Разработка эффективной технологии очистки лактозосодержащего сырья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат наук Кравцов Виталий Александрович
Кравцов Виталий Александрович
кандидат наук
2022
- Специальность ВАК РФ05.18.04
- Количество страниц 162
Оглавление диссертации кандидат наук Кравцов Виталий Александрович
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1. Основные сведения о лактозе
1.2. Анализ рынка промышленного использования лактозы
1.3. Анализ способов получения, видов и особенностей состава лактозосодержащего сырья в молочной промышленности
1.4. Сравнительный анализ состава ЛСС, полученного из различных источников
1.5. Основные методы очистки лактозосодержащего сырья в производстве лактозы
1.6. Способ стандартизации состава лактозосодержащего сырья при очистке
Глава 2. Материалы, методы и организация проведения исследований
2.1. Организация экспериментов и объекты исследований
2.2. Технологическое оборудование, использованное для проведения исследований
2.3. Методы анализа
Глава 3. Исследование состава и свойств лактозосодержащего сырья
3.1. Исследование минерального состава различных видов лактозосодержащего сырья
3.2. Исследование фракции органических кислот лактозосодержащего сырья
3.3. Исследование фракции низкомолекулярных азотистых соединений лактозосодержащего сырья
3.4. Исследование углеводной фракции лактозосодержащего сырья
3.5. Обобщённый анализ влияния компонентного состава на чистоту лактозосодержащего сырья
3.6. Исследование состава ретентатов нанофильтрации лактозосодержащего сырья
Глава 4. Исследование процесса очистки лактозосодержащего сырья методом электродиализа
4.1. Исследование динамики удаления примесей из лактозосодержащего сырья в процессе электродиализа
4.2. Разработка алгоритма стандартизации лактозосодержащего сырья на этапе электродиализной очистки
4.3. Расчетная оценка производительности электродиализа при очистке лактозосодержащего сырья различного состава
4.4. Сравнительный анализ энергозатрат на очистку лактозосодержащего сырья различного состава методом электродиализа
Глава 5. Разработка технологии очистки лактозосодержащего сырья
5.1. Оценка себестоимости технологии очистки лактозосодержащего сырья мембранными методами
5.2. Разработка системы ХАССП для технологии очистки лактозосодержащего сырья
5.2.1. Исследование микробиологического обсеменения лактозосодержащего сырья при мембранной обработке
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А. Протокол электродиализной очистки лактозосодержащего сырья
Приложение Б. Результаты энергодисперсионной спектроскопии
Приложение В. Расчет энергоемкости электродиализа
Приложение Г. Патент на изобретение РФ № 2583868 Способ производства молочного сахара
Приложение Д. Акт изготовления опытных образцов лактозосодержащего сырья
Приложение Е. Техническая документация на очищенное лактозосодержащее сырье
Приложение Ж. Протокол испытаний пищевой лактозы
Введение
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств», 05.18.04 шифр ВАК
Разработка технологии фруктовых добавок на основе глюкозо-галактозного сиропа, полученного из творожной сыворотки с применением мембранных методов2013 год, кандидат наук Сомов, Виталий Сергеевич
Совершенствование технологии пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья с использованием биотрансформации лактозы2014 год, кандидат наук Бугаева, Александра Алексеевна
Разработка низкотемпературной технологии сухого пермеата молочной сыворотки2020 год, кандидат наук Хоха Димитрий Сергеевич
Совершенствование технологии производства сухой деминерализованной творожной сыворотки2013 год, кандидат наук Анисимов, Георгий Сергеевич
Научное обоснование и разработка технологий комплексного использования продуктов переработки молока2016 год, кандидат наук Дымар, Олег Викторович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка эффективной технологии очистки лактозосодержащего сырья»
Актуальность темы исследования
На сегодняшний день одним из актуальных вопросов молочной отрасли остается организация эффективной переработки молочной сыворотки, получаемой в производстве ферментированных молочных продуктов (кислой сыворотки). Объем вырабатываемой кислой сыворотки в РФ сопоставим с объемом производства сыворотки из-под сычужных сыров, однако переработке подвергается менее половины от этого объема. По аналогии с подсырной сывороткой, белковая фракция кислой сыворотки может быть выделена методом ультрафильтрации и использована для производства концентратов сывороточных белков. В пермеате ультрафильтрации кислой сыворотки основным компонентом является лактоза, поэтому он может рассматриваться как перспективное сырье для получения кристаллической лактозы. Однако существующие технологии производства лактозы не адаптированы для использования пермеата кислой сыворотки в качестве сырья, поскольку его переработка технологически затруднительна из-за относительно высокого содержания примесей.
Лактоза - востребованный молочный ингредиент с объемом мирового производства около 865 тыс. т (2020 г.), из которых свыше 20 тыс. т потребляет российская промышленность. Большая часть потребности российского рынка в лактозе обеспечивается импортом. До создания в 2017 г. первого крупного российского производства лактозы на базе АО «Молочный комбинат «Ставропольский» лишь 1 % объема отечественного рынка обеспечивался внутренним производством.
Таким образом, имеется как потребность, так и высокий потенциал увеличения объемов производства российской лактозы. Поэтому актуальной является задача создания технологии очистки лактозосодержащего сырья (ЛСС), включая сырье с высокой кислотностью, которая позволила бы стандартизовать его
состав и тем самым обеспечить его переработку с получением качественного продукта.
Степень разработанности темы исследования
Современный инструментарий промышленной очистки сырья для производства лактозы сложился в 70-90-е гг. XX в. Основу для его формирования составили научные работы, посвященные применению семейства мембранных методов обработки молочного сырья. Состав ЛСС, промышленные методы очистки в производстве молочного сахара наиболее полно освещены в 1980-е гг. J. Zadow и позднее - R. Durham. Вклад в развитие и совершенствование процесса производства лактозы в СССР и России внесли Н. Н. Липатов, А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов, К. К. Полянский и др.
Очистку ЛСС мембранными методами изучали B. Cuartas-Uribe и сотр., J. Chandrapala и сотр. (нанофильтрация), S. Kentish и сотр., L. Bazinet и сотр. (электродиализ). Комбинацию мембранных методов и ионного обмена для очистки ЛСС применяли R. de Souza и сотр.
Переработка кислой сыворотки исследовалась в работах Н. Я. Дыкало, С. П. Бабенышева, А. Н. Донских, Д. М. Костюкова, В. Н. Шохаловой, S. Kentish и сотр., L. Bazinet и сотр., A. Merkel и сотр. Однако работы, посвященные очистке кислой сыворотки или ее пермеата, ранее не рассматривали их как сырье для производства лактозы. Цели и задачи
Цель работы - разработка технологии очистки ЛСС в процессе производства лактозы, обеспечивающей получение сырья с требуемым содержанием технологически важных примесей.
Задачи, решаемые в рамках работы: 1) на основании данных научных источников охарактеризовать основные виды ЛСС и способы их промышленной очистки от примесей, оказывающих наиболее существенное влияние на технологические процессы в производстве лактозы;
2) разработать способ стандартизации состава ЛСС по содержанию технологически важных примесей;
3) изучить состав основных видов ЛСС, вырабатываемых в современной молочной промышленности, и определить влияние характеристик сырья на его очистку методом нанофильтрации;
4) исследовать динамику процесса электродиализной очистки ЛСС, на основании экспериментальных данных реализовать систему контроля содержания технологически важных примесей в потоке;
5) с учетом полученных результатов разработать технологию очистки ЛСС, реализовать управление процессом очистки, внедрить систему контроля качества и безопасности для производства очищенного ЛСС согласно принципам ХАССП, провести оценку экономической эффективности разработанной технологии в рамках промышленного процесса производства лактозы.
Научная новизна
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность стандартизации ЛСС, включая сырье с высоким содержанием молочной кислоты и кальция, путем очистки методами нанофильтрации и электродиализа.
Исследована динамика удаления основных примесных соединений в процессе электродиализа ЛСС с титруемой кислотностью от 49 до 155 °Т (содержание сухих веществ 17,7-18,2 %). Экспериментально подтверждена возможность очистки ЛСС с указанной титруемой кислотностью вплоть до остаточного содержания золы 0,10-0,15 % и суммарного содержания органических кислот 0,1-0,3 %.
На примере пермеатов ультрафильтрации молока и творожной сыворотки, а также их смесей продемонстрировано влияние кислотности ЛСС на производительность и энергоемкость электродиализа. При обработке пермеата творожной сыворотки затраты энергии на электромиграцию в процессе электродиализа были как минимум в 2,3 раз больше, а производительность - как минимум в 3,5 раза ниже, чем при обработке пермеата молока.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическую значимость представляют полученные сведения о составе, свойствах ЛСС и динамике его очистки от отдельных примесей в процессе электродиализа.
С практической точки зрения, разработанная технология позволяет расширить сырьевую базу производства высококачественного молочного сахара за счет включения в нее пермеата ультрафильтрации творожной сыворотки. Кроме того, технология обеспечивает контроль процесса очистки ЛСС в режиме реального времени и возможность регулирования содержания отдельных примесей. На основе разработанной технологии реализовано промышленное производство лактозы пищевой и фармакопейной чистоты АО «Молочный комбинат «Ставропольский» (г. Ставрополь, Россия) мощностью 10 т кристаллического продукта в сутки.
Методология и методы исследования
В основу исследования положено лабораторное моделирование промышленных процессов производства молочного сахара. Выбор методов анализа осуществлялся с учетом рекомендаций и указаний нормативных документов, действующих в РФ, за исключением случаев, требующих нестандартных методов исследования. Исследование состава ЛСС проводили с привлечением следующих инструментальных методов анализа: энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (элементный профиль зольного остатка); капиллярный электрофорез (содержание лимонной, молочной и уксусной кислот); ионная хроматография с амперометрическим детектированием (углеводный профиль). Содержание ионного кальция определяли методом ионоселективной потенциометрии.
Статистическая значимость различий между группами экспериментальных значений определялась посредством t-критерия Стьюдента. Для множественных сравнений использовали ANOVA c апостериорным тестом Тьюки (post-hoc Tukey HSD).
Уравнения поверхностей, аппроксимирующих экспериментальные данные, получали при помощи утилиты Curve Fitting Toolbox в среде MATLAB R2020b. Положения, выносимые на защиту:
• примесный состав ЛСС: пермеатов ультрафильтрации молока, подсырной сыворотки, творожной сыворотки и их нанофильтрационных ретентатов;
• динамика удаления примесей из ЛСС в процессе электродиализа и зависимость между удельной электропроводностью ЛСС и содержанием в нем технологически важных примесей;
• Схема и описание технологии очистки ЛСС. Степень достоверности и апробация результатов
Результаты работы базируются на данных, полученных с привлечением точных методов физико-химического анализа. Анализ образцов ЛСС и эксперименты по лабораторному и пилотному моделированию процессов его очистки выполнялись в нескольких повторностях. Для оценки воспроизводимости результатов приведены описательные статистики, характеризующие разброс данных в выборках. Результаты согласуются с общепринятыми теоретическими представлениями и сведениями, представленными в литературных источниках.
Разработанная технология была успешно апробирована в промышленных условиях на производстве кристаллической лактозы АО «Молочный комбинат «Ставропольский». На очищенное по технологии ЛСС разработаны ТУ 10.51.55107-00437062-2021.
Результаты диссертации вошли в 18 публикаций, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента на изобретение РФ, 5 публикаций, входящих в базу цитирования Scopus.
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1. Основные сведения о лактозе
Лактоза - Р-Б-Галактопиранозил-(1^4)-Б-глюкопираноза, или молочный сахар (рисунок 1.1) - дисахарид, единственным природным источником которого является молоко [1]. Является типичным редуцирующим сахаром, проявляет химические свойства, характерные для дисахаридов и альдоз [2]. Синтез лактозы у современных млекопитающих происходит в эпителиальных клетках молочных желез из двух прекурсоров - уридиндифосфатгалактозы и глюкозы -трансгалактозилированием, которое происходит в присутствии Р-4-галактозилтрансферазы и а-лактальбумина (а-ЬЛ).
Рисунок 1.1 - Структурная формула Р-Б-галактопиранозил-(1^4)-а-Б-глюкопиранозы моногидрата (а-лактозы моногидрат). Glc, Gal обозначают остатки глюкозы и галактозы соответственно
На сегодняшний день считается, что лактоза получила статус доминирующего углевода молока в связи с появлением а-LA в результате мутаций
н
он
лизоцима в составе секрета протомолочных желез [3]. Первоначально небольшие количества a-LA в секрете обеспечивали синтез лактозы в малой концентрации, и практически вся лактоза в присутствии гликозилтрансфераз участвовала в образовании олигосахаридов. Эти олигосахариды выполняли главным образом антимикробную и противовоспалительную функции, но также являлись источником энергии. Увеличению концентрации олигосахаридов в дальнейшем способствовало усиление синтеза a-LA. Как следствие, выросла концентрация синтезируемой лактозы, которая стала важным источником энергии для новорожденных млекопитающих, в то время как олигосахариды продолжали играть роль антимикробных агентов. Благодаря низкой молекулярной массе (342 Да) лактоза получила также статус основной осморегулирующей молекулы, контролирующей объем молока [4].
Содержание лактозы в коровьем молоке изменяется в узких пределах по сравнению с другими основными компонентами молока и составляет в среднем около 4,8 % [5]. На рисунке 1.2 представлено распределение концентраций лактозы в молоке-сырье 23 хозяйств Ставропольского и Краснодарского края в 2016-2017 г. (данные предоставлены АО «Молочный комбинат «Ставропольский»). В большинстве (свыше 75 %) партий молока содержание лактозы составляло от 4,6 до 5,1 %, а зафиксированные наименьшая и наибольшая концентрации - 3,51 и 5,39 % соответственно.
