автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Технология переработки молочной сыворотки на основе предочистки полисахаридами топинамбура с последующей ультрафильтрацией

005538065

На правах рукописи

Мамай Дмитрий Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ НА ОСНОВЕ ПРЕДОЧИСТКИ ПОЛИСАХАРИДАМИ ТОПИНАМБУРА С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 М~Л ¿313

Ставрополь — 2013

005538065

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Бабенышев Сергей Петрович

Официальные оппоненты:

Жидков Владимир Евдокимович

доктор технических наук, профессор, Технологический институт сервиса (филиал) в г. Ставрополе ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», директор

Володин Дмитрий Николаевич

кандидат технических наук, ООО «МЕГА ПрофиЛайн», директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский

государственный технологический

университет», г. Краснодар

Защита состоится «05» декабря 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.05 при ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп. 3, ауд. 506.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.И. Шипулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Структура питания населения Российской Федерации в последние годы характеризуется постоянным снижением потребления биологически ценных продуктов, в особенности молочных. Одним из сырьевых резервов их производства является сыворотка зерненного творога. Однако низкая эффективность традиционных способов её предварительной очистки обусловливает недостаточно широкое применение методов глубокой переработки, в частности на основе использования баромембранных процессов разделения. С этой точки зрения особый интерес представляет использование природных полисахаридов для её предварительного осветления перед ультрафильтрацией. К полисахаридам растительного происхождения относятся пектин и инулин, содержащиеся в клубнях топинамбура, комплекс которых обладает уникальными свойствами и используется для лечения желудочно-кишечных заболеваний, адсорбции и выведения токсинов из организма. Осветленная сыворотка зерненного творога имеет в своем составе практически весь витаминный и минеральный комплексы, которые могут быть использованы в производстве различных напитков.

Проблеме комплексного использования молочной сыворотки в производстве продуктов питания посвящены работы Володина Д. Н., Голубевой Л. В., Евдокимова И. А., Жидкова В. Е., Мельниковой Е. И., Остроумова Л. А., Полянского К. К. , Тихомировой Н. А., Толстогузова В. Б., Хамагаевой И. С., Харитонова В. Д., Храмцова А. Г., Gordon Т., Ruhland Р. и др. Вопросы рационального использования клубней топинамбура рассмотрены в исследованиях Бархатовой Т. В., Богус A.M., Голубевой В. Н., Дорофеевой Л.А., Пасько Н.М., Шаззо Р.И., Buzzini G., Kasaric N. и др.

Отсутствие или недостаточный объём имеющихся в настоящее время теоретических и экспериментальные данных в области технологии переработки сыворотки, содержащей дисперсную фазу сока топинамбура, с использованием процесса ультрафильтрации обуславливают необходимость и актуальность проведения дальнейших научных исследований.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка комплексной технологии и процесса ультрафильтрационного разделения смеси сыворотки, полученной в производстве зерненного творога, и сока клубней топинамбура (ССЗТСКТ), определение путей использования получаемых при этом пермеата и ретентата.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований:

1. Определить оптимальное соотношение сыворотки зерненного творога и сока клубней топинамбура в ССЗТСКТ как объекта ультрафильтрационного разделения на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа.

2. Получить расчетные зависимости, описывающие процесс ультрафильтрации ССЗТСКТ через полимерные мембраны в аппаратах рулонного типа.

3. Определить наиболее рациональные значения диапазонов основных факторов (давление ДР, скорость потока V, температура Т, продолжительность процесса 0, оказывающих превалирующее влияние на проницаемость и селективность ф полимерных мембран в аппаратах рулонного типа при ультрафильтрации ССЗТСКТ.

4. Предложить регламент мойки и регенерации полимерных мембран, используемых для ультрафильтрации ССЗТСКТ в аппаратах рулонного типа.

5. Разработать комплексную технологию переработки ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации на аппаратах рулонного типа с полимерными мембранами.

6. Предложить способ получения напитка на основе ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации.

7. Провести оценку экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

Научная новнзна работы состоит в следующем: - определены основные физико-химические параметры ССЗТСКТ, оказывающие влияние на проницаемость и селективность ультрафильтрационных полимерных мембран;

- обоснована целесообразность переработки ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации на аппаратах рулонного типа с полимерными мембранами марки Ну Stream 3;

- определены основные закономерности и получены расчетные зависимости, описывающие влияние давления в канале ультрафильтрационного аппарата рулонного типа, скорости, температуры разделяемой полидисперсной системы в виде ССЗТСКТ, продолжительности процесса на проницаемость и селективность полимерных мембран марок УПМ-50 и HyStream 3;

- установлены оптимальные значения продолжительности процесса, температуры, рабочего давления и скорости циркуляции разделяемой жидкой полидисперсной системы при ультрафильтрации ССЗТСКТ;

- изучены состав и свойства пермеата и ретентата ССЗТСКТ, полученных на аппаратах рулонного типа с полимерными мембранами марки HyStream 3. Новизна предлагаемой комплексной мембранной технологии получения ретентата и пермеата из ССЗТСКТ подтверждена патентом РФ № 2489891 «Способ получения молочного фруктово-овощного напитка» от 20.08.2013.

Практическая значимость работы:

- разработаны рекомендации и обоснован выбор полимерных мембран марки HyStream 3 для ультрафильтрации ССЗТСКТ;

- на основе использования рекомендованных ГНУ ВНИМИ Россельхозака-демии моющих средств марок Катрил Хлор, Дивос-80 предложен регламент мойки и регенерации полимерных мембран марки HyStream 3 на аппаратах типа ЭРУ-100-1016;

- в ОАО МК «Ставропольский» проведена производственная проверка эффективности работы аппарата рулонного типа ЭРУ-100-1016 с полимерными мембранами марки HyStream 3 после процессов мойки и регенерации по разработанному регламенту;

- разработана и утверждена техническая документация на молочные напитки (СТО 02067965-001-2013 «Молочные напитки из смеси молочной сыворотки и сока топинамбура»), произведена их опытно-промышленная выработка.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на различных международных, всероссийских и региональных научно-технических конкурсах и конференциях: VII Международная научно-практическая конференция в рамках XIX Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал - 2012» (г. Ставрополь, 2012 г.); Региональная научно-практическая конференция «Инновационные идеи молодёжи Северного Кавказа - развитию экономики России» (г. Ставрополь, 2010-13 г.); XV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Аграрная наука, образование: актуальные вопросы» (г. Томск, 2013 г.)

Автором получены: диплом победителя всероссийской программы УМНИК-2012 (г. Ставрополь, 2012 г.), диплом Н-й степени на всероссийском конкурсе научных работ аспирантов и молодых ученых (г. Кемерово, 2012), диплом 1-й степени всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ в секции «Технические науки» (г. Нальчик, 2013 г.), диплом 111-й степени всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых ВУЗов Минсельхоза РФ по направлению «Технические науки»

(г. Саратов, 2013 г.)

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 публикациях, из них б в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в 1 патенте РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 198 наименований, в том числе 42 иностранных, и 12 приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 27 рисунков и 25 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены предмет, цель и задачи исследований диссертационной работы.

