ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Кемеровский технологический институт пищевой промышленности На правах рукописи ГУНЬКО Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, доцент И.А. Короткий Кемерово 2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 4 ГЛАВА 1Литературный обзор……………………………………………… 9 1.1Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения продуктами питания……………….......................................... 1.2Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки………...................................................................... 1.3Современные технологии промышленной 9 15 переработки молочной сыворотки…………………...................................................... 26 1.4Перспективы низкотемпературных технологий переработки молочной сыворотки….......……………………….................. 1.5Заключение по обзору литературы. Цель и 31 задачи исследований…………………………………………………… 37 экспериментов и методы ГЛАВА 2Постановка исследований…………………………………………………….. 39 2.1Организация проведения экспериментальных исследований…. 39 2.2Методы и объекты исследований………………………………. 42 2.3Описание экспериментальных установок……………………… 45 ГЛАВА 3Экспериментальная часть………………………………………. 57 3.1Исследование свойств творожной сыворотки как исходного сырья……………………………………………………………… 57 3.2Исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе…………………………………………….. 66 оптимальных режимов разделительного 3.3Определение вымораживания……………………………………………….. 82 3.4Процессы выделения белка из творожной сыворотки……….. 83 3.5Физико-химические, теплофизические, органолептические и микробиологические, показатели продуктов белка творожной сыворотки………..……………………………………………… 90 3.6Определение сроков и условий хранения сывороточного белка 94 ГЛАВА 4Практическая реализация результатов исследований………… 96 4.1Разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки…………….…………………………………………… 96 4.2Расчет экономических показателей производства концентрата лактозы сывороточного белка………………………………………………………………. 98 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………….. 101 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………… 103 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………... 113 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования. Рост населения Земли и повышение его уровня жизни требует постоянного увеличения производства продуктов питания. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено. Поэтому актуальной проблемой пищевой промышленности, в настоящее время, является рост глубины переработки сырья для умножения количества и повышения качества пищевой продукции. От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека. Применение натуральных компонентов, для изготовления происхождения продуктов питания, стремительно растительного вытесняется или компонентами животного химического происхождения в виду дешевизны последнего. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи метода генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека. Одной из важнейших задач государственной политики является обеспечение населения полноценными в биологическим плане продуктами питания [1]. Этого можно достичь путем полной (безотходной) переработки пищевых продуктов. Степень разработанности темы исследований. Объемные исследования по изысканию эффективных способов переработки вторичного молочного сырья молочной сыворотки проводят ведущие специалисты Северо-Кавказского государственного технического университета, Всероссийского НИИ маслодельной и сыродельной промышленности, Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов, Северо-Кавказского государственного технического университета. Огромный вклад изысканий по данной теме внесли такие выдающиеся ученые, как: А.Г. Храмцов, Г.Б. 5 Гаврилов, В.Д. Харитонов, Л.А. Остроумов, И.А. Евдокимов, К.К. Полянский, А.И. Гнездилова, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Куленко, С.А. Рябцева и др. О переработке молочной сыворотки было отмечено в работах: Е.В Ульрих, М.С. Коваленко, Н.Н. Липатова, А.А. Розанова, П.Ф. Крашенинина, А.И. Чеботарева, О.А. Суюнчева и др. Ими установлено, что реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности возможна только на основе комплексного использования всех компонентов молока для производства продуктов питания, либо раздельного извлечения их компонентов с последующей переработкой. Промышленная переработка молока на принципах безотходной технологии, полное извлечение всех компонентов, рациональное использование промежуточных и побочных продуктов, снижение нормативных потерь за счет использования отходов являются важнейшими резервами увеличения объемов пищевых продуктов. Отсутствие доступных и эффективных технологий переработки молочной сыворотки обуславливают тот факт, что на молочных предприятиях нашей страны данное вторичное сырье применятся по большей части лишь для продажи в очень малых количествах, притом в нативном состоянии, а остальная ее часть сливается в канализацию как отходы производства, что не только экономически невыгодно, но также наносит вред окружающей среде, так как при попадании сыворотки в канализацию происходит выделение высокотоксичных компонентов. Таким образом, технология извлечения белковых компонентов и концентрата лактозы из творожной сыворотки является актуальной задачей пищевой промышленности, на решение которой направлена данная диссертационная работа. Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии выделения белков и концентрата лактозы из молочной сыворотки низкотемпературными методами. В рамках данной работы поставлены следующие задачи: - исследование свойств исходной творожной сыворотки; 6 - определение физико-химического состава сыворотки; - определение фракционного состава творожной сыворотки; - исследование криоскопических температур молочной сыворотки; - определение теплофизической характеристики творожной сыворотки - исследование процессов разделительного вымораживания молочной сыворотки в емкостном криоконцентраторе; - разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания; - обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания сыворотки; - определение физико-химических, теплофизических и микробиологических показателей белково-сывороточного продукта; - определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта; - разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из сыворотки; - определение экономических показателей производства сывороточного белка. Научная новизна работы: - научно обосновано использование метода разделительного вымораживания для выделения сывороточного белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки ; - исследованы процессы разделительного вымораживания творожной сыворотки в криоконцентраторе емкостного типа, доказано, что с повышением скорости кристаллизации путем понижения температуры в хладоносителе, эффективность разделительного вымораживания снижается; - разработана математическая модель, описывающая процесс льдообразования и изменение содержание сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания сыворотки при температуре хладоносителя от -2 до -6°С, получены уравнения, позволяющие рассчитать теплофизические характеристики, количество образующегося льда, его толщину и концентрацию раствора в зависимости от продолжительности процесса. 7 Уравнения также дают возможность рассчитать продолжительность процесса разделительного вымораживания, необходимую для получения раствора заданной степени концентрации. - разработана технология выделения сывороточных белков и концентрата лактозы из молочной сыворотки; - исследованы свойства полученного сывороточного белка, на основе чего установлена эффективность разработанной технологии. Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны режимы разделительного вымораживания молочной сыворотки, позволяющие извлечь сконцентрированный белок и концентрат лактозы. Определены физико-химические, органолептические, теплофизические и микробиологические свойства данных продуктов. Установлены сроки и условия хранения сывороточных белков, определена экономическая эффективность изготовления концентрата сывороточных белков и концентрата лактозы. Работа выполнена в рамках гранта на проведение научно-исследовательских работ по теме «Разработка инновационной энергосберегающей технологии извлечения белковых компонентов и лактозы из отходов молочного производства», договор № 69 от 01.03.2013 г. Методология и методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физико-химических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований. Положения, выносимые на защиту: - технологические режимы разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе; - технология производства 48% концентрата сывороточного белка и водного концентрата лактозы. Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на научно-практических конференциях, в том числе: на III всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых 8 ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2010 г.), на VI всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011 г.), на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011» (г. Одесса, 2011 г.), международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (г. Тамбов, 2012 г.) и др. Помимо того получено два патента: первый - патент на полезную модель №134407 «Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов» зарегистрирован 20 ноября 2013года, второй – патент на изобретение № 2509514 "Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов", бюллетень № 8 от 20 марта 2014года. 9 Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения продуктами питания Проблема обеспечения продуктами питания была и остается одной из важнейших на всех этапах развития человеческого общества [2]. В настоящее время по данным ООН недоедает 12% людей в мире. В период 1990-1992 этот процент составлял 17% [4]. Анализ экспертов показывает, что хронически недоедает 17% населения Земли, в ближайшие десятилетия эта участь может постичь уже 25% жителей планеты. В последнее время во многих странах, в том числе и в России, существенно ухудшилась структура питания населения. Так, за последние годы уменьшилось потребление всех основных групп продуктов, наиболее ценных в биологическом направлении: мяса и молочных продуктов, рыбы и рыбопродуктов в среднем на 25–28 %, а растительного масла, фруктов и ягод – в еще большей степени. Результатом указанных изменений в питании россиян становится формирование недостаточности жизненно необходимых биологически активных пищевых веществ в организме: витаминов, микроэлементов, клетчатки и других биорегуляторов процессов жизнедеятельности [5]. Ухудшение структуры питания населения сложилось в связи с уменьшением ресурсной базы. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено [2, 6, 7]. Перспективным направлением развития пищевой промышленности, в настоящее время, является безотходное производство за счет более глубокой переработки вторичного сырья для увеличения количества и повышения качества пищевой продукции. 10 От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека [8, 9]. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания, растительного или животного происхождения стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последнего [8]. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека [9]. В России, в последние десятилетия, сократилось сельскохозяйственное производство, а технологии глубокой переработки пищевого сырья внедряются очень низкими темпами. Дефицит собственного производства компенсируется импортом, который стимулирует зарубежного производителя и импортные технологии, а развитие отечественного производства и внедрение инновационных технологий тормозится. В 2010 году на продовольственном рынке страны импорт составил: 25 процентов мяса и мясопродуктов, 24,6 процента рыбы и рыбопродуктов и 19,2 процента молока и молокопродуктов. В стоимостном выражении было ввезено сельскохозяйственной продукции и продовольствия на 36,4 млрд. долларов США [10]. Остается ниже рекомендуемых медицинских норм потребление населением таких важнейших продуктов, как мясо и мясопродукты, молоко и молокопродукты, овощи, фрукты и ягоды. Среднедушевое потребление в 2010 году представлено на рисунке 1.1. Потребление среднедушевое, показатель, отражающий уровень потребления населения и его динамику. Исчисляется путѐм деления общего количества потребленных материальных благ (продуктов) на численность населения. Спрос на продукцию отраслей, вырабатывающих социально значимые пищевые продукты (мукомольно-крупяная, хлебопекарная, рыбная, молочная, мясная, сахарная и масложировая отрасли), имеет устойчивый характер. Этот фактор во многом предопределяет развитие сырьевой базы для этих отраслей и 11 приток инвестиций в модернизацию технологической базы организаций пищевой Кг и перерабатывающей промышленности [10]. 350 300 250 200 150 100 50 Рисунок 1.1- яг од и кт ов ба хч ев ых и фр у ку ль ту р ду кц ии ро бо п ры и ей бы ры ов ощ м м ол ок а и яс а м и ол мя со п ок оп р ро ду од ук то в кт ов 0 Среднедушевое потребление в 2010 В последнее время пищевая промышленность совершает решительный поворот от производства искусственной, «химической» к производству натуральной, здоровой пищи. Сегодня потребителей во всем мире отличает все более осознанное отношение к пище. Они предъявляют к ней требования, как по 12 гармоничному сбалансированному вкусу, так и по содержанию полезных для здоровья веществ. Учитывая вышесказанное, появляется некоторый обзор проблемы необходимости полной переработки пищевых ресурсов, при изготовлении готовых пищевых продуктов [11, 12]. Когда говорят о производстве пищи в фундаментальном его понимании, прежде всего имеют в виду хлеб, мясо, молоко, отводя при этом молоку особую роль. Без молока и молочных продуктов невозможно адекватное сбалансированное рациональное питание. Составные части молока: белки, жиры и углеводы являются уникальными и неповторимыми, признано, что они, каждый в своей группе, занимают первое место по биологической ценности [2]. Белки являются одним из главных компонентов, массовая доля которых в молоке колеблется в пределах от 2,9 до 4,0%. Значимость белков как необходимого компонента в питании человека и в производстве различных молочных продуктов обусловлена следующим: во- первых, - высокой биологической ценностью за счет специфичности аминокислотного состава и сбалансированности незаменимых аминокислот; во- вторых, - энергетической ценностью, легкой и практически полной перевариваемостью в организме; рядом физико-химических и функциональных свойств, способствующих стабилизации коллоидной системы и жировой эмульсии молока; в - третьих, - значительной термостабильностью основного белка-казеина, позволяющей сохранить устойчивость всех систем молока при хранении, технологической обработке и выработке молочных продуктов [2, 13, 14, 15, 16, 17]. Изучение структуры и свойств белков молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока на различные молочные продукты. За последние годы, благодаря использованию современных электронной методов анализа микроскопии и (главным образом хроматографических), электрофоретических, накоплен обширный информационный материал о свойствах белков молока, о поведении их на различных стадиях технологических процессов. Однако до сих пор многие явления еще не полностью изучены [2, 18, 19]. 