2000
ю о
с 1500
о т к
Щ 1000 ^
о
* 500
о
>3,8 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0 5,1 5,2 5,3
Рисунок 1.2 - Вариативность концентрации лактозы в коровьем молоке-
сырье
На содержание лактозы в молоке в небольшой степени оказывают влияние такие факторы, как порода коровы, ее физиологический статус, рацион кормления, сезон [6]. При мастите и в период поздней лактации, когда мембраны маммоцитов
повреждены и происходит утечка низкомолекулярных компонентов крови в молоко, концентрация лактозы снижается и может достигать 70 % от пиковой за весь период лактации [5]. Отрицательная корреляция между концентрацией лактозы в молоке и его солевой осмолярностью показана на рисунке 1.3. Таким образом обеспечивается изотоничность молока и крови.
140
5 130 £ ъ
(О О
Ё 120
ос
2. но
IX ф
X
£ 100
90
90 100 110 120 130
Солевая осмолярность, мМ
Рисунок 1.3 - Зависимость между концентрацией лактозы и солевой осмолярностью в молоке (по [7])
Лактоза является технологически важным компонентом в большинстве
молочных продуктов. Она непосредственно влияет на органолептические свойства, например, обеспечивая умеренную сладость (16-35 % относительно сахарозы) [8, 9] и вступая в реакцию Майяра. Последняя является целенаправленной при производстве некоторых продуктов (ряженка, вареное сгущенное молоко, топленое молоко). Пожалуй, наиболее значима роль лактозы в производстве ферментированных продуктов - это роль субстрата для брожения. Наличие
лактозы делает возможным сквашивание молока и получение всего разнообразия кисломолочной продукции, включающего десятки наименований. Продукты брожения лактозы создают богатую палитру вкусов, ароматов и рисунков в сычужных сырах.
Лактоза впервые была выделена итальянским врачом и химиком Фабрицио Бартолетти. Первый эксперимент по получению лактозы из молочной сыворотки описан в 1633 г. в его книге «Methodus in dyspnoeam ...» («Лечение астмы ...») [10]. В 1700 г. венецианский фармацевт Людовико Тести опубликовал буклет «De novo saccharo lactis» («О новом молочном сахаре») [11], в котором лактоза рекомендуется в качестве одного из средств, облегчающих симптомы артрита. В 1812 г. Хайнрих Фогель установил, что продуктом гидролиза лактозы является глюкоза [12]. В 1856 г. Луи Пастер кристаллизовал другой компонент лактозы, галактозу [13]. К 1894 г. немецкий химик, лауреат нобелевской премии Герман Эмиль Фишер определил строение глюкозы и галактозы [14]. Название «лактоза» впервые использовано французским химиком Жаном Батистом Андре Дюма в 1843 г. [15]. Луи Пастер в 1856 г. предложил это название для галактозы [13]. В 1860 г. французский химик Пьер Эжен Марселен Бертло в работе «Chimie organique fondée sur la synthèse, Volume 2» (Синтетическая органическая химия, том 2») приводит современные названия для лактозы и галактозы [16].
Итак, лактоза как вещество вызывала интерес ученых с момента открытия и по сегодняшний день. С развитием техники и технологии значение лактозы только возрастало, о чем можно судить по расширению спектра применений и развитию промышленного производства.
1.2. Анализ рынка промышленного использования лактозы
Первое промышленное производство молочного сахара появилось во второй половине XIX в. в Швейцарии и было привязано к небольшим сыродельным заводам в Альпах. В конце XIX в. лактозу стали производить в Германии и США. В 1893 г. в нью-йоркской фабрике было произведено около 110 т лактозы, а в 1914 г. суммарное производство в США составило около 1600 т, выработанных шестнадцатью фабриками [17]. Объемы производства лактозы с тех пор неуклонно наращивались. В 2020 г. в мире произведено 865 тыс. т лактозы, соответственно [18]; специалисты прогнозируют дальнейший рост производства лактозы и объема рынка как в России [19], так и в мире [18].
Будучи основным компонентом молока, лактоза также является одним из наиболее востребованных его компонентов. Так, цена лактозы пищевого качества на мировом рынке за последние годы была сопоставима с ценой сухой сыворотки, хотя и уступает ценам на концентрат сывороточных белков (КСБ-34) или сухое обезжиренное молоко (рисунок 1.4).
2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019
-Лактоза ниже фармакопейного качества (США)
-Сухая сыворотка (Германия)
-Концентрат сывороточных белков 34 % (США)
-Сухое обезжиренное молоко (Германия)
Рисунок 1.4 - Динамика цен на лактозу и некоторые сухие молочные продукты (по [20])
В СССР в 50-е годы XX в. было организовано более 100 цехов суммарной мощностью 10 тыс. т лактозы в год [1]. Однако после распада Союза основные производства оказались за пределами современной России (Балтский молочноконсервный комбинат детских продуктов, г. Балта, Украина; Березовский сыродельный комбинат, г. Береза, Белоруссия; Рокишкио сурис, г. Рокишкис, Литва) и до 2017 г. лактоза практически не вырабатывалась (около 200 т в год в 2015-2017 гг. [19]). Первое промышленное производство лактозы высокой категории очистки (пищевой и фармакопейной) запущено на базе АО «Молочный комбинат «Ставропольский» в 2018 г., мощность - до 10 т в сутки. Проект был реализован совместно с центром биотехнологического инжиниринга СКФУ при поддержке Министерства высшего образования и науки РФ (договор №03.G25.31.0241).
Согласно ГОСТ 33567-2015 [21], в зависимости от чистоты лактоза разделяется на техническую (сырец), пищевую, рафинированную и фармакопейную. Аналогичная классификация применяется за рубежом, например, American Dairy Products Institute выделяет техническую (Industrial/Fermentation Grade), пищевую (Edible Grade) и рафинированную (Refined Edible Grade) лактозу [22]. Чистота и свойства фармакопейной лактозы определяются гармонизированными статьями национальных фармакопей.
Лактоза используется в кондитерском производстве, в частности, для придания изделиям карамельного аромата в результате реакции Майяра. Реакция Майяра также имеет важное значение в хлебопекарной промышленности, где она используется для придания коричневого оттенка хлебной корке, поскольку хлебопекарные дрожжи не сбраживают лактозу, и она остается в тесте в качестве редуцирующего сахара, способного к участию в процессах меланоидинообразования [5]. Известно об использовании лактозы для улучшения влагоудерживающей способности хлебобулочных изделий, ускорения расстойки, увеличения объема и задержания углекислого газа [23]. Слабая лактозосбраживающая способность пивных дрожжей позволяет использовать
лактозу в качестве подсластителя в т. н. «молочных» или «сливочных» стаутах [24, 25].
В шоколаде и кондитерских изделиях лактоза добавляется как заменитель сахарозы (до 10 % от содержания сахарозы в шоколаде) для снижения сладости продукта [23]. Концентрация лактозы оказывает существенное влияние на реологические свойства ириса [26].
Применение лактозы в мясных полуфабрикатах чаще всего связано с улучшением интенсивности и яркости цвета продукта при термической обработке. Помимо контролируемой реакции Майяра, лактоза используется как источник углерода для молочнокислого брожения в ферментированных колбасах. В результате снижения pH достигается ингибирование роста нежелательных микроорганизмов. Содержание лактозы в рецептуре колбас может составлять до 3 %. Другие преимущества, обеспечиваемые при добавлении лактозы в мясные продукты - улучшенная влагоудерживающая способность, смягчение горького вкуса минеральных солей в составе продукта, а также сильного печеночного вкуса в паштетах [23].
Рафинированная лактоза широко применяется в качестве компонента детских смесей. Добавление лактозы в смеси на основе коровьего молока необходимо, чтобы привести содержание лактозы в рецептуре в соответствие с составом грудного молока (6-7 % лактозы, около половины массы сухого вещества) [5, 27].
Следует отметить, что использование лактозы в любых пищевых продуктах ограничивается признанной безопасной дозой 10-12 г за один прием пищи для людей с непереносимостью этого дисахарида [28].
Благодаря своим физико-химическим и биохимическим свойствам лактоза нашла широкое применение в фармацевтике. От 60 до 70 % зарегистрированных твердых дозированных лекарственных форм для внутреннего применения содержит лактозу в качестве одного из компонентов (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 - Наиболее распространенные наполнители в таблетках и капсулах (по [3])
Наиболее важные применения лактозы в фармацевтической промышленности - использование в таблетках, капсулах, гранулах и для порошковых ингаляций. Лактоза играет роль инертного наполнителя, обеспечивает необходимую сыпучесть лекарственной формы или связывание компонентов, необходимое в таблетках [3]. Лактоза в достаточной мере удовлетворяет базовым требованиям к наполнителю в фармацевтике: безопасность, инертность, экономическая и логистическая доступность.
Лактоза для фармацевтической промышленности может подвергаться дополнительной технологической пост-обработке, которая придает субстанции требуемые свойства. Коммерчески доступно несколько видов фармакопейной лактозы, отличающихся по гранулометрическому, аномерному составу и кристалличности: просеянная, молотая, микронизированная, распылительной сушки, гранулированная и пр. [3].
Широкий спектр производств, в которых находит применение лактоза, подтверждает ценность этого ингредиента в современной промышленности.
1.3. Анализ способов получения, видов и особенностей состава лактозосодержащего сырья в молочной промышленности
Понятие лактозосодержащего сырья (ЛСС) вводится в работе академика РАН А. Г. Храмцова и сотр. 1992 г., посвященной электродиализной обработке вторичного молочного сырья [29].
И. А. Евдокимов в дальнейшем раскрывает понятие ЛСС, относя к этой категории ту фракцию молочного сырья, которая остается после получения высокожирных и высокобелковых продуктов [30]. Итак, под ЛСС понимают молочное сырье, из которого тем или иным способом была удалена большая часть наиболее ценных компонентов молока - жиров и белков.
Основным фактором, определяющим предпочтительность такого сырья для получения лактозы, является технологичность его переработки, связанная с минимальными затратами и образованием минимального количества отходов. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют ультрафильтрационные пермеаты молочного сырья [9].
Отделение сывороточной фракции молока сопутствует производству сыров, творога, концентрированных кисломолочных продуктов (греческого йогурта, скира и др. [31, 32]), а также получению казеина [33, 34]. На состав сыворотки оказывает влияние предшествующая технологическая обработка молока. Так, сыворотка из-под сычужных сыров отличается низкой кислотностью. Образование сгустка в ней обусловлено в первую очередь действием сычужного фермента, и в меньшей степени - нарастанием кислотности в результате жизнедеятельности заквасочной культуры. Сыворотка из-под свежих сыров, творога, греческого йогурта отделяется после продолжительной ферментации молочнокислыми бактериями и характеризуется высоким содержанием молочной кислоты [35, 36].
Огромное разнообразие сортов сыра и концентрированных кисломолочных продуктов обусловливает вариативность состава сыворотки. Образование сгустка при изготовлении большинства продуктов является результатом
комбинированного действия фермента и кислоты на казеиновую фракцию молока, и эта комбинация уникальна для каждой технологии. Тем не менее, существует упрощенная классификация, разделяющая сыворотку на два вида: сладкую сыворотку и кислую сыворотку [37]. В отечественных источниках распространено аналогичное деление сыворотки на подсырную и творожную.
Разновидность подсырной сыворотки - соленая сыворотка - отделяется при производстве твердых и полутвердых сыров (Чеддер, Моцарелла, Колби и др.) с полной или частичной посолкой в зерне, т. е. внесением соли в разрезанную сырную массу [38]. Содержание хлорида натрия в соленой подсырной сыворотке в несколько раз выше, чем в обычной и может составлять 2,5-9 % [39, 40]. Посол в зерне применяется ограниченно и чаще всего встречается в технологии производства британских сыров [41, 42].
В отечественной и зарубежной литературе принято выделять также казеиновую сыворотку, полученную в результате осаждения казеина из обезжиренного молока соляной или серной кислотой. Сыворотку, отделенную при производстве казеина методом ферментативной коагуляции [37, 43], сквашиванием или добавлением молочной кислоты [37], целесообразно относить к сладкой и кислой соответственно.
Большое количество работ [9, 35, 50-59, 37, 60-68, 43-49], в которых приводятся состав и свойства сыворотки, позволяет оценить потенциал ее отдельных видов как источника ЛСС с позиций чистоты и содержания «проблемных» примесей (таблица 1.1).
С развитием мембранных технологий стало возможным выделение казеина из молока без изоэлектрического осаждения и, следовательно, с сохранением нативной мицеллярной структуры. Концентрат мицеллярного казеина - это коммерчески доступный на сегодняшний день ингредиент [69, 70].
Концентрат мицеллярного казеина получают методом микрофильтрации (МФ) обезжиренного молока на керамических или полимерных мембранах с размером пор около 0,1 мкм. Поскольку целью процесса является фракционирование молочных белков, МФ ретентат должен содержать большую
часть казеина исходного сырья и как можно меньше сывороточных белков. МФ пермеат, в свою очередь, может использоваться для концентрирования сывороточных белков методом ультрафильтрации (УФ), аналогично УФ обработке подсырной сыворотки. Пермеат имеет уникальный состав (таблица 1.2): соответствует по содержанию макрокомпонентов подсырной сыворотке (таблица 1.1), но отличается полным отсутствием соматических клеток, заквасочных микроорганизмов, бактериофагов, остатков сычужного фермента, казеиновой пыли, гликомакропептида к-казеина, молочной кислоты и имеет нейтральный молочный вкус [71].
