液态乳加工的关键技术-《食品加工技术与实训》成果

（一）乳的冷却

1.牛奶的生物学特性

刚从乳房挤下的牛奶，几乎是没有细菌污染的，但微生物可从乳头管进入乳房并使之感染，这部分微生物数量少且没有危害，微生物数量每毫升几千个。体温36℃条件下，即使初期微生物数量很少，但是不久微生物数量就会大量增殖。在卫生条件下生产的牛奶可以在15～20 h内保持较高的质量。

乳中含有一些抗菌物质如乳烃素（拉克特宁，Lactenin），抗菌物质在挤奶后初期，能起到抑制微生物生长繁殖的作用，而且作用时间与温度有关，挤奶后迅速冷却到低温可使抗菌物质的抗菌特性保持较长时间。

2.牛奶冷却的重要性

奶源、乳制品厂和消费者之间的距离在加大，而挤奶和饮奶之间的时间间隔也在变长。这种时间间隔越长，贮藏温度越高，那么微生物滋生的危害性就越大。如果降低牛奶的储存温度，化学反应和微生物的生长就能够抑制，因此可以延缓牛奶的变质。

一般来说，当温度低于10℃时，牛奶和奶制品中的细菌生长就可以被显著地抑制，而当温度低达4℃或3℃时，细菌的生长几乎完全停止。但是，低温冻结贮藏会造成奶制品品质的下降，因而不适宜低温冻结贮藏（图2-3-1）。

图2-3-1　鲜奶中细菌的生长

刚挤下的奶温度约为36℃，此温适合微生物的繁殖，故牛奶应立即冷却至4℃以下，并维持该温度直至送至乳品厂。

3.牛奶卫生的重要性

牛奶最先在农场或农户家被挤下来，农场和农户的挤奶和保藏条件直接影响牛奶的质量。挤奶条件要尽可能符合卫生要求，包括人员、场地、设备卫生，挤奶系统的设计应避免空气的进入，冷却设备要符合要求。采用隔热效果比较好的容器或奶罐，在挤奶的同时将牛奶冷却到4℃甚至2℃，可以将运送牛奶的间隔保持到2～3 d。如果牛奶已经受到比较严重的污染，即使降低温度也只能在一定程度上减缓微生物增长速度（图2-3-2）。

图2-3-2　两个不同温度时不同的起始菌落数量细菌的生长情况

4.牛奶冷却的方法

如果牛奶不能立刻送往乳品厂进行加工，而需要较长时间的贮藏，则应采取适宜的措施对牛奶进行冷却。对于小规模的供奶户，可以采用自有冷却设备（如冰箱、冰柜）来进行冷却。而对于较大规模的农场、收奶中心则应配备专业的制冷设施进行冷却。

（1）简易冷却设施。

①井水冷却：一般井水温度在10℃左右，采用井水冷却可使牛奶温度降低到15℃左右。

②冰锥（图2-3-3）：冰锥是一个锥形不锈钢容器，可以填放碎冰，容积大约占据奶桶1/3的体积。将冰锥放进奶桶里，使其边缘靠在奶桶口，拧紧，防止在搬动和运输的过程中牛奶泼洒出去。如果冰锥里填一些碎冰，牛奶可以在运输的过程中从30℃冷却到5～10℃。冰和冰锥可以由牛奶运输车带到农场或者收奶中心。在运输的时候，冰块应该放在保温的箱子里，冰锥使用完之后要清洗干净，最好是在冷库或者乳品厂中进行。

③水箱（图2-3-4）：最简单的冷却系统由一个敞开的水箱和冷水组成。奶桶必须放入这个水罐里，然后用水浸没到颈部。箱子里的水必须不断更新或者定时换掉。

图2-3-3　冰锥

图2-3-4　水箱

为了在冷却的时候让牛奶通风，奶桶的盖子应该松开。水槽必须用盖子盖起来，防止苍蝇和灰尘的污染。如果采用井水或者水管里的水，这种系统冷却的速度就比较慢，而且最终的冷却温度相对比较高。如果用冰水的话，冷却效果就比较好，而且可以通过强制水槽中冰水的循环流动获得更快的冷却速度。为了防止冷气以辐射的方式散失，水箱和盖子必须要绝缘。

