автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Технология концентрированной молочной сыворотки с промежуточной влажностью

/7: С/ О - в'7 о О- У

I / .< V -■/'' ^ -К. .У' /' И*

.. / ^ / ' Ъ^*

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ставропольский государственный технический университет

На правах рукописи ЛОДЫГИН ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ Л Я С*» ! 1 \1

УДК 637.344.004.14:637.133.1

ТЕХНОЛОГИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ

Специальность: 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ, академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор ХРАМЦОВ А.Г.

член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор, академик РАТН СЕРГЕЕВ В.Н.

СТАВРОПОЛЬ-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1.1. Состав и свойства молочной сыворотки как объекта исследования 7

1.2. Способы концентрирования молочной сыворотки 18

1.3. Продукты с промежуточной влажностью и их

место среди пищевых концентратов 32

1.4. Наполнители и их влияние на формирование структуры пищевых концентратов 35

1.5. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследования 39

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 43

2.1. Организация работы 43

2.2. Методы физико-химических и микробиологических исследований 43

2.3. Методы структурно-механических исследований 47

2.4. Планирование эксперимента и обработка результатов исследований 48

Глава 3. ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКЕ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ 49

3.1. Теоретическое обоснование технологии концентрированной молочной сыворотки с промежуточной влажностью 49

3.2. Экспериментальная проверка оптимального соотношения компонентов в модельных системах 52

3.3. Обработка результатов эксперимента 53

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ 62

4.1. Изучение форм связи влаги в концентратах 62

4.2. Определение активности воды в концентратах и влияние на ее изменение способов хранения 70

4.3. Оценка влияния активной кислотности в концентратах

и ее изменение в процессе хранения 73

4.4. Обсуждение результатов исследований 75 Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КОНЦЕНТРАТОВ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ 76

5.1. Изучение сдвиговых характеристик концентратов 76

5.2. Изучение поверхностных и пенетрационных характеристик продукта 88

5.3. Обсуждение результатов исследований 96 Глава 6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ

МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ И ОЦЕНКА ЕЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ 98

6.1. Обоснование оптимальных режимов технологического процесса 98

6.2. Аппаратурно- процессовая и технологическая схемы разрабатываемой технологии 102

6.3. Блок-схема алгоритма получения концентрированной молочной сыворотки с промежуточной влажностью 105

6.4. Состав и свойства концентрированной молочной сыворотки и

ее использование 106

6.5. Промышленная апробация разработанной технологии и перспективы ее реализации 108

6.6. Экономическая и экологическая оценка технологии молочной сыворотки с промежуточной влажностью 111

ВЫВОДЫ 113

ЛИТЕРАТУРА 119

ПРИЛОЖЕНИЯ 132

ВВЕДЕНИЕ

Современная пищевая технология позволяет обеспечить комплексную переработку и более полное использование многих видов сельскохозяйственного сырья наряду с резким сокращением его потерь и отходов, а также побочных продуктов. Характерная и экономически важная тенденция развития пищевой технологии заключается в стремлении возможно более полно разделить сырье на ценные, однородные по составу и свойствам, легко сохраняемые и перерабатываемые пищевые вещества с последующим получением на их основе высококачественных продуктов.

Эта идея многие века лежала в основе стратегии развития пищевой технологии, нацеленной на снижение потерь, повышений рентабельности и расширение ассортимента продуктов. Значение этой стратегии возрастает при освоении новых видов продовольственного сырья, создании и развитии новых технологий и освоении на. их основе различных продуктов с заданным составом и функциональными свойствами [17,18].

Анализ диспропорции между современными достижениями науки в области пищевой технологии и уровнем переработки молока указывает на актуальность и необходимость внедрения достижений науки и техники в молочную отрасль АПК, особенно важным представляется углубление и повышение уровня переработки вторичных ресурсов - молочного белково-углеводного сырья (обезжиренное молоко, пахта и молочная сыворотка).