13 Белки – это высокомолекулярные соединения, состоящие из a-аминокислот, которые связаны между собой характерной для белков пептидной связью. Все белки в качестве обязательного элемента содержат азот, отличаются необычайно большими размерами молекул и поэтому в воде образуют коллоидные растворы [2, 14, 15]. Белки молока относятся к группе сферопротеинов (глобулярных белков), также как белки животного происхождения: белки плазмы крови; овальбумин яичного белка; миозин – мышечный белок; и растительного – проламины, глютелины [13, 15, 16, 17]. Современная наука о питании подтверждает особую питательную ценность молока и молочных продуктов. Принято считать, что молочные продукты должны давать треть калорийности среднесуточного рациона человека. Ежедневное употребление рекомендуемого количества молока и молочных продуктов (500 г молока; 15 г сыра; 20 г творога; 18 г сметаны) удовлетворяет в среднем суточную потребность взрослого человека в жире и кальции; 50% потребности белка; 33% — витамина А; 26% — потребности в энергии (калориях) [8, 11, 13]. Чтобы оценить в полной мере роль молока в питании человека, необходимо рассмотреть достоинства каждого основного компонента молока: белков, жира, лактозы, минеральных веществ [2, 20]. Молочная сыворотка является побочным продуктом производства молочной продукции. Принципиальная блок-схема алгоритма получения различных видов молочной сыворотки приведена на рисунке 1.1 [21]. В среднем в молочную сыворотку переходит около половины сухих веществ исходного молока, что дает основание использовать термин «полумолоко» [2, 22]. Таким образом, молочная сыворотка может быть источником ценных компонентов при наличии соответствующих технологий их выделения. В развитых странах молочную сыворотку используют в кондитерской, мясной, молочной промышленности, а также в других не пищевых отраслях, путем извлечения из молочной сыворотки белковых компонентов, лактозы, лактулозы и других ценных органических и неорганических веществ [2]. В России 14 большие объемы сыворотки, получаемой в процессе производства молочной продукции, для производителя является скорее проблемой, чем источником сырья и источником дохода [23, 24]. Внедрение технологий переработки молочной сыворотки идет достаточно сложно. Технологии эти, как правило, дороги, а своего потребителя в России практически нет, поэтому на молочных предприятиях перерабатывается только небольшая часть сыворотки, основная ее масса в реальном производстве сливается в канализацию. Помимо того, что это очень нерационально с экономической точки зрения, это является также экологически небезопасным процессом. При попадании в канализацию молочной сыворотки выделяются высокотоксичные компоненты, что увеличивает антропогенное воздействие на окружающую среду, поэтому за слив отходов молочного производства предприятиям молочной промышленности необходимо платить [23, 24, 25]. Составом и свойствами молочной сыворотки и молока интересовались ученые издревле. Молоко имело больший интерес, в то время как сыворотка являлась побочным продуктом при получении белково-жировых продуктов «самоквасом» или управляемой коагуляцией с непременным синерезисом образующегося сгустка – самопроизвольным или направленным. Более четырехсот лет назад, итальянский монах Фабрицио Бертолети получил «манну» кашицеобразную массу - производное от лактозы [2, 27]. Молочная сыворотка интересовала ученных, но не находила широкого применения и глубокой переработки. Только в последние столетие она получила глубокие признания и такие названия как: «спрятанное сокровище», «полумолоко», «жидкое золото», «ящик с инструментами». С тех пор молочную сыворотку перерабатывали уже не как сточные воды молочной промышленности, а как ценное сырье [2, 24, 28]. В настоящее время молочная сыворотка достаточно изучена, но остается еще довольно большой потенциал для более глубокого исследования еѐ производных. 15 МОЛОКО Сепарирование молока Сливки Технологический процесс производства сыра, творога Обезжиренное молоко Технологический процесс производства казеина, сыра и творога нежирного Сыры и творог нежирные, казеин Сыр, творог Технология Био - Тон Концентрат натурального казеина Сыворотка подсырная, творожная и казеиновая нежирная Ультрафильтрация Концентрат Бесказеиновая фаза Ультрафильтрат Сыворотка подсырная и творожная Рисунок 1.2 - Принципиальная блок-схема алгоритма получения различных видов молочной сыворотки. 1.2 Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки Состав, свойства и ценность молочной сыворотки. Во всѐм мире насчитывается более пятнадцати тысяч видов молочной сыворотки, учитывая ассортимент сыров, творога и казеина [2]. Пищевая ценность молочной сыворотки характеризуется полным для продуктов питания набором: высокой калорийностью, доброкачественностью хорошей усвояемостью, (безвредностью), оптимальным достаточной соотношением 16 питательных веществ, биологической и физиологической полноценностью. По органолептическим показателям подсырная сыворотка может быть отнесена к категории удовлетворительных (специфический привкус), и творожная сыворотка, особенно домашнего приготовления, — оптимальных, т. к. в нативном (парном) виде готова к употреблению. На практике дело имеют обычно с двумя категориями молочной сыворотки – сладкой и кислой. Сыворотка получаемая при производстве сыра называется сладкой, а при производстве творога и казеина – кислой. Состав молочной сыворотки колеблется в определенных пределах и зависит для подсырной - от вида вырабатываемого сыра, и его жирности; творожной - от способа производства творога и его жирности; казеиновой – от вида вырабатываемого казеина. Компонентный химический состав молочной сыворотки представлен на рисунке 1.3 Содержание идентифицированных соединений в молочной сыворотке – усредненные данные, в сравнении с молоком приведены в таблице 1.1. В молочной сыворотке, как и в молоке, идентифицировано более 250 соединений и содержится около 100000 молекулярных структур [2, 29]. Эти структуры находятся в растворенном (нано-уровень) и коллоидно-дисперсном (кластеры) состояниях, а также в виде суспензии (казеиновая пыль) и эмульсии (молочный жир). Все виды молочной сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) обладают практически идентичными биологическими свойствами. Однако, если обезжиренное молоко является источником белка, то молочная сыворотка главным образом источником лактозы (более 70% массовой доли сухих веществ). Гидролиз лактозы в кишечнике протекает медленно, что ограничивает процессы, брожения и нормализует жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры, а также замедляет процессы брожения, нормализует жизнедеятельность полезной микрофлоры и предупреждает аутоинтоксикацию. [2, 29, 30]. Рисунок 1.3 - Компонентный состав молочной сыворотки 17 18 Таблица 1.1 - Состав и свойства молочной сыворотки в сравнении с цельным молоком содержание в 100г продукта компоненты степень перехода сыворотка молоко компонентов из молока в сыворотку, % 1 2 3 4 Сухое вещество, г 6,34 12,7 52,83 Белки, г 0,89 3,2 27,81 казеин 0,29 2,6 11,15 сывороточные белки 0,36 0,6 60 ангеогенина, мг/г 0,5-1,2 2,3 21,74-52,17 лактоферрина, мг/г 0,08 0,1 80 Жиры, г 0,36 3,6 10 триглицериды 0,35 3,5 10 фосфолипиды 0,003 0,03 10 холестерин 0,001 0,01 10 Углеводы, г 4,55 4,8 94,8 Органические кислоты, 