（2）现代冷却设施。

①直冷式冷却系统（图2-3-5、图2-3-6）：直冷式冷却系统是最常见的牛奶冷却系统。缸体的底部设计成一个蒸发器，而牛奶中的热量则通过不锈钢壁进入制冷剂中。制冷剂蒸发，并带走牛奶中的热量。由于直接膨胀式冷缸没有储冷装置，所以一直需要能量供应。在这种系统中，牛奶在进入冷缸后直接被冷却和搅拌。

图2-3-5　直接膨胀式冷却系统

图2-3-6　PACKO的REM/DX封闭型直冷式冷却罐

②冰水式制冷系统（图2-3-7）：间接式制冷系统中，蒸发器要放置在装满载冷剂（一般为水）的池子里。蒸发器由一系盘管组成，制冷介质在盘管内蒸发并冷却载冷剂。冰水式制冷系统的最大优点是它可以将冷量储存在有载冷剂及冷储或“冰储”的独立冰箱内。

图2-3-7　冰水式制冷系统

③预冷器（图2-3-8）：牛奶从奶牛到终端设备再从那里以恒定的速度由过滤器泵入板式冷却器里。板式冷却器由不锈钢波纹板组成。牛奶从钢板的一侧流过，而自来水或井水以相反方向在钢板的另一侧流过。当牛奶离开板式冷却器，并在进入冷缸里进行最后冷却和储存之前，温度已经下降到水温以上2～4℃。

图2-3-8　预冷器

④即时冷却系统：对于大规模农场，采用传统的冷却罐则难以满足大规模集中式挤奶的牛奶冷却需求。即时冷却系统是一种在线系统，在牛奶到达储存罐之前，已经将牛奶进行了冷却（图2-3-9）。

图2-3-9　封闭状态下的挤奶、冷却和收集

（二）乳的收集与运输

1.乳的收集与运输工具

牛乳是从奶牛场或收奶站用乳槽车（图2-3-10）或奶桶（图2-3-11）送到乳品厂进行加工的。短距离、奶源分散采用奶桶运输；长距离、奶源集中采用乳槽车运输。

图2-3-10　乳槽车收奶

奶桶采用不锈钢或铝合金制造，容量为20～50 L。

乳槽车采用不锈钢制成，容量为5～10 t，内外壁之间有保温材料，避免运输过程中温度上升（图2-3-12）。

图2-3-11　奶桶

图2-3-12　乳槽车

注意事项：

①乳挤下后，应及时进行降温到4℃以内，并维持该温度；

②防止乳在途中升温，特别是在夏季，运输最好在夜间或早晨，或用隔热材料盖好桶；

③所采用的容器须保持清洁卫生，严格杀菌，防止污染；

④夏季必须装满盖严，以防震荡；冬季不得装得太满，避免因冻结而使容器破裂；

⑤长距离运送乳时，最好采用乳槽车。

2.乳的收集与运输方案

挤奶结束后，牛奶应该迅速冷却，然后存储在农场或乳品厂的牛奶房里。牛奶从农场到乳品厂的运输，可以由农场主运输到乳品厂，也可以由乳品厂收集运回，还可以由第三方承包商负责运输。

若供奶户规模小，而且分布分散，则需要建立收奶点和收奶站。由于管理和经济的因素，部分农户或农场没有冷却牛奶。这种情况下，牛奶可先运送至收奶站，然后由收奶站运送至收奶中心。这种收集方式，对于奶源点分布分散而且距乳品厂距离较远的情况比较适用（图2-3-13）。

图2-3-13　牛奶的收集

四类牧场：

①类，距离乳品厂较远的牧场，距奶源点近，但奶源点也无冷却设备，需尽快，就近送到能冷却的奶站乳品；

②类，距有冷却设备奶源点近，送至奶源点冷却；

③类，自身有冷却设备，直接冷却；

④类，距离乳品厂近，送至乳品厂冷却。

收奶点与收奶站的主要区别在于有无冷却设备和规模的大小。收奶点规模小，主要收集小供奶户的牛奶，日收奶量一般在50～500 L。由于收奶点没有冷却设备，需在挤奶后2 h内运送到收奶中心。收奶中心（图2-3-14）具有冷却设备，收集的牛奶在挤奶后3 h内冷却到4℃以下。收奶中心的收奶量一般在500～16000 L。

