Разработка адаптированной технологии национального кисломолочного продукта катык из пермеата обезжиренного молока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат наук Мухамаджон Нурулло

• Мухамаджон Нурулло
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Мухамаджон Нурулло

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1 Современное представление основы теории питания

1.2 Общая характеристика наиболее распространенных национальных кисломолочных напитков стран Средней Азии

1.3 Применение концентрата белков молочной сыворотки в рецептуре кисломолочных продуктов

1.4 Особенности применения баромембранных процессов для разделения молочного сырья

1.5 Цель и задачи исследования

Глава 2. Организация эксперимента и характеристика объектов исследования

2.1 Организация и схема проведения исследований

2.2 Объекты и методы исследований

2.3 Сырьё, лабораторно-аналитическое оборудование, используемое для

проведения экспериментальных исследований

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1 Определение органолептических и физико-химические показателей катыка, выработанного традиционным способом из цельного молока

3.2 Выработка экспериментального контрольного образца готового национального продукта катык (НПК)

3.3 Микрофильтрационная обработка молочного сырья для его использования в производстве НПК

3.4 Получение сублимированного пермеата молочной сыворотки и его использование в качестве ингредиента обезжиренного молока (ОМ) при выработке катыка

3.5 Определение температурных режимов сквашивания НПК

3.6 Определение хранимоспособности готового продукта НПК

Глава 4. Разработка адаптированной технологии получения НПК

4.1 Технологическая схема производства НПК и продуктов на его основе

4.2 Разработка рецептуры и определние органолептических показателей кисломолочных напитков на основе НПК

4.3 Экономические аспекты технологии производства НПК

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение А. Решение о выдаче патента на изобретение

Приложение Б. Заключение по результатам экспертизы

Приложение В.Технические условия

Приложение Г. Протокол испытаний

Приложение Д. Результаты исследования комплексного процесса очистки и

сублимационной сушки молочной сыворотки

Приложение Е. Акт опытно-экспериментальной партии сублимированного пермеата для молочных напитков

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка адаптированной технологии национального кисломолочного продукта катык из пермеата обезжиренного молока»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы. В настоящее время большинство людей уделяют необходимое внимание сохранению своего здоровья, что обусловлено не только негативным влиянием урбанизированной окружающей среды, но и стремлением к полноценному активному долголетию1. В этой связи постоянное потребление функциональных продуктов питания, выработанных на основе натурального, особенно молочного, сырья в сочетании с разумной физической активностью становится альтернативой постоянно растущим в цене медицинским

23

услугам . Это подтверждается и растущим спросом на пищевые продукты, в том числе и на содержащие нативные молочные белки продукты питания, изготовленные по принципу «clean label», то есть содержащие только натуральные ингредиенты без искусственных добавок. Вместе с тем надо отметить, что новый технологический этап в развитии мирового сообщества обусловил резкое снижение доли тяжелого физического труда. А рацион питания при этом сместился в сторону высококалорийной пищи, что способствует значительному увеличению количества людей с избыточной массой тела, страдающих от сопутствующих этому явлению недугов (атеросклероз, диабет, гипертония и т.п.).

Анализ сферы потребления населением пищевой продукции показал, что за последнее десятилетие в значительной мере изменились представления

1 Трушина А.С. Низкоаллергенные кисломолочные напитки // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 116-118.

2 Оносовская Н.Н. Кисломолочные напитки на основе пахты и молочной сыворотки // Переработка молока. 2019. № 9 (239). С. 40-45.

3 Полянский К.К. Кисломолочные напитки с частичной заменой молока пастеризованной сывороткой // Сыроделие и маслоделие. 2021. № 2. С. 41-44.

людей о рационе питании и его влиянию на состояние здоровья45. Тренд предпочтений сместился в сторону низкокалорийных и особенно кисломолочных продуктов с повышенной биологической ценностью и выраженными функциональными свойствами. Такие хорошо известные продукты как йогурт с различными наполнителями, кефир, ряженка, творог превалируют в торговом ассортименте магазинов. Наметилась явная тенденция к росту покупательского спроса на национальные

кисломолочные продукты, отличающиеся высокими органолептическими показателями и высоким качеством. Это обуславливается, прежде всего, веками сложившимися культурными и гастрономическими традициями многонационального народа нашей страны, а также географическим положением и климатическими особенностями, например, регионов Средней Азии67. Кухня народов Таджикистана ассоциируется с широко распространенными у них кисломолочными продуктами типа курт, катык, дугоб и т.п. Как для народов Северного Кавказа привычен айран, так и в Таджикистане хорошо известен катык, который широко применяется в пищевом рационе в качестве базовой основы готовых блюд. Особым спросом он пользуется в жаркое время года при приготовлении самых разнообразных по рецептуре кисломолочных прохладительных напитков. Сквашенное аналогичным способом молоко называют катыком и в тюркоязычных странах Среднего и Ближнего Востока. Надо отметить, что систематическое употребление в пищу катыка, прежде всего, нормализует работу всего желудочно-кишечного тракта человека и способствует очищению организма от токсических метаболитов, а также активизирует работу микробиоты.

4 Сазонова О.В. Изучение соблюдения принципов рационального питания различными профессиональными группами, проживающими в Российской Федерации и республике Таджикистан // Наука и инновации в медицине. 2020. Т. 5. № 3. С. 154-158.

5 Чижикова О.В. Правильное питание - основа здорового образа жизни // Международный студенческий научный вестник. 2021. № 2. С. 53.

6 Арутюнов С.А. Традиционная пища как выражение этнического самосознания. Москва, 2001. С. 293

7 Галимова А.М. Молочные функциональные продукты питания // Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. Республика Казахстан, 2014. № 1. С. 43-44.

Основой дальнейшей диверсификации отечественной молокоперерабатывающей отрасли пищевой промышленности является расширение ассортимента производимой продукции за счет разработки адаптированных технологий и совершенствования рецептур традиционных национальных кисломолочных продуктов. Это позволит не только сохранить богатейшее культурно-бытовое наследие многонационального населения нашей страны, но и будет способствовать реализации государственной программы импортозамещения путём конкуренции с торговой экспансией зарубежных товаропроизводителей.

Таким образом, научно-исследовательская работа, целью которой является создание адаптированной технологии национального кисломолочного продукта катык из пермеата обезжиренного молока, является актуальной и имеют большое социально-экономическое значение.

Степень разработанности избранной темы.

Научным исследованиям в сфере совершенствования технологии переработки натурального молочного сырья при его использовании в производстве различных видов кисломолочных продуктов посвящены работы ученых Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности (ФГАНУ ВНИМИ), Северо-Кавказского федерального университета (ФГАОУ ВО СКФУ), Воронежского государственного университета инженерных технологий (ФГБОУ ВО ВГУИТ), а также Кемеровского государственного университета (ФГБОУ ВО КемГУ) и Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов (ГБУ ЯО ЯГИКСП ИI).Большой научно-практический и теоретический вклад в развитие и дальнейшее совершенствование разработок по этой тематике внесли отечественные ученые: Н.Н. Липатов, В.Д. Харитонов, А.И. Гнездилова, Л.А. Остроумов, К.К. Полянский, А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов, В. Е. Жидков, С. П. Бабенышев, С. А. Рябцева, Г.Б. Гаврилов, Е. И. Мельникова, А. Д. Лодыгин, и многие другие.

Основные исследования выполнены, и диссертация подготовлена на кафедре «Пищевых технологий и инжиниринга» факультета пищевой

инженерии и биотехнологий ФГАОУ ВО СКФУ. Экспериментальные данные получены в рамках выполнения гранта Президента Российской Федерации (договор № 075-15-2020-487 от 14.04.2020).

Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы была поставлена разработка адаптированной технологии национального кисломолочного продукта катык из микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока.

Для достижения поставленной цели исследований были сформулированы следующие основные научные задачи:

- изучить физико-химические свойства и органолептические показатели национального кисломолочного продукта катык, приготовленного традиционным способом из молока наиболее распространенных в Ставропольском крае пород коров;

- определить диапазоны основных рабочих параметров технологического процесса микрофильтрационной подготовки обезжиренного молока для производства катыка;

- определить диапазоны основных рабочих параметров процессов получения сублимированного пермеата молочной сыворотки, используемого в качестве ингредиента в ОМ перед сквашиванием;

- установить основные этапы адаптированной технологии для выработки из микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока кисломолочного продукта катык и разработать аппаратурно-технологическая схему его производства;

- определить основные физико-химические характеристики, органолептические показатели, температуру сквашивания и хранимоспособность национального кисломолочного продукта катык, выработанного по адаптированной технологии из микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока;

- разработать рецептуры кисломолочных напитков на базовой основе национального кисломолочного продукта катык, изготовленного из микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока;

- определить ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии.