0,016 0,16 10 0,7 0,7 100 в том числе: из них в том числе: г, лимонная Минеральные вещества (зола), г Продолжение таблицы 1.1 1 2 3 4 Аминокислоты, мг 873 3144 27,77 Незаменимые 384 1385 27,73 валин 53 191 27,75 изолейцин 52 189 27,51 лейцин 79 283 27,92 лизин 72 261 27,59 метионин 23 83 27,71 триптофан 14 501 2,79 треонин 42 153 27,45 фенилаланин 49 175 28 Заменимые 448 1759 25,47 аланин 27 98 27,55 аргинин 34 122 27,87 аснарагиновая кислота 61 219 27,85 гистидин 25 90 27,78 глутаминовая кислота 141 509 27,7 глицин 13 47 27,66 пролин 77 278 27,7 серин 52 186 27,96 тирозин 51 184 27,72 цистин 7,5 27 27,78 аминокислоты, мг, в том числе аминокислоты, мг, в том числе 20 Продолжение таблицы 1.1 1 2 3 4 кальций 84 120 70 калий 102 146 69,86 магний 10 14 71,43 натрий 5 50 10 фосфор 3 90 3,33 сера 2 29 6,9 хлор 77 100 70 алюминий 35 50 70 барий 7,4 10,5 70,48 бор 21 30 70 бром 14 20 70 ванадий 10,8 15,4 70,13 железо 47 67 70,15 йод 6,3 9 70 кадмий 1,3 1,8 72,22 кобальт 0,6 0,8 75 кремний 14,3 20,4 70,1 литий 13 19 68,42 марганец 4 6 66,67 медь 8 12 66,67 молибден 3,5 5 70 никель 2 2,8 71,43 селен 1,4 2 70 Макроэлементы, мг, Микроэлементы, мкг Продолжение таблицы 1.1 1 2 3 4 серебро 2,4 3,5 68,57 стронций 12 17 70,59 сурьма 1,75 2,5 70 фтор 14 20 70 хром 1,4 2 70 цинк 280 400 70 A 0,003 0,03 10 E 0,03 0,09 33,33 C 1,17 1,5 78 B6 0,07 0,05 140 B12, мкг 0,23 0,4 57,5 B2 0,14 0,15 93,33 B1 0,035 0,04 87,5 PP 0,05 0,1 50 хлорин 24 23,6 101,7 L-каротин, мг/100мл 30-50 30-50 100 остеопотин следы следы Вода, г 93,66 87,3 Витамины, мг Витаминоподобные вещества, мг Сывороточные белки характеризуются 107,28 оптимальным набором и сбалансированностью, а по биологической ценности превосходят казеин. Содержание незаменимой серосодержащей аминокислоты цистина в глобулине в 7, а альбумине в 19 раз выше, чем в казеине. В альбумине и глобулине больше лизина, который играет определенную роль в защитных реакциях организма. 22 Сывороточные белки служат дополнительным источником аргинина, гистидина, метионина, треонина, триптофана и лейцина. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, используемым организмом для структурного обмена, в основном - регенерации белков печени, образования гемоглобина и плазмы крови. В сывороточных незаменимые белках в аминокислоты сбалансированном фенилаланин - соотношении и тирозин, содержатся обусловливая фармакологическое действие сыворотки. Отличительной особенностью сывороточных белков является то, что при расщеплении их образуются пептиды и другие компоненты, которые непосредственно всасываются в кровь. Комплекс синтезированная витаминов вода, и ферментов, дополняют феномен также как биологически биотехнологической системы молочной сыворотки [2, 31, 32]. Увеличение содержания сывороточных белков в составе пищевого продукта способствует повышению биологической ценности и усвояемости протеиновой фракции, а также компенсирует снижение общего белка в продукте. Таким образом белки молочной сыворотки являются весьма ценными. В молочной сыворотке содержится 0,8 % сывороточных белков, то есть на один литр молочной сыворотки приходится примерно 8 грамм сывороточных белков. Количество получаемой молочной сыворотки при производстве творога или сыра можно узнать, зная норму выхода молочной сыворотки. Норма выхода молочной сыворотки – это минимально допустимое количество молочной сыворотки, полученной при изготовлении сыра или творога из ста литров молока. Теоретический выход молочной сыворотки можно рассчитать по формуле: Kсыв 100 СВпр СВс , СВпр СВсыв (1) где: Ксыв - Количество молочной сыворотки, кг; СВпр , СВс , СВсыв – содержание сухих веществ соответственно в готовом продукте, сырье и сыворотке, кг. 23 По расчетам выход молочной сыворотки при получении всех видов белково-жировых продуктов составляет около 90 % от количества исходного сырья. Практически для расчетов рекомендуются следующие нормы выхода (с учетом предельно допустимых потерь) молочной сыворотки в зависимости от вида вырабатываемого продукта. Нормы выхода молочной сыворотки в зависимости от перерабатываемого сырья представлены в процентном соотношении на рисунке 1.4. 80 % 80 % 75 % Натуральные сыры 65 % 65 % Обезжиренные сыры Брынза Творог Казеин Рисунок 1.4 - Нормы выхода молочной сыворотки в зависимости от перерабатываемого сырья, в процентном соотношении На современных молочных заводах, особенно с «сухим режимом» содержания полов, за счет устройств специальных систем сбора выход молочной сыворотки близок к теоретическому. Сухим режимом называется технология переработки молока, при котором побочный продукт (молочная сыворотка) не проливается в процессе всего цикла изготовления продукта, а собирается в полном количестве в специально приготовленную для нее тару. 24 По калорийности (энергетической ценности) молочная сыворотка составляет 36 % от цельного молока, что следует учитывать при организации промышленной переработки, рекламе и определении стоимости. Усвояемость основных компонентов молочной сыворотки соответствует цельному молоку. За счет превалирования лактозы и сывороточных белков она превышает показатель 98 %. Оценивая молочную сыворотку в целом, следует подчеркнуть ее значимость как «полумолока» и отнести к лактозосодержащему сырью [2, 32, 33, 34, 35, 36]. Вода в молочной сыворотке и еѐ связи. В сыворотке содержится 93-94% воды, в которой растворены или распределены все ее компоненты. С компонентами сыворотки вода связана различными формами. Свободная вода является растворителем органических и неорганических соединений – лактозы, минеральных элементов, кислот, ароматических веществ и т.д. Как растворитель свободная вода участвует во всех биохимических процессах, протекающих в молоке при его переработке, ее легко можно удалить сгущением, высушиванием и криоконцентрацией [60], и делится на три группы: вода химической, физико-химической и механической связи [61, 62]. Формы связи влаги отличаются природой и величиной энергии связи. Наиболее прочной является химическая связь воды в химических соединениях и кристаллогидратах. Эта связь возникает при строго определенных стехиметрических соотношениях и с трудом разрушается при нагревании, ее можно удалить при нагревании до температуры 150-1550С. [63, 64]. Химически связанная вода обладает наибольшим значением энергии связи с материалом. Она не может быть удалена из продукта при его концентрировании (сгущением, сушкой и т.п.) [61, 65]. Физико-химическая связь воды характеризуется средней прочностью. Она образуется в результате притяжения диполей воды полярными группами молекул белков, фосфолипидов, олигосахаров и др.[66]. Этой форме соответствуют различные виды связи с материалом – адсорбционная и осмотическая [61, 67]. 25 Адсорбционно связанная вода, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности "мицелл" – коллоидных частиц с сольватным слоем, строение которого определяется зарядом мицеллы. Коллоидные системы характеризуются значительной дисперсностью частиц, радиус которых составляет 0,1 - 0,001 мкм. Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью и, следовательно, свободной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды. Энергия связи адсорбционной воды с материалом постепенно убывает от внутренних (мономолекулярных) сольватных слоев мицелл к внешним (полимолекулярным) слоям. Причем, если удаление влаги мономолекулярных слоев, имеющих более высокий энергетический уровень связи, при высушивании затруднительно, то влага более отдаленных полимолекулярных слоев не отличается по своим свойствам от свободной воды и легко удаляется при высушивании [61, 65, 66]. Осмотически удержанная влага – влага набухания и структурная влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С.