Таблица 1. 1 - Состав молочной сыворотки, % в сухом веществе - компиляция
литературных данных
Сладкая сыворотка Кислая сыворотка Казеиновая сыворотка
Среднее значение Диапазон Среднее значение Диапазон Среднее значение Диапазон
СВ* 6,2 5,16-7,00 4,41 6,65 5,43 5,10-7,10
Лактоза 75 66-83 72 62-85 75 63-86
Жир 3,46 0,94-5,26 3,59 1,00-7,95 1,71 0,00-4,76
Белок 11,9 7,23-16,7 10,4 8,05-15,1 12,3 9,68-14,8
0,41 0,16-0,58 0,61 0,18-0,95 0,39 0,14-0,67
Зола 8,45 5,00-11,4 12,0 8,53-15,2 12,3 11,1-13,2
Калий 2,42 1,92-3,65 2,50 2,11-3,29 2,56 2,35-2,85
Натрий 0,78 0,59-1,03 0,73 0,38-1,00 0,72 0,58-0,73
Магний 0,12 0,10-0,14 0,22 0,15-0,37 0,18 0,13-0,22
Кальций 0,67 0,47-0,95 2,07 1,44-3,42 2,10 1,64-2,57
Хлорид 1,72 1,50-2,09 1,93 1,65-2,32 Н/Д** Н/Д
Похожие диссертационные работы по специальности «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств», 05.18.04 шифр ВАК
Совершенствование технологии регенерации мембран ультрафильтрационных установок в переработке молочных продуктов2022 год, кандидат наук Харитонова Екатерина Борисовна
Модификация творожной сыворотки с применением мембранных технологий для получения лактулозосодержащей пищевой добавки2019 год, кандидат наук Жданов, Всеволод Николаевич
Исследование и разработка низкотемпературной технологии получения белковых и углеводных концентратов из молочной сыворотки2019 год, кандидат наук Гущин Алексей Алексеевич
Разработка альтернативных технологий производства деминерализованной творожной сыворотки2013 год, кандидат технических наук Донских, Александр Николаевич
Разработка технологии сквашенного напитка на основе ультрафильтрационного концентрата сывороточных белков2021 год, кандидат наук Агарков Александр Александрович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кравцов Виталий Александрович, 2022 год
источников
УФ различного молочного сырья приводит к образованию ЛСС, разнородного по чистоте (рисунок 1.7) и составу (таблица 1.5). В отличие от сыворотки, состав и свойства УФ пермеата на сегодняшний день не регламентируются нормативными документами стран Таможенного союза. В то же время, сухой пермеат и сухой деминерализованный пермеат - распространенные, коммерчески доступные ингредиенты, которые производятся на многих молокоперерабатывающих предприятиях, в том числе и в России. Таким образом, при обобщении характеристик УФ пермеатов приходится руководствоваться не
законодательно утвержденными нормативами, а доступными данными коммерческих производителей и научной литературой.
Рисунок 1.7 - Доля лактозы в сухом веществе пермеата молока [2, 9, 93-97], пермеата сладкой сыворотки [2, 9, 96, 98-100], пермеата кислой сыворотки [2, 59, 93, 97, 101, 102], сладкой сыворотки ([9, 37, 43, 50, 53-55, 57]) и кислой сыворотки [9, 35, 57, 37, 43, 46, 48, 50, 53, 55, 56]
Таблица 1.5 - Примерный состав ЛСС по данным литературных источников, % в сухом веществе [2, 9, 97-106, 44, 107-111, 58-60, 93-96]
Пермеат подсырнои Пермеат творожной
Пермеат молока
сыворотки сыворотки
Среднее значение Диапазон Среднее значение Диапазон Среднее значение Диапазон
СВ* 5,3 3,4-5,85 4,85 3,4-5,8 5,36 3,5-6,18
Лактоза 85 82-88 84 74-91 67 32-83
КРК 0,83 0,45-1,44 0,69 0,48-1,38 1,05 0,49-2,25
Зола 8,70 7,06-12,7 9,38 8,26-10,7 12,95 10,0-18,6
Калий 2,51 1,99-2,94 2,76 2,13-4,42 2,46 2,06-2,79
Натрий 0,77 0,65-1,01 0,83 0,68-1,12 0,96 0,67-1,28
Магний 0,13 0,11-0,14 0,13 0,11-0,17 0,21 0,16-0,34
Кальций 0,52 0,43-0,73 0,62 0,44-1,02 2,01 1,41-2,55
Хлорид 1,76 1,72-1,83 2,20 1,94-2,48 1,91 1,52-2,31
Фосфат 1,96 1,70-2,24 2,13 0,83-4,06 2,99 1,19-4,60
Цитрат 2,85 2,76-3,08 1,90 0,95-2,71 Н/Д** Н/Д
Лактат Следы 3,45 Н/Д 11,42 8,62-14,78
* Содержание в неконцентрированном ЛСС, % ** Нет данных
В соответствии с технологическим происхождением выделим следующие группы ЛСС:
УФ пермеат молока (ПМ) - пермеат, полученный в процессе производства КМБ, концентрирования белков в молоке для производства сыра и кисломолочных продуктов, а также производства КСБ из МФ пермеата молока. Для ПМ характерно высокое содержание лактозы в сухом веществе - около 80-85 %. Состав ПМ приближенно соответствует составу растворенной фазы молока, поскольку все низкомолекулярные вещества молока практически не задерживаются УФ мембраной. В ПМ отсутствуют продукты молочнокислого брожения, протеолиза, минералы мицеллярной фракции, а также технологические добавки, характерные для сычужной и кислотной коагуляции казеина. Таким образом, примеси в этом виде ЛСС составляют около 15 % массы сухого вещества и представлены естественными низкомолекулярными составляющими растворенной фазы молока: минералами, лимонной кислотой, небелковыми азотистыми соединениями, витаминами [112].
УФ пермеат сладкой (подсырной) сыворотки (1111С) является продуктом УФ сыворотки из-под сычужных сыров и казеина ферментативной коагуляции. По чистоте и соотношению лактозы и сухих веществ приблизительно соответствует ПМ. Тем не менее, в ППС переходит часть хлористого кальция, добавляемого в молоко при сыроделии, молочной кислоты и других метаболитов, образующихся в результате жизнедеятельности заквасочных микроорганизмов, а также низкомолекулярных продуктов протеолиза молочных белков. Сладкая сыворотка может существенно отличаться по кислотности (рН от 5,8 до 6,5), соответственно, варьирует в широких пределах содержание молочной кислоты. Если технология производства сыра предусматривает низкий рН сгустка, происходит переход в сыворотку части КФК, которая при УФ переходит в пермеат. Таким образом, состав и чистота ППС находится в зависимости от кислотности сыворотки (вида сыра).
УФ пермеат кислой (творожной) сыворотки (ПТС) получают в результате УФ сыворотки из-под свежих сыров, творога, концентрированных кисломолочных
продуктов, казеина молочнокислотной коагуляции. Содержит около 70 % лактозы в сухом веществе. Молочная кислота составляет в ПТС около половины массы примесей. Содержание кальция, магния и фосфата соответствует общему содержанию этих компонентов в молоке. Содержание лактозы и молочной кислоты может колебаться в широких пределах в зависимости от параметров ферментации исходного молока или молочной смеси.
Сравнение состава ПМ, ППС и ПТС (таблица 1.5) позволяет заключить, что вариабельность примесного состава ЛСС обусловлена различиями в содержании поливалентных минеральных ионов и органических кислот. K и О,
составляющие 25-45 % массы примесей в ЛСС, содержатся в УФ пермеатах в примерно равных концентрациях (рисунок 1.8). Эти концентрации характерны также для сыворотки и для молока.
Рисунок 1.8 - Основные группы примесей в ЛСС: одновалентные минеральные ионы (£+№+0), многовалентные минеральные ионы
(Ca+Mg+PO43 ), цитрат и лактат (Cit+Lac) и небелковый азот
Если для ПМ характерна стабильно высокая чистота и меньшая вариабельность примесного состава, то сывороточные пермеаты, в особенности ПТС, демонстрируют высокий разброс концентраций лактозы и примесных компонентов (таблица 1.5). Как было отмечено (раздел 1.3), это разнообразие является следствием применяемых в молочной промышленности процессов и состава перерабатываемых видов сырья, уникальных для каждого производства.
Более того, на практике часто перерабатывают «сборную» сыворотку, т. е. смесь сывороток разного происхождения. Стандарты качества конечной продукции, тем не менее, должны достигаться независимо от качества ЛСС. Это возможно при правильно выстроенной последовательности процессов очистки ЛСС.
1.5. Основные методы очистки лактозосодержащего сырья в производстве
лактозы
Современная технология производства а-моногидрата лактозы включает: получение ЛСС, его очистку, сгущение методом вакуум-выпаривания, охладительную кристаллизацию, отделение кристаллов от маточного раствора, их промывку, сушку и упаковку (рисунок 1.9).
Получение ЛСС
1 г
Очистка
г
Концентрирование
1 г
Кристаллизация
1 г
Промывка и отделение кристаллов
1 г
Сушка
1 г
Фасовка
Рисунок 1.9 - Основные операции промышленного производства кристаллической лактозы
Каждая из операций оказывает влияние на характеристики конечного продукта. Чистота лактозы определяется в первую очередь процессами очистки ЛСС (опционально - промывки кристаллов).
Очистка ЛСС должна выполнять две задачи:
• Удаление примесей, которые негативно влияют на последующий технологический процесс; в частности, для процессов сгущения и кристаллизации (рисунок 1.9), важно обеспечить удаление из ЛСС кальция, который препятствует нормальной работе вакуум-выпарных аппаратов, и веществ, ингибирующих кристаллизацию лактозы, в первую очередь -молочной кислоты [113].
• Удаление примесей, нормируемых в конечном продукте переработки ЛСС, т. е. обеспечение требуемого качества конечного продукта, особенно при регламентировании не только суммарного количества примесей (чистота), но и содержание отдельных примесей или их групп (минералы, тяжелые металлы, антибиотики и т. п.).
Получение лактозы низкой квалификации чистоты не требует специальных операций очистки: кристаллизация и промывка кристаллов сами по себе позволяют удалить значительную часть примесей [5, 114]. Поэтому в промышленной практике очистка чаще всего ограничивается осаждением фосфата кальция из сырья, которое необходимо для обеспечения продолжительной эффективной работы вакуум-выпарных установок, концентрирующих сырье [2, 9, 45].
Концентрация фосфата и кальция в ЛСС (более 4,9 и 8,7 ммоль/л, соответственно) превышает произведение растворимости их малорастворимых соединений - гидроксиапатита Ca5OH(PO4)з (10-58), гидрофосфата кальция CaHPO4 (1,2 хЮ-47) и его дигидрата CaHPO4•2H2O (2,6 х10-7) [9, 115]. Несмотря на действие стабилизирующих факторов, таких, как кислотность, ионная сила и присутствие хелатирующего кальций цитрата [5], фосфат кальция в ЛСС нестабилен и выпадает в осадок при концентрировании, повышении температуры или pH. Образование осадка фосфата кальция на греющих поверхностях вакуум-выпарных установок приводит к вынужденной остановке оборудования и мойке каждые 4-6 ч. Поэтому
перед концентрированием ЛСС часто проводят декальцификацию [2, 9, 96, 116]. Для этого ЛСС нагревают до температуры 50-80 ^ и выдерживают от нескольких минут до двух часов. ЛСС может подщелачиваться до pH 6-8 для более полного осаждения фосфата кальция. В работе [117] предложено внесение затравки гидрофосфата кальция для интенсификации осаждения. Образовавшийся осадок фосфата кальция отделяют сепарированием или УФ с диафильтрацией [2]. Декальцификация позволяет удалить около 60 % фосфата кальция из ЛСС [118] и существенно снизить осаждение при дальнейшем вакуум-концентрировании [114]. Как правило, декальцификации подвергают ЛСС, предварительно сконцентрированное до содержания СВ около 20 % методом нанофильтрации или обратного осмоса.
Нанофильтрация (НФ) - наиболее распространенный метод начального концентрирования ЛСС [9, 114, 119]. НФ мембраны для обработки молочного сырья - полимерные спиральные элементы с MWCO 200-300 Да [98, 106, 120]. Размер пор мембран обусловлен необходимостью в задержании лактозы. Являясь альтернативой обратного осмоса и вакуум-выпаривания, НФ менее энергоемка, более производительна и обеспечивает удаление моновалентных ионов из ЛСС в процессе концентрирования без существенных потерь лактозы в НФ пермеат (а = 0,98). Высокая проницаемость мочевины для НФ мембран [121] позволяет также удалять часть небелкового азота при НФ ЛСС. Уровень деминерализации (УД), обеспечиваемый НФ, составляет около 30 % [106]. Задержание поливалентных ионов НФ мембранами (для кальция а > 0,8 [106]) объясняют большим размером гидратированных ионов; кроме того, задержание кальция может быть связано с образованием крупных кальций-цитратных и кальций-фосфатных комплексов [9]. Концентрирование фосфата и кальция в НФ ретентате ЛСС приводит к образованию минерального загрязнения на мембранах и резкому снижению производительности НФ установки. Осаждение фосфата кальция при НФ обработке ЛСС предотвращают, подкисляя исходное ЛСС до pH 6,2 и менее при помощи углекислого газа или лимонной кислоты. Стандартными условиями НФ являются холодный режим (10-15 давление в контуре ретентата 18-25 бар
и концентрирование до содержания СВ 18-22 %. Низкая температура фильтрации ограничивает производительность фильтрации (трансмембранный поток), но позволяет исключить осаждение фосфата кальция, нарастание микрофлоры в ЛСС и сокращает потери лактозы в НФ пермеат [9]. НФ с диафильтрацией может применяться для более полного удаления моновалентных ионов и азотистых соединений из ЛСС [106].
Если в состав сырья входит ПТС или требуется получить продукт высокой чистоты, более глубокая очистка может быть достигнута с привлечением следующих методов, хорошо известных в химической и пищевой промышленности.
