автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка безотходной технологии бифидогенного концентрата из молочной сыворотки

Ставропольский государственный технический университет

ЛОДЫГИН АЛЕ] ТРИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА БЕЗОТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ БИФИДОГЕННОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Специальность: 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор ХРАМЦОВ А.Г.

Научный консультант: кандидат технических наук РЯБЦЕВА С. А.

На правах рукописи

СТАВРОПОЛЬ -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 7

1.1 .Характеристика молочной сыворотки как вида

лактозосодержащего сырья 7

1.2. Свойства аномерных форм лактозы. Физико-химические закономерности мутаротации 12

1.3. Теоретические основы и способы получения лактулозы 19

1.4. Теоретические предпосылки разработки технологии бифидогенного концентрата 26

1.5. Задачи исследований 29

ГЛАВА 2. Организация работы и метвдыияеледований 31

2.1. Объекты и методы исследований 31

2.2. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов 36

ГЛАВА 3. Изучение процесса мутаротации аномерных

форм лактозы 40

3.1. Исследование кинетики мутаротации лактозы в

модельных растворах 41

3.2. Влияние доз щелочного реагента на интенсивность перехода а-формы лактозы в (3-форму в творожной сыворотке 45

3.3. Исследование зависимости скорости мутаротации лактозы

в творожной сыворотке от температуры 49

3.4. Анализ совместного влияния исследуемых факторов на

процесс мутаротации лактозы в творожной сыворотке 52

3.5. Обсуждение результатов исследований 56

стр

ГЛАВА 4. Изучение процесса изомеризации лактозы в лактулозу 59

4.1. Исследование закономерностей изомеризации лактозы в лактулозу в модельных растворах молочного сахара 61

4.2. Сравнительная оценка выхода лактулозы при изомеризации

из а- и ß-форм лактозы 70

4.3. Изучение кинетики процесса раскисления творожной

сыворотки 72

4.4. Определение оптимальных параметров изомеризации

лактозы в лактулозу в творожной сыворотке 75

4.5. Обсуждение результатов экспериментов 88

ГЛАВА 5. Разработка технологии бифидогенного концентрата

из творожной сыворотки 92

5.1. Обоснование оптимальных параметров технологического процесса 92

5.2. Разработка технологии и аппаратурно-процессового

оформления получения бифидогенного концентрата 94

5.3. Производственная проверка результатов работы 100

5.4. Оценка экономической эффективности производства бифидогенного концентрата 103

5.5. Экологический мониторинг технологии бифидогенного концентрата 107

ВЫВОДЫ 112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115

ПРИЛОЖЕНИЯ 126

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции научно-технического прогресса молочной отрасли АПК Российской Федерации в рамках Приоритетного направления «Технологии живых систем» предусматривают широкое применение биотехнологических процессов переработки сельскохозяйственного сырья, химического и биологического синтеза пищевых веществ и биологических средств питания и защиты животных. Особую значимость данной концепции придает необходимость расширения ассортимента за счет создания новых видов молочных продуктов с заданным составом и свойствами, характеризующихся высоким качеством и биологической полноценностью [1,2].

В свете современных представлений теории адекватного питания и трофологии [3, 4] подобные продукты должны отвечать требованиям полного соответствия функциональным и физиологическим потребностям человека.

Важным показателем состояния эндоэкологии организма является естественный баланс кишечной микрофлоры, состав которой представлен различными классами микроорганизмов (бифидобактерии, лактобациллы, бактероиды, энтеробактерии, стрептококки и др.) [5]. Микробиоценоз кишечника характеризуется сложной взаимосвязью указанных видов и их способностью воздействовать на иммунологические, физиологические, анатомические, метаболические, пищевые и токсикологические функции организма человека [6, 7].

Результаты ряда отечественных и зарубежных исследований показывают [8, 9], что основными представителями полезной кишечной микрофлоры, составляющими около 90% ее, являются бифидобактерии и лактобациллы. Количество данных микроорганизмов значительно снижается вследствие стрессовых ситуаций, употребления антибиотиков, неблагоприятного воздействия на человека окружающей среды и других негативных факторов,

что приводит к дисбактериозам и ряду заболеваний желудочно-кишечного тракта.