М.Липатова), так и иммобилизованная структурная влага (теория П.А.Ребиндера), захваченная при формировании геля. Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи, которая становится заметной при взаимодействии воды с белками в биополимерах при формировании структуры продукта (набухание, образование геля и т.п.) после концентрирования и осмотическое давление внутри продукта достигает значительных величин [61, 60]. Механическая связь воды характеризуется удержанием воды в неопределенных количествах. Ей соответствуют следующие виды влаги: -влага макрокапилляров, находящаяся в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10-5см. Давление водяного пара над мениском макрокапилляра почти с точностью до 1% не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды, заполняющей сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними; 26 -влага микрокапилляров, заполняющая узкие поры, средний радиус которых меньше 10-5см. Жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха [61, 66]. Вода механической связи обладает свойствами свободной воды. Она механически захватывается и удерживается ячейками и капиллярами структуры продукта. В капиллярно-пористых молочных продуктах ( сухое молоко, сыр, казеин, сгущенные и сухие концентраты молочной сыворотки и т.п.) влага заполняет микро-и макрокапилляры, а также удерживается поверхностью продукта ( влага смачивания). Влага смачивания и макрокапилляров особенно слабо связана с продуктом, а при криоконцентрации легко переходит в лед. Влага микрокапилляров более прочно удерживается продуктом и при сушке удаляется менее интенсивно [61, 66]. Связанная вода по свои свойствам значительно отличается от свободной воды. Она не замерзает при низких температурах ( - 400С), не растворяет электролиты, имеет плотность, вдвое превышающую плотность свободной воды, не удаляется из продукта при высушивании и т.д. Связанная вода, в отличие от свободной, недоступна микроорганизмам. Поэтому для подавления развития микрофлоры в пищевых продуктах свободную воду удаляют или переводят с связанную, добавляя влагосвязывающие элементы. При этом понижается так называемая "активность воды" [66, 68]. 1.3 Современные технологии промышленной переработки молочной сыворотки На необходимость промышленной переработки и рационального использования молочной сыворотки и еѐ компонентов, указывал академик Н.Н. Липатов, А.Г. Храмцов, И. А. Евдокимов и многие другие. Решение проблем по 27 переработке и использованию молочной сыворотки возможно [38, 39,40], экономически выгодно [3, 41] и экологически необходимо [2, 23, 24]. Переработка молочной сыворотки в промышленном объеме неизбежно связанна с направленным и управляемым воздействием на сыворотку, как на биотехнологическую систему. Биотехнологическая система – это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых биологических и технических систем или объектов предназначенных для обработки сыворотки. Молочную сыворотку необходимо переработать в течении трех часов после еѐ производства, потому, что даже во время хранения повышается еѐ кислотность, изменяется цвет, содержание лактозы понижается, происходит протеолиз остаточного казеина и сывороточных белков, в следствии чего снижается энергетическая стоимость сыворотки [2, 29]. Выбор способа обработки молочной сыворотки обуславливается еѐ исходным составом и требованием к качеству готового продукта. Для того чтобы обеспечить рациональную переработку молочной сыворотки на действующих предприятиях, необходимо максимально использовать действующий технопарк машин [42]. В настоящее время для переработки молочной сыворотки используется ряд машин и аппаратов пищевых производств [43]. Согласно концепции В.А. Панфилова, все машины и аппараты – преобразователи пищевых сред – могут быть использованы при переработке молочной сыворотки. Данные пищевые аппараты должны быть адаптированы или созданы специально, что бы соответствовать специфическим свойствам обрабатываемого продукта [2]. В целом, рассматривая биотехнологическую систему перерабоки молочной сыворотки с точки зрения пищевой биотехнологии и инженерии, следует обратить внимание, что применительно к молочной сыворотке методом априорного ранжирования обозначены практически все известные группы и большинство способов обработки жидких пищевых продуктов [2]. Классификация некоторых процессов переработки молочной сыворотки, основанная на молекулярных 28 свойствах разделяемых веществ, а также достоинства и недостатки данных методов обработки представлены ниже. Коагуляция сывороточных белков. Для изменения нативного состояния белка (денатурации) применяют такие способы: облучение, механическое воздействие, нагревание, изменение pH среды. Чаще всего используют последние два метода или их совокупность – введение в молочную сыворотку реагентов-коагулянтов, которыми является соляная кислота, кислая сыворотка, хлористый кальций и др., способствует более полной тепловой денатурации. Достоинства данного метода заключаются в его доступности, а также простоте аппаратурно-процессового оформления. Из за своих достоинств, данный метод широко применяется в переработке молочной сыворотки. К недостаткам можно отнести то, что нагревание молочной сыворотки ведет к частичной или полной денатурации белков, а также к реакциям между отдельными фракциями белков или между белками и другими составными частями сыворотки. При нагревании сыворотки на греющих аппаратах образуется трудноудаляемый пригар. Действие реагентов-коагулянтов избирательно относится к разным видам сыворотки [44, 54, 55]. Центрифугирование (сепарирование) молочной сыворотки. В данном методе разделение компонентов молочной сыворотки основано на разном поведении частиц в поле центробежных сил. Частицы, имеющие разную плотность, форму и размеры, осаждаются с разной скоростью. Для выделения из молочной сыворотки жира, казеиновой пыли, коагулированных сывороточных белков, используются отделения кристаллов молочного сахара, некоторых других технологических процессов. Достоинство заключаются в использовании сепаратора, который обеспечивает поточную обработку сыворотки без снижения еѐ качества. Еще одно достоинство состоит в том, что при сепарировании получается казеиновая пыль в виде белковой массы и молочного жира, и подсырных сливок, а также получение влажных кристаллов молочного сахара в центрифуге. 