автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающей биотехнологии концентратов молочной сыворотки с регулируемым углеводным и аминокислотным составом

004615928 На правах рукописи

/

Донской Никита Сергеевич ¡/

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ БИОТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕНТРАТОВ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ УГЛЕВОДНЫМ И АМИНОКИСЛОТНЫМ СОСТАВОМ

Специальности: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и

рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 - Биотехнология пищевых продуктов и биологически активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь-2010

" о ЛЕН 2т

004615928

Работа выполнена в технический университет»

ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный

Научные руководители: доктор технических наук,- профессор

Храмцов Андрей Георгиевич

кандидат технических наук, доцент Лодыгин Алексей Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Антнпова Людмила Васильевна доктор технических наук, профессор Гаврилов Гавриил Борисович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»

Защита состоится 17 декабря 2010 г. в 10на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. К 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СевероКавказский государственный технический университет»

Автореферат разослан llO.ll

I

2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимой чертой современных технологий получения продуктов является стремление уменьшить риски и увеличить эффективность производства путём разработки средств и методов повышения стойкости сырья, комплексности переработки и вовлечения в структуру производства продовольствия нетрадиционных видов сырья, применения нетрадиционных физических и биохимических методов его обработки, использования новых материалов для обеспечения наилучших условий хранения продукции.

Перспективным направлением промышленной переработки молочной сыворотки является получение сгущенных и сухих концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом. Производство подобных концентратов позволит решить две проблемы: рациональное использование вторичных ресурсов молокоперерабатывающей промышленности на пищевые цели; создание пищевых и биологически активных добавок для различных отраслей пищевой промышленности.

При решении данных проблем актуальным является применение современных баромембранных (ультрафильтрация) и электрофизических методов для получения новых продуктов с заданным составом. Гидролиз основных компонентов молочной сыворотки (лактозы и сывороточных белков), позволит разрабатывать продукты с регулируемыми физиологическими и функциональными свойствами.

Теоретические и практические основы разработки технологии продуктов с модифицированными компонентами молочной сыворотки заложены в трудах Липатова H.H., Крашенинина П.Ф., Полянского К.К., Свириденко Ю.Я., Кравченко Э.Ф., Смурыгина В.Ю., Просекова А.Ю., Евдокимова И.А., Хамагаевой И.С., Мельниковой Е.И., Авдаляна Г.В., Zadow J. G., Thompkinson D.K.. и других ученых.

Таким образом, исследования по разработке технологии концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом, с полным

использование сухих веществ молочной сыворотки являются актуальными. В проведении ферментативного гидролиза компонентов молочной сыворотки представляет иитерес применение предварительной электрохимической активации растворов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка технологии пищевых концентратов на основе ферментативного гидролиза лактозы и протеолиза сывороточных белков с применением современных мембранных и электрофизических методов обработки технологических фракций молочной сыворотки.

В соответствии с целью исследования решались следующие задачи:

- провести анализ научно-технической литературы по теме исследования;

- исследовать влияние электрохимической активации на эффективность ферментативного гидролиза лактозы и сывороточных белков;

- изучить возможность применения лазерной обработки при проведении ферментативного гидролиза лактозы;

- экспериментально обосновать параметры проведения ферментативного гидролиза лактозы;

- экспериментально обосновать параметры проведения ферментативного гидролиза сывороточных белков;

- разработать биотехнологию и аппаратурно-процессовую технологическую схему производства концентратов с гидролизованными компонентами из молочной сыворотки;

- провести оценку экономической эффективности, экологический мониторинг и обосновать безопасность разработанной технологии с использованием элементов системы НАССР.

Научная новизна работы: • установлены кинетические закономерности ферментативного гидролиза лактозы и сывороточных белков в продуктах ультрафильтрации молочной сыворотки, подвергнутых электрохимической активации;

• оптимизированы технологические параметры получения гидролизата лактозы из пермеата молочной сыворотки, приоритет подтвержден патентом РФ;

• экспериментально подтверждено положительное влияние лазерной обработки раствора на эффективность процесса ''ферментативного гидролиза лактозы в пермеате молочной сыворотки («ноу-хау»);

• установлены оптимальные параметры ферментативного гидролиза сывороточных белков в ультраконцентрате, ;:; • < подвергнутом электрохимической активации; « !4!'!'!

• результаты исследований послужили основой для разработки ресурсосберегающей технологии новых видов пищевых концентратов; с регулируемым углеводным и аминокислотным составом.

Практическая значимость работы. РазрабОтапь! технические документации на продуты из молочной сыворотки с гидролизоВанными компонентами - СТО 02067965-002-2010 и СТО 02067965-004-2010. Произведена опытно-промышленная выработка концентратов на ОАО МК «Ставропольский». Результаты работы используются в курсовом и дипломном проектировании студентов специальностей «Технология молока и молочных продуктов» и «Пищевая биотехнология» СевКавГТУ. Работа отмечена в номинации «Град Наград». "'

Инновационные приоритеты работы: изучение и разработка процесса биотрансформации (гидролиза) нанокластеров лактозы (размер 1 им) в фильтратах депротеииизированной молочной сыворотки;

изучение и разработка процесса биотрансформации (протеолща) биокластеров сывороточных белков (размер 15-50 им) в концентратах молочной сыворотки; i

формирование логистики ресурсосбережения при обработке технологических фракций кластеров молочной сыворотки для модернизации производства белково-жировых продуктов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества — Будущему России» (Ставрополь, 2007); международной научно-практической конференции «Современный взгляд на производство творога,

творожных паст и сыров: расширение ассортимента, совершенствование технологии и оборудования» (Ставрополь, 2008); международной научно-практической конференции «Биотехнологические процессы и продукты переработки биоресурсов водных и наземных экосистем» (Астрахань, 2008); на отчетных научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь, 2006 - 2009 гг.).

..Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статьи в реферируемых ВАК изданиях.

/ Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 126 наименований, и приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 27 рисунков и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ... Во введении обоснована актуальность и цель работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса и задачи исследования» рассмотрены проблемы переработки молочного белково-углеводного сырья, обоснована актуальность получения продуктов на основе производных компонентов молочной сыворотки. Представлен обзор технологических способов гидролиза лактозы и сывороточных белков при производстве продуктов функционального питания. Рассмотрены электрофизические методы обработки молочной сыворотки. В соответствии с проведенным обзором научной литературы и поставленной целью сформулированы задачи научной работы.

Во второй главе «Организация, объекты и методы проведения исследований» представлена схема исследований (рисунок 1), описаны объекты, физико-химические и биохимические методы исследования. Приведен способ фракционирования молочной сыворотки методом ультрафильтрации, данные о математическом планировании и обработке результатов экспериментов.

Рисунок 1 - Общая схема проведения исследований

В третьей главе «Исследование влияния технологических факторов на процесс ферментативного гидролиза лактозы» изложены результаты исследований ферментативного гидролиза нанокластеров лактозы (размер 1 нм) в пермеатс творожной сыворотки. На основании априорной информации для препарата дрожжевой р-галактозидазы «Лактоканесцин» выбран диапазон температур от 45 до 60 °С, рН в исследуемой среде изменяли от 4,0 до 5,0.

Регулирование активной кислотности пермеата проводили методом электрохимической активации. Эксперимент проводился при каждой температуре от четырех до шести раз.' Степень гидролиза лактозы определяли криоскопическим методом. В таблице 1 представлены результаты эксперимента при различных температурах и рН среды 4,5, при котором были достигнуты максимальные значения степени гидролиза лактозы.

Таблица 1 - Изменение точки замерзания раствора при рН 4,5

Продолжительность, ч Д1 зам,°С, при температуре гидролиза, °С

45 50 55 60

1 0,362 0,410 0,429 0,370

1,5 0,368 0,427 0,433 0,386

2 0,377 0,456 0,467 0,397

2,5 0,388 0,463 0,490 0,417

3 0,375 0,422 0,437 0,385

3,5 0,345 0,415 0,436 0,369

И = 0,975

Из данных, представленных в таблице следует, что минимальное значение точки замерзания достигается при температуре 55 °С, степень гидролиза составляет 83,0 %. По полученным экспериментальным данным установлено, что максимальная степень гидролиза достигается при продолжительности термостатирования 2,5 часа. Кинетика изменения степени гидролиза в интервале температур (45-60) °С при рН 4,5 представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кинетика ферментативного гидролиза лактозы в кермеате творожной сыворотки при рН 4,5

Зависимость степени гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки от рН и температуры изображена на рисунке 3.

2 з

Время отбора проб, ч -45°С--50°С -550С -60°С

Рисунок 3 — Влияние технологических факторов на степень гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки

Результаты предварительных исследований показывают, что процесс ферментативного гидролиза лактозы протекает при всех указанных режимах. С увеличением температуры возрастает степень гидролиза лактозы, однако при 60 °С скорость гидролиза снижается за счет частичной инактивации ферментного препарата! Предварительные результаты исследований, приведённые"в таблице и на рисунках свидетельствуют о том, что при

температуре 55 °С, степень гидролиза лактозы достигает своего максимума.

у

Изменяя рН среды в кислую или щелочную стороны, можно регулировать скорость процесса ферментативного гидролиза лактозы и выход продуктов реакции.

Оптимизация процесса ферментативного гидролиза лактозы, проводилась на основании полученных результатов исследований, для этого был реализован двухфакторный эксперимент по униформ-ротатабельному плану!'Параметры эксперимента (значения варьируемых факторов в натуральных и кодированных величинах) приведены в таблице 2. Таблица 2 - Диапазон варьирования исследуемых факторов

Уровни варьирования входных параметров Наименование параметров, обозначение

Температура, Х,,°С рН, Хг

Основной (0) 55 4,5

Верхний (+1) 60 5,0

Нижний (-1) 50 4,0

Звездное плечо (+К) 62 5,2

Звездное плечо (-К) 48 3,8

По результатам двухфакториого эксперимента иолучили математическую модель процесса в виде уравнения регрессии:

-VУь =81,9 + -4,367-Х,+ (-15,013)«Х2,+ (-8,638)«Х22 (1) Для определения оптимальных параметров процесса были построены поверхность отклика выходного параметра (рисунок 4) и ее сечение (рисунок 5).

Анализ полученной математической модели позволил сделать следующий вывод: линейное возрастание значений варьируемого параметра

Х| (температура процесса), способствует увеличению степени гидролиза лактозы, в то время как изменение значений параметра Х2 (рН среды) влияет не значительно; квадратичные эффекты свидетельствуют о наличии областей экстремума (максимума) функции отклика для обоих параметров.

Температура, "С

Рисунок 4 - Поверхность отклика выходного параметра (степень гидролиза лактозы)

ew —.«■■■■ввпш»».. -ч

-••■ матштжтшшятшштшмть. '^МКННММШЮЙЯ ~

ваяяаваа» шяншкяяямннмтя тшя вея*- ^чшяаяьт,

ятяВштг ____

явит.. и—»«*—««мяк

i—angi яи—i лшиюистм (■»яяммшпятмпм ш mir . шп чвт

■юн,м ■—шипи иттц.....—яиыг

60 59 58

« у

56 £

089-85

D75-» 07t-75 06S-79

ая-«?

