофильтры.
Широкое распространение получили тканевые фильтры для улавливания мучной и сахарной пыли. В ряде случаев используют форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури для улавливания пыли мокрым способом, например улавливание выбросов микроорганизмов и др.
Для улавливания этилового спирта из отходящих газов брожения используют спиртоловушки, работающие по типу абсорберов. Газообразные загрязнители атмосферы улавливают различными способами, широко используя при этом методы адсорбции на твердых материалах. Одновременно проводят рассеивание выбросов в атмосфере благодаря использованию высоких труб и дефлекторов. В первом случае это трубы ТЭЦ и котлоагрегатов пищевых производств. Их высота колеблется в зависимости от мощности источника и других факторов от 25 до 60...70 м. Во втором случае это труба-дефлектор над крышей здания, высота которой составляет 1,5...2 м. Дефлектор применяют в бутылкомоечных машинах, компрессорных установках и пр.
Все пищевые предприятия имеют санитарно-защитные зоны, под которыми понимают полосу земли, отделяющую их от жилых массивов. В соответствии с классификацией предприятий по типу выделяемых выбросов установлено пять санитарно-защитных зон: для предприятий 1 класса — 1000 м, II класса — 500, III класса — 300, IV класса — 100, V класса — 50 м.
В соответствии с системой законодательных актов разработа
726
ны и осуществляются на практике различные мероприятия по охране и защите воздушного бассейна. Комплекс защитных мер по предупреждению загрязнения атмосферы включает архитектурно-планировочные, конструкторско-технологические мероприятия, рассеивание выбросов загрязняющих веществ через высокие дымовые трубы, очистку вентиляционного воздуха и технологических газов перед выбросом в атмосферу, контроль загрязнений атмосферы выбросами пищевых производств.
В настоящее время придается большое значение государственной экологической экспертизе, которую осуществляет Министерство по охране окружающей среды на различных уровнях. Цель экологической экспертизы — оценка выбора места строительства нового предприятия, цеха; компактного, рационального размещения производственных, административных, энергетических и других объектов на выбранной территории; использование современных энергосберегающих и безотходных технологий производства, нересурсоемких технологий, рациональных и экономных технологий использования водных ресурсов, очистки всех видов сточных вод; использование высокоэффективных пыле- и газоочистных сооружений, способных обеспечить необходимый уровень предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосфере на границе нормативной или расчетной санитарно-защитной зоны и в районах прилегающей жилой зоны. Большое внимание уделяется экологической оценке возможных путей утилизации и размещения всех отходов предприятия.
Обязательная государственная экологическая экспертиза проводится на объектах с повышенной экологической опасностью. Во всех иных случаях решение о проведении экологической экспертизы в каждом конкретном случае принимает Министерство по охране окружающей среды. Проведение экологической экспертизы возможно и на действующих объектах и комплексах. Важен и экологический аудит.
Для контроля за состоянием атмосферы разработаны специальные санитарно-гигиенические нормы. Основной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация вещества в единице объема (мг/м3) воздуха при нормальных условиях. Она определяет физические, химические и другие виды воздействия на человека и окружающую его среду, а также служит основным параметром для нормирования содержания примесей в атмосфере. Предельно допустимая концентрация (ПДК) — это максимальная концентрация (мг/м3) примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывала бы на него или окружающую среду вредного воздействия. Различают максимальную разовую ПДКМ.Р и среднесуточную ПДКСС предельно допустимые концентрации вредных веществ.
727
пдкм.р — основная характеристика вредного вещества с точки зрения опасности. Она устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, реакция мозга, светочувствительность) при кратковременном (20 мин) воздействии атмосферных примесей.
ПДКсс установлена для предупреждения общетоксичного, канцерогенного, мутагенного и другого влияния на организм человека в течение всей его жизни. В табл. 32.2 приведены значения ПДК некоторых наиболее характерных загрязнителей атмосферного воздуха.
Таблица 32.2
Вещества	Класс опасности	Предельно допустимая концентрация, мг/м3	
		ПДК„.р	ЩЦСе
NOz	2	0,085	0,04
СО	4	5,000	3,00
so2	3	0,500	0,05
Хлор	2	0,1	0,03
Озон	1	0,160	0,003
Аммиак	4	0,200	0,04
Спирт:			
метиловый	3	1,000	,0,50
этиловый	4	5,000	5,00
Пыль:			
мучная	4	0,500	0,150
сахарная	4	0,500	0,150
крахмальная	4	0,500	0,150
какаовеллы	4	0,500	0,150
жомовая	4	0,500	0,05
известняка	4	0,500	0,150
Бенз-(с)-пирен	1	—	1 10-6
Если некоторые санитарно-гигиенические нормы воздуха еще не утверждены Минздравом России, допускается некоторое время использовать величины (мг/м3) временно допустимых концентраций (ВДК), ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). Наличие микроорганизмов в выбросах контролируют по значениям ориентировочно безопасного уровня их вредности (например, для кормовых дрожжей ОБУВ — 5 • 103 клеток/м3) и другим показателям.
Полученные фактические данные по анализу воздуха сравнивают со значениями максимально допустимых концентраций загрязнителей.
728
Воздух считается незагрязненным при наличии одной примеси, если
с/пдк,-мр< i,
где Q — концентрация /-го загрязнителя в воздухе, мг/м3.
При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ (Cb С2, С3, ...), обладающих однонаправленным действием, их безразмерная суммарная концентрация при отсутствии загрязнения должна удовлетворять условию
С1/ПДК,!М.р + С2/ПДК2>М.Р + С3/ПДК3>М.Р< 1.
Если сумма частных от деления превышает единицу, то загрязнение есть.
Согласно требованиям ГОСТ 17.2.3.02 для каждого проектируемого и действующего предприятия устанавливается также расчетный предельно допустимый выброс (г/с) вредных веществ в атмосферу (ПДВ) при условии, что максимальная концентрация Qmax вредного вещества от данного источника в совокупности с С/фон других источников не превысит концентрацию, превышающую ПДК/ м р. При определении ПДВ для приземного слоя необходимо соблюсти условие
Q,max ^/,фон — Г1ДК/1М р,
где G,mOx — максимальная концентрация /-го загрязнителя от одного источника загрязнения в зоне факела выброса в приземном слое атмосферы, мг/м3; С,фон — фоновая концентрация /-го загрязнителя в атмосфере, образованная естественным путем и путем загрязнения воздуха другими источниками, мг/м3; ПДК;,м.р — предельно допустимая максимальная разовая концентрация /-го загрязнителя, мг/м3.
ОХРАНА ГИДРОСФЕРЫ
Гидросфера — это совокупность всех видов вод (океаны, моря, реки, озера, болота, ледники, снежный покров, подземные воды, влага почвенная и атмосферная), образующих прерывистую водную оболочку Земли. Общий объем воды равен 1465 млн км3, из которого мировой ресурс пресной воды составляет лишь 30 млн км3. На долю ледников и айсбергов как источников пресной воды приходится 97 %. Человечество для своей жизни и производственной деятельности расходует 5...6 млн км3, т. е. 0,3...0,4 % всей гидросферы Земли. Озера и реки как наиболее доступные источники пресной воды покрывают 3 % поверхности суши.
Для питья и приготовления пищи одному человеку требуется 2,5...3 л воды в сутки, а для удовлетворения всех его потребнос-
729
тей эта величина возрастает до 300...400 л/сут. Жители различных стран обеспечены пресной водой неравномерно.
Население России вполне удовлетворительно обеспечено пресной водой, но основное ее количество приходится на районы Сибири, Дальнего Востока, Севера. Значительно меньше пресной воды в центральных и южных районах России, других странах СНГ.
Дефицит пресной воды в мире — прежде всего следствие безвозвратного ее потребления, всевозрастающего загрязнения природных вод промышленными и бытовыми стоками, а также необходимостью многократного разбавления сточных вод перед сбросом их в водоемы. Ученые подсчитали, что ресурсы пресной воды могут быть исчерпаны уже в следующем столетии.
К основным потребителям пресной воды относят сельское хозяйство, промышленность и энергетику, а также коммунальное хозяйство. Соотношение воды, используемой ими, соответственно составляет (%) 70:20:10.
