автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Технология комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением

На правах рукописи

005019476 ,

ЧЕРНОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КАЗЕИНОВОЙ СЫВОРОТКИ С УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Ставрополь - 2012

005019476

Работа выполнена на кафедре прикладной биотехнологии в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Бабенышев Сергей Петрович

Официальные оппоненты: Брацихин Андрей Александрович

доктор технических наук, доцент СевКавГТУ, кафедра «Технология машиностроения и технологическое оборудование», профессор

Володин Дмитрий Николаевич

кандидат технических наук, ООО «МегаПрофилайн», директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет», г. Краснодар

Защита состоится «18» мая 2012 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при Северо-Кавказском государственном техническом университете, 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. КЗ 08

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет». С авторефератом — на сайтах СевКав! "1Уwww.ncstu.ru и ВАК РФ Министерства образования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru/ru/dissertation/

Автореферат разослан «16» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.245.05, доктор технических наук, профессор

Шипулин В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гармоничное развитие человеческого сообщества в конечном счете сводится к решению двух основных задач: обеспечение населения водой, полноценными продуктами питания и сохранение окружающей среды. Их решение возможно только Fia основе организации рационального использования природных сырьевых ресурсов.

Урбанизация современного общества приводит к тому, что в производстве рафинированных продуктов питания человека недооценивается значение минеральных веществ, витаминов и белков, которые могут быть получены в результате переработки казеиновой сыворотки при её баро-мембранном разделении. Развитие баромембранной технологии позволяет выделять компоненты дисперсной фазы сыворотки, в частности белки, в нативном состоянии, открывая тем самым новые возможности не только в производстве продуктов питания, но и организации безотходного производства, обеспечения сохранности окружающей среды.

Вопросам рационального, комплексного использования молочной сыворотки посвящены труды таких известных ученых как H.H. Липатов, М.С. Коваленко, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, H.H. Липатов (мл), C.B. Василисин, В.Д. Харитонов, М.В. Залашко, В.Е. Жидков, К.К. Полянский, П.Г. Нестеренко, Г.Б. Гаврилов, П.Ф. Крашенинин, Э.Ф. Кравченко, T.Paterson, К.Н. Ridel, T. Senkevich, W. Zadow, В. Horton и др.

Вместе с тем вопросам переработки казеиновой сыворотки в настоящее время уделяется недостаточно внимания.

Целью диссертационной работы является разработка технологии комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением и определение путей использования получаемых пермеата и ретентата.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований:

- обосновать целесообразность переработки казеиновой сыворотки с использованием процесса ультрафильтрации на полимерных мембранах рулонного типа;

- вывести математические зависимости, описывающие влияние основных факторов на проницаемость и селективность полимерных мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки и определить оптимальные параметры процесса;

- разработать рекомендации по мойке и регенерации полимерных мембран, используемых для ультрафильтрации казеиновой сыворотки;

- определить оптимальные параметры концентрирования и уровня деминерализации ультрафильтрата казеиновой сыворотки, позволяющие осуществить гидролиз лактозы с использованием ферментного препарата отечественного производства;

- разработать технологическую схему и утвердить нормативную документацию по переработке казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением;

- изучить состав и свойства ретентата казеиновой сыворотки и предложить пути его использования в производстве пищевых продуктов;

- определить параметры предварительной очистки и обработки пер-меата казеиновой сыворотки и подобрать технологическое решение по его использованию;

- провести оценку экономической, социальной и экологической эффективности разработанной комплексной технологии переработки казеиновой сыворотки.

Научная новизна. Научно обоснована целесообразность комплексной переработки казеиновой сыворотки с применением процесса ультрафильтрации. Изучены состав, физико-химические свойства и органолептические показатели пермеата и ретентата казеиновой сыворотки. Определены основные закономерности и получены расчетные зависимости, адекватно описывающие в физических величинах влияние основных внешних факторов на проницаемость и селективность мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки на аппаратах с полимерными мембранами рулонного типа. Установлены оптимальные значения рабочего давления, скорости циркуляции, граничные -массовой доли сухих веществ, температуры казеиновой сыворотки и длительности процесса её ультрафильтрации. Теоретически обоснованы и практически определены параметры концентрирования и электродиализной обработки пермеата казеиновой сыворотки при использовании фермента кислой грибной лактазы в технологии получения глюкозо-галактозного сиропа.

Практическая значимость работы. Разработана технологическая схема и апробирована технология комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением на аппаратах рулонного типа (СТО 02067965-005-2011 «Технология комплексной переработки казеиновой сыворотки»). Обоснован выбор полимерных мембран рулонного типа для ультрафильтрации казеиновой сыворотки, разработаны рекомендации по их мойке, регенерации и санитарной обработке. Опытно-промышленные выработки глюкозо-галактозного сиропа на основе пермеата и альбуминной пасты на основе ретентата казеиновой сыворотки проведены на МК «Ставропольский».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных региональных научно-практических конференциях: «Инновационные направления в пищевых технологиях» (г. Пятигорск, 2009 г.), «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону», «Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях», (г. Ставрополь, 2010 г.) «Современные достижения биотехнологии» (г. Ставрополь, 2011 г.), «Инновационные направления в пищевых технологиях» (г. Пятигорск, 2012 г.), «Достижения и перспективы естественных и технических наук» (г. Ставрополь, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 22 печатных работах, включающих 3 издания, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной и технологической части, выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 156 страницах, включая 25 таблиц и 27 рисунков. Список литературы включает 214 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, указаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе показана роль сывороточных беков в продуктах функционального питания, проанализированы способы выделения белков из молочной сыворотки, в т.ч. с применением процесса ультрафильтрации. На основании результатов анализа литературных данных обоснована рабочая гипотеза, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы организации и методов проведения исследований, проведенных в лабораториях ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет», ФГБОУ ВПО «Пятигорский государственный технологический университет» и в цехе творожных изделий ОАО МК «Ставропольский». Общая схема проведения исследований приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Общая схема проведения исследований

В качестве сырья для выработки казеина согласно ГОСТ Р 53667-2009 использовалось молоко коровье обезжиренное (кислотностью не более 20° Т и плотностью не менее 1030 кг/м3), полученное сепарированием молока коровьего по ГОСТ Р 52054-2003 (не ниже первого сорта), кислота молочная пищевая (ГОСТ 490-79), кислота лимонная пищевая (ГОСТ 90879), стандартные моющие и дезинфицирующие средства.

Информационный блок по теме диссертационной работы был сформирован из результатов поиска патентной документации (глубиной более 15 лет) и литературного обзора открытых публикаций в фондах библиотек СевКавГТУ, ПГТУ, ЦНТИ, Ставропольской краевой библиотеки им. М.Ю. Лермонтова, сети Интернет и пр. При выполнении экспериментальной части работы использованы общепринятые и стандартные методы определения физико-химических, микробиологических и органолептических показателей. Обработка результатов экспериментов проводилась на ПЭВМ с использованием пакета прикладных программ «Ехе! 2007» и (^а^^са 6.0».

Для очистки водопроводной воды, используемой в приготовлении моющих и дезинфицирующих растворов, применяемых при регенерации мембран, установка была укомплектована сменным мембранным фильтрующим обрат-ноосмотическим элементом низкого давления ЭРО-КНИ-100-1016. При рабочем давлении 0,6-0,65 МПа производительность баромембранной установки по воде составляет около 200-220 л/ч. Мойка оборудования осуществлялась каждые 6-10 часов (в зависимости от плана проведения экспериментальных исследований). Регенерацию мембран проводили по мере необходимости, но не реже, чем один раз после рабочего цикла.

