автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии производства безлактозного молока

На прайах^эукописи

1 "

ГАВРИЛОВ ВИКТОР ГАВРИИЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗЛАКТОЗНОГО МОЛОКА

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ИДИ 2014

Кемерово 2014

005548254

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Остроумов Лев Александрович

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Евдокимов Иван Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО "Северо-Кавказский федеральный университет", проректор по научной работе

Коновалов Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина", заведующий кафедрой продуктов питания и пищевой биотехнологии

Ведущее предприятие:

ГНУ Сибирский научно-исследовательский институт сыроделия (СИБНИИС) Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «28» мая 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.089.01 в ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, Кемерово, бульвар Строителей, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности". С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ ('http://vak.eg.gov.ru') и ФГБОУ ВПО " Кемеровский технологический институт пищевой промышленности"

(http://www.kemtipp.ru)

Автореферат разослан «_» ___2014 г.

Ученый секретарь 7

диссертационного совета ,// , У '/ Кригер О.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Молоко и молочные продукты играют большую роль в питании человека. Включение молочных продуктов в рацион повышает его полноценность и способствует лучшему усвоению других компонентов.

В связи с этим актуальным является создание качественно новых функциональных продуктов, способствующих профилактике различных заболеваний, продлению жизни, повышению физической работоспособности.

Академик H.H. Липатов считает, что создание функциональных продуктов питания на молочной основе является одной из актуальных проблем промышленности.

Теоретические основы разработки функциональных продуктов питания заложены в трудах А.Н. Покровского, H.H. Липатова (мл.), К.С. Петровского, П.Ф. Крашенинина, A.B. Гудкова, М.С. Уманского, Л.А. Остроумова, А.Г. Храмцова, И.А. Евдокимова, Ю.Я. Свириденко, Г.Б. Гаврилова, А.Ю. Просекова, Н.Б. Гавриловой, Н.И. Дунченко, A.A. Майорова, H.A. Тихомирова и др.

К сожалению, отдельные группы населения в силу особенностей ферментных систем организма не могут употреблять молоко в натуральном виде из-за неспособности разлагать лактозу, что служит причиной серьезных нарушений в деятельности желудочно-кишечного тракта. Поэтому в мире существует проблема получения молока с низким или полным отсутствием лактозы.

В основу выдвинутой автором гипотезы для получения молока с низким содержанием или ее отсутствием необходимо провести разделение молока на жировую, белковую, углеводную и солевую фракции с последующим отделением от них фракции лактозы и разложением ее на глюкозу и галактозу ферментными препаратами ß-галактозидазы.

Одним из современных методов разделения и концентрирования компонентов гомогенных жидких систем являются мембранные технологии (ультрафильтрация, нанофильтрация и другие), их использование нашло широкое применение в настоящей работе.

Цель и задачи исследований. Целью работы является исследование и разработка технологии производства безлактозного молока.

Для реализации поставленной цели решали следующие задачи:

- исследование условий гидролиза лактозы (активная кислотность, температура, доза, продолжительность ферментации) ферментными препаратами |3-галактозидазы «МахПаа-2000» и «МахПаа-5000» в водном растворе;

-изучение гидролиза лактозы в обезжиренном молоке;

- подбор ферментного препарата по степени гидролиза лактозы в молоке;

- исследование ультрафильтрации и нанофильтрации обезжиренного молока при изучении процесса производства безлактозного молока;

изучение состава концентрата и пермеата, получаемых при ультрафильтрации и нанофильтрации молока;

- изучение состава и свойств безлактозного (низколактозного) молока;

- уточнение технологических параметров выработки безлактозного (низколактозного) молока и разработка технологической схемы его производства;

- разработка технической документации по производству безлактозного молока.

Научная новизна исследований.

Получены данные, характеризующие ферментативный гидролиз лактозы препаратами р-галактозидазы («МахПас1>2000» и «МахПа«-5000») в водной среде и в обезжиренном молоке. Установлено, что «МахПаа-2000» гидролизует лактозу в молоке на глюкозу и галактозу, не влияя на белковые и азотистые вещества.

Получены результаты, показывающие влияние содержания сухих веществ, а также температуры и продолжительности процесса на ультрафильтрацию и нанофильтрацию молока. Определено, что в процессе ультрафильтрации (до степени концентрации 50%) основная часть белка (95-98%) и частично лактозы (около 53%) находится в концентрате. При последующей нанофильтрации ультрафильтрационного пермеата выделяли лактозный концентрат и солевой раствор. На основании проведенных экспериментов разработана технологическая схема замкнутого цикла процесса производства делактозирования молока.

молока.

Изучено содержание белка, углеводов и солей в ретентате и пермеате. Изучен аминокислотный, углеводный, минеральный состав безлактозного

Практическая значимость, Разработана технологическая схема производства безлактозного молока. Разработана и утверждена техническая документация (ТИ и ТУ) «Молоко безлактозное стерилизованное» ТУ 9222-047-47148164-2014.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на НТК в Кемерово (КемТИПП, 2012, 2013 гг.), Ярославле (ЯГИКСПП, 2012, 2013 гг., Москве (2013 г.).