Водопотребление различных отраслей промышленности в процентах от всего водозабора составляет: черная и цветная металлургия — 41, химическая промышленность — 16, топливная и нефтяная — 13, целлюлозно-бумажная — 11, другие отрасли — 19 (в том числе пищевая). К этому следует добавить, что водопотребление чрезвычайно колеблется в зависимости от типа производства и его мощности. Так, в соответствии с действующими нормами (1980 г.) удельный расход воды (м3/т) составляет при производстве сахара-песка 2,49, хлебобулочных изделий 4,33 (мощность завода 30 т/сут), макаронных изделий 10,98 (мощность завода 105 т/сут), прессованных дрожжей 195,5, концентрата квасного сусла 54,85, крахмала из картофеля 15,7. Для получения 1000 дал виноматериалов марочных вин используют 58,05 м3 свежей исходной воды, водки — 84, спирта из зерна — 1482, солода — 19,8, пива — 109,2, хлебного кваса —20,3, безалкогольных напитков (газированных) — 61,96 м3.
В системах производственного водоснабжения в пищевой промышленности воду используют в качестве сырья, для теплообменников, мойки и транспортирования сырья, тары, оборудования, трубопроводов, в качестве поглотителя твердых частиц, газов, для санитарно-бытовых нужд.
Водоснабжение предприятий пищевой промышленности осуществляют за счет городского водопровода и артезианских скважин.
На каждом предприятии образуется большое количество вторичных материальных ресурсов (BMP), отходов, а также сточных вод (вод, использованных в производственном цикле и предназначенных для спуска в водоемы или канализацию).
Несвоевременная и неполная переработка BMP, а также отходов производства приводит к их порче, инфицированности, по-730
тере ценных свойств, а главное — к пагубному влиянию на окружающую среду. При этом степень загрязнения сточных вод резко возрастает, растет и себестоимость целевого продукта.
Рассмотрим наглядные примеры рационального использования BMP. В сахарной промышленности BMP являются свекловичный жом (выход свежего жома составляет 83 % массы переработанной свеклы), меласса (выход 4,5...5 % массы свеклы), фильтрационный осадок (выход 10...12 % массы свеклы). Транс-портерно-моечный осадок составляет 10... 12 % массы свеклы. Все указанные BMP можно использовать полностью как в натуральном, так и в консервированном виде.
Как свежий, так и высушенный свекловичный жом используют в сельском хозяйстве. Сухой жом удобно хранить, транспортировать. Использовать его лучше с учетом добавки мелассы, сгущенной мелассной барды спиртовых заводов и карбамида.
Фильтрационный осадок частично используется в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Меласса — ценное сырье для получения пищевого спирта, хлебопекарных дрожжей и других продуктов.
BMP и пути их рационального использования в спиртовой, солодовенной и других отраслях пищевой промышленности рассмотрены ранее в соответствующих главах.
Согласно требованиям Основ водного законодательства России и других государств СНГ система водообеспечения предприятий пищевой промышленности должна быть оборотной, т. е. система должна обеспечивать водой как все предприятие, так и функционировать в качестве замкнутых циклов для остальных участков и цехов. При этом должна быть предусмотрена система очистки сточной воды. Прямоточная система водообеспечения допускается только при невозможности или нецелесообразности применения оборотного водоснабжения. Такая система водоснабжения действует на предприятиях хлебопекарной и макаронной промышленности.
Система оборотного водоснабжения учитывает состав природной воды, характер загрязнений и способы очистки отработавшей воды, состав возможных механических и карбонатных отложений, коррозию теплообменных аппаратов и трубоотводов. Объем оборотной воды отражает экономию забора свежей воды в результате применения оборотных систем.
Например, при выработке жидкого пищевого диоксида углерода на мелассно-спиртовых заводах при использовании прямоточной схемы водоснабжения образуется 40,5 м3 сточных вод в пересчете на 1 т продукта; оборотная же система водоснабжения позволяет уменьшать размер стоков почти в 7 раз.
В табл. 32.3 приведены данные о количестве сточных вод, образующихся в различных отраслях пищевой промышленности на единицу продукта.
731
Таблица 32.3
Предприятие	Единица продукции	Система водоснабжения	Среднегодовое количество выпускаемых в водоемы сточных вод на единицу продукции, м3		
			подлежащих очистке		всего
			производственные	бытовые	
Хлебозавод производи- тельностью (т/сут): 136	1 т хлебобу- Прямоточная	0,83	0,3	1,13 30	лочных	»	[ 89	0,98	2,87 изделии Хлебозавод с кондитерским цехом производительностью (т/сут): 65	То же	»	1,70	0,79	2,49 40	»	»	1,93	1,21	3,14 Макаронная фабрика производительностью (т/сут): 70	1 т мака-	»	1,73	0,38	2,11 ронных изделий 105	Тоже	»	4,66	0,67	5,33 Дрожжевой завод	1 т прессо- Оборотная,	45,00	0,5	170,50 ванных	прямоточная и дрожжей	с последова- тельным использованием воды Консервный завод, вырабатывающий: цельноконсервиро- 1000 жес- Прямоточная	2,79	0,58	3,37 ванные томаты	тяных банок с возвратом конденсата огурцы	То же	То же	3,97	0,80	4,77 Завод по производству 1 т свеклы Оборотная	1,62	0,08	1,70 сахара-песка Сахаро-рафинадный	1 т сахара-	»	1,05	0,15	1,20 завод	рафинада Завод первичного	вино-	1 т вино-	Прямоточная	0,17 0,03	0,20 делия	града	и оборотная Завод вторичного виноделия: ординарные вина	1000 дал	То же	10,58	1,50	12,08 вина марочные вина	Тоже Прямоточная	28,15	—	28,15					
732
Продолжение
Предприятие	Единица продукции	Система водоснабжения	Среднегодовое количество выпускаемых в водоемы сточных вод на единицу продукции,		
			подлежащих очистке		всего
			производственные	бытовые	
Завод шампанских вин (резервуарный способ)	1000 бут. шампанского	Прямоточная и оборотная	6,42	0,30	6,72
Мелассно-спиртовой завод с цехом хлебопекарных дрожжей Спиртовой завод, работающий:	1000 дал спирта высшей очистки	Прямоточная с последовательным использованием воды	146,00	5,00	830,00
на зерне	100 дал спирта	То же	137,00	3,0	1304,00
на картофеле	То же	»	861,90	3,0	2040,90
» »	»	Оборотная	200,90	—	203,90
Солодовенный завод	1 т солода	Прямоточная и оборотная	16,05	1,55	17,60
Пивоваренный завод	1000 дал пива	То же	45,20	27,90	76,40
Крахмальный завод	1 т картофеля	»	14,14	0,05	14,19
Согласно укрупненным нормам, действующим в пищевой промышленности с 1980 г., количество сточных вод на единицу сырья или готовой продукции при оборотном водоснабжении составляет: в сахарной промышленности 1,7 м3/т свеклы; в крахмало-паточной промышленности 14,19 м3/т картофеля; в производстве сухих кормовых дрожжей (СКД) 104 м3/т СКД; в дрожжевом производстве 170 м3/т хлебопекарных дрожжей; в спиртовой промышленности 140 м3/1000 дал спирта из зерна и 203 м3/1000 дал спирта из картофеля. Количество сточных вод при прямоточном водоснабжении для хлебозаводов мощностью 30 т/сут составляет 2,87 м3/т и для макаронной фабрики мощностью 105 т/сут — 5,33 м3/т. На мелассно-спиртовых заводах с цехами хлебопекарных дрожжей объем стоков доходит до 830 м3/1000 дал спирта.
Все сведения о предприятии (его мощность, ассортимент сырья и целевой продукции, удельные расходы теплоты, электроэнергии, холода, данные об источниках и размерах выбросов в атмосферу, сбросов сточных вод, твердых отходах и выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую
733
среду) содержатся в экологическом паспорте предприятия — нормативно-техническом документе, включающем данные по использованию предприятием всех видов ресурсов и определению влияния его производства на окружающую среду.
Расчетный предельно допустимый выброс /-го загрязнителя является также экологическим нормативом для данного источника выброса. Он утверждается руководством предприятия и согласовывается с представителем местной власти и председателем территориального органа Министерства по охране природы.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Сточные воды различных пищевых заводов представляют собой сложную физико-химическую систему. В ней задерживаются не только растворимые частицы но и частицы различной степени дисперсности (от 10~9 до 10~2 м).