В третьей главе проведены подбор и обоснование применения полимерных мембран типа УАМ-150 и УАМ-500 для ультрафильтрации молочного сырья, а также экспериментальные исследования процесса ультрафильтрационного разделения образцов казеиновой сыворотки на полупромышленной установке с аппаратами рулонного типа марки ЭРУ-100-1016. Такой подход к организации экспериментальных исследований позволяет исключить масштабирование, которое необходимо при разработке рекомендаций для промышленных установок на основе обработки результатов полученных в ходе экспериментальных исследований процесса ультрафильтрации на лабораторном оборудовании. Это не только повышает достоверность данных, получаемых опытным путем, но и сокращает объем экспериментальной работы.

Теоретические аспекты методики прогнозирования проницаемости мембран при ультрафильтрационном разделении казеиновой сыворотки

Основной задачей технологического расчета ультрафильтрационного оборудования является определение изменения проницаемости мембран в течение времени. Для её решения обычно применяется те или иные способы моделирования процесса фильтрационного разделения жидких систем, но их практическая реализация в полном объеме пока не осуществлена.

При низком градиенте давления с1Р/ск и малых значениях числах Ее движение потока пермеата казеиновой сыворотки через ультрафильтрационную мембрану может быть описано в соответствии с законом Дарси. Верхнюю границу его применимости связывают с критическим значением числа Рейнольдса. Однако для различных условий трансмембранного переноса пермеата критические значения Яе варьируются в широком диапазоне, что обусловлено как структурными характеристиками материала мембран, так и физико-химическими свойствами разделяемой системы. Кроме того, при ультрафильтрации казеиновой сыворотки имеют место концентрационная поляризация, биологическое и механическое загрязнения мембранной поверхности. Для практического расчета проницаемости ультрафильтрационных мембран исследование процесса ультрафильтрации казеиновой сыворотки выполнено экспериментальным методом. Алгоритм его реализации представлен в виде формализованной схемы (рис. 2).

Изучение физико-химических параметров разделяемой системы по литературным

данным II экспериментальным путем ♦

Взаимодействие компонентов разделяемой системы с мембраной

Определение компонентов системы подлежащих выделению в ретентат Г

Предварительный подбор мембран по данным фгЕрмы-производителя

1

* *

Проверка селективности и проницаемости мембран калибровочными растворами на лабораторном оборудовании Определение проницаемости и селективности мембран при разделешш реальных систем на лабораторном оборудовании Подбор моюшнх средств по рекомедаццям литературных источников и экпериментальное определение режимов мойки

Исходные данные для выбора типа Оаромембранного модуля п конфгпурацип шшотной установки

X

Экспериментальное исследование процесса баром ем бранного разделения реальной полкднсперсной системы в производственных условиях

X

X

Экспериментальное исследование процесса мойки мембранного модуля и пилотной установки в условиях их промьшпенной эксплуатации

Обобщение результатов экспериментальных исследований и разработка технического задания на изготовление опытного образца промышленной баромебранной установки для разделения конкретной жилкой системы

Рисунок 2 - Схема реализации методики экспериментального способа исследования процесса ультрафильтрации жидких систем

Научная концепция данного подхода базируется на том, что, во-первых, в настоящее время средства программного обеспечения быстродействующих ПЭВМ позволяют решить задачи математической обработки экспериментальных данных без существенных затрат времени и средств. А во-вторых, создание и обработка информационной базы результатов таких исследований с использованием Internet — ресурсов позволяет не только получить и использовать в дальнейшей экспериментальной работе достаточно большой набор эм-

пирических корреляций, описывающих основные закономерности процесса баромембранного разделения самых различных систем, но и использовать такие данные для дальнейшей разработки основ его классической теории.

Исследование проницаемости и селективности мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки.

На основе анализа результатов предварительных экспериментальных исследований образцов полимерных мембран на лабораторной ультрафильтрационной установке плоскорамного типа для разделения казеиновой сыворотки были выбраны мембраны марок УАМ-500 (50 КОа) и УАМ-150 (20 КОа) производства ЗАО НТЦ«Владипор» (г. Владимир), которыми могут быть укомплектованы стандартные ультрафильтрационные элементы марки ЭРУ-100-1016.

При ультрафильтрации казеиновой сыворотки основными факторами, влияющими на проницаемость полимерных мембран, являются: длительность процесса (т), температура сыворотки (Г), величина рабочего давления (ДР) в канале аппарата, массовая доля частиц дисперсной фазы (С) и скорость циркуляции (V) разделяемой системы.

В результате экспериментального исследования влияния параметра т на проницаемость О и селективность ф мембран установлено, что <3 обеих мембран в течение первых 60^90 минут с начала процесса уменьшается на 48+50% от его начальных значений (28+30 кг/м2час). Дальнейшее снижение проницаемости происходит менее интенсивно и устанавливается на уровне 8-10 кг/м2час через 200+215 минут от начала процесса. После 400+420 минут скорость снижения проницаемости возрастает до 0,06+0,08 (кг/м~час)/час, что дает основание принять т = (420+450 минут) как граничное значение.

Движущей силой процесса ультрафильтрации является перепад давления ДР на полупроницаемой мембране. Но наличие тангенциального потока разделяемой системы, движущейся вдоль мембранной поверхности, обуславливает существенное влияние и скорости циркуляции сыворотки V в канале баромембранного аппарата на проницаемость мембран. Следовательно эффективность процесса будет определяться оптимальным соотношением ДР и V. Результаты экспериментального определения зависимостей вида 0=^ДР) и Ф=^ЛР) для выбранных типов мембран представлены на рисунке 3.

Установлено, что при фиксированных значениях параметров т, 1, V и С проницаемость С> обеих мембран существенно увеличиваются с возрастанием давления до ДР = 0,4+0,42 МПа. Повышение рабочего давления свыше 0,48+0,5 МПа не приводит к росту при этом ср снижается до Ф= 95+96%. Анализ результатов исследования влияния температуры I казеиновой сыворотки на проницаемость О мембран УАМ-150 (500) показал, что увеличение параметра О для обеих мембран при изменении I от 5+6 С до 12+13°С составляет 1+1,3 кг/м2час на градус роста температуры. Дальнейшее повышение с сопровождается меньшим изменением О (около 0,8 кг/м час на градус повышения температуры). Значительный прирост проницаемости (1,5+1,7 кг/м2час) для обеих мембран наблюдался при I свыше 48+50°С. Но при

этом нативные свойства ценных сывороточных белков, содержащихся в ре-тентате, утрачиваются, что с позиций технологии функциональных продуктов питания неприемлемо. Кроме того, снижение селективности обеих мембран при I свыше 48-50°С может привести к тому, что часть белков попадет в пер-меат, что потребует его дополнительной очистки.

<2=Г(ДР)

0.1 0.2 0,3 0,4 0,5

Рабочее давление в канапе аппарата ДР. МП а

Ф = Г (ДР)

-1;491п(ДР) + 9.М2

"" і !М к- - 0.956

о.1 о.: о.з о.1 о.?

Рабочее даа-іегаїе в канале аппарата ДР. МПа

Рисунок 3 - Зависимость проницаемости (}иселективности мембран (• - УАМ-500. ■ - УАМ-150) от давления ДР при ультрафильтрации казеиновой сыворотки (1=8-5-12°С, У=0,15-0.2 м/с, С = 8-8,1%, т = 210-220 мин.)

Кроме величины рабочего давления и температуры разделяемой системы, существенное влияние на проницаемость 0 и селективность ф мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки оказывает, скорость потока в канале баромембранного аппарата (рисунок 4).

<3, кг/м2 час (} = 1(\")

4 = 10.1411107+ 4ЛЗЗ

<3,И= 10,101«(\'!+ 39.0 К-' П 063

0,05 0,15 0.25 0,35 0,-15

Скоростьциркуляции разделяемой системы V, м<с

Ч> = Г(\')

(Э,5„=-0,681П(\-)+ 95.48 і К: 0.'15Х

0.05 0,15 0.25 0,35 0,-15

Скорость циркуляции разделяемой системы V, м с

Рисунок 4 — Зависимость проницаемости Оиселектншюсти мембран (• - УАМ-500, ■ - УАМ-150) от скорости циркуляции потока в мембранном канале аппарата при ультрафильтрации казеиновой сыворотки (1=10-Н2°С. ДР=0,33-0,35 МПа. С = 8-8,1%. т = 210-220 мин.)