Научная новизна работы:

- получены расчетные зависимости, дающие возможность определить диапазоны значений рабочего давления, скорости циркуляции, массовой доли сухих веществ, температуры разделяемой системы и продолжительности микрофильтрации обезжиренного молока, как сырья для приготовления национального кисломолочного продукта катык;

- установлено соотношение при смешивании концентрата сока корня солодки и молочной сыворотки для её предварительного осветления перед последующим получением сублимированного пермеата, используемого в качестве ингредиента в обезжиренном молоке перед его сквашиванием для производства катыка;

- определены основные физико-химические свойства, органолептические показатели, температура сквашивания и срок хранения национального кисломолочного продукта катык, изготовленного из пермеата обезжиренного молока.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- выполнен подбор молока распространенной в Ставропольском крае породы коров в качестве исходного сырья для производства кисломолочного продукта катык;

- предложены основные этапы адаптированной технологии для выработки из микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока кисломолочного продукта катык и разработана аппаратурно-технологическая схема его производства;

- разработаны рецептуры кисломолочных напитков на основе выработанного по адаптированной технологии из микрофильтрационного

пермеата обезжиренного молока катыка с различными ингредиентами, новизна предлагаемого способа их производства подтверждена положительным решением по заявке на патент № 2020141142 «Способ получения сывороточного полуфабриката для производства молочных безалкогольных продуктов питания» с приоритетом от 14.12.2020 г (Приложение А).

Методология и методы диссертационного исследования.

Диссертационные исследования базируются на основных принципах методологии научно-технической деятельности, в своей основе опираются на результаты известных разработок зарубежных и отечественных ученых в областях, связанных с тематикой выполненной работы. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием стандартных приложений Microsoft office 2010, Statistica 12.0, апробация - на базовой кафедре технологии молока СКФУ при АО «Молочный комбинат «Ставропольский» (МКС) и в экспериментальном цехе ОАО «Северное Молоко» г. Вологда.

Положения, выносимые на защиту:

- подбор исходного сырья для получения национального кисломолочного продукта катык из обезжиренного пермеата натурального молока;

- зависимости проницаемости и селективности мембран от основных рабочих параметров (рабочее давление, скорость циркуляции, массовая доля сухих веществ и температура разделяемой системы, длительности процесса) микрофильтрации обезжиренного молока;

- основные физико-химические свойства и органолептические показатели национального кисломолочного продукта катык, выработанного по адаптированной технологии;

- общая технологическая и аппаратурно-процессовая схемы производства национального кисломолочного продукта катык из обезжиренного пермеата натурального молока.

Степень достоверности результатов.

Все эксперименты проведены в 3-5 кратной повторности с применением специального лабораторного оборудования, стандартных и общепринятых методик. Статистическая обработка полученных экспериментальным путём данных, выполнена при доверительной вероятности 0,95 с применением стандартных программ ПЭВМ.

Апробация результатов.

Основные научно-практические результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликованы в печатных материалах: XIX Международной научно-практической конференции «Современные достижения биотехнологии. Техника, технологии и упаковка для реализации инновационных проектов на предприятиях пищевой и биотехнологической промышленности», г. Ставрополь - г. Пятигорск, 2020 год; национальной научно-практической конференции «Инновационные направления развития в образовании, экономике, технике и технологиях», г. Ставрополь, 2020 год; 4-й международной конференции «Агробизнес, экологический инжиниринг и биотехнологии» - AGRITECH IV 2020, Красноярск - Волгоград, 2020 год; IX международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые инновации и биотехнологии», г. Кемерово, 2021 год; VIII (65-й) ежегодной научно-практической конференции «Университетская наука - региону», г. Ставрополь, 2021 год; VIII международной научно-практической конференции «Современные достижения биотехнологии. глобальные вызовы и актуальные проблемы переработки и использования вторичных сырьевых ресурсов агропромышленного комплекса России», г. Ставрополь, 2021 год.

Основное научное содержание диссертационного исследования отражено в 11 публикациях, из них 2 в журналах, входящих в базы цитирования Scopus и Web of Science, 2 в журналах, рекомендованных ВАК

РФ, а также в заявке на патент РФ № 2020141142 с приоритетом от 14.12.2020 г., получившей положительное решение (Приложения А и Б).

Структура и объём диссертации.

Текст диссертации включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы, содержащий 157 наименований, в том числе 31 иностранных, 6 приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, включает 17 рисунков и 27 таблиц.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1. Современное представление основы теории питания

Питание является одним из основных условий биологической жизни. Поэтому все универсальные естественнонаучные концепции включали в себя теорию питания как важную и необходимую часть. История науки рассматривает три основные теории питания: античную, сбалансированного питания и теорию адекватного питания. В конце прошлого века академик Уголев А. М. сформулировал и дал научное обоснование основным положениям новой теории адекватного питания и трофологии, которая базировалась на комплексном походе к изучению процессов усвоения пищи и их влиянию на организацию взаимодействий биологических систем всех

о

уровней .

Однако, согласно современным научным представлениям, все продукты питания должны обладать не только питательной ценностью, но и регулировать основные функции организма. Необходимость перехода к новой парадигме питания была обусловлена, прежде всего, социально-экономическими причинами. Важнейшей из которых было кратное увеличение затратна высокотехнологическое лечение заболеваний и производство новейших лекарственных препаратов. За последнее время совокупные государственные затраты на здравоохранение в экономически развитых странах Америки, Европы и Азии каждые 8-10 лет растут в

8Уголев А.М.Пищеварение и его приспособительная эволюция. Москва: Высшая школа, 1961. С. 306.

примерно на 1 % 9. К тому же, в одной только Западной Европе в начале этого века число жителей в возрасте 65+ составляло примерно 15 % и вполне естественно нуждалось в дорогостоящем медицинском обслуживании. Простая экстраполяция показывает, что уже к 2030 году доля таких людей может составить 20-25 %.

Концепция функционального питания впервые предложена в Японии в начале восьмидесятых годов 20-го века и распространилась по всему миру1011. В её основу положено рациональное и научно обоснованное использование в ежедневном рационе питания пищевых продуктов с особыми функциональными свойствами. Ежедневное употребление в пищу функциональных продуктов (так называемых FOUSHU - Foods for specifid helth use) должно способствовать естественному течению всех процессов жизнедеятельности в организме. Базовые требования к продуктам FOUSHU были впервые законодательно закреплены в национальном стандарте, введённым в конце 1991 года. А через некоторое время Европейской комиссией была принята новая «Научная концепция функционального питания в Европе» (Scientific Concepts of Functional Foodin Europe)1213. Основная задача заключалась в детальной разработке научно-обоснованного подхода к реализации мероприятий по поддержке производителей пищевых продуктов, чья продукция была бы способна оказывать положительный эффект на основные физиологические функции организма, а также улучшать общее самочувствие, в том числе и снижать риск возникновения различных

9 Питание и здоровье в Европе: новая основа для действий. Резюме, Европейское региональное бюро ВОЗ. Копенгаген, 2003. C. 525.

10 Сас Е.И. Концепция функционального питания на современном этапе // Пищевая технология. 2016. № 4. С. 81-84.

11 Шаззо Р.И. Общая концепция и приоритеты научного обеспечения создания продуктов питания функционального назначения // Наука Кубани. 1999. № 5. С. 17-21.

12 Там же. С. 525.

13Bellisle F. Functional food science and behaviour and psychological functions // The British journal of nutrition. 1998. Vol. 80. Р. 193.

заболеваний14. Одним из первых зарубежных ученых, который обосновал возможность и необходимость практического использования продуктов питания и их отдельных компонентов в качестве дополнительных фармацевтических препаратов при лечении различных заболеваний, был лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг1516. В своих работах он доказал, что от некоторых заболеваний люди могут излечиться только путем правильно подбора и применения определенного количества макро- и микроэлементов, не применяя при этом традиционные лекарственные препараты. Аналогичные методы профилактики болезней рекомендует и Д. Поттер, который для производства функциональных продуктов питания предложил в качестве ингредиентов использовать различные комбинации

17

молочнокислых бактерий . В нашей стране изучением и практическим применением фармакологических эффектов различных пищевых продуктов успешно занимался академик А. А. Покровский.

Решение на федеральном уровне проблемы здорового питания представлено в государственных программах: «Здоровое питание - здоровье нации», «Школьное питание», «Перспективные процессы в отраслях АПК», в которых есть специальный разделы, посвященные разработкам функциональных продуктов. Большинство потребителей при выборе пищевой продукции руководствуются не только её безопасностью, но и рассчитывают на сохранение и укрепление здоровья, покупая продукты с маркировками «обогащенный» или «с добавлением» того или иного нутриента. Поскольку в РФ традиционно кисломолочная продукция широко распространена в питании населения, то придание ей функциональных

14 Питание и здоровье в Европе: новая основа для действий // Всемирная организация здравоохранения. Москва: Весь Мир, 2005. С. 505.

