автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка рациональной технологии сиропа лактозы и ее производных из молочной сыворотки

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

с

V)" На правах рукописи

г,

*

^^ УДК 637.142.2 547.458.22.734

ч

НИКУЛЬНИКОВА ИРИНА КИРИЛЛОВНА

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СИРОПА ЛАКТОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов "

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Ставрополь - 1998

Работа выполнена на кафедре технологии молока и молочных продуктов Ставропольского государственного технического университета.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: Заслуженный деятель науки РФ, академик Рос-сельхозакадемии, доктор технических наук, профессор ХРАМЦОВ А.Г.

Доктор технических наук ЕВДОКИМОВ И.А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Доктор технических наук, засл. деятель пищевой индустрии РФ НЕСТЕРЕНКО П.Г.

Кандидат технических наук ВАРДАНЯН Г.С.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ОАО "Молочный комбинат "Ставропольский""

Защита состоится « 1998г. на заседании спе

анализированного совета К 064.1107 Ставропольского государственного техни ческого университета (СтГТУ) по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СтГТУ

Автореферат разослан «

£ Ц. f£>. 9/

Ученый секретарь специализированного совета К 064.1107, доктор технических наук ЕВДОКИМОВ И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство молочного сахара всегда считалось тра-иционным и наиболее рентабельным способом переработки сыворотки, т.к. он, зляясь единственным углеводом животного происхождения, находил широкое эименение во многих отраслях промышленности. Однако, в связи с общей эконо-ической ситуацией, сложившейся в России, наблюдается некоторое снижение в эоизводстве и потреблении молочных продуктов в общем, и молочного сахара в

1СТН0СТИ.

Проведенный маркетинговый анализ показал, что представляет интерес раз-1ботка технологии сиропа молочного сахара, которая предусматривала бы, путем 1рьирования технологических параметров, производство продукта, удовлетво-пощеш той или иной группе потребителей. Такая технология позволила бы повы-ггь эффективность использования белково-углеводного молочного сырья, снизить ¡бестоимость продуктов, вырабатываемых с использованием молочного сахара, 1сширить рынок потребителей лакгозы.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка рациональ-)й технологии сиропа лактозы (молочного сахара) и ее производных лакгулозы и исгитола из молочной сыворотки, позволяющей предприятиям молочной гтро-=.1 тленности адекватно реагировать на гоменения спроса и рынка.

В соответствии с целью и рабочей гипотезой при выполнении работы реша-¡сь следующие задачи:

- изучение процесса получения молочного сахара в виде сиропа из молоч->й сыворотки;

- характеристика состава и свойств сиропа молочного сахара как сырья для льнейшей переработки;

- определение параметров процесса центробежной очистки сиропа молочно-сахара с целью разработки технологии лактозы пищевой категории качества;

- исследование процесса изомеризации лактозы в лактулозу в сиропе молочного сахара;

- разработка научно-технических основ конверсии лаетозы в лактитол с использованием в качестве сырья сиропа молочного сахара;

- изучение технологических свойств лактозы и ее производных как альтернативных подсластителей;

- разработка рациональных технологий лактозы и ее производных, оценка их экономической эффективности и экологической безопасности.

Научная новизна. Исследовано влияние различных технологических факторов на получение молочного сахара в виде сиропа со стабильной консистенцией, не нарушающейся в процессе хранения. На основании экспериментальных данных и анализа математических моделей определены области оптимальных значений параметров технологических процессов производства сиропа молочного сахара.

Проведена оптимизация процессов получения пищевой лактозы и лакту-лозы из сиропа молочного сахара. Разработаны научно-технические основы конверсии лактозы в лактитол.

Доказана целесообразность использования молочного сахара и лактигола в качестве основных подсластителей.

Практическая ценность. На основании результатов проведенных исследований разработана нормативно-техническая документация на производство сиропа молочного сахара, пищевой лактозы и сиропа лаюулозы. Предложенные способы получения апробированы на ОАО «Комбинат молочный Ставропольский», Александровском маслосырзаводе, ЗАО «Лаетусан».

Сироп мешочного сахара был успешно использован фирмой "БИОКОМ" при приготовлении питательных сред для продуцирования антибиотиков.

Пищевая лактоза, полученная по предлагаемой технологии была использована в качестве носителя при производстве ароматических и цветообразующих добавок для мясных изделий (АО «АРОМАРОС», г. Москва). Выработки эксперимен-

пальных образцов показали, что ее использование является перспективным направ-гением при создании отечественных премиксов для мясной промышленности.

Опытно-промышленная выработка мясных продуктов (вареных колбас, со-;исок и сарделек, полукопченой колбасы «Одесская») с использованием молочного ахара взамен сахарозы была осуществлена на Волгоградском мясокомбинате. Лицевой молочный сахар был также использован АО "Стрижамент" в рецептуре :пиртньгх напитков.

Кроме того, опытно-промышленные выработки кондитерских изделий лак-улозы и лактитола (АО "Экон", г. Пятигорск) позволили сделать вывод о везмож-юсти частичной замены сахарозы на указанные подсластители.

