автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами

На правах рукописи

ГУНЬКО Павел Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЬЮОРОТКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

24 АПР 2014

005547405

Кемерово 2014

005547405

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетно образовательном учреждении высшего профессионального образовани «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности) (ФГБОУ ВПО «КемТИПП»),

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Короткий Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: Курбанова Марина Геннадьевна,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВП «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», заведующая кафедрой технологии хранен! и переработки сельскохозяйственной продукции

Харлампенков Евгений Иванович,

кандидат технических наук, доцент, Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, доцент кафедры торгового дела

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина»

Защита диссертации состоится «28» мая 2014 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.01 в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г.Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд. 4-я лекц. ауд. тел./факс: (8-384-2) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://wvAv.kemtipp.ru).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «10» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^

кандидат технических наук, доцент //; (/' Кригер Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Рост населения Земли и повышение его уровня жизни требует постоянного увеличения производства продуктов питания. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено. Поэтому актуальной проблемой пищевой промышленности, в настоящее время, является безотходная переработка сырья для повышения производства качественной пищевой продукции. От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания, растительного или животного происхождения стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последних. Множество всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно изменены при помощи метода генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека.

Одной из важнейших задач государственной политики является обеспечение населения полноценными в биологическим плане продуктами питания. Этого можно достичь путем полной (безотходной) переработки пищевых продуктов. :

Творожная сыворотка является весьма ценным белково-углеводным сырьем, переработка которого позволяет производить новые продукты питания.

Степень разработанности темы исследований. Объемные исследования по изысканию эффективных способов переработки вторичного молочного сырья - молочной сыворотки проводят ведущие специалисты Северо-Кавказского государственного технического университета, Всероссийского НИИ маслодельной и сыродельной промышленности, Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов. Огромный вклад -изысканий по данной теме внесли такие выдающиеся ученые, как: А.Г. Храмцов, Г.Б. Гаврилов, В.Д. Харитонов, JI.A. Остроумов, И.А. Евдокимов, К;'К. Полянский, А.И. Гнездилова, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Куленко, С.А. Рябцева и др. О переработке молочной сыворотки было отмечено в работах: Е.В Ульрих, М.С. Коваленко, H.H. Липатова, A.A. Розанова, П.Ф. Крашенинина, А.Й. Чеботарева, O.A. Суюнчева и др.

Ими установлено, что реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности возможна только на основе комплексного использования всех компонентов молока для производства продуктов питания, либо раздельного извлечения их компонентов с последующей переработкой.

Промышленная переработка молока на принципах безотходной технологии, полное извлечение всех компонентов, рациональное использование промежуточных и побочных продуктов, снижение нормативных потерь за счет использования отходов являются важнейшими резервами увеличения выпуска объемов пищевых продуктов.

Технология извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами является актуальной задачей пищевой промышленности, на решение которой направлена данная диссертационная работа.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами.

В рамках данной работы поставлены следующие задачи:

-исследование свойств исходной творожной сыворотки;

-исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

-разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания творожной сыворотки;

-обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания творожной сыворотки;

-определение физико-химических, теплофизических и

микробиологических показателей белково-сывороточного продукта;

-определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта;'

-разработка низкотемпературной технологии выделения белка и раствора лактозы из творожной сыворотки;

-определение экономических показателей производства сывороточного белка.

Научная новизна работы:

научно обосновано , использование метода разделительного вымораживания для выделения сывороточного белка и раствора лактозы из творожной сыворотки;

- исследованы процессы разделительного вымораживания творожной сыворотки в криоконцентраторе емкостного типа, доказано, что с повышением скорости кристаллизации путем понижения температуры в хладоносителе, эффективность разделительного вымораживания снижается;

разработана математическая модель, описывающая процесс льдообразования и изменение содержания сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания сыворотки при температуре хладоносителя от -2 до -6° С, получены уравнения, позволяющие рассчитать теплофизические характеристики, количество образующегося льда, его толщину и концентрацию раствора в зависимости от продолжительности процесса. Уравнения также дают возможность рассчитать продолжительность процесса разделительного вымораживания, необходимую для получения раствора

заданной концентрации.

- разработана технология выделения сывороточных белков и раствора

лактозы из творожной сыворотки;

- исследованы свойства полученного сывороточного белка.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны режимы разделительного вымораживания творожной сыворотки, позволяющие извлечь концентрированный сывороточный белок и водный раствор лактозы.

Определены физико-химические, органолептические, теплофизические и микробиологические свойства сывороточных белков. Установлены сроки и условия хранения сывороточных белков, определены экономические показатели производства концентрата сывороточных белков и раствора лактозы.