15Полинг Л. Избранные главы из книги «Как жить дольше и чувствовать себя лучше». Сочи, 2001. 32 с.

16Полинг Л. Химия / Перевод с англ. В.С. Сахарова; Подред. М.Л. Карапетьянц. Москва: Мир, 1978. 683 с.

17 Verschuren P.M. Functional Foods: Scientific and Global Perspectives // British J. 2002. Vol. 88. P. 125-130.

свойств может рассматриваться как один из способов профилактики риска

18

возникновения алиментарно-зависимых форм заболеваний

Свежее коровье молоко, как сырьё для производства кисломолочной продукции, несомненно обладающей функциональными свойствами, содержит полноценные белки, входящие в их состав практически все незаменимые аминокислоты, углеводы в виде лактозы (5,0 г/100 г продукта), витаминный комплекс, является хорошим источником кальция (до 120 мг/100 г), оптимальный уровень потребления которого в детском и пожилом возрасте особенно важен.

Однако необходимо отметить, что несмотря на все достижения науки и техники состав и свойства большинства кисломолочных продуктов, производимых даже современными пищевыми предприятиями, далеки от стабильности. Кроме того, остаточное, в сравнении с исходным сырьём, содержание Р-каротина (до 0,16 мг/кг), витамина А (до 0,4 мг/кг), и рибофлавина (до 1,5 мг/кг) даже в количественном отношении недостаточно для обеспечения потребностей человеческого организма даже если ежедневно употреблять примерно 1,5 литра молока. Что касается содержания в обычном питьевом молоке наиболее дефицитных витаминов, таких как С, В1, и фолиевой кислоты, то их в переработанном промышленным способом молоке еще меньше. Существенные изменения первоначальных функциональных свойств молока обусловлены вынужденным переходом экономически развитых стран к массовому промышленному масштабу переработки этого натурального сырья, что предусматривает сепарирование, нормализацию, стерилизацию, сушку, длительное хранение порошкового полуфабриката и последующее его восстановление. Уменьшение жирности молока становится причиной значительного снижения содержания в нём и жирорастворимых витаминов. Таким образом применение промышленной технологии переработки натурального молочного сырья обуславливает также

18Мартинчик А.Н. Питание человека (основы нутрициологии). Москва: ВУИМЦ МЗ РФ, 2002. С. 576.

и необходимость последующего обогащения обезжиренного молока самыми различными по составу и свойствам биологически активными веществами (БАВ)19. Следуя популярной во второй половине 20 века в США и странах Западной Европы теории, так называемой оптимизации микробиоты желудочно-кишечного тракта, некоторая категория населения начали разными способом в свой ежедневный рацион питания вводить самые разнообразные композиции БАВ, включавшие в свой состав, прежде всего, различные поли- и просто витамины, минеральные вещества и т. д. При этом полагалось, что это будет способствовать восполнению их недостатка в продуктах, производимых пищевой промышленностью, поддержанию

функциональной активности различных органов всего организма, в том числе

20

и для профилактики, а также лечения ряда заболеваний . Соответственно, функциональные продукты изначально предназначались для поддержания баланса обменных процессов в человеческом организме, путём повышения иммунного статуса исключения острых проявлений аллергических реакций на потребление пищевых продуктов массового производства2122.

В нашей стране, по мере развития разработанной в 80-х годах прошлого века учёными НИИ питания РАМН и поддерживаемой на государственном уровне программы «Создание и освоение производства продуктов детского питания и витаминизированных пищевых продуктов»,тоже был значительно расширен ассортимент вносимых в кисломолочные продукты БАВ. В нашей медицинской науке было сформировано новое направление, которое включает разработку теоретических основ, производства, реализации и потребления

19Самойлов В.А. Разработка продуктов лечебно-профилактического питания, биологически активных добавок и лекарственных препаратов на основе компонентов молока // Вестник СевКавГТУ. 2004. № 1. С. 1-11.

20Potter D. Positive Nutrition - making it happen: Food ingredients Europe. 1995. P. 180-184.

21Шевченко И.А. Функциональное питание. Москва, 2013. С. 153.

22 Шендеров Б.А. Функциональное питание и его роль в профилактике метаболического синдрома. Москва: ДеЛипринт, 2008. С. 318.

232425

функциональных продуктов питания . В РФ основным нормативным документом, содержащим базовые понятия в этой области, является ГОСТ Р52349-2005 «Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения». В документе приведены термины, определяющие категории «функциональные продукты питания», «обогащенные пищевые продукты», «пробиотики». «пребиотики», «физиологически необходимые пищевые составляющие», включающие витамины, минеральные соли, пищевые волокна, полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) и т.д.26.

При анализе данных, приведенных в научных публикациях в 90-х годах прошлого столетия видно, что в нашей стране уже тогда был начат выпуск большого числа (около 40 наименований) диетических и лечебно-профилактических кисломолочных продуктов. А так как их производство основывалось на применении заквасок чистых культур или комплексов молочнокислых микроорганизмов (включая лактобактерии, стрептококки, пропиони бактерии, дрожжи и бифидобактерии), то по сути своей это были первые функциональные продукты: «Молодость», «Ряженка», «Биолакт», катык, «Ацидофелин», «Йогурт», «Кумыс», «Наринэ» и др. Сегодня отечественный рынок кисломолочных продуктов представлен в основном традиционными продуктами, обогащенными бифидобактериями: Бифидокефир (лечебно-профилактический) и бифидокефир «Найс» (детский), последний предназначен для диетического и лечебно-профилактического питания детей с 3-месячного возраста; АО «Партнер»

23 Матюнина О.И. Современные подходы к созданию функциональных продуктов питания с использованием побочных продуктов молочного производства и растительного сырья // Международный студенческий научный вестник. 2018. № 3-2. С. 254-257.

24 Орлова Т.А. Инновации в сфере производства функциональных продуктов питания на основе сырья животного и растительного происхождения: материалы III ежегодных международных научно-практических чтений ставропольского института кооперации (филиала) БУКЭП.: III международных конференций профессорско-преподавательского состава и аспирантов СтИК (филиала) БУКЭП / Под общей редакцией В.Н. Глаза С.А. Турко. Ставрополь, 2017. С. 210-212.

25 Агаркова Е.Ю. Использование гидролизатов молочной сыворотки при разработке функциональных продуктов // Переработка молока. 2017. № 8. С. 16-19.

26 ГОСТ Р52349-2005. Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения. Москва: Стандартинформ, 2006. 12 с.

(Москва) освоило выпуск бифидокефира «Бифидок» на основе сухого концентрата бифидумбактерина. Более известными производителями функциональных молочных продуктов являются компании Danone («Данон», «Даниссимо», «Активиа», «Actimel», «Vitalinea»), Вимм-Билль-Данн («Биомакс», «Биойогурт») и Ehrmann («Биогурт», «Эрмигурт»). Базовые технологии их производства обязательно предусматривали сквашивание, как правило без добавления свекловичного сахара, пастеризованного (или стерилизованного) молока симбиотической закваской бифидобактерий полного видового состава. А вот в готовый товарный продукт можно было вводить различные пищевые ароматизаторы, красители, фруктово-ягодные наполнители, консерванты и т.д.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мухамаджон Нурулло, 2021 год

п/п источники

1 2 3 4

1 Отбор и подготовка проб к анализу По стандартным методикам ГОСТ 26809.12014

2 КМАФАнМ Метод разведений и посева ГОСТ 10444.1594

3 Титруемая кислотность Титрование с использованием электронного титратора Тйгейе, 25 мл ГОСТ 3624-92

4 Массовая доля сухого вещества Рефрактометрический ГОСТ 341282017

5 Активная кислотность (концентрация ионов водорода) Потенциометрический метод с использованием рНметра рН-150 в диапазоне измерения от 0 до 14 единиц рН с основной допускающей погрешностью в пределах ±0,05 единиц ГОСТ 26781-85

6 Массовая доля белка Методом Кьельдаля с использованием анализатора белка по Кьельдалю ЦОК-149 ГОСТ Р 539512010

7 Плотность Ареометрический метод ГОСТ 3625-84

8 Температура Термометрический метод ГОСТ 26754-85

Продолжение таблицы 2.2.1

9 Отбор и подготовка проб для микробиологического анализа По стандартным методикам ГОСТ 266 68-85

10 Бактерии группы кишечной палочки (БГКП) Метод разведений и посева на среду Кесслер ГОСТ 9225-84

12 Массовая доля жира Метод Гербера ГОСТ 5867-90

Исследования физико-химических свойств и определение органолептических оценок молочного сырья проводили по ГОСТ 322552013, ГОСТ Р ИСО 3972-2005 и ГОСТ 2828389. Подготовку образцов осуществляли в специальном отдельном помещении. Их маркировку делали на лабораторной посуде нанесением порядковых номеров. Образцы каждой партии не отличались по температуре, количеству, качеству, то есть были гомогенными.