Анализ полненных зависимостей для мембран УАМ-150 и УАМ-500 показал, что для разделения казеиновой сыворотки могут быть использованы обе мембраны, так как максимальное приращение скорости их про-ницаемостей (с10,МУ) происходит в диапазоне У=0,15+0,25 м/с. Однако различия в значениях (р дает основание полагать, что предпочтение одного из типоразмеров будет определяться требованиями технологии дальнейшей переработки пермеата, регламентирующими содержание в нем остаточного количества белка.

Анализ графических зависимостей (рис. 5) С? = А[С) и ф = Г (С) при фиксированных значениях АР, V и I казеиновой сыворотки показал, что скорость снижения проницаемости мембран \УП = (К}/(1С увеличивается с возрастанием массовой доли сухих веществ (С,%) в разделяемой системе.

О, КГ/М" Ч.1С <2 = * (С

к

6 " 8 9 10 11 12 13 14

Массовая доля сухих ь-в в

(ХпделягмоЛспаеме С, "<>

Ф = Г (С)

.....•■■ .....К 1

-^«олэйс^игвс»

.....;......• 50 "Т !

; К:' ■).!)"> !

8 9 10 И 12 13 14

К (ассовая доля сухих в-в к разделяемойсистеме С. "о

Рисунок 5 - Зависимость проницаемости и селективности мембран (• - УАМ-500. ■ - УАМ-150) от массовой доли частиц дисперсной фазы в ре гентате при ультрафильтрации казеиновой сыворотки (1=10+12 С, ДР=0,33+0.35 МПа.У=0.15+0.2 м/с. т = 210+220 мин.)

При С= 12+12,2% параметр \УП —» оо, а начальное значение проницаемости мембран снижается в 4+5 раз. Дальнейшее увеличение массовой дали сухих веществ в ретентате ведет к росту селективности мембран выше ср = 96 % и падению проницаемости до О = 4+4,3 кг/м2час, что с экономической точки зрения может оказаться не рентабельным. Таким образом, при использовании аппаратов рулонного типа значение С= 12+12,2% следует принять как граничное, а для оптимизации наиболее значимых параметров процесса требуется исследовать их совокупное влияние на проницаемость мембран при заданных значениях их селективностей.

Оптимизация параметров процесса ультрафильтрации казеиновой сыворотки

С учетом результатов исследований влияния основных факторов на процесс ультрафильтрации казеиновой сыворотки был спланирован и про-

веден полный факторный эксперимент. Целевые функции определялись в виде О^Г^ЛрЛ ) и ф=12(Лр,\0, а варьируемые параметры соответственно -величины рабочего давления АР и скорости циркуляции V разделяемой системы. Анализируя поверхности отклика (рис. 6) проницаемости и селективности мембраны УАМ-500 установили оптимальные параметры процесса разделения.

СЗ=-И,71+120,0878'йр+10,1967-101,0574 йрМ,6567У-Лр-1,0895-У>

Рисунок 6 — Зависимость проницаемости 0 и селективности ср мембраны АМ-500 от величин рабочего давления (АР) и скорости циркуляции (V) казеиновой сыворотки в мембранном канале аппарата

Рисунок 7 — Сечение поверхности отклика, показывающее зависимость проницаемости 0 и селективности мембраны УАМ-500 от АР и V в канале ультрафильтрационного аппарата

30 Сииаиг ЙЛ {5ымка 6.0) Ц=гз,7ыго,оз8др^1о,гу-ю1,об-йр3-'1,ббдру-|,(ву

0,20 0,25 Давление, МПа

Установлено, что при ультрафильтрации казеиновой сыворотки на проницаемость О и селективность ф мембран превалирующее влияние ока-

зывает изменение величины рабочего давления АР разделяемой системы в канале баромембранного аппарата. Влияние скорости циркуляции V проявляется в форме межфакторного взаимодействия и в квадратичном виде.

Анализ соответствующих сечений поверхностей отклика (рис. 7) показал, что 0тах достигается при ДР =0,35-0,37 МПа и У=0,18-0,2 м/с. Но поскольку (ропт = 96-97% может быть получено при АР =0,38-0,4 МПа и У=0,2-0,25 м/с, то для мембран УАМ-500 целесообразно будет принять следующие оптимальные значения: ДР=0,37-Н),4 МПа и У=0,25-0,3 м/с.

Мойка, регенерация и санитарная обработка мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки.

Формирование загрязнений на мембранной поверхности происходит послойно за счет адсорбционного взаимодействия, прежде всего белковых молекул с мембраной, и чем более удалена частица дисперсной фазы от примем-бранного слоя, тем слабее её связь с мембранной поверхностью (рис. 8).

промывочный поток возы

промывочный поток возы

0,КГ/М;час 0=Г(Т)

+ 2.\&

г-

Оім

25 3 5 45 55

противоток пермеата

ООО

промывочный поток волы

Рисунок 8 - Условная схема удаления слоев загрязнений на мембранной поверхности при промывкеной поверхности при промывке

15

Время промывки Т. (М1Ш.)

Рисунок 9 - Зависимость проницаемости (^мембраны УАМ-500 поводе от длительности т промывки (•_ДР= 0. ■ - ДР = 0,3-0.35 МПа)

Для интенсификации процесса мойки мембран предлагается осуществить промывку (при АР =0) мембранной поверхности высокоскоростным потоком воды подготовленной по ГОСТ Р 51232-98, что способствует частичному разрушению и выносу с потоком удаленных «вторичных» слоев загрязнений. Анализ результатов экспериментальных исследований (рис. 9) показал, что при АР = 0 параметр 0 мембраны в среднем на 6-8% выше в сравнении со значением полученным при ДР = 0,3-0,35 МПа. В обоих случаях общее увеличение проницаемости носит монотонный характер и отличается от начального значения от 10-12% (ДР=0,3^0,35 МПа) до 18-20% (ДР = 0). Следовательно при ДР = 0 большая часть разрушенных потоком воды «вторичных» слоев загрязнений удаляется в составе ополосков. Последующая мойка мембранной поверхности с помощью хи-

мических реактивов позволяет восстановить проницаемость мембран УАМ-500 до 93+95% от исходных значений.

Четвертая глава посвящена исследованию состава и свойств технологических фракций ультрафильтрационного разделения казеиновой сыворотки и определению направлений дальнейшего их использования.

Изучение состава и физико-химических свойств ретентата казеиновой сыворотки.

Ретентат казеиновой сыворотки, полученный в результате её ультрафильтрационного разделения (УФР), может быть использован как сырье, содержащее ценные незаменимые сывороточные белки, в технологии различных, в том числе и функциональных, продуктов питания. Результаты сравнительных исследований органолептических и физико-химических показателей УФР и сывороточных белков, выделенных термодеиатурацией представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Сравнительная органолептическая оценка УФР и сывороточных белков, выделенных термоденатурацией (КСБТ)

Показатель УФР (КСБТ)

Внешний вид Кремоподобная, однородная масса Крупинчатая неоднородная масса

Консистенция Мажущаяся, нежная Песчанистая, грубая

Цвет Белый Желтовато-кремовый

Запах Кисловато-сывороточный

Вкус Чистый, кисломолочный, с легким сывороточным привкусом Кисломолочный с сывороточным привкусом

Общая оценка 4.6 3,1

Таблица 2 - Физико-химические показатели УФР

Наименование показателя Ретентат казеиновой сыворотки (УФР)

Массовая доля сухих в-в, % 16.0±0.3

Массовая доля белка, % 10.1±0,1

рН 4,3±0,1

Лактоза 3.8±0.1

Минеральные вещества 0,8±0,1

Кислотность, °Т 127±3,0

По общей органолептической оценке УФР на 0,5 балла превосходит КСБТ. Важным показателем, характеризующим возможность использования сырья в технологии продуктов питания, является содержание в нем потенциально опасных и токсичных веществ. С использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра (КВАНТ-2А) было определено содержание некоторых тяжелых металлов в УФР (таблица 3).