В главе 1 проведен анализ современного состояния производства продуктов питания, напитков на основе молочной сыворотки и сока клубней

топинамбура. Обоснована целесообразность переработки ССЗТСКТ с применением процесса её ультрафильтрации. На основе результатов анализа литературных данных выдвинута рабочая гипотеза, сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 представлены разработка методологии и выбор методик проведения исследований. Основные экспериментальные работы проводились в лабораториях Северо-Кавказского федерального университета, Ставропольского государственного аграрного университета, Технологического института сервиса (филиал) в г. Ставрополе ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и ОАО МК «Ставропольский». Объектом исследований были образцы молочной сыворотки, полученной в производстве зерненного творога (СЗТ), и сок клубней топинамбура (СКТ) сорта «Находка». Предметом исследований - технология и процесс ультрафильтрационного разделения ССЗТСКТ.

При выполнении исследований использованы общепринятые и стандартные методы определения физико-химических, микробиологических и органолептических показателей. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием программ «Excel 2007» и «Statistics 10.0». Оптимальные значения проницаемости и селективности мембран при ультрафильтрации ССЗТСКТ определяли по общепринятой методике на основе анализа сечений поверхностей отклика выходного параметра при фиксированных значениях варьируемых факторов. Общая схема проведения исследований представлена на рисунке 1.

Мембраны марок HyStream 3 производства NOVASEP (Франция) и УПМ-50 производства Владипор (Россия), которыми могут быть укомплектованы стандартные ультрафильтрационные элементы марки ЭРУ-100-1016, подобраны на основе анализа литературных данных. Окончательный выбор мембран для изучения основных закономерностей процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ осуществлялся экспериментальным путем с использованием малогабаритной лабораторной установки.

Определение физико-химических свойств СКТ и СЗТ

Рисунок 1 - Общая схема проведения исследовательской работы

В главе 3 представлены результаты:

- исследований, целью которых было определение соотношения СКТ и СЗТ в ССЗТСКТ, обеспечивающее наиболее полное осветление разделяемой полидисперсной системы;

- изучения основных закономерностей процесса ультрафильтрации (предварительно очищенной) ССЗТСКТ на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа.

Подбор мембран для ультрафильтрации

Установлено (табл. 1), что наибольшая степень осветления ССЗТСКТ может быть достигнута при смешивании 30±2 объемных единиц СКТ и 100±2 объемных единиц СЗТ; при этом происходит её обогащение компонентами СКТ (табл. 2).

Таблица 1 - Содержание основных компонентов в ССЗТСКТ (р=0,95)

Наименование компонента Объемная доля СКТ, %

10 20 30 40

Сухие вещества, % 6,3 6,9 7,5 8,0

Лактоза, % 4,4 4,4 4,4 4,4

Общий белок, % 0,48 0,54 0,6 0,64

Толщина слоя осадка, мм 6 7,5 9 7

Инулин (пектин), % 0,6 (0,1) 0,9 (0,3) 1,2 (0,5) 1,5 (0,6)

Минеральные вещества, % 0,68 0,76 0,84 0,92

Таблица 2 - Макро-, микроэлементный и витаминный состав ССЗТСКТ в сравнении с творожной сывороткой (1=12-14 °С, р=0,95)

Наименование компонента Творожная сыворотка ССЗТСКТ

Кальций, % 0,098 0,14

Фосфор, % 0,058 0,075

Цинк, мг % 0,032 0,098

Железо, мг % 0,003 0,535

Витамин В2, мг % 0,12 0,32

Витамин С, мг % 4,05 12,50

Витамин Е, мг % 0,025 0,2

Показаны в графической и аналитической форме (рис. 2-9) зависимости проницаемости (2 и селективности ф мембран при ультрафильтрации ССЗТСКТ на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа от основных параметров процесса баромембранного её разделения.

В процессе ультрафильтрации ССЗТСКТ основными факторами, влияющими на проницаемость С> и селективность ф полимерных мембран, являются: длительность разделения (I); температура смеси (Т); величина рабочего давления в канале аппарата (ДР); скорость циркуляции разделяемой си-

схемы (V); массовая доля сухих веществ (С).

Q, кг/ьг час 30 к

Q=f(lnft))

Q-.9.9708**29,96 RJ = 0,9598

S x«

Ci

3 g

о ' ¡t

: îa

5 ■ lii(t) 0

Q=*9.9483x + 28,126 RJ = 0,9555 ;

0,5

час 1

6 7 891011 12

Длительность процесса удьтрафильтрашш ССЗТСКТ ln(t>, час

Рисунок 2 - Зависимость проницаемости С> мембран (♦ - НуБ^еат 3, ■ - УПМ-50) от длительности процесса I ультрафильтрационного разделения ССЗТСКТ (ДР = 0,3-0,35 МПа, Т = 8-14°С, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%.)

9.

100 95

I

f 90

■3J

А 85 Г

9=f(ln(t))

9= 4,87321 + 86,192 R1 - 0,957

: ' ........! ♦

9 i= б,45б8х+79,379 RJ = 0,9513

S so S

аг

75 U

70 ln<t) 0

час i

0,5

1,0

2,5

2,0

2,5

3,0

4 5 6 7 8 9 10 11 12

Длительность процесса ультрафилырашш ССЗТСКТ ln(t). час

Рисунок 3 - Зависимость селективности <р мембран (♦ - НуБ^еаш 3, ■ - УПМ-50) от длительности процесса I ультрафильтрационного разделения ССЗТСКТ (ДР = 0,3-0,35 МПа, Т = 8-14°С, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%.)

Анализ экспериментальных данных исследования зависимости (} и (р мембран НуБ^еат 3, УПМ-50 от I (рис. 2 и 3) показал, что скорость снижения проницаемости сК^/сК обеих мембран первые 2 часа составляет 6-8 кг/м2час. Затем значение этого показателя устанавливается на уровне 3-4 кг/м2час и через 8-9 часов приближается к нулю. Высокие значения функции (1С2/(к в начале процесса объясняются, тем, что на мембранной поверхности происходит активное взаимодействие в системе «белок-мембрана». Постепенное снижение этого параметра обусловлено формирующимися с течением времени отложениями на мембране, увеличивающими ее гидравлическое сопротивление.

Длительность процесса ультрафильтрации до мойки и регенерации мембран ограничивается значением I = 5,8-6,3 часов, так как за это время проницаемость мембран, в сравнении с первоначальными значениями, уменьшается в 2,5-3 раза, что может снизить рентабельность переработки сыворотки. Селективность же мембран к концу 6-го часа работы установки возрастает до ф = 97-98%, что может затруднить последующую их мойку.

Из представленных результатов экспериментального определения зависимостей (3=Д1п(ДР)) и ф= Г(1п(ДР)) для выбранных типов мембран следует, что при фиксированных значениях параметров I, Т, V и С проницаемость С2 обеих мембран увеличивается с возрастанием давления до ДР = 0,35-0,4 МПа. Повышение рабочего давления более 0,4 МПа не приводит к значительному росту (3, при этом ф снижается до 93-95%.

Поскольку продолжительность процесса ультрафильтрации ограничена требованиями компоновки баромембранного оборудования в аппара-турно-процессовую схему молокоперерабатывающего предприятия, а температура сыворотки - технологическими условиями производства продукции, то первым этапом решения задачи оптимизации основных параметров ультрафильтрационпого разделения ССЗТСКТ следует считать экспериментальное определение зависимостей вида р=ДДР) и ф=ДДР) для выбранных типов мембран, результаты которого представлены на рисунках 4 и 5.