Электродиализ (ЭД) - метод мембранной очистки, основанный на транспорте заряженных частиц из раствора-дилуата в раствор-концентрат через селективные ионообменные мембраны под действием приложенной разности потенциалов [122]. ЭД позволяет достигать уровня деминерализации (УД) до 9095 % [123], однако наибольшую экономическую эффективность имеет частичная деминерализация (УД 50-70 %) [9]. Кроме того, возможно применение ЭД для регуляции кислотности растворов [124]. Деминерализация молочной сыворотки методом ЭД получила широкое распространение [123-126]. В отличие от сыворотки, УФ пермеаты не содержат белков и молочного жира, которые могут формировать загрязняющий слой на поверхности ионообменной мембраны, снижая производительность процесса [127]. Поэтому ЭД ЛСС эффективнее и технологичнее по сравнению с обработкой сыворотки. Большинство растворимых примесей в ЛСС диссоциирует на ионы и может быть удалено при ЭД. В частности, это все минеральные вещества, составляющие 50-70 % от массы примесей [57], органические кислоты, составляющие 25-50 % от массы примесей [44, 128], и часть небелковых азотсодержащих соединений (аминокислоты [129], аммоний [130] и пр.). Тем не менее, полное удаление заряженных веществ методом ЭД невозможно, т. к. при понижении содержания электролитов в обрабатываемом растворе развивается концентрационная поляризация. Эффективность и скорость
протекания процесса резко снижается, и дальнейшая очистка становится нерентабельной [9].
Практически полной деионизации ЛСС позволяет достичь ионный обмен. Ионообменная обработка заключается в последовательном пропускании сырья через колонны, заполненные катионо- и анионообменными смолами. При условии достаточной емкости смол происходит замещение ионов раствора на OH- и ^ (УД 92-97 % [53]). Использование сильноосновных и сильнокислотных ионообменных смол обеспечивало очистку УФ пермеата не только от солей, но и от существенной доли небелкового азота [131]. Ионный обмен проводится в периодическом режиме, т. к. по мере истощения ионообменной емкости должны регенерироваться основные и кислотные формы смол. Необходимость в периодической регенерации смол, высокий расход реагентов и воды приводят к высоким операционным расходам. По некоторым оценкам, при эксплуатации оборудования для ионного обмена образуется в 4-4,5 раза больше солей и расходуется в три раза больше воды, чем при ЭД [51]. Поэтому применение ионообменных смол для очистки от ионных компонентов ЛСС ограничивается различными комбинациями с НФ и/или ЭД [53]. Например, ионный обмен может служить для умягчения ЛСС перед НФ или для финишной деминерализации после ЭД обработки [132].
Электродеионизация - гибридный метод, объединяющий ЭД и ионный обмен. Для проведения электродеионизации камеры дилуата в элекродиализной ячейке заполняют смесью катионо- и анионообменной смолы. Ионы раствора, поступающего в камеру, обмениваются со смолами и затем под действием приложенного к ячейке электрического потенциала движутся в твердой фазе смолы к границам камеры, переходят через ионообменные мембраны и концентрируются в потоке солевого концентрата [133]. Кроме того, на границе контакта частиц смол противоположного заряда и частиц смол с мембранами противоположного заряда происходит диссоциация молекул воды на ^ и OH-, которые регенерируют смолы [134]. Таким образом, для электродеионизации не свойственны основные недостатки ЭД (концентрационная поляризация при малых концентрациях электролитов в дилуате) и ионного обмена (необходимость в периодической
регенерации). Поскольку электродеионизация позволяет достичь сверхмалой концентрации электролитов в дилуате, метод наиболее востребован в производстве ультрачистой воды [135]. Сведения о коммерческом применении электродеионизации в молочной промышленности ограниченны. Тем не менее, в патентах крупнейшего производителя молочных ингредиентов Nestlé предложено использовать электродеионизацию для обессоливания подсырной сыворотки [136] и других продуктов переработки молока [137]; сообщается об уровне деминерализации молочного сырья до 97 %.
Ионоэксклюзионная хроматография основана на взаимодействии разделяемых компонентов раствора с неподвижной фазой, представленной ионообменным материалом. Ионы, имеющие одинаковый заряд с функциональными группами ионообменного материала, не удерживаются ионитом, а нейтральные молекулы распределяются между подвижной и неподвижной фазой. О применении ионоэксклюзионной хроматографии для очистки ЛСС впервые сообщается в патенте [138] (Valio). Хроматографию использовали для очистки растворенной лактозы в маточном растворе после кристаллизации. В качестве неподвижной фазы сульфонированная полистироловая смола в натриевой форме, а элюирование проводили деминерализованной водой. Авторы также предложили аналогичный способ выделения лактозы напрямую из обезжиренного молока [139]. Ионоэксклюзионная хроматография является важной частью процесса производства лактозы, разработанного коллективом австралийских ученых. Хроматографии подвергается НФ ретентат ЛСС, причем регенерацию ионита проводят НФ пермеатом, содержащим преимущественно моновалентные ионы. Полученный очищенный раствор лактозы в дальнейшем может быть использован для производства высокочистой лактозы [140]. Процесс был коммерциализован Groupe Novasep.
Важным критерием качества лактозы, производимой для фармакопейной промышленности, является показатель цветности. Поэтому для соответствующих категорий лактозы перечисленные выше методы, как правило, дополняют адсорбционной очисткой ЛСС. Адсорбция на смолах или активированном угле
применяется для удаления окрашенных примесных соединений, придающих желтоватый или кремовый цвет кристаллической лактозе - рибофлавина и продуктов реакции Майяра [9]. Цветность лактозы фармакопейной чистоты регламентируется в статьях основных национальных фармакопей и должна составлять не более 0,04 см-1 при длине волны 400 нм для раствора 1 г кристаллической лактозы в 10 мл воды [141]. Пигменты, содержащиеся в ЛСС, имеют близкую к лактозе молекулярную массу, малый удельный заряд и поэтому плохо удаляются при баромембранной обработке ЛСС, ЭД и ионном обмене. Кроме того, рибофлавин имеет низкую растворимость (около 0,8 мг/л [142]) и кристаллизуется в концентрированных растворах ЛСС наряду с лактозой, поэтому не может быть полностью удален при промывке кристаллов. Для очистки от пигментов используют смолы-адсорбенты и активированный уголь [9]. Адсорбция на активированном угле служит в сахарной промышленности для обесцвечивания сахарных растворов [143]. В работе [144] была продемонстрирована эффективность активированного угля при очистке подсырной сыворотки от красителя аннато (норбиксин). Обесцвечивание активированным углем применяют в производстве фармакопейной лактозы как в восстановленных растворах пищевой лактозы, так и в маточных растворах после кристаллизации [9]. Активированный уголь - недорогой натуральный материал, который, как правило, производят из отходов сельскохозяйственного производства. Однако его применение связано с высокими эксплуатационными расходами, обусловленными необходимостью в фильтрации обесцвеченного раствора и утилизации отработанного угля [143].
После того, как ЛСС очищено от необходимой части примесей, должны быть осуществлены два принципиальных процесса: удаление влаги и переход лактозы из раствора в кристаллическую фазу. Для этого предусмотрены последовательные: сгущение, кристаллизация, отделение кристаллов от маточного раствора (может сопровождаться промывкой) и сушка.
Вакуум-выпаривание обеспечивает, во-первых, удаление части влаги из сырья, и, во-вторых, создание условий для эффективной охладительной кристаллизации; основной целью является образование фазы кристаллической
лактозы. Формирование кристаллов лактозы - это, в сущности, процесс разделения, при котором лактоза концентрируется в твердой фазе, а примеси преимущественно остаются в растворе. За кристаллизацией следует удаление маточного раствора центрифугированием или декантацией, причем для более полного удаления примесей с поверхности кристаллов их промывают водой.
Режимы кристаллизации и промывки кристаллов оптимизируют для получения максимального выхода продукта с заданным гранулометрическим составом. Кроме того, необходимо свести к минимуму переход лактозы в маточный раствор и промывную воду: эти побочные продукты могут быть возвращены в производство, однако это влечет за собой дополнительные затраты энергии и сервисных сред. Поэтому регулирование чистоты лактозы за счет изменения параметров кристаллизации и промывки нерационально.
Для того, чтобы избежать снижения эффективности производства, следует достигать необходимого уровня очистки до кристаллизации. При этом в достаточной мере должны удаляться те группы примесей, содержание которых регламентировано в конечном продукте переработки [21]. В условиях производства, предполагающего вариативность состава ЛСС, необходимо использование технологии очистки, которая гарантирует бесперебойную работу оборудования, обеспечит стандартный состав и свойства готового продукта, а также соответствует следующим принципам:
• Гибкость - возможность варьировать качество готового продукта при изменяющемся составе входящего ЛСС;
• Технологичность, включая:
о Высокий уровень автоматизации, позволяющий задавать оператору
параметры обработки через программное обеспечение; о Надежность в эксплуатации и достижении задаваемых параметров продукта;
• Экономическая эффективность.
1.6. Способ стандартизации состава лактозосодержащего сырья при очистке
Проблема стандартизации очищенного ЛСС особенно актуальна для российской молочной промышленности и стран с похожей структурой молочных производств. Структура производства высокобелковых молочных продуктов в России специфична: производство творога сопоставимо по объему с производством сыров (рисунок 1.10). Очевидно, что объем вырабатываемой творожной сыворотки также сопоставим с объемом подсырной сыворотки. Творог в России является популярным продуктом, потребление которого составило в 2018-2019 гг. около 5,5 кг в год на душу населения [145]. Для сравнения, потребление творога (cottage cheese) в Норвегии составляет 1,25 кг на душу населения (2018 г.) в США - 0,95 кг на душу населения (2018 г.), в Соединенном Королевстве - 0,26 кг на душу населения (2017-2018 г.) [146-148].
Это означает, что российским производителям, ориентированным на глубокое фракционирование молочного сырья и производство лактозы, необходимо считаться с огромным количеством малопригодной к переработке творожной сыворотки [149], которая представляет собой низкокачественное сырье для получения ЛСС. Для разных предприятий отношение доступных объемов подсырной и творожной сыворотки может отличаться, следовательно, в широких пределах может варьировать результирующий состав ЛСС. Поэтому в реалиях отечественной молочной промышленности особенно важно адаптировать очистку ЛСС к изменчивому составу сырья.
Анализ применяемых на сегодняшний день промышленных методов очистки ЛСС позволяет выделить следующие операции: НФ - концентрирование и умеренная деминерализация (удаление моновалентных ионов); декальцификация -умеренная деминерализация (удаление двух- и трехвалентных ионов).
1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 Рисунок 1.10 - Объем производства сыра, творога и их аналогов в России (компиляция данных Росстата и Союзмолоко)
Такая схема очистки ЛСС оказывается неэффективна при переработке ПТС, отличающегося высоким содержанием молочной кислоты и кальция (таблица 1.5). Эти примеси могут оказывать существенное негативное влияние на кристаллизацию лактозы [113, 150]. Чтобы кристаллизация лактозы прошла с высоким выходом, содержание молочной кислоты в этом виде ЛСС должно быть существенно снижено. Однако задержание лактата коммерческими полимерными НФ мембранами составляет около 80 % при pH, типичном для кислого ЛСС [151]; а осаждение лактата при нагревании невозможно, поскольку растворимость его кальциевой соли находится в прямой зависимости от температуры [152]. В свою очередь, кальций еще лучше, чем лактат, задерживается НФ мембранами и имеет повышенную растворимость в кислой среде, что снижает эффективность его термического осаждения в кислом ЛСС. Чтобы кристаллизация лактозы прошла с высоким выходом, а качество конечного продукта было удовлетворительным, содержание молочной кислоты и кальция в ПТС должно быть существенно снижено.
Как органические кислоты, так и минералы могут быть удалены из ЛСС посредством ЭД [44, 57]. Метод также предусматривает удобный контроль степени очистки, как правило, осуществляемый в режиме реального времени по удельной электропроводности (УЭП) в дилуате. Возможность удаления кальция, фосфата и цитрата при ЭД позволяет рассматривать метод в качестве альтернативы термической декальцификации. В то же время, благодаря универсальности, гибкости и экономической конкурентности ЭД [98] может выполнять функцию основного метода очистки ЛСС с вариабельным составом.
Тем не менее, ЭД не распространен в качестве метода очистки ЛСС при производстве лактозы. Для обеспечения требуемой чистоты при производстве пищевой лактозы достаточно селективного удаления фосфата кальция путем термического осаждения. Фармакопейную лактозу производят путем повторной кристаллизации полученного продукта пищевой квалификации [2, 9]. При таком подходе большинство ионных компонентов, находящихся в ЛСС, удаляется при промывках кристаллов лактозы после первой и второй кристаллизации [153], и введение дополнительных способов очистки от ионов становится излишним. Перекристаллизация, направленная на достижение высокой чистоты продукта, имеет следующие недостатки:
• Эффективность процесса низкая при переработке сырья с высоким содержанием молочной кислоты;
• Существенная часть лактозы переходит в маточный раствор при каждой кристаллизации и должна быть вновь переработана, что повышает расходы на производство единицы продукции;
• Периодический режим и продолжительность кристаллизации и перекристаллизации делают производство в целом менее технологичным и гибким.
Если предприятие располагает большой долей кислого ЛСС, то глубокая предварительная очистка сырья, после которой достаточно одной кристаллизации,
чтобы получить качественный продукт, может оказаться более эффективной, чем повторная кристаллизация.
Такие методы, как промышленная хроматография и ионный обмен, обеспечивают высокую степень очистки. Тем не менее, высокие операционные затраты, а также стоимость соответствующего оборудования делают эти методы недоступными в условиях малых и средних молокоперерабатывающих предприятий, уступая по рентабельности ЭД [51, 154, 155].