Таблица 3 - Содержание тяжелых металлов в УФР (р-0,95)

Наименование хим. элемента Содержание в УФР. мг/кг Допустимый уровень содержания по СанПиН 2.3.2.1078-01 для продуктов, мг/кг

Свинец 0.18 0.3

Мышьяк не обнаружен 1.0

Кадмий 0.07 0.2

Ртуть 0.01 0.03

При определении аминокислотного состава УФР использовался метод жидкостной хроматографии на аминокислотном анализаторе AMINO ACID AVALYZER Т 339. Установлено, что аминокислоты, содержащиеся в белках казеиновой сыворотки, практически все переходят в ретентат: валии, лейцин, фенилаланин и др. Результаты определения аминокислотного состава УФР представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Аминокислотный состав УФР в сравнении с сывороточными белками (р=0,95)

Аминокислота Содержание аминокислот, г/100 г белка

Белки (казеиновая сыворотка) [147] УФР

Аспарагиновая кислота 10.6 7.6

Треонин 5.2 4.6

Серин 5.2 4.1

Глутамииовая кислота 17.1 15.8

Глицин 1.7 1.2

Алании 5.3 4.3

Валин 5.7 5.2

Метионин 2.3 1.6

Изолейцин 6,5 6.0

Лейцин 12.3 9,8

Тирозин 3.8 3,4

Фенилаланин 4,4 4.1

Гистидин 1.7 1.5

Лизин 9,1 5.4

Аргинин 2.5 2.0

Поскольку технология кисломолочных продуктов предусматривает их выработку в течение определенного промежутка времени, нами проведены исследования микробиологических показателей УФР, как свежевырабо-танного, так и в процессе его хранения в герметичной упаковке при температуре 4± ГС (табл. 5).

Таблица 5 - Микробиологические показатели УФР

Показатель УФР

Свежий 5 суток 10 суток

КМАФАнМ, КОЕ/г (0,7±0,05)10^ (1,8±0,05)10' (3,6±0.05)10ч

(допускается не более 5-104)

БГКП (колиформы), в 1 г не обнаружены

Дрожжи, КОЕ/г отсутствуют

Плесени. КОЕ/г отсутствуют

Таким образом, полученный из казеиновой сыворотки УФР по своим физико-химическим, биохимическим и микробиологическим показателям может быть использован в технологии продуктов питания как источник нативных сывороточных белков.

Иссчедование возможности использования ретснтата казеиновой сыворотки в технологии получения альбуминной пасты

Предварительные исследования были направлены на разработку технологии альбуминной пасты из УФР казеиновой сыворотки с использованием априорной информации по применению КСБ. Нами проведены исследования по подбору специй (укроп, кориандр, чеснок) и фруктово-ягодных наполнителей для альбуминной пасты, органолептическая оценка образцов которой представлена в таблице 6.

Таблица 6 - Органолептические показатели альбуминной пасты из УФР

Показатель Паста со специями Паста фруктово-ягодная

Внешний вид Пастообразная масса, с включениями специй Однородная пастообразная масса

Консистенция Пастообразная Мажущаяся

Цвет Белый, с включением специй Кремовый, однородный

Вкус и запах Кисломолочный, с легким сывороточным привкусом и ароматом специй Кисло-сладкий, с привкусом и ароматом наполнителя

В технологии альбуминной пасты нами предусматривается применение высокожирных сливок и стабилизатора консистенции пектина (табл. 7).

Таблица 7 - Расход сырья на 1 т продукта при производстве альбуминной пасты из УФР казеиновой сыворотки, кг

Наименование сырья I (аста со специями Паста плодово-ягодная

УФР казеиновой сыворотки 900 770

Сливки, м.д. жира 40% 70 70

Пектин (м.д. влаги 8%) 25 20

Сироп плодово-ягодный (м.д. влаги 34%) - 80

Специи сухие 5 -

Паста натуральная яблочная - 60

Изучение физико-химических свойств пермеатаказеиновой сыворотки Для организации комплексной переработки казеиновой сыворотки необходимо эффективно использовать не только ретентат, но и пермеат (УФП), получаемый при ультрафильтрационном разделении. При определении органолептической оценки УФП была использована КООК в сравнении с пермеатом творожной сыворотки. Результаты исследования представлены в таблице 8. По обшей органолептической оценке пермеат творожной сыворотки на 0,3 балла превосходит УФП.

Таблица 8 - Сравнительная органолептическая оценка УФП

Показатель УФП Пермеат творожной сыворотки

Внешний вид Однородная прозрачная жидкость зеленоватого оттенка Однородная прозрачная жидкость зеленовато-желтого оттенка

Запах Кисломолочный, чистый

Вкус Кислый, с сильно выраженным сывороточным привкусом Кисловато-сладкий, с сывороточным привкусом, без посторонних вкусов

Общая оценка 2.6 2,9

С целью определения пути дальнейшего использование УФП, нами были определены массовая доля: сухих веществ, общего белка, лактозы, минеральных веществ, а также плотность, активная и титруемая кислотность (табл. 9).

Таблица 9 - Физико-химические показатели УФП

Показатель Пермеат казеиновой сыворотки (УФП)

Массовая доля сухих в-в. % 4,8±0,1

Общий белок, % 0.15±0.01

Лактоза 4.0±0,1

Минеральные вещества 0.8±0.05

рН 4,2±0.1

Кислотность. °Т 75±2,0

Плотность. кг/м"1 1018±2

Поскольку температура ультрафильтрации казеиновой сыворотки 10+12°С и параметры давления и скорости циркуляции разделяемой системы были ранее определены из условия оптимального сочетания проницаемости и селективности мембраны, то основным фактором, влияющим на состав УФП, является степень концентрирования. Результаты исследования влияния фактора концентрирования (ФК) на массовую долю сухих веществ, общего белка, лактозы и минеральных веществ в УФП представлены в таблице 10.

Таблица 10 - Зависимость состава УФГТ от ФК (р=0,95)

Фактор концентрирования Массовая доля,%

Сухие в-ва Белок Небелковый азот Лактоза Минеральные соли

1.5 5,0 0,08 0.17 4,00 0.77

2,0 5.1 0.08 0.18 4,05 0.78

2,5 5.15 0,08 0.185 4.08 0.80

3,0 5,2 0.085 0.19 4,10 0.80

3.5 5.25 0.085 0.20 4.16 0.82

4.0 5.3 0.1 0.21 4.18 0.82

Анализ результатов исследования минерального состава УФП, в сравнении с пермеатами подсырной и творожной сывороток (табл. 11) показал, что его уровень минерализации самый высокий.

Таблица 11 - Минеральный состав пермеатов молочной сыворотки (р=0,95)

Наименование образца Минеральный состав мг/100мл (мг %)

N3" К+ Са+2 МрГг Р+5

Пермеат подсырной сыворотки 45.5 123,0 36.5 6.5 43.0

Пермеат творожной сыворотки 39,8 153.0 92.8 9.0 58,0

УФП 68.4 178.0 136.5 10.5 93.0

Таким образом, с одной стороны, повышенное содержание макроэлементов в пермеате казеиновой сыворотки может характеризовать его как уникальную основу для приготовления нового класса минерализованных напитков, что требует отдельного исследования. С другой стороны, УФП может быть использован для производства лактозы и её производных только после дополнительной обработки.

Іісаіедование возможности использования пермеата казеиновой сыворотки в технологии производства глюкозо-галактозного сиропа.