Апробация работы. Основные, положения и результаты исследований доложены и обсуждены на научно-технической конференции «Вклад науки в развитое гаслоделия и сыроделия», г. Углич, 1994; III международном симпозиуме «Эколо-ия человека: проблемы и состояния лечебно-профилактического питания», Моск-а, 1994; научно-теоретической конференции «Научные основы прогрессивных ехнологий хранения и переработки сельскохозяйственной продукции для создания родуктов питания человека», Углич, РАСХН, 1995; XXVI научно-технической онференции, посвященной 25-летию ВУЗа, Ставрополь, 1996; на второй Всерос-ийской научно-теоретической конференции «Прогрессивные экологически безо-асные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для эздания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности», глич, 1996. •

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 научных збатах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, вывозе, списка литературы, включающего 140 наименований, в том числе 54 зарубеж-,пс авторов, 9 приложений. Основное содержание работы изложено на 131 стр. ашинописного текста. Содержит 24 таблицы и 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления работы, сформулированы цель и задачи исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены физико-химические и физиологические характеристики и представлены области использования лактозы и ее производных. Да! анализ основных способов производства молочного сахара и производных лактозы Проведен маркетинговый анализ рынка лактозы и ее производных В России, кото рый позволил выбрать приоритетные направления исследований.

Во второй главе изложены вопросы организации работы и методы иссл< дований. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораториях Ставр польского государственного технического университета и отраслевой научн исследовательской лаборатории «Углеводы молока». Производственная провер технологических режимов разрабатываемых технологий осуществлялась на сл дующих предприятиях: ОАО «Комбинат молочный Ставропольский», Алекса* ровский маслосырзавод, ЗАО «Лактусан». Объектами исследования служили: по сырная и творожная молочная сыворотка, молочный сахар-сырец высшего coj производства Ипатовского сыродельного завода, кристаллический моногидрат л титола (препарат фирмы «Zyma», Италия), лактоза, сахароза, сорбит и ксилит (м ки ч., ТУ 6-09), сироп лактулозы, выработанный на кафедре технологии молок молочных продуктов СтГТУ.

Схема проведения экспериментов представлена на рис.1.

При выполнении работы использовались стандартные и общепринятые тодики определения органолепгических и физико-химических показателей ист дуемых объектов.

Рис. 1. Схема проведения исследований.

В третьей главе сформулированы теоретические предпосылки получения сиропа молочного сахара со стабильной консистенцией, не расслаивающейся I процессе хранения (гл.3.1); и обоснованы: режимы и способы очистки сырья 01 несахаров, кристаллизации, сгущения и хранения сиропа (гл.3.2, 3.3, 3.4); проведена оптимизация процесса получения сиропа (гл.3.5).

Чтобы оценить факторы, влияющие на стабильность консистенции, сироп молочного сахара был представлен как грубодисперсная система, в которой дисперсионная среда представлена межкристальной жидкостью, а дисперсная фаза - кристаллами лактозы. Грубодисперсные системы седиментационно неустойчивы, что приводит к осаждению частиц дисперсной фазы. Скорость осаждения частицы подчиняется (с некоторыми допущениями) закону Стокса,

и=2.ё.(р-р0).гг/9т1 (1),

где: т)- динамическая вязкость среды, Па»с; г - радиус частицы, м. -р - плотность частицы, кг/м3 - ро- плотность дисперсионной среды, кг/м3. То есть скорость осаждения прямопропорциональна квадрату радиуса частицы, разности между плотностями дисперсной фазы и дисперсионной среды и обратнопропорцирнальпа вязкости дисперсионной среды.

Вязкость сиропа при прочих равных условиях зависит от степени дисперсности составных компонентов. В обезжиренной осветленной молочной сыворотке в коллоидно-дисперсном состоянии находятся белок и большая часть фосфатов кальция. Если обработка сырья проводится при высокой температуре, то происходит химическое взаимодействие между аминокислотами белков и составными частями сыворотки с образованием нерастворимых белково-кальциевых агломератов. Такие агломераты в растворе находятся скорее в виде суспензии, а не коллоида, что понижает вязкость дисперсионной среды и увеличивает скорость разделения системы. Для стабилизации консистенции сиропа желательны такие режимы обработки сы-

>ья, при которых температурное воздействие на его компоненты будет минимальном.

Плотность дисперсионной среди (межкристальной жидкости) в основном рпределяется массовой долей сухих веществ и температурой. Для создания искомой ;онсиотенции сиропа необходимо выбрать такое содержание сухих веществ, при »тором продукт будет стабилен н сохранит текучесть при температуре хранения

Установлено, что размеры кристаллов лактозы являются решающим факто-юм для получения стабильного продукта. На рост кристаллов влияют множество гараметров, в том числе концентрация и чистота раствора, температура процесса сристаллизации, его продолжительность и т.д. Получение мелких кристаллов обесточивается быстрым охлаждением при интенсивном механическом перемешива-пш, с внесением затравки или без нее.

Реологические свойства системы, необходимые для получения качественного продукта достигаются использованием низких температур обработки сыворотки.

Для очистки молочной сыворотки от белковых частиц была выбрана ульт-зафильтрапионная обработка, которая является одним из наиболее эффективных

методов удаления несахаров и оказывает минимальное температурное воздействие на ее компоненты.

С целью уточнения режимов УФ обработки был проведен ряд экспериментов, результаты которых показали, что температура процесса (30-55)°С (рис.2) и давление (0,2-0,35)МПа (тип мембран УМП-П) обеспечивают необходимые степень удаления белковых веществ из сыворотки и физико-химическое состояние компонентов ультрафильтрата.