Апробация технологии проводилась на пилотном стенде ГБУ ЯГИКСПП.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в девяти статьях, в том числе три статьи, в журналах рекомендованных ВАК (журналы «Молочная промышленность», «Сыроделие и маслоделие», «Техника и технологии пищевых производств»).

Диссертация изложена на 102 страницах, включает 37 таблиц и 25 рисунков.

Методика эксперимента и методы исследований.

Общая схема исследований представлена на рисунке 1.

Первый этап исследований заключался в изучении условий и результатов гидролиза лактозы в водном растворе и в обезжиренном молоке.

Для проведения гидролиза 5% водного раствора лактозы использовали два ферментных препарата: «МахПас1-2000» и «МахПас1-5000» фирмы «ОЗМРооёБреааШез» (Нидерланды), полученных из молочнокислых дрожжей К1иууеготусез.

Изучено влияние активной кислотности (в интервале рН 5,0 до 7,5) на степень гидролиза лактозы. Для определения степени гидролиза использовали криоскопический метод на «Сгуо.Ягаг 1 »(определение точки замерзания), а также хроматографию, где рассматривали влияние указанных факторов на накопление продуктов гидролиза лактозы.

Этапы исследований Изучаемые факторы Изучаемые показатели

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

Для оптимизации влияния активной кислотности, концентрации ферментного препарата, температуры и продолжительности ферментации на степень гидролиза лактозы проводили трехфакторный эксперимент.

Второй этап исследований посвящен изучению особенностей ультрафильтрации обезжиренного молока. На баромембранной установке фирмы «Kieselmann» проводили ультрафильтрацию (40 нм) обезжиренного молока на концентрат и пермеат, с последующей нанофильтрацией (15 нм) пермеата.

Изучали влияние температуры, давления, содержания сухих веществ в молоке на степень концентрирования, а так же на содержание в концентрате и в пермеате белка, лактозы и золы. В концентрате определяли аминокислотный состав белков молока до и после концентрирования.

Пермеат, полученный при ультрафильтрации, направляли на нанофильтрацию. Фракции - концентрат (ретентат) и вторичный пермеат подвергали полнокомплексным анализам. В пермеате определяли содержание белка, лактозы и золы, а также содержание макро и микроэлементов.

На четвертом этапе разрабатывали технологическую схему и техническую документацию для производства безлактозного молока.

Рассматривали температурные режимы на разных стадиях процесса, длительность ферментации лактозы, эффективность ферментации, степень гидролиза лактозы, влияние уровня углеводов (глюкозы и галактозы) на органолептические показатели продукта.

Изучали физико-химический состав безлактозного молока. В продукте определяли аминокислотный состав белков, содержание углеводов (лактоза, глюкоза и галактоза), а также содержание основных макроэлементов (натрий, кальций, калий, магний, фосфор) и микроэлементов (железо, медь, цинк, марганец).

При выполнении экспериментальной части работы использовали стандартные и общепринятые методы органолептических, физико-химических и микробиологических исследований. Анализ и обработку экспериментальных данных выполняли по ПЭВМ с использованием пакета прикладных программ Statistica 6.0, Microsoft Office 2007. Повторность опытов 3-5 кратная.

Результаты исследований и их анализ. Исследование гидролиза лактозы в водной среде и обезжиренном молоке.

Приступая к исследованиям по разработке технологии получения молочных продуктов с низким содержанием лактозы или полном ее отсутствием, изучали ферментативный гидролиз лактозы в водном растворе препаратами «МахПасЬ 2000» и «МахПас1-5000».

Для исследования влияния активной кислотности, дозы ферментного препарата и продолжительности ферментации проводили трехфакторный эксперимент с применением различных доз фермента «МахПаа-2000».

Таблица 1 - План проведения эксперимента по оптимизации процесса

гидролиза лактозы

Изучаемые факторы Результат

Активная кислотность, рН Доза ферментного препарата, г/10мл Продолжительность ферментации, часов Степень гидролиза, %

X, X, Х3 У

7,0 0,08 8,0 90

7,0 0,08 2,0 55

7,0 0,02 8,0 45

7,0 0,02 2,0 20

5,5 0,02 2,0 15

5,5 0,08 8,0 80

5,5 0,08 2,0 40

5,5 0,02 8,0 35

6,5 0,08 8,0 98

6,5 0,08 2,0 70

6,5 0,02 8,0 60

6,5 0,02 2,0 25

6,5 0,04 8,0 90

6,5 0,04 2,0 60

6,5 0,04 4,0 80

7,0 0,04 4,0 75

7,0 0,08 4,0 80

5,5 0,04 4.0 85

Интервал для изучаемых факторов составил: - для величины рН от 7,0 до 5,5, для дозы ферментного препарата от 0,02 до 0,08 г/10мл, для продолжительности процесса ферментации от 2 до 8 часов.

Влияние изучаемых факторов на степень гидролиза лактозы (у) в условиях

опыта подчиняется следующему уравнению регрессии.

У=-1112+343х|+1651х2+11хз-28хг-23643х22-2хз;!+203х,х2+х|хз+194х2хз-

28х|х2х3.

Под влиянием технологически значимых факторов происходили изменения максимальных и минимальных значений степени гидролиза лактозы (рис.2).

у

...... 1

/

/

/

го X

Активная кислотен М

Продолжительность,*.