СН<1п(ДР)) С>.кг/м2час

<3^3,85-0,0727 11'= 0.9533 ^ ..;....;....;..........■;............;.......... ............1...........- 1 45 -1 40 Ц ] 35 1 1 зо а 125 §

1............ ................. ..... - V - '--■■■■••■ > ..... ......Г * .......:......-.....................;.....[••; .........:.....И Я .......... - ■ ................. <3- 3,26361 -1,0364 0.9614 | 20 1 4» 15 | 1"» 1 15 а-0

-2,5 -2,3 -2,1 -1^) -1,7 -1,5 -1,3 -1,1 -0,9 -0,7 -0.5 -03 1л(ДР)

0,1 0,15 ОД 0,25 0,3 035 0.4 0,45 0,5 055 МПа

Рабочее давление в канале аппарата Ьл(ДР), М11а

Рисунок 4 - Зависимость проницаемости мембран (♦ - НуБНеат 3, ▲ - УПМ-50) от давления Д Р при ультрафильтрационном разделении ССЗТСКТ (Т = 8-14°С, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%, I = 230-250 мин.)

ср = 1' <1п(4Р>)

<Р, "Уо

..... ..... , 99

«8 а

: ! Си

........Ю

Я

■ ¡97 я

.........:..-.:! (2

" • .....' ;

Л¿96 §

I а

^ — ...... :«* 1

..: . ......; . .....-.....|, ■; . :.,.:..]:.:..:.: ..;:.:;:..;.....::.{.;.;::::::.:,;;..:;;.._.'..о

■ - - 94

-2.5 -23 -2.1 -1.9 -1,7 -1.5 -1.3 -1.1 -0,9 -0,7 -0.3 -0.3 1.п(ЛР)

0.1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 055

Рабочее давление в канале аппарата 1п(ЛР). МПа

-1,2256« + «>-«.783:

9»- -1.0«34х +95,726 И'*-0.952 5

Рисунок 5- Зависимость селективности (р мембран (♦ - НуБ^еат 3, ▲ - УПМ-50) от давления Д Р при ультрафильтрационном разделении ССЗТСКТ (Т = 8-14°С, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%, 1 = 230-250 мин.)

Кроме величины рабочего давления и температуры разделяемой системы, существенное влияние на проницаемость 0 и селективность ф мембран Ну51геат 3 и УПМ-50 при ультрафильтрации ССЗТСКТ оказывает скорость потока V в канале баромембранного аппарата (рис. 6 и 7).

Рисунок 6 - Зависимость проницаемости <3 мембран (♦ — Ну81геат 3, ■ — УПМ-50) от скорости циркуляции потока в мембранном канале аппарата (Т = 8-14°С, ДР = 0,3-0,35 МПа, С = 8-8,4%, I = 230-250 мин.)

ф=1(1п(Х)) ф> о/о

------------------_------98

О

95,5

-3.0-2.8 -2,6-2,-1-2,2 -2 -1,8 -1.6-1,4-1.2-1.0 -0.8-0.6 -0.4 -0.2 1пСУ>

0,03 ОД 0,15 0,2 0.25 03 0,35 0,1 0,45 0,5 »'с

Скорость циркуляции 1п(У), м/с

Рисунок 7 - Зависимость селективности ф мембран (♦ - НуБ^еат 3, ■ — УПМ-50) от скорости циркуляции потока в мембранном канале аппарата ССЗТСКТ (Т = 8-14°С, ДР = 0,3-0,35 МПа, С = 8-8,4%, I = 230-250 мин.)

Зависимости проницаемости и селективности мембран НуБ^еат 3 и УПМ-50 от температуры, полученные по данным экспериментальных исследований, представлены на рисунках 8 и 9.

(2, кг/м2 час

45

Я 40

35

г

ж зо

(2 25

а» 20

Щ 15

о 10

к' 5

О . 1п(Т)2

<2=Г(1пСО)

19,145x^38,62 II1 0.951Л

О = 18,94бх -42.454 К2 = 0,9555

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Т,° 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Температура процесса ультрафильтрашш ССЗТСКТ 111(0,'

Рисунок 8 - Зависимость проницаемости мембран (♦ - НуЗ^еат 3, ▲ - УАМ-500) от температуры процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ (ДР = 0,3-0,35 МПа, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%)

Ф, %

100

99

3 98

хо 97

г 96

¡2 95

о я 94

§ 93

я 92

о 91

90

1п(Т)

т с

<р=* Оп<Т))

. ф--4,3255л. + 109,27 К2 =0,959

.3,6571х -1-105,97 , К1 = 0,95

5ГО

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Температура процесса ультрафильтрашш ССЗТСКТ 1п(0,'

Рисунок 9 - Зависимость селективности ф мембран (♦ - НуБиеат 3, ▲ - УАМ-500) от температуры процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ (ДР = 0,3-0,35 МПа, V = 0,15-0,25 м/с, С = 8-8,4%)

Анализ зависимостей <3=А[Т) и ср=ДТ) мембран НуБЬ-еат 3, УПМ-50 показал, что проницаемость обеих мембран находится на приемлемом уровне при Т=10-12°С, а селективность составляет 98-95% и 93-92% соответственно. Для дальнейших исследований использовалась только мембрана НуБ^еат 3 с максимальной проницаемостью при допустимом показателе селективности.

Таким образом задача следующего этапа исследований сводится к оптимизации параметров ДР и V процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ на мембране Ну81геат 3. Целевые функции определялись в виде (^(Р.У) и Ф= Гг(Р,У) (рис. 10). Анализ сечений поверхностей отклика (рис. 11) показал,

Шшйсейм^мйаЬШ)

■ >■ !2 ■ «4 □ <-25

Рисунок 10 - Зависимости С>=Т1(Р,У) и ф= f2(P,V) мембран НуБи-еат 3 при ультрафильтрации ССЗТСКТ в аппарате рулонного типа

Я) Сойвог Ш 10.0)

Ш///Л 4(1! П /

V

УМ

'////А

Ш и 0.3

НайЗйй», №

30 Стяг И* <Ша »1»

-г-7-------------у-------

/

/ /

7 7 /

/ / / / г.

/

/

МО И ВО Ы: » |

Рисунок 11 - Зависимости <3=Г (Р) и ф= ДР) мембран Ну81хеат 3 при ультрафильтрации ССЗТСКТ в аппарате рулонного типа

что С)™* достигается при ДР =0,35-0,45 МПа и У=0,3-0,4м/с, но так как фопт= 96-97% может быть получено при ДР =0,38-0,4 МПа и У=0,2-0,25 м/с, то для мембран Ну81геат 3 целесообразно принять следующие оптимальные значения: ДР = 0,37-0,4 МПа и У=0,3-0,35 м/с.

