автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья с использованием биотрансформации лактозы

На правах рукописи

Бугаева Александра Алексеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕБИОТИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОТРАНСФОРМАЦИИ ЛАКТОЗЫ

Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

27 НОЯ 2014

005555873

Ставрополь - 2014

005555873

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лодыгин Алексей Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Гаврилова Наталья Борисовна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой технологии и оборудования пищевых производств

Ведущая организация:

Мельникова Елена Ивановна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный университет инженерных технологий», профессор кафедры

технологии продуктов питания животного происхождения

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский НИИ молочной промышленности», ФАНО России, г. Москва

Защита состоится «$» декабря 2014 г. в ХЗ часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при ФГАОУ «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп.З, ауд. 506.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, www.ncfu.ru.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах СКФУ www.ncfti.ni и ВАК Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gor.ru/ru/dissertation/

Автореферат разослан «/У» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Р.О.Будкевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач совершенствования

технологии производства молочных продуктов является переработка вторичных ресурсов. Решение данной проблемы не только улучшит экологическую обстановку, но и позволит создавать более дешевые продукты, расширит их ассортимент. Состав и свойства вторичного молочного сырья дает возможность рассматривать его как ценнейший источник биологически активных веществ, в частности, как основы продуктов функционального назначения.

Раздельное использование компонентов вторичного молочного сырья дает возможность извлекать молочный жир, комплекс белков или их фракции, лактозу и минеральные соли. Существуют неограниченные возможности для реализации этого направления промышленной переработки молочного сырья путем использования ультрафильтрации. Также представляет интерес физико-химическая и биологическая обработка лактозосодержащего сырья с целью получения производных лактозы: конверсия в лактулозу, гидролиз и трансгалактозилирование под действием препаратов ß-галактозидазы.

Большой вклад в решение проблем комплексной переработки вторичного молочного сырья с целью получения производных лактозы внесли отечественные и зарубежные ученые: Гаврилов Г. Б., Липатов Н. Н., Евдокимов И. А., Храмцов

A.Г., Рябцева С.А.,Нестеренко П. Г., Остроумов JI. А., Полянский К. К.,Серов А.

B., Jefferey G.A., Tamura Y., Mizota Т., Shimamura S., Andrews G.R., Haiju. M., Zadow J. G. и др.

Однако актуальными остаются задачи совершенствования технологии пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья. Не достаточно изучены процессы физико-химической и биологической трансформации лактозы в ультрафильтратах молочного сырья: изомеризация в лактулозу, трансгалактозилирование и гидролиз до моноз.

Развитие методов переработки вторичного молочного сырья, а также необходимость расширения ассортимента функциональных продуктов делает актуальной задачу совершенствования технологий пребиотических концентратов.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы -совершенствование технологии пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья на основе изучения закономерностей процессов физико-химической и биологической трансформации лактозы.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- провести мониторинг видов сырья и способов изомеризации лактозы в лактулозу, используемых при получении пребиотических концентратов;

- исследовать закономерности процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока;

- изучить кинетику процесса изомеризации лактозы в лактулозу;

- оптимизировать процесс изомеризации лактозы в пермеате обезжиренного молока;

- изучить влияние температуры и рН на состав продуктов реакции лактозы с препаратом дрожжевой р-галактозидазы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- оптимизировать процессы гидролиза и трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- разработать технологию пребиотического концентрата из пермеата обезжиренного молока;

провести анализ безопасности разработанной технологии с использованием принципов ХАССП;

проанализировать экономическую эффективность инновационной технологии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлены кинетические закономерности изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока по механизму ЬА-трансформации;

- разработаны математические модели изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока при различных концентрациях сухих веществ, определены оптимальные параметры процесса;

- установлены закономерности гидролиза лактозы в изомеризованном пермеате обезжиренного молока, а также разработана математическая модель процесса;

- подтверждена возможность смещения реакции гидролиза в сторону трансгалактозилирования лактозы, получена математическая модель процесса, установлены оптимальныепараметры.

Практическая значимость работы. Подготовлен и утвержден стандарт организации на производство пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья СТО 02067965-007-2013. Опытно-промышленная апробация проводилась в 2013 г. на ОАО «Молочный Комбинат "Ставропольский"» (г. Ставрополь).