图2-3-14　收奶中心示意图

1—农户和奶桶　2—采样　3—牛奶分析　4—称量　5—收奶槽　6—预冷却　7—热回收系统　8—冷凝机组　9—存储冷冻罐　10—运输到乳品厂的牛奶以及货物入口　11—奶桶清洗器　12—奶桶烘干架　13—农场用品商店　14—公告栏　15—收奶中心经理办公室　16—货物储存　17—厕所

（三）乳的热处理

1.热处理的目的

乳热处理的目的有三点：杀菌、灭酶和产生某些物理化学变化。

乳中的微生物大致可以分为两类：腐败微生物和致病微生物。乳中最耐热的致病微生物是结核杆菌，当乳被加热到63℃，保持10 min时，就会被杀灭。通常采用巴氏杀菌技术即可完全可以杀灭致病微生物，而对于乳中的腐败微生物和乳中的酶系统则要求更高的杀菌强度。目前乳品企业面临的一个重要问题就是从挤奶到加工的时间间隔较长，从而导致微生物有较长时间繁殖和产生酶系。因而，必须对乳原料采用现代冷却技术实现乳的低温贮藏及运输以减缓微生物的生长繁殖，同时要对到厂后的乳原料及时进行加热处理。

2.热处理的强度

通过热处理实现杀菌、灭酶和产生某些特性的目的，依赖于热处理的强度，即加热时间和加热温度。从微生物的角度讲，热处理强度越高效果越好，但是过高的热处理强度会导致蒸煮味，甚至焦煳味，降低产品的品质。因此，热处理强度的选择必须考虑产品质量和微生物两个方面，以确保产品质量。

表2-3-1　乳品工业常用热处理类型

3.热交换器

如今广泛应用的热交换器主要有三类：板式热交换器、管式热交换器、刮板式热交换器。

（1）板式热交换器　乳品的加热和冷却大多在板式热交换器中完成。板式热交换器由夹在框架中的一组不锈钢板组成（图2-3-15）。

图2-3-15　板式热交换器

（2）管式热交换器　板式热交换器在通道上没有接触点，因而可以处理含有一定颗粒的产品。从热传递的观点看，管式热交换器比板式热交换器的传热效率低（图2-3-16）。

图2-3-16　列管式热交换器

（3）刮板式热交换器　刮板式热交换器用于加热和冷却黏稠的成块产品或是用于产品的结晶（图2-3-17、图2-3-18）。

产品通过下部的进料孔进入，并在缸体内部向上流动。旋转的刮刀连续不断地把产品从缸壁上刮下来，确保热量均匀传递，另外，避免了表面的沉积。产品从缸体的上端排出。产品的流量和转筒的转速可以调节。

图2-3-17　刮板式热交换器

1—缸体　2—转筒　3—刮刀

图2-3-18　刮板式热交换器的断面(www.xing528.com)

1—转筒　2—刮刀　3—缸体

（四）乳的均质

1.均质的目的

均质的目的是维持脂肪乳浊液稳定，防止脂肪上浮、减少酪蛋白微粒沉淀、改善原料或产品的流变学特性和使添加成分均匀分布。

2.均质机的结构

均质机主要由泵体、均质阀、电动机、传动机和机架构成（图2-3-19）。高压泵多采用三柱塞式往复式泵，由共用一根轴的3个泵组成，3个泵的曲柄相互错开120°。在曲轴旋转一周的周期里，各泵的吸液和排液依次相差1/3周期，因此可以提高排出液的均匀性，总流量为单泵的3倍。

图2-3-19　均质机的基本结构

1—传动轴　2—机体　3—密封垫料　4—柱塞　5—吸入阀　6—均质阀　7—阀杆　8—压力表　9—排出阀

均质阀安装在高压泵的排出路上，由阀座、阀杆和冲击环组成。目前多数高压均质机均采用二级均质阀，以获得更均匀更细小的乳化粒子。以下即为一级、二级均质阀的结构图及双击均质阀工作示意图（图2-3-20、图2-3-21）。