В главе 4 приведены физико-химические свойства пермеата и ретен-тата, представлены рецептуры напитков, полученных на их основе, показана аппаратурно-технологическая линия переработки СЗТ и СКТ. Результаты определения органолептических показателей и основных характеристик ССЗТСКТ представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Сравнительная органолептическая оценка ретентатов ССЗТСКТ и творожной сыворотки

Наименование Ретентат ССЗТСКТ Ретентат творожной сыворотки

Внешний вид Однородная жидкая масса Однородная жидкая масса

Цвет Желтовато-коричневый Беловато-кремовый

Запах Сывороточный, слабый морковный аромат Выраженный сывороточный

Вкус Кисломолочный, с легким морковным привкусом Кисломолочный с сывороточным привкусом

Таблица 4 - Основные характеристики ретентата ССЗТСКТ

Наименование показателя Ретентат ССЗТСКТ Ретентат творожной сыворотки

Массовая доля сухих в-в, % 14,7±0,2 10,4±0,2

Массовая доля белка, % 2,8±0,1 3,6±0,1

Небелковый азот, % 0,4±0,05 0,3±0,05

Лактоза, % 4,4±0,1 5,1±0,1

Молочная кислота, % 0,5±0,1 0,6±0,1

Минеральные вещества, % 1,2±0,1 0,8±0,1

Инулин, % 3,7±0,1 -

Пектин, % 1,7±0,1 -

Поскольку использование любого сырья в технологии продуктов питания регламентируется содержанием в нем потенциально опасных веществ, то ре-тентат ССЗТСКТ был исследован на содержание тяжелых металлов (табл. 5).

Таблица 5- Содержание тяжелых металлов в ретентате ССЗТСКТ (р=0,95)

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

Свинец 0,05 0,3

Мышьяк 0,1 0,5

Кадмий 0,01 0,2

Ртуть не обнаружено 0,03

Эффективность использования белков организмом характеризуется двумя основными показателями: сбалансированностью по содержанию аминокислот и усвояемостью. Эти критерии лежат в основе классификации белков по их биологической ценности. При определении аминокислотного состава использовался метод жидкостной хроматографии на аминокислотном анализаторе AMINO ACID AVALYZER Т 339 (табл. 6).

Таблица 6 - Аминокислотный состав ретентата ССЗТСКТ в сравнении с белками творожной сыворотки (р=0,95)

Содержание аминокислот, г/100 г белка

Аминокислота Белки (творожная Ретентат

сыворотка) ССЗТСКТ

Аспарагиновая кислота 10,5 7,8

Треонин 5,2 4,8

Серии 5,2 4,1

Глутаминовая кислота 17,0 15,4

Глицин 1,7 1,3

Алании 5,2 4,5

Валин 5,7 3,2

Изолейцин 6,6 4,0

Лейцин 12,3 7,8

Тирозин 3,8 3,5

Фенилаланин 4,4 2,1

Гистидин 1,7 1,5

Лизин 9,1 5,4

Аргинин 2,5 2,0

Практически все аминокислоты, которые содержатся в белках творожной сыворотки, были обнаружены и в ретентате ССЗТСКТ: валин, лейцин, фенилаланин, гистидин, что говорит о его большой ценности для использования в производстве напитков, а также продуктов питания.

В соответствии с СанПиН 2.3.2.1078-01 (Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов) пищевые продукты должны соответствовать нормативам по допустимому содержанию в них микроорганизмов, представляющих потенциальную опасность для здоровья. Это обусловило необходимость проведения исследований микробиологических показателей ретентата ССЗТСКТ, как свежевыработанного, так и находящегося в процессе его хранения в герметичной упаковке при температуре (4± 1 )°С (табл. 7).

Таблица 7 - Микробиологические показатели ретентата ССЗТСКТ

Наименование показателя Ретентат ССЗТСКТ

Свежий 6 суток Более 7 суток

КМАФАнМ, КОЕ/г (0,5±0,05)103 (0,8±0,05)103 (0,9 ±0,05)-104

(допускается не более 5 10'*)

БГКП (колиформы), в 1 г не обнаружены

Дрожжи, КОЕ/г отсутствуют

Плесени, КОЕ/г отсутствуют

Таким образом, полученный методом ультрафильтрации ретентат ССЗТСКТ по своим физико-химическим, биохимическим и микробиологическим показателям можно считать ценным сырьем, что позволяет использовать его в технологии производства пищевых продуктов.

Для организации замкнутого цикла переработки ССЗТСКТ необходимо кроме ретентата эффективно использовать и пермеат, получаемый в результате её ультрафильтрационного разделения. В настоящее время большую роль в борьбе за конкурентоспособность на рынке продуктов питания и особенно напитков играет их органолептическая оценка. Для определения этого параметра пермеата ССЗТСКТ использована КООК в сравнении с пермеатом

творожной сыворотки. По общей органолептической оценке пермеат ССЗТСКТ на 1,1 балла превосходит пермеат творожной сыворотки. Результаты исследования представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Сравнительная органолептическая оценка пермеата ССЗТСКТ

Показатель Пермеат ССЗТСКТ Пермеат творожной сыворотки

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

Запах Кисломолочный,чистый, с овощным тоном Кисломолочный, чистый

Вкус Кисловато-сладкий, с легким морковным привкусом Кислый, с сывороточным привкусом, без посторонних вкусов

Общая оценка 4,6 3,5

К показателям, определяющим использование пермеата ССЗТСКТ, отнесены: массовая доля сухих веществ, общего белка, лактозы, минеральных веществ, активная, титруемая кислотность и плотность (табл. 9).

Таблица 9 - Физико-химические показатели пермеата ССЗТСКТ

Наименование показателя Пермеат ССЗТСКТ Пермеат творожной сыворотки

Массовая доля сухих в-в, % 5,9±0,2 5,1 ±0,2

Общий белок, % 0,1±0,01 0,1 ±0,01

Лактоза, % 4,4±0,1 4,4±0,1

Минеральные вещества, % 1,2±0,1 0,6±0,1

Инулин, % 0,1±0,01 -

Пектин, % 0,1±0,01 -

Активная кислотность, рН 4,8±0,1 4,4±0,1

Титруемая кислотность, °Т 52±3,0 78±3,0

Плотность, кг/м3 1029±2 1024±2

Повышенное содержание ионов кальция, калия, натрия, магния и фосфора в пермеате ССЗТСКТ, полученном в результате её ультрафильтрационного разделения, может обуславливать его использование как сырья для приготовления нового класса минерализованных напитков. Результаты исследования минерального состава пермеата ССЗТСКТ, в сравнении с перме-атом творожной сыворотки, представлены в таблице 10.

Таблица 10 - Минеральный состав пермеатов ССЗТСКТ и творожной сыворотки (р=0,95)

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

Г Са мй+2 Р'1

Пермеат ССЗТСКТ 68,4 178,0 136,5 10,5 93,0

Пермеат творожной сыворотки 39,8 153,0 92,8 9,0 58,0

При разработке технологии и рецептуры молочного напитка на основе ретентата ССЗТСКТ первым этапом всего цикла переработки молочной сыворотки и сока топинамбура является получение их смеси (рис. 12).