По мнению ведущих ученых и специалистов отрасли приоритеты развития науки при переработке вторичного молочного сырья в пищевые и

кормовые продукты определяется следующими проблемами:

- разработка научных основ, энергоэкономных технологий концентрирования вторичного молочного сырья, выделения наиболее ценных компонентов;

- разработка научных основ, новых технологий комплексного использования вторичного молочного сырья в натуральном виде;

- разработка технологий получения производных и биоконверсии углеводов и белков вторичного молочного сырья в наиболее ценные производные;

- разработка научных основ, ресурсосберегающих технологий кормовых и технических средств с использованием вторичного молочного сырья и его компонентов [18].

В соответствии с приоритетами развития науки в области переработки вторичного молочного сырья была разработана концепция научно-технического прогресса и путей дальнейшего развития молочной отрасли АПК, которая, в основном, сводится к следующим положениям:

- выпуск молочных продуктов, стойких в хранении, и обновление их ассортимента на основе применения новых нетрадиционных компонентов;

- разработка, энергосберегающих и экологически безопасных технологий за счет применения более совершенных методов обработки молочного сырья и более глубокой переработки всех его составных частей [91].

Одним из направлений, отвечающим современным требованиям, является разработка технологии концентратов молочной сыворотки с промежуточной влажностью. Пищевые продукты с промежуточной влажностью

занимают среднее положение между сгущенными и сухими. Они отличаются стабильной и мягкой консистенцией, удобством транспортирования и использования, продолжительными сроками хранения.

Настоящая работа посвящена разработке технологии продуктов с промежуточной влажностью применительно к концентратам молочной сыворотки. Достижение поставленной цели осуществляется путем направленного регулирования показателя активности воды в сгущенных концентратах посредством внесения в них в качество наполнителя метилцеллюлозы, являющейся также и стабилизатором консистенции готового продукта. Создание в концентратах стабильной консистенции и определенного значения показателя активности воды благоприятно влияет на сохранение биологической и пищевой ценности их при длительном хранении. На защиту выносятся следующие основные положения:

- обоснование оптимальных режимов технологического процесса;

- разработка технологии концентратов молочной сыворотки с промежуточной влажностью;

- изучение основных физико-химических свойств и реологических показателей получаемых концентратов;

- влияние технологических факторов на продолжительность сроков хранения готового продукта;

- оценка экономической эффективности и экологической безопасности

разработанной технологии.

"Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Состав и свойства молочной сыворотки как объекта исследования

Проблема использования молочной сыворотки возникла на заре промышленного производства сыра, творога и казеина, масса которых составляет лишь 10 - 20% массы молока, в то время как 80 - 90% приходится на получаемую в качестве побочного продукта молочную сыворотку. В нее переходит около 50% сухих веществ молока, но из-за невысокой концентрации этих веществ (6,0 - 7,0%) сыворотку часто рассматривали как отходы производства и использовали главным образом для нужд сельского хозяйства [30,49,90, 101, 112].

Когда стало ясно, что сыворотка является источником многих ценных продуктов, ее перестали называть отходами и стали относить ко вторичному" молочному сырью. Однако, по мнению академика РАСХН Н.Н.Липатова, такое определение также не отражает реальной сути. Он предложил называть молочную сыворотку "молочно-белковым лактозосодержащим сырьем", характеризующим два ее основных компонента: белки и лактозу [101].

Состав и свойства молочнрй сыворотки обусловлены видом основного продукта и особенностями технологии его получения (табл. 1.1) [90, 101, 112, 117].

Основным компонентом в составе сухих веществ молочной сыворотки -является лактоза, составляющая более 70%.

В молочной сыворотке в среднем на 100 мл содержится 0,135мг азота, около 65% которого входит в состав белковых азотистых соединений и около 35 % - в составе небелковых.

Таблица!. 1

Состав различных видов молочной сыворотки

! ...... 1 Молочная сыворотка

Показатели Массовая доля сухих подсырная I творожная казеиновая | хлоркаль- циевая .................