0 55-io □ 50-55 »45-50 CJ 40-15 035-40 »30-35 O2SJ0,

wiogntk. ттттмтт

югвямвявнш«и«.ймивив0аткайа wase*eBg»i*MMiB«swH»a»«s*»

■«Я* .¿ЪГ , - -- л

3.« 3,55 4.1 4,15 4,4 4,55 4,7 4,85

pH

5,15

Рисунок 5 - Сечение поверхности отклика выходного параметра Сопоставление поверхности отклика выходного параметра и ее сечения позволяет установить оптимальные параметры процесса, при которых

достигается степень гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки не менее 80 % от исходной концентрации лактозы:

- температура (53,75 ± 2,25) °С;

- рН среды (4,5 ± 0,25).

В качестве дополнительного воздействия на пермеат и фермент была использована лазерная обработка. Совместно с сотрудниками Алматинского технологического университета были проведены исследования влияния лазерной активации на процесс ферментативного гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки с использованием препарата (3-галактозидазы «Лактоканесцин». Лазерная обработка проводилась до внесения и с внесенным ферментным препаратом. При этом использовался гелий-неоновый лазер марки ЛГН-111 с длиной волны X = 630 нм и мощностью 25мВт, а также лазер марки ЛАМЕД-03 с инфракрасным излучением и с регулируемой частотой воздействия (4, 12, 38, 500 Гц), мощностью 3мВт. Изменяли время обработки лазерами. Доза вносимого ферментного препарата составила 0,5 %. Результаты исследований позволили построить диаграммы воздействия лазерной обработки на степень гидролиза лактозы (рисунок 6), влияние вида лазерной обработки на степень гидролиза лактозы при температуре 55 °С (рисунок 7) и изменение дозы внесения ферментного препарата, подвергнутого лазерной обработке на степень гидролиза лактозы (рисунок 8).

80 70

50

I £ 60 С *

Л 140

и ^ 30

Е 20 10 о

50

щт

ш

55

60

Температура,°С □ Без активации фермента НС активацией ферменита Рисунок 6 - Влияние лазерной обработки на гидролиз лактозы

50

со

| 40 о

& 30 д

£ 20 л

£ ю

с

л

е- о

и 40 60

Доза фермента, мг%

□ Гелий-неоновый лазер ОИК - диапазон Рисунок 7 - Влияние вида лазерной обработки на степень гидролиза лактозы при температуре 55 °С

V V ' V • -'• А?-. >•:.■•-?,■ ; •• :: 1

]

50 Тем пература, °С 55 Доза внесения фермента, мг% В 80 О60 . ¡40

Рисунок 8 - Влияние дозы ферментного препарата, подвергнутого лазерной обработке на степень гидролиза лактозы

Лазерная обработка пермеата творожной сыворотки до внесения и с внесением ферментного препарата оказывает положительное влияние на процесс гидролиза лактозы. Наиболее высокий выход продуктов гидролиза (степень гидролиза более 50 %) был достигнут при лазерной активации пермеата с внесением ферментного препарата в течение 15 минут и последующим инкубированием при температуре 55 °С в течение 3,5 -4 часов. Данный процесс («ноу-хау») позволяет сократить дозу внесения

препарата «Лактоканесцин» на 30 - 50 % при сохранении стабильно высоких значений степени гидролиза лактозы (не менее 50 %).

Полученные экспериментальные данные легли в основу разработки биотехнологии получения концентрата гидролизоваиной молочной сыворотки, который позволяет регулировать углеводный состав готового продукта.

В четвертой главе «Исследование влияния технологических факторов на процесс , ферментативного гидролиза сывороточных белков» экспериментально обоснованы оптимальные параметры проведения ферментативного гидролиза биокластеров сывороточных белков (размер 1550 нм) в ультраконцентрате творожной сыворотки, подвергнутом ЭХА-обработке.

Для проведения ферментативного гидролиза технологической фракции концентрата сывороточных белков (КСБ) применяли препарат панкреатин (медицинский). Доступность и совместимость рН-оптимума фермента (8-10) с допустимыми значениями для УФ-концентрата творожной сыворотки определяют выбор этого ферментного препарата. При этом в щелочной среде белки находятся в легко растворимой форме.

Пользуясь информацией по применению ферментного препарата, была выбрана температура гидролиза 50 °С. рН в ультраконцентрате (ретентате) регулировали в пределах от 7,5 до 10,0, путем электрохимической активации. Степень гидролиза оценивали по содержанию аминного азота в исследуемых образцах.

Кинетика гидролиза в выбранном диапазоне рН, при фиксированной температуре представлена на рисунке 9.

Кинетика изменения массовой доли аминного азота показывает, что в первые часы гидролиз протекает не активно (1-5 часов), а в период с б до 12 часов наблюдается резкое увеличение количества аминного азота (практически в 2 раза) и затем достигает максимального значения. По достижению 14 часов и далее (до 24 часов) количество аминного азота

практически не изменяется. Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что предложенное в литературе время гидролиза 16-24 часа, можно сократи ть до !4 часов.

При определении оптимального значения активной кислотности явно отслеживается (рисунок ¡0) повышение степени гидролиза при рН 8,5 - 9,5.