Органолептическую оценку молочного сырья и образцов готовой продукции проводили по следующему основному алгоритму: отобранную пробу помещали в мерный стеклянный стакан емкостью 500 см3, доводили до температуры (22±1) °С, тщательно перемешивая круговыми движениями шпателем на всю глубину емкости, добиваясь полного освобождения от пузырьков воздуха, однородности, и затем проводили необходимые измерения. Органолептическую оценку внешнего вида, цвета, структуры и консистенции исследуемых образцов молочного сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов проводили визуально при естественном освещении: осматривали на нейтральном белом фоне поверхность продукта, отмечая наличие или отсутствие каких-либо особенностей.

Органолептическая оценка готового кисломолочного продукта НПК выставлялась по пятибалльной шкале. Соответственно максимальное значение оценки по каждому показателю (структура и консистенция, внешний вид и цвет, запах, вкус, аромат и т.п.), предусмотренному в требованиях действующих нормативно-технических документов (НТД) составляло пять баллов. Эту оценку снижали на один балл в случае обнаружения незначительных отклонений того или иного показателя от НТД. Уменьшение оценки на два балла делали при существенно выраженных отклонениях. Трёх бальное и большее снижение оценки соответствовало обнаружению пороков, т.е. фактическому браку образца, признанию непригодности в качестве готового пищевого продукта.

При разработке аппаратурно-процессовой схемы производства кисломолочного продукта НПК руководствовались справочными данными из общепринятых источников технической и технологической информации.

2.3. Сырьё, лабораторно-аналитическое оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований

Для получения продукта НПК использовали микрофильтрационный пермеат обезжиренного молока. Способ выработки национального кисломолочного продукта катык в лабораторных предусматривал соблюдение основных требований ГОСТ 26809.1-2014 и использование свежего коровьего молока (основной поставщик - КФХ Афанасьев И.Л. с. Надежда Ставропольского края, сертификат качества № 23765/СК-2020, а также полученные из специализированной лаборатории селекционного контроля качества молока СтГАУ образцы молока коров пород

«Голштинская», «Красная степная» и «Айрширская», получивших наибольшее распространение среди молочного поголовья в Ставропольском крае) с массовой долей жира 4,8^5,0 %.

Для экспериментального определения диапазонов основных рабочих параметров процесса микрофильтрации обезжиренного молока была использована лабораторная установка тангенциальной фильтрации KrosFlo® ResearchПi TFF, укомплектованная кассетами Коуаве1Ъ8 полимерных мембран с порогами задержки от 0,1 до 0,5 мкм.

Рисунок 2.3.1 - Общий вид и принципиальная схема исследовательской установки тангенциальной фильтрации KrosFlo® Research Iii TFF: 1. Мембранный модуль; 2. Емкость для обезжиренного молока (ретентата).; 3. Резервуар для пермеата; 4. Перильстатический насос; 5. Блок управления установкой; 6. Дроссель для потока пермеата; 7. Дроссель для потока ретентата; 8. Весы для определения расхода пермеата; 9. Датчики давления.

В исследовательской установке тангенциальной фильтрации KrosFlo® Research Iii TFF может использоваться один фильтр-элемент. Особенности её конструкции позволяют осуществлять процесс микрофильтрации жидких полидисперсных системна основе использования кассеты с полимерным

л

мембранным элементом с активной площадью фильтрации 0,01 м ,

регулировать скорость циркуляции при постоянном давлении, проводить процесс при постоянной скорости и различной величине давления. С использованием этой установки в лабораторных условиях определяли проницаемость и селективность полимерных мембран при варьировании основных параметров процесса микрофильтрации обезжиренного молока. Текущие значения рабочих параметров процесса баромембранного разделения фиксировались в специальном журнале наблюдений и программном комплексе TFF Trial Template. Для хранения и последующей обработки информации применялась стандартная ПЭВМ с сертифицированным программным обеспечением.

Для определения в исходном сырье и в получаемом продукте массовой доли молочного белка, жира, сухих веществ, а также других необходимых для проведения экспериментальных исследований данных использовали стандартное сертифицированное лабораторное оборудование:

- анализатор белка Кьельдалю UDK-149 VELP;

- рефрактометр ИРФ 454 Б2М;

- лактан 1-4М;

- титратор электронный Brand Titrette;

- анализатор молока MilkoScanFT 120;

- мультипараметровый прибор MultiLine 3420.

Обработку результатов экспериментов проводили на основе официально допущенных к использованию в научно-исследовательской работе приложений MicrosoftExcel, Statistica 10.0. При выполнении вспомогательных работ, необходимых для обеспечения основных экспериментальных исследований использовано общепринятое к применению стандартное лабораторное оборудование, приборы и реактивы.

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1. Определение органолептических и физико-химические показателей катыка, выработанного традиционным способом из цельного молока

На начальном этапе экспериментальных исследований были определены органолептические показатели и физико-химические свойства следующих образцов катыка, выработанных из цельного молока традиционным способом (таблица 3.1.1):

- доставленные из России и регионов Средней Азии (Узбекистан, Таджикистан, Казахстан);

- в лабораторных условиях из молока коров пород «Голштинская», «Красная степная» и «Айрширская», получивших наибольшее распространение среди молочного поголовья в Ставропольском крае благодаря их высокой продуктивности и стабильным качественным показателям молока.

Таблица 3.1.1 - Наименование/происхождение выработанных традиционным способом образцов национального кисломолочного продукта катык

Продолжение таблицы 3.1.1

1 Узбекистан (г. Шахрихан). Образец получен в условиях и на оборудовании ООО Rash-Milk

2 Таджикистан (г. Бустон). Образец получен в условиях и на оборудовании ООО «Рушон»

3 Казахстан (г. Усть-Каменогорск). Образец получен в условиях и на оборудовании «Восток-Молоко»

4 Россия (Калужская область), «G-balance». Образец получен в условиях и на оборудовании АО Тарусский молочный завод.

5 Россия (республика Татарстан), «Вкусняев». Образец получен в условиях и на оборудовании ОАО «Алабуга Соте»

6 Россия (Владимирская область), «Дар Гор». Образец получен в условиях и на оборудовании «FOODMILK».

7 Россия (Ставропольский край), с использованием молока коров породы «Голштинская». Образец получен в условиях и на оборудовании лаборатории процессов и аппаратов пищевых производств СКФУ

8 Россия (Ставропольский край), с использованием молока коров породы «Красная степная». Образец получен в условиях и на оборудовании лаборатории процессов и аппаратов пищевых производств СКФУ

9 Россия (Ставропольский край), с использованием молока коров породы «Айрширская». Образец получен в условиях и на оборудовании лаборатории процессов и аппаратов пищевых производств СКФУ

В соответствии с государственным стандартом Узбекистана O'zDSt 1223 2009 (используемом как основа аналогичных документов практически всех стран Средней Азии), свежему катыку (таблица 3.1.2) свойственен чистый, кисломолочный вкус без посторонних привкусов и запахов, однородный, сметанообразный сгусток среднеплотный, без газообразования с молочно-белым и слегка кремовым цветом. На поверхности образца приготовленного катыка допускается наличие незначительного количества отделившейся сыворотки (до 3 % от общего объема). По мере увеличения времени хранения готового продукта возможен рост количество дрожжей, что сопровождается повышением резкости вкуса и значительным выделением углекислого газа.

Таблица 3.1.2 - Органолептические характеристики образцов готового продукта из сырья различных регионов (срок хранения 24 часа)

сЗ а р б Органолептические показатели

Внешний вид, консистенция, Вкус и запах Цвет

О £ цвет

1 Сгусток не нарушенный, в меру Приятный Молочно-

плотный, без газообразования, кисломолочный, с белый

на поверхности легким дрожжевым

незначительное выделение привкусом

сыворотки.