В сточных водах кроме взвешенных частиц содержится значительное количество загрязнителей — растворенных веществ органического и неорганического происхождения. В стоках не содержатся ксенобиотики, т. е. вещества, чуждые жизни, но это не исключает наличия в стоках опасных для жизни тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов и канцерогенов.
О содержании органических веществ в воде судят по такому показателю, как окисляемость. Наиболее полное окисление загрязнителей в кислой среде достигается при использовании бихромата калия. Окисляемость бихромата калия, называемая также химическим потреблением кислорода ХПК (мг О2/л воды), — один из главных показателей степени загрязнения сточных вод. ХПК — это количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей сточных вод. Чем выше этот показатель, тем грязнее вода.
Показатель БПК (биологическое потребление кислорода, мг О2/л) дает представление о кислороде, необходимом для окисления загрязнителей органического происхождения биохимическим путем. При этом определяют значение БПК5 или БПКп, т. е. учитывают потребление кислорода за 5 сут и полное (за 20 сут). Соотношение БПКп : БПК5 1,5 : 1,8. На практике в сточных водах наиболее часто определяют ХПК и БПК5.
Для более полной характеристики в сточных водах определяют температуру, активную кислотность (pH), количество взвешенных веществ, сухой осадок, наличие сульфатов, хлоридов и сероводорода, а также цветность, степень прозрачности сточных вод и их запах, содержание азота и фосфора.
Значение pH характеризует степень агрессивности сточных вод. К неагрессивным водам отнцсят воды со значением pH 734
6,5...8,0, к слабоагрессивным — воды с pH 6,0...6,5 и 8,0...9,0; сильноагрессивные воды имеют рН<6,0 и рН>9,0.
По концентрации взвешенных веществ (мг/л) сточные воды делят на четыре группы: 1-я — 500, 2-я — 500...5000, 3-я — 5000...30 000, 4-я - более 30 000.
В настоящее время применяют механические, химические, физико-химические и биологические способы очистки сточных вод. Выбор способа очистки зависит от количества стоков, вида и концентрации загрязнителей, требуемой степени очистки, местонахождения предприятия, наличия городских канализационных систем, а также размера водоема и его типа.
Выбрав оптимальный вариант схемы очистки, можно очистить сточные воды от органических загрязнений на 85...98 %, от механических — на 95...98 %.
Механические способы очистки. На первом этапе очистки сточных вод применяют механические способы, основанные на удалении из них взвешенных и плавающих частиц. В промышленности широко используют песколовушки, решетки, отстойники и жироловушки.
Крупные примеси удаляют через стационарные решетки с просветом между прутьями до 40 мм. Для удаления мелких частиц используют стационарные и другие сита. Для удаления нерастворимых минеральных соединений сточных вод используют песколовушки с различными фильтрующими материалами. Продолжительность осаждения взвешенных частиц в отстойниках не должна превышать 2 ч во избежание гнилостного разложения органических веществ. Жироловушки — это сборники жировых загрязнений сточных вод, обеспечивающие небольшую скорость истечения сточных вод. Жировые загрязнения всплывают на поверхность, и их удаляют из аппаратов.
Химические способы очистки. Основаны на взаимодействиях химических реагентов с загрязняющими веществами. В результате химических процессов повышается уровень безопасности воды, снижается цветность и исчезают неприятные запахи. Химические процессы в ряде случаев способствуют удалению из сточных вод взвесей, коллоидных и растворенных соединений. Химическую очистку обычно проводят вместе с механической или биологической очисткой.
Для обеззараживания сточные воды хлорируют или обрабатывают озоном; для нейтрализации сточных вод бутылкомоечных машин используют кислоты или их соли. Для удаления взвешенных частиц применяют сульфит алюминия. В ряде случаев прибегают к аэрированию сточных вод перед спуском их в прямоточные водоемы. Это способствует окислению сточных вод и служит биологической очисткой благодаря обогащению воды кислородом, необходимым для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила.
735
Физико-химические способы очистки. Основаны на процессах адсорбции, дистилляции, ионного обмена, осмоса и др. Для очистки стоков от органических веществ применяют активированный уголь. Этот способ эффективный, но дорогостоящий. Перспективны, хотя и энергоемки, электрокоагуляционные и электрофлотационные способы очистки сточных вод, прежде всего от загрязнителей микробного происхождения. В пищевой промышленности эти способы очистки пока распространения не получили.
Биологические способы очистки. Широко распространены в пищевой промышленности. К ним относят аэробное и анаэробное брожение сточных вод в заводских условиях, орошение почвы сточными водами, очистку сточных вод в биологических прудах и фильтрах. При анаэробной очистке, которую применяют для очистки промышленных высокозагрязненных вод органическими веществами (БПКп>10 ООО мг О2/л), используют метановое брожение. Как правило, это предварительная ступень перед аэробной очисткой, в основе которой лежат процессы, обусловленные присутствием микроорганизмов активного ила. Наиболее часто очистку сточных вод проводят по схеме механическая очистка — биологическая очистка — химическая очистка с целью обеззараживания стоков перед спуском в водоем.
Под биологической очисткой сточных вод понимают очистку, осуществляемую специальными микроорганизмами, способными окислить загрязнители стоков до минеральных веществ. Загрязнители стоков в этом случае служат для микроорганизмов легкоусвояемыми источниками питания и энергии. При аэробной очистке, происходящей при продувании воздуха, используют активный ил — смешанную культуру различных систематических групп — бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и членистоногих. Основу биомассы составляют бактерии. Благодаря тому что общая поверхность 1 г сухой биомассы составляет около 100 м2, очистка стоков биохимическим путем идет быстро.
При решении вопроса о биологической очистке воды (аэробной или анаэробной) необходимо знать состав стоков и степень их загрязнения. Важно, чтобы в биореактор поступали сточные воды с наличием С, N и Р в усвояемой форме, а соотношение компонентов субстрата имело вид: БПКп : N : Р = 100 : 5 : 1. Кроме того, необходимо соблюдать неравенство БПКп : ХПК > 0,75, а также условия, при которых содержание взвешенных частиц в сточных водах было не более 10 г/л. Диапазон pH вод должен находиться в пределах 6,5...8,5. Это значение pH должно быть стабильным для воды, поступающей в биореактор.
Сточные воды по характеру загрязнения делят на категории. Например, сточные воды спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и картофель, делят на три категории: 1-я — условно чистые (теплообменные воды), 2-я — транспортерно-моечные, 3-я —
736
производственно-бытовые. На заводах, перерабатывающих зерно, сточные воды, как правило, только 1-й и 3-й категорий. Теплообменные воды характеризуются следующими показателями: температура 30...60 °C, pH 7,0...8,0, запах 0...3 балла, прозрачность 10...30 см, содержание сухого остатка 300... 1000 мг/л, БПКп=5...15 мг Оз/л, ХПК=5...4О мг Оз/л. Такая вода очистке не подлежит и используется в производстве многократно.
Состав транспортерно-моечной воды II категории при переработке картофеля иной. Ее температура 10...15 °C, pH 6,5...7,5, взвешенные вещества — 12...14 г/л, БПКп=200...400 мг О2/л, ХПК=400...600 мг Оз/л.
К 3-й категории относятся воды после мойки, замачивания и транспортирования зерна, мойки и дезинфекции оборудования, воды от продувания паровых котлов, от рыхления и промывки реакторов химводоочистки, мойки производственных помещений. Суммарный сток вод 3-й категории спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и картофель, характеризуется такими усредненными данными: температура 30 °C, pH 6,0, концентрация взвешенных веществ 550 мг/л, БПКп=500...700 мг О2/л и ХПК-700...1200 мг Оз/л.
Сточные воды мелассно-спиртовых заводов делятся на четыре категории: 1-я — условно чистые, 2-я — воды от продувания котлов и регенерации реакторов химводоочистки, 3-я — лютерная вода, барометрические воды и конденсаты, полученные при упаривании барды, и 4-я — воды после мойки оборудования и хозяйственно-бытовые стоки, а также послеспиртовая и послеме-лассная барда.
Воды 1-й и 2-й категорий близки по своему составу аналогичным водам спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и картофель. Лишь БПКп конденсатов вторичных паров достигает 2500 мг О2/л.