29 Недостаток заключается в невозможности полного выделения белковых веществ и в невозможности фракционировать белковую массу, не удается выделить мелкие кристаллы лактозы, которые уходят в мелассу [44, 45, 46, 47, 48]. Консервирование молочной сыворотки. Консервирование молочной сыворотки включает в себя следующие процессы: Прекращение жизнедеятельности микроорганизмов; Прекращение биохимических процессов, происходящих в сыворотке под влиянием ферментов; Торможение окислительно-востановительных реакций Достоинства оформления. метода – Экономический это доступность, эффект от простота аппаратурного консервирования сывороточных концентратов происходит за счет снижения их потерь при транспортировке и хранении на 8-12%. Недостатки метода заключаются в ведении дополнительных компонентов в сыворотку, которые отрицательно влияют на еѐ органолептические и технологические свойства. Ухудшение органолептики сухой сыворотки и процесса кристаллизации лактозы, износ вакуумвыпарных аппаратов, в следствии коррозии греющих стенок [44, 49]. Биологический метод обработки молочной сыворотки. Биологическую обработку молочной сыворотки проводят микроорганизмами, дрожжами, ферментами, полисахаридами (пектин, хитозан) с целью повышения еѐ питательной ценности за счет обогащения полезными веществами или получения ряда специфических свойств и продуктов, обладающих лечебно-профилактическим действием. Достоинства – одновременное сочетание доступности метода и возможности получения гаммы продуктов на основе молочной сыворотки, 30 начиная от напитков и заканчивая антибиотиками, в том числе выделение сывороточных белков в нативном состоянии К недостаткам можно отнести возможность появления побочных процессов [44, 54, 56]. Мембранные методы обработки молочной сыворотки. К мембранным методам обработки молочной сыворотки относят: микрофильтрацию, ультрофильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос, помимо того, применяют комбинированный метод обработки – фильтрацию и электродиализ. Достоинства мембранных методов обработки: разделение может выполнятся непрерывно, довольно низкие энергозатраты, доступность в сочетании другими процессами разделения, возможность выполнения разделения в мягких условиях, большой ассортимент мембран по характеристикам и свойствам, отсутствие необходимости в каких – либо добавках, возможность фракционировать компоненты молочной сыворотки, доступность деминерализации молочной сыворотки, возможность изменять кислотность сыворотки без внесения химических реагентов. Недостатками метода является: загрязнение и выход из строя мембран, за счет концентрационной поляризации и отложения осадков, низкая скорость транспорта через мембрану, весьма малый срок службы полимерных мембран, специальная подготовка воды для мойки и регенерации мембран [44, 50, 51, 52,53]. Разделительное вымораживание, сгущение и сушка сыворотки. Консервирующие воздействие в процессе сгущения молочной сыворотки достигается за счет повышения осмотического давления и накопления молочной кислоты. разделительное вымораживание включает в себя две основные технологические стадии: образование смеси кристаллов льда с концентратом сыворотки и разделение полученной суспензии. Достоинства: уменьшается объем исходного сырья, снижаются транспортные расходы, увеличивается срок хранения. Процесс протекает при 31 низких температурах, что позволяет максимально сохранить свойства исходного продукта. Недостатки возникающие при сушке и сгущении: энергоемкий процесс, сушильные установки громоздки. На греющих стенках вакуум-выпарных аппаратов появляется трудноудаляемый пригар. Вследствие длительного теплового воздействия теряется часть витаминов и ферментов. К недостаткам метода разделительного вымораживания относятся высокие капитальные и производственные затраты [44, 57, 58, 59]. 1.4 Перспективы низкотемпературных технологий переработки молочной сыворотки Перспектива низкотемпературной обработки молочной сыворотки заключается в более полном сохранении первоначального состава, при ее сгущении, а также при выделении белка и концентрата лактозы. Несмотря на то, что способ разделительного вымораживания известен давно (более 100 лет), конкурировать с выпариванием он долгов время не мог из-за сравнительно больших (до 20%) потерь сухих веществ со льдом и высокой стоимости оборудования. Проведенные у нас в стране и за рубежом в последние годы исследования позволили усовершенствовать не только технологию разделительного вымораживания и снизить потери сухих веществ со льдом до 1% и ниже, но и создать ряд высокоэффективных аппаратов для вымораживания. В настоящее время способ разделительного вымораживания все шире используется для обработки пищевых жидкостей растительного происхождения, Фруктовых напитков, овощных соков и др. Развитие технологии этого способа и техники, обеспечивающей его осуществление, позволило начать его использование для обработки цельного и обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки. Особый интерес представляет возможность его применения 32 при переработке молочной сыворотки на сыродельных заводах, расположенных в условиях отгонных горных пастбищ, где снабжение электроэнергией проще, чем доставка топлива для котельной. Метод разделительного вымораживания может оказаться также целесообразным при сгущении таких продуктов, как обогащенная молочная сыворотка, в которой важно сохранить культуру ацидофильной палочки в живом виде. В таблице 1.2 приведены результаты исследования зависимости криоскопической температуры от массовой доли сухих веществ в различных видах сыворотки. Таблица 1.2 – Результаты зависимости криоскопической температуры от массовой доли сухих веществ в различных видах сыворотки Точка замерзания, 0С при массовой доле сухих веществ. Сыворотка 6% 13 % 20 % 30 % Подсырная -0,598 -1,469 -2,610 -5,205 Творожная -0,723 -1,807 -3,090 -6,180 При разбавлении сыворотки водой температура ее замерзании повышается (таблица 1.3) Таблица 1.3 – Результаты зависимости криоскопической температуры от разбавления водой Сыворотка Точка замерзания сыворотки, ° С, при добавлении воды, % 0% 5% 15 % 25 % Подсырная -0,598 -0,574 -0,511 -0,419 Творожная -0,723 -0,686 -0,612 -0,499 Другими показателями, используемыми при расчете параметров процесса и элементов оборудования для криоконцентрации, являются вязкость, плотность и 33 теплофизические характеристики сыворотки. Плотность натуральной сыворотки при температуре 20° С составляет 1022-1023 кг/м3 [69]. В интервале температур от 20 до 50° С плотность подсырной сыворотки может быть рассчитана по эмпирической формуле: 0,17 t 1027,58 , (2) плотность сыворотки, кг/м3 ; Где: t температура сыворотки, ° С. Данные о плотности обезжиренной творожной сыворотки в зависимости от температуры приведены на рисунке 1.5 [69]. 1024 Плотность, кг/м 1022 1020 1018 1016 1014 15 20 25 30 35 40 Температура ,°С Рисунок1.5 - Зависимость плотности от температуры В интервале температур от 20 до 50° С вязкость натуральной подсырной сыворотки может быть определена по эмпирической формуле [70]: 34 1,53lg t 3,32 , где: (3) η- вязкость сыворотки, МПа·с; t температура сыворотки, ° С. Вязкость натуральной творожной сыворотки в зависимости от температуры имеет следующие значения [71] рис.1.6. 1,25 Вязкость, МПа•с 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9 15 20 25 30 35 40 Температура ,°С Рисунок 1.6 - Зависимость вязкости от температуры В интервале температур от 20 до 60°С для сыворотки с массовой долей сухих веществ 6,5-30% справедлива следующая зависимость [72]: 1,87 3,58 102 t 6,44 103 c 6,05104 t 2 4,08103 c2 2,30 103 t c , (4) где: с - массовая доля сухих веществ в сыворотке, %; t - температура сыворотки, °С. Плотность и вязкость сгущенных видов молочной сыворотки приведены в таблице 1.4. 