Предлагаемая нами технология глюкозо-галактозного сиропа основана на методе ферментативного гидролиза лактозы. Принимая во внимание, что УФП имеет рН (4,2±0,1), нами была выбрана р-галакгозидаза, относящаяся к кислым лактазам (оптимум рН 3,0^5,0) и продуцируемая промышленными штаммами мицелиальных грибов Азре^Шиэпщег и Авре^ШиБогутае.

Учитывая качественные характеристики УФП - относительно низкое содержание лактозы и высокое содержание минеральных веществ, на первом этапе исследований был проработан вопрос концентрирования пермеата, а на втором - деминерализации. Сгущение УФП проводилось в вакуум-выпарной установке до концентрации (2СН-22)% сухих веществ, а деминерализация под-сгущенного УФП осуществлялась на электродиализной установке.

В качестве объекта для ЭД-обработки был выбран УФП с титруемой кислотностью (80±2) °Т, рН (3,25 ± 0,05) и концентрацией сухих веществ (20,1 ± 0,1) %. Основная задача данного этапа исследований заключалась в выявлении закономерностей раскисления и деминерализации УФП в процессе деминерализации. Работа проводилась на электродиализной полупромышленной установке ЭД-У с 10-ю ячейками. Нами использован приём с переполюсовкой мембранного пакета после каждого эксперимента. Температура ЭД-процесса поддерживалась в диапазоне (18^20)°С. Анализ результатов показал, что во всех экспериментах отклонение регистрируемых параметров от средних значений находилось в пределах (3^5)% (табл. 12). Для сравнения кинетики процессов раскисления и деминерализации была введена и проанализирована вспомогательная функция:

5Г = АГ/А0, (1)

где: А,и А„- текущее и начальное значения анализируемого параметра, в частности, титруемой кислотности и электропроводности.

Таблица 12 — Электродиализная обработка подсгущенного УФП

Время, минут Титр, кислотность, °т Ток. А УФП мСм/см рНУФП рН конц-та рН Эл.р-ра

0 80 0.67 7.37 3.25 2.13 9.40

15 69 0.65 5.18 3.34 2.54 3.73

30 60 0.63 3.95 3.36 2,95 2.95

45 55 0.51 3.09 3.44 3.01 2.54

60 47 0.39 2.53 3.50 3,04 2.35

75 43 0.30 2.07 3.61 3.08 2.21

90 38 0.22 1.71 3.70 3.10 2.15

105 34 0.16 1.41 3.82 3.13 2.08

120 30 0.12 1.14 3.94 3.15 2.04

Для наглядной характеристики эффективности процесса электродиализного обессоливания в таблице 13 приведены значения титруемой кислотности (ОК) и электропроводности (ОЭ) УФП, выраженные в относительных единицах и рассчитанные по формуле (1).

Таблица 13 - Изменение относительной кислотности и электропроводности подсгущенного УФП в процессе электродиализа

Время, мин. 0 15 30 45 60 75 90 105 120

ОК 1.0 0,86 0.75 0.69 0.58 0.54 0.47 0.42 0,37

ОЭ 1.0 0.70 0.53 0.42 0.34 0.28 0.23 0.19 0,15

Анализ полученных данных показывает, что в начальный период ЭД-обработки УФП его электропроводность понижается более интенсивно, чем титруемая кислотность, однако в дальнейшем темп снижения этих параметров выравнивается. Для поставленных целей проводимого исследования достаточен уровень деминерализации УФП (50+60)%. Следует отметить, что после снижения титруемой кислотности от 80°Т до 30 °Т активная кислотность УФП повысилась с 3,25 до 3,94 ед. рН. Объем продукта при уровне деминерализации (60+70)% снижается, в результате электроосмотического переноса воды (на 8+10%), и также понижается концентрация сухих веществ (СВ) с (20,1 ± 0,1) до (18,2 ± 0,1).

Таким образом, анализ полученных результатов исследований подтверждает целесообразность использования предварительного концентрирования и электродиализной обработки для направленных изменений физико-химических показателей УФП (повышение содержания лактозы, снижение уровня минеральных веществ и титруемой кислотности) с целью дальнейшей его переработки на глюкозо-галактозный сироп.

На следующем этапе исследований изучались основные закономерности гидролиза лактозы в деминерализованном УФП с различной концентрацией сухих веществ. В экспериментах использован фермент «Лактока-несцин» отечественного производства (ЗАО «Фермент»), имеющий оптимум при рН =3+5. На рисунке 10 показана кинетика ферментативного гидролиза лактозы под действием препарата «Лактоканесцин» в УФП натуральном и деминерализованном. Анализ результатов последующих экспериментов показал, что гидролиз лактозы проходит интенсивнее в деминерализованном подсгущенном УФП (рис. 11).

Кинетика ферментативного гидролиіа

Продолжительность ферментации, час.

Рисунок 10 - Кинетика ферментативного гидролиза в деминер&пизованном (55±2%) и натуральномУФП

Продолжительность пиролиза, час.

Рисунок 11 — Влияние массовой доли СВ в деминерализованном УФП

на степень гидролиза лактозы: А-5,0±0,2%СВ; В-10±0.5 %; С-20±1 % СВ

Анализ результатов выполненных исследований позволил установить оптимальные параметры процесса гидролиза лактозы в деминерализован-

ьо

45 а 40

к 35 . ,

О ЗО і ■ уґ ^^ •

§■ 25 /"/•

С 20 А/*

¡а 15 // 15.9

К - 0.96 <

------0---.........і - • т-----' 1------Г .....Г" 1

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

ном подсгущенном УФП: максимальная степень гидролиза (75+80)% достигается при температуре (50+52,0) °С, а время выдержки составляет 3+3,5 часа. Таким образом, с точки зрения эффективности процесса ферментации в УФП казеиновой сыворотки следует проводить его сгущение до концентрации СВ до 19+21 % и деминерализацию на уровне 50+60%.

В пятой главе разработана технологическая схема комплексной переработки казеиновой сыворотки, включающей переработку ретентата и

пермеата (рис. 12).

В технологии получения глюкозо-галактозного сиропа подсгущение пермеата (до (20±1)% СВ) проводят в вакуум - выпарном аппарате при температуре (65±2) °С.

Рисунок 12 - Технологическая схема комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением

Деминерализацию подсгущенного пермеата осуществляют в электродиализной установке при температуре (18±2) °С. Гидролиз лактозы в подсгущен-ном пермеате проводят при температуре (40±2) °С в реакторе-ферментере, оснащенном рубашкой и мешалкой, путем внесения необходимого количества фермента Р-галакточидазы (1,5л на 1 т пермеата). Ферментированный сироп сгущают до (65±1 )% СВ и расфасовывают в канистры по 25 кг. В таблице 14 приведены органолептические характеристики TTC из УФП.

Таблица 14 - Органолептическая оценка ГГС из УФП

Наименование показателя Характеристика показателя для продукта

Внешний вид и консистенция Сироп, консистенция характерная для сгущенных продуктов

Вкус и запах Сладкий, чистый, без посторонних привкусов и запахов

Цвет От светло-золотистого до светло-желтого

Таким образом, все показатели ГГС из УФП соответствуют требованиям СТО 02067965-005-2011 «Технология комплексной переработки казеиновой сыворотки».

Экономические аспекты использования аппаратурно-технологичес-кой схемы комплексной переработки казеиновой сыворотки.

Инновация оценивается не только по технологическим параметрам, но и в совокупности - с точки зрения экономической эффективности с учетом экологической оценки и социальной значимости. Расчетный годовой экономический эффект от производства и реализации альбуминной пасты составляет 490-500 тыс. руб. на 1 т казеиновой сыворотки. А чистая прибыль при использовании 1 т глюкозо-галактозного сиропа, в зависимости от вида продукта, вырабатываемого с его применением, может составить 25-35 руб. Основа социальной значимости разработанной технологии -сохранение окружающей среды путем решения экологической проблемы сброса в очистные сооружения казеиновой сыворотки.