Рисунок 2 - Влияние на степень гидролиза лактозы активной кислотности, дозы фермента и продолжительности ферментации:

1-максимальное значение, 2-минимальное значение.

Активная кислотность в интервале от 7,0 до 5,0 pH влияла на степень гидролиза лактозы от 98 до 86% (максимальные значения) и от 30 до 13% (минимальные значения). Варьирование дозы фермента приводило к изменению степени гидролиза лактозы в пределах от 98 до 61% и от 43 до 13% соответственно, а продолжительность процесса, к увеличению степени гидролиза лактозы.

Выявлена зависимость органолептических показателей молока от интенсивности гидролиза лактозы (таблица 2).

Таблица 2 - Зависимость органолептических показателей молока от степени гидролиза лактозы.

Степень гидролиза лактозы, % Количество гидролизованной лактозы, г/10мл Вкус продукта

15 0,7 Близок к натуральному

30 1,4 Натуральный со слабыми признаками сладковатого привкуса

45 2,1 Слабовыраженный сладковатый привкус

60 2,8 Сладковатый

75 3,5 Выраженная сладость

90 4,2 Сладкий

РнсунокЗ - Схема мембранногофракционировашнмолока

Как видно из таблицы гидролиз лактозы в молоке приводит к повышению сладости данного продукта.

На основании проведенных экспериментов была разработана принципиальная схема (рис.3) проведения делактозирования молока с целью получения конечного продукта с уровнем содержания лактозы менее 0,1 %, включающая - обезжиривание молока, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и получение делактозированного молока.

Полученные результаты послужили основанием при разработке технологических параметров выработки молока с низким содержанием лактозы. Изменения основных показателей молока в процессе обработки мембранными

методами

Выявлено, что молоко в процессе ферментативного гидролиза приобретает сладковатый вкус. Использование мембранных методов позволяет откорректировать этот дефект. В данной связи было принято решение использовать процесс ультрафильтрации как метод делактозирования молока с целью выведения лактозы.

0 20 "О 60 80 юо

Рисунок 4 - Концентрация компонентов в процессе ультрафильтрации обезжиренного молока 1 .сухие вещества 2.белок З.лактоза

Содержание лактозы в молоке может быть уменьшено использованием ультрафильтрации, а значит уменьшено и количество продуктов ее распада.

В таблице 3 приведены примеры ультрафильтрационного разделения молока при разной степени концентрации (20 и 50% по объему растворителя).

Таблица 3 - Состав фракций при ультрафильтрационном разделении обезжиренного молока

Обезжиренное Степень концентрации, %

Показатели, % молоко, % 20 50

концентрат пермеат Концентрат Пермеат

Сухие вещества в т.ч. белок 8,7 9,7 5,6 12,0 5,6

3,2 4,1 0,1 6,2 0,2

лактоза 4,7 4,7 4,7 4,8 4,6

зола 0,7 0,7 0,7 0,7 0,6

жир 0,05 0,05 следы 0,1 0,0

Степень концентрирования компонентов молока в процессе ультрафильтрации (таблица 3) зависит от селективности мембран к отдельным фракциям. Максимальное значение степени концентрирования имела жировая фракция, минимальное - зола и лактоза.

Основная доля белка накапливалась в концентрате, при этом процентное содержание лактозы была сопоставимой с исходной концентрацией, а пермеат в основном состоял из водного раствора лактозы и солей. Методом нанофильтрации проводили разделение пермеата, полученного при ультрафильтрации обезжиренного молока (таблица 4). Высокий уровень концентрирования нанофильтрацией позволяет выделить в пермеат основную массу растворителя (воду) и главную часть минеральных веществ (золы) состоящих в основном из одновалентных ионов.

Таблица 4 - Состав фракций при нанофильтрации ультрафильтрационного

пермеата обезжиренного молока

Показатели, % Сырье, % Фракции разделения, %

Концентрат Пермеат

Сухие вещества, 5,65 21,35 1,40

в том числе:

белок 0,08 0,34 следы

небелковый азот 0,16 0,68 0,23

Лактоза 4,66 18,47 0,57

Зола 0,65 1,68 0,50

Жир 0,10 0,48 0,00

Считаем что, использование нанофильтрации (НФ) является важным технологическим приемом при выработке безлактозного или низколактозного молока. Выделенная фракция лактозы гидролизуется на глюкозу и галактозу и может быть направлена на создание новых молочных и других продуктов.

В пермеат переходит основная доля солей, в состав которых входят в основном калий, натрий, хлор, а так же магний, кальций, фосфор и другие элементы. Поэтому НФ - пермеат был изучен с целью возможности нормализации УФ-концентрата по сухим веществам и минеральному составу.

Таблица 5 - Минеральный состав пермеата после нанофильтрации

Макроэлементы, мг в 100 г --

Кальций Калий Натрий Фосфор Магний

11 1150 150 9 15

Микроэлементы, мг в 100 г

Железо Марганец Медь Фтор Цинк

65 8 18 25 120

В дальнейшем при разработке технологии безлактозного молока пермеат, полученный при нанофильтрации следует возвращать в технологический цикл для регулирования солевого состава и стабилизации продукта.