В современной промышленности ЭД проводят после предварительного концентрирования молочного сырья, в частности, методом НФ. Этот подход имеет ряд важных преимуществ, обусловленных синергизмом двух методов:
• НФ удаляет часть одновалентных ионов, что позволяет снизить нагрузку на ЭД оборудование (увеличить его производительность и/или глубину очистки). Метод не только обеспечивает энергоэффективное концентрирование сырья, но также сопровождается удалением более трети зольного остатка [156].
• ЭД сырья с содержанием СВ около 20 % требует значительно меньших энергозатрат на единицу абсолютной сухой массы по сравнению с обработкой сырья с содержанием СВ около 5 % [157].
• Комбинирование двух методов расширяет диапазон удаляемых примесей за счет переходящих в НФ пермеат незаряженных низкомолекулярных соединений, которые не могут быть удалены при ЭД обработке.
Таким образом, комбинирование НФ, как наилучшей доступной технологии концентрирования ЛСС, и ЭД, как метода удаления основных примесей с контролируемой глубиной очистки, удовлетворяет основным принципам, обозначенным ранее (раздел 1.4).
УЭП хорошо подходит в качестве косвенного показателя чистоты, позволяющего оценить содержание примесей в ЛСС. Контроль УЭП легко осуществляется в технологической емкости или потоке посредством промышленных кондуктометрических датчиков, совместимых с
программируемым логическим контроллером. Поэтому УЭП - перспективный параметр для автоматического управления стандартизацией очищенного ЛСС.
Задача состоит в том, чтобы установить связь между УЭП и контролируемым содержанием примесей в очищенном сырье. При этом необходимо учитывать вариабельность состава поступающего на очистку сырья. Введение дополнительной переменной, характеризующей состав исходного сырья, позволяет более точно определять зависимость между УЭП и концентрацией примесей. В общем случае, схема стандартизации может быть проиллюстрирована рисунком 1.11.
ЯСС С ТРЕБУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ Рисунок 1.11 - Принципиальная схема стандартизации ЛСС
Теоретически, стандартизация может опираться на содержание любого компонента ЛСС, влияющего на УЭП. Однако на практике интерес представляют примеси, имеющие важное значение при технологической обработке ЛСС. Поэтому, исходя из результатов проделанного анализа научной литературы, стандартизацию целесообразно проводить по содержанию кальция и молочной кислоты. В качестве параметра, отражающего происхождение ЛСС, предлагается использовать его титруемую кислотность - параметр, подлежащий производственному контролю во многих технологических потоках и легко определяемый в условиях молокоперерабатывающего предприятия.
Тогда схема стандартизации ЛСС примет вид, представленный на рисунке 1.12.
Целевая концентрация Са в очищенном ЯСС С(Са)
Целевая концентрация лактата в очищенном ЯСС С(М)
С(Са) = ЯКт УЭП) С{1А) = УЭП)
> Целевое значение УЭП
Титруемая кислотность / -
в исходном ЯСС (Кт)
Рисунок 1.12 - Схема стандартизации лактозосодержащего сырья по содержанию кальция и молочной кислоты
Нахождение целевого значения УЭП в этом случае сводится к выбору наименьшего из соответствующих аргументов двух функций.
Таким образом, способ стандартизации позволяет контролировать степень очистки сырья с различным составом, руководствуясь значением УЭП, и добиваться стандартного состава очищенного продукта независимо от исходного содержания примесей в ЛСС. В результате, с одной стороны, оптимизируются затраты производственных ресурсов на очистку; с другой стороны, появляется возможность вовлекать в производство лактозы проблемное сырье с высокой кислотностью.
Глава 2. Материалы, методы и организация проведения исследований
Этапы выполнения работы в соответствии со структурой диссертации отражены на рисунке 2.1.
Исследование влияния кислотности ЛСС на процесс нанофильтрациии
Рисунок 2.1 - Схема проведения исследований
2.1. Организация экспериментов и объекты исследований
В работе исследовали пермеат молока, подсырной и творожной сыворотки, а также продукты их НФ и ЭД.
Состав молока, подсырной и творожной сыворотки, использованных для получения пермеатов, приводится в таблице 2.1. ЛСС, задействованное в исследованиях, получено на промышленных УФ установках АО «Молочный комбинат «Ставропольский», при производстве КСБ-60 и молока для сыроделия.
Таблица 2.1 - Состав источников лактозосодержащего сырья, %
Молоко Подсырная Творожная сыворотка
(N = 22) сыворотка (N = 63) (N = 41)
СВ 7,6-13,9 6,7 ± 0,5 6,4 ± 0,3
Лактоза 4,80 ± 0,23 4,53 ± 0,26 4,19 ± 0,23
Жир 0,05-4,10 0,24 ± 0,04 0,10 ± 0,03
Белок 3,07 ± 0,09 0,95 ± 0,06 0,78 ± 0,10
Зола 0,71 ± 0,01 0,52 ± 0,02 0,62 ± 0,04
Калий 1,42 ± 0.33 1,29 ± 0,19 1,34 ± 0,16
Натрий 0,45 ± 0,11 0,40 ± 0,11 0,40 ± 0,13
Магний 0,12 ± 0,03 0,07 ± 0,01 0,11 ± 0,02
Кальций 1,12 ± 0,17 0,45 ± 0,12 1,24 ± 0,20
Фосфат 3,00 ± 0,26 0,80 ± 0,17 2,15 ± 0,30
Хлорид 0,69 ± 0,20 0,76 ± 0,19 0,70 ± 0,16
Цитрат 1,46 ± 0,33 1,35 ± 0,39 0,54 (0,00-1,52)
Лактат - 0,62 (0,00-2,71) 7,01 ± 1,95
ПМ получали из обезжиренного, цельного молока или молочной смеси. Для получения ПМ использовали установку для УФ молока (GEA Filtration, Дания) производительностью по обезжиренному молоку 30 т/ч при ФК 1,45, оснащенную спиральными полимерными мембранными элементами Dairy Pro 6438 UF-10K c MWCO 10 кДа (Koch Membrane Systems, США).
1111С получали в результате УФ непастеризованной охлажденной сыворотки из-под сычужных сыров различных сортов. После отделения сыворотку направляли на вибросито и охлаждали до температуры УФ. ПТС получали из
осветленной сыворотки после производства творога на механизированной поточной линии. Для получения сывороточных пермеатов использовали установку для УФ сыворотки (SiccaDania Filtration, Дания) производительностью по сыворотке 10 т/ч при ФК 13,5 (подсырная сыворотка) или ФК 17,2 (творожная сыворотка), оснащенную спиральными полимерными мембранными элементами Dairy Pro 6438 UF-10K c MWCO 10 кДа (Koch Membrane Systems, США).
Анализ образцов методом жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза осуществляли на базе центра биотехнологического инжиниринга и научно-исследовательской лаборатории «Нанобиотехнология и биофизика» СКФУ. Озоление образцов проводили в международной научно-исследовательской лаборатории «Баро- и электромембранных технологий» (кафедра прикладной биотехнологии института живых систем СКФУ). Элементный профиль образцов определяли методом энергодисперсионной спектроскопии в научно-исследовательской лаборатории физико-химических методов анализа в составе научно-лабораторного комплекса чистых зон инженерного института СКФУ. Содержание небелкового азота по методу Кьельдаля определяли в лаборатории базовой кафедры технологии молока и молочных продуктов СКФУ.
Промышленная апробация технологии очистки ЛСС проводилась в цехе баромембранных технологий АО «Молочный комбинат «Ставропольский».
2.2. Технологическое оборудование, использованное для проведения
исследований
Для НФ использовали пилотную баромембранную установку циркуляционного типа TestUnit M20, оснащенную полимерным спиральным мембранным элементом Alfa Laval NF-2517/30 с площадью мембранного полотна
1,1 м2 (Alfa Laval, Швеция). Установка включает емкость ретентата объемом 8 л в составе циркуляционного контура общим объемом 10,8 л. НФ проводили при трансмембранном давлении 30 бар, объем выработок - не менее 70 л исходного ЛСС. Температура фильтрации составляла от 8 до 25 °С. Перед концентрированием ПМ его подкисляли 50%-ным раствором азотной кислоты до pH 5,8-6,2, чтобы предотвратить осаждение кальциевых солей [120, 158]. Сконцентрированное сырье хранили при температуре от -16 до -20 °C перед использованием. Разморозку осуществляли на водяной бане при температуре около 40 °C в течение 30-60 мин.
Для ЭД использовали лабораторную установку циркуляционного типа P EDR-Z (MEGA a.s., Чехия) c эффективной площадью электродов 64 см2, включающую контуры дилуата, солевого концентрата и электродного раствора. Мембранный пакет установки состоял из чередующихся катионо- и анионообменных мембран МА-41П (10 шт.) и МК-40 (11 шт.) производства ООО «Инновационное предприятие «Щекиноазот», Тульская область.
Сведения о режиме ЭД представлены в таблице 2.2. Сведения о параметрах мембран доступны на сайте производителя [159].
Таблица 2.2 - Параметры ЭД
Электродный раствор Концентрат Дилуат
Рабочие растворы NaNO3, 20 г/л HNO3^n 8-10 ЛСС
мСм/см
Объем, мл 250 500 500
Скорость циркуляции, л/ч 90-95 100 90-95
Напряжение на модуле, В 25
Температура, °С 18-25
Площадь мембран, см2 1344
Диапазон плотностей тока, 2,2-18,9
мА/см2
Продолжительность ЭД, мин 24-88
ЭД протекал без регуляции температуры (18-25 °С) в режиме постоянного напряжения на электродах мембранного модуля. Выделение теплоты в результате работы насосов, омического сопротивления и электрохимических реакций
приводило к нагреву ЛСС до температуры не более 25 °С Пробы ЛСС для анализа отбирали в начальный момент времени, а затем - после 50-, 70- и 90%-ного снижения УЭП. В отобранных пробах определяли содержание золы, минеральных элементов, органических кислот. После снижения УЭП дилуата на 90 % от начального значения процесс завершали. После каждой выработки для восстановления транспортных характеристик мембран проводили CIP-мойку установки. Алгоритм мойки представлен в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Мойка ЭД установки
Этап
Длительность, мин
Раствор
1 Промывка водой
2 Щелочная мойка
3 Промывка водой
4 Кислотная мойка
5 Промывка водой
5 20 5 20 10
Водопроводная вода
Раствор едкого натра с УЭП 50-65 мсм/см Водопроводная вода
Раствор азотной кислоты с УЭП 50-65 мсм/см Водопроводная вода
#
2.3. Методы анализа
Содержание золы определяли по п. 8.22 ГОСТ Р 56833-2015 «Сыворотка молочная деминерализованная. Технические условия».
Элементный состав определяли методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии [160] (EDX) на сканирующем электронном микроскопе MIRA 3 LMH (TESCAN, Чехия), оборудованном системой определения элементного состава AZtecEnergy Standard/X-Max 20 (Oxford Instruments, Великобритания) при рабочем напряжении 20 кВ и рабочем расстоянии 15 мм. Образцы для анализа озоляли по ГОСТ Р 56833-2015, после чего перетирались в ступке и запрессовывались в таблетки на прессе ПЛГ-20 (ЛабТулс, Россия). На поверхность подготовленного образца напыляли углеродное покрытие
толщиной 20 нм и плотностью 2,25 г см-3 для обеспечения проводимости. Анализ проводился в пятикратной повторности в различных областях таблетки площадью 200^200 мкм, за результат принимали среднее пяти измерений. Содержание элемента в золе пересчитывали в содержание элемента в исходном образце по известной зольности.
Содержание лактозы, глюкозы и галактозы определяли на ионном хроматографе Dionex ICS-5000 (Thermo Scientific, США) с импульсным амперометрическим детектированием [161].
Образец центрифугировали (5 мин, 10000 мин-1). Отбирали надосадочную жидкость и добавляли растворы Карреза I и II для осаждения белка. Затем образец повторно центрифугировали (5 мин, 5000 мин-1) и фильтровали через шприцевой фильтр с диаметром пор 0,2 мкм. Полученный фильтрат разбавляли в 100 раз и анализировали. Разделение сахаров происходило в аналитической колонке CarboPac PA 20 (3х150) (Thermo Scientific, США) в сочетании с защитной колонкой Amino Trap Bio LC (3х50) (Thermo Scientific, США) с неподвижной фазой гидрофобной полимерной пленочной анионообменной смолы, стабильной в диапазоне pH 0-14. Растворы сахаров для построения калибровочного графика были приготовлены из чистых веществ 99,9 % (Sigma-Aldrich, США).
Определение содержания лактатов, цитратов, ацетатов и прочих органических кислот, хлоридов, фосфатов и нитратов, ионов калия, натрия, кальция, магния и аммония осуществляли методом капиллярного электрофореза [162, 163] с использованием системы Капель-105М (Люмэкс, Россия). Пробы разбавляли деионизированной водой в 100 раз и фильтровали через целлюлозно-ацетатный шприцевый фильтр с размером пор 0,2 мкм (НТЦ «Владипор», Россия). Перед анализом пробы дегазировали путем центрифугирования (5 мин, 5000 мин-1). Построение градуировочного графика проводилось с использованием государственных стандартных образцов или химических реактивов с массовой долей основного вещества не менее 98 %.
Для определения содержания катионов использовалось косвенное детектирование с бензимидазолом в качестве ведущего электролита. Разделение
аммония и калия на электрофореграмме достигалось за счет добавления в пробу раствора 18-краун-6. Разделение проводили в системе следующего состава: 40 мМ раствор бензимидазола, 40 мМ раствор винной кислоты, 10 мМ раствор 18-краун-6. Параметры проведения анализа: длина волны детектора 267 нм; температура 20 °C; ввод пробы 5 с при 30 мбар; напряжение 25 кВ; время анализа 7 мин; внутренний диаметр капилляра 75 мкм, эффективная длина капилляра 50 см.