ВЫВОДЫ

1. Обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность комплексной переработки казеиновой сыворотки с применением процесса её ультрафильтрации, изучены состав, физико-химические свойства и органолептические показатели пермеата и ретентата казеиновой сыворотки, выработанные с использованием полимерных мембран марок УАМ-150 и УАМ-500.

2. Получены математические зависимости, позволяющие определить оптимальные значения основных параметров проведения процесса ультрафильтрации (ДР=0,38-0,4 МПа, У=0,25-0,3 м/с), обоснованы граничные показатели массовой доли сухих веществ (С=12-12,2%) в ретентате, тем-

пературы (t=l2+13°C) и длительности ультрафильтрационного разделения (х = 7+7,5 часов) казеиновой сыворотки с использованием полимерных мембран марки УАМ-500.

3. Разработаны рекомендации по мойке и регенерации полимерных мембран, предусматривающие предварительную промывку мембранной поверхности при ДР=0, V=0,35+0,4 м/с и t=20+220C, что позволило восстанавливать проницаемость мембран УПМ-500 до 93-95% от исходного значения этого параметра при сохранении заданного уровня селективности.

4. Установлены оптимальные параметры концентрирования (20+21% СВ) и уровня деминерализации (50+60)% УФП казеиновой сыворотки, обеспечивающие степень гидролиза лактозы 75-80% при использовании отечественного ферментного препарата ß-галактозидазы «Лактоканесцин».

5. Предложена технологическая схема комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением и утверждена нормативная документация СТО 02067965-005-2011 «Технология комплексной переработки казеиновой сыворотки».

6. Разработана и апробирована технология получения альбуминной пасты на основе УФР казеиновой сыворотки (90%), сливок (7%), пектина (2,5%) и сухих специй (0,5%), а также на основе УФР (77%), сливок (Т/а), пектина (2%), сиропа плодово-ягодного (8%) и пасты натуральной яблочной (6%);

7. Разработана технология получения ппокозо-галактозного сиропа с содержанием сухих веществ (65+70)% на основе деминерализованного подсгущенного УФП казеиновой сыворотки.

8. Экологическая и технико-экономическая оценка разработанных технологий производства альбуминной пасты и глюкозо-галактозного сиропа из ретентата и пермеата казеиновой сыворотки подтвердила их эффективность и высокую социальную значимость.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Чернов, П.С. Сравнительный анализ коэффициента гидравлического сопротивления [Текст] / П.С. Чернов, A.A. Ситникова // Научные труды №31 (часть 5) «Окно в науку» (под ред. д.и.н. В.А. Казначеева). - Пятигорск : Издательство «Технологический университет», 2008 г. - С. 30-34.

2. Чернов, П.С. Новый способ применения числа Лейбензона в гидравлических расчетах [Текст] / П.С. Чернов, А.Т. Саркисов // Научные труды №31 (часть 5) «Дни науки» (под ред. д.и.н. В.А. Казначеева). - Пятигорск : Издательство «Технологический университет», 2008. - С. 19-21.

3. Чернов, П.С. Очистка сточных вод методом напорной флотации [Текст] / И.А. Вишняков, В.Г. Бабенко 7/ Материалы 3 международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» г. Пятигорск, 29-30 октября 2009 г. - Пятигорск : РИА-КМВ, 2009.-С. 292-297.

4. Евдокимов, И.А. Изучение ультрафильтрационного концентрирования молока с целью создания технологии мягкого сыра [Текст] / И.А. Евдокимов, О.И. Егоров, A.C. Сардак, Чернов П.С. // Научное обеспечение молочной отрасли». Сборник научных трудов. - М.: ГНУ ВНИМИ, 2010. - С. 57-62.

5. Сардак, A.C. Использование концентрата сывороточных белков казеиновой сыворотки для непрерывного производства мягкого сыра [Текст] / A.C. Сардак, П.С. Чернов, O.A. Суюнчев, В.М. Клепкер // Материалы XIV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — СевероКавказскому региону». Том 1. Ставрополь : СевКавГТУ, 2010. - С. 36-38.

6. Бабенышев, С.П. Методика проведения исследований процесса ба-ромембранного разделения жидких высокомолекулярных полидисперсных систем [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов // Сборник материалов межвузовской научно-практической конференции «Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях» (Ставрополь, 19-20 мая 2010 г.).-Ставрополь : СТИС, 2010.-С. 72-75.

7. Чернов, П.С. Гидравлический расчет истечения жидкости при переменном напоре [Текст] / П.С. Чернов, А.Т. Саркисов, A.A. Шахназарьян // Научные труды №33 (часть 5) «Окно в науку» : под ред. д.и.н. В.А. Каз-начеева. - Пятигорск : Издательство «Технологический университет», 2010. - С. 16-21.

8. Чернов, П.С. Применение числа Лейбензона при течении вязко-пластичных жидкостей [Текст] / П.С. Чернов, А.Т. Саркисов // Научные труды №33 (часть 5) «Дни науки» : под ред. д.и.н. В.А. Казначеева. - Пятигорск: Издательство «Технологический университет», 2010. - С. 22-25.

9. Бабенышев, С.П. Разработка модели потока жидкой высокомолекулярной полидисперсной системы в канале баромембранного аппарата [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай // Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА». № 1(2), 2011. - С. 62-65.

10. Чернов, П.С. Технологические и экологические предпосылки применения мембранной технологии разделения жидких полидисперсных систем [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай // Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА». № I (2), 2011. - С. 65-71.

11. Чернов, П.С. Применение мембранной технологии для очистки растительного масла [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай //Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА». - 2011. - № 1(2). - С. 72-75.

12. Чернов, П.С. Методологические аспекты разработки математической модели процесса баромембранного разделения [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов // Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - 2011. - № 4(5). - С. 23-26. Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА».

13. Бабенышев, С.П. Особенности математического описания потока пермеата молочной сыворотки [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов // Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА». - 2011. - № 4(5). - С. 27-30.

14. Бабенышев, С.П. Моделирование процесса мембранной фильтрации [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов // Научно-практический многопредметный журнал «НаукаПарк». - Ставрополь : ООО Издательский Дом «ТЭСЭРА». - 2011. - № 4(5). - С. 31-34.

15. Бабенышев, С.П. Проблема баромембранной переработки молочной сыворотки в контексте производства питьевой воды [Текст] / С.П. Бабенышев, И.А. Евдокимов, Чернов П.С. // Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Современные достижения биотехнологии». Ч. 1. - Ставрополь : НОУ ОНТЦМП, 2011. - С. 27-31.

16. Бабенышев, С.П. Особенности описания потока пермеата творожной сыворотки через нанопористые мембраны [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай // Техника и технология пищевых производств. -Кемерово: КемТИПП.-2012.-№ 1.-С. 110-115.

17. Чернов, П.С. Некоторые аспекты моделирования процесса мембранной фильтрации жидких полидисперсных систем [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай // Научное обозрение, - Саратов : ИД «Наука образования». - 2012. - № 1. - С. 90-94.

18. Бабенышев, С.П. Моделирование процесса мембранной фильтрации жидких систем [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов, Д.С. Мамай //Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. -Краснодар : КубГАУ. - 2012. - №76(02).

19. Чернов, П.С. Использование осредненных характеристик в процессе мембранной фильтрации [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов //Материалы V международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 26-29 марта 2012 г.). - Пятигорск : РИА-КМВ, 2010. - С. 439-443.

20. Чернов, П.С. Исследование моделей мембранного разделения жидких высокомолекулярных полидисперсных систем [Текст] / С.П. Бабенышев, П.С. Чернов // Материалы V международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 26-29 марта 2012 г.). - Пятигорск : РИА-КМВ, 2010. - С. 443^48.