Очень высокой степенью загрязнения отличаются воды 4-й категории и мелассная барда как послеспиртовая, так и последрожжевая.
Показатели воды 4-й категории: pH 5,5...6,2, содержание сухого остатка 750 мг/л, БПКп=1ООО...45ОО и ХПК= 1000...4000 мг О2/л. В мелассной послеспиртовой барде эти показатели достигают следующих значений: pH 5,0, содержание сухого остатка 62...82 г/л, БПКП=45...6О г Оз/л, ХПК=50...67 г Оз/л, а в последрожжевой мелассной барде pH 4,5...5,0, концентрация взвешенных веществ 1...5,6 г/л, БПКп=18...42 г Оз/л и ХПК=20...48 г О2/л. Усредненный сток из цеха хлебопекарных дрожжей при спиртзаводе имеет БПКп=11 г Оз/л.
Сточные воды сахарных заводов также условно разбиты на три категории: 1-я — конденсаты и вода от охлаждающих установок, 2-я — транспортерно-моечные воды и 3-я — производствен
737
ные воды (осадки транспортерно-моечных и жомопрессовых вод, моечные воды после обработки оборудования, стоки ТЭЦ и др.).
Воды 3-й категории сильно загрязнены, состав их непостоянен и зависит от качества сырья и системы водоотведения. В качестве примера приведем состав жомопрессовой воды: температура 48 °C, концентрация взвешенных веществ 5 г/л, pH 6,8, БПКп=1,5...3,5 г О2/Л и ХПК=2...5 г Оз/л. К воде 3-й категории относят и хозяйственно-бытовые воды. Их подвергают биологической очистке.
В состав промышленных стоков специализированных дрожжевых заводов входят последрожжевая мелассная бражка, моечные воды после обработки оборудования. Они содержат минеральные и органические загрязнители. Цвет вод от кофейного и темно-желтого до грязно-серого, pH 6,5, БПКп=1,5...6,5 г Оз/л, ХПК=0,67...2,3 г Оз/л, концентрация взвешенных веществ 230...800 мг/л.
Стоки пивоваренных заводов разнородны. Различают стоки солодовенных цехов, основного производства и стоки цехов розлива. Общий усредненный сток имеет такие показатели: pH 6,0...7,0, концентрация взвешенных веществ 100...400 мг/л, БПКп=400... 1000 мг Оз/л и ХПК=600...1200 мг Оз/л.
Состав общих стоков заводов безалкогольных напитков: pH 6,8, концентрация взвешенных веществ 200 мг/л, БПКп=400 мг Оз/л и ХПК=600 мг Оз/л. Эти стоки бедны азотом, фосфором и должны подвергаться аэробной очистке вместе с хозяйственно-бытовыми водами.
Воды первичного и вторичного виноделия также подвергают биологической очистке.
Стоки хлебозаводов и кондитерских фабрик — богатая среда для микроорганизмов активного ила. Стоки первых характеризуются наличием взвешенных частиц (150 мг/л), pH 6,0—7,0, БПКп=500...700 г Оз/л и ХПК=600...800 мг Оз/л. Стоки кондитерских фабрик содержат лишь большое количество взвешенных частиц и небольшое — азотсодержащих веществ, жира. Остальные показатели почти идентичны.
При расположении промышленного предприятия в черте города или вблизи него сточные воды может принять по договору на комбинированную очистку (механическую, биологическую — аэробную и химическую) городской водоканал. При этом заводу необходимо знать следующие правила: производственные стоки завода не должны нарушать работу канализационных сетей и сооружений, способствуя коррозии или отложению осадков; концентрация взвешенных частиц вод не должна превышать 500 мг/л, pH не должно быть ниже 6,5 и выше 8,5, температура стоков должна быть не выше 40 °C. В таких водах не должно быть веществ в концентрациях, препятствующих биологической
738
очистке стоков города, опасных бактериальных и токсических загрязнений, смол, мазута и бензина.
При необходимости в стоках контролируют также значение ПДК (мг/л) и других загрязнителей с учетом их лимитирующих показателей вредности: санитарно-токсикологических, общесанитарных и органолептических.
При отведении сточных вод (очищенных и слабозагрязнен-ных) в водоемы необходимо указывать гигиенические требования к составу и свойствам водных объектов в пунктах хозяйственно-питьевого (1) и культурно-бытового (2) водоиспользова-ния; степень возможного смешивания и разбавления сточных вод водного объекта на участке от места спуска сточных вод до расчетных (контрольных) створов ближайших пунктов забора воды на хозяйственно-питьевые (1), культурно-бытовые (2) нужды населения; фоновые показатели качества воды водного объекта.
Реальный сброс очищенных сточных вод ПДС' (м3/ч) не должен превышать предельно допустимого сброса ПДС (м3/ч), при котором качество воды в створе реки должно быть не ниже показателей, оговоренных Правилами охраны проточных вод для водоемов 1-й и 2-й категорий.
Ниже приведены показатели промышленных сточных вод, лимитирующие их сброс в открытые водоемы.
Концентрация взвешенных веществ в воде водоема после спуска сточных вод не должна увеличиваться более чем на 0,25 и 0,75 мг/л соответственно для 1-й и 2-й категорий водоемов. В сточных водах не должны присутствовать минеральные масла и другие плавающие вещества. Вода водоема не должна приобретать несвойственные ей запах, привкус и окраску. Температура воды водоема в результате спуска стоков не должна возрастать более чем на 3 °C в сутки по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца за последние 10 лет. Реакция воды должна быть в пределах 6,5 < pH < 8,5. Значение БПКп стоков при 20 °C не должно превышать более чем на 1 мг Ог/л значения БПКп воды водоемов 1-й и 2~й категорий (соответственно 3 и 6 мг Оз/л). В воде водоема после смешивания с ней сточных вод растворенного кислорода должно быть менее 4 мг/л в любое время года (в пробе, отобранной до 12 ч дня).
Эти категории вод предназначены также и для водоснабжения пищевых предприятий.
Таким образом, строгие правила к сбросу сточных вод промышленных предприятий в водоемы предъявляют высокие требования к степени очистки загрязненных сточных вод с учетом их состава и свойств. Канализационные городские системы также требуют определенной подготовки сточных вод промышленных предприятий. Сточные воды хлебозаводов и кондитерских фабрик, только пройдя механическую очистку через сита,
739
направляют на биологическую очистку в систему городской канализации. Иногда возникает необходимость улавливания жировых веществ.
Пивоваренные, ликеро-водочные заводы и заводы по производству безалкогольных напитков, заводы вторичного виноделия, шампанских вин располагают локальными очистными установками для механической очистки и нейтрализации стоков после БММ (pH 10,0... 12,0) с последующим отстаиванием. Предварительно очищенные сточные воды направляют в канализацию. Ряд дрожжевых заводов также пользуется услугами городских канализационных систем.
Сахарные, спиртовые и солодовенные заводы расположены в сельской местности. Стоки их сильно загрязнены. Такие заводы, как правило, располагают собственными очистными сооружениями для биологической очистки стоков в естественных или искусственных условиях.
Сточные воды спиртовых заводов, перерабатывающих зерно и картофель, проходят очистку по следующей схеме. Сначала из сточной воды удаляют механические примеси, далее осветленная вода проходит двухступенчатую аэробную очистку при температуре 30 °C, pH 6,5...8,5 и расходе воздуха 40...60 м3/(м3 • ч) в специальных аппаратах — аэраторах с активной системой подачи воздуха в присутствии активного ила. В среде должно быть не менее 2 мг Ог/л в растворенном виде.
После первого аэротенка в очищаемой воде содержание активного ила возрастает до 3...4 г/л, поэтому этот ил удаляют в биокоагуляторе перед второй ступенью очистки. После второй очистки воду направляют в отстойник, а затем для доочистки или в биологические пруды большой площади с естественной или искусственной аэрацией, или на гравийно-песчаный фильтр. Очищенная на таких фильтрах вода обеззараживается хлором, выдерживается в контактном резервуаре, насыщается кислородом и направляется в водоем. Активный ил, содержащий белок и аминокислоты, используют в качестве добавки на корм скоту.
