هدف های عملیات حرارتی شیر
تا اواخر قرن نوزدهم عملیات حرارتی روی شیر چندان مهم بشمار نمی رفت ، خصوصا وقتی که هدف تولید بعضی فراورده ها مثل پنیر و کره مد نظر بود. قبل از بکارگیری عملیات حرارتی ، شیر به دلیل این که محیط بسیار مناسبی برای رشد میکرواورگانیسم ها بود ، منبع آلودگی ها بشمار میرفت . گاهی اوقات بیماریهایی مانند سل و حصبه ، به وسیله شیر منتشر می شدند. لویی پاستور از اواسط قرن نوزدهم اساس مطالعاتش را روی اثرات کشندگی حرارت بر روی میکرواورگانیسمها معطوف نمود و سر انجام عملیات حرارتی پاستوریزاسیون را به عنوان یک روش محافظتی ابداع نمود پاستوریزاسیون شیر یک نوع عملیات حرارتی خاص می باشد که میتوان آنرا بدین صورت تعریف نمود: نوعی عملیات حرارتی بر روی شیر که می تواند باسیل سل را بدون اینکه نشانه ای از اثرات فیزیکی و شیمیایی ناخواسته در روی دیگر اجزای شیر بگذارد به طور کامل نابود نماید .
بررسی تاریخ پاستوریزاسیون نشان می دهد هر چند دانشمندان موافق بکارگیری عملیات حرارتی با ظرافت و دقت لازم بودند. اما این فرایند مدتها در عملیات تجارتی بدون کنترل و خیلی آزادانه به کار می رفت اگر سیر متحمل حرارت بالا میگردید طعم پخته در آن نمایان میگشت و اگر تحت حرارت پایین قرار می گرفت احتمال باقی ماندن باکتریهای بیماریزا مانند سل در آن وجود داشت. در اواسط سال ۱۹۳۰ میلادی دو دانشمند متوجه ویژگی آشکار کنندگی آنزیم فسفاتاز شدند. این آنزیم همیشه در شیر خام حضور دارد، ولی در فرایند حرارتی در زمان معین مثل پاستوریزاسیون از بین میرود. بعلاوه حضور یا غیاب آن بسادگی قابل تشخیص می باشد. حضور فسفاتاز نشانه عدم کفایت حرارت لازمه در ضمن فرایند حرارتی میباشد. خوشبختانه تمام باکتریهای بیماری زای موجود در شیر با عملیات حرارتی نسبتا ملایمی از بین میروند این حرارت معمولا اثرات بسیار ناچیزی را روی ترکیبات فیزیکی و شیمیایی شیر میگذارد. باسیل سل که از مقاوم ترین ارگانیسم ها در مقابل حرارت می باشد در دمای ۶۳ درجه سانتیگراد به مدت ۱۰ دقیقه کشته میشود . برای اطمینان و ایمنی کامل از دما ۶۳ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰ دقیقه استفاده میگردد. با توجه به آنچه در مورد باکتری سل گفته شد آنرا به عنوان یک ارگانیسم تعیین کننده برای کفایت حرارت پاستوریزاسیون میشناسند. یعنی هر عملیات حرارتی که بتواند باسیل سل را نابود سازد می تواند به طور قابل اعتمادی تمام باکتریهای بیماری زای دیگر موجود در شیر را نابود نمایدخوشبختانه باکتریهای بیماری زای اصلی در شیر تشکیل اسپور نمی دهند. جدا از میکروارگانیسم های بیماری زا شیر حاوی مواد و میکروارگانیسم هایی است که ممکن است باعث تغییر مزه و یا کوتاهی عمر نگهداری انواع فرآورده های لبنی گردند. از این رو هدف دوم از عملیات حرارتی نابود سازی تا حد ممکن این ارگانیسم ها و سیستمهای آنزیمی میباشد. این هدف دوم ، عملیات حرارتی شدید تری را در مقایسه با نابودی عاملهای بیماری را لازم دارد و گاهی این هدف از عملیات حرارتی، در صنایع لبنی اهمیت بیش تری دارد رها کردن شیر به حال خود در فاصله های زمانی طولانی حتی با وجود روش های مدرن سرد کردن این فرصت را برای تکثیر و تولید انزیم به میکروارگانیسم خواهد داد. بعلاوه این امر باعث تنزل کیفیت اجزای اصلی شیر خواهد شد. برای غلبه به این مشکل ها باید فرایند عملیات حرارتی تا حد ممکن با سرعت و پس از ورود شیر به کارخانه انجام پذیرد.