图2-3-20　一级均质装置的组成

1—均质头（阀杆）2—均质环（冲击环）3—阀座

图2-3-21　二级均质装置的组成

1—第一级　2—第二级

冲击环的内表面与间隙的出口相垂直，固定在阀座上。阀座有一个5°的倾角，使产品均匀加速，以减少对阀座的磨损。

牛乳经柱塞泵加压进入阀座与均质头之间，其间隙的宽度约为0.1 mm。液体以100～400 m/s的速度通过狭小的环系，在10～15μs内发生均质。

3.均质的原理

高压均质机是基于对物料的挤压、剪切、涡流、泄压、空穴作用，从而达到颗粒减小、分散均匀的目的（图2-3-22）。

（1）剪切学说　当高压物料在阀盘与阀座间流过时，在缝隙中心流速最大，而在缝隙避面处液体流速最小，促使速度梯度的产生，液滴之间相互挤压、剪切，从而达到乳化均质。

图2-3-22　乳脂肪通过均质阀发生破碎

（2）撞击学说　由于三柱塞往复泵的高压作用，液滴与均质阀发生高速撞击，从而导致液滴破裂变小，起到均质的作用。

（3）空穴学说　高压作用下，液料高频振动，导致液料交替压缩与膨胀，引起空穴小泡的产生，这些小泡破裂时会在流体中释放出很强的冲击波，如果这种冲击波发生在大液滴的附近，就会造成液滴的破裂，乳液得到进一步细化。

4.均质加工要求

均质加工使脂肪球破裂变成更小的脂肪球，因此可以减少脂肪上浮，减少脂肪成团或聚结的倾向。均质使脂肪球的直径减小到大约1μm，脂肪球的表面积增加，新生成的脂肪球不能完全被原来的表面膜覆盖，此时，新的脂肪球膜是由胶体酪蛋白和乳清蛋白组成，酪蛋白起重要作用（图2-3-23）。

均质时，乳脂肪的物理状态和浓度影响均质后脂肪球的大小和分散状态。首先，均质温度不能过低。乳脂肪的凝固点是30～35℃，低于此温时脂肪是凝固的，因而均质加工乳脂肪不能完全分散。其次，脂肪浓度不宜过高。脂肪含量高的产品均质后有脂肪结团的倾向，特别是浆液蛋白的浓度相对于脂肪含量低的时候，这一现象更加明显。为取得良好的均质效果要求脂肪与酪蛋白比值约为5。对于脂肪含量高的稀奶油需要在较高压力下均质。

高压均质可以形成更小的脂肪球，脂肪球的分散程度随均质温度的升高而增加。均质通常采用温度55～80℃，均质压力10～25 MPa，其具体参数取决于产品要求。

对于二段均质，均质作用主要发生在一段均质，而二段均质主要有两个目的：①为第一级均质提供恒定且可控的背压；②打散均质之后形成的脂肪球簇。

5.均质效果测定

均质效果可通过测定均质指数来检查，其方法为：将乳样在4～6℃条件下冷藏48 h，分别测定上层（总体积的1/10）和下层（总体积的9/10）的含脂率。上层与下层含脂率的差，除以上层含脂率的百分数，即为均质指数。