Результаты работы используются в учебном процессе студентов специальностей 240902.65 - Пищевая биотехнология и 260303.65 - Технология молока и молочных продуктов.

Инновационные приоритеты работы;

- регулирование основных технологических параметров реакции изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока по механизму ЬА-трансформации при разных значениях массовой доли лактозы с целью увеличения выхода лактулозы;

- интенсификация процессов гидролиза и трансгалактозилирования лактозы в изомеризованном пермеате обезжиренного молока под действием фермента р-галактозидазы с целью создания оптимальных условий для получения галактоолигосахаридов, глюкозы и галактозы;

- разработка технологии пребиотических концентратов па основе вторичного молочного сырья.

Апробация работы.Основные результаты работы доложены и обсуждены на отчетных конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь, 2009 - 2011 гг.), Северо-Кавказского федерального университета (г. Ставрополь, 2012 - 2014 гг.), международной научно-технической конференции «Современные достижения биотехнологии» и

международном научно-практическом семинаре «Феномен молочной сыворотки» (г. Ставрополь, 2011 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 11 публикациях, в том числе 3 статьях в рекомендованных ВАК изданиях. Получен приоритет по заявке на изобретение № 2013122523 «Способ производства концентрата лактулозы».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 148 наименований, в том числе 23 иностранных источника, и 6 приложений. Содержание работы изложено на 124 страницах, включая 38 таблиц и 32 рисунка.

Основные положения, выносимые на защиту:

- кинетические закономерности и оптимальные параметры изомеризации лактозы в пермеате обезжиренного молока;

- математические модели процессов гидролиза и трансгалактозилирования лактозы в изомеризованном пермеате обезжиренного молока;

- технологические параметры производства пребиотического концентрата из пермеата обезжиренного молока.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Введение

Обоснована актуальность выбранного направления исследований. Сформулированы цель диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований

Представлены основные направления переработки лактозосодержащего сырья. Дана характеристика состава и свойств вторичного молочного сырья как объекта физико-химической и биотехнологической обработки.

Приведено сравнение про- и пребиотических веществ как элементов функционального питания. Рассмотрены характеристики основных пребиотиков, таких как лактулоза, галактоолигосахариды и др.

Рассмотрены современные способы получения пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья. Представлены характеристики основных технологических этапов производства пребиотических концентратов.

Обоснованы рабочая гипотеза и задачи исследований.

Глава 2. Организация работы, объекты и методы исследований

Рассмотрена организация работы. Схема проведения исследований приведена на рисунке 1. Изложены требования к объектам исследований. Описаны методы исследований, математического планирования и обработки результатов экспериментов. На всех этапах экспериментальных исследований были реализованы по три параллельные серии опытов, по результатам которых рассчитывались средние значения выходных параметров.

Глава 3. Исследование закономерностей изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока

С целью установления оптимальной концентрации, обеспечивающей максимальное накопление лактулозы при минимальном потемнении раствора (т.к. в качестве катализатора реакции использовался гидроксид натрия), были поставлены две серии опытов:

- изомеризация лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока при концентрации сухих веществ 4,8 ± 0,2 %;

- изомеризация лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока с содержанием сухих веществ 20 ± 0,1 %.

В ходе предварительных экспериментов были определены дозы щелочного реагента (20 %-й раствор гидроксида натрия), необходимые для установления в натуральном и концентрированном пермеатах обезжиренного молока значений рН среды 10,1 ±0,1.

Целью следующей серии экспериментов было определение оптимальной температуры, при которой достигаются максимальные значения степени изомеризации лактозы. Зависимость степени изомеризации лактозы от времени термостатирования при температурах 60, 70, 80 °С представлены на рисунках 2 и 3. Дальнейшее повышение температуры нецелесообразно, т.к. приводит к значительному потемнению обоих образцов пермеата в результате образования продуктов реакции Майара.