Разработаны и реализованы различные варианты биологической очистки сильно загрязненных сточных вод, например вод мелассно-спиртовых заводов. Сначала проводят анаэробное сбраживание барды в метантенках с последующим смешиванием образовавшейся «метановой» бражки с производственно-загрязненными стоками, а затем двухступенчатую аэробную биологическую очистку. В необходимых случаях среду обогащают азотом и фосфором. Кроме этого существует и другой вариант охраны окружающей среды. Последрожжевую мелассную барду концентрируют до 65...70 % СВ в вакуум-выпарных установках, а затем концентрат используют в качестве добавки — пластификата в строительных материалах. Другие производственно-загрязненные воды рассматриваемого производства очищают путем биологи
740
ческой очистки. Биологическую очистку проводят в установках различных типов и конструкций (биофильтры, загруженные щебнем и гравием, капельные биофильтры, дисковые биофильтры, аэротенки с системой воздухораспределения и др.). Для этой цели используют также фильтрационные поля на песчаных и других легких грунтах. Особенно часто их используют для доочистки стоков на сахарных и мелассно-спиртовых заводах. В начале процесса создается естественная микробиологическая пленка в порах грунта. Наличие кислорода обеспечивает окисление загрязнителей воды и их минерализацию. Во избежание заиливания полей фильтрации сточные воды предварительно проходят песколовушки. Кроме того, на таких полях имеются дренажные устройства для отвода гуминовых веществ. При площади одной карты 1,5 га отношение ширины к длине 1:2 или 1:4. Для удобства эксплуатации карты разделяют валиками.
Использование земель связано с их отчуждением в качестве сельскохозяйственных угодий. Поэтому наметилась тенденция к широкому внедрению способов биоочистки в аэротенках-смесителях, аэротенках-вытеснителях и аэротенках с рассредоточенным добавлением очищаемой воды (для слабозагрязненных вод с БПКп до 500 мг С>2/л).
Значительно усилен санитарно-гигиенический контроль качества пищевых продуктов. Разработаны и включены в соответствующие нормативные документы критерии микробиологической, биохимической, химической и радиационной безопасности пищевых продуктов. Эти критерии отражают допустимый уровень тяжелых металлов, афлатоксинов, нитратов, пестицидов и радионуклидов в сырье и товарных пищевых продуктах.
Контрольные вопросы
1.	Какие воды производства относят к сточным? Назовите основные категории сточных вод пищевых предприятий.
2.	Какие показатели характеризуют уровень загрязненности сточных вод? Приведите примеры из пищевой промышленности.
3.	Какие способы очистки сточных вод применяют на пищевых предприятиях?
4.	Какие следует соблюдать правила спуска сточных вод в систему городской канализации и в проточные водоемы?
5.	Что такое локальная очистка сточных вод и на каких предприятиях она используется?
6.	Укажите основные технологические параметры биологической очистки сточных вод пищевых предприятий.
7.	В каких случаях используют комбинированную анаэробную и аэробную биологическую очистку сточных вод?
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбция 112
Агрегативная неустойчивость 159
Адгезия 173, 348, 371, 372
Адсорбер 288
Алейроновый слой 208, 210
Активатор 177
Амилазы 185-187, 207, 208, 340
Аминокислоты 9
Анабиоз 662
Анаболизм 6
Аниониты 121
Аитикристаллизатор 148—150, 313, 365, 379
Антиоксидант 147, 156
Аскорбинатоксидаза 184
Ассимиляция 6, 199
Атакуемость 175, 176
Аффинэд 269, 283
Аффинация 269, 283
Ацидоз 30
Аэрозоль 162
Аэрозольтранспорт 330
Бактерии молочнокислые 337—340, 341, 349
Баланс материальный 36
Белки 8, 10, 165
Брожение 192, 194, 336-338, 347, 349, 646
— лимоннокислое 195, 706
— маслянокислое 197
—	молочнокислое 657, 712
—	спиртовое 194
— уксуснокислое 193, 656, 717
Бестарное хранение 330
Бланширование 184, 671
Болезни 359
—	хлеба 359, 360
—	вина 656
Брак консервов 693
—	производственный 693
—	складской 693
Бурачная 271
Вальцевание 396, 405
Варка 282, 289
Вентилирование 249, 668
Витамины 14, 22—29, 178, 210-212, 358, 365
Влажность 182, 211, 213, 221, 338, 339, 340, 359, 361, 366, 373, 377 Вода 29, 332 — жесткость 257 — свободная 167 — связанная 167
Водяной пар 87
Вредители хлебных запасов 214
Время летальности 678
Втчричные материальные ресурсы (BMP) 730
Вторичный пар 89
Выбросы 723, 729
—	неорганизованные 723
—	организованные 723
—	расчетные предельно допустимые 729
Выделение 303, 305
Выдержка 643, 649, 658, 659
Вымешивание 410
Вымораживание 466
Выпаривание 89, 281, 284, 675
Выпечка 348—353
Выстойка 407, 414
Вытягивание 388
Выход 216, 354
—	муки 216, 221
—	хлеба 354—356
Гель 128, 170
Гидратация 11, 168, 169, 465
Гигроскопичность 148, 149
Гидролиз 150, 185, 187, 190, 207, 337
-	белка 187, 188, 337, 349
—	жира 185
—	кислотный 148—150, 314, 315, 321
—	кислотно-ферментативный 190, 317, 321
—	пектиновых веществ 189, 190
—	ферментативный 185—187, 207, 208, 336
Гидрогенизация 472
Гидростатическое давление 73
Гидросфера 729
Гидрофильность 164
Гидрофобность 164
Глазирование 408, 424
Глюкоза 320, 324
—	кристаллическая гидратная 320—323
— медицинская ангидридная 320, 321
— пищевая 320, 321, 324
— техническая 320, 321, 324
Глутатион 177
Глютен 305, 306
Глянцевание 390
Гомогенизация 396, 674
Градиент 38
Греющий пар 281
Деаэрация 674
Дегидратация 152, 172, 411
Дегоржаж 653, 654
Дезинфекция 202
Дезодорация 470, 674
Декстрин 312, 313
Деметаллизация 649, 650, 652
Денатурация 11, 422
Десорбция 112
742
Десульфитация 387
Дефекация 275, 276
Диспергирование 160
Дисперсность 157, 397
Дисперсные системы 59, 157, 399
Диссимиляция 6, 199
Дистилляция 576
Диффузия 106, 160, 166, 269, 272, 682
Д иффузионный сок 269
Диффундирование 272
Дробление 302, 645
Дрожжевое молоко 333
Дыхание 244
Дыхательный коэффициент 182
Живое сечение 36
Жидкие дрожжи 333, 334, 339, 340
Жмых 452
Заваривание 428
Заводка кристаллов 284
Загрязнение среды 722
Загрязнители 722
—	газообразные 726
Закваска 339—342
Закон 74, 113
—	Генри 113
—	Дальтона 113
—	Дарси 74
Замачивание 302
Замес 335-336, 366-368
Зародыш 206-207, 211, 301, 303
Затирание 505
—	способы 507
—	технологические режимы 507
—	факторы 506
Зерна крахмальные 305
Зерно 151, 185, 186, 205-215, 216-221
Зерновая масса 214, 215
Золь 160, 171
Зольность 221, 222
Известковое молоко 278
Измельчение 294, 321, 394, 403
Изомеризация 327
Изотермы сорбции 120
Изрезывание 271
Иммунитет 664
Инактивация 193
Инвертный сахар 148, 149
Ингибитор 147, 176, 177
Индикаторы подобия 51
Инфекция 667
Инфекционная нагрузка 667 ,
Инокуляторы 602
Инспекция 669
Ионообменные смолы 289
Испарение 89
Кагат 270
Калибрование 669
Карамелизация 281, 284, 674
Карамель 148, 149, 153
Каротиноиды 184, 329
Катализатор 146, 147
Каталитическое яды 146
Катиониты 121
Кашка 290, 294, 295, 301
— картофельная 294, 295
— кукурузная 301
— рафинадная 290, 295, 296