Работа выполнена в рамках гранта на проведение научно-исследовательских работ по теме «Разработка инновационной энергосберегающей технологии извлечения белковых компонентов и лактозы из отходов молочного производства», договор № 69 от 01.03.2013 г.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физико-химических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- технологические режимы разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- технология производства концентрата сывороточного белка и водного раствора лактозы.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-практических конференциях, в том числе: на III всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2010 г.), на VI всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011 г.), на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011» (г. Одесса, 2011 г.), международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (г. Тамбов, 2012 г.) и др.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационной работы — Техника и технология пищевых производств, Вестник КрасГАУ, помимо того получено два патента РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (112 работ отечественных и зарубежных авторов), приложения. Основной текст диссертации изложен на 102 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц и 37 рисунков.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Диссертационная работа проводилась в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» и состояла из ряда последовательных и взаимосвязанных этапов, изображенных схематично на рисунке.

Первая стадия включала в себя анализ современной отечественной и зарубежной литературы по тематике исследований. В ней была проанализирована значимость переработки творожной сыворотки для создания новых продуктов питания. Также рассмотрена пищевая и биологическая ценность, состав и свойства сыворотки. Приведен сравнительный анализ выхода творожной, подсырной и казеиновой сыворотки, а также анализ состояния воды в творожной сыворотке. Подробнее были затронуты аспекты современных технологий промышленной переработки творожной сыворотки, а именно: коагуляция сывороточных белков, центрифугирование, консервирование, разделительное вымораживание молочной сыворотки, биологический и мембранный метод обработки молочной сыворотки, сгущение и сушка. Далее, рассмотрена перспектива низкотемпературных технологий переработки творожной сыворотки.

Вторая стадия заключалась в исследовании свойств творожной сыворотки как исходного сырья. В процессе изучения были рассмотрены органолептические характеристики творожной сыворотки, установлено содержание общего белка, проведены электрофоретические исследования с целью выявления фракционного состава белков, представлена органолептическая оценка, определена криоскопическая температура сыворотки, а также были исследованы теплофизические характеристики: удельная теплоемкость, коэффициенты температуро- и теплопроводности. Помимо вышесказанного, вторая стадия включала в себя изучение процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе. В ходе исследований определялась степень вымораживания льда и содержание сухих веществ в концентрате. Задача данного этапа заключалась в определении температуры хладоносителя в емкостном кристаллизаторе, позволяющая обеспечить наилучшую эффективность процесса разделительного вымораживания, продолжительности разделительного вымораживания, а также количества циклов кристаллизации, что представляло собой определение оптимальных режимов разделительного вымораживания.

На третьей стадии был произведен анализ физико-химических и микробиологических показателей сывороточного белка, была проведена его органолептическая оценка, определено содержание белка в продукте и его фракционный состав. Установлена криоскопическая температура, микробиологические показатели и содержание токсичных элементов в продукте. Определены теплофизические показатели полученных продуктов.

Третья стадия включает в себя установление сроков и условий хранения продуктов сывороточного белка.

На заключительном этапе исследований была разработана низкотемпературная технология выделения белка и раствора лактозы из

творожной сыворотки, произведен расчет экономических показателей и установлена реальная себестоимость готовых продуктов.

Рисунок 1 - Схема организации диссертационной работы

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В рамках исследований физико-химических показателей исходного сырья было установлено содержание сухого вещества, плотность, белок, лактоза и зола, а также процентное содержание кислоты молочной и кислотный баланс, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химический состав творожной сыворотки

Массовая доля % Рн Плотность при 20° С, кг/м3

Вода Сухое вещество

Лактоза Белок Зола Жир Кислота молочная

93,58 4,4 0,83 0,6 0,1 0,47 4,7 1026

Электрофорез в полиакриламидном геле позволил выявить основные фракции белков творожной сыворотки с молекулярной массой от 14 до 290 кДа: Р-лактоглобулин, а-лактальбумин, иммуноглобулины и альбумин сыворотки крови (таблица 2). Основными сывороточными белками являются р-лактоглобулин и а-лактальбумин.

Таблица 2 - Белковые соединения сыворотки

Наименование белка Молекуляр ная масса, кДа Массовая доля, % Изоэлектриче екая точка рН Температура денатурации, °С

а-лактальбумин 14,1 0,16 4,8 60-95

Р-лактоглобулин 18,2 0,5 5,2 75-90

Альбумин сыворотки крови 66 0,05 4,8 60-95

Иммуноглобулины 78-80 0.12 8,7 75-90

Исследования показали, что величина удельной теплоемкости творожной сыворотки составляет 4,017 кДж/(кг-К), а коэффициенты тепло- и температуропроводности равны соответственно 0,57 Вт/(м-К) и 12,9-10 м~/с.

Творожная сыворотка является сырьем с низким содержанием сухих веществ - 6,42%. В связи с этим возникает необходимость в концентрировании вымораживанием творожной сыворотки, для максимального обеспечения сохранности белкового вещества, и разделения её на компоненты.

Творожная сыворотка подвергалась вымораживанию при температурах хладоносителя -2, -4 и -6° С.

Опыт проводили в течение двенадцати часов. В результате были получены ! графики изменения количества образующегося льда на стенках сосуда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки, которые представлены на рисунке 2.