В связи с вышесказанным, актуальным представляется создание продуктов питания, содержащих бифидус-факторы - вещества, стимулирующие рост и развитие бифидобактерий в толстом кишечнике человека, в частности, лактулозу и (З-форму лактозы. Синтез данных углеводов может быть осуществлен посредством направленной трансформации а-изомера лактозы в различных видах нежирного молочного сырья. Особое внимание в данном аспекте следует уделить молочной сыворотке, рациональная и безотходная переработка которой на пищевые и кормовые продукты является одной из наиболее важных задач молочной промышленности.

Анализ диспропорции между современными достижениями в области пищевой химии и технологии и уровнем переработки вторичных молочных сырьевых ресурсов (обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки) показывает, что приоритеты развития науки в данной области определяются следующими проблемами [1,2, 10]:

разработка энергоемких технологий концентрирования и сушки вторичного молочного сырья, выделения наиболее ценных компонентов;

разработка научных основ, новых технологий комплексного использования нежирного молочного сырья в натуральном виде;

разработка технологий получения производных и биоконверсии углеводов и белков молочного сырья в наиболее ценные производные;

выпуск диетических молочных продуктов, стойких в хранении, и обновление их ассортимента на основе применения нетрадиционных компонентов;

разработка энергосберегающих и экологически безопасных технологий за счет применения более совершенных методов обработки молочного сырья и более глубокой переработки всех его составных частей.

Рассмотрение вышеперечисленных тенденций развития науки в области переработки молочного сырья позволяет сделать вывод об актуальности постановки задачи по созданию новых биологически активных продуктов длительного хранения, обогащенных бифидус-факторами.

Данная научно-исследовательская работа посвящена разработке технологии сухого концентрата молочной сыворотки, характеризующегося высокой бифидогенной активностью, для продуктов детского, геродиетического и лечебно-профилактического питания, питательных сред для культивирования бифидобактерий и кормовых средств. Для достижения поставленной цели предлагается использовать направленную конверсию а-аномера лактозы (мутаротацию и изомеризацию) в Р-форму и лактулозу в творожной сыворотке. На защиту выносятся следующие положения:

- обоснование оптимальных параметров основного технологического процесса;

- разработка технологии бифидогенного концентрата из молочной сыворотки;

- изучение состава, физико-химических и микробиологических свойств концентрата;

- анализ экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1Л. Характеристика молочной сыворотки как вида лактозосодержащего сырья

Молочная сыворотка представляет собой один из наиболее распространенных видов молочного белково-углеводного сырья. Объемы и направление переработки сыворотки являются немаловажным показателем уровня развития отрасли. В странах с высокоразвитой молочной промышленностью (США, Канада, страны Скандинавии, Нидерланды и др.) до 90% молочной сыворотки используется для производства продуктов питания [1]. Статистика последних лет показывает, что в Российской Федерации организация промышленной переработки сыворотки находится на крайне низком уровне: из более чем 1500 предприятий отрасли лишь около 700 имеют цехи по переработке сыворотки [1, 11].

Как правило, сыворотка подлежит возврату сдатчикам молока для выкармливания сельскохозяйственных животных или сбрасывается в канализацию, в результате чего наносится значительный ущерб окружающей среде.

Необходимость переработки нежирного молочного сырья на пищевые продукты представляется особенно актуальной на фоне тенденции резкого снижения объемов производства цельномолочной продукции [11,12 ,13,14]. В связи с вышесказанным, большое значение имеет получение лактозы и ее производных на основе молочной сыворотки или обогащение последней биологически активными компонентами путем направленной химической или ферментативной трансформации ее углеводного комплекса. И.А.Евдокимов предложил объединить традиционные и нетрадиционные виды молочного сырья, которые могут использоваться для переработки на молочный сахар и производные лактозы, термином " лактозосодержащее сырье" [15,16], при этом

молочная сыворотка относится к наиболее распространенным и перспективным видам сырья.

