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牛奶加工单元操作(五)
——牛奶的浓缩

2016-10-14顾佳升

中国乳业 2016年8期
关键词:水分子乳业黏度

文/顾佳升

(上海奶业行业协会)

▲接本刊2016年第7期

牛奶加工单元操作(五)
——牛奶的浓缩

文/顾佳升

(上海奶业行业协会)

1 水在牛奶里的存在形态

牛奶里的水分占了约87%的份额(按质量计),是容纳其它各种物质的载体。脂肪球、蛋白质颗粒、乳糖和矿物质等各种物质,都以不同的形态分散在其中。然而为了经济便利地保存和运输牛奶,除去水分哪怕只是部分除去,都将是非常有意义的。

水分子(H2O)是由2 个氢原子与1 个氧原子组成的,从它们所带的等量正负电量来看,水分子应该是呈电中性的。但是由于1 个氧原子与2 个氢原子的结合并不在一条直线上,因而水分子是一个弱极性分子,存在正负2 个电极(图1)。

某一个水分子的氧原子端与另一个水分子的氢原子端之间存在着一种较弱的吸引力,叫“氢键”。和普通的水一样,牛奶中大部分的水分子也是这样有规则地连续分布的(图2)。

但是牛奶里有部分水分子却不是这样分布的。由于分散在牛奶里的绝大多数颗粒表面多多少少都带有电荷,如可溶性盐类的离子、胶体蛋白质颗粒、脂肪球膜等,水分子与它们会通过氢键发生相互作用,使得一部分靠近它们的水分子成层地聚附在这些颗粒的表面,颗粒被包裹在水分子中。因此,牛奶里颗粒状的乳干物质实际上都是不连续地分布在牛奶里的,颗粒的外周存在着由水分子形成的水化界面。形成水化层的颗粒被称为“水化粒子”,图3展示了带正电荷颗粒物质的水化层结构。

图1 不对称的水分子结构

图2 水分子之间的氢键示意图

图3 带正电荷的水化粒子

不参与水化层的水分子被称为“自由水”,而参与水化层的水分子被称为“束缚水(Bound Water)”。顾名思义,束缚水的自由度比自由水低,不容易蒸发。牛奶的沸点和冰点与纯水不同,处于同一高度的海平面时,牛奶的沸点比纯水高约0.55 ℃,而冰点低了约0.55 ℃。束缚水的其它物理化学性质也与纯水有所不同,例如黏度以及作为溶剂的溶解性能等,它们对牛奶的蒸发脱水浓缩操作具有重要的实际意义。

牛奶的“黏度”表现为抵抗流动的摩擦力。黏度除了与总固体含量有关之外,还与总固体成分组成有关,例如脂肪的存在可以降低浓缩奶的黏度,蛋白质和乳糖的存在将提高其黏度。牛奶中盐类种类和含量的微小变化对浓缩奶黏度的影响极大,无论是阳离子还是阴离子浓度的略微增高或降低,都会引起浓缩奶黏度的升高或降低,只有磷酸根离子是个例外。黏度还与温度有关,温度越高黏度越低;还与浓缩奶的储存时间有关,时间越长黏度越高,称为“储存黏稠化”,也称为“老化黏稠(Age Thickening)”。

平时我们很少感觉到处于静止状态时牛奶的黏度,只有在少数情况下,比如在不同温度下测定脂肪球上浮速度的时候才有所察觉。但是在流动状态下,牛奶的黏度就显示得比较充分,据测定,20 ℃时,生鲜牛奶的黏度是水的2.13 倍,未经热处理的脱脂奶的黏度是水的1.79 倍,未经热处理的乳清的黏度是水的1.25 倍,而含有5%乳糖的水溶液的黏度只是水的1.15 倍。过度加热的牛奶黏度更大,因为其中蛋白质的空间结构发生了变化,专业的说法为“蛋白质变性”,是指氨基酸链的组成结构虽然没变,但其“立体卷曲”的形状却已经发生了变化。

2 浓缩的原始方法

原始浓缩牛奶的方法也称为“平锅法”,是将牛奶尽可能“薄”地平铺在一个平底锅里,厚度约为2 cm;锅下用木炭等可以“幽幽燃着”的燃料加热,不能让牛奶沸腾,防止底部结焦,还要用小铲不断翻炒,帮助牛奶中的水分挥发;随着水分的挥发,牛奶逐渐变黏稠了,炭火必须由旺转幽;当牛奶的体积减少到一半时加入蔗糖,牛奶立即变得黏厚起来,此时“翻炒”动作要迅速快捷;待蔗糖融化均匀,立即停止加热并移入冷水浴降温,即成为“土炼乳”。

之所以称其为“土炼乳”,是因为蒸发水分时的温度较高、时间太长,产品的色香味和质地俱差,兑水复原后所得的复原奶品质也差。

不过在20世纪80年代之前,因设备投资和加工成本低廉,这种原始浓缩牛奶的方法曾经在我国存在过将近百年。在土炼乳的加工过程中,我们可以看到牛奶黏度的变化,随着牛奶里自由水分子的蒸发,牛奶干物质含量在不断提高,牛奶的黏度变得愈来愈大。当体积减少到一半时,其在海平面上的沸点约为101.5 ℃,此时牛奶的干物质含量约为25%;然后加入蔗糖使其浓度达到45%左右,其余为水分。加入大量蔗糖是为了抑制细菌的生长,就像腌制蜜饯那样。