100

90

80

о 70

| 60

о 50 о.

о 40

3 30 по 20

10 0

Рисунок 2 - Количество образующегося льда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температурах хладоносителя а (-2), б (-4), в (-6)° С

При вымораживании в течении двенадцати часов при температурах хладоносителя -2, -4 и -6° С, образовывалось 48, 70 и 90% льда относительно исходного количества сыворотки соответственно. Из полученных графиков следует, что чем ниже температура хладоносителя, тем более линейный характер имеет процесс льдообразования.

По графикам, представленным на рисунке 2, было получено уравнение регрессии, определяющее количество вымороженной влаги % в течение 12 часов при температурах 2, 4, 6° С.

V = -0,963г •/ + (), 009/2 — 0,456/-0,185 + 7,144г —0,45г2, (1)

где V- массовая доля вымороженного льда, %; ; г — время от начала процесса кристаллизации, час;

? — температура хладоносителя от -2 до -6° С.

Массовая доля вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса (1) представлена на рисунке За. На рисунке 36 представлены линии уровня для определения массовой доли вымороженного льда в зависимости от продолжительности и температуры разделительного вымораживания.

Температура I. 0 С и 3 1 и Время т. час

Время т, час

а Ь

Рисунок 3 - Массовая доля вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса (а) и линии уровня для определения массовой доли вымороженного льда в зависимости от продолжительности и температуры разделительного вымораживания (б)

Кол-во вымороженной влаги, %

Для более детального исследования процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки была рассчитана скорость образования льда. Графики изменения скорости льдообразования в процентном соотношении к общей массе раствора представлены на рисунке 4.

Продолжительность, час

Рисунок 4 - Скорость льдообразования в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температурах процесса -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в), %/час

Из графиков,

представленных на рисунке 4, следует, что при температуре хладоносителя -2 и -4° С наибольшая скорость

льдообразования наблюдается в первый час процесса

разделительного вымораживания и равна соответственно 9 и 11,4 %/час. В дальнейшем наблюдается постоянное снижение скорости намерзания льда. В случае, когда температура хладоносителя

составляла -6° С, наблюдалась наибольшая скорость, которая составила 14,3%/час. На протяжении последующих 10 -11 часов данная характеристика снижается практически до 2%/час.

Уменьшение скорости льдообразования на протяжении процесса кристаллизации обусловлено тем, что по мере нарастания льда на стенках сосуда термическое сопротивление между хладоносителем и незамерзшим концентратом повышается, что снижает эффективность отвода теплоты.

Для исследования процессов разделительного вымораживания творожной | сыворотки рефрактометрическим методом была установлена зависимость между содержанием сухих веществ в сыворотке и её степенью преломления, которая может | быть выражена следующим образом:

С =-1295,7/?2 +3989,2л-3015, (2)

! где С - концентрация сухих веществ в творожной сыворотке, %;

п - коэффициент преломления.

С целью выявления рациональной температуры разделительного | вымораживания творожной сыворотки производилось измерение содержания сухих веществ в ходе кристаллизации через каждый час. На рисунке 5а представлен график изменения содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки при различных температурах хладоносителя до 60% вымораживания влаги.

По графикам, представленным на рисунке 5а, было получено уравнение регрессии, позволяющее определить массовую долю сухих веществ в зависимости от температуры и продолжительности процесса: ms

ms = -0,1т • t - 0,02412 - 0,155t + 3,767 - 0,012 г + 0,01 1 г2, (3)

где rrw - содержание сухих веществ, %;

г — время от начала процесса кристаллизации, час; t - температура хладоносителя от -2 до -6° С.

Продолжительность, час

Время г, час

Температура

а б

Рисунок 5 - Графики содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки (а), в процессе разделительного вымораживания при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) и массовая доля сухих веществ при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса.

а 7,5

а 7

а 6.5

- и 6

5 5,5

= 5

* ■Л 4,5

и 4 3,5

Массовая доля сухих веществ. %

Результаты расчетов массовой доли сухих веществ, определенные по формуле (3), представлены на рисунке 56.

Оптимальным следует признать разделительное вымораживание при -4° С, так как содержание сухих веществ в незамерзшей части творожной сыворотки было выше чем при других исследованных режимах концентрирования.

При разделительном вымораживании на теплообменной поверхности криоконцентратора, вместе со льдом присутствует некоторое количество сухих веществ, которое определяется исходя из уравнения материального баланса:

Е -т - £? -т + <5 ■ т (4)

->Н Н Л К) V V

где - концентрация сухих веществ в исходном растворе, %;

- концентрация сухих веществ во льду, %;

- концентрация сухих веществ в незамерзшей части раствора, %; т„ - масса исходного раствора, г;

да, - масса образовавшегося льда, г; тк - масса незамерзшего концентрата, г;

Было определено содержание сухих веществ во льду по формуле:

¿г -т -Е -т " " ~ (5)

На рис. 6а изображен график изменения содержания сухих веществ в образующемся льду. Данный график имеет относительный характер, для лучшего сравнения эффективности концентрирования была построена зависимость потерь сухих веществ (в % от начального содержания) от массовой доли вымороженного льда (рисунок 66).