Изучение состава безлактозного молока В связи с тем, что в процессе технологической обработки составные компоненты молока подвергаются воздействию различных факторов возникла необходимость в изучении основного состава безлактозного молока (таблица 6). Таблица 6 - Состав изучаемых образцов молока

Вид молока

Исходное

Безлактозное

Белок

3,2

3,1

Содержание в молоке, %

Углеводы

4,7

2,9

Зола

0,70

0,65

Жир

3,5

3,5

Как видно из таблицы, в безлактозном молоке содержание углеводов понизилось на 38,3%, содержание белка и золы уменьшилось (3,2 и 7,2%). В таблице 7 приведено сравнительное содержание аминокислот

Таблица 7 - Аминокислотный состав белков изучаемых образцов

Аминокислоты Исходное молоко Безлактозное молоко

мг в 100 г продукта % мг в 100 г продукта %

1 2 3 4 5

Незаменимые, в том числе: 1460 45,6 1475 48,3

Валин 190 5,9 175 5,7

Изолейцин 155 4,8 160 5,2

Лейцин 230 7,2 240 7,9

Лизин 310 9,7 305 10,0

Метионин 95 3,0 110 3,6

Триптофан 120 3,7 115 3,8

Треонин 160 5,0 170 5,6

Фенилаланин 210 6,5 200 6,5

Заменимые, в том числе: 1740 54,4 15,75 51,7

Аланин 90 2,8 85 2,8

Аргинин 130 4,0 115 3,8

Аспаргиновая кислота 250 7,8 210 6,9

Гистидин 100 3,1 85 2,8

Глутаминовая кислота 480 15,0 450 14,7

Глицин 70 2,2 70 2,3

Пролин 240 7,5 210 6,9

Серин 170 5,3 160 5,2

Тирозин 180 5,6 160 5,2

Цистин 30 0,9 30 1,0

Всего 3200 100% 3050 100%

Содержание аминокислот в белках безлактозного молока практически не изменилось. Количество незаменимых аминокислот в исходном молоке составляло 45,6%, в безлактозном молоке 48,3% их общего количества. Среди незаменимых кислот в обих случаях превалировали лизин (9,7 и 10,0%), лейцин (7,2 и 7,9%), валин (5,9 и 5,7%), фенилаламин (6,5 и 6,5%), треонин (5,0 и 5,6%) и изолейцин (4,8-5,2%). Остальные незаменимые аминокислоты содержались в количествах меньше 5,0%.

Среди заменимых аминокислот выделялись глутаминовая кислота (15,0 и 14,7), аспаргиновая кислота (7,8 и 6,9%), пролин (7,5 и 6,9%), тирозин (5,6 и 5,2%) и серин (5,3 и 5,2%).

В таблице 8 приведен углеводный состав исходного и безлактозного молока. Таблица 8 — Углеводный состав молока

Углеводы Исходное молоко Безлактозное молоко

г в 100 г % гв 100 г %

Лактоза 4,7 4,7 Следы Следы

Глюкоза 0 0 1,5 1,5

Галактоза 0 0 1,4 1,4

показателей пастеризованного безлактозного молока в процессе хранения при (8±1)° С показано в таблице 9.

Таблица 9 - Изменение органолептических, физико-химических, микробиологических показателей пастеризованного безлактозного молока в процессе хранения при (8±1)° С

Показатели Сроки хранения, сутки

0 1 4 5 6 7 8 9 10

Внешний вид, консистенция Однородная жидкость без наличия хлопьев белка -

Вкус и запах Чистый, сладковатый, без посторонних привкусов Слегка кислый

Цвет Белый со слегка желтоватым оттенком

Кислотность, °Т 17 17 17 17 18 19 20 25

Массовая доля лактозы, % 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9

Количество КМАФАнМ тыс.КОЕ/см3 7,0 8,0 9,0 12,0 18,0 29,0 55,0 120,0

Результаты анализа показывают, безлактозное молоко выработанное с применением пастеризации, имеет небольшой срок хранения. Для увеличения сроков хранения применяли стерилизацию молока.

Разработка технологии производства безлактозного молока Технологический процесс производства молока осуществляли в следующей последовательности (табл.10), согласно схемы на рис. 5

На основании изложенной технологии разработан продукт «молоко безлактозное стерилизованное» (ТУ ТИ 9222-047-7148164).

Таблица 10 - Температурные параметры процесса выработки безлактозного молока

Молоко коровье сырое В соответствии с ГОСТ Р 52054

Фермент р-галактозидаза «МахПас! Ь2000» но действующим техническим документам отечественного производства или импортный, разрешенный к применению в установленном порядке

Соли - стабилизаторы (по необходимости) В соответствии с ГОСТ 22280, ГОСТ 2493, ГОСТ 4172