تجانس زمان و حرارت در پاستوریزاسیون
ترکیب بین دما و زمان حرارت دهی بسیار مهم می باشد . زیرا این ترکیب تعیین کننده شدت اثر دما در ضمن عملیات حرارتی است.اعمال حرارت شدید در شیر از دیدگاه میکروبیولوژیکی مطلوب می باشد. اما در مقابل اثرات زیان آوری مانند تغییر طعم و کاهش ارزش غذایی در شیر را به همراه دارد. پروتئین های شیر در حرارت بالا تغییر ماهیت (دناتوره) میدهند. این بدان معنی است که فرایند شدید حرارتی شیر را برای تولید پنیر کاملا نامطلوب می سازد. همچنین حرارت شدید مزه را نیز تغییر می دهد. ابتدا طعم پخته و سپس طعم سوختگی ایجاد میگردد. انتخاب ترکیب مناسب بین زمان و حرارت موضوعی است که باید با در نظر گرفتن شرایط میکروبیولوژیکی و تغییراحتمالی خواص کیفی محصول نهایی اتخاذ گردد. انجام عملیات حرارتی در شیر بخش مهمی از فرایند آن را دربر می گیرد. دانش نفوذ دما و ارتباط آن با اجرای شیر و شرایط میکروبیولوژیکی ، اساس انتخاب عملیات حرارتی در شیررا تشکیل می دهد گرم کردن و سرد کردن مهمترین عملیات ها در صنایع لبنی می باشند
ترمیزاسیون
در تعدادی از کارخانه ها انجام پاستوریزاسیون تمام شیر بلافاصله بعد از دریافت مقدور نمی باشد. بنابراین همیشه مقداری شیر ساعتها یا روزها در مخازن ذخیره منتظر فرایند ، باقی می ماند. در این شرایط حتی به کارگیری سرمای شدید نیز مانع از افت کیفیت نمی گردد. بنابراین در بیش تر این کارخانه ها کاربرد یک فرایند پیش حرارتی با دمایی پایین تر از پاستوریزاسیون برای جلوگیری موقتی از رشد باکتری ها رایج است. این فرایند را تر میزاسیون می نامند. در این فرایند شیر در دمای ۶۵-۶۳ به مدت ۱۵ ثانیه حرارت میبیند این ترکیب از زمان و دما نمیتواند آنزیم فسفاتاز را غیر فعال سازد. از آنجایی که دوباره پاستوریزه کردن در بعضی از کشورها ممنوع میباشد. بنابراین در این کشورها کاربرد ترمیزاسیون که شکل تعدیل شده پاستوریزاسیون میباشد ایرادی ندارد. پس از ترمیزاسیون برای جلوگیری از ازدیاد باکتریهای بی هوازی اسپور داره شیر باید به سرعت تاکمتر از ۴ خنک گردد.