Продолжительность, час Продолжительность, час

а б

Рисунок 6 - Графики содержания сухих веществ в образующемся льду (а) в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) и зависимость потерь сухих веществ творожной сыворотки (б) от степени вымораживания при температурах хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в)

При разделительном вымораживании с температурой хладоносителя -2° С данная зависимость имела экспоненциальный характер, значительный рост потерь сухих веществ наблюдался после вымораживания 10-15% раствора. Такой рост обусловлен повышением скорости вымораживания относительно незамерзшей части раствора, а также тем, что кристаллическая фаза к концу процесса вымораживания задерживает молекулы растворенного вещества из раствора с большей концентрацией. Кривая при температуре хладоносителя -6° С (в) имела более пологий характер, существенный рост скорости потерь сухих веществ происходил после первого часа вымораживания. В случае когда разделительное вымораживание проходило при температуре хладоносителя равной - 4° С, кривая потери сухих веществ (б) заняла среднее положение между кривыми (а) и (в).

Таким образом, анализ вышеприведенных результатов исследований, позволяет сделать следующий вывод. Разделительное вымораживание творожной сыворотки следует проводить при температуре -4° С, что обеспечивает наибольшую степень концентрирования и соответственно, наименьшие потери сухого вещества. Для снижения потерь сухих веществ и повышения степени концентрирования, а также в промышленной технологии переработки творожной сыворотки, необходимо повторное концентрирование.

В ходе экспериментальных исследований было обнаружено, что волнообразный характер изменения поля температур в сочетании с разделительным вымораживанием творожной сыворотки, реализуемым в криоконцентраторе емкостного типа, способствует коагуляции и выпадению в осадок сывороточных белков. Для определения технологических режимов, при которых происходит выпадение белкового осадка были проведены эксперименты по вымораживанию творожной сыворотки при различной амплитуде (Аг) и периоде изменения температуры хладоносителя (рисунок 7).

3.5 ■ 3,5

Рисунок 7 - Массовая доля выпадающего белкового осадка в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при подборе Д1 (а), равным 0,5° С (а), 1° С (б) и 1,5° С (в) и подборе периода изменения температуры (б) в 10 (а), 30 (б) и 60 (в) мин.

Продолжительность, час

Продолжительность, час

Наиболее интенсивное выпадение белка наблюдалось при изменении температуры хладоносителя в пределах (-3,5...-4,5)° С с периодом в 30 мин. Данный режим обеспечивает выпадение белкового осадка в количестве 4,2% от исходной массы сыворотки.

В выпадаемом осадке было обнаружено 7 фракций белка с различной молекулярной массой. Высокомолекулярные фракции (26,3-32,4 кДа) соответствуют казеину, содержание которого составляло 81,6%. Белки с молекулярными массами 18,4 кДа и 12,7-15, кДа соответствуют Р-лактоглобулин и а-лактоальбумину, содержание которых от общего белка составляло 10,9 и 6,0% соответственно.

Полученный сывороточный белок обладал чистым кисломолочным запахом без посторонних примесей, а также кремовым оттенком.

Пищевая и энергетическая ценность продуктов, получаемых из творожной сыворотки, приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Пищевая и энергетическая ценность продуктов, получаемых из

творожной сыворотки

Компонент Содержание основных пищевых веществ в 100 г Энергетичес

продукта кая ценность,

Вода Белки Углеводы (лактоза) Органические кислоты в расчете на молочную кислоту Зола ккал

Белок 46,0 48,0 1,8 1,5 1,9 100,0

Концентрат 82,5 4,2 12,6 1,8 0,7 96,4

лактозы

Концент. 81,8 2,7 1,6 1,2 4,5 21,3

творожная

сыворотка

Результаты биохимических анализов свидетельствуют о том, что продукты, получаемые из творожной сыворотки, по микробиологическим показателям и содержанию токсичных элементов удовлетворяют требованиям СанПИН.

Белок сывороточный хранят в холодильных камерах при температуре не выше 8° С и влажности воздуха 80—85%. Его размещают по партиям выработки. В камерах поддерживают строгий санитарный режим и не допускают значительных колебаний температуры. Гарантийный срок хранения белка составляет 36 ч с момента окончания технологического процесса, в том числе на предприятии не более 18 ч. Замороженный сывороточный белок в вакуумной упаковке допускается хранить при температуре -18° С в течении 8 месяцев.

Схема производства концентрата лактозы и сывороточного белка методом разделительного вымораживания представлена на рисунке 8.

Творожная сыворотка использовалась в соответствии с ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». Далее творожная сыворотка охлаждается до температуры 4° С, после чего направляется в криоконцентратор емкостного типа для разделительного вымораживания, при котором создается

волнообразный характер изменения температуры. В результате чего система теряет вначале агрегативную, а затем и седиментационную устойчивость. Сывороточные белки выпадают в осадок.