Технологический процесс Параметры и показатели

Подготовка сырья

Молоко сырое

Очистка ^ ^поступающего молока

фильтр

сепаратор-молокоочиститель

Охлаждение 1 = (4 ± 2) "С

охладитель

Хранение 1 = (4 ± 2) "С

емкость т = не более 6 ч

Предварительный нагрев 1 = 37 "С

пастеризационно-охладительная

установка

Сепарирование ¡ = 37"С

Сепаратор

Сливки

Обезжиренное молоко

т

Хранение 1 = (4 ± 2) "С т = не более 6 ч

Емкость

Подогрев 1 = (65 ± 5) "С

Секция рекуперации стерилизатора

Гомогенизация 1 = (65 ± 5) °С Р = (22,5 ± 2.5) МПа

Гомогенизатор

Термостатирование 1 = 42±1 "С т.ыд = 4±0,5 ч

Емкость

У л ьтрафил ьтрация 1 = 42±0,5 "С

ультрафильтрационная установка

УФ-концентрат Пермеат

Резервирование Нанофильтрация 1 = 42±1 "С

Емкость Нанофильтрационная уст-ка

Солевой пермеат Лактозный (глюкозо-галактозный) сироп

Концентрирование 1 = 42±1 "С С сух. в-»- 25±1 %

Нанофильтрационная уст-ка

Подогрев молока 1 = (80 ± 2) "С

Секция рекуперации стерилизатора

Гомогенизация 1 = (80 ± 2) "С Р = (17,5 ±2.5) МПа

Гомогенизатор

Стерилизация 1 = (140 ±2) "С т = 2-10 с

Стерилизатор

Охлаждение Г = (35 ±5) "С

рекуперативная секция стерилизатора

Охлаждение С = 2-25 "С

холодильная камера

1. Рекрвуар

2. Подо1реватель

3. Сепаратор

4. Фермент

5. Ульграфильтрацношшя уст-ка

6. Емксхпъ для сливок J Цельное молоко

II Обезжиренное молоко

III Молочно-белковый УФ-концентрат

7. Гомо1ешшгор(сп1шкн, молоко)

8. 11аноФш1ырадно1 и ш уст-ка

9. Резервуар для нормализации Ю-Оериишюр

11. Охлацшель

12. Упаковка

IV. Нормализовшшое безлактозное молоко

V. Лакгозный(шокаю-гаг£Ж1сгзныи) раствор

Рисунок 5 - Технологическая схема производства безлактозного молока

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология производства безлактозного (низколактозного) молока, включающая три принципиальных способа его обработки: гидролиз лактозы ферментным препаратом р-галактозидаза, мембранные методы разделения молока на фракции (ультрафильтрация и нанофильтрация), комплексное соединение отдельных фракций в готовый продукт.

2. Изучено влияние активной кислотности, внесение дозы ферментного препарата («МахПай-2000» и «МахПаа-5000»), температуры, продолжительности ферментации, на степень гидролиза лактозы в водной среде. Проведен трехфакторный эксперимент, по результатам которого получены следующие оптимумы: для препарата «Мах"11аа-2000» рН (6.2±0,2), доза препарата (0,04±0,2) г/10 мл, продолжительность (4,0±1,0) час;

3. Рассмотрен гидролиз лактозы в обезжиренном молоке ферментным препаратом «МахПас1-2000». Степень гидролиза лактозы активировалась при повышении температуры с 10 до 42° С; дозы ферментного препарата от 0,02 до 0,08 г/10 мл, при продолжительности процесса до десяти часов. Установлено, что «МахПаа-2000» не приводит к протеолизу белковых веществ молока.

4. Определено распределение основных компонентов молока по фракциям и выявлен необходимый уровень УФ-концентрирования. При степени концентрации 50% от объема исходного сырья, в ретентат после ультрафильтрации перешло 96,8%, белка и 53,8% лактозы, а в ретентат после нанофильтрации 1,6% белка и 34,0% лактозы от их содержания в молоке. Уровень содержания лактозы в процессе ультрафильтрации (до 3%).

5. Изучен физико-химический, микробиологический, аминокислотный состав, биологическая ценность, а также углеводный, макро- и микроэлементный состав безлактозного молока в сравнении с натуральным молоком. Органолептические показатели безлактозного молока соответствуют натуральному.

6. На основании проведенных исследований разработана технология производства безлактозного молока и утверждена техническая документация для его производства.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Остроумов Л.А. Биотрансформация лактозы ферментными препаратами галактозидазы/Л.А. Остроумов, В.Г. Гаврилов//Техника и технология пищевых производств,- Кемерово, 2013,- №1,- С. 26-31.

2. Гаврилов Г.Б., Кравченко Э.Ф, Гаврилов В.Г. Мембранные процессы для переработки молока и сыворотки/ Сыроделие и маслоделие, 2013.-№6.- С.22-23

3. Гаврилов Г.Б. Биомембранные процессы/ Г.Б. Гаврилов, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Гаврилов// Молочная промышленность, 2012,- №7,- С.49-52

4. Гаврилов В.Г. Изучение гидролиза концентрированных растворов лактозы ферментом «Максилакт»/ Материалы Всероссийской молодежной научной школы,-ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Кемерово, 2012,- С. 187-189.

5. Гаврилов В.Г. Изучение гидролиза лактозы с ферментом «Максилакт»/ Материалы Всероссийской молодежной научной школы,- ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Кемерово, 2012,- С. 189-191.

6. Гаврилов В.Г. Определение гидролиза лактозы криоскопическим методом /В.Г. Гаврилов, И.В. Гралевская//Инновационный конвент «Кузбасс: образование, наука, инновации»,- ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Кемерово, 2012,- С.131-133.