Кинетическая устойчивость 161 Кислотность 195, 222, 329, 336, 337, 340, 341, 359, 577
Кислотообразование 192
Клейковина 207, 208, 212, 213, 217, 218, 222, 329, 334, 335, 336, 346, 367 Клейстеризация 176, 207, 350, 674 Клерование 269, 281, 283, 284 Клере 290
Клеточный сок 293
Коагулянт 170
Коагуляция 67, 277, 623
Коалесценция 162, 174
Коллоидные системы 158, 159
Конденсация 160
Кондиционирование 218
Контракция 166
Концентратор 281
Концентрация 272, 273, 280, 301, 305
Концентрирование 675
Константа скорости реакции 143—145
Консервирование 661
Конширование 397
Кориа 306
Коэффициент 107, 125
—	диффузии 107
—	измельчения 294
—	массоотдачи 108, НО
—	пересыщения 284
—	самоиспарения 92
Крахмал 293, 301, 309, 310
—	ацетилированный 312
— замещенный 311
— картофельный 293, 295, 299
— кукурузный 293, 301, 305, 307
—	модифицированный 309—312
—	набухающий 310
—	окисленный 309
—	расщепленный 309
—	свободный 293, 295, 305
—	фосфатный 311
Кристаллизация 269, 277, 280, 282, 283—285, 289, 321, 326, 327, 385, 401, 405, 413 — лимонной кислоты 710 — лактата кальция 714
Критерий 52, 53, 64, 82
—	Архимеда 64
—	гидродинамического подобия 85
—	гомохронности 54
—	Прандтля 82
—	Рейнольдса 53
—	Фруда 53, 68
—	Эйлера 52
Ксенобиотики 734
Ксерогель 173
Культивирование микроорганизмов 197
Купаж 643, 649, 650, 653, 655, 658, 659
Купажирование 634, 643, 687
Летальность 678
Лиозоль 160
Липаза 185
743
Липиды 12, 430, 434
Липоиды 14, 433
Липоксигеназа 184, 185
Маринады 684
Масло минеральное 88
Матрица 369—372
Мезга 293, 300, 301, 305, 450, 645
Меланины 182, 183, 349
Меланоидинообразование 151, 152, 337, 338, 349
Меласса 283, 731
Мисцелла 453, 457
Моделирование 42
Моносахариды 280
Мятка 448
Набухание 11, 165-170, 335, 337, 349, 350, 373, 419, 423
Недостатки вина 657
Нейтрализация 317, 467
Неоднородные системы 59
Несахара 269, 270, 274, 277
Обдувка 372, 373
Обезвоживание 305
—	механическое 305, 307
Обесцвечивание 288, 319
Обжарка 403
Обмен веществ 6, 200
Образование теста 168
Обрушивание 409, 445
Оклейка вина 649, 650
Окружающая среда 720
—	защита 720
—	охрана 720
Омыление 277, 278, 435
Опара 338, 339
Оптимизация 41
Осаждение 60, 272, 293
Осахаривание 223, 315, 316
Осветление 623
—	воды 623
—	сусла 645, 646
Осмос 167, 169
Отбеливание масла 468
Отделка 309
Откачка 274
Отливка 405, 407, 414
Отминка 403
Отсадка 408, 417
Оттек 269, 282, 283, 285
Отток 608, 611
Отходы производства 693
Отцеживание 305
Охлаждение 320, 353, 354, 377, 388
Пастеризация 679
Патока 150, 153, 154, 187, 313
Парусность 215
Пассерование 673
Пектиновые вещества 188—190
Пекголитические ферменты 186—190
Пенообразование И, 173
Пенообразователи 163, 164, 410
Пены 163, 404, 428
Перегонка 658
Переливка 649, 650
Пересыщение 284
Переэтерификация 476
Пероксиды 155, 184, 185
Пиво 187, 188, 208
Пи тание 5, 7
Питательная среда 706
Плесневение 203
Поверхностное натяжение 164, 174, 404 Поле 37
—	электрическое 37
—	тепловое 37
—	фильтрации 595, 741
Полифенолоксидаза 182—184
Посевной материал 707, 712
Послеуборочное дозревание 212, 213 Пороки вина 657 (см. недостатки вина) — черный касс 657 — белый касс 657 — медный касс 657 — оксидазный касс 657 Порядок реакции 143, 144 Потенциал 38 Потребление кислорода 734 — химическое (ХПК) 734 — биологическое (ВПК) 734 Правило фаз Гиббса 98, 112 Предельно допустимая концентрация
(ПДК) 727 f
—	временная 728
—	максимальная 727
—	среднесуточная 727
Прессование 290, 368—372 Пробеливание 282, 283, 284 Прогоркание 155, 156, 185 Промывание 301, 303—305 Прорастание 213 Проращивание ячменя 483, 487 Просеивание 321
Протеолитические ферменты 188, 190 Протирание 674
Равновесие фаз 97
Разводка 396, 403
Разделка 343-348, 372, 373
Разложение 277
Размазывание 407
Разрыхление 193
Расстойка 346—348
Раствор межкристальный 282, 285
Рафинад 287
Рафинация 463
Рафинирование 287, 289, 293, 296, 297
Регенерация 288
Редуцирующие вещества 277, 278, 281
Резка 372
Ректификация спирта 576
Ремюаж 653, 654
Рожь 207, 208
Ростовые вещества 604
Рушанка 446
Сатурация 112, 276, 278, 283
Сахарный песок 149, 151, 153, 334
Сбивание 388, 400, 403, 415, 417
744
Сгущение 269, 276, 280, 281, 284, 285
Седиментация 161
Сепарирование 398
Силикагель 120
Синерезис 171
Сироп глюкозно-фруктозный 286, 326, 327
Системы 59, 170
—	свободнодисперсные 170
—	связнодисперсные 170
—	неоднородные 59
Скважистость 214
Скорость витания 215
Смешивание 388, 395, 419, 427
Созревание 184, 212, 329
-	муки 184, 185, 329
—	зерна 212
Сок клеточный 293
Сокостружечная смесь 273
Солод 151, 152, 186, 187, 208, 209
Солодоращение 481
Соломур 410
Соль поваренная 332
Сольватация 166, 172
Сополимер 312
Сортирование 391
Сортировка водок 628
Спирт 187, 188
Спиртование 648
Стабилизация 377
Старение вина 651
Стекловцдность 206—208, 211, 216
Степень набухания 167
Стерилизация 663, 676
— тепловая 677, 679
—	токами высокой и сверхвысокой частоты 671, 679
—	способом сульфитации 680
Сточные воды 733—736, 739, 741
Стружка 269, 271, 272
Студнеобразование 173, 406, 411, 416
Студни 11, 171
Сублимация 682
Субстрат 192
Сульфитация 154, 155, 183, 276, 280, 283
Суспензия крахмало-белковая 161, 301—303
Сушка 373-377, 283, 290, 308, 321
Сыпучесть 214
Сырье масличное 231
Темперирование 394, 397
Теорема подобия 54
Тепловой поток 39
Теплоемкость 215
Термовлагопроводность 129, 215
Тиксотропия 171
Топочные газы 88
Уваривание 276, 282, 284, 285, 319, 321, 386, 401, 405
Углеводы 16—21
Уголь 288. 289
—	активированный 288
—	гранулированный 288
—	порошкообразный 289
Удельная поверхность 157
Ультрафильтрация 676
Умягчение воды 624
Упек 353
Уравнение 36, 42, 43
—	критериальное 42
—	материального баланса 36
—	Навье—Стокса 43
— неразрывности потока 36
----- основное кинетическое 39
---фильтрования Дарси 40
---Фрейндлиха 119
---Фурье 80
---энергетического баланса 37
Усадка 374
Условия однозначности 47
Усушка 353
Утфель 269, 282, 283, 285, 289
Фактор разделения 68
Ферментация 706, 708, 717
Ферменты 175-190, 207, 210—213, 327,
336-338, 340
Физическое подобие 49
Фильтр 280, 288
Фильтрование 60, 72, 276, 277, 280, 281,
286, 318, 650
—	затора 509
—	— способы 509
---технологические режимы 509
—	вина 650
Фитопатологические потери 270
Флегма 579
Флегмовое число 579
Флокуляция 67
Формование 389, 406, 421
Цвель вина 656
Цвет муки 222
Цветность 280, 281
Центрифугирование 69, 269, 282, 283, 285, 321
Черствение 354
Шампанизация 653
Шпарка 387
Шрот 454, 456, 461
Штампование 361, 364, 368, 406, 422
Щелочность 280
Эквивалентный диаметр 60
Экологизация 720, 727
—	производства 720
—	технологий 720
Экологическая экспертиза 727
Экологический паспорт 734
Экстракт 505
Экстракция 123, 272
Эмульгатор 162, 335
Эмульсии 161, 420, 426
Эндосперм 206—208, 210—212
Энергия активации 145, 147
Эпюрат 581
Эффект разделения 61
список РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ЕАуэрман Л. Я. Технология хлебопекарного производства. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. —415 с.