По окончании процесса вымораживания удаляется концентрат сыворотки, а белок направляется на производство творожных продуктов. После удаления белка вымороженный лед с содержанием лактозы расплавляется и в жидком виде направляется на повторное разделительное вымораживание с более высокой температурой хладоносителя. После окончания процесса водный раствор лактозы герметично упаковывается в пастеризованную стеклянную тару. Намороженный лед плавится и удаляется из емкостного криоконцентратора.

Творожная сыворотка

I

Охлаждение до 1?=40С

I

Разделение вымораживанием, с созданием волнообразного характера температур, при котором выпадает осадок в виде белка

Вымораживание лактозы при стационарном поле температур (1=-4°С, т=8 ч.)

(1,72%) Белок: Вода=4б% Ьелок48% Лактота~1.8%

Концентрированная сыворотка(39,31 %): Вода=93,6% Лактоза~0,9% 11римеси~5.5%

Водный концентрат лактозы (58,96%): Лактоза-6,86% Вода=92,5%

Плавление льда («=5°С, т=2 ч.)

Вторичное вымораживание лактозы при стационарном поле температур т=10 ч.)

Вода для

технологических нужд

(52%):

Вода=98,2%

Лактоза=1,8%

Концентрат лактозы(48%):

Лактоза=12,2%

Вода:87,8%

Фасовка и упаковка

Производство молочных продуктов на основе сывороточного белка

Рисунок 8 - Технологическая схема производства концентрата лактозы и сывороточного белка

По окончании повторного концентрирования эвтектический лед лактозы плавится и направляется на хранение или дальнейшую переработку.

ВЫВОДЫ

В результате экспериментальных и теоретических исследований были получены следующие результаты и сформулированы выводы:

1. Установлено, что волнообразный характер изменения поля температур в сочетании с разделительным вымораживанием творожной сыворотки, реализуемым в криоконцентраторе емкостного типа, способствует коагуляции и выпадению в осадок сывороточных белков. Наиболее интенсивная коагуляция сывороточных белков наблюдалась при следующих параметрах переменного поля температур: амплитуда 1° С, период 30 минут, средняя температура теплообменной поверхности минус 4° С.

2. Доказано, что эффективность разделительного вымораживания снижается при повышении скорости кристаллизации раствора, а также с увеличением массовой доли вымороженного льда. Разделительное вымораживание творожной сыворотки целесообразно проводить при температуре хладоносителя минус 4° С в два этапа: в течение 7 часов до достижения 50% вымороженного льда с концентратом лактозы и осажденным белком, с последующим концентрированием в течение 5 ч. до достижения 30% вымороженного льда.

3. Выявлены зависимости, описывающие процесс льдообразования и изменение содержание сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температуре хладоносителя от минус 2 до минус 6° С.

4. Исследованы физико-химические, теплофизические, органолептические и микробиологические показатели концентратов сывороточных белков.

5. Определены сроки и условия хранения концентрата сывороточных белков:

-для охлажденного сывороточного белка при температуре (4^8)° С - не более 36 часов;

-для замороженного сывороточного белка при температуре минус 18° С - не более 4 месяцев;

-для замороженного сывороточного белка герметично упакованного при температуре минус 18° С - не более 8 месяцев

6. Разработана технологическая схема выделения концентрата сывороточного белка и концентрата лактозы. Рассчитана себестоимость производства одной тонны концентрата сывороточного белка, а также получаемого при этом 12% раствора лактозы. Себестоимость полученных продуктов по ценам 2013 года составила: для концентрата сывороточных белков 136,0 тысяч рублей за тонну (с учетом стоимости исходной сыворотки), для концентрата лактозы одна тысяча рублей за тонну.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Короткий, И.А. Исследование процессов выделения белков и лактозы из молочной сыворотки / И.А. Короткий, П.А. Гунько, Т.З. Валиахмедов И Техника и технология пищевых производств. - 2014. - №1 (32). - С. 44-48.

2. Короткий, И.А. Исследование процессов криоконцентрирования молочной сыворотки / И.А. Короткий, П.А. Гунько, Д.Е. Федоров // Вестник КрасГАУ. -2014. -№1.-С. 148-153.

Материалы конференций, конгрессов, симпозиумов, семинаров

3. Гунько, П.А. Очистка воды вымораживанием // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании' 2011».- Выпуск 4. Том 38. - Одесса: Черноморье,2011. -ЦИТ: 411-0749-С. 74-76.

4. Гунько, П.А. Концентрирование вымораживанием / П.А. Гунько, A.B. Учайкин, A.B. Карчин // Качество продукции, технологий и образования: Материалы 7 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Магнитогорск, МиниТип, 2012. -С 489-490.

5. Гунько, П.А. Криоконцентрирование / П.А. Гунько // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы 3 Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, КемТИПП, 2010. - С. 292-293.