Ц22

02

ш' Ц18

вм

I

/ -г / ч N V /

\ \ I )

> » I I I \ /

» xi « я ю 70,,

Рис.2. Зависимость массовой доли белка (Б, %) от температуры процесса (I, °С) ультрафильтрации творожной сыворотки

1U

В отличие от творожной сыворотки, очищенной термокислотным спос бом, в ультрафильтрате содержится на 50-70% больше кальция. Массовая до. кальция тем больше, чем ниже температура процесса улырафильтрации, п скольку фосфаты кальция снижают свою растворимость при увеличении темп! ратуры и задерживаются в коллагенной форме мембраной. В сгущенном улы рафильтрате растворимые соли кальция находятся в коллоидной форме, чт будет способствовать стабилизации консистенции готового продукта. Кром того, предварительные эксперименты показали, что выкристаллизация лактоз] в присутствии хлорйда кальция протекает значительно медленнее, а степен выкристаллизашш уменьшается в полтора раза. Это позволит проводить пр< цесс кристаллизации без внесения затравки.

Максимальное значение СВ, при котором (согласно экспериментальны данным) сироп сохранит текучесть г 50-55% СВ.

Эксперименты показали, что скорость охлаждения от 4 град/мин и выш обеспечивает получение в продукте кристаллов лактозы со средним размером (15 17)мкм. Скорость охлаждения ниже 2 град/мин приводит к образованию боле крупных кристаллов лактозы, которые в процессе хранения резко увеличиваются размерах, в результате однородность и стабильность продукта изменяется, что вид но из распределения кристаллов лактозы в сиропе молочного сахара (рисЗ, табл1).

Таблица

Изменение консистенции сиропа молочного сахара в процессе хранения

СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ КОНСИСТЕНЦИЯ

до 2 град/мин (срок хранения 90 суток) Нестабильная, расслаивающаяся в процессе хранения, с монолитным осадком лактозы

свыше 4 град/мин (срок хранения 90 суток) Стабильная, вязкая консистенция, с незначительным отстоем мелассы

Рнс.З Диаграмма распределения кристаллов по размерам. X - процент кристаллов данного размера, %; (1 - размер кристаллов; (1) - при скорости охлаждения до 2-х град/мин срок хранения - 5 суток; (2) - при скорости охлаждения свыше 4-х град/мин срок хранения - 5 суток; (3) - при скорости охлаждения до 2-х град/мин срок хранения - 90 суток; (4) - при скорости охлаждения свыше 4-х град/мин срок хранения - 90 суток

После изучения режимов сгущения и хранения сиропа молочного сахара выяснено, что для получения качественного продукта, желательно соблюдение следующих параметров: температуры сгущения - 50-55°С; температуры хранения -до 10°С.

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих ¡и процесс получения сиропа молочного сахара, было применено математическое планирование эксперимента. В качестве основных факторов, влияющих на процесс получения сиропа лактозы из молочной сыворотки, были выбраны: скорос"» охлаждения, град/мин; массозая доля сухих веществ, температура ультрафильтрационной обработки сыворотки. В качестве выходного параметра был выбран среднеарифметический размер кристаллов лактозы полученного сиропа. В результате обработки экспериментальных данных получено адекватное уравнение:

У=18,682-2,119Х,-1,691Х2+1,152Х3+0,898Х12+1,125Х|Х2-1,625Х2ХЧ (2)

Оптимизация, проведенная по наименьшему значению функции, и анализ графических зависимостей (рис.3) позволили выбрать оптимальные значения параметров процесса.

24

23

22

21

| 20 ■о

19 18 17

16 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 у.град^мин

I_I_I_I '_I

25 35 45 55 65 СВ, %

Рис.4. Зависимость среднего размера кристаллов от скорости охлаждения (1), степени сгущения (2, 2'), температуры ультрафильтрации (3). с! - средний размер кристаллов, мкм; I - температура ультрафильтрационной обработки сыворотки, "С; V - скорость охлаждения, град/мин; СВ - массовая доля сухих веществ в сиропе, %; (1) - СВ=50%, £=48,7°С; (2) - 1=48,7°С, у=5,5град/мин; (2') - у=4град/мин, 1=55 °С; (3) - СВ=50%, у=5,5град/мин

30 40 50 60 70 ^ °С

Ими являются: температура ультрафильтрационной обработки сыворотки -50-55 °С, массовая доля сухих веществ в сгущенном концентрате -50%;скорость кристаллизации - 4-6 град/мин.

В четвертой главе изучены процессы получения продуктов из сиропа моточного сахара.

Анализ состава и свойств сиропа молочного сахара (гл.4.1) показал, что он ножет быть успешно использован как сырье для получения кристаллического моточного сахара различных категорий качества и производных лактозы.

В результате исследования дополнительной центробежной очистки сиропа 'гл.4.2) выбраны параметры процесса, позволяющие получать лактозу пищевой категории качества, исключая длительный и трудоемкий процесс рафинации: степень сгущения (1200-1260)кг/м3 и выдержка (20-30)мин при температуре (80-85)°С.

Следующей задачей было - установить оптимальные параметры процесса изомеризации лактозы в лактулозу в сиропах молочного сахара с использованием в качестве катализатора сульфита натрия (гл.4.3). Положительной стороной использования слабощелочного катализатора является сравнительно небольшая скорость образования побочных красящих веществ и возможность исключить операцию первого сгущения. Факторами, в наибольшей степени определяющими ход процесса изомеризации, являются время термостатирования и доза вносимого катализатора. Выходными параметрами процесса изомеризации были выбраны: степень изомеризации - Б], %; степень кристаллизации - Бк, %. В этом случае оптимальные параметры процесса должны обеспечить наибольшую степень изомеризации при достаточно высокой степени выкристаллизации лактозы из изомеризованного сиропа. В результате обработки экспериментальных данных были получены два адекватных уравнения:

У, = 21,196 + 2,425 X, + 0,843 Х2 - 1,755Х22 (3)

У2 = 37,456 - 3,362 X, + 2,381 Х2 + 4,663 X,2 + 3,091 Х22 ' (4)

Анализ уравнений показывает, что наибольшее влияние на степень изомеризации и степень кристаллизации оказывает доза вносимого катализатора. Причем в первом случае увеличение дозы оказывает положительный эффект, а во втором -отрицательный. Оптимизация, проведенная по наименьшему значению функции, и анализ графических зависимостей (рис.5) позволили выбрать интервалы оптимальных параметров процесса изомеризации лактозы в лактулозу в сиропе молочного сахара: время протекания реакции (25-30)мин, массовая доля вносимого катализатора (5-6)% от массы реакционной смеси.