7. Гаврилов В.Г. Ферментативный гидролиз лактозы/ Инновационный конвент «Кузбасс: образование, наука, инновации»,- ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». Кемерово, 2012,- 133-134.

8. Гаврилов В.Г. Характеристика электродиализного обессоливания молочной сыворотки/ Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Кемерово, 2012,- С.118-119.

9. Гаврилов В.Г. Концентрирование сывороточных белков ультрафильтрацией/ Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.- Кемерово, 2012,- С. 113-120.

ЛР № 020524 от 02.06.97 Подписано в печать 22.04.14. Формат 60*84Ш6 Бумага типографская. Гарнитура Times New Roman Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 80 экз. Заказ № 55

Оригинал-макет изготовлен в редакционно-издательском отделе Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002. г. Кемерово, ул. Институтская, 7

ПЛД№ 44-09 от 10.10.99 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002, г. Кемерово, ул. Институтская. 7

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

042014=57572 На правах рукописи

ГАВРИЛОВ ВИКТОР ГАВРИИЛОВ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

БЕЗЛАКТОЗНОГО МОЛОКА

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, профессор Остроумов Л.А.

Кемерово - 2014

Стр.

Введение................................................................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы................................................................................................................7

1.1 Особенность ферментативного гидролиза лактозы..............................7

1.2 Мембранные методы обработки молочного сырья..............................20

1.3 Технологические особенности способы производства безлак-тозного молока..................................................................................................................30

Глава 2. Методика эксперимента и метода исследований....................................35

2.1 Методика эксперимента................................................................................................35

2.2 Объекты исследования..................................................................................................37

2.3 Методы исследований....................................................................................................37

Глава 3. Результаты исследований и их анализ............................................................46

3.1 Исследование ферментативного гидролиза лактозы в водном растворе......................................................................................................................................46

3.1.1 Биотрансформация лактозы ферментным препаратом "Мах-Пас1:-2000" в разных условиях среды....................................................46

3.1.2 Исследование основных параметров процесса на степень гидролиза лактозы........................................................................................................................53

3.1.3 Гидролиз лактозы препаратом "МахПас1 - 5000"..................................60

3.2 Влияние ферментного препарата "МахПас1-2000" на состав и свойства молока..................................................................................................................68

3.3 Распределение полидисперсных систем молока по фракциям 79

3.3.1 Исследование ультрафильтрации молока в процессе делакто-зирования..........................................................................................................................81

3.3.2 Исследование процесса нанофильтрации компонентов УФ-пермеата молока....................................................................................................................87

3.4 Изучение состава безлактозного молока......................................................90

3.5 Разработка технологий производства безлактозного молока... 94 Выводы....................................................................................................................................................................100

Список использованной литературы Приложения...............................

Молоко и молочные продукты играют большую роль в питании человека. Включение молочных продуктов в пищевой рацион повышает его полноценность и способствует лучшему усвоению других компонентов.

В связи с этим актуальным является создание качественно новых функциональных продуктов, способствующих профилактике различных заболеваний, продлению жизни, повышению физической работоспособности.

Теоретические основы разработки функциональных продуктов питания и гидролиза лактозы заложены в трудах А.Н. Покровского, H.H. Липатова (ст.), H.H. Липатова (мл.),К.С. Петровского, П.Ф. Крашенинина, A.B. Гудкова, М.С. Уманского, Л.А. Остроумова, А.Г. Храмцова, И.А. Евдокимова, Ю.Я. Свириденко, Г.Б.Гаврилова,А.Ю.Просекова, Н.Б. Гавриловой, Н.И. Дунченко, A.A. Майорова и др.

Академик H.H. Липатов считает, что создание функциональных продуктов питания на молочной основе является одной из актуальных проблем молочной промышленности.

Большие перспективы в создании функциональных продуктов имеет использование различных ферментных препаратов, открывающих новые подходы к процессам переработки молока и созданию новых продуктов.

Согласно данным научно-технической и патентной литературы проводились исследования ферментативного гидролиза лактозы в молоке. Для гидролиза лактозы наибольшее распространение получили ферментные препараты ß-галактозидазы, выделенные из бактерий и плесневых грибов.

В последнее время одним из перспективных ферментных препаратов яв-ляетсядрожжевая ß-D-галактозидаза. Опубликованные данные относительно дрожжевой ß-галактозидазы весьма разноречивы и в большинстве случаев относятся к синтетическим субстратам и чистым растворам лактозы, а не к естественному субстрату - лактозе, содержащейся в молоке.

Отсутствуют данные о влиянии образовавшихся моносахаридов на физико-химические свойства сырья и готового продукта.

Недостаточно изучены условия гидролиза лактозы при производствениз-колактозного молока применительно к технологическим режимам производства пастеризованного или стерилизованного молока.

Полученный продукт в условиях прямого внесения фермента в молоко привело к высокой сладости конечного продукта.

В настоящей работе исследована кинетика гидролиза лактозы в водном растворе лактозы и обезжиренном молоке в присутствии дрожжевой галактозидазы и установлены основные параметры протеканияпроцесса, обеспечивающие оперативное определение требуемых условий гидролиза.