6. Гунько, П.А. Криоконцентрирование жидких пищевых продуктов / П.А. Гунько // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы 4 Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, КемТИПП, 2011. - С. 226-227.

7. Гунько, П.А. Криоконцентратор с двумя рабочими цилиндрами / П.А. Гунько, A.B. Учайкин // Приборное и научно-методическое обеспечение исследований и разработок в области инновационных технологий производства продуктов питания функционального назначения: материалы Всероссийской молодежной научной школы. - Кемерово, КемТИПП, 2012. — С. 61.

8. Мальцева, О.М. Перспективы применения разделительного вымораживания для концентрирования молока и молочных продуктов / О.М. Мальцева, П.А. Гунько // Приборное и научно-методическое обеспечение исследований и разработок в области инновационных технологий производства продуктов питания функционального назначения: материалы Всероссийской молодежной научной школы. - Кемерово, КемТИПП, 2012. — С. 136.

9. Учайкин, A.B. Исследование процесса намораживания льда в емкостном кристаллизаторе / A.B. Учайкин, H.A. Тризно, П.А. Гунько // Приборное и научно-методическое обеспечение исследований и разработок в области инновационных технологий производства продуктов питания

функционального назначения: материалы Всероссийской молодежной научной школы. - Кемерово, КемТИПП, 2012. - С. 211.

10. Гунько, П. А. Криоконцентратор - как устройство для концентрирования вымораживанием влаги из жидких пищевых продуктов с использованием теплоты конденсации для плавления вымороженного льда / П.А. Гунько, A.B. Учайкин, О.М. Мальцева, Д.А. Шрубович // Наука и образование в жизни современного общества: сб. науч. тр. по мат-лам Междунар. науч.-практ. конф. 29 октября 2012г.: в 12 частях. Часть 7; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012. 163с.

11. Филиппов Е.Е. Разделительное вымораживание / Е.Е. Филиппов, П.А. Гунько // Наука и производство: состояние и перспективы: Материалы XI межрегиональной студенческой научно-практической конференции, 26 февраля 2013г. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. -Кемерово, 2013.-С. 231.

12. Шрубович Д.А. Концентрирование молочной сыворотки вымораживанием / Д.А. Шрубович, П.А. Гунько // Наука и производство: состояние и перспективы: Материалы XI межрегиональной студенческой научно-практической конференции, 26 февраля 2013 г. / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. — Кемерово, 2013. - С. 261

13. Короткий И.А. Энергосберегающая технология извлечения белковых компонентов и лактозы из отходов молочного производства / И.А. Короткий, П.А. Гунько, Д.Е. Федоров, О.М. Мальцева // Пищевые инновации и биотехнологии: сборник материалов конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / под общ. ред. А.Ю. Просекова; ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».- Кемерово, 2013. - 282.

Патенты РФ

14. Патент на полезную модель № 134407, Российская Федерация, МПК A23L3/00. Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов / Гунько П.А., Короткий И.А., Учайкин A.B., Мальцева О.М.; от 20.11.2013

15. Патент на изобретение № 2509514, Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов / Короткий И.А., Гунько П.А., Учайкин A.B., Мальцева О.М.; Бюллетень. № 8 от 20.03.2014г.

Подписано в печатьоШ.2014. Формат 60x86/16. Тираж 80 экз. Объем 1,1 п.л. Заказ № ^к.. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47. Отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИПП. 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 7

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и

холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент И.А. Короткий

Кемерово 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 4

ГЛАВА 1 Литературный обзор......................................................9

1.1 Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения

продуктами питания............................................................ 9

1.2Пищевая и биологическая ценность молочной

сыворотки............................................................................... 15

1.3 Современные технологии промышленной переработки молочной

сыворотки........................................................................... 26

1.4Перспективы низкотемпературных технологий переработки

молочной сыворотки....................................................... 31

1.5 Заключение по обзору литературы. Цель и задачи исследований............................................................ 37

ГЛАВА 2^остановка экспериментов и методы

исследований.............................................................. 39

2.Организация проведения экспериментальных исследований.... 39

2.2Методы и объекты исследований..................................... 42

2.зОписание экспериментальных установок........................... 45

ГЛАВА зЭкспериментальная часть.............................................. 57

2 1 Исследование свойств творожной сыворотки как исходного

сырья........................................................................ 57

2 2Исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе, определение оптимальных режимов ............................................................................... 66

З.эПроцессы выделения белка из творожной сыворотки........... 83

2 ^Физико-химические, теплофизические, органолептические и

микробиологические, показатели продуктов белка творожной сыворотки................................................................. 90

3 .5 Определение сроков и условий хранения сывороточного белка 94

ГЛАВА практическая реализация результатов исследований............ 96

4 ^Разработка низкотемпературной технологии выделения белка

и концентрата лактозы из творожной

сыворотки................................................................... 96

4 2?асчет экономических показателей производства концентрата лактозы сывороточного белка......................................................................... 98

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................Ю1

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................ЮЗ

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................... 114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Рост населения Земли и повышение его уровня жизни требует постоянного увеличения производства продуктов питания. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено. Поэтому актуальной проблемой пищевой промышленности, в настоящее время, является рост глубины переработки сырья для умножения количества и повышения качества пищевой продукции. От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания, растительного или животного происхождения стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последнего. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи метода генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека.