веществ, % 6,5 6,0 6,8 5,5

в том числе: :

- лактозы 4,5 4,0 4,3 4,5 ;

- азотистых веществ 0,7 0,8 1,0 1 0,3

- жира 0,4 0,2 0,05 1 ; 1 0,05 |

- золы 0,6 0,7 0,7 | 0,5

Кислотность: ...................................

- титруемая, °Т : 12-15 60-75 44-50 15-40 ) 1

- активная, рН 6,2 4,6 4,5 ! 5,2

Содержание белковых азотистых соединений в сыворотке колеблется от 0,5 до

0,8% и зависит от способа коагуляции белков молока, принятого при получении основного продукта (сыр, творог, казеин и т.д.) [ 4, 28, 60 ].

Состав белковых азотистых соединений молочной сыворотки по данным [26, 90, 101, 112] приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Состав белков молочной сыворотки по фракциям

Фракции белков Содержание, Изоэлектричес- Температура

% кая точка, рН денатурации, °С

Лактоальбуминовая 0,4 - 0,5

- лактоглобулин А 5,2 75-110

- лактоглобулин В 5,1 60-95

- лактоглобулин А+В 5,3 60-95

- лактоглобулин С 5,33 60-90

- сывороточный 4,7 60-95

альбумин

Лактоглобулиновая 0,06-0,08

- эвоглобулин 6,0 75-90

- псевдоглобулин 5,6 75-90

Протеозопептонная 0,06-0,18 5,3 70-110

Сывороточные белки могут служить дополнительным источником аргинина, гистидина ? метионина, лизина, треонина, триптофана и лейцина. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, играющим важную роль в' жизнедеятельности организма [29, 32].

В молочной сыворотке содержатся все незаменимые аминокислоты. Содержание свободных аминокислот в подсырной сыворотке в 4 раза, а в творожной в 10 раз больше, чем в исходном молоке [90, 101,112].

. Состав углеводов в молочной сыворотке аналогичен углеводному составу молока - моносахара, олигосахара и амицосахара. Основным углеводом молочной сыворотки является дисахарид лактоза, содержание которой составляет до 90% от общего содержания углеводов [112]. Из моноз в сыворотке обнаружены глюкоза и галактоза - продукты гидролиза лактозы в процессе переработки молока в сыр и творог.

Из аминосахаридов в сыворотке обнаружена нейраминовая кислота и ее производные, а также кетопентоза. В сыворотке содержатся серологически активные олигосахариды, а также в незначительных количествах арабиноза, лактулоза и амилоид.

В молочной сыворотке содержится 0,05 - 0,5% жира, что обусловлено его содержанием в исходном сырье, и технологией получения основного продукта [88,101]. В сепарированной сыворотке содержание жира составляет 0,05 - 0,1%. Молочный жир в сыворотке диспергирован больше, чем в цельном молоке, что положительно влияет на его усвояемость.

В молочную сыворотку переходят практически все соли и микроэлементы, входящие в состав молока, а также вводимые в процессе технологической обработки и переходящие с поверхности оборудования. Абсолютное содержание основных зольных элементов в сыворотке составляет (в %)[101, 129]: калий 0,09-0,19 магний 0,009-0,02

кальций 0,04-0,11 натрий 0,03 -0,05

фосфор 0,04-0,1 хлор 0,08-0,11

Минеральные вещества в сыворотке находятся в форме истинного и молекулярного растворов, коллоидном и нерастворимом состоянии, в виде солей органических и неорганических кислот. В состав неорганических солей входит 67% фосфора, 78% кальция, 80% магния. Количественное содержание анионов (5,831 г/л) и катионов (3,323 г/л) в молочной сыворотке аналогично содержанию микроэлементов в цельном молоке. Из катионов в сыворотке преобладают калий, натрий, кальций, магний и железо; из анионов - остатки лимонной фосфорной, молочной и соляной кислот [101, 112]. В целом молочная сыворотка является продуктом с естественным набором жизненно важных минеральных веществ.