5 10 15 20 21 30 35 40 41 50 /.мин

Рис.5. Зависимость степени изомеризации (81, %) и степени кристаллизации (Бк, %) от дозы вносимого катализатора (Мк, %) и времени термостатирования (/,мин). (I) -зависимость степени кристаллизации от дозы катализатора при г=30 мин; (Г) зависимость степени кристаллизации от времени реакции при Мк=6,38%; (2) - зависимость степени изомеризации от времени реакции при Мк= 6,38%; (21) зависимость степени изомеризации от массовой доли катализатора при /^30 мин(расч.); (2") зависимость степени изомеризации от массовой лсши катализатора при /=30 мин (экспер.).

Новым, перспективным направлением химической модификации лактозы является восстановление дисахарида до сахарного спирта - лактитола (гл.4.5). Впервые лактитол был получен русским ученым академиком. В.Н. Ипатьевым в 1912 г. при проведении экспериментов по гидрированию углеводов.

Процесс восстановления дисахарида с переходом остатка, гшокозной части лактозы в сорбитол может бьпъ представлен следующей схемой:

Н

I

—с-

I

н-с—он I

НО—С—II

I

НО—С—II

н-с-

ашн

н I

с-о I

н-с—он I

но-с—н

о о

и-

—о-н

I

Н-С—он

I

щон

+2Н

н

I

— с—

I

н-с—он I

НО—С—н

I

но-с-н I

н—с

I

сн,он

о о

и

ашн

I

в-с-он I

но-с—н

I

_с-н

н-с—он

Лактоза

Лактитол

Для восстановления используется катализатор - никель Ренея (сплав никеля с алюминием). Главными факторами, определяющими ход процесса, являются давление водорода, температура и время реакции.

Достаточно эффективно пирогенизация проходит при отношении содержания лактозы к содержанию катализатора 3,7; температуре реакции 120 °С, давлении 100 ат, времени реакции 5 часов. Концентрация сухих веществ в исходной смеси составляет 30-40%. Степень конверсии - 90%. Конечный продукт может быть представлен в виде сиропа или кристаллического моногидрата лактитола.

Изучение технологических свойств лактозы и лактитола (гл.4.б) позволило сделать вывод о том, что лактоза и лактитол могут быть использованы в качестве подсластителей, формирующих структуру продукта. Лактитол, в отличие от других

полиолоа, имеет чистый вкус, что позволит более свободно комбинировать пищевкусовые добавки в таких продуктах как карамели, жевательные резинки и т.д. Низкая гигроскопичность лактозы и лакппола (в сочетании с их ароматобразую-щими и эмульгирующим свойствами) может быть успешно применена при изготовлении влагочувствигельных кондитерских изделий, например, бисквитов, печенья и др. Низкая сладость легко компенсируется интенсивными подсластителями.

В петой главе приведена обобщенная блок-схема переработки молочной сыворотки на сироп лактозы (молочного сахара) и ее производные лаюулозу и лакти-тод, разработанная в результате проведенного системного анализа и экспериментальных исследований (гл.5.1).

В соответствии с рабочей гипотезой предлагаемая технологическая схема (рис.б) охватывает получение и использование широкого спектра продуктов: от сиропа молочного сахара до дорогостоящих производных лактозы (лактулозы и лакппола). Предложенная схема позволяет оценить возможности наиболее полного и эффективного использования белково-углеводного молочного сырья.

В технологии молочного сахара (жидкого и кристаллического) максимально сокращено использование химических реагентов и посторонних веществ на всех стадиях технологического процесса.

В главе подробно описаны разработанные технологии сиропа молочного сахара (гл.5.2), пищевой лактозы (гл.5.3.1) и сиропа лактулозы (гл.5.3.2). Экономические расчеты показали, что предлагаемые технологии прибыльны и рентабельны. Экологическая оценка разработанных технологий позволила сделать, что разработанные технологии являются экологически безопасными и малоотходными.

МОЛОЧНАЯ СЫВОРОТКА

Т

СГУЩЕНИЕ

деминерализация

солевой концентрат

Нет

Нет

июмерюашя

кристаллизация 1

отделение кристаллов лактозы от изомеризова1п юго сиропа

I ,

(деминерализация),

[гщрогадоАди» |

седиментацион-е1ал фильтрация

I

кристаллы лак. ТТОЫ

дрсгущенне »

отделение кристаллов лактозы от сиропа лакгулозы

Г

пастеризация

СОЛЕВОЙ КОН-ЦЕНТ-\ РАТ

рафинирование

X

на переработку |

и0н006мен

сгущение

кристаллизация!

отделение кристаллов лакти-тола

Е

Рис.6. Блок-схема переработки сыворотки на молочный сахар. К~ 1 - процесс деминерализации; К= 2 молочный сахар в виде сиропа; К=3 - пищевая лактоза; К=4 - сироп лактулозы; К=5 - сироп лактитола.