2

«Г Р

Я

X о

4 6 8 10

Время отбора проб, ч

- рН 8,5 рН 9,0 рН 9,5 -п-рНюЛ

-рН 7,5

-рН 8.0

Уравнения и величина достоверности аппроксимации

рН 7,5 У = -0,0066х3 + 0,1654х2 + 0,9122х - 1,0084 Я2 0.9701

рН 8.0 У = -0,0128хт+~0,4151 х2 - 1,4475х + 1,542 Я2 = 0,9937

рН 8,5 У = -0,0163х3 + 0,5406х2 - 2,0401х + 2,1616 = 0,9886

рН 9,0 У = -0,011х! + 0,302.2х2 + 0,7853х - 1,3006 я2 = 0,9927

рН9,5 У = -0,0121 х3 + 0,3467х2 + 0,118х - 0,6195 я2 = 0,9886

рН 10,0 У = -0,0156х3 + 0,5023х2 - 1,7681 х + 1,4965 я2 = 0,9882

Рисунок 9 - Кинетика ферментативного гидролиза сывороточных белков

К К,5 V У.? 10

рП

Рисунок 10 - Зависимость концентрации аминного азота от величины рН образцов концентрата

Диаграмма показывает, что при оптимальных значениях проведения процесса гидролиза сывороточных белков концентрация аминного азота достигает 41,16%.

Оптимизация процесса ферментативного гидролиза сывороточных белков проводилась на основании полученных результатов предварительных исследований, для этого был реализован двухфакторный эксперимент по униформ-ротатабельному плану. Параметры эксперимента (значения варьируемых факторов в натуральных и кодированных величинах) приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Диапазон варьирования исследуемых факторов

Уровни варьирования входных параметров Наименование параметров, обозначение

Температура, Х,,°С рН, Х2

Основной (0) 50 9,0

Верхний (+1) 55 9,5

Нижний (-1) 45 8,5

Звездное плечо (+К) 57 9,7

Звездное плечо (-Я) 43 8,3

По результатам двухфакторного эксперимента иолучили математическую модель процесса в виде уравнения регрессии:

Ув = 41,16787 + 0,934875-Х,+ 0,9855«Х2+ (-5,6549)»Х2,+ (-4,03039УХ2г+ (2)

(-0,15)-Х,'Х2

Поверхность отклика выходного параметра Ув и ее сечение представлены на рисунках 10 и 11.

Анализ полученной математической модели позволяет установить, что увеличению концентрации аминного азота способствует линейное возрастание значений варьируемого параметра X, (температура процесса), в то время как повышение значений параметра Х2 (рН среды) имеет место уменьшение величины функции отклика. Квадратичные эффекты свидетельствуют о наличии областей экстремума (максимума) функции отклика для обоих входных параметров.

9,55

Температура, *С

Рисунок 10 - Поверхность отклика выходного параметра Ув (концентрация аминного азота)

8.5 3.-1 8.50 4.« 8." 8.8 8.9 9 9.1 9.3 9.-1 9,6" 9." !>Н

Рисунок 11 - Сечение поверхности отклика выходного параметра Ув

При анализе графических интерпретаций уравнений регрессии установлено, что оптимальными значениями варьируемых факторов являются: температура (48-53) °С, значение рН концентрата творожной сыворотки - (8,8-9,3); при этом содержание аминного азога составляет (40-45)%.

Полученные экспериментальные данные использованы для разработки стандарта организации СТО 02067965-002-2010 «Концентрат сывороточных белков гидролизованный из молочной сыворотки» и стандарта организации СТО 020679.65-004-2010 «Концентрат гидролизованный из молочной сыворотки».

В пятой главе «Разработка технологии концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом» изложена реализация результатов исследований. При разработке технологии концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом за базу были приняты установленные в исследованиях параметры основных процессов -температурные и временные характеристики гидролиза лактозы до моносахаров и параметры гидролиза сывороточных белков.

Технологический процесс производства концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом из творожной сыворотки осуществляют в соответствии с логистической схемой, приведенной на рисунке 12.

Я - 1 -концентрат сывороточных белков шдроли'юванпых Я - 2 -концентрат гидролтоваппой молочной сыворотки

Рисунок 12 - Логистическая схема алгоритма технологического процесса производства концентратов с регулируемым углеводном и аминокислотным составом

На этапе «Составление смеси» предложено направленное регулирование состава гидролизатоп сывороточных белков (СБ) и лактозы (Л)

с получением желаемого конечного продута. Возможны следующие варианты составления смеси: отношение СБ : Л (%): 30:70, 50:50, 70:30.

Па основе разработанной технологии были проведет,! опытные выработки партий концентрата сывороточных белков гидролизопанных из молочной сыворотки в сухом и сгущенном видах. Оргаиолеитические и физико-химические показатели качества опытных образцов представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Показатели качества опытных образцов концентратов

гидродизовацных из молочной сыворотки

Наименование покатают I [орма для продукта

Сгущенный концентрат гндршшзо ванных белков Сухой концентрат гидролизованной молочной сыворотки

Внешний вил и консистенция Вкус и запах Цвет Однородная, характерная для пущенных продуктов из молочной сыворотки Тонко-дисперсный порошок, допускается наличие комочков, легко рассыпающихся при механическом воздействии.