В соответствии с предложенной блок-схемой очищенную СЗТ, подлежащую ультрафильтрации и дальнейшей переработке, принимают по количеству и качеству по ГОСТ Р 53438-2009 (блок 1). После этого ее пастеризуют при температуре (76±2)°С с выдержкой 15- 20 сек., охлаждают до температуры около (4±2)°С (блок 2) и при необходимости резервируют на хранение до 3 суток (блок 3). На соответствующем участке общей технологической линии после сбора клубней топинамбура сорта «Находка» (блок 5) проводят их переработку: клубни направляют па мойку, которая включает в себя отмочку в бассейнах на 1=15-20 минут при Т=(20±2)°С с водой и два этапа мойки на щёточно-моечных машинах (блок 6). После этого они поступают на измельчение для получения мезги с размерами частиц 0,6-1 мм. Получение сока из мезги осуществляют путем прессования на пневматическом прессе при Т=(20±2)°С продолжительностью 1=15-20 мин (блок 7). Для удаления из сока различных примесей производится его центрифугирование (блок 8) при Т=(20±2)°С продолжительностью 1=15-20 мин. Полученный сок подвергают микрофильтрационному разделению в течение 50-60 минут с целью уменьшения уровня бактериальной обсеменённости (блок 9). После этого полученные СКТ (блок 10) и жом (блок 11) исследуют по физико-химических параметрам (ГОСТ 26809-86) и направляют на дальнейшую переработку.

Приемка СЗТ (ГОСТ Р 53438-2009) (7) -1-

Сбор клубней топинамбура(?)

Пастеризация (Т=(76±2)°С, 1=15-20 с) и охлаждение (Т=(4±2)°С)(2) ЗЕ

Мойка и сортировка Т=(20±2)°С, 1=15-20 мин (б)

Резервирование СЗТ (до 3-х суток при Т=(6±2)"С) (з)

X

Измельчение (до 0,6-1 мм при Т=(20±2)°С, 1=15-20 мин)^ и прессование (Т=(20±2)°С, 1=15-20 мин) \1)

Центрифугирование и очистка от казеиновой пыли (Т=(20±2)°С, 1=15-20 мин)

Смешивание СЗТ и СКТ в смесителе в соотношении 1:3 (Т=(20±2)°С, 1=4-6 мин

«тг

Центрифугирование (Т=Ч20±2)°С, 1=15-20 мин) (8

БОИП (в)

Охлаждение и резервирование (Т=(5±2)°С, до 5 сз@

Осветленная ССЗТСКТ

I

Микрофильтрационная стерилизация полученного раствора

(Т=(25±2)°С, 1=50-60 мин) ^

СКТ(п)

жом

| Ультрафильтрация ССЗТСКТ (Т=(Ш2)Ч:, до 6,5 чзс^т)

Изготовление молочных напитков (]9

С персиковым /эду наполнителем в4— количестве до 10%

Ретентат ССЗТСКТ Пермеат ССЗТСКТ(24)

Резервирование (23) (Т=(5±2)°С, до 5 суГ)

С медом пчелиным в количестве до 6 % (¿у

С ягодным наполнителем в количестве до 9%_(27)

Резервирование (25) (Т=(5±2)°С, до 5 суТГ)

Изготовление молочных напитков (26)

Экстрагирование (Т=(20±2)°С, 1=15-20 минГ

Отжим (Т=(20±2)°С)(^9)

Центрифугирование (Т=(20±2)°С, 1=15-20 мин

Реализация молочных напнтков (22)

Раствор лактозы с инулином и пектином (С.В до 5%)

Резервирование (Т=(5±2)°С, до 5 сут.)(зз>

X

з

жом (32)

Дальнейшая переработка^-^

Переработка на (35" корм с/х животным

Рисунок 12 - Блок-схема получения и переработки ССЗТСКТ

На следующем этапе СЗТ смешивают на смесителе в течение t=4-6 минут с СКТ при температуре Т=(20±2)°С (блок 12). Полученный белковый осадок с инулином и пектином (БОИП) клубней топинамбура отправляют на резервирование (блок 15) при температуре (5±2) °С не более 5 суток и на дальнейшую переработку (блок 16). Осветленную ССЗТСКТ (общий белок = 0,6 %, лактоза = 4,4 %, инулин = 1,2 %, пектин = 0,5 %, минеральные вещества = 0,84 %) подвергают ультрафильтрационному разделению на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа при значении температуры Т=( 12±2)°С продолжительностью до 6,5 часов (блок 17). В результате из мембранной установки выходят ретентат ССЗТСКТ (блок 18) и пермеат ССЗТСКТ (блок 24). Ретентат ССЗТСКТ направляют на изготовление молочных напитков (блок 19). Также полученный ретентат можно резервировать (блок 23) до 5 суток при Т=(5±2)°С с целью его дальнейшего использования в производстве молочных напитков. Пермеат ССЗТСКТ направляют на резервирование при Т=(5±2)°С до 5 суток (блок 25), изготовление молочных напитков (блок 26) или на экстрагирование жома клубней топинамбура (блок 28) при Т=(20±2)°С продолжительностью t=15-20 мин. Для извлечения ценных компонентов (инулина, пектина и т.п.) производится отжим полученного раствора при Т=(20±2)°С (блок 29). Далее его центрифугируют при Т=(20±2)°С в течение t=15-20 мин (блок 30) для разделения на раствор лактозы с инулином и пектином с содержанием СВ до 5 % (блок 31) и жома (блок 32). Полученный раствор лактозы с инулином и пектином направляют на дальнейшую переработку (блок 34) или на резервирование при Т=(5±2)°С на срок до 5 суток (блок 33). Жом используется в переработке на корм с/х животным (блок 35).

С целью расширения ассортимента молочных напитков предлагается вырабатывать их с использованием ретентата и пермеата ССЗТСКТ, а также с различными вкусо-ароматическими добавками согласно рецептурам, представленным в таблице 11.

Таблица 11 - Рецептуры молочного напитка с ретентатом и пермеатом ССЗТСКТ

Наименование сырья Норма расхода сырья на напиток, кг/т

Персиковый Медовый Ягодный

Молоко обезжиренное 718,5 818,8 -

Пермеат ССЗТСКТ - - 788,7

Ретентат ССЗТСКТ, СВ 14% 60,3 120,3 -

Сливки с м.д.ж. 35% 70,2 - 70,1

Натрий двууглекислый 0,9 0,9 1,3

Персиковый наполнитель 100,0 - -

Сахар 50,0 - 50,0

Ванилин, вкусовые добавки 0,1 0,1 0,1

Мед пчелиный натуральный - 59,9 -

Ягодные наполнители - - 89,8

На напитки с различными рецептурами, включающими в себя ретен-тат и пермеат ССЗТСКТ, разработана и утверждена техническая документация: СТО 02067965-001-2013 «Молочные напитки из смеси сыворотки зерненного творога и сока топинамбура» и ТИ, а также получен патент № 2489891 «Способ получения фруктово-овощного напитка» от 20.08.2013 г.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что ССЗТСКТ, полученная смешиванием 100±2 объёмных единиц СЗТ и 30±2 СКТ, характеризуется наибольшей степенью предварительной очистки, что способствует достижению оптимальной проницаемости полимерных мембран марки НуБ^еат 3 в аппаратах рулонного типа.

2. В графической и аналитической формах получены расчетные зависимости, описывающие влияние давления в канале ультрафильтрационного аппарата рулонного типа, скорости, температуры разделяемой полидисперсной системы (ССЗТСКТ), продолжительности процесса на проницаемость и селективность полимерных мембран марок УПМ-50 и НуБиеат 3.