3 浓缩的经典工艺

土炼乳的品质之所以差,是因为蒸发时温度高、时间长,引起了牛奶里营养成分变化,尤以其中的蛋白质为甚。由于纯水在海平面上的沸腾温度是100 ℃,而在海拔千米的高山上只有85 ℃,原因在于大气压力的变化,因此,只要调整真空度就能控制牛奶的蒸发温度。数百年来浓缩牛奶方法的本质改进,是将操作放到一个相对负压的环境里进行。实践表明,最高不能超过70 ℃,相当于处在不低于海拔10 000 m的高度;以低于55 ℃为宜,相当于处在不低于海拔16 000 m的高度。

20世纪30年代前后使用的浓缩操作原理如图4所示。当时为了提高传热速度,加热蒸汽管做成了盘旋状,牛奶进入浓缩锅后从盘管的外壁获得热量。由于锅里处于负压状态,牛奶升温到相应的沸点后开始沸腾,牛奶里的水分变成水蒸气后经由上口被抽出,这部分水蒸气也有个专用名称,为“二次蒸汽”。不过牛奶需要在锅里停留一段时间,等水分蒸发到浓缩所需要的程度时,才能打开出口阀放料。然后再进料,开始第二次浓缩,整个操作是间歇式的。

图4 真空浓缩锅示意图

进入浓缩工段的牛奶都需要先完成标准化,即脂肪和非脂乳固体的比例已经得到调整。浓缩操作只是除去其中的水分,随着自由水的蒸发,牛奶的黏度上升,沸腾的状态也发生变化。使用真空浓缩锅进行浓缩操作时,操作工需要通过真空浓缩锅外壳的玻璃窗口观察锅内浓缩奶的沸腾状态,一旦发现沸腾中的乳液表面出现光泽、四周的乳液涌向中心并呈现一个泡沫潭时,表明浓缩终点即将到来,如果继续加热操作则将面临溢锅和结焦的危险。当然更严格的检验还需要依靠仪器,常用的是使用折光仪来测定浓缩奶的折光率,或者使用比重计来测定其比重。

最近半个世纪以来,蒸发浓缩技术的新改进集中发生在增加牛奶的蒸发面积上。常用的办法是让牛奶沿着管径约为40 mm的管子内壁慢慢向下流,控制流量,使得牛奶在管壁上只形成薄膜而不充满管道,否则无法保持管道内部的真空度。管道的外壁与加热蒸汽直接接触,管道的内壁面积就是牛奶的蒸发面积。如果增加管子的数量,那么牛奶的蒸发面积也将成倍扩大。图5展示了列管式降膜真空浓缩锅的上部放大图,实际上在牛奶分配板下并列着许多根牛奶蒸发管,图中只显示了其中的一根。

列管式降膜真空浓缩锅的下半部分内部结构与图5类似,只不过倒转180°而已,另外底部的出口用来流出浓缩奶和抽取真空。浓缩锅的外壳壁上下各有一个口,是加热蒸汽的进出口(图6)。加热蒸汽在牛奶蒸发管之间的外部空间里流动,通过管壁将热量传递到管内;蒸发管内牛奶薄膜里的水分,在自上而下的运动中接受热量而不断蒸发,牛奶在向下流动的过程中也逐步变成了浓缩奶;最后,浓缩奶与二次蒸汽由底部出口导出,再经过一个气体和液体的分离装置将它们分开,完成蒸发浓缩操作。气体和液体的分离原理见图7。

从理论上来说,只要控制牛奶蒸发管的长度,就能实现所需要的浓缩程度。然而事实上,逐渐浓缩的牛奶黏度也将越来越大,因此制约了蒸发管的长度,极限为20 m,一般不超过10 m。另一方面,从降低能源消耗的角度来看,更合理的方案是将若干个“列管式降膜真空浓缩锅”串联起来,因为“二次蒸汽”含有相当高的热能,前一个列管式降膜真空浓缩锅排出的二次蒸汽可以作为下一个浓缩锅的热源使用。约束这个方案实现的因素有2 个,一是后一个列管式降膜真空浓缩锅内的真空度必须略高于前一个,二是浓缩了的牛奶黏度不断增大。从目前的技术装备现状来说,串联的最大值可以达到7。此时最末一级的真空度相当于海拔20 000 m的高度,纯水的沸点是45 ℃。不过在实际操作中普遍应用的是3 个列管式降膜真空浓缩锅串联起来的设备,称为“三效浓缩器”,因为其能源消耗、设备投资以及运行费用等综合成本最低。

图5 列管式降膜真空浓缩锅上部放大图

图6 列管式降膜真空浓缩锅外形示意图

图7 气体、液体分离装置原理图

浓缩到终点的牛奶只是一种半成品,可以进一步加工成甜炼乳(Condensed Milk)和淡炼乳(Evaporated Milk)两大类终端产品,而更多的浓缩奶是提供给干燥工段,作为进一步制成粉类制品(Powder)的原料。浓缩到达终点时,浓缩奶中的乳干物质含量随不同需求而各不相同。一般而言,加工甜炼乳和淡炼乳的乳干物质含量为24%~28%,加工脱脂奶粉和全脂奶粉的乳干物质含量为48%~50%,加工乳清粉的乳干物质含量不能低于52%。加工炼乳类产品的浓缩奶中干物质含量可以比较低,是因为乳糖的溶解度已经到了饱和状态的临界点,在保质期内可能析出沉淀。而作为进一步干燥成粉的浓缩奶中干物质含量需要更高一些,是为了尽可能缩短干燥成粉的时间,防止溶解性能的恶化。

(未完待续)

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顾佳升(1948-),男,学士,高级工程师,研究方向为乳品加工及检验。

2014-11-12)

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