Вкус сладковатый с легким солоноватым привкусом, характерный для сгущенной молочной сыворотки. Запах специфический сывороточный, сладкий, без посторонних привкусов и запахов

От желтого до кремового

Массовая доля сухих веществ, %, не менее 40,0 95,0

Массовая доля белка, %, не менее 23,0 47.0

Массовая доля лактозы, %, не более в т.ч. глюкозы галактозы 12,0 11,8 8,2 18,0

Массовая доля золы, %, не более Кислотность продукта, °Т, не более Индекс растворимости, см' сырою осадка, не более 3,0 250 10,0 20* ___ 0,3

"Кислотность восстановленного продукта до массовой доли сухих веществ 9,6%, 0Т, не более

Разработана аппэратурно-ироцессовая технологическая схема, представленная на рисунке 13.

Экологический мониторинг разработанной технологии подтвердил ее безопасность. Определены риски и критические контрольные точки с

использованием принципов НАССР. Проведен мониторинг и анализ опасных факторов по каждой критической контрольной точке.

Схема технологической линии произбодстйа птебих еидролтобанних кониен/сратов из полочной сиворонки

I - насос чен/рробехный; 2 - резервуар для хранения. 3 - арцбча/пш гмстеризогрор; ( - Ьакно длительной пастеризации, 5 - сепаратор елибкооявелиятль; 6 - пластинчатый охлодижель,- 7 - улыпрафилыпраиионнар установка; В - ечкость дя» хранения; 9 - злтспрооктибатор,- ¡0 - Вакуум бинарная установка,- 11 -ротационный насос, 12 - Ьинрлбой насос,- 13 - сушильная установка

(7)— Гивооо»«: Пода*»** смЛго (э)- Котехярат ^^—Пцшгвв ДпМфо&лч/^ — *цтик/ре(антИ — Л'и4(нтшт

Гид/юлиО* (9)"" СиЦп/мШкноя (цинчм (П)- Сгуямый «фокос* Сумей пЛряпла* 63)—Су/я)

(*лго6 тляг*ая гефо*чкп нот-той <\Лаягоз-»ш иолвч-оО аЛорол*» пЛврямч«*« Ья>«|

Рисунок 13 — Аппаратурно-процессовая технологическая схема производства гидролизованных концентратов

Маркетинг концентратов показал актуальность и необходимость получения продуктов содержащих в своем составе ценные и полезные гидролизаты компонентов молочной сыворотки. Оценка экономической эффективности разработанной технологии подтвердила ее рентабельность и конкурентоспособность.

Выводы.

I. На основании анализа современных тенденций развития молочной промышленности и пищевой биотехнологии обосновано применение молочной сыворотки в качестве сырья для получения концентратов с гидролизованными компонентами, на принципах логистики ресурсосбережения.

2. Экспериментально доказана целесообразность использования методов ферментативного гидролиза лактозы и сывороточных белков с предварительным применением электрохимической активации технологических фракций молочной сыворотки.

3. Использование процесса лазерной активации («ноу-хау») позволяет сократить дозу внесения препарата «Лактоканесцин» на 30 — 50 % при сохранении стабильно высоких значений степени гидролиза лактозы (не менее 50 % от исходной концентрации лактозы в пермеате).

4. Установлены оптимальные условия протекания процесса -биотрансформации лактозы в пермеате творожной сыворотке, позволяющие достичь степени гидролиза на уровне 80 % от исходной концентрации лактозы: электрохимическая активация фильтрата до достижения рН (4,5+0,25), термостатирование в течение 2,5-3 часов при температуре (53,75±2,25) "С. Приоритет подтвержден патентом РФ.

5,. . Изучены особенности ферментативного гидролиза сывороточных белков в ультраконцентрате (ретентате) творожной сыворотки с использованием процесса электроактивации, в качестве регулятора активной кислотности среды.

6. Установлены условия протекания гидролиза сывороточных белков с максимальным выходом целевых продуктов гидролиза: термостатирование в течение 13-15 часов при температуре (48-53) °С, электрохимическая активация концентрата до значений рН (8,8-9,3), при этом концентрация аминного азота составляет 40-45 мг%.

7. Результаты экспериментальных исследований легли в основу разработки ресурсосберегающей биотехнологии концентратов с гидролизованными компонентами молочной сыворотки нормируемого состава. По результатам исследований и опытно-промышленных выработок разработан стандарт организации на концентрат сывороточных белков гидролизованный и концентрат гидролизованный из молочной сыворотки.

8. Маркетинговая и технико-экономическая оценка разработанной биотехнологии концентрата с гидролизованпыми сывороточными белками, подтвердила ее безотходность и конкурентоспособность.

9. Экологический мониторинг, определение рисков и критических контрольных точек, с использованием принципов НАССР для разработанной биотехнологии, подтвердили ее полную безопасность.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Донской, Н. С. Рациональная переработка молочной сыворотки на продукты с гидролизованной лактозой (Текст] /А. Г. Варданян, Е. И. Верба Н. С. Донской/ Научный потенциал студенчества - будущему России // Материалы Всероссийской научной студенческой конференции. Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. - С. 88-89.

2. Донской, Н. С. Изучение влияния лазерной обработки на процесс ферментативного гидролиза лактозы в пермеате молочной сыворотки [Текст] / А. Д. Лодыгин, Н. Ю. Выхрест, Н. С. Донской// Материалы X научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. - С. 124-125.

3. Донской, Н. С. Применение электрофизических методов при переработке молочной сыворотки [Текст] /А. Г. Варданян, Н. С. Донской// Материалы международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества — Будущему России». Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки, Ставрополь: СевКавГТУ, 2007.-С. 125-126.

4. Донской, Н. С. Результаты исследований ферментативного гидролиза лактозы в пермеате молочной сыворотки, подвергнутом электрохимической активации [Текст] / А. Д. Лодыгин, А. Г. Варданян, А. Г. Храмцов, Н.С. Донской // Вестник СевКавГТУ, №4, 2007.- С.49-52.