Анализ содержания лактатов, цитратов, хлоридов и нитратов проводили в системе со следующим составом: 95 мМ фосфата, 0,1 мМ бромида цетилтриметиламмония (ЦТАБ), 5 % об. изопропанола. Параметры проведения анализа: длина волны детектора 190 нм; температура 20 °С; ввод пробы 15 с при 30 мбар; напряжение 17 кВ; время анализа 5-6 мин; внутренний диаметр капилляра 50 мкм, эффективная длина капилляра 40 см.
Анализ содержания фосфатов проводили в системе со следующим составом: 9,09 мМ раствор оксида хрома (VI); 27,27 мМ раствор диэтаноламина; 18,18 мМ раствор цетилтриметиламмония гидроксида. Параметры проведения анализа: напряжение -25 кВ; ввод пробы 5 с при 30 мбар; время анализа 4-5 мин, длина волны детектора 374 нм; температура 20 °С; внутренний диаметр капилляра 75 мкм; эффективная длина капилляра 50 см.
Хроматография пептидов проводилась методом эксклюзионной хроматографии на приборе NGC Quest 10+, оснащенном колонкой ENrich SEC 70 (Bio-Rad, США). Пробы перед анализом центрифугировали (60 мин, 6000 об мин-1, 5 °С). Супернатант фильтровали через шприцевый фильтр с размером пор 0,45 мкм. Для контроля разделения использовали УФ-детектор и кондуктометрический детектор. Определение белка происходило на длине волны 214 нм. В качестве подвижной фазы использовался натрий-фосфатный буфер (рН = 7,4). Перед использованием буфер фильтровали с помощью 0,45 мкм фильтра и дегазировали. Для определения молекулярной массы пептидов в пробах использовали стандарт GelFiltrationStandard (BioRad, США), включающий тиреоглобулин, бычий у-глобулин, куриный овальбумин, лошадиный миоглобин и цианокобаламин.
Содержание общего и небелкового азота определяли в соответствии с ГОСТ 34454-2018 «Продукция молочная. Определение массовой доли белка методом Кьельдаля».
pH измеряли при помощи мультиизмерительного прибора Multi 3510 IDS, оснащенного комбинированным электродом SenTix 940 и кондуктометрической ячейкой TetraCon 925 со встроенными датчиками температуры (WTW, Германия).
Титруемую кислотность определяли по методике, описанной в п. 7 ГОСТ Р 54669-2011 «Молоко и продукты переработки молока. Методы определения кислотности».
Массовую долю сухих веществ в образцах определяли при помощи цифрового рефрактометра PAL-S (Atago, Япония) для сред с высокой мутностью.
Содержание микроорганизмов в ЛСС определяли в соответствии с ГОСТ 32901-2014 «Молоко и молочная продукция. Методы микробиологического анализа» и МУК 4.2.2884-11 «Методы микробиологического контроля объектов окружающей среды и пищевых продуктов с использованием петрифильмов».
Статистическую обработку данных выполняли в программном пакете Statistica 12 (StatSoft, США). Для проверки нормальности распределения использовали критерий Шапиро-Уилка. Статистическую значимость различий между несколькими группами определяли посредством дисперсионного анализа с апостериорным тестом Тьюки (Tukey HSD test) с уровнем значимости p < 0,05, если не указано иное. Для определения статистической значимости различий между двумя группами использовали двухвыборочный t-критерий Стьюдента для независимых выборок. Аппроксимацию экспериментальных данных выполняли средствами приложения Curve Fitting App 3.5.12 в программном пакете MATLAB R2020b (The MathWorks, Inc., США). Интегрирование функций регрессии выполняли в вычислительном онлайн-сервисе Wolfram|Alpha (Wolfram Alpha LLC, США). В качестве меры центральной тенденции для групп значений использовали среднее арифметическое, в качестве меры вариации случайной величины -стандартное отклонение, если не указано иное.
Глава 3. Исследование состава и свойств лактозосодержащего сырья
С учетом разработанного способа стандартизации ЛСС важное значение приобретают сведения о составе и свойствах доступного ЛСС. Во-первых, эти сведения необходимы для подбора эффективных методов очистки. Во-вторых, знание особенностей состава сырья позволяет прогнозировать качество конечного продукта очистки.
После того, как из молочного сырья выделяют жировую и белковую фракции на предшествующих стадиях производства (масла, сливок, творога и сыра, молочного или сывороточного белка и т. д.), лактоза получает статус целевого компонента, а основными примесными фракциями становятся минералы, органические кислоты и низкомолекулярные азотсодержащие соединения. Дальнейшая очистка ЛСС в первую очередь заключается в удалении перечисленных групп примесей.
Поэтому задачами исследования были сравнительный анализ содержания примесей в различных видах сырья и оценка их влияния на процессы очистки.
В качестве объектов исследования выступали УФ пермеаты молока (ПМ), сыворотки, полученной при производстве сычужных сыров (ППС) и сыворотки, полученной при производстве творога (ПТС). Оборудование и режимы, использованные при получении сырья, описаны в главе 2. Основные физико-химические характеристики ЛСС, исследованного в данной работе, приводятся в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Основные физико-химические свойства исследованного ЛСС
ПМ N = 54) ППС N = 43) ПТС N = 29)
СВ, % 4,94 ± 0,37 4,94 ± 0,39 4,80 ± 0,56
Лактоза, г/100 мл 4,74 ± 0,26 4,38 ± 0,43 3,12 ± 0,70
Зола, г/100 г 0,44 ± 0,02 0,40 ± 0,05 0,60 ± 0,06
pH 6,72 ± 0,21 6,04 ± 0,29 4,67 ± 0,20
Титруемая кислотность, ^ 10,6 ± 2,9 13,7 ± 3,2 34,6 ± 11,6
УЭП, мСм/см 5,23 ± 0,34 5,23 ± 0,35 6,88 ± 0,63
Приведенные показатели исследуемого ЛСС хорошо согласуются с литературными данными (таблица 1.5). Несмотря на широкий диапазон концентраций лактозы, она являлась основным компонентом сухого вещества во всех видах сырья.
3.1. Исследование минерального состава различных видов
лактозосодержащего сырья
Минералы - одна из основных групп примесей в ЛСС. Присутствие минералов не только негативно влияет на его чистоту, но также усложняет технологическую обработку. Поэтому особенности минерального сырья необходимо учитывать при создании схемы очистки ЛСС.
Для определения минерального профиля пермеаты молочного сырья подвергали озолению с последующим EDX анализом зольного остатка. Полученный минеральный состав исследованных образцов приводится в таблице 3.2.
Таблица 3.2 - Содержание минералов в пермеатах молока и сыворотки
N = 6)
ПМ ППС ПТС
Зола, г/100 г 0,44 ± 0,0211 0,40 ± 0^ 0,60 ± 0,06ь
Калий, мг/кг 1129 ± 9^ 891± 81ь 1083±36a
Натрий, мг/кг 378 ± 60a 276±31ь 381 ± 46ab
Магний, мг/кг 55 ± 8a 50 ± 10a 97 ± 13ь
Кальций, мг/кг 246 ± 23a 257 ± 5^ 739 ± 28ь
Фосфат, мг/кг 938 ± 80!1 677±109a 1498 ± 44ь
Хлор, мг/кг 900 ± 12611 799 ± 80ab 712± 17ь
^ ь Значения в строках, отмеченные разными буквами, отличаются статистически значимо
(Р < 0,05)
Содержание минералов в ЛСС определяется таковым в его основных источниках - молоке или сыворотке. Молоко характеризуется достаточно
стабильной зольностью и концентрацией отдельных элементов, в то время как минеральный профиль сыворотки (таблица 2.1) в значительной мере зависит от ее происхождения. Так, творожная сыворотка, полученная в результате кислотной коагуляции казеина, содержит высвобожденный из казеиновых мицелл фосфат, кальций и магний [5]. Содержание этих минеральных компонентов в творожной сыворотке приблизительно соответствует их содержанию в молоке [37, 49, 50, 115]. В свою очередь, отделение подсырной сыворотки происходит при сычужном свёртывании молока (и внесении хлористого кальция). Как правило, сыродельный процесс связан с незначительным нарастанием кислотности в молоке, поэтому казеиновая фракция сохраняет большую часть коллоидного минерального комплекса. Следовательно, по содержанию кальция, фосфора и магния подсырная сыворотка близка к фазе истинного раствора молока (диализату молока или ПМ) [2, 95, 96].
Исследованные образцы ПМ и 1111С отличались только по содержанию калия (р = 0,005) и натрия (р = 0,041). Тем не менее, ПМ и ППС имели близкий по составу и количеству зольный остаток. ПТС, напротив, выделялся высоким содержанием кальция, магния, фосфата, обеспечивающих прирост зольности 35-50 %.
Переход минералов мицеллярной фазы молока в творожную сыворотку, а затем - в пермеат приводит к сильному изменению соотношения одно- и многовалентных ионов в ЛСС (рисунок 3.1).
5 000 4 000 3 000 2 000 -1 000 -О
150
I
ои - у
:
1
ПМ ППС ПТС ПМ ППС ПТС
Рисунок 3.1 - Молярная и массовая концентрация одновалентных и многовалентных ионов в ЛСС
Молярные концентрации приводятся наряду с традиционно используемыми массовыми, чтобы проиллюстрировать соотношение между количествами частиц различных компонентов, принимающих участие в мембранных процессах.
Кальций, фосфат и магний составляют более половины массы минеральной фракции в ПТС, что характерно в целом для ПТС (таблица 1.5). В то же время, эти компоненты в ПМ и ППС составляют лишь третью часть от общей массы минералов.
С точки зрения технологии производства лактозы, кальций, склонный к образованию малорастворимых солей, заслуживает отдельного внимания. Находясь в растворе, ионы кальция могут быть как сольватированы, так и ассоциированы в ионные пары. В пересыщенном растворе ионные пары выступают в качестве центров зародышеобразования для частиц кальциевых солей [164] и при определенных условиях могут формировать осадок. Отложения кальция локализованы на греющих поверхностях оборудования или мембранных элементах, что приводит к ряду негативных технологических последствий. На равновесие между свободными ионами и ионными парами оказывает влияние множество факторов (раздел 1). Определяющими применительно к исследуемым объектам выступают рН и температура обработки. Так, в ПТС, рН которого составляет 4,67 ± 0,20, кальций оставался преимущественно растворенным в диапазоне температур 10-40 °С даже при концентрациях втрое больших, чем в ПМ или ППС.
Для получения сведений об ионном равновесии соединений кальция в ЛСС с низкой кислотностью была проведена ионоселективная потенциометрия ПМ и ППС. Содержание ионного кальция в образцах ПМ и ППС в диапазоне температур 10-40 охватывающем температурные режимы мембранной обработки ЛСС, было схожим (рисунок 3.2).
Содержание ионного кальция составляло в среднем 75-105 мг/л и было максимальным при температуре 20-30 что соответствует 30-40 % от общей концентрации кальция в пермеатах. Низкая концентрация ионного кальция при температуре 40 по-видимому, вызвана снижением растворимости его солей, в
результате чего равновесие в растворе смещалось от свободных ионов к ионным парам, а затем - ионным кластерам и зародышам кристаллов.
пм ппс
Рисунок 3.2 - Содержание ионного кальция в ПМ (рН 6,68 ± 0,03) и ППС (рН 6,51 ± 0,02) в диапазоне температур от 10 до 40 °С (разные буквы означают статистически значимое различие в содержании ионного кальция, мг/л)
Следует отметить, что раствор сохранял прозрачность во всем температурном диапазоне, т. е. образование видимого осадка кальциевых солей не наблюдалось. Низкая концентрация при температуре 10 °С, в свою очередь, обусловлена факторами, универсальными для водных растворов электролитов -обратной зависимостью степени диссоциации солей от температуры и увеличением вязкости раствора. Статистически значимые (р < 0,05) различия в содержании ионного кальция при разных температурах обнаружены только для ППС. Результаты позволяют заключить, что очистка пермеатов от кальция в ионной форме (например, при ЭД) наиболее эффективна в диапазоне температур 20-30 °С. Методом полиномиальной интерполяции была найдена температура, соответствующая максимальной концентрации ионного кальция в ЛСС - 22 и 27 °С для ПМ и ППС, соответственно. Эти температуры можно считать оптимальными с точки зрения стабильности кальция в матрице химического состава ЛСС. Технология производства лактозы требует концентрирования ЛСС с целью
получения пересыщенного раствора для дальнейшей кристаллизации, поэтому наибольший практический интерес представляет равновесие кальция в концентрированных ЛСС.
Полученные данные о минеральной фракции ЛСС позволяют рассматривать ПМ и ППС в силу сходства минерального состава как однородное сырье, имеющее низкую зольность, большую долю одновалентных ионов, хорошо поддающихся удалению мембранными методами. С другой стороны, из-за низкой кислотности в ПМ и ППС кальций имеет меньшую растворимость и может легко образовывать малорастворимые соединения, что нежелательно с технологической точки зрения. В свою очередь, ПТС характеризуется повышенным содержанием золы и проблемных примесей, таких, как кальций и фосфат, которые требуют введения специальных процедур очистки и способны негативно влиять не только на качество готового продукта, но и на эффективность процессов переработки ЛСС. При этом данные примеси стабильны в кислой среде ПТС и не угрожают загрязнением мембран в процессе мембранного концентрирования.
3.2. Исследование фракции органических кислот лактозосодержащего сырья
Органические кислоты, хотя их содержание не нормируется в лактозе непосредственно, имеют важное технологическое значение. Наличие кислот в ЛСС влияет на такие параметры готового продукта, как чистота (массовая доля а-моногидрата лактозы), кислотность, кристалличность. Оптически активные органические кислоты влияют на удельное вращение плоскости поляризации света, которое нормируется в фармакопейной лактозе [21]. Наконец, влияние кислот ЛСС на процесс производства лактозы также проявляется во многих технологических операциях. Поэтому в исследовании ЛСС отдельной важной задачей является анализ его кислотного состава.