Разработана схема и параметры технологического процесса и стадии внесения ферментного препарата р-галактозидазы при производстве пастеризованного и стерилизованного низколактозного молока, отвечающего сладости конечного продукта за счет применения мембранных процессов (ультрафильтрация и нанофильтрация).

Установлены технологические параметры и создана технологическая схнма для производстванизколактозного молока. Большое место в разработке технологических параметров и технологической линии, занимает применение мембранных методов разделения молока и пермеата. Для решения поставленных задач, была сконструирована комплексная установка, включающая в себя методы, ультрафильтрации инанофильтрации.

Исследованы каталитические особенности фермента «Максилакт-2000» на протеолиз белков молока.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность использования фермента р-галоктозидазы в производстве низколактозного(безлактозного)молока.

Заключительной частью диссертации явилась разработка и исследование технологии производства низколактозного молока с использованием фермента дрожжевой Р-галоктозидазы «Максилакт-2000».

Изучен состав и свойства полученного продукта.

Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати научных статьях в том числе, три из которых, опубликованы в журналах, рекомендованных в ВАК РФ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Особенность ферментативного гидролиза лактозы

Лактоза является хорошей средой для гидролиза с получением глюкозы и галактозы. Его можно инициировать различными путями: действием тепла, щелочами, кислотами или при помощи ферментов - гликозидаз.

Гидролиз под действием тепла может сопровождаться образованием молочной, муравьиной, пропионовой, пировиноградной кислот, которые вызывают изменение кислотности молока, вследствие чего продукт утрачивает свои пищевые достоинства [70]. При воздействии на лактозу химических веществ в результате протекания аминоальдегидных реакций, продукт приобретает коричневый цвет, что также отрицательно сказывается на качестве молочных продуктов.

Применение специфических гликозидаз позволяет производить избирательное расщепление олигосахаридов по вполне определенным типам связи. В зависимости от конфигурации гликозидной связи и моносахаридного остатка, входящего в состав гликозидаз, принято различать (а-) и (3-галактозидазы. Поскольку гидролиз лактозы осуществляется по линии связи, должно быть вполне оправданным применение Р-галактозидазы, катализирующей гидролиз (3-0-галактопиранозид-О-глюкозы (лактозы) [19, 20, 128].

Из кинетики ферментативного катализа известно, что ферменты проявляют свое каталитическое действие в водных растворах и, следовательно, по этому признаку их относят к гомогенным катализаторам. Однако, при более тщательном рассмотрении вопроса такое заключение оказывается не вполне точным. Дело в том, что ферменты имеют белковую природу и обладают большой молекулярной массой - от десятков до сотен тысяч Б. С этой точки зрения возможно существование в растворе микроповерхности раздела, характерной для гетерогенных катализаторов. Более того, каталитическая активность ферментов, как и гетерогенных катализаторов, определяется наличием на их поверхности особых участков ограниченного размера - активных центров, обла-

дающих специфической реакционной способностью [76].

Таким образом, ферменты характеризуются признаками как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Вместе с тем, они обладают рядом особых свойств, отличающих их от катализаторов небиологической природы. Главные отличия ферментов в исключительной высокой каталитической активности и ярко выраженной специфичности действия на строго определенные субстраты. Причины этого лежат в особенностях строения и механизма действия ферментов.

Известно, что фермент, как и любые катализаторы, ускоряют реакции, самопроизвольное протекание которых термодинамически невозможно, т.е. реакции с уменьшением свободной энергии. А скорость реакции зависит от величины энергетического барьера, который должен быть преодолен реагирующими веществами. Для успешного взаимодействия реагирующим молекулам должно быть сообщено количество кинетической энергии, равное или превышающее энергию активации. Однако, для осуществления реакции этого еще недостаточно - необходимо удачное соударение молекул строго определенным образом. Вероятность такого соударения определяется энтропией активации реагирующих веществ [114, 128, 130].

Ферменты влияют как на энергию активации, так и на энтропию активации. Кинетические исследования показывают, что если катализаторы небиологической природы дают снижение энергии активации на 16,74 и 29,3 кДж/моль, то ферментативный катализ характеризуется выигрышем энергии активации на 66,8 и 75,3 кДж/моль [78]. При прочих равных условиях действие ферментов дает огромное возрастание скорости реакции.

Согласованность каталитического действия необходимых групп активного центра достигается в ферментах благодаря упорядоченному их расположению в белковой молекуле, строго комплиментарной структуре субстрата. Полифункциональность ферментативного катализа объясняет значительный выигрыш и в энергии активации. Наличие в активном центре фермента группировок, характеризующихся электронно-донорными и электронно-акцепторными свой-

ствами, приводит к тому, что при взаимодействии с соответствующими группировками субстратов, образуются стабилизированные комплексы и каталитическая реакция происходит внутримолекулярно.

Такие реакции требуют значительно меньше энергии активации. Полифункциональность ферментативного катализа и есть причина высокой специфичности ферментного катализа. Фермент оказывается активным катализатором химических превращений лишь таких веществ, в структуре которых имеются определенные по электронной и стерической характеристике функциональные группы, расположенные в пространстве строго определенным образом. Комплиментарность структуры активного центра фермента структуре субстрата лежит в основе, как высокой активности, так и отчетливой субстратной специфичности [113, 130, 132].