2 Сгусток Приятный Молочно-

ненарушенный, в меру плотный, кисломолочный, без белый,

без газообразования, на посторонних привкусов слегка

поверхности незначительное и запаха кремоватый

отделение сыворотки

Продолжение таблицы 3.1.2

3 Сгусток нарушенный, однородной консистенции, на поверхности незначительное отделение сыворотки Выраженный кисломолочный, с легким дрожжевым привкусом Кремоватый

4 Сгусток нарушенный, однородной консистенции, без газообразования, на поверхности значительное выделение сыворотки. Ароматный кисломолочный, без дрожжевого привкуса Кремоватый

5 Слегка жидкая консистенция, без отделения сыворотки, сгусток нежный, колющийся Аромат приятный кисломолочный, с легким дрожжевым привкусом Слегка кремоватый

6 Слегка жидкая консистенция с небольшим отделением сыворотки, сгусток нарушенный Аромат приятный кисломолочный, без дрожжевого привкуса Слегка кремоватый

7 Сгусток ненарушенный, в меру плотный, без газообразования, с незначительным отделением сыворотки Аромат приятный кисломолочный, без посторонних привкусов и запаха Молочно-белый, слегка кремоватый

8 Сгусток ненарушенный, в меру плотный, без газообразования, без отделения сыворотки. Аромат приятный кисломолочный, с легким дрожжевым привкусом Слегка кремоватый

9 Слегка жидкая консистенция с отделением сыворотки, сгусток нарушенный Аромат приятный кисломолочный, без дрожжевого привкуса Слегка кремоватый

В результате исследования установлено, что выработанные готовые образцы катыка могут иметь существенные различия в консистенции. Если значительная их часть (до 75 %) имела плотный сгусток, то при этом в некоторых можно было обнаружить существенное выделение сыворотки и повышенное газообразование. Следует отметить, что вкусовые качества и запах у всех образцов был хорошо выраженный кисломолочный, с соответствующим для таких продуктов молочным ароматом. При этом по общей органолептической оценке (консистенция, запах, цвет, вкус) образцы катыка (№ 7 и № 8), выработанные из молока коров пород «Голштинская» и «Красная степная» Ставропольского края, мало уступали аналогам, доставленным из республики Таджикистан (г. Бустон) в течении суток после изготовления (лучший образец № 2, таблица 3.1.1). Экспериментальный готовый продукт характеризовался приятным кисломолочным ароматом, без посторонних привкусов и запаха, с ненарушенным среднеплотным сгустком, без газообразования и отделения сыворотки. В ходе дальнейших сравнительных исследований физико-химических показателей образцов (таблица 3.1.3) готового продукта (№ 1 -9), выработанного из различного сырья по традиционному способу производства, установлено, что образец № 8 при высоких органолептических характеристиках в наибольшей степени соответсвует стандарту O'zDSt 1223 2009, что и обусловило его выбор в качестве наилучшего.

Таблица 3.1.3 - Физико-химические показатели образцов катыка, выработанных из цельного молока по традиционному способу производства

2 Наименование показателя

X и х у с , 0? о4 <и ял , е ло ,в н я л о ая а, я л яа а, я 1*. аз ке , е ,ь н Т, о ,ь е те сл

О з яе ае Й й ол се « & ои ей О во т ск са ал те о м 2 ° к ю те

§ § м ос в с а сб а Е сж с а не нт н о л С ое лн с и

1 11,0±0,1 2,8±0,01 4,0±0,1 4,2±0,1 1031±0,1 85±0,1

2 11,2±0,1 2,9±0,01 4,2±0,1 4,1±0,1 1033±0,1 93±0,1

3 10,5±0,1 2,5±0,01 3,9±0,1 4,1±0,1 1028±0,1 98±0,1

4 10,4±0,1 2,3±0,01 3,9±0,1 4,2±0,1 1028±0,1 96±0,1

5 10,8±0,1 2,2±0,01 4,5±0,1 4,1±0,1 1026±0,1 110±0,1

6 10,5±0,1 2,5±0,01 3,8±0,1 4,2±0,1 1025±0,1 105±0,1

7 12,3±0,1 3,2±0,01 5,0±0,1 4,1±0,1 1027±0,1 99±0,1

8 11,4±0,1 2,6±0,01 4,8 ±0,1 4,0±0,1 1031±0, 1 95±0,1

9 11,3±0,1 2,4±0,01 4,7±0,1 4,2±0,1 1026±0, 1 108±0,1

Но разрабатываемая технология должна быть адаптирована не только под региональное сырьё, она предназначается для внедрения в условиях крупнотоннажного производства. Соответственно для окончательного выбора контрольного образца готового продукта были получены органолептические оценки (таблица 3.1.4) и промышленных образцов катыка («Дар Гор» компания «БООВМТЬК», «Вкусняев» ОАО «Алабуга Соте» и «0-Ьа1апее» АО Тарусский молочный завод).

Таблица 3.1.4 - Органолептическая оценка кисломолочного продукта катык, выработанного традиционным способом в лабораторных и промышленных условиях

Показатель Образцы готового продукта катык

№ 8 «Дар Гор» «Вкусняев» «^-Ьа1апсе»

Цвет 4 4 5 4

Вкус 5 5 4 4

Запах 4 4 4 5

Консистенция 5 4 4 4

Общие баллы 4,5 4,25 4,25 4,25

Результаты анализа данных(таблицы 3.1.2-3.1.4) показали, что готовый продукт катык (образец № 8), выработанный традиционным способом из молока коров пород «Красная степная» Ставропольского края, получивший наивысшую сравнительную оценку, может быть выбран в качестве контрольного образца готового продукта катык, что обусловлено его более однородной консистенцией, ненарушенным сгустком без отделения сыворотки с приятным кисломолочным вкусом, со специфическим молочно-белым и слегка кремоватым оттенком.

Следующий этап исследований предусматривал получение экспериментального образца готового продукта катык (НПК) выработанного на основе традиционного способа из предварительно обезжиренного и нормализованного по казеину молока коров пород «Красная степная».

Необходимо отметить, что в этом образце № 8, в сравнении с другими, содержится наименьшее количество лактозы. Если принять во внимание то, что спиртовое брожение в коровьем молоке ограничивается

количеством содержащейся в нём лактозы и не менее 1 % её уходит на одновременно протекающее молочнокислое брожение116 , то можно полагать, что в катыке (в образце № 8, имеющем легкий дрожжевой привкус), как кисломолочном продукте, спирта образовалось меньше, в сравнении с другими образцами без такого привкуса. Соответственно добавление сухого пермеата молочной сыворотки в молоко перед его сквашиванием может способствовать интенсификации процесса сквашивания.

3.2. Выработка экспериментального контрольного образца готового национального продукта катык (НПК)

На этом этапе разработки адаптированной технологии производства НПК выработаны его образцы (рисунок 3.2.1) в соответствии с традиционным способом его приготовления из цельного «К» и из предварительно обезжиренного молока (ОМ) «О».

116 Скородумова А. М. Дрожжи молока и молочных продуктов и их производственное значение. Москва: Пищевая промышленность, 1969. 117 с.

Рисунок 3.2.1 - Образцы НПК, полученные из цельного молока (К) и из предварительно обезжиренного молока коровы породы «Красная степная» (О) по традиционному для региона Средней Азии (г. Бустон, Таджикистан)

способу изготовления

При выборе контрольного образца целевого продукта для дальнейших исследований руководствовались общей органолептической оценкой полученного НПК (таблица 3.2.1).

Таблица 3.2.1 - Органолептическая оценка образцов НПК, полученные из цельного молока (К) и из предварительно обезжиренного молока(О)

Показатель Образцы продукта

НПК (К) НПК (О)

Цвет 5 4

Вкус 4 5

Запах 5 5

Консистенция 5 4

Общие баллы 4,75 4,5

Установлено, что образцы продукта НПК (К) и НПК (О) имели практически одинаковую однородную консистенцию со сформированным сгустком и незначительным количеством отделившейся сыворотки. Оба образца имели равномерный по всему объёму чистый белый цвет, но поверхность образца НПК (К) имела слабовыраженный желтоватый оттенок. Что обусловлено, скорее всего, наличием молочного жира в использованном сырье. Вкус у обоих образцов НПК - чистый, кисломолочный, запах - свойственный аналогичным видам продуктов (кефир, айран и т.п.). По консистенции оба образца практически одинаковы, однако, после 24 часов хранения при температуре 4-6 °С в НПК (К) имел более плотный сгусток и меньшее количество выделившейся сыворотки.

Результаты исследования физико-химических характеристик (таблица 3.2.2) показали, что НПК (О), полученный из предварительно обезжиренного молока отличается от НПК (К) только меньшим содержанием молочного жира, белка и незначительно (на 6-7 %) повышенной кислотностью.

Таблица 3.2.2 - Физико-химические показатели образцов катыка (К) и (О), выработанных по традиционному способу производства

Образец Основные показатели

Массовая доля сухих веществ, % не менее Массовая доля белка, % Массовая доля жира, % Массовая доля лактозы, % Кислотность, °Т, не более

К 11,4±0,1 2,6±0,1 4,8±0,01 4,0±0,01 90-93

О 6,6±0,1 2,6±0,1 0,1±0,01 3,9±0,01 95-98

Результаты сравнительного анализа физико-химических показателей образцов катыка (таблица 3.2.3) показали, что НПК, полученный из предварительно обезжиренного молока (О) незначительно отличается от НПК (К) и промышленных образцов (меньшее содержание молочного жира и белка, немного повышенная кислотность).