В исследуемых образцах методом капиллярного электрофореза было определено содержание типичных для молочного сырья органических кислот -лимонной, уксусной и молочной ( таблица 3.3).
Таблица 3.3 - Содержание органических кислот и показатели кислотности в
ЛСС
ПМ N = 37) ППС N = 12) ПТС N = 10)
Лимонная кислота, мг/л 1033 ±244a 1332±347ь 660±210c
Молочная кислота, мг/л - 690 (0-1835У1 3837± 1692ь
Уксусная кислота, мг/л - 35 (0-277^ 302 (0-610)ь
Титруемая кислотность, °Т 10,6 ± 2^ 13,7 ± 3^ 34,6 ± 11,6ь
мкмоль/л* 0,23 (0,12-1,9^ 1,2 (0,44-4,8)a 24 (1 1-79)ь
a c Значения в строках, отмеченные разными буквами, отличаются статистически значимо (р < 0,05) * Ш^хШ6
В то время как лимонная кислота является нормальным компонентом молока и поэтому обнаруживается во многих продуктах его переработки, молочная и уксусная кислоты преимущественно образуются в молоке уже в результате его ферментации. Параллельный анализ содержания других кислот - возможных продуктов жизнедеятельности микрофлоры (масляной, муравьиной, яблочной, щавелевой, фумаровой, пропионовой), а также кислот - пищевых добавок (бензойная, сорбиновая) показал их отсутствие.
Накопление кислот в сывороточных пермеатах закономерно отражается на физико-химических характеристиках и технологических свойствах сырья; прежде всего - на pH и титруемой кислотности. Последняя тесно связана с буферной емкостью ЛСС, поскольку отражает количество эквивалентов щелочи, необходимое для смещения рН в область нейтральных значений. Буферная емкость, которая в ПМ обусловлена в основном присутствием фосфата и цитрата, в сывороточных пермеатах также создается слабодиссоциирующей молочной кислотой = 3,86). Хотя различие титруемой кислотности в ППС и ПМ оказалось незначительным (р = 0,532), в ПТС она в среднем на 34 ^ (более чем вчетверо) выше по сравнению с ПМ.
Рассмотрим содержание отдельных органических кислот в разных видах
ЛСС.
Лимонная кислота - нормальный компонент молока и многих молочных продуктов. Ее содержание составило 1,0 ± 0,2 в ПМ, 1,3 ± 0,3 в ППС и 0,6 ± 0,2 г/л в ПТС.
Биологическая роль лимонной кислоты в молоке является предметом дискуссий [165] и, по-видимому, состоит в поддержании стабильности кальция в растворе. Технологическое значение цитрата не менее важно: наряду с лактозой он может метаболизироваться молочнокислыми микроорганизмами (рисунок 3.3).
Биохимический процесс сопровождается образованием ароматообразующих веществ [166]: диацетила (2,3-бутандион) и ацетоина (3-гидрокси-2-бутанон), бутандиола-2,3. Цитрат под действием микробной цитрат-лиазы разлагается на ацетат и оксалоацетат. Последний в присутствии оксалоацетат-декарбоксилазы превращается в пируват, основной продукт гликолитического расщепления сахаров. Все дальнейшие превращения пирувата сводятся к двум сценариям. Во -первых, это восстановление пирувата до лактата под действием NADH-зависимой лактат-дегидрогеназы (основной путь гомоферментативного брожения). Во-вторых, это цепочка реакций, конечными продуктами которых являются ацетат, этанол, диацетил и ацетоин, бутандиол-2,3 и некоторые другие продукты [167].
Содержание цитрата в молоке варьирует в пределах 1500-2700 мг/л [168], что существенно выше, чем концентрация в ПМ (в среднем около 1000 г/л). В отличие от кальция и фосфата, цитрат молока преимущественно содержится в растворенной фазе (89 % [115]); поэтому относительно низкое содержание цитрата в ПМ объясняется скорее частичным его задержанием в ретентате при УФ, чем разностью между концентрациями общего и растворенного цитрата в молоке.
Небольшие различия по содержанию цитрата в ПМ и ППС (таблица 3.3) также вытекают из особенностей технологии и, в частности, процесса УФ этих видов сырья. Во-первых, задержание низкомолекулярных компонентов зависит от ФК, которые существенно отличались при УФ молока и сыворотки. Во-вторых, сыворотка была получена в сыродельном производстве, использующем УФ для
нормализации молока по белку (ФК 1,4), соответственно, УФ ретентат молока содержал больше цитрата, чем молоко перед УФ.
Ацетат
Рисунок 3.3 - Упрощенная схема метаболизма цитрата молочнокислыми
микроорганизмами.
ЦЛ - цитрат-лиаза, ОАД - оксалоацетат-декарбоксилаза, ЛДГ - лактатдегидрогеназа. NAD+, NADH - окисленная и восстановленная формы никотинамидадениндинуклеотида. Штриховые стрелки означают многостадийные химические превращения (по [167])
Если в ПМ и ППС концентрации цитрата в целом были сходны и изменялись в относительно узких пределах, то в ПТС она существенно меньше, вплоть до полного отсутствия. В ПТС разных выработок содержание цитрата сильно колебалось. Так, в предварительном исследовании в 24 % проб не обнаружено цитрата, в еще 25 % пробах его содержание было менее 500 мг/л, и только в 17 % проб содержание цитрата превышало 1000 мг/л. В работе [169] ферментация пахты также приводила к высокой дисперсии концентраций остаточного цитрата -601 ± 590 мг/г. Вероятно, основной причиной нестабильной концентрации этого компонента явилась частая ротация заквасок для производства творога. Поэтому в производственных условиях степень конверсии лимонной кислоты заквасочными микроорганизмами (рисунок 3.3) может существенно отличаться от выработки к выработке, даже при условии постоянства других технологических параметров.
Лактат обнаружен в 22 % проб ПМ, 83 % проб ППС и во всех без исключения исследованных пробах ПТС. Его содержание в сывороточных пермеатах сильно колеблется, что свидетельствует о высокой вариабельности процесса ферментации в сыворотках от выработки к выработке. Коэффициент вариации (отношение стандартного отклонения к среднему значению) для концентрации лактата в ППС составил 88 %, в ПТС - 47 %.
В ПМ и ППС лактат составляет не более 0,2 % - в этой концентрации он не вызывает снижения pH ниже 5,8-6,0. В свою очередь, в ПТС это наиболее представленный примесный компонент, более чем вдвое превосходящий по содержанию прочие примеси в сырье. Лактат - основной фактор, обусловливающий высокую кислотность в ПТС; как и в случае других органических кислот, его содержание не нормируется в кристаллической лактозе, однако отрицательно влияет на ее чистоту и гигроскопичность [150]. Молочная кислота также является мелассообразователем, снижающим степень кристаллизации и, соответственно, выход кристаллов лактозы. С другой стороны, нарастание кислотности ЛСС в процессе ферментации лактозы способствует сохранению солей кальция в растворенном виде и более производительным процессам мембранной фильтрации и вакуум-выпаривания.
Способность лактата к ингибированию кристаллизации лактозы подчеркивает важность удаления этого компонента при очистке ЛСС. Однако многие методы очистки, применяемые в промышленности к ЛСС, демонстрируют небольшую селективность по лактату. Так, НФ обеспечивает коэффициент проницаемости для лактата около 30 % [151] в зависимости от рН, изоэлектрической точки мембраны и состава раствора. При ЭД ПТС степень удаления лактата ниже, чем уровень деминерализации и снижения УЭП (рисунок 3.4). Очевидно, чтобы понизить содержание молочной кислоты в ПТС до уровня 1111С посредством ЭД, требуется глубокое обессоливание.
Следует отметить, что корреляция между содержанием молочной кислоты и УЭП (рисунок 3.4б) делает возможным косвенное определение первого в режиме реального времени по показаниям кондуктометрического датчика (по аналогии с кондуктометрическим определением УД).
Рисунок 3.4 - Коэффициент задержания лактата коммерческими НФ мембранами (а) и селективность удаления лактата при ЭД ПТС (б) (по [44, 151])
В части проб ПТС, а также в единичных пробах ППС обнаруживается уксусная кислота, которая, вероятнее всего, является продуктом
гетероферментативного сбраживания лактозы и метаболизма цитрата молочнокислыми микроорганизмами (рисунок 3.3). Концентрация уксусной кислоты в ЛСС, существенно меньше, чем молочной и лимонной кислот, а благодаря ее хорошей растворимости и малой молекулярной массе она с легкостью удаляется из сырья посредством методов мембранного разделения [170, 171]. Поэтому можно заключить о ее низком технологическом значении.
Таким образом, органические кислоты ЛСС, хотя и не нормируются в кристаллической лактозе непосредственно, влияют на показатели качества продукта, такие, как титруемая кислотность и оптическая активность раствора молочного сахара. Более того, кислоты оказывают существенное и разноплановое влияние на процесс производства лактозы, которое в целом можно охарактеризовать как негативное. Выбор методов очистки ЛСС для получения лактозы высокой чистоты должен предусматривать удаление значительного количества органических кислот.
3.3. Исследование фракции низкомолекулярных азотистых соединений
лактозосодержащего сырья
Цель исследования состояла в том, чтобы охарактеризовать молекулярную массу встречающихся в ЛСС азотсодержащих соединений, установить связь между общим и небелковым азотом по Кьельдалю в ЛСС и сравнить содержание небелковых азотистых соединений в исследуемых видах сырья.
УФ пермеаты, хотя и представляют собой безбелковое сырье, содержат существенную часть небелкового азота (non-protein nitrogen, NPN), имеющегося в молоке или сыворотке [96, 104, 108, 111, 172]. В молочном сахаре, полученном из УФ пермеата, показатель «массовая доля белка», фактически, регламентирует содержание небелковых азотистых соединений.
Выбор между определением общего азота (total nitrogen, TN) и NPN при анализе сырья является отдельной методологической задачей. Фракция небелковых азотистых соединений молочного сырья включает аммоний и ряд органических азотсодержащих низкомолекулярных веществ, неродственных по химической природе: мочевину, креатин, креатинин, мочевую, оротовую и гиппуровую кислоты, протеиногенные аминокислоты, пептиды и др. Эти соединения объединяет хорошая растворимость в разбавленной трихлоруксусной кислоте (ТХУ), которая используется для осаждения белков в аналитических процедурах (главным образом, в анализе по Кьельдалю) [173]. Таким образом, разделение азотистых соединений на белковые и небелковые носит условный характер. Пептиды занимают промежуточное положение между белками и небелковыми азотистыми соединениями. Их растворимость в ТХУ может определяться такими параметрами, как количество аминокислотных остатков (размер) и гидрофобность. Это хорошо иллюстрирует исследование [174], в котором была определена растворимость казеиновых пептидов в ТХУ. В частности, было выявлено, что растворимость пептидов зависит от их молекулярной массы (рисунок 3.5).
Молекулярная масса,
Рисунок 3.5 - Растворимость пептидов казеинового гидролизата в 12%-ном
растворе ТХУ относительно исходной концентрации (по [174])
Малые пептиды (0-3 кДа), как правило, не осаждаются раствором ТХУ и вносят вклад в содержание небелкового азота, в то время как большие пептиды (2 кДа и более) выпадают в осадок и в большинстве случаев идентифицируются по Кьельдалю как белки.
Чтобы установить диапазон размеров пептидов, присутствующих в ЛСС, было выполнено исследование пептидной фракции ПМ (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 - Хроматограмма пептидной фракции ПМ
Установлено, что ПМ, полученный фильтрацией через полимерные мембраны с MWCO 10 кДа, содержал пептиды с молекулярной массой от 300 до 1720 Да, что согласуется с литературными данными. Так, в [175] сопоставлены отделение азота при диализе сыворотки и химическое осаждение белка в ней. При диализе использовали мембраны с MWCO до 14 кДа, а при осаждении - 12%-ный раствор ТХУ независимо или с 0,2%-ным раствором фосфорновольфрамовой кислоты (ФВК). Как в подсырной, так и в творожной сыворотке в диализат или супернатант переходило 20-35 % азота (рисунок 3.7).
На основании экспериментальных данных, а также работ [174, 175] можно заключить, что общий азот и в УФ пермеатах молока и сыворотки - это тождественные или, по крайней мере, очень близкие понятия. Поэтому в настоящей работе содержание TN в пермеатах принимается равным содержанию
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Объем элюента
19 5.6 2.0 0.8 0.4 0.2 0.1 Мол. масса, кДа
100 1-----1-----
90 -
80 - ■ IUI
Творожная Подсырная сыворотка сыворотка
Рисунок 3.7 - Молекулярная масса азотистых соединений подсырной и творожной сыворотки и их растворимость в ТХУ (по [175])
Анализ пермеатов по Кьельдалю обнаружил концентрацию общего азота 180-260 мг/кг (таблица 3.4), что в пересчете на концентрацию азотистых соединений с фактором 3,6, принятым для этой фракции [176], составляет около 650-940 мг/кг.
Таблица 3.4 - Содержание общего азота в УФ пермеатах молочного сырья
ПМ (N = 23) ППС (N = 15) ПТС (N = 15)
TN, мг/кг 185 ± 33 248 ± 9 255 ± 44
Небелковые азотистые соединения, мг/кг* 668 ± 120 892 ± 34 925 ± 173
* (TN х 3,6)
Выявлено, что ПМ существенно уступает сывороточным пермеатам по содержанию азота (таблица 3.4, р < 0,001). Повышение концентрации низкомолекулярных азотсодержащих соединений в сывороточных пермеатах, по-видимому, является результатом ферментативного и бактериального протеолиза в процессе производства сычужных сыров и творога. [177].