شیری که تحت فرایند ترمیزاسیون قرار گرفته است ، هرگز نباید با شیر فرایند نشده مخلوط گردد. متخصصین معتقدند ترمیزاسیون اثرات مطلوبی روی نابودی اسپور باکتری ها دارد. بدین معنی که این نوع عملیات حرارتی باعث میشود تعدادی از اسپورها به شکل رویشی در آیند که متعاقبا در شرایط پاستوریزاسیون شیر نابود خواهند شد ترمیزاسیون فقط باید در شرایط استثنائی به کار رود و بهتر است که عملیات پاستوریزاسیون بر روی شیر در کم تر از ۲۴ ساعت پس از ورود به کارخانه انجام پذیرد
پاستوریزاسیون با روش LTLT
این نوع فرایند حرارتی به شکل غیر مداوم در مخازن درب باز با به کارگیری دمای ۶3 و نگهداری این دما به مدت ۳۰ دقیقه انجام می پذیرد. این روش را روش هولدرثابت نگه داشتن حرارت با روش حرارت پایین زمان طولانی مینامند . امروزه اغلب ، شیر را با روش های مداوم حرارت دهی مثل ترمیزاسیون ، پاستوریزاسیون تحت فرایند حرارتی قرار می دهند.
پاستوریزاسیون HTST
حرارت بالا و زمان کوتاه میباشد، به معنی ترکیبی از دمای بالا زمان کوتاه برای حفظ کیفیت اجزای شیر خام و دیگر فرآورده های لبنی به کاربرده می شود. در این فرایند شیر به مدت ۲۰-۱۵ ثانیه در معرض حرارت ۷۵-۷۲ درجه سانتیگراد قرار میگیرد. آنزیم فسفاتاز در این ترکیب از دما-زمان نابود می گردد. آزمایش فسفاتاز در این جا برای تعیین کفایت عمل پاستوریزاسیون به کاربرده میشود. نتیجه آزمایش نباید هیچگونه فعالیت فسفاتاز قابل اندازه گیری را نشان دهد
خامه و فراوردههای تخمیری کشت داده شده
آزمایش فسفاتاز نباید برای فرآورده هایی که حاوی بیش تر از ۸ درصد چربی می باشند. به کاربرده شود. چون مقداری آنزیم دوباره فعال شونده در مدت کوتاهی پس از پاستوریزاسیون نمایان میگردد عملیات حرارتی فرآورده هایی که دارای محتوای چربی بالاتری هستند به دلیل پایین بودن رسانایی چربی باید با شدت بیش تری انجام پذیرد.
برای پاستوریزاسیون فرآورده هایی با چربی بالا آنها را در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد به مدت ۵ ثانیه نگهداری میکنند برای کنترل کفایت پاستوریزاسیون در خامه فعالیت آنزیم پراکسیداز اندازه گیری میشود روش استورج این فرایند حرارتی برای غیر فعال نمودن پراکسیداز کفایت می نماید نتیجه این آزمایش باید منفی شود و هیچ گونه فعالیت آنزیم پراکسیداز در محصول مشاهده نگردد ، آزمایش فسفاتاز برای فرآورده های اسیدی نیز جوابگو نمیباشد در این فرآورده ها هم باید برای کنترل کفایت فرایند حرارتی از آزمایش فعالیت آنزیم پراکسیداز استفاده شود . شیری که برای فرآورده های کشت دادنی تخمیری مانند ماست به کار برده میشود ، باید از قبل در معرض حرارت بالا قرار گیرد تا پروتئینهای سرمی آب پنیر آن دناتوره شود این کار خواص اتصال دادن آب را در آنها افزایش داده و از آب انداختگی محصول نهایی جلوگیری بعمل می آورد.