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

20,00

| 15,00

í 10,00

у = 0,721x3 ■

^0,986

0,39x2 + Д3,59х

(L464x3 - 6,657x

+ 28,04x - 21,42

v = оддвх^гт^х2 + 11,51x^1735-4-= 0,963

o 10

-60° с

-Полиномиальная (60° С)

20 30 40

Время термостатирования, мин

■в-70'С

— Полиномиальная (70° С)

50 6

-80" С

-Полиномиальная (80° С)

Рисунок 2 — Изменение степени изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока

30,00

25,00

S 20,00

I 15,00

"60 -С —■—70 "С _*_80-С -Полиномиальная (60 "С) -Полиномиальная (70 °С) -Полиномиальная (80 °С)

20 30 40 50 60

Время термостатирования, мин

Рисунок 3 - Изменение степени изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока

Для образцов натурального пермеата обезжиренного молока анализ результатов эксперимента показывает, что максимальная степень изомеризации в изученном интервале температур наблюдается через 20 минут после начала термостатирования. При температуре 80 °С процесс проходит более эффективно (81 = 24,4 %).

Для образцов концентрированного пермеата обезжиренного молока максимальная степень изомеризации наблюдается через 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С (81 = 27,3 %). Понижение значения степени изомеризации при температуре 80 °С объясняется нарастанием концентрации побочных веществ - продуктов реакции Маяра, что подтверждается значительным потемнением реакционной смеси.

Для сопоставления кинетических закономерностей синтеза лактулозы в исследованных образцах пермеата обезжиренного молока были рассчитаны значения скорости реакции изомеризации лактозы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Изменение скорости изомеризации лактозы в лактулозу

Время термостатирования, с Скорость изомеризации, моль/л-с

Натуральный пермеат Концент] эированный пермеат

60 °с. 70 °С 80 °С 60 °С 70 °С 80 °С

600 0,006 0,014 0,022 0,061 0,088 0,073

1200 0,012 0,022 0,031 0,102 0,148 0,126

1800 0,010 0,017 0,025 0,097 0,126 0,114

2400 0,010 0,012 0,018 0,079 0,110 0,097

3000 0,009 0,011 0,013 0,061 0,088 0,073

3600 0,008 0,010 0,012 0,049 0,080 0,061

Результаты экспериментовпоказали, что реакция изомеризации протекает с более высокой скоростью и выходом лактулозы:

-для натурального пермеата обезжиренного молока при температуре 80 °С через 20 минут после начала термостатирования;

- для концентрированного пермеата обезжиренного молока через 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С.

Для оптимизации процесса изомеризации было решено провести двухфакторный эксперимент, как для натурального, так и для концентрированного пермеатов. В ходе эксперимента изучалось совместное

влияние температуры и времени термостатирования (при исходном уровне рН (10,1 ± ОД)) на два выходных параметра - степень изомеризации (81) и рН пермеата по завершении процесса. Параметры двухфакторных экспериментов представлены в таблице 2. Были получены математические модели процесса изомеризации лактозы в лактулозу для рассмотренных объектов исследований. Поверхности отклика выходного параметра представлены на рисунке 4.

Таблица 2-Условия двухфакторного эксперимента для натурального и концентрированного пермеатов обезжиренного молока

Исследуемые факторы

Уровни Для натурального пермеата Для концентрированного пермеата

варьирования Температура, Время, Температура, °С, Время, мин,

°с,х, мин, Хг X, х2

-1,414 61 18 68 18

-1 65 20 75 20

0 75 25 70 25

1 85 30 80 30

1,414 89 32 82 32

■ 0-5 ■ 5-10 ■ 10-15 ■ 15-20 ш 20-25 25-30 ■ 30-35

6)

Температура, °С

ЙЙД^и

15-10 ■ 10-15 ■ 15-20 ■ 20-25 »25-30 30-35

Рисунок 4 - Поверхность отклика степени изомеризации: а) в натуральном пермеате; б) в концентрированном пермеате

Степень изомеризации, %

Температура, °С

Уравнения регрессии имеют вид:

- для натуального пермеата обезжиренного молока:

81 = 18,918 + 6,513-х, - 3,657-х2- 2,320-х,2 - 3,090-х22 - 5,647-х,-х2 (1)

рН = 9,720 - 0,048-х, - 0,135-х2- 0,081-х,2 - 0,043-х22 (2)

- для концентрированного пермеата обезжиренного молока:

= 19,106 + 0,565-х, -2,121-хг + 1,373-х,2 - 0,849-х22 - 5,463-х,-х2 (3) рН = 9,619 - 0,051 х, - 0,14-х2 - 0,084-х,2 - 0,047-х22 - 0,013-х,-х2 (4)

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

1. Для реакции изомеризации лактозы в натуральномпермеате обезжиренного молока повышение температуры до определенных пределов приводит к увеличению выхода лактулозы. С увеличением времени термостатирования степень изомеризации лактозы убывает. Максимальное значение степени изомеризации Б, (30 - 33) % (* наблюдается в диапазонах температуры (89,0 ± 2,5) °С и времени (18 ± 2) минут.