р-римый 12 % ТХУ + 0;2 % ФВК
р-римый в 12% ТХУ, но не нер-римыйв 12% ТХУ + 0;2% ФВК
■ нер-римый в 12 % ТХУ (белковый азот) молекулярная масса < 3.5 кДа
3;5 кДа < молекулярная масса < 6-8 кДа
■ 6-8 кДа < молекулярная масса < 12-14 кДа
■ молекулярная масса > 12-14 кДа
В целом, концентрация азота демонстрирует небольшую вариабельность в исследованных видах ЛСС. Уровни содержания азота в исследованных пермеатах могут быть упрощенно проиллюстрированы рисунком 3.8.
Рисунок 3.8 - Небелковый азот в лактозосодержащем сырье
Имеется некоторое базовое содержание небелкового азота в молоке и, впоследствии, в ПМ. Изготовление сыра или творога сопровождается процессами, увеличивающими содержание небелкового азота (протеолиз) или снижающими его (например, ассимиляция азотистых соединений микроорганизмами). Малая концентрация небелкового азота по сравнению с другими примесями, хорошая растворимость в воде, а, следовательно, высокая степень удаления при промывке кристаллов лактозы, делают очистку ЛСС от азотистых соединений более простой задачей по сравнению, например, с очисткой от минеральной фракции для лактозы пищевой категории качества. При выработке фармакопейной лактозы степень удаления обеих фракций должна составлять около 98-99 % (таблица 3.5), поэтому традиционные технологии фармакопейной лактозы предусматривают этап перекристаллизации.
Таблица 3.5 - Требования к удалению азотистых соединений и золы из сырья при производстве лактозы, %
Массовая доля компонента в СВ, % Зола* Белок**
ПМ 8,9 2,4
ЛСС ППС 8,1 3,2
ПТС 12,5 3,4
Пищевая Требования ГОСТ 33567-2015, не более 1,5 1,0
лактоза Необходимая степень щщ удаления из ЛСС, % ПТС 83 81 88 58 69 71
Фарм. Требования ГОСТ 33567-2015, не более 0,10 0,05
лактоза Необходимая степень ПМ удаления из ЛСС, % 98,9 98,8 99,2 97,9 98.4 98.5
* Зола х СВ-1 х 100 % ** Ш х 6.38 х СВ-1 х 100 %
3.4. Исследование углеводной фракции лактозосодержащего сырья
Важность углеводного состава ЛСС обусловлена тем, что его целевой компонент, лактоза, является углеводом. Кроме того, продукты ее гидролиза, также обнаруживаемые в ЛСС, являются примесями и могут выступать в качестве ингибиторов кристаллизации лактозы [178].
Углеводы, представленные главным образом сахарами, являются основной фракцией ЛСС. Известно о наличии в ППС ряда олигосахаридов: сообщается о существовании 15 олигосахаридов в УФ пермеате [179], в то время как гликом коровьего молока насчитывает почти 40 их разновидностей [180]. Однако в силу низкого содержания олигосахариды на сегодняшний день имеют куда меньшее промышленное значение, чем основной углевод молока - лактоза. Поэтому под углеводным профилем ЛСС в работе подразумевается содержание ди- и моносахаридов. Углеводный состав ЛСС проанализировали методом ионной
хроматографии. В исследованных образцах обнаружена лактоза и образующие ее моносахариды - глюкоза и галактоза (рисунок 3.9).
Рисунок 3.9 - Содержание углеводов в ПМ, ППС и ПТС
Лактоза на порядки превышает содержание прочих углеводов в ЛСС. Значимость минорных углеводов обусловлена тем, что они могут ингибировать кристаллизацию лактозы [181]. Если в ПМ и ППС моносахаридов около 0,05 г/100 мл, то в ПТС - более 0,2 г/100 мл. В ПТС на галактозу с глюкозой приходится в среднем 7,9 ± 4,0 % от общей массы сахаров; а их молярная доля еще выше - 13,7 ± 6,3 %. В этом виде ЛСС галактоза может действовать как мелассообразователь. Кроме того, методы, применяемые для очистки ЛСС, неэффективны для удаления моносахаридов, сходных по физико-химическим свойствам с целевым компонентом - лактозой. Поэтому сахара-примеси преимущественно концентрируются вместе с лактозой в процессе ее промышленного производства и снижают качество конечного продукта.
Для всех исследованных видов ЛСС характерно отклонение от эквимолярности продуктов расщепления лактозы. Отношение количеств глюкозы и галактозы составило в среднем 1:2,8 в ПМ, 1:3,9 в ППС и 1:10,5 в ПТС
соответственно. Превалирование галактозы также характерно и для сывороток и объясняется особенностями метаболизма этого сахара молочнокислыми бактериями [182]. В то время как глюкоза фосфорилируется и вступает в гликолиз, галактоза должна предварительно пройти цепочку реакций метаболического пути Лелуара или через фосфорилирование вступить в тагатозо-6-фосфатный путь, завершающийся расщеплением на триозы тагатозо-1,6-бисфосфатальдолазой. В связи с этим глюкоза заметно более быстро и полно метаболизируется микроорганизмами даже в незаквашенном молоке, что отражается на углеводном профиле ПМ.
Распределение концентраций лактозы в образцах сыворотки и сывороточных пермеатов представлено на рисунке 3.10. Согласно полученным данным, средняя концентрация лактозы в сывороточных пермеатах несколько ниже, чем в соответствующих сыворотках, однако не обнаруживает статистически значимого снижения (р > 0,05). Известно, что лактоза частично задерживается мембранами при УФ [183-185], что, по-видимому, обусловило наблюдаемое различие между содержанием лактозы в сыворотке и пермеате.
5,5 п
2,5 J
■ ПС И ппс ■ тс □ птс
Рисунок 3.10 - Концентрация лактозы в сыворотке и сывороточных УФ пермеатах
Сравнивая содержание лактозы в пермеатах, можно отметить, что в ПМ и ППС оно не различалось существенно (р = 0,479), а в ПТС оказалось значительно ниже (р < 0,01), чем в ПМ и ППС. Средние концентрации целевого компонента в ПМ, ППМ и ПТС составили 4,73, 4,39 и 3,12 г/100 мл соответственно. Низкое содержание лактозы в ПТС, безусловно, снижает его ценность как ЛСС.
3.5. Обобщённый анализ влияния компонентного состава на чистоту
лактозосодержащего сырья
Результаты исследования ЛСС свидетельствуют о неравноценности различных его видов в качестве сырья для производства лактозы. Так, содержание зольных элементов, представленных главным образом К, Mg, Ca, О и P, в сумме незначительно отличалось в ПМ и ППС (р > 0,05), однако в ПТС было на 3050 %, выше, чем в прочих видах ЛСС. Еще более заметным было отличие ПТС от ПМ и ППС по содержанию кислот - в среднем 1,0, 2,1 и 4,8 г/л в ПМ, ППС и ПТС соответственно. Небелковые азотистые соединения сделали наименьший вклад в концентрацию примесей из всех исследованных групп. Их содержание было выше в сывороточных пермеатах, чем в молочном (р < 0,001). Наконец, целевой компонент, лактоза, содержалась в ферментированном ЛСС в несколько меньшем количестве, чем в ПМ (4,8 %): в среднем 4,4 % в ППС и 3,1 % в ПТС.
На основании полученных данных можно ввести несколько показателей, определяющих качество ЛСС, как сырья для производства лактозы.
Во-первых, это чистота рассматриваемых видов ЛСС, т. е. отношение между содержанием лактозы и суммы всех компонентов. Чистота - интегральный показатель, выражающий в первом приближении пригодность ЛСС для производства лактозы и задающий теоретический предел выхода продукта из единицы массы сырья.
Также представляет интерес доля ионизируемых примесей, которая в той или иной мере может удаляться из ЛСС методом ЭД. Этот параметр был рассчитан как отношение суммы концентраций минералов и органических кислот к общей сумме концентраций примесей. Небольшая часть азотсодержащих соединений (аммоний, аминокислоты и др.), которые находятся в ЛСС в виде ионов, при этом не учитывали.
Аналогичным способом была рассчитана доля примесей, которые не участвуют в образовании малорастворимых соединений при нагревании в вакуум-выпарном аппарате и кристаллизаторе. Это компоненты, которые остаются в фазе раствора и поэтому легко отделяются от кристаллов во время промывки. К ним отнесены минеральные компоненты, за исключением кальция, магния и анионов, склонных к образованию плохо растворимых кальциевых солей - фосфата и цитрата.
Чистота, доля ионизируемых примесей и доля хорошо растворимых примесей исследованных видов ЛСС представлены в таблице 3.6. Закономерно, что ПМ с высокой степенью чистоты является наиболее предпочтительным сырьем при выработке лактозы.
Таблица 3.6 - Показатели качества ЛСС
ПМ ППС ПТС
Чистота, % от массы СВ 89 87 71
Диссоциирующих примесей, % от массы примесей, не менее 81 76 72
Хорошо растворимых примесей, % от массы примесей 50 50 66
В условиях производства лактозы из сборного сырья (смеси пермеатов) чистота и другие параметры ЛСС могут быть найдены для любого его состава. При этом, качество сборного ЛСС будет изменяться вместе с соотношением объемов получаемых ПМ, ППС и ПТС.
Рассмотрим в качестве примера предприятие, производящее сыры с использованием УФ для нормализации молока по белку и творог, причем соотношение между количеством вырабатываемого сыра и творога может
изменяться. Производству белковых продуктов сопутствует выработка УФ пермеатов: ПТС при производстве творога, а также ППС и ПМ при производстве сыра.
Для того, чтобы определить соотношение между массами ППС и ПМ (МПМ и МППС), производимыми из некоторой массы молока Ммол, с учетом выхода сыра п, ФК при УФ молока ФКмол. и сыворотки ФКСыв, найдем частное (3.3) выражений (3.1) и (3.2):
ЫПМ = ЫмоЛ.
ФК -1
_мол._
ФК_ '
1 ФК -1 = -(1 - ]) - сыв
' ППС мол.
ФК
ФК
Ыпм (ФК - 1)ФК
ПМ _ V мол. с
Ы
ППС
(1 -])(ФКСЪ№-1)
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Принимаем, что:
- УФ некоторой массы молока Ммол. проводят с ФКмол. = 1,4,
- выход сыра составляет п = 0,1 кг/кг молока,
- УФ сыворотки проводят с ФКСыв. = 14.
Тогда по (3.3) на 1 т ППС приходится 0,48 т ПМ.
В этом случае зависимость показателей качества ЛСС от его состава (таблица 3.6), которая основывается на проделанном в работе анализе пермеатов, получает вид, представленный на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 - Расчетные показатели качества сборного ЛСС
ПТС является наименее предпочтительным видом ЛСС, имеет явные отличия от ПМ и ППС по показателю чистоты, обусловленные повышенным содержанием поливалентных ионов, молочной кислоты и галактозы. В то же время, за счет высокого содержания молочной кислоты в ПТС относительно велика доля хорошо растворимых примесей, а пропорция способных к диссоциации отличается в ПТС и ППС+ПМ лишь на 6 %. Таким образом, несмотря на отмеченные различия в составе ЛСС, потенциал их очистки мембранными методами остается высоким.
3.6. Исследование составаретентатов нанофильтрации лактозосодержащего сырья
Селективность методов очистки ЛСС по отношению к различным примесям приводит к тому, что в результате очистки не только сокращается концентрация примесей, но и изменяется примесный профиль в сырье. В частности, выше упоминалась выраженная селективность удаления примесей при НФ. Поэтому НФ ретентат - это полуфабрикат, существенно отличающийся по примесному составу от исходного ЛСС. Изменения, которые НФ вносит в состав ЛСС, могут в дальнейшем оказывать влияние на технологические свойства, восприимчивость к тем или иным методам очистки, и, в конечном итоге, определять качество готового продукта. Поэтому влияние НФ на состав ЛСС заслуживает особого внимания при создании технологии его очистки.
Изменение соотношения компонентов при НФ было изучено в ЛСС с низким и высоким содержанием молочной кислоты (ПМ и ПТС соответственно). Для этого ЛСС сконцентрировали до 20 % СВ с использованием общепринятых режимов НФ концентрирования молочного сырья. Задействованное оборудование, мембранные элементы и режимы обработки подробно описаны в главе 2 настоящей работы.
Состав и свойства полученных НФ ретентатов приведены в таблице 3.7.
Таблица 3.7 - Состав и свойства потоков при НФ ЛСС
пм n : = 3) птс n = 3)
Ретентат Фильтрат Ретентат Фильтрат
СВ, % 20,0 ± 0,1 0,4 ± 0,1 20,0 ± 0,1 0,4 ± 0,1
рН 5,89 ± 0,06 5,76 ± 0,11 4,48 ± 0,04 4,70 ± 0,08
УЭП, мСм/см 6,85 ± 0,06 4,62 ± 0,15 10,42 ± 0,10 6,77 ± 0,22
Кислотность, °Т 56 ± 2 6 ± 1 177 ± 2 40 ± 1
КРК, мг/кг 560 ± 4 22 ± 3 792 ± 6 38 ± 4
Зола, г/100 г 1,02 ± 0,04 0,20 ± 0,03 1,75 ± 0,01 0,18 ± 0,03
Калий, мг/кг 2193 ± 115 682 ± 33 1937± 85 549 ± 37
Натрий, мг/кг 547 ± 42 218 ± 18 423 ± 23 219 ± 26
Магний, мг/кг 234 ± 12 3 ± 0 435 ± 10 2 ± 0
Кальций, мг/кг 1246± 53 8 ± 1 4426± 100 18 ± 2
Хлор, мг/кг 399 ± 17 737 ± 28 1391 ± 54 437 ± 40
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.