ВЫВОДЫ

1. Предложена рациональная схема переработки молочной сыворотки, в которой разработана технология получения и использования сиропа молочного сахара, позволяющая предприятиям молочной промышленности адекватно реагировать на изменения рынка. Проведен маркетинговый анализ рынка лактозы и ее производных в России и определены наиболее целесообразные направления исследований.

2. Установлены оптимальные параметры процесса получения сиропа молочного сахара: удаление белковых веществ при температуре (50-55)°С, давлении (0,3-0,4М)Па; сгущение при (55-60)°С; кристаллизация при скорости охлаждения (4-6)град/мин, обеспечивающие стабильность консистенции и сохранность продукта в течение 3 месяцев.

3. Исследованы состав и свойства сиропа молочного сахара и проведена оценка возможности использования его как сырья для получения других видов молочного сахара и производных лактозы.

4. Исследован процесс центробежной очистки сиропа молочного сахара и определены основные параметры, обеспечивающие достаточную эффективность процесса.

5. Изучена изомеризация лактозы в лактулозу в сиропе молочного сахара с использованием слабощелочного катализатора сульфита натрия. Установлены оптимальные параметры процесса: доза вносимого катализатора - 5-6% от массы реакционной смеси, время термостатирования 25-30 мин; температура 95-97°С.

6. Сформулированы научно-технические основы процесса каталитического восстановления лактозы до лактитола.

7. Изучены состав и технологические свойства лактозы и лактитола как альтернативных подсластителей.

8. Разработаны технологии молочного сахара в виде сиропа, лактозы пищевой категории качества и сиропа лактулозы с использованием в качестве катализатора сульфита натрия.

9. Экономическая оценка разработанных технологий показала, что все технологии прибыльны и рентабельны: уровень рентабельности технологии сиропа молочного сахара составляет 45,9%; технологии лактозы пищевой категории качества - 36,5%; технологии лактулозы 50,5%.

10. Экологическая оценка позволила сделать вывод о том, что все побочные продукты могут быть либо использованы при производстве пищевых и кормовых добавок, либо включены в технологический цикл получения производных лактозы".

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Храмцов А.Г.,Евдокимов И.А., Никульникова И.К. Научно-технические основы получения производного лактозы - лактнтола и возможные области его применения. Обзорная информация. М. АгороНИИТЭ-ИММП.-1994.-20с.

2. Храмцов А.Г.,Евдокимов И.А., Никульникова И.К. Новое подслащивающее вещество из лактозы. Тез.докл. XXIV научно-технической конференции,-1994.-стр.24.

3. Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Никульникова И.К. Лактитол,-Тез.докл.научно-технкческон конференции «Вклад науки в развитие маслоделия и сыроделия».-Углич.-1994.-С.152.

4. Храмцов А.Г., Никульникова И.К., Евдокимов И.А. Лактитол - новый не-кариогенный подсластитель для здоровых продуктов питания. Тез.докл. III международный симпозиум «Экология человека: проблемы и состояния лечебно-профилактитческого питания».- Москва.-1994.-С.222-223.

5. Евдокимов И.А., Рябцева С.А., Никульникова И.К., Бабенышев C.B., Папин В.Г., Экологичность и экономичность переработки лактозосо-держащего сырья.

Тез.докл. научно-теоретической конференции «Научные основы прогрессивных технологий хранения и переработки сельскохозяйственной продукции для создания продуктов питания человека».-Углич.-РАСХН.-1995.-С.55.

6. Храмцов А.Г.,Евдокимов И.А., Костина В.В., Рябцева С.А., Никульникова И.К., Свириденко Ю.Я. О возможности применения лактозы и ее производных в качестве заменителей сахарозы в продуктах питания для дифференцированных групп населения. Тез.докл. научно-теоретической конференции «Научные основы прогрессивных технологий хранения и переработки сельскохозяйственной продукции для создания продуктов питания человека» .-Углич.-РАСХН.-1995.-С.181-183.

7. Евдокимов И-А.; Костина В.В., Папин В.Г., Никульникова И.К. Малоотходная технология молочного сахара. Тез.докл. XXVI научно-технической конференции, посвященной 25-летию ВУЗа.-т.1.- 1996.- Ставрополь.-С.93.

8. Евдокимов И.А., Никульникова И.К. Сироп молочного сахара как питательная среда для получения антибиотиков и ферментов. Тез.докл. Всероссийской конференции «Современные достижения биотехнологии» .-Ставрополь.-

1996.-С.220.

9. Храмцов А.Г.,Евдокимов И.А., Никульникова И.К., Рябцева С.А., Папин В.Г. Получение и использование природных подсластителей на основе лактозы в виде сиропов. Вторая Всероссийская научно-теоретическая конференция «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности».-Углич,- 1996.-С.680

10. Храмцов А.Г., Евдокимрв И.А., Рябцева С.А., Никульникова И.К. Использование лактозы и ее производных в производстве продуктов детского питания. 1-Международная конференция «Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания»,- Москва. -

1997.-С.28.

11. Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцева С.А., Никульникова И.К., Папин В.Г. Лактоза и ее производные. Молочная промышлен-ность.1997.№З.С.17-18.

12. Никульникова И.К., Евдокимов И.А., Звягинцева Н.Ю. Получение и использование молочного сахара в виде сиропа. Материалы XXVII научно-технической конференции СтГТУ за 1996г.- Ставрополь. -1997. -т.2. - С.20.

13. Евдокимов И.А., Никульникова И.К., Костина В.В., Папин В.Г. Определение цветности молочного сахара и его растворов путем измерения оптической плотности Депонир.рук. М.:ВИНИТИ, N 2350-В-97. 10.07.97. (12с.).