5. Донской, Н. С. Анализ эффективности гидролиза лактозы в молочном лактозосодержащем сырье с помощью различных ферментных препаратов [Текст] / А. Г. Храмцов, А. Д. Лодыгин, А. Г. Варданян, Н. С.Донской // Материалы I МНПК, посвященной 450-летию г. Астрахани. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2008. - С. 187-189.

6. Донской, Н. С. Применение ферментативного гидролиза лактозы [Текст] / А. Д. Лодыгин, Н. С. Донской, А. Г. Варданян, Е. Ю. Пашина, А. Г. Храмцов // Молочная промышленность, № 11, 2008. - С. 74-75.

7. Донской, Н. С. Разработка технологии бифидогенного модуля на основе гидролиза лактозы и протеолиза сывороточных белков [Текст] /А. Д. Лодыгин, Н. С. Донской// Материалы XII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука-Северо-Кавказскому региону».

Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. - С. 193-194.

8. Донской, Н. С. Научно-технические предпосылки целесообразности совмещения изомеризации лактозы и гидролиза сывороточных белков в подсырной сыворотке [Текст] /А. Д. Лодыгин, А. Г. Храмцов, Н. С. Донской// Сборник материалов международной научно-практической конференции «Современный взгляд на производство творога, творожных паст и сыров: расширение ассортимента, совершенствование технологии и оборудования», М.:, НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2008. - С. 150-151.

9. Донской, Н. С. Инновационные технологии низколактозных продуктов из молочного белково-углеводного сырья [Текст] / А. Г. Храмцов, А. Д. Лодыгин, А. Г. Варданян, Н. С. Донской, Е. Ю. Пашина // Материалы Всероссийской НПК «Трансформация научных исследований в производство - основа перехода молочной отрасли на инновационную модель развития». — Адлер: АПМП «Кубаньмолоко», 2008.-С. 71-73.

10. Донской, Н. С. Ферментативный гидролиз компонентов молочной, сыворотки [Текст] / Д. Ю. Коптенко, Н. С. Донской// Материалы III Международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества rs XX веке». Том первый. Естественные и точные наука. .Технические и прикладные науки, г. Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. -С. 67-68.

11. Донской, Н. С. Исследование кинетики ферментативного гидролиза сывороточных белков, подвергнутых электрофизческой обработке [Текст] /А. Д. Лодыгин, А. Г. Храмцов, Н. С. Донской// Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Двенадцатой международной научно-практической конференции. — Барнаул: АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 2009. - С. 203-206.

12. Донской, Н. С. Нанотехнологии трансформации лактозы в кластеры бифидогенных концентратов [Текст] /А. Д. Лодыгин, А. Б. Родная, А. Г, Варданян, Н. С. Донской// Молочная промышленность, № 1, 2010. - С. 57-58. ■

13. Донской, Н. С. Методы гидролиза сывороточных белков молока [Текст] /А. Д. Лодыгин, А. Г. Храмцов, Н. С. Донской// Сборник научных трудов СевКавГТУ серия «Продовольствие», № 6, Ставрополь: СевКавГТУ, 2010.-С. 19-21,

,14. Способ производства глюкозо-гапактозного сиропа // Патент РФ №2352138. Опубл. 20.04.2009. Бюл. № 11, Храмцов А.Г., Варданян А.Г., Евдокимов И.А., Варданян Г.С., Лодыгин А.Д., Донской Н.С.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 08.11.2010 Формат60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,5 Уч.-изд. п.-1,0 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ N2 290 Тираж 100 экз. ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета Отпечатано в типографии СевКавГТУ

Введение

Глава 1 Анализ состояния вопроса и задачи исследования

1.1 Современные направления получения продуктов на основе производных компонентов молочной сыворотки

1.2 Технологические способы гидролиза лактозы при производстве продуктов функционального питания

1.3 Методы гидролиза сывороточных белков молока

1.4 Возможности применения электрофизических методов обработки технологических фракций молочной сыворотки

1.5 Обоснование направления и задачи исследований

Глава 2 Организация, объекты и методы проведения исследований

2.1 Организация и схема эксперимента

2.2 Объекты исследования

2.3 Физико-химические и биохимические методы исследования

2.4 Математическое планирование и обработка результатов экспериментов

Глава 3 Исследование влияния технологических факторов на процесс ферментативного гидролиза лактозы

3.1 Исследование закономерностей ферментативного гидролиза лактозы в пермеате творожной сыворотки

3.2 Оптимизация процесса ферментативного гидролиза лактозы

3.3 Изучение ферментативного гидролиза с электрофизической обработкой лактозосодержащего сырья

Глава 4 Исследование влияния технологических факторов на процесс ферментативного гидролиза сывороточных белков

Глава

Схема проведения ферментативного гидролиза сывороточных белков

Результаты определения активности панкреатина

Исследование кинетики ферментативного гидролиза сывороточных белков

Оптимизация процесса ферментативного гидролиза сывороточных белков

Разработка технологии концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом

Технологический процесс получения концентратов

Оценка экономической эффективности производства концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом

Маркетинговые исследования

Расчет себестоимости гидролитического концентрата сывороточных белков

Адаптация системы ХАССП для контроля технологического процесса производства концентратов сывороточных белков 107 Выводы

Необходимой чертой современных технологий получения продуктов является стремление уменьшить риски и увеличить эффективность производства путём разработки средств и методов повышения стойкости сырья, комплексности переработки и вовлечение в структуру производства продовольствия нетрадиционных видов сырья, применения новых физических и биохимических методов его обработки, вовлечение новых материалов для обеспечения наилучших условий хранения продукции.