图2-3-23　均质前后脂肪球的状态（从左到右：均质前，一段均质，二段均质）

（五）乳的离心

1.乳离心的目的

乳制品生产中离心的目的主要是得到稀奶油或甜酪乳、分离出乳清或甜奶油、乳或乳制品进行标准化以得到要求的脂肪含量。另一个目的是清除乳中杂质和体细胞等。

2.乳的分离原理

脂肪球的密度比乳密度小，因此脂肪球会上浮（图2-3-24）。依据斯托克斯定律，脂肪球的上浮速度计算公式如下：

式中：Vg——上浮速度，mm/h；

d——颗粒直径，m；

ρp——颗粒密度，kg/m3；

ρI——乳密度，kg/m3；

η——乳黏度，kg/m·s；

g——重力加速度，9.81 m/s2。

将新鲜的牛乳放在容器中，脂肪球开始向上聚集，直至牛乳表面。

在离心容器中，乳液随容器旋转而产生离心加速度，从而实现乳脂肪的分离。该离心加速度与转速和旋转半径有关。计算公式如下：

式中：α——离心加速度，m/s2；

r——离心半径，m；

ω——角速度，rad/s；

图2-3-24　不同直径脂肪球上浮速度

n——转速，r/min。

3.乳的离心设备

（1）离心分离机　离心分离机的转鼓内有数十个至上百个形状和尺寸相同、锥角为60°～120°的锥形碟片，碟片之间的间隙用碟片背面的狭条来控制，一般碟片间的间隙0.5～2.5 mm。碟片组带有上下相通的垂直分布孔（图2-3-25）。

图2-3-25　碟片组

当具有一定压力和流速的悬浮液进入离心分离机后，就会从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道，由于离心分离机高速旋转，这时悬浮液也被带着高速旋转，具有了离心力。此时脂肪球和脱脂乳因密度不同而获得的离心沉降速度的不同，在碟片间的隙道间出现了不同的情况。脱脂乳获得的离心沉降速度大于后续液体的流速，则有向外运动的趋势，就沿碟片下表面离开轴线向外运动，并连续向鼓壁沉降；脂肪球获得的离心沉降速度小于后续液体的流速，则在后续液体的推动下被迫反方向向轴心方向流动，移动至转鼓中心的进液管周围，并连续被排出。这样，脱脂乳和稀奶油就在碟片间的隙道流动的过程中被分开（图2-3-26）。

（2）净化机　在离心净乳机（图2-3-27）中，牛乳在碟片组的外侧边缘进入分离通道并快速地流过通向转轴的通道，并由一上部出口排出，流经碟片组的途中固体杂质被分离出来并沿着碟片的下侧被甩回到净化钵的周围，在此集中到沉渣空间，由于牛乳沿着碟片的半径宽度通过，所以流经所用的时间足够非常小的颗粒进行分离。离心净乳机和分离机最大的不同在于碟片组的设计。净乳机没有分配孔，净乳机有一个出口，而分离机有两个。

图2-3-26　乳离心机

注：深色代表乳液，浅色代表稀奶油。

图2-3-27　离心净乳机

（六）牛乳标准化

1.牛乳标准化的原理

牛乳标准化主要包括脂肪含量、蛋白质及其他成分。牛乳脂肪标准化的原理如图2-3-28所示。

图2-3-28　乳脂肪标准化过程

2.牛乳在线标准化原理（图2-3-29）

图2-3-29　稀奶油和脱脂乳在线标准化原理

随着加工量的日益扩大，自动在线标准化是企业大规模生产所必需的。通常将控制阀、流量计、密度计和计算机控制器组合起来，用于调节乳产品的脂肪含量（图2-3-30）。

图2-3-30　稀奶油脂肪含量稳定控制单元

1—密度传感器　2—流量传感器　3—控制阀　4—控制盘　5—恒压阀

一般情况下，牛乳先经巴氏杀菌器加热到55～60℃，然后经分离机分离使稀奶油达到预定的脂肪含量。部分稀奶油添加到脱脂乳，使脱脂乳脂肪含量达标。剩余的稀奶油进入稀奶油巴氏杀菌器。

3.直接标准化生产线（图2-3-31）

图2-3-31　牛乳和稀奶油的标准化生产线

1—密度传感器　2—流量传感器　3—控制阀　4—控制盘　5—恒压阀　6—截止阀　7—检查阀

为准确实现在线标准化，其中最重要的一点就是脱脂乳的出口压力要保持恒定。这依靠安装在脱脂乳出口处的恒压阀来实现。另外还需要测定如下几个参数，以便精确控制：

①原料乳的脂肪含量；

②流量；

③预热温度。

原料乳经分离机分离成脱脂乳和稀奶油。在脱脂乳出口出有恒压阀，控制脱脂乳出口保持恒定压力，同时稀奶油调节系统通过调节稀奶油的流量从而确保稀奶油脂肪含量恒定。通过脂肪含量分析和流量控制将部分稀奶油与脱脂乳混合，得到脂肪含量合格的标准化乳。