14. Евдокимов И.А., Папин В.Г., Костина В.В., Никульникова И.К. Некоторые особенности растворения молочного сахара. Сборник научных трудов: Продовольствие. Молочная промышленность/Ставропольский государственный технический университет. Ставрополь, 1998. Вып.1.С.94-97.

15. Никульникова И.К. Изучение технологических свойств лактозы и ее производных для создания альтернативных подсластителей. Сборник научных трудов: Продовольствие. Молочная промышленность/Ставропольский государственный технический университет. Ставрополь, 1998. Вып.1.С.114-117.

16. Заявка 97101635 (РФ) Способ получения молочного сахара /И.А. Евдокимов, А.Г. Храмцов, И.К. Никульникова и др. - Пол.реш. от 16.04.97. 12 с.

ПЛД № 72-31 от 22.04.97. Подписано в печать 19.10.98. Формат 60 84-1/16 Бумага офсетная. Усл.изд.л.1. Тираж 100 экз. Печать офсетная. Типография СтГТУ

Ставропольский государственный технический университет, пр. Кулакова 2.

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 637.142.2: 547.458.22.734

НИКУЛЬНИКОВА ИРИНА КИРИЛЛОВНА

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СИРОПА ЛАКТОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

У

Научные руководители: академик Россельхозакадемии, доктор технических наук Храмцов А.Г. доктор технических наук Евдокимов И.А.

Ставрополь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. Состояние вопроса и задачи работы.....................................7

1.1 .Физико-химические и физиологические характеристики

лактозы и ее производных...........................................................7

1.2.Пути использования лактозы и ее производных..........................22

1.3.Характеристика основных способов получения лактозы и ее производных.................................................................................27

1.3.1 Принципиальные способы получения молочного сахара.............27

1.3.2. Основные способы получения производных лактозы.................29

1.4. Маркетинговый анализ рынка лактозы и ее производных в России.....33

1.5 Обоснование направлений работы и задачи исследований................38

Глава 2. Организация проведения экспериментов и методы исследований...........................................................................48

2.1. Организация работы..............................................................48

2.2. Методы исследований и обработки экспериментальных данных.........48

2.3. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов................................................................................53

Глава 3. Изучение процессов получения сиропа молочного сахара........55

3.1. Теоретические аспекты сохранения стабильной консистенции сиропа молочного сахара...................................................................55

3.2. Обоснование режимов очистки сыворотки от белка......................59

3.3. Исследование процесса кристаллизации лактозы в сиропе молочного сахара.............................................................................66

3.4. Влияние режима сгущения и хранения на стабильность консистенции сиропа........................................................................73

3.5. Установление оптимальных технологических параметров производства сиропа молочного сахара...................................................................76

Глава 4. Исследование процессов получения продуктов из сиропа молочного сахара.............................................................................................84

4.1. Состав и свойства сиропа молочного сахара как сырья для дальнейшей переработки...............................................................84

4.2. Исследование процесса центробежной очистки сиропа молочного сахара........................................................................86

4.3.Исследование процесса получения лактулозы из сиропа молочного сахара.........................................................................91

4.4.Разработка научно-технических основ конверсии лактозы в лактитол......................................................................................99

4.5.Изучение технологических свойств лактозы и ее производных

для создания альтернативных подсластителей....................................105

Глава 5.Разработка технологии получения и использования

сиропа молочного сахара.......................................................113

5.1 .Разработка блок-схемы переработки молочной сыворотки на лактозу и ее производные................................................................113

5.2.Разработка технологии получения сиропа молочного сахара..........115

5.3.Разработка технологий продуктов из сиропа молочного сахара..........118

5.3.1.Разработка технологии получения лактозы пищевой категории качества.......................................................................................118

5.3.2.Разработка технологии лактулозы из сиропа молочного сахара.....122

5.3.3.Оценка экономической эффективности разработанных

технологий...................................................................................125

5.4.Оценка экологической безопасности предлагаемых технологий.......130

Выводы..................................................................................134

Литература..............................................................................136

Приложения............................................................................

ВВЕДЕНИЕ

В процессе промышленной переработки молока на сыр, творог, масло получают побочные продукты - обезжиренное молоко, пахту и молочную сыворотку. По своим биологическим свойствам белково-углеводное сырьё не уступает цельному молоку. Наиболее ценными компонентами вторичного молочного сырья являются белки, углеводы и минеральные соли. В нём содержатся также витамины, ферменты, органические кислоты.

Значительные объёмы, питательная и биологическая ценность обусловливают необходимость сбора и использования обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки.

Ежегодно в мире получают до 130 млн. т. молочной сыворотки, в том числе в России около 7 млн. т. Для России проблема использования молочной сыворотки обусловлена низким уровнем её промышленной переработки (50%), в том числе на пищевые цели (менее 20%). Решение проблемы полного и рационального использования молочной сыворотки в пищевых целях возможно только на основе её промышленной переработки. Необходимость промышленной переработки актуальна ещё тем, что слив сыворотки наносит непоправимый ущерб окружающей среде.

Так как значительная часть перерабатываемого вторичного молочного сырья используется не на пищевые цели, то более полное вовлечение его в сферу производства продуктов питания является важной задачей, стоящей перед промышленностью и наукой.

Традиционный (и наиболее рентабельный) способ переработки сыворотки -получение молочного сахара (лактозы). Уникальные свойства молочного сахара, единственного в природе углевода животного происхождения, обусловили широкое применение его во многих отраслях промышленности. В основном молочный сахар применяется при производстве продуктов детского и диетического питания, в пищевой промышленности.