Появление качественно новых технологий, как правило, достаточно редкий, требующий длительной теоретической и экспериментальной проработки процесс. Несмотря на высокий динамизм развития науки и техники, скорость внедрения и эффективность использования подобных технологий мало предсказуемы [11].

Ярким примером является ситуация, сложившаяся с переработкой молочной сыворотки. За рубежом широкое развитие и использование мембранных методов обработки не только способствовало увеличению промышленных объемов переработки сыворотки, но и появлению востребованных рынком новых видов концентратов белков и целого ряда других продуктов. В нашей стране недооценка роли данной техники и недостаточные объемы финансирования, в значительной степени тормозят проблему промышленной переработки сыворотки.

Научные исследования в области применения мембранной техники в отечественной молочной промышленности были начаты во второй половине 1970-х годов, и уже в 1977 были выданы исходные требования на проектирование УФ-установок на мембранах первого поколения. С 1983 года Минхимпрому СССР было дано задание по освоению серийного производства мембран второго поколения. Тогда как, внедрение процессов УФ и ООС в мире началось в 1950-1960-е годы после создания полимерных мембран первого поколения (на основе ацететцеллюлозы); в 1970-е годы появились мембраны второго поколения (на основе полисульфона), а затем и мембраны третьего поколения (метоллокерамические). Наиболее широкое применение для переработки молочного сырья мембранные процессы нашли в США, Франции, Дании, Нидерландах, Новой Зеландии, Австралии и Японии.

Внедрение мембранных технологий в молочной промышленности в то время задерживалось по таким причинам как небольшой выпуск мембранной техники (лишь 40 установок, вместо 130), неработоспособность большинства установок, не организовано производство технических моющих средств для мембранной техники.

На сегодняшний день в отрасли не меньше проблем, чем 20-30 лет назад, хотя сущность и приоритетность их изменилась, в частности, появился свободный доступ к технологиям и технике любых мировых компаний, накопивших огромный опыт за последние десятилетия. Ни в коем случае не следует пытаться самим пройти этот путь снова - это невозможно: нет материально-технической базы, кадров, средств и т.д.

Наиболее очевидна целесообразность использование мембранных процессов для переработки сыворотки с целью извлечения из нее отдельных компонентов, в первую очередь белковых. Реализуя штучные проекты различных мембранных процессов и доказывая их успешность для России, можно будет добиться того, чтобы эти технические решения стали широким достоянием отрасли. И тогда, возможно, «второе пришествие» в нее нанотехнологий будет вполне успешным [30].

Перспективным направлением промышленной переработки молочной сыворотки является получение сгущенных и сухих концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом. Производство подобных концентратов позволит решить две проблемы: рациональное использование . вторичных ресурсов молокоперерабатывающей промышленности на пищевые цели;

- создание добавок для различных отраслей пищевой промышленности с заданными физиологическими и функциональными свойствами.

В целом, развитие новых технологий ограничено так же требованиями к безопасности продовольственных товаров, различными отраслевыми и законодательными мерами и потребительскими предпочтениями конечного потребителя [19]. На современном этапе наличие эффективных технологий переработки молочной сыворотки является важным инструментом экономического развития предприятий.

Проблемой является необходимость организации централизованного сбора сыворотки на предприятиях с целью обеспечения ее рентабельной и крупномасштабной переработки. При этом следует использовать положительный опыт передовых стран, в которых на перерабатывающие предприятия достаточно значительная часть сыворотки доставляется в подсгущенном виде. Следует так же учитывать, что в ближайшее время производство сухой сыворотки останется основным сегментом ее промышленной переработки. В то же время совершенно ясно, что без возрождения производства молочного сахара и более широкого использования современных технологий вопросы эффективной переработки сыворотки решить не удастся [19].

Для их освоения необходима разработка методов и технических средств для переработки различных видов молочной сыворотки, направленных на регулирование ее белкового, углеводного, минерального и кислотного состава, а также физико-химических свойств с получением сухих и сгущенных концентратов. Особое значение при этом имеет создание системы унификации свойств поступающей на переработку сыворотки, разнообразие которой связано не только с различиями ее видов, но и со спецификой и различиями в технических и технологических условиях ее получения на различных предприятиях.

В последние годы уделяется усиленное внимание глубокой переработке молочной сыворотки - получению производных из отдельных компонентов (гидролизаты белков и производные лактозы). Следует отметить, что продукты гидролиза (аминокислоты, глюкоза и галактоза) это превосходные компоненты при составлении рецептур здоровой пищи, так называемых продуктов функционального питания.

В работе рассмотрена проблема переработки технологических фракций (пермеат и ретентант) молочной сыворотки, с применением современных биотехнологий для получения продуктов и пищевых добавок с регулируемым углеводным и аминокислотным составом.

Целью диссертационной работы является разработка технологии пищевых концентратов на основе ферментативного гидролиза лактозы и протеолиза сывороточных белков с применением современных мембранных и электрофизических методов обработки технологических фракций молочной сыворотки.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

• научно-техническое обоснование выбора направления исследований и целесообразности разработки биотехнологии концентратов с регулируемым углеводным и аминокислотным составом на основе технологических фракций молочной сыворотки;

• результаты экспериментальных исследований с анализом закономерностей процессов ферментативного гидролиза лактозы из пермеата творожной сыворотки и оптимизированные технологические параметры производства гидролизата лактозы;

• результаты экспериментальных исследований с анализом закономерностей процессов ферментативного гидролиза ультраконцентрата творожной сыворотки ферментом панкреатин и оптимизированные технологические параметры производства гидролизата сывороточных белков;

• технология и аппаратурное оформление процесса производства концентрата сывороточных белков гидролизованных и концентрата с гидролизованной молочной сывороткой;

• анализ экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

выводы

1. На основании анализа современных тенденций развития молочной N промышленности и пищевой биотехнологии обосновано применение молочной сыворотки в качестве сырья для получения концентратов с гидролизованными компонентами, на принципах логистики ресурсосбережения.