В связи с этим особого интереса заслуживает рассмотрение состава, физико-химических и технологических свойств различных видов молочной сыворотки.

К традиционным видам молочной сыворотки относятся подсырная, творожная и казеиновая. Их усредненный состав, полученный на основе многолетних исследований отечественных, в первую очередь А.Г. Храмцова, и зарубежных авторов [17, 18,19] приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав молочной сыворотки

Массовая доля, % Вид сыворотки

подсырная творожная казеиновая

Сухих веществ 6,5 6,0 6,8

в том числе: лактозы 4,5 4,2 4,5

белков 0,7 0,8 1,0

золы 0,5 0,6 0,7

Данные табл. 1.1. показывают, что содержание лактозы во всех видах сыворотки составляет около 70% от массовой доли сухих веществ, что подтверждает целесообразность ее переработки на молочный сахар и другие углеводные продукты.

Молочная сыворотка обладает высокой питательной и биологической ценностью: при переработке молока на сыр, творог и казеин в ее состав практически полностью переходят водорастворимые витамины, частично -жирорастворимые, а также все незаменимые аминокислоты. Содержание последних в подсырной сыворотке в 4 раза, а в творожной - в 10 раз выше по сравнению с цельным молоком [17,18]. Кроме того, сывороточные белки являются дополнительным источником аргинина, гистидина, метионина, лизина, треонина, триптофана и лейцина, а их состав практически полностью идентичен аминокислотному скору белков крови. Таким образом,

сывороточные белки являются биологически полноценными и легкоусвояемыми.

Анализ литературных источников [17,18] позволяет выделить основные физико-химические показатели молочной сыворотки как исходного сырья для производства продуктов на основе лактозы ( табл. 1.2.).

Таблица 1.2

Основные физико-химические показатели молочной сыворотки

Наименование показателя Вид сыворотки

подсырная творожная казеиновая

Кислотность:

титруемая, Т 10-25 50-85 50-120

активная, ед. рН 6,3 4,4 4,3

Плотность, кг/м3 1018-1027 1019-1026 1020-1025

Буферная емкость

по щелочи, мл 2,32

по кислоте, мл 1,60-10"3 1,72 1,24-10"3

Динамическая вязкость, Пас 1,24-10"3

Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) 4,08

Теплопроводность, Вт/(м -К) 0,13

Молочная сыворотка представляет собой продукт с естественным набором минеральных веществ, в состав которых входят, в первую очередь, неорганические соли таких жизненно необходимых элементов, как фосфор, кальций и магний. Из микроэлементов следует выделить железо, цинк и медь. Следует отметить, что содержание анионов ( радикалы лимонной и фосфорной кислот, хлор и др.) в сыворотке более чем в 1,5 раза превышает массовую долю катионов (калий, натрий, кальций, магний и др.). В процессе нерегулируемого хранения молочной сыворотки в результате сбраживания посторонней микрофлорой части лактозы происходит значительное накопление молочной кислоты, нарастание титруемой кислотности и буферной емкости по щелочи и, следовательно, ухудшение органолептических показателей и технологических свойств, приводящих к снижению выхода лактозы и ее производных.

На основании вышеизложенного весьма актуальной является проблема разработки технологии продуктов длительного хранения из молочной сыворотки. В нашей стране в настоящее время принято выделять пять основных групп продуктов на основе нежирного молочного сырья, в технологии которых в той или иной степени реализованы принципы консервирования [18, 20]:

- напитки, в том числе сквашенные;

- белковые продукты;

- сгущенные и сухие белково-углеводные концентраты;

- молочный сахар и производные лактозы;

- заменители цельного молока.

Анализ статистики переработки сыворотки в странах с высокоразвитой молочной промышленностью позволяет выделить три приоритетных направления: сухая и сухая деминерализованная сыворотка, концентраты сывороточных белков и продукты на основе лактозы. Так, в табл. 1.3 приведены данные о выпуске перечисленных групп продуктов из сыворотки в 1993 году [21].