Одной из важнейших задач государственной политики является обеспечение населения полноценными в биологическим плане продуктами питания [1]. Этого можно достичь путем полной (безотходной) переработки пищевых продуктов.

Степень разработанности темы исследований. Объемные исследования по изысканию эффективных способов переработки вторичного молочного сырья -молочной сыворотки проводят ведущие специалисты Северо-Кавказского государственного технического университета, Всероссийского НИИ маслодельной и сыродельной промышленности, Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов. Огромный вклад изысканий по данной теме внесли такие выдающиеся ученые, как: А.Г. Храмцов, Г.Б. Гаврилов, В.Д. Харитонов, Л.А. Остроумов, И.А. Евдокимов, К.К. Полянский,

А.И. Гнездилова, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Куленко, С.А. Рябцева и др. О переработке молочной сыворотки было отмечено в работах: Е.В Ульрих, М.С. Коваленко, H.H. Липатова, A.A. Розанова, П.Ф. Крашенинина, А.И. Чеботарева, O.A. Суюнчева и др.

Ими установлено, что реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности возможна только на основе комплексного использования всех компонентов молока для производства продуктов питания, либо раздельного извлечения их компонентов с последующей переработкой.

Промышленная переработка молока на принципах безотходной технологии, полное извлечение всех компонентов, рациональное использование промежуточных и побочных продуктов, снижение нормативных потерь за счет использования отходов являются важнейшими резервами увеличения объемов пищевых продуктов.

Отсутствие доступных и эффективных технологий переработки молочной сыворотки обуславливают тот факт, что на молочных предприятиях нашей страны данное вторичное сырье применятся по большей части лишь для продажи в очень малых количествах, притом в нативном состоянии, а остальная ее часть сливается в канализацию как отходы производства, что не только экономически невыгодно, но также наносит вред окружающей среде, так как при попадании сыворотки в канализацию происходит выделение высокотоксичных компонентов.

Таким образом, технология извлечения белковых компонентов и концентрата лактозы из творожной сыворотки является актуальной задачей пищевой промышленности, на решение которой направлена данная диссертационная работа.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами. В рамках данной работы поставлены следующие задачи: - исследование свойств исходной творожной сыворотки;

- исследование процессов разделительного вымораживания молочной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания;

- обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания сыворотки;

- определение физико-химических, теплофизических и микробиологических показателей белково-сывороточного продукта;

- определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта;

- разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из сыворотки;

- определение экономических показателей производства сывороточного белка.

Научная новизна работы:

научно обосновано использование метода разделительного вымораживания для выделения сывороточного белка и раствораа лактозы из творожной сыворотки;

- исследованы процессы разделительного вымораживания творожной сыворотки в криоконцентраторе емкостного типа, доказано, что с повышением скорости кристаллизации путем понижения температуры в хладоносителе, эффективность разделительного вымораживания снижается;

разработана математическая модель, описывающая процесс льдообразования и изменение содержание сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания сыворотки при температуре хладоносителя от -2 до -6° С, получены уравнения, позволяющие рассчитать теплофизические характеристики, количество образующегося льда, его толщину и концентрацию раствора в зависимости от продолжительности процесса. Уравнения также дают возможность рассчитать продолжительность процесса разделительного вымораживания, необходимую для получения раствора заданной концентрации.

- разработана технология выделения сывороточных белков и раствора лактозы из молочной сыворотки;

- исследованы свойства полученного сывороточного белка, на основе чего установлена эффективность разработанной технологии.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны режимы разделительного вымораживания молочной сыворотки, позволяющие извлечь сконцентрированный белок и концентрат лактозы.

Определены физико-химические, органолептические, теплофизические и микробиологические свойства данных продуктов. Установлены сроки и условия хранения сывороточных белков, определена экономическая эффективность изготовления концентрата сывороточных белков и концентрата лактозы.

Работа выполнена в рамках гранта на проведение научно-исследовательских работ по теме «Разработка инновационной энергосберегающей технологии извлечения белковых компонентов и лактозы из отходов молочного производства», договор № 69 от 01.03.2013 г.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физико-химических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- технологические режимы разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- технология производства 48% концентрата сывороточного белка и водного концентрата лактозы.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на научно-практических конференциях, в том числе: на III всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2010 г.), на VI всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011

г.), на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011» (г. Одесса, 2011 г.), международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (г. Тамбов, 2012 г.) и др. Помимо того получено два патента: первый - патент на полезную модель №134407 «Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов», зарегистрирован 20 ноября 2013года, второй - патент на изобретение № 2509514 "Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов", бюллетень № 8 от 20 марта 2014года.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения продуктами

питания

Проблема обеспечения продуктами питания была и остается одной из важнейших на всех этапах развития человеческого общества [2]. В настоящее время по данным ООН недоедает 12% людей в мире. В период 1990-1992 этот процент составлял 17% [4]. Анализ экспертов показывает, что хронически недоедает 17% населения Земли, в ближайшие десятилетия эта участь может постичь уже 25% жителей планеты.