35 Таблица 1.4- Плотность и вязкость сгущенных видов молочной сыворотки Молочная сыворотка с массовой долей сухих веществ, % Показатели 13 20 30 40 50 1052-1055 1103-1107 1110-11071) 1140-11702) 1280-13803) 1,57 2,17 4,06 - - 0,77 0,96 1,62 23-283) 3-104) Плотность(при температуре 5560° С), кг/м8 Вязкость, мПа с, при температуре 20° С. Вязкость, мПа с, при температуре 60° С. 1) 2) 3) 4) Данные при температуре 50о С Данные при температуре 55-65о С Вязкость в зависимости от состава сыворотки и скорости деформации. Вязкость при температуре 50о С после растворения кристаллов лактозы в зависимости от скорости деформации, Па с При температуре 5° С, вязкость сыворотки в зависимости от массовой доли сухих веществ от 20 до 40 % описывается следующей эмпирической формулой: 3,330 103 c2 3,500 102 c 2,988 , (5) При температуре 20° С теплофизические параметры натуральной молочной сыворотки составляют [73]: удельная теплоемкость - 4,082 Дж/(кг К); теплопроводность - 0,13 Вт/(м К); коэффициент температуропроводности - 12,8 108 м2/с . Коэффициент теплопроводности натуральной творожной сыворотки в интервале температур 293-363 К равен: 5,221 3,185 102 T 5,53105T 2 , где: λ-коэффициент теплопроводности, Вт/(M·K); Т-температура, 0K. (6) 36 Основной компонент массы сухих веществ молочной сыворотки - лактоза. Поэтому теплофизические характеристики молочной сыворотки зависят в первую очередь от содержания этого компонента. Удельная теплоемкость лактозы равна 1202 - 1256 Дж/(кг К). Теплоемкость раствора лактозы может быть рассчитана по следующим формулам приведенным в таблице 1.5. Таблица 1.5- Удельная теплоемкость раствора лактозы Удельная теплоемкость Массовая доля лактозы, % Температура T, K 5 288-363 С=3812+1,0Т 10 288-363 С=3559+1,4Т 20 303-363 С=9700+3,7Т 30 323-363 С=1670+6,2Т 40 338-363 С=1028+7,5Т (С), Дж/(кг К) Коэффициенты теплопроводности водного раствора лактозы в зависимости от его концентрации приведены в таблице1.6. Таблица 1.6 - Коэффициенты теплопроводности водного раствора лактозы в зависимости от его концентрации Массовая Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·K) при температуре, K доля лактозы, % 293 303 313 323 343 363 10 0,595 0,610 0,629 0,657 0,723 0,808 20 - - 0,613 0,639 0,702 0,778 30 - - - 0,616 0.673 0,745 40 - - - - 0,642 0,702 37 1.5 Заключение по обзору литературы. Цель и задачи исследований Проведенный обзор отечественной и зарубежной литературы позволяет сделать следующие выводы: 1. Одним из основных направлений сбережения ресурсов, является технология безотходного производства продуктов питания. В нашем случае это переработка побочного продукта при изготовлении творога, а именно творожная сыворотка. Исследуя литературу, возникает актуальность дальнейшего использования творожной сыворотки, для изготовления новых продуктов питания и извлечения полезных компонентов, таких как белки и концентрат лактозы. 2. Молочная сыворотка является весьма ценным сырьем для пищевой промышленности, косметологии, фармакологии. Высокая биологическая ценность сыворотки, обусловленная содержанием в ней белков, незаменимых аминокислот, лактозы, является причиной ее широкого распространения при производстве пищевых напитков, кормовых добавок, лекарственных препаратов и т.д. В пищевой промышленности молочная сыворотка используется в хлебопекарных, кондитерских, творожных изделиях, при производстве напитков, мороженного и т.д. 3. Современными технологиями переработки сыворотки можно назвать такие технологии как: коагуляция сывороточных белков, сепарирование молочной сыворотки, консервирование сыворотки, биологические технологии обработки, мембранные и криоконцентрирование (т.е. технология разделительного вымораживания). В пищевой промышленности криконцентрирование является частью технологического процесса обработки многих видов продуктов молочной (для обработки молока, получения кисломолочных продуктов, выделению белка), пивоваренной (при производстве виноматериалов, шампанского и пива) и мясной (концентрирование крови для колбас с ограниченным влагосодержанием) промышленностей. Кроме того, разделительное вымораживание используется для 38 получения концентрированных соков, пищевых красителей, продуктов для детского и диетического питания, функциональных напитков и т.д. Кузбасс является не сыродельным районом. Количество вырабатываемых сыров мало по сравнению с творогом, поэтому более целесообразно разрабатывать технологию разделительного вымораживания для извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии выделения белков и концентрата лактозы из творожной сыворотки низкотемпературными методами. В рамках данной работы поставлены следующие задачи: - исследование свойств исходной творожной сыворотки; - определение физико-химического состава сыворотки; - определение фракционного состава творожной сыворотки; - исследование криоскопических температур творожной сыворотки; - определение теплофизической характеристики творожной сыворотки - исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе; - разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания; - обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания сыворотки; - определение физико-химических, теплофизических и микробиологических показателей белково-сывороточного продукта; - определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта; - разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из сыворотки; - определение экономических показателей производства сывороточного белка. ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1 Организация проведения экспериментальных исследований Диссертационная работа проводилась в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» и состояла из ряда последовательных и взаимосвязанных этапов, изображенных схематично на рисунке 2.1. Первая стадия включала в себя анализ современной отечественной и зарубежной литературы по тематике исследований. В ней была проанализирована значимость переработки молочной сыворотки для создания новых продуктов питания. Также рассмотрена пищевая и биологическая ценность, состав и свойства сыворотки. Приведен сравнительный анализ выхода творожной, подсырной и казеиновой сыворотки, а также анализ состояния воды в творожной сыворотке. Подробнее были затронуты аспекты современных технологий промышленной переработки молочной сыворотки, а именно: коагуляция сывороточных белков, центрифугирование, консервирование, разделительно вымораживания молочной сыворотки, биологический и мембранный метод обработки молочной сыворотки, сгущение и сушка. Далее, рассмотрена перспектива низкотемпературных технологий переработки творожной сыворотки. Вторая стадия заключалась в исследовании свойств творожной сыворотки как исходного сырья. В процессе изучения были рассмотрены органолептические характеристики творожной сыворотки, установлено содержание общего белка, проведены электрофоретические исследования с целью выявления фракционного состава белков, представлена органолептическая оценка, определена температура замерзания сыворотки – криоскопическая температура, а также были исследованы теплофизические характеристики: удельная теплоемкость, коэффициенты 40 температуро - и теплопроводность. Помимо вышесказанного, вторая стадия включала в себя изучение процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе. В ходе исследований определялась степень вымораживания льда и содержание сухих веществ в концентрате. Задача данного этапа заключалась в определении температуры хладоносителя в емкостном кристаллизаторе, позволяющая обеспечить наилучшую эффективность процесса разделительного вымораживания, продолжительности разделительного вымораживания, а также количества циклов кристаллизации, что представляло собой разработку оптимальных режимов. На третьей стадии был произведен анализ физико-химических и микробиологических показателей сывороточного белка, была проведена его органолептическая оценка, определено содержание белка в продукте и его фракционный состав. Установлена криоскопическая температура, микробиологические показатели и содержание токсичных элементов в продукте. Определены теплофизические показатели полученных продуктов. Третья стадия включает в себя установление сроков и условий хранения продуктов сывороточного белка. На заключительном этапе исследований была разработана низкотемпературная технология выделения белка и концентрата лактозы, произведен расчет экономических себестоимость готовых продуктов. показателей и установлена реальная 41 Исследование и разработка