21. Чернов, П.С. Изучение процесса мембранной фильтрации [Текст] / П.С. Чернов // Материалы I Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы естественных и технических наук». -Ставрополь : Центр научного знания «Логос», 2012. - С. 53-56.

22. Чернов, П.С. Исследование закономерностей движения потока пермеата молочной сыворотки [Текст] / П.С. Чернов // Материалы I Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы естественных и технических наук». - Ставрополь : Центр научного знания «Логос», 2012. - С. 56-60.

Подписано в печать 05.04.2012

Формат 60x84/16. Гарнитура Times New Roman Бумага офсетная. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1,6. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 110 экз. Заказ № 12045.

ООО «Ставропольское издательство «Параграф» 355017, г. Ставрополь, ул. Мира, д. 278 «Г» тел.: 8(8652) 24-55-54

Отпечатано в ООО «Ставропольское издательство «Параграф»

61 12-5/3411

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УДК 66.081.63:637.146.4:677.051.122.44 На правах рукописи

ТЕХНОЛОГИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КАЗЕИНОВОЙ СЫВОРОТКИ С УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных

продуктов и холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Бабенышев С.П.

доктор технических наук, доцент

Ставрополь - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11

1.1 Казеиновая сыворотка, необходимость и целесообразность ее баромембранного разделения 11

1.2 Мембранный метод выделения белков из казеиновой сыворотки 20

1.3 Методы интенсификации процесса ультрафильтрации белковых растворов 31

1.4 Цель и задачи исследования 39 Глава 2. Методология и организация выполнения работы 41

2.1 Организация работы и методы исследований 41

2.2 Экспериментальное оборудование и ультрафильтрационные мембраны для молочной сыворотки 47

2.3 Обработка результатов исследований 53 Глава 3. Изучение процесса ультрафильтрации казеиновой сыворотки 56 3.1 Теоретические аспекты методики расчета проницаемости мембран при ультрафильтрационном разделении казеиновой 56 сыворотки

3.2 Определение проницаемости и селективности мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки на аппаратах рулонного типа 67

3.3 Оптимизация параметров процесса ультрафильтрации казеиновой сыворотки 87

3.4 Мойка, регенерация и санитарная обработка мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки. 93 Глава 4. Исследование состава и свойств технологических фракций ультрафильтрационного разделения казеиновой сыворотки и определение направлений их использования 99

4.1 Изучение состава и физико-химических свойств ретентата казеиновой сыворотки 99

4.2 Исследование возможности использования ретентата казеиновой сыворотки в технологии получения альбуминной пасты 105

4.3 Изучение физико-химических свойств пермеата казеиновой сыворотки 107

4.4 Исследование возможности использования пермеата казеиновой сыворотки в технологии производства глюкозо-галактозного сиропа 111 Глава 5. Разработка технологии комплексной переработки казеиновой сыворотки 121

5.1 Технологические процессы получения глюкозо-галактозного сиропа и альбуминной пасты

5.2 Экономические аспекты использования аппаратурно-технологической схемы комплексной переработки казеиновой сыворотки

5.3 Экологическая и социальная составляющие комплексной оценки технологии переработки казеиновой сыворотки Выводы 138 Литература 140 Приложения 162

121

125

135

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывный рост цен на основные виды энергоносителей, повышение требований к качеству готовой продукции стали объективной реальностью современной перерабатывающей отрасли пищевого производства. С учетом ужесточения конкуренции с нарастающим импортом продовольственных товаров [73], задачи разработки и внедрения энергосберегающих технологий в пищевой и в том числе молочной промышленности приобретают особую остроту. Дальнейшее гармоничное развитие всего человеческого сообщества сводится, в конечном счете, к необходимости решения следующих основных, тесно взаимосвязанных, задач: обеспечение населения водой и полноценными продуктами питания, с одной стороны и поддержание баланса между сохранением окружающей среды и безопасностью проживания - с другой стороны [19]. Следует отметить, что их успешное решение возможно только на основе организации рационального использования природных сырьевых ресурсов. При этом решающее значение имеет не только энергетическая составляющая продуктов питания, но и их биологическая и пищевая ценность [42]. Наращивание объемов выпуска продуктов питания в полной мере не может решить проблему продовольственной безопасности, так как в современном производстве рационально используют примерно 18-25% исходного сырья [20]. А отходы производства, попадая в окружающую среду, всегда оказывают на нее негативное воздействие. Существующие в настоящее время системы очистных сооружений, предназначенные для утилизации стоков молочных предприятий, не могут обеспечить полное извлечение загрязняющих компонентов, позволяя лишь снизить их концентрацию. В таких условиях биосфера, принимая не полностью очищенные сточные воды, с трудом выполняет задачу нейтрализации содержащихся в них вредных примесей. И всё чаще природная среда не справляется с нарастающим потоком этих загрязнений, что создает условия для нарушения экологического баланса в

биосреде. Между тем основная их часть, например казеиновая сыворотка, является ценным вторичным сырьем [30,45]. Развитие баромембранной технологии позволяет значительно увеличить степень комплексной переработки такого сырья и соответственно снизить долю вредных выбросов в окружающую среду [148,214].

Следует отметить, что в последние десятилетия во всем мире отмечается рост потребления кисломолочных продуктов, поскольку они имеют уникальные оздоровительные свойства [12,30,31,32,34,46,87,93,96,144]. Например, молочная сыворотка, наименее энергетически ценный молочный продукт, обладает выраженным свойством возбуждать секрецию желез желудочно-кишечного тракта, в ней содержится до 50 % сухих веществ молока, в том числе около 30 % белков. Одним из самых ценных компонентов молочной сыворотки являются сывороточные белки, содержание которых в ней достигает 1% [141,144, 150]. Они обладают ценными биологическими свойствами, а с точки зрения физиологии питания они «идеальны», так как содержат оптимальный для организма человека набор необходимых аминокислот. Для человека при современном ритме жизни, неблагоприятной экологической среде большее значение имеет не энергетическая ценность питания, а обеспечение его высокой биологической и пищевой ценностью [105,106,129]. Поэтому сегодня во многих странах отмечается рост потребления низкокалорийных кисломолочных продуктов. Не случайно в трудах многих известных врачей утверждения о лечебных свойствах пахты, обезжиренного молока и особенно молочной сыворотки при назначении диеты больным, страдающим ожирением и сердечно-сосудистыми заболеваниями [31,150].

Комплексное использование молочной сыворотки при производстве молочного сахара, белковых концентратов и других ценных продуктов нашло свое отражение в трудах таких известных ученых как Н.Н.Липатов, А.Г. Храмцов, H.H. Липатов-(мл), В.Д. Харитонов, М.В. Залашко, К.К. Полянский, В.Е. Жидков, Фетисов, И.А. Евдокимов, П.Г. Нестеренко, П.Ф. Крашенинин,

Э.Ф. Кравченко, Т. Paterson, К.Н. Ridel, Т. Senkevich, W. Zadow, В. Horton и многих других [25, 36, 51, 76, 85, 89, 90, 109, 139, 142, 153]. Развитие баромембранной технологии, применение которой позволяет выделять компоненты дисперсной фазы сыворотки в нативном состоянии, открыло новые возможности в производстве продуктов питания [134,153]. Многочисленные данные [14,52,53,59,61,62,63,69,78,80,103,114,123,136] показывают, что отличительными особенностями баромембранных процессов разделения являются небольшие габариты и малая энергоемкость оборудования, невысокая температура процессов, низкая стоимость полупроницаемых полимерных мембран и т.д. Это дает основание полагать, что с точки зрения экономики и экологии технологии, основанные на применении баромембранных методов переработки молочного сырья становятся наиболее перспективными технологиями XXI века.