Таблица 1.3

Объемы производства продуктов из сыворотки в 1993 г.

Продукты Объемы производства, тыс. т

Северная Америка Западная Европа Тихоокеан ский регион Итого

Сухая и сухая деминерализованная сыворотка 630 1060 40 1730

Продукты на основе лактозы 107 300 40 447

Концентраты сывороточных белков 80 60 10 150

В то же время статистика последних лет по Российской Федерации [12,13,14] показывает резкий спад, наряду с выпуском цельномолочной продукции, производства и переработки молочной сыворотки (подсырной, творожной, казеиновой), нарастает тенденция возврата сыворотки сдатчикам

молока в непереработанном виде, что отражено в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Структура переработки молочной сыворотки

Направление использования сыворотки Объем переработки, тыс. тонн

1990 г 1995 г 1996 г

Ресурсы 7125 3600 2539

Промпереработка, 3137 920 596

в том числе: молочный сахар 9,4 3,0 2,4

сгущенная 9,8 2,7 2,7

сухая 4,2 3,2 2,4

хлебопечение 614 200 151

Продажа хозяйствам, 4144 1820 1303

в том числе: натуральная 2675 1749 1250

обогащенная 1469 70,5 53,0

Отечественный и зарубежный опыт производства белково-углеводных концентратов, в частности сгущенной и сухой молочной сыворотки [22, 23, 24, 25], подтверждает перспективность данного направления, имеющего ряд преимуществ: длительные сроки хранения, простота и удобство транспортировки, широкий спектр использования в качестве добавок и наполнителей в пищевой промышленности и кормопроизводстве. Особый интерес в этом плане представляет проблема создания новых видов сывороточных концентратов, обогащенных биологически активными веществами, например, аномерной Р-формой лактозы и лактулозой, которые являются общепризнанными бифидус-факторами [5,9].

1.2. Свойства аномерных форм лактозы. Физико-химические закономерности мутаротации

Лактоза является основным углеводом молока. По современной химической номенклатуре она относится к классу олигосахаридов, конкретнее, к дисахаридам (биозам), ее химическая формула С12Н22 Оц идентична сахарозе и мальтозе, название 4-0-Р-Б- галактопиранозил-а-Б-глюкопираноза (первая пропись) или 0-Р-Б-галактопиранозил-( 1—>4 )- а-Э-глюкопираноза [26, 27,28]. Также широко используется тривиальное название лактозы - "молочный сахар", однако А.Г. Храмцов [26] предложил использовать данный термин применительно к промышленно производимому продукту, а не компоненту молочного сырья, что более полно отражает его технологическую сущность.

Согласно теоретическим положениям химии углеводов, дисахарид лактоза может существовать в пяти изомерных формах [26, 28, 29], однако практически в лабораторных и промышленных условиях выделены ангидрид и моногидрат а-формы и Р-ангидрид. Наличие а- и Р-изомеров (аномеров) обусловлено изменением положения гидроксильного остатка относительно первого углеродного атома глюкозного остатка молекулы лактозы.

В молочном сырье лактоза находится в свободном состоянии в фазе истинного раствора и в связанном с другими компонентами (белки, кальций и др.), в насыщенных растворах и концентрированных (сгущенных и сухих) продуктах - в аморфном состоянии, в котором она также присутствует в виде а-и Р-форм [30]. В перенасыщенных растворах лактоза кристаллизуется.

Физико-химические свойства аномерных форм лактозы неодинаковы, они имеют различные значения теплоты сгорания, теплоемкости, энергетической ценности, температуры плавления, теплоты растворения, удельного угла вращения (а- форма +89,4 град. , Р-форма +35,6 град.), в частности р-аномер кристаллизуется исключительно при температурах выше 93,5°С [26, 31].

Химическая активность лактозы обусловлена ее специфическим строением как восстанавливающего (редуцирующего) углевода. Свободный полуацетальный гидроксил глюкозного остатка способен вступать в реакции окислен