Кроме минеральных соединений в сыворотку почти полностью переходят водо- и жирорастворимые витамины молока, причем в подсырной сыворотке их значительно больше, чем в творожной. Относительное содержание витаминов в сыворотке (в %) по сравнению с содержанием их в цельном молоке приведено ниже [90, 112]:

Тиамин (ВО 88 Никотиновая кислота (РР) 54

Рибофлавин (В2) 91 Холин 102

Пиридоксин (В6) 136 Ретинол (А) 11

Кобаламин(В12) 58 Биотин (Н) 90

Аскорбиновая 78 Токоферол (Е) 32

кислота (С)

Количество пиридоксина, холина и, реже рибофлавина, в сыворотке зачастую превышает содержание их в цельном молоке, что обусловлено

жизнедеятельностью молочнокислых бактерий. Содержание витаминов в сыворотке подвержено колебаниям и при хранении резко снижается. В целом же молочная сыворотка по набору и абсолютному содержанию витаминов является биологически полноценным продуктом.

Из органических кислот в сыворотке обнаружены молочная кислота, а также лимонная, нуклеиновая и летучие жирные кислоты - уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная. Молочная кислота образуется из лактозы в результате жизнедеятельности бактерий.

Под действием протеолитических ферментов, продуцируемых молочнокислыми бактериями, происходит расщепление белковых веществ сыворотки, для инактивации которых необходима тепловая обработка при температурах выше 60°С. Кроме того, следует учитывать ферменты (липазы и фосфорилазы), наличие которых может привести к прогорканию сыворотки. Особое внимание следует уделять ферменту лактазе, участвующему в гидролизе лактозы [90, 112].

Содержание летучих жирных кислот в творожной сыворотке больше, чем в подсырной, что объясняется частичным гидролизом жира в процессе образования творожного сгустка. В творожной сыворотке ферментные системы более выражены, чем в подсырной, за исключением сычужного фермента, количество которого в сыворотке составляет 23 - 75% от введенного в молоко.

В молочной сыворотке содержатся газы - углекислый, азот и кислород. Количество газов в сыворотке несколько меньше, чем в цельном молоке, что обусловлено тепловой и механической обработкой молока при производстве

сыра, творога и других продуктов. В процессе хранения сыворотки, особенно обсемененной посторонней микрофлорой, количество газа может резко увеличиваться, что приводит к повышенному ценообразованию молочной сыворотки.

Все виды молочной сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) обладают практически идентичными биологическими свойствами. Однако, если-обезжиренное молоко является источником белка, то молочная сыворотка, главным образом, источником лактозы (более 70% массовой доли сухих веществ). Гидролиз лактозы в кишечнике протекает медленно, что ограничивает процессы брожения и нормализует жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры, а также замедляет гнилостные процессы, газообразование и т.п.

Сывороточные белки характеризуются оптимальным набором и сбалансированностью серусодержащих и других жизненно необходимых аминокислот (цистина, лизина, метионина, гистидина, триптофана и др.), что обеспечивает лучшие регенеративные возможности для белков печени, гемоглобина и плазмы крови. Жир, содержащийся в молочной сыворотке, тонко диспергирован и хорошо усваивается стенками желудка. Важную роль играют также ферменты, витамины, фосфолипиды и другие биологически активные вещества. Кроме того, молочная сыворотка обладает высоким содержанием минеральных солей, состав которых приближается к их составу в цельном молоке. Особого интереса заслуживает микроэлементный состав молочной сыворотки, в котором присутствуют "защитные" компоненты с антиате- . росклеротическим действием [20, 90, 101, 112].

^ Таким образом, весь комплекс сухих веществ молочной сыворотки позволяет охарактеризовать ее как биологически полноценное сырье, на основе которого можно получить широкий ассортимент продуктов, особенно для детского, диетического и лечебного питания.

В сыворотке содержится 93 - 94% воды, в которой растворены или распределены все ее компоненты. С компонентами сыворотки вода связана различными формами. Свободная вода является растворителем органических и неорганических соединений - лактозы, минеральных элементов, кислот, ароматических веществ и