3. Установлено, что максимальное значение проницаемости при допустимом уровне селективности 95-97 % для полимерных мембран марки НуБ^еат 3 может быть достигнуто при рабочем давлении ДР=0,38-0,4 МПа в аппаратах

рулонного типа ЭРУ-100-1016, скорости потока У=0,25-0,3 м/с, температуре ССЗТСКТ Т=12-13°С и продолжительности процесса ультрафильтрации 1=6-6,5 часов.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию процесса мойки и регенерации полимерных мембран НуБггеат 3 для аппаратов рулонного типа ЭРУ-100-1016 на основе применения моющих средств марок Катрил Хлор, Дивос-80 в соответствии с регламентом, разработанным при участии лаборатории санитарной обработки оборудования ГНУ ВНИМИ Россельхозакаде-мии.

5. Предложена комплексная технология переработки ССЗТСКТ с использованием процесса ультрафильтрацинного разделения на аппаратах ЭРУ-100-1016 с полимерными мембранами НуБиеат 3, включающая в себя получение и предварительную микрофильтрационную обработку СКТ, что даёт возможность получения пермеата и ретентата, обогащенного полисахаридами растительного происхождения. Обоснованы основные направления использования ретентата и пермеата ССЗТСКТ.

6. Разработан новый способ получения напитка на основе ретентата и пермеата ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации (включен в СТО 02067965-001-2013 «Молочные напитки из смеси молочной сыворотки и сока топинамбура» и ТИ от 15.02.2013), на который получен патент № 2489891 от 20.08.2013 «Способ получения молочного фруктово-овощного напитка».

7. Расчетный ожидаемый экономический эффект от внедрения разрабатываемой технологии составляет 1,2-1,5 тыс. руб. на тонну реализуемой готовой продукции, экологическая составляющая отвечает требованиям пищевого производства.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Мамай Д. С. Теоретические аспекты разработки математической модели процесса баромембранного разделения жидких полидисперсных систем

[Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев, А. Г. Скороходов, М. В. Скороходо-ва// НаукаПарк. - 2010. - № 1. - С. 93-98.

2. Мамай Д. С. Разработка модели потока пермеата жидкой высокомолекулярной полидисперсной системы в канале баромембранного аппарата [Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев, П. С. Чернов// НаукаПарк. Ставрополь,-2011,- № 1(2) —С.62 -65.

3. Мамай Д. С. Переработка топинамбура на основе обратноосмотического и ультрафильтрационного разделения его жидких экстрактов [Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев// Вестник АПК Ставрополья. СтГАУ. - 2011. -№ 1,-С. 36-39.

4. Бабёнышев С.П. Технологические и экологические предпосылки применения мембранной технологии разделения жидких полидисперсных систем [Текст]/С. П. Бабёнышев, Д. С. Мамай, П. С. Чернов// НаукаПарк. Ставрополь.-2011.-№ 1(2)-С. 65-71.

5. Бабёнышев С. П. Применение мембранной технологии для очистки растительного масла [Текст]/С. П. Бабёнышев, Д. С. Мамай, П. С. Чернов// НаукаПарк. Ставрополь.-2011.- № 1(2).- С. 72-75.

6. Бабёнышев С. П. Ультрафильтрация молочного сырья на аппаратах рулонного типа [Текст]/ С. П. Бабёнышев, В. Е. Жидков, Д. С. Мамай, В. П. Уткин// Политематический сетевой электронный журнал КубГАУ. - 2012. -№78. -С. 217-226.

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

8. Бабенышев С. П. Особенности описания потока пермеата творожной сыворотки через нанопористые мембраны [Текст]/ С. П. Бабёнышев, Д. С. Мамай, П. С. Чернов, Д. В. Харитонов// Техника и технология пищевых производств. - Кемерово, КемТИПП.- 2012.-№ 1 (24).-С. 93-98.

9. Бабенышев С. П. Экспериментальное исследование процесса баромембранного разделения водного экстракта стевии [Текст]/ С. П. Бабёнышев, В. Е. Жидков, С. А. Емельянов, Д. С. Мамай, М. В. Скороходова// Научное обозрение. Саратов: ИД «Наука образования». -2012,- № 5.-С.70-73.

10. Мамай Д. С. Моделирование процесса мембранной фильтрации жидких систем [Текст]/ Д. С. Маман, С. П. Бабёнышев, П. С. Чернов// Политематический сетевой электронный журнал КубГАУ. -2012. -№ 76. - С. 484-494.

11. Мамай Д. С. Теоретические аспекты прогнозирования производительно-

сти баромембранных установок для разделения жидких полидисперсных систем [Текст]/Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев, В. Е. Жидков, С. А. Емельянов, В. П. Уткин// Научное обозрение. Саратов: ИД «Наука образования». - 2012.

- №5.-С. 465-467.

12. Мамай Д. С. Процесс мембранной фильтрации жидких полидисперсных систем [Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев, А. В. Бобрышов, В. П. Уткин// Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-практической конференции в рамках XIX Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012». Ставрополь. -2012.- с. 9-14.

13. Мамай Д. С. Мембранные способы переработки сока топинамбура [Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабёнышев, В. П. Уткин// Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-практической конференции в рамках XIX Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал -2012». Ставрополь.-2012.-с. 14-21.

14. Мамай Д. С. Разработка, проектирование и промышленное внедрение мембранной технологии получения напитка из концентрата творожной сыворотки с добавлением сока топинамбура [Текст]/ Д. С. Мамай, С. П. Бабены-шев// Региональная научно-практическая конференция «Инновационные идеи молодёжи Северного Кавказа - развитию экономики России»: Ставрополь: Изд-во ООО "ТЭСЭРА", 2012 .-с. 68.

15. Пат. 2489891 Российская Федерация, МПК А23С 21/00 Способ получения молочного фруктово-овошного напитка [Текст]/ Бабенышев С. П., Мамай Д. С., Чернов П. С., Скороходова М. В., Уткин В. П.; заявитель и патентообладатель Ставропольский государственный аграрный университет (RU).

- № 2012114580/10; заявл. 12.04.2012; опубл. 20.08.2013, Бюл № 23. -7с.: Ил.

Подписано в печать 29.10.2013

Формат 60x84/16. Гарнитура Times New Roman Бумага офсетная. Печать трафаретная Усл. печ. л. 1,6. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 130386.

ООО «Ставропольское издательство «Параграф» 355017, г. Ставрополь, ул. Мира, д. 278 «Г» тел.: 8(8652) 24-55-54; 8-928-339-48-78

Отпечатано в ООО «Ставропольское издательство «Параграф»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ НА ОСНОВЕ ПРЕДОЧИСТКИ ПОЛИСАХАРИДАМИ ТОПИНАМБУРА С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЕЙ

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201365865

МАМАЙ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

Научный руководитель: Бабенышев С.П.

доктор технических наук, доцент

Ставрополь — 2013

Перечень основных аббревиатур и специальных сокращений, используемых в диссертации:

НАССР (ХАССП) -

БАВ

БАД

БГКП

БОИП

ВНИИМ

ВНИМИС

ВОЗ

ГНУВНИМИ

гост

ГОСТР КемТИПП

КМАФАнМ

КОЕ КООК КубГАУ КубГТУ

М. д. ж.