2.	Гореньков Э. С., Горенькова А. Н., Усачева Г. Г Технология консервирования. — М.: Агропромиздат, 1987. — 351 с.
3.	Егоров Г. А., Мельников Е. М., Максимчук Б. М. Технология муки, крупы и комбикормов. — М.: Колос, 1984. — 375 с.
4.	Крахмал и крахмалопродукты/Под ред. Н. Г. Гулкжа. — М.: Агропромиздат, 1985. — 240 с.
5.	Мальцев П. М. Технология бродильных производств. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 559 с.
6.	Маршалкин Г. А. Технология кондитерских изделий. — М.: Пищевая промышленность, 1994. — 272 с.
7.	Мельник Б. Е., Лебедев В. Б., Винников Г. А. Технология приемки, хранения и переработки зерна. — М.: Агропромиздат, 1990. — 367 с.
8.	О б щ а я технология пищевых производств/Под ред. Л. П. Ковальской. — М.: Колос, 1993. - 383 с.
9.	С а п р о н о в А. Р., Ж у ш м а н А. И., Л о с е в а В. А Технология сахара и сахара-рафинада. — М.: Агропромиздат, 1996. — 368 с.
10.	Стабников В. Н., Лысянский В. М., Попов В. Д. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1985. — 509 с.
11.	Технология переработки жиров/Под ред. Н. С. Арутюняна. — М.: Агропромиздат, 1985. — 368 с.
12.	Технология производства растительных масел/Под ред. В. М. Копей-ковского. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 416 с.
13.	Флауменбаум Б. Л., Танчев С. С., Гришин М. А. Основы консервирования пищевых продуктов. — М.: Агропромиздат, 1986. — 494 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие................................................... 3
РАЗДЕЛ I. ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ.................. 5
Глава 1. Потребность организма в энергии .	5
Глава 2. Роль отдельных пищевых веществ в жизнедеятельности организма и в пищевых технологиях	8
Белки ...............................................   8
Жиры.............. ...	...	. .	. .	12
Углеводы .........................................    .16
Органические кислоты	.	21
Витамины.................. .	.	.	.	22
Минеральные вещества	...	. .	29
Контрольные вопросы................................... 34
РАЗДЕЛ И. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ	35
Глава 3. Основные понятия и законы	. ... 35
Два вида переноса........................................ 35
Движущая сила процесса ......... ........ .	37
Законы переноса массы и энергии.......................... 39
Классификация основных процессов.................... . .	40
Принципы оптимизации технологических процессов	....	41
Контрольные вопросы ...............	....	42
Глава 4. Основы теории подобия. Гидродинамическое подобие	42
Уравнения Навье—Стокса ...	.	.	. ... 43
Геометрическое подобие .	. .	......... 47
Физическое подобие........................................49
Критерии гидродинамического подобия. Подобное преобразование уравнений Навье—Стокса................................... 50
Метод анализа размерностей. л-Теорема ................... 56
Контрольные вопросы ....	....	59
Глава 5. Разделение неоднородных систем ...	...	59
Классификация неоднородных систем........................ 59
Классификация процессов разделения неоднородных систем .	60
Осаждение .....	...	61
Фильтрование .	  72
Контрольные вопросы	78
Глава 6. Тепловые процессы...................................... .78
Основное уравнение теплопередачи	 78
Три способа переноса теплоты ....	80
Опытные данные по теплоотдаче .	........ 85
Теплоносители и их свойства	87
Процессы выпаривания ....	. ... . .	89
Контрольные вопросы	....	.......... 96
Глава 7.	Массообменные процессы	 97
Основы массопередачи..................................   .97
Законы массопередачи.....................................106
747
Абсорбция................................................. 112
Закон Генри. Равновесие	при абсорбции	.112
Расчет абсорберов.......	.	.114
Адсорбция................. ................... .119
Равновесие при	адсорбции	.119
Адсорбенты..................... .................... . .	.120
Расчет адсорберов . .	. . . .	.121
Экстракция ...	 123
Сушка......................................... . 127
Виды связи влаги с материалом ....	... 127
Кинетика сушки........................................ .129
Расчет конвективной сушилки	...	..............132
Определение удельных расходов воздуха и теплоты с помощью /— ^-диаграммы..................................... .	.135
Расчет рециркуляционной сушилки .	.139
Контрольные вопросы ...	................... .	. 141
Глава 8. Основные химические превращения в процессе технологической обработки............................................................141
Факторы, влияющие на скорость химических реакций ............142
Сущность отдельных химических процессов и их роль в пищевой
промышленности . .....................................  .148
Контрольные вопросы . .	......	. 157
Глава 9. Дисперсные и коллоидные системы .	.	.157
Классификация дисперсных систем ........................158
Коллоидные системы.......... .	. . .	.159
Микрогетерогенные системы...................................161
Молекулярные коллоиды (растворы высокомолекулярных соединений) ......................................... . 165
Струкгурообразование в дисперсных	системах	.170
Контрольные вопросы ......	. . .	. .	.175
Глава 10. Биохимические основы технологии пищевых производств . .	.175
Факторы, влияющие на скорость биохимических процессов .	.175
Строение, свойства ферментов и их классификация............177
Источники ферментов и понятие о ферментных препаратах .	.179
Роль ферментов при производстве и хранении пищевых продуктов ................. .	.	............. .181
Контрольные вопросы ................	.191
Глава 11. Роль микроорганизмов в технологии пищевых продуктов.....191
Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности...........................................191
Типы энергетического обмена у микроорганизмов.....	.196
Факторы, регулирующие обмен веществ микроорганизмов	.197
Производственная инфекция и дезинфекция ............... .201
Контрольные вопросы ...................................  204
РАЗДЕЛ Ш. СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ . 205
Глава 12. Основное сырье.......... . 205
Основные зерновые культуры	............. . 205
Стандарты на зерно.................................. . 209
Морфологическая характеристика, анатомическое строение и состав злаковых культур....................... . 209
Созревание и послеуборочное дозревание зерна .	.212
Хранение зерна.................................. .213
Основные свойства зерновой массы	.214
Мука............................. .	. 215
Классификация муки .	... 215
Помол зерна........................ .	.... 216
Химический состав и качество муки......................221
748
Солод................................................  222
Крахмал и крахмалопродукты ........................... 225
Сахар.................. ...	. 229
Масличное сырье.....................................   231
Семена и плоды масличных растений	.	 231
Маслосодержащие отходы пищевых производств.........	238
Плоды, ягоды и овощи...................................239
Основные свойства растительного сырья как объекта хранения и переработки ..................................... 239
Хранение сочного растительного сырья ............ . 246
Молоко и молочные продукты ............................251
Молоко коровье .....	. 251
Молоко сгущенное ....	............. . 253
Сухие молочные продукты	.	.......254
Сливочное масло . .	................. .... 254
Топленое масло..................... ....	...	. 256
Вода	. . . .	. . .	........ 257
Контрольные вопросы.............................. ......	259
Глава 13. Дополнительное сырье .	 259
Поваренная соль.............................   ....	259
Желирующие вещества..............................  .261
Пенообразующие вещества	....	 263
Поверхностно-активные вещества................... .	263
Пищевые красители и ароматизаторы .	 264
Пищевые кислоты.................................... 265
Яйца и яйцепродукты ..............................  266
Контрольные вопросы .............	... .	267
РАЗДЕЛ IV. ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ........268
Глава 14. Технология сахара......................... .	...........
Технологическая схема получения сахара-песка .
Подготовка свеклы к производству ......
Получение диффузионного сока ......	................
Очистка диффузионного сока ...	............ . . .
Дефекация диффузионного сока .........
Сатурация диффузионного сока	. .	...........
Фильтрование сока...............
Сульфитация сока......................... .	.
Сгущение сока выпариванием.......................
Варка утфелей и получение кристаллического сахара.......... .
Переработка оттеков ......	. .	. .
Производство жидкого сахара...........................
Получение сахара-рафинада....................... .	.
Использование доброкачественных отходов сахарного производства	.	...
Контрольные вопросы .............. ......