Таблица 3.2.3 - Физико-химические показатели образцов НПК, полученные из цельного молока (К), из предварительно обезжиренного молока (О), катыков «Дар гор» (Владимирская область), «Вкусняев» (г. Елабуга) «^-Ьа1апсе» (Калужская область) (р=0,95)

Наименование показателя НПК (К) НПК (О) «ДарГор» «Вкусняев» «^-Ьа^се»

Массовая доля сухих веществ, в том числе: 11,4 6,6 10,5 10,8 10,4

Белки, % 2,6 2,6 2,5 2,2 2,3

Лактоза, % 4,0 3,9 4,2 4,1 4,2

Жир, % 4,8 0,1 3,8 4,5 3,9

Кислотность, °Т 90-93 95-98 105-108 110-113 96-99

В сравнении с ближайшими аналогами (таблица 3.2.4), особенно широко распространенными в Северо-Кавказском регионе, полученный образец НПК (О) занимает промежуточное положение между такими известными кисломолочными продуктами, как кефир и айран.

Таблица 3.2.4 - Физико-химические показатели образцов НПК(О), кефира (молочный комбинат Ставропольский) и айрана «Чабан» (Нальчикский молочный комбинат) (р=0,95)

Наименование показателя НПК(О) Кефир Айран

Массовая доля сухих веществ, в том числе: 6,9 8,2 9,7

Белки, % 2,6 3,1 2,8

Лактоза, % 4,2 4,0 4,4

Жир, % 0,1 1 2,5

Кислотность, °Т 95-98 106-110 115-120

Таким образом на основе результатов анализа полученный экспериментальных данных можно считать целесообразным выбор предварительно обезжиренного цельного молока коров породы «Красная степная» в качестве исходного сырья для изготовления НПК на основе основных этапов традиционного для региона Средней Азии (г. Бустон, Таджикистан) способа его производства.

3.3. Микрофильтрационная обработка молочного сырья для его использования в производстве НПК

В целях совершенствования комплексного подхода в определении путей решения базовой проблемы, заключающейся в повышении эффективности переработки обезжиренного молока на основе его мембранного разделения, весь этап предварительной микрофильтрационной

обработки этого вида сырья необходимо рассматривать как первоначальную стадию последовательного разделения цельного натурального молока на отдельные фракции, каждая из которых может быть использована выработки целевого продукта. Результатом практической реализации такого похода следует считать формирование общего замкнутого цикла промышленного безотходного производства всех товарных молочных продуктов и напитков, отличающихся повышенной биологической и пищевой ценностью117118119. При этом переработку ОМ, как биотехнологической системы, в промышленном масштабе надо рассматривать как направленное воздействие, при котором принципиально оно должно осуществляться поэтапно: очистка (стандартизация) и

последующая глубокая переработка на основе широкого применения

1 00

мембранных процессов (Приложение Д, рисунок 3.3.1). Целесообразность

следования этому принципиальному подходу обусловлена, прежде всего,

121

следующими обязательными к соблюдению положениям , обеспечивающих возможность эффективной практической реализации этих процессов:

1. Применение унифицированного серийного технологического оборудования.

2. Комплектация мембранных аппаратов выпускаемыми в промышленных масштабах фильтрующими элементами, имеющими заданные показатели проницаемости по пермеату молочного сырья и селективности по белкам;

3. Исключение необходимости проведения экспериментальных работ

117 Петухова Т.В. Модель замкнутого цикла экологически чистого производства молочных продуктов автореферат дис. кандидата биологических наук / Красноярский гос. аграрный ун-т. Красноярск, 1998. С. 20.

118 Молочников В.В. Проблемы промышленной переработки молока и возможный путь ее решения на современном этапе // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 4. С. 66-71.

119 Куприна А.О. Разработка рецептуры и технологии производства перспективного продукта функционального назначения с повышенной пищевой и биологической ценностью // Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. 2012. Т. 1. № 1. С. 207-212.

120 Там же. С. 85-95.

121 Там же. С. 85-95.

для полной корректировки основных режимов эксплуатации мембранного оборудования, обусловленной существенными различиями в физико-химических показателях одного и того же вида молочного сырья.

Практическая реализации этого подхода при планировании начального этапа последующей глубокой переработки ОМ путем широкомасштабного использования мембранного оборудования

предусматривает проведение следующих обязательных технологических

-122

операций :

1. Пастеризация исходного сырья или его санация на микрофильтрационной установке.

2. Отделение части казеиновой фракции в чистом виде или путем добавления в ОМ тех или иных комплексообразователей (хитозан, экстракты корня лакрицы, клубней топинамбура, и т.п.) с последующим осаждением сложного комплекса типа «сывороточные белки -растительный полисахарид».

Выбор конкретных методов (включая термокоагуляцию, сорбцию, хроматографию, электродиализ и т.п.) такой двухэтапной предварительной обработки ОМ должен определяться, прежде всего требованиями технологии дальнейшей переработки его основных составляющих (производство традиционных видов сыра или творога, цельномолочной продукции, лактозы и т.д.), а также составом действующего на предприятии оборудования. При этом будет необходимо найти экономически обоснованное решение комплекса задач, основными из которых являются

123

следующие :

- определение состава и видов основных показателей исходного молочного сырья;

- обоснование типа мембранного оборудования для

122 Бабенышев С.П. Научно-технические аспекты совершенствования процесса баромембранного разделения жидких высокомолекулярных полидисперсных систем: дис. ... д-ра. техн. наук. Ставрополь, 2007. 246 с.

123 Там же. С. 85-95.

фракционирования ОМ и определение диапазонов оптимальных значений рабочих параметров соответствующих процессов.

Основываясь на сформулированном таким образом подходе к глубокой переработке ОМ для подготовки сырья, по своим физико-химическим характеристикам отвечающем технологическим условия получения НПК (О) по традиционному способу его приготовления необходимо было выделить из предварительно обезжиренного натурального молока часть казеиновой фракции, которую можно использовать в производстве сырных и творожных изделий по классическим технологиям. С этой точки зрения представляется целесообразным применить процесс микрофильтрации, так как используемые при этом мембраны селективны, прежде всего, в отношении наиболее крупной казеиновой фракции молока и практически не задерживают сывороточные белки124125.

Результаты анализа данных, полученных из доступных литературных источников126, а также собственных поисковых

-127128129

экспериментальных исследований показал, что для

микрофильтрационного выделения части казеиновой фракции предварительно обезжиренного молока целесообразно использовать мембраны марки BioMax с условным диаметром пор (УДП) от 0,1 мкм до 0,5 мкм (таблица 3.3.1). Отличительной особенностью этих мембран

130

является наиболее узкий диапазон показателя УДП , что предполагает возможность фракционирования белковой части молока по ситовому

124 Carter B. G. Invited review: Microfiltration-derived casein and whey proteins from milk // Journal of Dairy Science. Vol. 104. № 3. P. 2465-2479.

125 Sara P. Structural equation modeling for unraveling the multivariate genomic architecture of milk proteins in dairy cattle// Journal of Dairy Science. Vol. 104. № 5. P. 5705-5718.

126 Brandon C. Determination of the efficiency of removal of whey protein from sweet whey with ceramic microfiltration membranes // Journal of Dairy Science. 2021. Vol. 104. № 7. P. 7534-7543.

127 Там же. С. 85-95.

128 Там же. С. 246.

129 Мамай Д.С. Технология переработки молочной сыворотки на основе предочистки полисахаридами топинамбура с последующей ультрафильтрацией: дис. ... канд. техн. наук. Ставрополь, 2013. 169 с.

130 Zydney A.L. Use of log-normal probability function to analyze membrane pore size distribution: functional form and discrepancies // J. Membr. Sci. 1994. Vol. 91. Р. 293-298.

механизму процесса микрофильтрации. Принципиальная возможность практической реализации этой технологической операции обусловлена значительной разностью размеров глобул казеина 0,03-0,6 мкм и

1 Л 1

сывороточных белков 0,004-0,006 мкм .

Таблица 3.3.1 - Эксплуатационные характеристики мембран марки BioMax

Тип Материал Предел отсечения Преимущества

мембраны или размер пор

Biomax Полиэфир 0,1-0,5 мкм Позволяет работать

сульфон на высоких

скоростях, отличная

химическая

стойкость,

рекомендуется для

больших

концентраций (>0,1

г/л)

Кроме того, применение мембран с узким диапазоном показателя УДП позволяет более точно, в сравнении с обычными (выпускаемыми серийно в промышленных масштабах), определить оптимальные рабочие параметры процесса микрофильтрационного выделения части казеиновой фракции из предварительно обезжиренного молока. В соответствии с

132

рекомендациями процесс микрофильтрации ОМ был проведен при следующих основных параметров процесса: рабочее давление, скорость циркуляции и температура разделяемой системы в канале баромембранного аппарата: Р=0,12-0,17 МПа; У=0,1-0,15 м/с; 1=18-20 °С; массовая доля

131 Patel K. Primary information, health benefits, side effects, usage, and other important details. 2015. P. 68476858.

132 Там же. С. 85-95.