В настоящее время во многих странах, в том числе и в России, существенно ухудшилась структура питания населения. Так, за последние годы уменьшилось потребление всех основных групп продуктов, наиболее ценных в биологическом направлении: мяса и молочных продуктов, рыбы и рыбопродуктов в среднем на 25-28 %, а растительного масла, фруктов и ягод - в еще большей степени. Результатом указанных изменений в питании россиян становится формирование недостаточности жизненно необходимых биологически активных пищевых веществ в организме: витаминов, микроэлементов, клетчатки и других биорегуляторов процессов жизнедеятельности [5]. Ухудшение структуры питания населения сложилось в связи с уменьшением ресурсной базы. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено [2, 6, 7].

Перспективным направлением развития пищевой промышленности на данный момент является безотходное производство за счет более глубокой переработки вторичного сырья для увеличения количества и повышения качества пищевой продукции.

От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека [8, 9]. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания растительного или животного происхождения, стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последнего [8]. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека [9].

В России, в последние десятилетия, сократилось сельскохозяйственное производство, а технологии глубокой переработки пищевого сырья внедряются очень низкими темпами. Дефицит собственного производства компенсируется импортом, который стимулирует зарубежного производителя и импортные технологии, а развитие отечественного производства и внедрение инновационных технологий тормозится. В 2010 году на продовольственном рынке страны импорт составил: 25 процентов мяса и мясопродуктов, 24,6 процента рыбы и рыбопродуктов и 19,2 процента молока и молокопродуктов. В стоимостном выражении было ввезено сельскохозяйственной продукции и продовольствия на 36,4 млрд. долларов США [10].

Остается ниже рекомендуемых медицинских норм потребление населением таких важнейших продуктов, как мясо и мясопродукты, молоко и молокопродукты, овощи, фрукты и ягоды. Среднедушевое потребление в 2010 году представлено на рисунке 1.1. Потребление среднедушевое - показатель, отражающий уровень потребления населения и его динамику. Исчисляется путём деления общего количества потребленных материальных благ (продуктов) на численность населения.

Спрос на продукцию отраслей, вырабатывающих социально значимые пищевые продукты (мукомольно-крупяная, хлебопекарная, рыбная, молочная, мясная, сахарная и масложировая отрасли), имеет устойчивый характер. Этот фактор во многом предопределяет развитие сырьевой базы для этих отраслей и

приток инвестиций в модернизацию технологической базы организаций пищевой и перерабатывающей промышленности [10].

Рисунок 1.1- Среднедушевое потребление в 2010

В последнее время пищевая промышленность совершает решительный поворот от производства искусственной, «химической» к производству натуральной, здоровой пищи. Сегодня потребителей во всем мире отличает все более осознанное отношение к пище. Они предъявляют к ней требования, как по

гармоничному сбалансированному вкусу, так и по содержанию полезных для здоровья веществ. Учитывая вышесказанное, появляется некоторый обзор проблемы необходимости полной переработки пищевых ресурсов, при изготовлении готовых пищевых продуктов [11, 12].

Когда говорят о производстве пищи в фундаментальном его понимании, прежде всего, имеют в виду хлеб, мясо, молоко, отводя при этом молоку особую роль. Без молока и молочных продуктов невозможно адекватное сбалансированное рациональное питание. Составные части молока: белки, жиры и углеводы являются уникальными и неповторимыми, признано, что они, каждый в своей группе, занимают первое место по биологической ценности [2].

Белки являются одним из главных компонентов, массовая доля которых в молоке колеблется в пределах от 2,9 до 4,0%. Значимость белков как необходимого компонента в питании человека и в производстве различных молочных продуктов обусловлена следующим: во-первых, - высокой биологической ценностью за счет специфичности аминокислотного состава и сбалансированности незаменимых аминокислот; во-вторых, - энергетической ценностью, легкой и практически полной перевариваемостью в организме; рядом физико-химических и функциональных свойств, способствующих стабилизации коллоидной системы и жировой эмульсии молока; в-третьих, - значительной термостабильностью основного белка-казеина, позволяющей сохранить устойчивость всех систем молока при хранении, технологической обработке и выработке молочных продуктов [2, 13, 14, 15, 16, 17].

Изучение структуры и свойств белков молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока на различные молочные продукты. За последние годы, благодаря использованию современных методов анализа (главным образом электрофоретических, электронной микроскопии и хроматографических), накоплен обширный информа