فرا پاستوریزاسیون
فرا پاستوریزاسیون ، زمانی به کار می رود که ماندگاری ویژه ، برای محصول مد نظر باشد برای بیش تر فراورده های لبنی پاستوریزه عمر نگهداری حدود دو روز کافی است، اما در بعضی مواقع عمر ماندگاری ۴۰-۳۰ روزه برای بعضی فرآورده ها مد نظر میباشد که نیازمند فرایندهای خاصی میباشد. به طور کلی دستیابی به ماندگاری ۱۶-۳ روزه برای فرآورده های پاستوریزه امکانپذیر است. اصول اساسی این کار کاهش عامل های مولد آلودگی ثانویه در طی فرایند و بسته بندی می باشد. در نتیجه باید فرایند تولید از سطوح بهداشتی بالایی برخوردار باشد و محصول نهایی در دمای کم تر از 7 درجه سانتیگراد نگهداری گردد. اصولا نگهداری محصولات پاستوریزه در حرارت پایین تر باعث طولانی شدن عمر ماندگاری آنها می گردد. افزایش ماندگاری یک اصطلاح عمومی برای فرآورده های حرارت دیده ای است که کیفیت آنها به طور متوسط ارتقاء داده شده است. برای تولید شیر فروشگاهی پاستوریزه با ماندگاری بالاتر، شیر را در دمای ۱۳۸ – ۱۲۵ به مدت ۴-۲ ثانیه حرارت داده و سپس تا پایین تر از خنک می نمایند. این عملیات پایه طولانی شدن عمر نگهداری محصول میباشد. با این وجود این فرآورده ها باید در زمان توزیع و خرده فروشی در یخچال نگهداری گردند.
عملیات UHT
عبارت مخفف عملیات UHT حرارت فرا دما می باشد. عملیات UHT یک روش برای محافظت فرآورده های غذایی مایع به وسیله قرار دادن آن در معرض حرارت شدید و مدت زمان کوتاه میباشد، معمولا، دمای این عملیات در محدوده ۱۴۰ – ۱۳۵ درجه سانتیگراد قرار دارد. این دما میکرواورگانیسمهایی را که باعث خرابی فرآورده ها میگردند نابود می سازد. عملیات به صورت یک فرایند مداوم در سیستم بسته انجام می شود تا از آلودگی مجدد محصول به وسیله میکروارگانیسم های موجود در هوا جلوگیری بعمل آید پر کردن آسپتیک بسته بندی در شرایط عاری از هرگونه میکرواورگانیسم برای اجتناب از آلودگی ثانویه محصول ، یک قسمت اساسی در این فرایند می باشد.
دو روش برای انجام عملیات UHT به کار می رود :
حرارت دادن و سرد کردن غیر مستقیم در تبادل کننده های حرارتی . حرارت دادن مستقیم به وسیله تزریق بخار به داخل شیر یا وارد نمودن شیر در داخل بخار و سپس سرد کردن به وسیله انبساط تحت خلاء .
استریلیزاسیون
روش اصلی استریلیزاسیون (Sterilisation) که هنوز هم به کار می رود، معمولا به صورت استریل کردن در ظرف – پس از بسته بندی – در دمای ۱۲۰ – ۱۱۵ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰-۲۰ دقیقه انجام میشود. در این روش پس از استاندارد و هموژنیزه کردن چربی شیر آن را تا تقریبا ۸۰ درجه سانتیگراد حرارت داده و سپس بسته بندی می نمایند. بسته بندی در داخل ظروف تمیز معمولا بطری شیشه ای با پلاستیکی برای شیر و قوطی برای شیر تغلیظ شده انجام می پذیرد و در حالیکه محصول هنوز داغ است آن را در سیستم غیر مداوم به داخل اتو کلاو (Autoclave) و در سیستم مداوم به داخل برج هیدرواستاتیک (Hydrostatic) منتقل می نمایند
فرایند حرارتی پیشتاز (اولیه)
به طور معمول شیر باید بلافاصله پس از ورود به کارخانه باستوریزه گردد. اما گاهی اوقات لازم است، قبل از اینکه فرایند نهایی روی آن انجام پذیرد، به طور موقتی سرد و ذخیره گردد. چند مثال زیر قابل ذکر است. شیر پنیر سازی باید قبل از ورود به داخل وت (Vat) تا دمای ۳۵-۳۰ درجه سانتیگراد تحت فرایند حرارتی اولیه – پیشتاز – (Preheating) قرار گیرد. این دما شرایط سازگار را برای اضافه نمودن مایه پنیر ایجاد می نماید معمولا برای گرم کردن محیط از آب داغ استفاده می شود اما می توان از دمای آب پنیر حاصل از پنیر سازی قبلی برای این کار استفاده نمود. این عمل از هزینه های تولید گرما خواهد کاست .