Однако необходимо отметить, что в связи с общей экономической ситуацией, сложившейся в России, наблюдается значительное снижение производства и потребления молочных продуктов в общем, и молочного сахара в частности. Так исследование качества молочного сахара, выпускающегося в настоящий момент в России, показало, что из девяти категорий качества молочного сахара, предусмотренных действующими техническими условиями [73], выпускаются только сырец и рафинад. Сырец для производства продуктов питания не пригоден, а стоимость рафинада высока. Поэтому можно сказать, что рынок молочного сахара испытывает потребность в продукте пищевой категории качества, который по стоимости был бы дешевле рафинада. В тоже время относительно высокая цена молочного сахара-сырца тормозит его использование в тех отраслях промышленности, где не требуется сахар высокой степени очистки.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящий момент для оживления рынка молочного сахара, необходимо решение как минимум двух вопросов. Во-первых, разработка технологий, которые позволяли бы удешевить продукт, не снижая его качественных характеристик. Во-вторых, поиск новых путей использования лактозы.

Одним из направлений решения указанной проблемы является применение лактозы в качестве заменителей сахара. Заменители сахара- вещества, представляющие собой низкоэнергетические (низкокалорийные) сенсорные добавки, используемые при приготовлении пищи для больных диабетом и других целей. Существуют интенсивные подсластители (типа сахарина), придающие продуктам сладкий вкус и основные подсластители (типа сорбита, ксилита), формирующие структуру продукта. В кондитерской промышленности в качестве основного подсластителя обычно используется сахароза. Однако в настоящее время существует тенденция к потреблению низкокалорийных продуктов, не влияющих на уровень глюкозы в крови и не вызывающих кариеса. В этой связи лактоза представляет определенный интерес именно как основной подсластитель, способный по своим технологическим свойствам придавать продуктам соответствующую структуру,

снижая при этом их калорийность. Но незначительная сладость и растворимость лактозы ограничивают ее применение. Направленная химическая модификация дисахарида до лактулозы и лактитола открывает новые возможности использования.

Целью настоящей работы является разработка рациональной технологии сиропа лактозы (молочного сахара) и ее производных лактулозы и лактитола из молочной сыворотки, позволяющей предприятиям молочной промышленности адекватно реагировать на изменения рынка.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Литературные и патентные данные по вопросу получения и использования молочного сахара и ее производных рассматривались по схеме, приведенной на рис.1, что позволило сделать достаточно полный анализ проблемы и определить основные направления исследований.

Рис.1. Схема анализа литературных и патентных источников.

1.1 .ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЛАКТОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ Лактоза - главный углевод молока. В нормальном сыром молоке её содержание колеблется в пределах 4,4-5,3% [69].

По современной классификации лактозу относят к первой группе полисахаридов - олигосахаридам, а именно дисахаридам. Химическая формула

лактозы С12Н22О11- Молекула лактозы состоит из остатков молекул моносахаридов - Б-глюкозы в а- форме и Б-галактозы в Р- форме.

сн2он н он

о

но

н

он

н

н

сн?он

он

о

/

н

Рис.2. Циклическая формула лактозы.

Химическое название лактозы по современной номенклатуре олигосахаридов: 4-0-|3-В-галактопиранозил-а-В - глюкопираноза [84]. Предполагают, что лактоза может существовать в пяти изомерных формах. Практически известны две аномерные формы лактозы: а- и (3-лактоза, отличающиеся пространственным расположением гидроксильной группы у первого углеродного атома молекулы глюкозы (рисЗ) [75], что в свою очередь влечет за собой изменения в физических и физиологических свойствах.

н он но н

V V

сн сн

н —с

он

н

он

а -форма

(3-форма

Рис.3. Расположение гидроксильной группы у первого углеродного атома молекулы глюкозы в а- и (3-формах лактозы.

Лактоза- это белое кристаллическое вещество без запаха, имеет слабый сладкий вкус по сравнению с сахарозой. Например, 15% раствор лактозы эквивалентен по сладости 4,91% раствору сахарозы [61].

Известны три кристаллические формы лактозы: а-гидрат (С^Н^О^НгО) и безводные а- и (3-формы. Внешний вид кристаллов лактозы различен: а-форма -четкие параллепипеды, (3-форма - усеченные пирамиды [75]. Отличаются и физические свойства (табл.1 )[75].

Таблица 1.

Физические характеристики основных форм лактозы.

ПОКАЗАТЕЛЬ ЛАКТОЗА

а-форма (3-форма

Плотность, кг/м3 1545,3 1545,3

Относительная молекулярная масса 360,1 342,0

Температура плавления, °С 223,0 252,2

Геометрические формы

(соотношение осей кристаллов) 1:0,62:0,22 0,82:1:0,32

Поглощение влаги, % при влажности

воздуха: 80%) 0,95 0,96

90% 1,47 1,96

Угол удельного вращения, при 20°С,

град +88 +34

При нагревании а-моногидрата свыше 100°С образуется ангидрид а-лактозы. Он очень гигроскопичен и быстро присоединяет воду при температуре ниже 93,5°С [75].

Практический интерес представляют такие свойства лактозы, как удельное вращение и растворимость.