2. Для реакции изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока с повышением временистепень изомеризации уменьшается. С увеличением температуры степень изомеризации увеличивается, что говорит о положительном влиянии этого фактора. Максимальной степени изомеризации (32 - 34) %* можно добиться в диапазоне температуры (82 ± 0,5) °С и времени (18 ± 1,5) минут.

3. Для процессов образования побочных продуктов характерно отрицательное влияние температуры и времени, как и их межфакторного взаимодействия, причем фактор времени термостатирования является более значимым.

4. В целом, в технологии пребиотических концентратов в качестве сырья могут выступать как натуральный, так и концентрированный пермеаты (степень изомеризации отличается незначительно). Однако концентрированный изомеризованный пермеат представляет больший интерес для дальнейших исследований, так как определяющим фактором является концентрация лактулозы. Кроме того, последующие технологические этапы подразумевают сгущение пермеата обезжиренного молока, обогащенного лактулозой, до (20 ±0,1) % сухих веществ.

* от массовой доли лактозы в исходном сырье

Глава 4. Исследование процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой

Одним из перспективных направлений очистки концентратов лактулозы от непрореагировавшей лактозы является ее биологическая трансформация. В рамках данной работы был предложен новый способ трансформации лактозы-гидролиз ферментом Р-галактозидазой, что позволило обогатить концентрат продуктами ферментации лактозы.

На первом этапе данной серии опытов изучалось влияние температуры на степень гидролиза и степень трансформации лактозы при различных значениях рН. Обязательной операцией подготовки концентрированного изомеризованного пермеата являлась деминерализация методом электродиализа до значений уровня деминерализации (70 - 75) %. Данный процесс необходим для максимального удаления гидроксида натрия, являющегося ингибитором Р-галактозидаз.

В качестве фермента использовался препарат р-галактозидазы «Биолактаза Л20». Для определения оптимальной температуры термостатирования руководствовались диапазоном температур, указанным в инструкции по применению фермента. Исходя из этого, было принято решение, сравнить степень гидролиза и степень трансгалактозилирования лактозы при температурах 40, 50, 60 °С.

Закономерности процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока представлены на рисунках 5, 6.

При значении рН 4 наблюдалось смещение активности лактазы в сторону реакции трансгалактозилирования, что подтверждают данные экспериментальных исследований, представленные на рисунке 7.

Время термостати решения, мин

55 "С -«-50 °С —♦— 45 °С

Рисунок 5 - Изменение степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока при значении рН = 6,0

Время термостатирования, мин -*-55°С —»—50 °С —♦—45°С

Рисунок 6 - Изменение степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока при значении рН = 5,0

Рисунок 7 - Изменение степени трансформации лактозы в пермеате обезжиренного молока при рН = 4,0

Анализ результатов экспериментов позволил сделать следующие выводы:

1. Степень гидролиза достигает максимального значения через 150 минут с начала термостатирования. Оптимальными параметрами для гидролиза являются температура 45 °С и значение рН = 6,0 (при данных параметрах степень гидролиза составляет 65 %).

2. Степень трансформации максимальна через 30 минут со времени начала реакции для всех значений рН и температуры. Оптимальными параметрами для синтеза галактоолигосахаридов (ГОС) являются температура 50 °С и значение активной кислотности 4,0.

3. Для дальнейшего изучения представляют интерес оба процесса, поэтому на следующем этапе эксперимента было решено определить оптимальные параметры реакций гидролиза и трансгалактозилирования лактозы.

Для установления оптимальных параметров процесса гидролиза изучалось совместное влияние температуры и времени термостатирования (при уровне рН = (6,0 ± 0,1) на выходной параметр - степень гидролиза лактозы (Sg).