сухих веществ в ретентате Ссв= 10,4^10,6 %; длительность рабочего цикла до процедуры регенерации х=30^35 минут.

Основные физико-химические показатели микрофильтрационного пермеата обезжиренного молока (МФП), полученного с использованием мембран с показателями УДП от 0,1 мкм до 0,5 мкм, в сравнении с исходным сырьём представлены в таблице 3.3.2

Таблица 3.3.2 - Основные физико-химические показатели микрофильтрационного пермеата (р=0,95)

Наименование показателя Продукт

Обезжиренное молоко МФП, полученный через мембрану с показателем УДП (мкм):

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Масс. доля сухих в-в, включая: 8,2 6,8 7,3 7,6 7,8 8,0

Белки, % 2,6 1,2 1,7 2,1 2,2 2,4

Лактоза, % 5,1 5,1 5,1 5,1 5,1 5,1

Кислотность, °Т 18 10 11 13 13 15

Установлено, что содержание белка в полученных образцах пермеата при прочих равных условиях проведения процесса микрофильтрации обезжиренного молока пропорционально уменьшается по мере снижения показателя УДП мембран. Анализ данных показывает, что эта зависимость имеет линейный характер и соответственно может быть достаточно просто экстраполирована в указанном диапазоне УДП 0,1^0,5 мкм. А поскольку в пермеате главным образом меняется, прежде всего, массовая доля белка, то это даёт основания полагать, что органолептическая оценка НПК существенно будет зависеть от этого показателя. На первом этапе экспериментальных исследований из каждого образца, полученного

пермеата в соответствии с базовыми положениями традиционного способа получали НПК и проводили его органолептическую оценку (рисунок 3.3.1, таблица 3.3.3). Использованный способ получения НПК основан на традиционном, но включает в себя следующие основные и дополнительные технологические операции:

- свежее натуральное цельное молоко с жирностью 4,5-5 % принимают по ГОСТ 26809.1-2014 и очищают от механических примесей;

- очищенное молоко обезжиривают при температуре 30-35 °С на сепараторе сливкоотделителе до содержания в нем массовой доли молочного жира не более 0,1 %;

Рисунок 3.3.1 - Образцы НПК: 0 - контрольный образец НПК (О), 1 -МФП 0,5 мкм, 2 - МФП 0,4 мкм, 3 - МФП 0,3 мкм, 4 - МФП 0,2 мкм, 5 -

МФП 0,1 мкм

Таблица 3.3.3 - Органолептическая оценка кисломолочного продукта катык, полученного из МФ пермеата

Показатель Номера образцов НПК

0 1 2 3 4 5

Цвет 4 4 4 4 3 3

Вкус 5 5 5 4 4 3

Запах 5 5 5 5 4 4

Консистенция 5 5 4 4 3 3

Общие баллы 4,75 4,75 4,5 4, 25 3,5 3,25

- обезжиренное молоко подвергают обработке на микрофильтрационной установке (УДП мембарны 0,3 - 0,4 мкм) до содержания в нем массовой доли белка в заданном диапазоне 2,1^2,2 %, по остальным показателям обезжиренное молоко должно соответствовать ГОСТ 31658-2012;

- подготовленное сырьё нагревают до температуры близкой к точке кипения (95^98 °С) и выдерживают в течении 2^2,5 часов до появления в нём первых признаков кремового оттенка в цвете;

- обработанное таким образом молоко охлаждают до температуры заквашивания 35^37 °С и при постоянном перемешивании вносят около 8^10% (по массе) традиционной закваски катыка;

- перемешивание смеси прекращают через 18^20 минут и сквашивают в течение 6^8 часов до образования сгустка и достижении требуемого уровня кислотности (80^85 °Т);

- полученный готовый продукт охлаждают до температуры 5^6°С и затем отправляют на дозревание в течение 5-6 часов, после чего он может находиться на хранении до 6^7 суток.

Готовый катык, приготовленный по этому способу, имеет показатель кислотности до 90^95 °Т, содержит не более 0,1 % молочного жира. В результате органолептической оценки установлено, что образцы продукта № 1 и № 2 имели однородную консистенцию с ненарушенной структурой сгустка и незначительным количеством отделяемой сыворотки, равномерным по всей массе молочно-белым цветом и кисломолочным вкусом. Образцы № 3 и № 4 характеризовались отсутствием структуры сгустка и белым цветом. Образец № 5 представлял собой продукт с неоднородной консистенцией из-за нарушенного сгустка и значительной частью (более одной трети) отделяемой сыворотки. Анализ результатов органолептической оценки и физико-химических свойств (таблица 3.3.4) полученных образцов НПК показал, что для его выработки можно

использовать МФП полученный с использованием мембран имеющих показатель УДП 0,3-0,4 мкм.

Таблица 3.3.4 - Основные физико-химические свойства катыка, полученного из МФ пермеата (р=0,95)

Наименование показателя Катык

МФП, полученный через мембрану с показателем УДП (мкм)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Массовая доля сухих веществ, в том числе: 5,8 6,3 6,3 7,0 7,2

Белки, % 1,2 1,7 2,1 2,2 2,4

Лактоза, % 4,1 4,1 4,2 4,2 4,3

Кислотность, °Т 85-90 87-92 90-92 93-95 97-100

133134

В соответствии с рекомендациями133134 для получения микрофильтрационного пермеата (МФП) процесс проводили при следующих основных варьируемых показателях рабочих параметров:

- температура проведения процесса (1);

- величина рабочего давления в канале аппарата (Р); -скорость циркуляции разделяемой системы (V);

Однако по имеющимся данным теоретических и экспериментальных

135

исследований при микрофильтрации предварительно обезжиренного молока (ОМ) дополнительными факторами, влияющими на проницаемость полимерных мембран, являются:

- продолжительность (т) и температура (1) процесса;

- массовая доля сухих веществ в разделяемой системе (С). Соответственно на первом этапе экспериментальных исследований

микрофильтрационного разделения ОМ были установлены зависимости

133 Там же. С. 12-16.

134 Там же. С. 9-13.

135 Там же. С. 85-95.

основных показателей (проницаемость - Q и селективность - ф) мембран от длительности т технологического процесса. Установление предельного значения параметра т процесса микрофильтрации ОМ соответствовало критическому снижению значения Q и росту ф. Полученные экспериментальным путём зависимости в виде Q = А(т) и ф = Д(т) показаны на рисунках 3.3.2 и 3.3.3.

На основе анализа полученных в результате выполненного исследования экспериментальные данных по проницаемости Q и селективности ф мембран (с показателями УДП 0,3 мкм и 0,4 мкм) в зависимости от параметра т процесса микрофильтрации показал, что в течение первых 10^15 минут от начала мембранного разделения значения Q для обеих мембран при использовании в качестве сырья ОМ уменьшается почти на 50 % от исходных и составляет примерно 18^23

Л

кг/м час. Это обусловлено формированием, прежде всего, содержащего белки слоя отложений на рабочих поверхностях мембран, особенно во внутри поровом пространстве. Последующее падение проницаемости происходит уже с меньшей интенсивностью и практически стабилизируется

Л

на уровне около 6^7 кг/м час через 40^50 минут от начала проведения процесса. Это можно объяснить тем, что после отложения так называемых «первичных» слоев, которые формируются в основном из белковых молекул путем их адсорбционного взаимодействия с мембранными поверхностями, последующие «вторичные» слои, образующиеся вследствие последующей адсорбции в основном молекул белков на «первичном» слое, оказываются менее закрепленными. И могут частично достаточно интенсивно разрушаться тангенциальным потоком разделяемой полидисперсной системы. Однако при росте массовой доли частиц дисперсной фазы C этот процесс разрушения становится всё менее выраженным. Для молочного сырья критическое значение С составляет

около 8,0-9,0 %136.

34,0

с а ч

г к

СУ

ан р

б м е м

ь т с о м е

а ц

и н

о р

рП

29,0

24,0

19,0

14,0

9,0

Q = 37,0( 38е-0,021т

Я2 = 0 9538

■ \1

■

\ ■

\ ■

■ \

■

■

Q = 27,494е-°'0211 1 1

в = 0,9511

1

0

10 20 30

Длительность т, (минут)

40

Рисунок 3.3.2 - Зависимость проницаемости Q мембран (■ - 0,3 мкм, ■ -0,4 мкм) от длительности процесса т микрофильтрационного разделения обезжиренного молока (Р = 0,15-0,2 МПа, г = 8-14 °С, V = 0,1-0,14 м/с, С =

8,0-8,2 %)

' Там же. С. 85-95.