شیر ماست زنی نیز در داخل مخزن مایه زنی، قبل از اضافه نمودن مایه باید تا دمای ۴۰-۴۵ درجه سانتیگراد تحت فرایند حرارتی اولیه قرار گیرد. از آب داغ برای گرم کردن اولیه شیر استفاده می گردد. لازم است. شیر را قبل از اضافه نمودن ترکیبات دیگری مانند پودر شکلات ، شکر چربی و غیره ، تحت فرایند حرارتی اولیه قرار داد تا حل شدن مواد در آن به سهولت انجام پذیرد. این عمل برای تمام مواد غذایی که بر پایه مواد شیری ساخته میشوند ضروری است . فرایند انتقال حرارت در صنایع لبنی یکی از ضروری ترین احتیاجات در صنایع لبنی مدرن، کنترل دمای فرآورده ها در هر مرحله از فرایند است. گرم کردن و سرد کردن رایج ترین عملیات ها در صنایع لبنی می باشند .
فرایند انتقال حرارت در صنایع لبنی
یکی از ضروری ترین احتیاجات در صنایع لبنی مدرن کنترل دمای فراورده ها در هر مرحله از فرایند است . گرم کردن و سرد کردن رایج ترین عملیات ها در صنایع لبنی می باشند.
گرما دهی
معمولا شیر با استفاده از محیط گرمازا ، مثل بخار فشار پایین یا آب داغ، حرارت داده میشود، مقدار معینی حرارت از محیط گرم به شیر منتقل شده و به دنبال آن دمای محیط گرمازا به همان نسبت پایین می آید.
سرد کردن
شیر پس از ورود به کارخانه تا دمای ۵ درجه سانتیگراد یا کمتر خنک می گردد تا از رشد میکروارگانیزمها به طور موقت جلوگیری به عمل آید. پس از عملیات پاستوریزاسیون نیز شیر باید تا دمای ۴ درجه سانتیگراد خنک گردد. اگر آب سرد طبیعی در دسترس باشد ممکن است از آن برای سرد کردن اولیه (Pre-cooling) پس از پاستوریزاسیون استفاده نمایند. در تمام موردها گرما از شیر به محیط سرد منتقل میشود هم زمان با کاهش دمای شیر دمای محیط سرد ، افزایش می یابد. محیط سرد، ممکن است آب سرد آب یخ ، محلول نمک و محلول الکلی مثل گلیکول باشد.
بازیابی گرما و سرما
در عملیات حرارتی فراورده ها را تا دمای خاصی حرارت داده و سپس خنک می نمایند. برای مثال در عملیات پاستوریزاسیون شیر ابتدا شیر سرد با دمای (۴۷) تا دمای پاستوریزاسیون (۷۲) حرارت داده میشود و در این دما حدود ۱۵ ثانیه باقی می ماند و سپس دوباره تا دمای ۴ خنک می گردد. در فرایند بازیافت حرارتی از گرمای شیر پاستوریزه شده برای گرم کردن شیر سرد ورودی به داخل دستگاه استفاده میگردد. در این حالت شیر سرد ورودی به وسیله شیرگرم خروجی از دستگاه پاستوریزه کننده به طور نسبی گرم میگردد و در مقابل شیر گرم نیز نسبتا سرد میشود این فرایند در داخل تبادل کنندههای حرارتی صفحه ای انجام می پذیرد که آنها را تبادل کننده های بازیافتی حرارتی یا به طور عمومی بازیافت حرارتی می نامند. بیشتر از 94-95 درصد از محتوا حرارتی شیر پاستوریزه شده به این طریق قابل باز یافت می باشد.
منبع : کتاب صنعت شیر جلد اول (مترجم: جناب فرهاد فرهنودی)