С целью оптимизации процесса трансгалактозилирования было исследовано влияние технологических факторов при уровне рН = (4,0 ± 0,1) на степень трансформации (Б1).

Параметры двухфакторных экспериментов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Условия двухфакторного эксперимента по оптимизации процессов гидролиза и трансгалатозилирования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой

Уровни варьирования Исследуемые факторы

Выходной параметр - степень гидролиза (рН = (6,0 ±0,1)) Выходной параметр - степень трансформации (рН = (4,0 ±0,1))

Температура, °С, X, Время, мин, Хг Температура, °С, X! Время, мин, х2

-1,414 38 108 43 9

-1 40 120 45 15

0 45 150 50 30

1 50 180 55 45

1,414 52 192 57 50

На основании результатов экспериментов получены математические модели процессов гидролиза и трансгалактозилирования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой. Поверхности отклика степени гидролиза и степени трансформации представлены на рисунках 8, 9. Уравнения регрессии имеют вид: - для процесса гидролиза лактозы:

8§=69,002-3,183-Х1+6,359-Х2-5,505-х12-9,165-Х22+8,033-Х1-Х2 (5) - для процесса трансгалактозилирования лактозы:

97,164 - 1,343-Х1+ 1,680-Х12+1,425-Х22-0,852-Х1-Х2 (6)

Максимальная степень гидролиза (71,0 ±1,0) % достигается в диапазоне температур (46,0 ± 1,0) °С и времени (145,0 ± 2,0) минуты.

Степень трансформации достигает максимального значения 106,8 % при температуре (56 ± 1) °С и времени термостатирования(12,5 ± 2,5) минут.

Рисунок 8 - Поверхность отклика степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой

<тГ ч-

Рисунок 9 - Поверхность отклика степени трансформации лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой

В качестве ингредиентов разрабатываемого пребиотического концентрата могут выступать как продукты гидролиза лактозы - глюкоза и галактоза, так и продукты трансгалактозилирования - галактоолигосахариды (\ На следующем этапе была разработанатехнологиядвух видовпребиотических концентратов:

- пребиотический концентрат на основе лактулозы, обогащенный глюкозой и галактозой;

- пребиотический концентрат на основе лактулозы, обогащенный галактоолигосахаридами.

Глава 5. Разработка технологии пребиотических концентратов на основе пермеата обезжиренного молока

Разработка технологии пребиотических концентратов проводилась с учетом анализа известных способов производства сгущенных и сухих продуктов на основе молочной сыворотки, методов изомеризации лактозы в лактулозу в молочном белково-углеводном сырье, а также методов очистки пребиотических концентратов.Технологический процесс производства пребиотических концентратов из пермеата обезжиренного молока осуществляют в соответствии с принципиальной схемой, приведенной на рисунке 10.

На основе разработанной технологии были проведены опытные выработки партий концентратов объемом 0,1 л на базе экспериментального цеха института живых систем СКФУ, а также опытные выработки партий концентратов на предприятии «Молочный Комбинат «Ставропольский»».

В ходе выработок были получены два образца пребиотических концентратов (№1 - пребиотический концентрат, обогащенный глюкозой и галактозой (ПК-ГЛ); №2 - пребиотический концентрат, обогащенный галактоолигосахаридами (ПК-ГОС)).

* Оба класса продуктов можно отнести к низколактозным, кроме того галактоолигосахариды придают концентратам лактулозы дополнительную пребиотическую активность

Рисунок 10 - Принципиальная схема технологического процесса производства пребиотических концентратов из обезжиренного молока с использованием биотрансформации лактозы

Исследование углеводного состава опытных образцов пребиотических концентратов проводили методом газо-жидкостной хроматографии.

Показатели качества пребиотических концентратов представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Химический состав опытных образцов пребиотических концентратов

Наименование показателя Среднее значение и пределы колебаний

ПК-ГЛ ПК-ГОС

Массовая доля сухих веществ, % в том числе 60 ±0,1 60 ± 0,1

лактулозы 20 ±0,1 20 ±0,1

глюкозы 16 ± 0,1 20 ±0,1

галактозы 15 ± 0,1 6 ±0,1

галактоолигосахаридов - 5 ±0,1

лактозы 5 ±0,1 5 ±0,1

белка 1 ±0,01 1 ±0,01

минеральных веществ 3 ±0,01 3 ±0,01

По результатам экспериментальных исследований и опытно-промышленных выработок подготовлен и утвержден стандарт организации на производство пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья СТО 02067965-007-2013.