ЛС

МК

МУК

НИИ

ОАО

ООО

СВ

СевКавГТУ СЗТ

Hazard Analysis Critical Control Points (Система контроля технологического процесса);

- Биологически активные вещества;

- Биологически активная добавка;

- Бактерии группы кишечной палочки;

- Белковый осадок с инулином и пектином;

- Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности;

- Всероссийский научно-исследовательский институт маслодельной и сыродельной промышленности;

- Всемирная организация здравоохранения;

- Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности;

- Государственный стандарт;

— Государственный стандарт Российской Федерации;

- Кемеровский технологический институт пищевой промышленности;

— Количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов;

- Колониеобразующие единицы;

— Комплексная оценка органолептического качества;

— Кубанский государственный аграрный университет;

— Кубанский государственный технический университет;

- Массовая доля жира;

— Лицензионное соглашение;

— Молочный комбинат;

— Методическое указание;

— Научно-исследовательский институт;

— Открытое акционерное общество;

— Общество с ограниченной ответственностью;

- Сухие вещества;

— Северо-Кавказский государственный технический университет;

— Сыворотка зерненного творога;

СКФУ - Северо-Кавказский федеральный университет;

СКТ - Сок клубней топинамбура;

СТО - Стандарт организации;

ССЗТСКТ - Смесь сыворотки зерненного творога с соком

клубней топинамбура;

ПК - Персональный компьютер;

ТИ - Технологическая инструкция;

ТУ - Технические условия;

ЭВМ - Электронная вычислительная машина.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ 10 ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние производства молочных продуктов и 10 напитков на основе молочной сыворотки

1.2 Применение сока клубней топинамбура в производстве молочных 13 продуктов

1.3 Применение баромембранной технологии в комплексной переработке 18 молочной сыворотки

1.4 Технология комплексной переработки сока клубней топинамбура 23

1.5 Технологические аспекты ультрафильтрации ССЗТСКТ 25

1.6 Интенсификация процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ 28

1.7 Обоснование, цель и задачи исследовательской работы 37

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ 41 ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Организация экспериментальной работы 41

2.1.1 Общая схема проведения экспериментов 41

2.1.2 Методы экспериментальных исследований 43

2.1.3 Мембранное оборудование и приборы для экспериментальных 47 исследовании

2.2 Методика подбора мембран для ультрафильтрации жидких смесей 51

2.2.1 Мембраны для разделения молочной сыворотки 53

2.2.2 Мембраны для разделения сока клубней топинамбура (СКТ) 55

2.2.3 Методика подбора мембран для разделения ССЗТСКТ 56

2.3 Обработка результатов экспериментальных работ 57

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ 60 ССЗТСКТ

3.1 Теоретические аспекты методики расчета проницаемости мембран при 60 ультрафильтрационном разделении ССЗТСКТ

3.2 Экспериментальное определение основных рабочих параметров 66 процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ

3.2.1 Физико-химические показатели СЗТ 66

3.2.2 Физико-химические показатели СКТ 67

3.2.3 Влияние соотношения СКТ и СЗТ на степень осветления ССЗТСКТ 69

3.3 Определение основных рабочих параметров Q,(p=f(AP,t,T,V) процесса 73 ультрафильтрации ССЗТСКТ

3.4 Оптимизация процесса ультрафильтрации ССЗТСКТ 82

3.5 Регенерация мембран и их санитарная обработка 88

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ 95 КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ССЗТСКТ

4.1 Физико-химические свойства ретентата ССЗТСКТ 95

4.2 Физико-химические свойства пермеата ССЗТСКТ 100

4.3 Основные направления использования пермеата и ретентата 104 ССЗТСКТ, полученных с использованием мембранной технологии

4.4 Разработка рецептур и технологии молочного напитка с ретентатом и 108 пермеатом ССЗТСКТ

4.5 Принципиальная аппаратурно-технологическая схема переработки 111 СЗТ и СКТ с применением процесса баромембранного разделения

4.6 Определение социально-экономического эффекта разработанной 119 технологии

4.7 Социальная и экологическая оценки технологии переработки 128 ССЗТСКТ

Выводы 131

Список литературы 133

Приложения 154

Введение

Питание является важным фактором, определяющим состояние здоровья населения любой страны [68, 81]. Употребление пищи, обогащенной натуральными компонентами сырья животного и растительного происхождения, обеспечивает оптимальный рост и развитие детей, способствует укреплению иммунной системы, адаптирует людей к неблагоприятному воздействию антропогенных факторов, что в итоге ведет к повышению их работоспособности и увеличению продолжительности жизни.

В последние три десятилетия общая динамика уровня здоровья занятого населения РФ характеризуется негативными тенденциями: остро стоит проблема нехватки в продуктах питания и напитках витаминов, а также макро- и микроэлементов, вследствие чего увеличивается общее число неинфекционных заболеваний, в особенности сахарного диабета, выросла смертность вследствие онкологических и сердечнососудистых заболеваний. При этом следует отметить то, что снижается распространенность грудного вскармливания и соответственно уменьшаются антропометрические показатели у детей раннего возраста и подростков [117].

Население Российской Федерации в последние годы все больше склоняется к снижению уровня потребления биологически ценных продуктов, таких как молоко и молочные продукты, овощи и фрукты. В рационе питании отмечаются несбалансированность по белкам и углеводам, дефицит витаминов, макро- и микроэлементов, но при этом увеличивается доля мучных изделий и картофеля [5, 28, 69, 136].

В тоже время в большинстве индустриально развитых стран с каждым годом отмечается значительное увеличение потребления обезжиренных молочных продуктов [8, 32, 33, 67, 137, 139]. Их оздоровительные свойства при назначении больным, страдающим сердечнососудистыми заболеваниями и ожирением, известны очень давно [21, 37, 38, 105, 110]. В качестве распространенных продуктов питания в лечебно-профилактических целях давно используются делактозированное низкожирное молоко, пахта и

особенно молочная сыворотка, которая как наименее энергетически ценный продукт обладает выраженным свойством возбуждать секрецию желез желудочно-кишечного тракта.

Эффективным средством оздоровления населения России могут стать молочные продукты питания, обладающие функциональными свойствами, употребление которых способствует укреплению естественных механизмов защиты организма от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды [62, 83, 106, 131]. Создание функциональных молочных напитков с растительными добавками открывает новое направление в сфере производства продуктов питания [70, 88, 167]. Одним из сырьевых резервов их производства является сыворотка зерненного творога. Однако низкая эффективность традиционных способов её предварительной очистки обусловливает недостаточно широкое применение методов глубокой переработки, в частности на основе использования баромембранных процессов разделения.

Добавление сока клубней топинамбура, содержащего полисахариды (инулин и пектин, осаждающие сывороточные белки), в молочную сыворотку позволяет получить полуфабрикаты, которые будут содержать как инулин, так и пектин, использование которых в продуктах питания населения в нашей стране в 4 раза меньше нормы [187, 188]. Применение процесса ультрафильтрации для последующего разделения предварительно очищенной с использованием этих полисахаридов сыворотки дает возможность получить ретентат и пермеат, которые могут быть направлены в производство различных видов молочных напитков.