В настоящее время проблема комплексной переработки молочной сыворотки может быть решена на основе двух подходов:

- использование содержащихся в ней сухих веществ в комплексе как ингредиента в производстве хлебобулочных изделий, напитков, десертов и мороженого, а также для приготовления питательных сред, кормов и удобрений, моющих средств, косметики и оздоровительных ванн и т.п.;

- раздельное использование всех составных компонентов, что дает возможность получать в различном виде сывороточные белковые концентраты, в том числе с полисахаридами (пектин, хитозан), сухую деминерализованную, безлактозную сыворотку, молочный сахар, минерализат солей и т.д. [97].

Актуальность работы.

Гармоничное развитие человеческого сообщества, в конечном счете, сводится к решению двух основных задач: обеспечение населения водой, полноценными продуктами питания и сохранение окружающей среды. Их решение возможно только на основе организации рационального использования природных сырьевых ресурсов.

Урбанизация современного общества приводит к тому, что при производстве рафинированных продуктов питания недооценивается значение минеральных веществ, витаминов и белков, которые могут быть получены в результате переработки казеиновой сыворотки при её баромембранном разделении. Развитие баромембранной технологии позволяет выделять компоненты дисперсной фазы сыворотки, в частности белки, в нативном состоянии, повышая тем самым не только эффективность использования сырьевых ресурсов молочной промышленности, но и способствует организации безотходного производства, обеспечения сохранности окружающей среды. Одной из причин, обуславливающих не достаточно широкое применение баромембранных процессов, в частности ультрафильтрации молочной, в том числе и казеиновой сыворотки, является пока не до конца решенная проблема - концентрационная поляризация. Она характеризуется, в первую очередь, образующейся в примембранной зоне аппарата области с повышенной концентрацией частиц дисперсной фазы подвергающейся разделению системы. Для количественного определения показателя концентрационной поляризации и расчета основных параметров процесса баромембранного разделения казеиновой сыворотки, как правило, необходимо проведение достаточно большого объема экспериментальных исследований. Кроме того отсутствие адаптированных для большинства малотоннажных производств технических условий и технологического регламента делают невозможным выпуск сертифицированной продукции. Попытки отдельных передовых предприятий решить эти задачи силами собственных инженерных служб наталкиваются не только на слабое научное обеспечение, но ощутимые материальные затраты. Всё это обуславливает необходимость разработки и внедрения новейших технологий, что позволит решить эти задачи.

Вопросам рационального, комплексного использования молочной сыворотки посвящены труды таких известных ученых как H.H. Липатов, М.С. Коваленко, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, H.H. Липатов (мл), C.B.

Василисин, В.Д. Харитонов, М.В. Залашко, В.Е. Жидков, К.К. Полянский, П.Г. Нестеренко, Г.Б. Гаврилов, П.Ф. Крашенинин, Э.Ф. Кравченко, Т. Paterson, К.Н. Ridel, Т. Senkevich, W. Zadow, В. Horton и др.

Вместе с тем вопросам переработки казеиновой сыворотки в настоящее время уделяется недостаточно внимания. Таким образом, дальнейшая разработка технологии казеиновой сыворотки на основе совершенствования процесса её ультрафильтрационного разделения является актуальной научной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка технологии комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением и определение путей использования получаемых пермеата и ретентата.

Объект исследования. Образцы казеиновой сыворотки, полученной согласно ГОСТ Р 53438-2009 при опытной выработке казеина на ОАО МК «Ставропольский».

Область исследований. Изучение физико-химических свойств, органолептических показателей и разработка комплексной технологии продуктов ультрафильтрационного разделения казеиновой сыворотки на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа.

Рабочая гипотеза состоит в предположении о том, что эффективность технологии казеиновой сыворотки повышается при её баромембранном разделении в ультрафильтрационных аппаратах рулонного типа, что позволит адаптировать известные методы производства альбуминной пасты и глюкозо-галактозного сиропа к переработке получаемых при этом ретентата и пермеата.

На защиту выносятся следующие основные результаты выполненных исследований:

- переработка казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением на полимерных мембранах рулонного типа;

- оптимальные параметры процесса ультрафильтрации казеиновой сыворотки и математические зависимости, описывающие влияние основных факторов на проницаемость и селективность полимерных мембран;

- организация процесса мойки и регенерации полимерных мембран, используемых для ультрафильтрации казеиновой сыворотки;

- оптимальные значения параметров концентрирования и деминерализации пермеата казеиновой сыворотки и использование ферментного препарата отечественного производства для гидролиза лактозы;

- разработка технологической схемы комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением;

- использование ретентата казеиновой сыворотки в производстве пищевых продуктов;

- параметры очистки и обработки пермеата казеиновой сыворотки и технология его дальнейшего использования;

- совокупная оценка эффективности комплексной технологии переработки казеиновой сыворотки.

Научная новизна. Научно обоснована целесообразность комплексной переработки казеиновой сыворотки с применением процесса ультрафильтрации. Изучены состав, физико-химические свойства и органолептические показатели пермеата и ретентата казеиновой сыворотки. Определены основные закономерности и получены расчетные зависимости, адекватно описывающие в физических величинах влияние основных внешних факторов на проницаемость и селективность мембран при ультрафильтрации казеиновой сыворотки на аппаратах с полимерными мембранами рулонного типа. Установлены оптимальные значения рабочего давления, скорости циркуляции, граничные - массовой доли сухих веществ,

температуры казеиновой сыворотки и длительности процесса её ультрафильтрации. Теоретически обоснованы и практически определены параметры концентрирования и электродиализной обработки пермеата казеиновой сыворотки при использовании фермента кислой грибной лактазы в технологии получения глюкозо-галактозного сиропа.

Практическая значимость работы. Разработана технологическая схема и апробирована технология комплексной переработки казеиновой сыворотки с ультрафильтрационным разделением на аппаратах рулонного типа (СТО 02067965-005-2011 «Технология комплексной переработки казеиновой сыворотки»). Обоснован выбор полимерных мембран рулонного типа для ультрафильтрации казеиновой сыворотки, разработаны рекомендации по их мойке, регенерации и санитарной обработке. Опытно-промышленные выработки глюкозо-галактозного сиропа на основе пермеата и альбуминной пасты на основе ретентата казеиновой сыворотки проведены на МК «Ставропольский».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных региональных научно-практических конференциях: «Инновационные направления в пищевых технологиях» (г. Пятигорск, 2009 г.), «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» и «Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях», (г. Ставрополь, 2010 г.), «Современные достижения биотехнологии» (г. Ставрополь, 2011 г.), «Инновационные направления в пищевых технологиях» (г. Пятигорск, 2012 г.), «Достижения и перспективы естественных и технических наук» (г. Ставрополь, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 22 печатных работах, включающих 3 издания, рекомендованных ВАК РФ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1Л Казеиновая сыворотка, необходимость и целесообразность ее баромембранного разделения

Дальнейшее движение человечества по пути технического прогресса и, как следствие, значительное во всем мире ухудшение экологической обстановки, а также дисбаланс отдельных компонентов ежедневной пищи, привели к появлению новых и обострению известных болезней, связанных с нерациональным питанием [31,65,119]. По мнению ряда экологов, среда обитания современного человека характеризуется нарастающим негативным влиянием техногенных факторов [107,137,162]. Это, прежде всего, неорганические и органические токсические вещества, поступающие с водой, пищей, с вдыхаемым воздухом, радиоактивное, ионизирующее излучение и т.п. Воздействие экологических факторов на организм не только сокращает продолжительность жизни, но и увеличивает частоту врожденных патологий, в том числе и иммунодефицит.

Заболевания, возникновение которых связано с нарушением питания, обусловлены, как правило, недостатком продуктов питания или избыточным потреблением некоторых пищевых веществ. По данным ГУ НИИ питания РАМН - это касается чаще всего рафинированного сахара и животных жиров, при дефиците полиненасыщенных жирных кислот. Что привело к фак