Результатытехнико-экономического расчета подтвердили высокий экономический потенциал организации производства пребиотических концентратов. При реализации варианта внедрения на базе действующих цехов сгущения и сушки, переработки вторичного молочного сырья предприятий молочной промышленности обеспечиваются минимальные капитальные затраты на установку специфического оборудования.

Основные показатели экономической эффективности внедрения инновационной технологии представлены в таблице 5.

Анализ результатов технико-экономических расчетов позволяет сделать вывод о высокой рентабельности разработанной технологии и целесообразности ее внедрения на базе цехов по переработке молочной сыворотки предприятий отрасли.

Таблица 5 -Экономическая эффективность проекта

Показатели Значение

ПК-ГЛ ПК-ГОС

1. Численность основных рабочих, чел. 8 8

2. Производительность труда, тыс. руб. 562,5 562,5

3. Себестоимость товарной продукции, тыс. руб. 16,215 23,850

4. Прибыль от реализации продукции, тыс. руб. 1135,620 1846,500

5. Затраты на 1 рубль товарной продукции, руб. 0,810 0,795

6. Уровень рентабельности продукции, % 23,36 25,81

7. Объем капитальных вложений, тыс. руб. 1643,750 1643,750

8. Срок окупаемости, лет 1,48 0,89

Использование методов экологического мониторинга и анализа критических контрольных точек обеспечивает экологически чистое производство сгущенных пребиотических концентратов на основе пермеата обезжиренного молока.

Выводы

1. Мониторинг видов сырья, использующихся для производства пребиотических концентратов, показал, что для получения данного вида продуктов наиболее целесообразно использовать ультрафильтраты вторичного молочного сырья. В частности, оптимальными характеристиками (высокая доброкачественность по лактозе) для проведения процесса а щелочной изомеризации обладает пермеат обезжиренного молока.

2. Исследовано влияние основных технологических факторов -концентрации, температуры и времени термостатирования на степень изомеризации лактозы в лактулозу. Для образцов натурального пермеата максимальная степень изомеризации наблюдается через 20 минут после начала термостатирования. При температуре 80 °С процесс проходит более эффективно. Для образцов концентрированного пермеата максимальная степень изомеризации наблюдается через 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С.

3. В ходе исследований кинетических закономерностей процесса изомеризации лактозы в лактулозу, установлено, чтореакция изомеризации протекает с более высокой скоростью и выходомлактулозы для натурального

пермеата при температуре 80 °С через 20 минут после начала термостатирования, и для концентрированного пермеата 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С.

4. Оптимизирован процесс изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока. Для натурального пермеата максимальная степень изомеризации (30 - 33) % наблюдается в диапазонах температуры (89,0 ± 2,5) °С и времени (18 ± 2) минут.В концентрированномпермеате при значениях температуры (82 ± 0,5) °С и времени термостатирования (18 ± 1,5) минут можно добиться степени изомеризации лактозы (32 - 34) %.Концентрация побочных продуктов изомеризации возрастает с увеличением температуры и времени термостатирования. Для производства пребиотических концентратов технологически целесообразно концентрировать пермеат перед изомеризацией.

5. Установлено, что в процессе ферментации лактозы препаратом Р-галактозидазы в растворе изомеризованногопермеата, реакция может сместиться как в сторону гидролиза, так и в сторону трансгалактозилирования лактозы. Степень гидролиза достигает максимального значения 65 % через 150 минут при температуре 45 °С и значение рН 6,1 ±0,1. Степень трансформации максимальна через 30 минут при температуре 50 °С и значении рН 4,1 ±0,1.

6. Оптимальными параметрами для гидролиза лактозы являются рН = 6,0, температура (46,0 ± 1,0) °С и время (145,0 ± 2,0) минут. В диапазоне данных технологических параметров можно добиться степень гидролиза (71,0 ± 1,0) %.Максимальная степень трансформациисоставляет (106 ± 1) % при температуре (56,0 ± 1,0) °С и времени ферментации (12,5± 2,5) минут при значении рН 4,1 ± 0,1.