Основы комплексного использования молочной сыворотки в производстве функциональных продуктов изложены в трудах Володина Д. Н., Голубевой JI. В., Евдокимова И. А., Жидкова В. Е., Мельниковой Е. И., Остроумова JI. А., Полянского К. К., Тихомировой Н. А., Толстогузова В. Б., Хамагаевой И. С., Харитонова В. Д., Храмцова А. Г., Gordon Т., Ruhland Р. и др. Проблеме рационального использования клубней топинамбура посвящены

работы Голубева В. Н., Дорофеева JI.A., Пасько Н.М., Шаззо Р.И., Богус A.M., G.Buzzini, Kasaric N. и др.

Потребность и соответственно объем производства функциональных продуктов, в том числе и молочных напитков постоянно растет, что обусловливает необходимость совершенствовать технологии переработки сырья животного и растительного происхождения, повышать пищевую и биологическую ценность получаемой готовой продукции и значительно расширять её ассортимент.

Однако имеющиеся в настоящее время теоретические и экспериментальные данные в области комплексной переработки вторичного молочного и сырья растительного происхождения не позволяют широко использовать баромембранное оборудование в производстве продуктов функционального питания, что обусловливает необходимость и актуальность проведения дальнейших научных исследований.

Объект исследования: образцы молочной сыворотки, полученной в производстве зерненного творога (СЗТ), и сок клубней топинамбура (СКТ) сорта «Находка».

Предмет исследований: технология и процесс ультрафильтрационного разделения ССЗТСКТ.

Целью диссертационной работы является разработка комплексной технологии и процесса ультрафильтрационного разделения смеси сыворотки, полученной в производстве зерненного творога, и сока клубней топинамбура (ССЗТСКТ), определение путей использования получаемого при этом пермеата и ретентата.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

- численные значения основных физико-химических показателей ССЗТСКТ как объекта ультрафильтрационного разделения на полимерных мембранах в аппаратах рулонного типа;

- расчетные зависимости, описывающие процесс ультрафильтрации ССЗТСКТ через полимерные мембраны в аппаратах рулонного типа;

- наиболее рациональные значения диапазонов основных факторов (давление АР, скорость потока V, температура Т, продолжительность процесса оказывающих превалирующее влияние на проницаемость С* и селективность Ф полимерных мембран аппаратов рулонного типа при ультрафильтрации ССЗТСКТ;

- регламент мойки и регенерации полимерных мембран, используемых для ультрафильтрации ССЗТСКТ в аппаратах рулонного типа;

- комплексная технология переработки ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации на аппаратах рулонного типа с полимерными мембранами;

- способ получения напитка на основе ССЗТСКТ с применением процесса ультрафильтрации;

- оценка экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние производства молочных продуктов и напитков на основе молочной сыворотки

В последние годы в России, в связи с ухудшением экономической ситуации, отмечаются сокращение средней продолжительности жизни, увеличение заболеваемости населения, повышение смертности. Среди причин ухудшения состояния здоровья ведущее место занимают сердечно-сосудистые, онкологические и гастроэнтерологические заболевания, развитие которых в значительной мере обусловлено нарушением структуры питания. У большинства населения выявлен дефицит витаминов, макро- и микроэлементов [22, 26,167,189].

На протяжении последних десятилетий взгляды на питание многократно пересматривались, и, возможно, поэтому в практической работе врачей всех специальностей достижения современной медицины используются недостаточно [33, 196]. Так, лидирующая многие годы концепция рационального питания, обеспечивающая человеку равновесие между поступающей и расходуемой энергией, удовлетворение потребности организма в необходимом количестве органических и неорганических соединений, постепенно уступает свои позиции. В последнее время все больше обсуждаются вопросы так называемого здорового питания. Под «здоровым питанием» предлагается понимать употребление в пищу таких пищевых продуктов, которые в максимальной степени удовлетворяют потребности человека, что позволяет поддерживать здоровье и предотвращать возникновению каких-либо видов заболеваний [137].

Одним из промежуточных подходов к вопросам оптимизации рациона питания различных групп населения, стала разработка в конце прошлого столетия концепции «функционального питания», затрагивающей многие фундаментальные и прикладные аспекты здоровья человека. Под термином

«функциональное питание» подразумевается использование таких продуктов естественного происхождения, основные ингредиенты которых при систематическом употреблении оказывают регулирующее действие на организм человека или те или иные его органы и системы, обеспечивая безмедикаментозную коррекцию их функции [62].

Японские исследователи оценивают три основных параметра функциональных продуктов [179]: пищевая ценность, вкусовые качества и физиологическое воздействие, причем последнее формируется введенными в состав продукта функциональными ингредиентами. Из всего разнообразия продуктов «функционального питания» внимание исследователей в последние годы привлекают в первую очередь пробиотики и пробиотические продукты, созданные на их основе [136, 179], в частности, молочные продукты.

Оздоровление организма человека и обеспечение его активной жизнедеятельности с использованием молочных продуктов, обладающими пробиотическими свойствами, являются новым перспективным направлением в медицине как ее составной части [35, 151, 189]. По данным японских исследователей [179], применение лакто- и бифидобактерий в составе пробиотических препаратов в продуктах питания уже в начале XXI века наполовину вытеснит существующий рынок химических лекарственных препаратов и тем самым даст возможность решить проблему здоровой микробной экологии человека [179,191].

Молочные продукты содержат достаточное для полноценного питания количество незаменимых аминокислот (в ферментированном молоке содержание свободных аминокислот в 7-11 раз выше, чем в свежем), витаминов A, D, Е, солей фосфора, кальция, магния, участвующих в обмене веществ в организме человека [157, 161]. Молочная кислота, диоксид углерода оказывают сильное стимулирующее воздействие на пищеварительные железы, что улучшает процесс переваривания и усвоения пищи. Молочные продукты обогащают желудочно-кишечный тракт

молочнокислыми и другими бактериями, способными существенно повышать иммунную активность организма [190].

Следует отметить, что кальций из ферментированных молочных продуктов легче усваивается организмом человека в связи с переходом его в кислой среде в растворимое состояние и частичным высвобождением из белковых молекул за счет гидролиза белков заквасочными микроорганизмами [62, 191]. Регулярное потребление кальция с молочными продуктами, особенно в детском и юношеском возрасте, оказывается решающим фактором повышения прочности костной ткани и предупреждения остеопороза [169].

Согласно результатам исследований канадских ученых [192], с помощью бактерий, использующихся для производства молочных продуктов, в частности лактобактерий, удалось получить большое количество веществ, идентичных хорошо известным ингибиторам ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) со сходной с ними активностью. Это первые данные, демонстрирующие возможность применения бактерий в производстве ингибиторов АПФ.

Ведущим направлением в области питания является создание новых видов молочных продуктов, способствующих улучшению здоровья при их ежедневном употреблении [35, 66, 74, 88, 141, 171]. Наличие в этих продуктах функциональных ингредиентов, таких как пищевые волокна, витамины, минеральные вещества, полиненасыщенные жирные кислоты, молочнокислые бактерии, полисахариды, аминокислоты, протеины, органические кислоты повышают их пищевую и биологическую ценность и позволяют отнести к продуктам функционального назначения [71, 72, 73, 75, 80, 87, 185].

1.2 Применение