На выше указанных принципах ферментативного катализа основан гидролиз лактозы ферментом р-галактозидазой:

Лактоза + фермент = глюкоза + галактоза

При ферментативном гидролизе лактозы образуются моносахариды глюкоза и галактоза, обладающие большей растворимостью, чем исходная лактоза. Растворимость моносахаридов обусловлена наличием в их молекулах большого числа сильнополярных гидроксильных групп, способных к образованию большего количества водородных связей по сравнению с лактозой [113].

Молекулы моносахаридов в растворах сильно сольватированы вследствие диполь-дипольного взаимодействия межмолекулярных водородных связях с растворителем, что часто ведет к образованию вязких сиропов. Ориентация молекул в вязких растворах затруднена, поэтому образование зародышей кристаллизации и, следовательно, сам процесс кристаллизации сильно замедляется или совсем не идет. В 100 мл воды при 15°С растворяется 154 г глюкозы, 68 г галактозы и 17 г лактозы, т.е. растворимость глюкозы выше растворимости лактозы в девять раз, а галактозы в два раза. На этой разнице растворимостей основаны некоторые процессы сгущения молочных продуктов [73, 133].

Кроме того, глюкоза и галактоза обладают большей сладостью и более

высокой консервирующей способностью. Сравнительная сладость Сахаров такова (сладость сахарозы принята за единицу): лактоза - 0,2; глюкоза - 0,75. Осмотическое давление, создаваемое 1%-ым раствором Сахаров таково (атм): сахарозы - 0,7; глюкозы 1,2. По своим консервирующим свойствам углеводы располагаются в следующем ряду (в сторону уменьшения): фруктоза, глюкоза, сахароза, лактоза [18].

Высокая консервирующая способность может улучшить качество готового продукта. А большая сладость образующихся моносахаридов позволяет снизить дозировку сахарозы в «сладкие» молочные продукты.

По своему строению глюкоза и галактоза являются альдегидоспиртами, так как в молекуле каждого моносахарида имеется альдегидная группа и несколько гидроксильных групп. Присутствие альдегидных групп обуславливает восстановительную способность моноз. Известно, что восстанавливающие сахара при определенных условиях способны вступать в реакцию с аминокислотами с образованием меланоидиновых соединений, изменяющих качество молочных продуктов. В связи с этим, следует выявить влияние образовавшихся моносахаридов (глюкозы и галактозы) на изменение сладости, растворимости Сахаров молока и образование меланоидиновых соединений в процессах производства молочных продуктов [95].

Р-галактозидаза по распространенности занимает одно из первых мест среди ферментов, относящихся к группе гидролаз, действующих на гликозидные соединения. Источники для выделения этого фермента обширны и разнообразны. В растениях Р-галактозидаза встречается в эмульсине, в некоторых розовоцветных (миндале, сливе, абрикосах, персиках). Фермент найден в семенах сои, бобов [100, 134].

Широко распространена р-галактозидаза и в животном мире. Высокая активность р-галактозидазы обнаружена в слизистой оболочке тонкого кишечника телят, собак, крыс. Находят фермент в мозговой ткани, в слюне человека, в лейкоцитах, в тонком кишечнике, а также в почвах. Особенно много Р-галактозидазы образуют некоторые микроорганизмы. Различные Escherichiacoli

служат одним из источников выделения бактериального фермента. Микроорганизмы Streptococcuslactis, Duramanosformicans, Aerobac- ter и ряд других также проявляют (3-галактозидазную активность. У грибов активная ß-галактозидаза найдена у представителей Aspergillusorizae, Aspergillusniger, As-pergillusflavus. Основными источниками ß-галактозидазы яътютсядрожжи рода Saccharmyces[14, 135].

В нашей стране работы с ß-галактозидазой впервые проводились Р.В. Фениксовой, A.C. Тихомировой и А.К. Куликовой в институте биохимии АН СССР. Ими были изучены условия биосинтеза и свойства ß-галактозидазы в глубинной культуре рода Saccaromyces. На основании исследований была предложена технологическая схема производства технического препарата ß-галактозидазы [115].

Специалистами Государственного НИИ генетики разработан способ получения фермента, основанный на использовании в качестве продуцента штамма мицелального гриба Penicillumcanescens, созданного с помощью генной инженерии и обладающего высокой продуктивностью [115].

Ферменты, обладающие одинаковой функцией, но выделенные из разных источников отличаются друг от друга некоторыми свойствами, которые характерны лишь для данного фермента [136].

Известно, что при изучении каталитической активности ферментов необходимо основываться на количественной оценке скоростей реакций. Изучение влияния различных факторов на скорость данной реакции дает возможность делать выводы о механизме действия фермента. Поэтому изучение кинетики ферментов важно не только с теоретической, но и с практической стороны. Например, при использовании ферментных препаратов необходимо знать наилучшие условия их действия, а также влияние различных факторов на его активность. Из ферментного катализа известно, что к числу главных факторов, определяющих скорость ферментативной реакции относятся: концентрация фермента, концентрация субстрата, pH, температура и присутствие активизаторов и ингибиторов [137, 138].

Литературные данные, касающиеся оптимальных условий действия р~ галактозидазы, разноречивы. Исследовани