7. Результаты исследований послужили основой для разработки технологии пребиотического концентрата на основе вторичного молочного сырья -обезжиренного молока. Разработана и утверждена техническая документация на производство пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья СТО 02067965-007-2013.

8. Проведена оценка экономической эффективности внедрения технологии пребиотических концентратов, результаты которых подтвердили ее высокий инновационный потенциал. Осуществлен экологический мониторинг разработанной технологии с элементами системы ХАССП, разработан комплекс мероприятий по обеспечению безопасности и качества выпускаемого продукта в производственных условиях.

Список основных трудов, опубликованных по материалам диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Лодыгин, А.Д. Исследование процесса синтеза лактулозы в ультрафильтратах молочной сыворотки[Текст] / А. Д. Лодыгин, A.A. Бугаева // Вестник СевКавГТУ. - 2012. - № 3. - С. 123125.

2. Храмцов, А. Г. Пребиотические концентраты на основе ультрафильтратов молочного сырья / А. Г. Храмцов, А. Д. Лодыгин, А. А. Бугаева // Молочная промышленность. - 2013. - № 9. - С. 46-47.

3. Лодыгин, А. Д. Разработка технологии пребиотического концентрата на основе пермеата обезжиренного молока / А. Д. Лодыгин, А. А. Бугаева, И. А. Щелканова // Техника и технология пищевых производств. - 2013. - №3 (30). - С. 32-35.

Тезисы докладов научно-технических и научно-практических конференций

4. Перевышина, H.A. Получение галактоолигосахаридов химическим и ферментационным методами[Текст] / H.A. Перевышина, А.А.Севостьянова (Бугаева) // Научный потенциал студенчества в XX веке: материалы III Международной научной студенческой конференции. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С.28

5. Севостьянова (Бугаева), А.А.Перспектива получения галактоолигосахаридов [Текст] / A.A. Севостьянова, H.A. Перевышина // Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону: материалы XIII научно-технической конференции. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. - С.157-158.

6. Храмцов, А. Г. Результаты исследований физико-химических и биохимических закономерностей синтеза галактоолигосахаридов [Текст] / А.Г. Храмцов, И. А. Евдокимов, С. А. Рябцева, А.Д.Лодыгин [и др.] // Материалы XXXIX НТК по итогам работы ППС СевКавГТУ, за 2009 год. Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. — Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. - С.154-155.

7. Бугаева, А.А.Изучение процесса синтеза лактулозы в пермеате молочной сыворотки [Текст] / А. А. Бугаева // Материалы XL научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2010 год. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011. - С. 185-186.

8. Лодыгин, А. Д. Технология концентрата галактоолигосахаридов на основе лактозы молочной сыворотки [Текст] / А. Д. Лодыгин, А.Б. Родная, A.A. Бугаева // Сборник материалов международной НТК «Современные достижения биотехнологии» и международного научно-практического семинара «Феномен молочной сыворотки». Часть 1. - М.: НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2011. - С. 115-117

9. Лодыгин, А. Д. Исследование процесса синтеза лактулозы в ультрафильтратах молочной сыворотки [Текст] / А.Д. Лодыгин, A.A. Бугаева, И.А. Щелканова // Вузовская наука - СевероКавказскому региону: материалы XV региональной научно-технической конференции. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2011. -С.141-142

10. Лодыгин, Д. Н. Исследование процесса изомеризации лактозы в лактулозу в ультрафильтратах молочной сыворотки [Текст] / Д.Н. Лодыгин, A.A. Бугаева, И.А. Щелканова // Материалы XLI научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2011 год. Том 1. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2012. - С.159-160.

11. Конькова, И. А. Анализ безопасности технологии пребиотического концентрата на основе пермеата обезжиренного молока с нрименением принципов ХАССП / И. А. Конькова, А.Д. Лодыгин, Д. Н. Лодыгин, A.A. Бугаева // Биоразнообразие, биоресурсы, биотехнологии и здоровье населения Северо-Кавказского региона [Текст]: материалы П-й ежегодной научно-практической конференции «Университетская наука - региону». - Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2014. - С. 18-21.

Заказ от 17.10.2014 № 169 Тираж 120 экземпляров Бумага мелованная 115 г/м2 Отпечатано ИП Суворов А. Г. Краснодар, ул. Рашпилевская, 125