75

70

65

\0 о4

и 60

ан р

б

е

55

ь

стон50

в и

8 45 л е С

40

35

30

25

0

/1

ф= 34 1,193е0,0198т = 0,985

-^—1 ш/ 1

1 / шХ

■ / / 1 я / 1

ф | = 31,094е00 Я2 = 0,9735 81т

■

10 20 30

Длительность т, (мин)

40

50

Рисунок 3.3.3 - Зависимость селективности ф мембран (■ - 0,3 мкм, ■ - 0,4 мкм) от длительности процесса т микрофильтрационного разделения ОМ (Р = 0,15-0,2 МПа, 1 = 8-14 °С, V = 0,1-0,14 м/с, С = 8,0-8,2 %)

Это даёт основания полагать, что продолжительность процесса микрофильтрации ОМ до мойки и последующей регенерации мембран следует ограничивать значением т = 35-40 минут для ВюМах (УДП = 0,3 мкм) и т = 40-45 минут для ВюМах (УДП = 0,4 мкм). За это время

показатели проницаемости Q мембран, по сравнению с первоначальными значениями, уменьшается примерно в 2,8-3,3 раза, а в условиях промышленного производства это может не только значительно повысить себестоимость готовой продукции. Прежде всего, при значительном падении показателя Q время на мойку и последующую регенерацию мембран в аппаратах, например рулонного типа, увеличивается в разы по сравнению с тем, что обычно требуется по заводскому регламенту.

Показатель же селективности ф мембран после 35-40 минут работы микрофильтрационной установки увеличивается до ф= 65-70 % для ВюМах (УДП = 0,3 мкм) и до ф= 55-59 % для ВюМах (УДП = 0,4 мкм). Следует отметить, что эти показатели ф превышают требования, обусловленные технологиями большинства традиционных готовых молочных продуктов. И вопрос экономической рентабельности переработки обезжиренного молока в таком случае становится достаточно остро. Соответственно это даёт основания полагать, что данные значения ф следует считать верхними предельными.

Известно, что процесс микрофильтрации обусловлен наличием движущей силы в виде рабочего давления в канале баромембранного

137138

аппарата . Но на проницаемость мембран Q существенно оказывает влияние и скорость V тангенциального потока самой разделяемой системы139, которая перемещается относительно рабочей поверхности мембраны. А если учесть, что в примембранной зоне изменение профиля концентрации частиц дисперсной фазы и разрушающее действие такого потока на «вторичные» слои белковых отложений определяется именно его скоростью, то параметр V становится сопоставимым с Р по своей значимости на кинетику процесса. Таким образом при микрофильтрации ОМ эффективность процесса разделения должна определяться

137 Бабёнышев С.П. Интенсификация процесса разделения молочного сырья // Научное обозрение. 2012. № 2. С. 238-245.

138 Там же. С. 7927-7938

139 Там же. С. 238-245.

оптимальными значениями, прежде всего, параметров Р и V. При этом длительность процесса т ограничивается требованиями, как компоновкой баромембранных установок при их включении в состав аппаратурно-процессовой схемы основной технологической линии, так и регламентом мойки мембран. Температура же разделяемой системы 1 определяется санитарно-техническими требованиями производства готовой продукции. Следовательно, на первом этапе в решения задачи определения диапазонов оптимальных значений основных параметров процесса микрофильтрации ОМ необходимо было для выбранных типов мембран экспериментальным путём определить функции вида Р=£"(Р) и ф=1"(Р). Полученные результаты показаны на рисунках 3.3.4 и 3.3.5.

Рисунок 3.3.4- Зависимость проницаемости Р мембран (■ - 0,3 мкм, ■ -0,4 мкм) от рабочего давления Р при микрофильтрационном разделении обезжиренного молока (1 = 8-140С, V = 0,1-0,14 м/с, С = 8,0-8,2 %, т =

35-40 мин.)

Давление Р, МПа Рисунок 3.3.5 - Зависимость селективности ф мембран (■ - 0,3 мкм, ■ - 0,4 мкм) от рабочего давления Р при микрофильтрационном разделении обезжиренного молока (1 = 8-14 0С, V = 0,1-0,14 м/с, С = 8,0-8,2 %, т =

35-40 мин.)

Путём анализа полученных экспериментальным методом зависимостей Р=£(Р) установлено, что характер изменения величины показателя проницаемости мембран с УДП = 0,3 мкм и УДП = 0,4 мкм вполне идентичен, то есть рост значений р у обеих мембран прямо пропорционален возрастанию рабочего давления Р в канале микрофильтрационного аппарата. При этом следует отметить, что при

зафиксированных значениях параметров т, ^ V и С проницаемость Q для обеих мембран существенным образом возрастает с увеличением рабочего давления до Р = 0,075-0,2 МПа. Дальнейшее повышение величины Р выше 0,15-0,175 МПа уже не обеспечивает рост Q, но селективность ф мембран при этом увеличивается для ВюМах (УДП = 0,3 мкм) до 72%, а для ВюМах (УДП = 0,4 мкм) - до 60 %.

Это объясняется тем, что при такой величине рабочего давления может уже происходить частичная деформация самой структуры материала мембраны, обуславливающая как уменьшение значения фактического показателя УДП, так и увеличение степени блокировки пор молекулами казеина, что и становится основной причиной наблюдаемых изменений показателей Q и ф. В пользу такой трактовки свидетельствуют результаты анализа проб исходного обезжиренного молока и его пермеата на общее количество белка по методу Кьельдаля (Таблица 3.3.5). Установлено, что на мембране с УДП = 0,3 мкм «оседает» около 9-10 % белковых частиц, на мембране с УДП = 0,4 мкм - примерно 12-13 %.

Таблица 3.3.5 - Результаты анализа проб обезжиренного молока, его ретентата и пермеата на общее количество белка по методу Кьельдаля (р=0,95)

Наименование образца Общее количество белка, % мембрана 0,3 мкм Общее количество белка, % мембрана 0,4 мкм

Обезжиренное молоко 2,6

Ретентат 4,6 4,5

Пермеат 2,1 2,2

Кроме того, установлено, что среднее значение показателя проницаемости Р мембраны с УДП = 0,4 мкм при микрофильтрации обезжиренного молока на 19-22 % выше, чем для мембраны с УДП = 0,3

мкм. Это можно трактовать следующим образом: УДП мембран 0,4 мкм и 0,3 мкм различаются друг от друга примерно в 1,2-1,3 раза. Но при этом пористость мембран с УДП = 0,3 мкм выше, что делает значения суммарных площадей фильтрации сопоставимыми. Соответственно существенного расхождения в показателях проницаемости у обеих мембран может и не быть. Ещё одним подтверждением такой трактовки является то, что показатели ф мембран с УДП = 0,3 мкм и с УДП = 0,4 мкм на начальной стадии процесса микрофильтрации отличаются примерно на 12-16 %. Но уже по истечении около 3 минут эта разница Дф становится не более 7-8 %. А по завершении 3-4 рабочих циклов процесса Дф селективности обеих мембран не превышает 3-5 %. Значит мембраны с УДП = 0,4 мкм, как имеющие более крупные поры, при начале эксплуатации подвергаются более существенной, по сравнению с мембранами, имеющими УДП = 0,3 мкм, блокировке рабочей поверхности молекулами казеина. И наряду с формированием «первичных» слоев отложений на поверхности самой мембраны, это происходит и в наиболее крупных порах, куда проникают вместе с потоком пермеата не только белковые молекулы, но и некоторые

г -140141

особо мелкие частицы механических примесей .

Кроме величины рабочего давления Р и длительности процесса разделения т, сопоставимое по значимости влияние на показатели р и ф мембран при микрофильтрации ОМ оказывает скорость потока V разделяемой системы в канале мембранного аппарата. Полученные в результате обработки экспериментальных данных графические зависимости вида р = 1(У) и ф = ДУ) показаны на рисунках 3.3.6 и 3.3.7.

140 Мухамаджон Н. Применение мембранных технологий в молочной промышленности // Современные достижения биотехнологии. Техника, технологии и упаковка для реализации инновационных проектов на предприятиях пищевой и биотехнологической промышленности // Материалы VII Международной научно-практической конференции / Под редакцией И.А. Евдокимова., А.Д. Лодыгина., А.А. Вартумяна. Ставрополь, 2020. С. 39-43.

141 Бабенышев С.П. Комплексный метод осветления вторичного молочного сырья // Молочная промышленность. 2018. № 9. С. 66-68.

45,0

40,0

с а

г к

^ 35,0

£ , р

б м е

ь т с о м е

а ц

и

н

о р

рП

30,0

25,0

20,0

О = 107,

0

82V2 - 25,70 Я2 = 0,96

3V + 31,347

О

= 92,8^2 R2