2. Экспериментально доказана целесообразность использования методов ферментативного гидролиза лактозы и сывороточных белков с предварительным применением электрохимической активации технологических фракций молочной сыворотки.

3. Использование процесса лазерной активации («ноу-хау») позволяет сократить дозу внесения препарата «Лактоканесцин» на 30 - 50 % при сохранении стабильно высоких значений степени гидролиза лактозы (не менее 50% от исходной концентрации лактозы в пермеате).

4. Установлены оптимальные условия протекания процесса биотрансформации лактозы в пермеате творожной сыворотке, позволяющие достичь степени гидролиза на уровне 80% от исходной концентрации лактозы: электрохимическая активация фильтрата до достижения рН (4,5±0,25), термостатирование в течение 2,5-3 часов при температуре (53,75+2,25) °С. Приоритет подтвержден патентом РФ.

5. Изучены особенности ферментативного гидролиза сывороточных белков в ультраконцентрате (ретентате) творожной сыворотки с использованием процесса электроактивации, в качестве регулятора активной кислотности среды.

6. Установлены условия протекания гидролиза сывороточных белков с максимальным выходом целевых продуктов гидролиза: термостатирование в течение 13-15 часов при температуре (48-53) °С, электрохимическая активация концентрата до значений рН (8,8-9,3), при этом концентрация аминного азота составляет 40-45 мг%.

7. Результаты экспериментальных исследований легли в основу разработки ресурсосберегающей биотехнологии концентратов с гидролизо ванными компонентами молочной сыворотки нормируемого состава. По результатам исследований и опытно-промышленных выработок разработан стандарт организации на концентрат сывороточных белков гидролизованный и концентрат гидролизованный из молочной сыворотки.

8. Маркетинговая и технико-экономическая оценка разработанной биотехнологии концентрата с гидролизованными сывороточными белками, подтвердила ее безотходность и конкурентоспособность.

9. Экологический мониторинг, определение рисков и критических контрольных точек, с использованием принципов НАССР для разработанной биотехнологии, подтвердили ее полную безопасность.

1. Аванесов, Е. К. НАССР синоним безопасности Текст. / Е. К. Аванесов // Молочная промышленность. - 2005. - №10. - С. 13-14.

2. Авдалян, Г. В. Технология глюкозо-галактозного сиропа на основе кислотного гидролиза лактозы.// Автореферат. Москва 1990г.

3. Антонов, В. К. Химия протеолиза. М.:Наука.-1983.-367 с.

4. Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии Текст. / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. М.: Высшая школа, 1978.-319 с.

5. Балаболкин, И. И. Современная концепция патогенеза и принципы терапии аллергических заболеваний у детей Текст. / И. И. Балаболкин//Педиатрия.-2003.-№ 4.-С.52-57.

6. Баратова, Л. А., Определение аминокислотного состава белков Текст. / Л. П. Белянова // Методы биохимического эксперимента.- М: Изд-во МГУ.-1974.- С.1-36

7. Бахир, В. М. Электрохимактивация новая техника, новые технологии. Электрохимические реакторы РПЭ Текст. /В. М.Бахир, Ю. Г.Задорожний// - Вып. 4. - ВНИИИМТ. - Москва. - 1991. - 157 с.

8. Бахир, В. М. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы / Ю. Г. Задорожный, Б. И. Леонов и др.// Академия медико-технических наук Российской Федерации. /Под ред. В. М. Бахира . М.: ВНИИИМТ, 1999. 256 с.

9. Бахна, С. Аллергия к молоку Текст. / С. Бахна, Д. Хейнер// Пер. с англ.- Москва: Медицина.- 1985.-206 с.

10. Береславская, В. А. Конкурентные преимущества в производстве и реализации продукции Текст. / В. А. Береславская // Молочная промышленность. 2005. - №1. - С. 49-50.

11. Большаков, О. В. Проблемы здорового питания государственный статус Текст. /О. В. Большаков //Молочная промышленность. - 1998. -№ 2. - С. 4.

12. Боровик, Т. Э. Диетотерапия при пищевой аллергии у детей раннего возраста Текст. /Т. Э. Боровик, В. А. Ревякина, С. Г.- Макарова// Российский аллергологический журнал. 2004. — №4.- приложение.

13. Бурыкина, И. М. Анализ критических контрольных точек Текст. / И. М. Бурыкина, М. В. Щемелева, Г. В. Хитрова //Молочная промышленность. -2003. -№10. С. 13-15.

14. Бурыкина, И. М. Система НАССР: анализ потенциальной опасности Текст. / И. М. Бурыкина, Н. Д. Гомзикова, С. Ф. Бондаренко // Молочная промышленность. -2003. — №9. С. 13

15. Бурыкина, И. М. Система НАССР: предпосылки внедрения и принципы разработки Текст. / И. М. Бурыкина, Н. В. Верещагина, Ю. А. Орлов и др. // Молочная промышленность. — 2003. — №8. С. 16.16.17,18,19