Оптическая активность лактозы обусловлена ее структурой. В альдегидной форме лактоза имеет 8 ассиметричных атомов углерода. Угол вращения растворов

лактозы зависит от соотношения ее форм. Каждая изомерная форма имеет специфическое вращение плоскости поляризованного луча в воде при 20°С а-гидрат -+89,4, а-ангидрид -+55,7, [3-ангидрид-+35,4. Однако чистых водных растворов изомеров практически не существует, т. к. а- и (3-конфигурации нестабильны и легко переходят из одной формы в другую. Это свойство называется мутаротацией [69]. Угол удельного вращения ([а]°2о) свежеприготовленных растворов лактозы с течением времени изменяется, стремясь к постоянному конечному значению. После достижения динамического равновесия, например, при 20°С он составляет +52,5°. Это соответствует соотношению между а-и р-аномерными формами в растворе равному 37,3% а-лактозы и 62,7% Р-лактозы. Соотношение форм связано с температурой и реакцией среды. По показанию угла удельного вращения возможно количественное определение лактозы в растворе.

В пересыщенном растворе лактоза кристаллизуется. Причем при температуре кристаллизации ниже 93 °С выделяется а-гидратная форма, а выше 93 °С- безводная (З-форма; [75]. На этом свойстве основано получение [З-изомера лактозы.

Растворимость лактозы обусловлена наличием в ее молекуле гидроксильных групп и зависит в основном от температуры раствора. Молочный сахар плохо растворим в воде, растворимость Р-лактозы несколько выше а-лактозы (рис.4) [69]. Поэтому общая растворимость в какой-то мере определяется мутаротацией лактозы.

Растворимость лактозы в большой степени зависит от наличия в растворе других веществ. Вещества, не образующие химические соединения с лактозой, уменьшают ее растворимость. Так прибавление кислот или щелочей к чистым водным растворам значительно снижает ее растворимость [55]. Аналогичным действием обладают различные углеводы.

Вещества, способные образовывать растворимые химические соединения с лактозой, повышают ее растворимость. По данным [55, 85] лактоза образует подобные комплексные соединения с катионами некоторых щелочных и щелочноземельных металлов, в т.ч. № , Са и др.

Рис. 4.Влияние температуры на растворимость лактозы: 1 - начальная а-форма; 2 - состояние равновесия между а- и (3 - формами лактозы; 3 - (3 -форма лактозы.

В молочном, сырье растворимость лактозы увеличивается, что, возможно, обусловлено наличием белков и минеральных солей [20]. В спирте, серном эфире лактоза практически не растворима.

Среди других свойств лактозы следует отметить: высокую способность к адсорбции запаха, аромата и веществ окрашивания [139]. Лактоза является диспергирующим и эмульгирующим агентом, также агентом против комкования, поскольку кристаллическая а-лактоза плохо абсорбирует влагу [75].

Важнейшими реакциями лактозы как олигосахарида (рис.2) являются: гидролиз гликозидной связи и реакция полуацетального гидроксила восстанавливающей концевой группы [84].

Процесс гидролиза лактозы является каталитическим и может быть реализован как кислотным, так и ферментативным способом [75]. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Кислотный гидролиз лактозы характеризуется своей простотой, доступностью реагентов и оборудования. Однако жесткие условия проведения реакции гидролиза приводят к образованию ряда

побочных продуктов, что требует дополнительной очистки гидролизатов и

1

усложняет технологический процесс [65].

Ферментативный гидролиз растворимой (3-галактозидазой проводится в более мягких условиях, чем кислотный, что позволяет получать качественный продукт без дополнительной очистки [65, 3]. Сладость получаемого глюкозо-галактозного сиропа выше, чем сладость лактозы и его с успехом можно использовать в производстве мороженого, паст, напитков, хлебобулочных и кондитерских изделий

[3].

При окислении лактозы слабыми окислителями (йод, перманганат калия и др.) образуется лактобионовая кислота; при воздействии сильных окислителей -углекислый газ и вода [115].

В присутствии минеральных кислот лактоза способна вступать в реакцию с карбамидом (рис.5). Образующаяся при этом лактозил-мочевина обладает малой растворимостью и медленно расщепляется ферментом уреазой.

сн,он

но

н

он

н

н

н

■о

он

н

он

н н

лактоза

СН,ОН

СН,ОН

НО

Н

ОН

н

н

.0

н

он

он

н

о

/

н

н

■о

он ч

н н

N11,

+

СН2ОН

он

лактозилмочевина

С

II

О

карбамид

[Н+]

- Н,0

он

N

н о

Ш,

С

О

н

Рис.5. Конверсия лактозы в лактозил-мочевину

Это свойство используется при создании кормовых продуктов, т.к. лактозил-мочевина способствует более полному усвоению азота микрофлорой желудка животного без опасности отравления избытком аммиака. На этом принципе разработана технология кормового концентрата молочной сыворотки «КСОНА» [7,

При Тепловой обработке группа свободного альдегида лактозы может вступить в реакцию с аминогруппами аминокислот и белка (реакция Майяра); при этом образуются соединения коричневого цвета со специфическим ароматом [75].

В щелочной среде при повышенных температурах лактоза подвергается внутримолекулярной перегруппировке и изомеризуется в дисахарид - ЛАКТУЛОЗУ

Впервые лактулоза была синтезирована в 1929 г, путём изомеризации лактозы в щелочном растворе извести [47]. Лактулоза - это дисахарид, молекула которого состоит из остатков моносахаридов галактозы и фруктозы. Химическая формула лактулозы С12Н22О11, молекулярная масса 342,3. Пространственная формула лактулозы приведена на рис.6.

54].

[23].

СН2ОН

СН2ОН

О

н

н

он

Рис.6. Пространственная формула лактулозы.

Химическое название лактулозы по современной номенклатуре полисахаридов - 4-(3-В-галактопиранозил-0-фруктоза.

По внешнему виду лактулоза - белое кристаллическое вещество, без запаха, со слегка сладковатым вкусам. Её можно перекристаллизовать из 50% метанола в виде гексагональных пласти