268 '
274
275
278
280
280
281
282
285
286
287
291
291
Глава 15. Технология крахмала и крахмалопродуктов ..................292
Технологическая схема получения сырого картофельного крахмала . 292 Технологическая схема получения сырого кукурузного крахмала .301 Технологическая схема получения сухого крахмала............307
Получение и применение модифицированных крахмалов..........309
Получение и применение декстрина......................... .	312
Технологическая схема получения крахмальной патоки.........313
Технологические схемы получения глюкозы и глюкозно-фруктозного сиропа.......................................  320
Получение глюкозно-фруктозных сиропов из крахмала .	. 326
Контрольные вопросы .......................................327
749
Глава 16. Технология хлеба и хлебобулочных изделий .	328
Хранение и подготовка муки к производству................329
Хранение и подготовка дополнительного сырья к производству .	332
Вода ............................................     332
Соль ...	. .	............... 332
Дрожжи..........	. .	. .	....... 332
Сахар-песок, жир	334
Приготовление теста..................................... 335
Разделка теста ...	   343
Выпечка хлеба ..................... .	348
Хранение хлеба............................. . .	.	. 353
Расчет выхода хлебобулочных изделий ...................  354
Поточно-механизированные линии для выработки хлебобулочных изделий..................................................356
Ассортимент хлебобулочных изделий....................... 357
Пищевая ценность хлебобулочных изделий......... . 357
Показатели качества хлеба и хлебобулочных изделий	. 358
Болезни хлеба......	....... ................ . 359
Контрольные вопросы	...................360
Глава 17. Технология макаронных изделий ...	361
Классификация макаронных изделий................... .361
Технологические схемы производства макаронных изделий	.361
Хранение и подготовка сырья к производству.............  365
Приготовление теста............ ............... . 366
Формование макаронных изделий............. .	. . .	. 368
Разделка сырых макаронных изделий .	.	. 372
Сушка макаронных изделий.................................373
Охлаждение, упаковывание и хранение макаронных изделий . 377
Контрольные вопросы ...........	........ . 378
Глава 18. Технология кондитерских изделий........................378
Характеристика сырья для получения кондитерских изделий .	. 378
Технология карамели............ .	380
Технология шоколада ...	.	390
Технология какао-порошка ......... .	398
Технология конфет ....	. .	. 399
Технология халвы...................... .	.	. 408
Технология мармелада и пастилы......	........ .411
Технология мучных кондитерских изделий ............ .	417
Печенье, галеты и крекеры .	...........................418
Пряники	............... .	. 424
Вафли ......................	. . 426
Торты и пирожные................... .	. 427
Контрольные вопросы .	................ 429
Глава 19. Технология растительных масел и жиров	. 430
Характеристика жиров ...	.	........... . 430
Функции и свойства жиров ....	. .	. .	. 434
Пищевая ценность масел и жиров .	. .	...	. 438
Получение растительных масел ...	. .	. . 439
Рафинация масел и жиров ....	........... . . 463
Получение гидрированных жиров .	.472
Переэтерификация масел и жиров .......	. 476
Получение маргарина................... .	...........477
Контрольные вопросы	481
Глава 20. Технология солода и солодовых экстрактов	. 481
Технология пивоваренного солода..........................483
Выход солода и пути повышения эффективности солодовенного производства.............................................496
750
Технология солода, используемого в спиртовом производстве . . . 496
Технология специальных типов солодов для производства поли-солодовых экстрактов....................................... 498
Технология ржаного (ферментированного и неферментированного) солода .............................................  498
Контрольные вопросы........................................ 499
Глава 21. Технология пива..................................... .
Характеристика сырья для получения пива.........
Подработка и дробление солода и несоложеного сырья ... Получение пивного сусла ........................
Сбраживание пивного сусла и дображивание пива .........
Осветление и розлив пива............................. .
Аппаратурно-технологическая схема производства пива ... Контрольные вопросы	......................
Глава 22. Технология кваса...................................
Характеристика квасов как напитков ....	...........
Характеристика сырья для получения квасов..............
Получение кваса .	....	. .	.	...
Контрольные вопросы....................................
Глава 23. Технология ферментных препаратов . . Номенклатура ферментных препаратов ............................
Получение ферментных препаратов........................
Перспективы использования ферментных препаратов в пищевой промышленности.......... ....
Контрольные вопросы................. .	.
Глава 24. Технология безалкогольных напитков ............
Ассортимент напитков................. .	....
Добыча и розлив минеральных вод ....................
Приготовление безалкогольных напитков	. .
Контрольные вопросы ................ ...............
Глава 25. Технология этилового спирта .... Подготовка сырья к переработке...............	............
Разваривание крахмалсодержащего сырья Осахаривание крахмалсодержащего сырья...............
Культивирование дрожжей..........
Сбраживание осахаренной массы..........................
Особенности сбраживания сусла из мелассы...............
Извлечение спирта из бражки и его очистка...........
Особенности комплексной переработки сырья в спиртовой промышленности.........................................
Контрольные вопросы	. .	.	.
499
502
504
505
513
516
517
519
519
519
521
523
533
534
535
538
541
542
542
542
547
550
556
556
559
565
570
571
572
574
575
585
596
Глава 26. Технология хлебопекарных дрожжей . . . .'.................597
Получение дрожжей на дрожжевых заводах................. .	. 597
Получение дрожжей на мелассно-спиртовых заводах........	. 610
Контрольные вопросы ............................ .	.613
Глава 27. Технология ликеро-водочных изделий	. 613
Ассортимент ликеро-водочных изделий .....................  613
Характеристика сырья и полуфабрикатов для получения водок и ликеро-водочных изделий .	..........................615
Получение водок.................. . 621
Получение ликеро-водочных изделий.........	............634
Подготовка посуды и розлив напитков . .	. .	. 637
Контрольные вопросы ...	............ ...............641
Глава 28. Технология виноградных вин.................. . 642
Классификация и характеристика виноградных вин ...... 642
Характеристика сырья для получения виноградных вин.........643
Получение тихих вин......................................  644
751
Обработка и выдержка вин ...	......... . 649
Получение вин, насыщенных диоксидом углерода...............652
Болезни, пороки и недостатки вин............... . 656
Получение коньяков ......................... . 658
Розлив, маркировка и хранение вин и коньяков.......... . 660
Использование вторичных материальных ресурсов	. 660
Контрольные вопросы ....	....	............661
Глава 29. Технология консервирования плодов и овощей .............. 661
Принципы консервирования	.	.	. 662
Основное сырье .....	......... ..................664
Дополнительное сырье.................. .	. . 665
Сбор, доставка, приемка и хранение сырья...................666
Общие технологические приемы, используемые при консервировании плодов и овощей....................................669
Основные способы воздействия на микрофлору пищевых продуктов . .	...	........................676
Стерилизация пищевых продуктов ...................... . 676
Подавление жизнедеятельности микроорганизмов пищевых
продуктов............................................. 681
Направленное действие микроорганизмов..................683
Ассортимент плодоовощных консервов .	683
Овощные консервы....................................   684
Плодово-ягодные консервы.............................. 686
Консервы для детского питания ...	 688
Консервы для диетического питания . . . .............. 689
Сушеные плоды и овощи ................... .	. . 689
Квашеные, соленые и моченые плоды и овощи .........690
Замороженные плоды, ягоды и овощи . .	........690
Тара для консервов.....................................  .	691
Виды брака консервов в герметичной таре ....	. 693
Использование отходов консервного производства	.	. 693
Контрольные вопросы ............. ... 695
Глава 30. Технология чая.......................................    695
Классификация чая.......................................  696
Получение чая и продуктов из чая ...	....	. 697
Контрольные вопросы ....... ........ ...... 705
Глава 31. Технология пищевых кислот и уксуса . .
Технология лимонной кислоты ...
Технология молочной кислоты ...........................   .
Технология уксуса ...	.
Контрольные вопросы................................... .	.
705
705
711
716
718
РАЗДЕЛ V. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ........................... .719
Основные термины и понятия ........... ......... . . 719
Охрана воздушного бассейна	. 721
Охрана гидросферы....................................729
Характеристика загрязнений сточных вод предприятий пищевой промышленности .	.............................. . 734
Контрольные вопросы	.	.	.	.	. 741
Предметный указатель............... . .	. 742
Список рекомендуемой литературы .	.	...........................746
ISBN 5-10-003283-9
9 785100 032830