технологии извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами Анализ отечественной и зарубежной литературы Исследование свойств творожной сыворотки Исследование процессов разделительного вымораживания сыворотки Анализ свойств белка творожной сыворотки Определение сроков и условий хранения белка творожной сыворотки Практическая реализация результатов исследований Органолептические показатели; физико-химический состав; криоскопическая температура; теплофизические характеристики; Температура хладоносителя; продолжительность вымораживания; количество циклов Органолептическая характеристика; теплофизические показатели; физико-химический состав; криоскопическая температура; активность воды; микробиологические показатели; содержание токсичных элементов Микробиологические показатели Разработка технологической схемы выделения белка творожной сыворотки; расчет экономических показателей Рисунок 2.1 - Схема организации диссертационной работы 42 2.2 Методы и объекты исследований В ходе экспериментальных исследований использовались следующие объекты: - Сыворотка творожная, использовалась в соответствии с ГОСТ Р 534382009 «Сыворотка молочная. Технические условия»; - Вода дистиллированная, соответствующая ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная. Технические условия»; - Хлорид натрия, соответствующий ГОСТ 4233-77 «Натрий хлористый. Технические условия»; При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физикохимических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований. Степень вымораживания льда определяли путем взвешивания незамерзшего раствора на аналитических весах и вычитанием полученной массы от исходной массы раствора. Концентрацию сухих веществ определяли арбитражным методом по ГОСТ 3626-73 «Молоко и молочные продукты. Методы определения влаги и сухого вещества». Степень преломления устанавливали на портативном рефрактометре по шкале Брикс. Полученное значение переводили в стандартный показатель преломления. Плотность определяли с помощью набора погружных ареометров, соответствующих ГОСТ 18481-81 «Ареометры и цилиндры стеклянные. Общие технические условия». При проведении органолептической оценки учитывались такие показатели как цвет продукта и его возможные отклонения; консистенция, характеризующая общий внешний вид продукта (наличие сгустков и посторонних примесей, 43 однородность вещества, характер поверхности и т.д.); запах, характеризующий состояние продукта (наличие или отсутствие гнилостных и посторонних запахов). Содержание общего белка определяли на анализаторе белкового азота «Rapid N Cube» по методу Дюма. Метод заключается в полном сжигании образца в реакторе, при котором образуются элементарные продукты сгорания, и происходит регистрация общего азота на детекторе теплопроводности. Содержание общего азота рассчитывалось умножением полученного значения на коэффициент для белка молочной сыворотки, составляющий 6,38. Распределение фракций белков определяли с помощью электрофореза в полиакриламидном геле методом Лемли. Сущность метода заключается в следующем. Производили подготовку образца: в пробирки вносили 20 мкл белка, 10 мкл дистиллированной воды и 10 мкл буфера. Далее образец перемешивали и подвергали кипячению в течение 5 мин. Резервуары камеры для электрофореза заполняли электродным буферным раствором (0,066 М Трикс, 0,1% ДСН, 0,19 М глицин). В каждую лунку полученного геля вносили подготовленный образец. После этого включали прибор и наблюдали за разделением образцов. Данную процедуру проводили при силе тока 50 и 75 мА. После проведения электрофореза гель промывали и окрашивали 3 реактивами: фиксирующим раствором, раствором для отмывки и окрашивающим раствором. Каждая из данных процедур проводилась в течение 10 мин. при температуре 80° С. После чего проводили обесцвечивание геля в дистиллированной воде при температуре 25° С. Далее гели фотографировали на УФ-трансиллюминаторе ТСР-20М при длине волны излучения 300 нм. Обработка полученных данных осуществлялась с помощью гель-документированной системы Vitran-Photo. Содержание токсичных элементов определяли следующим образом: мышьяка по ГОСТ Р 51766-2001 «Сырье и продукты пищевые. Атомноабсорбционный метод определения мышьяка»; свинца по ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов», ГОСТ 26932-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения 44 свинца», ГОСТ Р 51301-99 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка) и ГОСТ 30538-97 «Продукты пищевые. Методика определения токсичных элементов атомноэмиссионным методом»; кадмия по ГОСТ 26933-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения кадмия», ГОСТ Р 51301-99 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка)», ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов»; ртути по ГОСТ 26927-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения ртути». Микробиологические показатели определяли путем подсчета количества колоний, образующихся в чашках Петри с питательными средами, в качестве которых использовали картофельный, мясопептонный, солодовый агары. Для определения общей микробиальной обсемененности исследуемый образец разводился дистиллированной водой в соотношении 1:100, 1:1000 и 1:10000. Из каждого раствора образца производили высевы в 6 чашек Петри на поверхность агара с помощью пипетки, стерилизованной в пламени горелки, количество пробы составляло 0,3мл. После чего данные чашки Петри инкубировали при температуре 37° С в течение 48 часов. В исследуемых обсемененность, образцах количество определяли дрожжей общую и микробиальную плесневых грибов, сульфитредуцирующие клостридии, бактерии группы кишечной палочки и сальмонеллы. Количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов определяли путем подсчета среднего арифметического числа колоний микроорганизмов на 1 г образца во всех чашках Петри. Общее количество дрожжей и плесневых грибов определяли путем посева образца в чашки Петри с сусло-агаром в соответствии с ГОСТ 10444.12-88 «Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов». 45 Количество сульфитредуцирующих клостридий определяли согласно ГОСТ 29185-91 «Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества сульфитредуцирующих клостридий». Определение бактерий группы кишечной палочки осуществляли в соответствии с ГОСТ Р 52816-2007 «Методы выявления и определения количества бактерий. Группы кишечных палочек (колиформных бактерий)». Для определения патогенных микроорганизмов, в т.ч. сальмонелл осуществляли посев на накопительную среду Кауфмана с дальнейшим посевом на среду Эндо согласно ГОСТ 50480-93 «Продукты пищевые. Метод выявления бактерий рода Sаlmоnеllа». Данные экспериментальных исследований обрабатывались методом математической статистики в таких программах как Microsoft Excel 2003 и Mathcad 14. 2.3 Описание экспериментальных установок Для определения криоскопической температуры использовалась установка, представленная на рисунке 2.2. Емкости 1, 8 (имеющие теплоизоляцию) и 9 помещены в камеру двухкаскадной холодильной установки с температурой -45ºС. Контроль и поддержание температур осуществляется измерительным комплексом, который настроен таким образом, чтобы обеспечивать заданную разность температур между исследуемым веществом и охлаждающей средой, что позволяет повысить точность определения криоскопической температуры за счет равномерного отвода теплоты. В данном случае разность температур между хладоносителем и продуктом была установлена в 15º С. Перед началом эксперимента исследуемый продукт в пробирке (4) предварительно охлаждают до температуры 1ºС и помещают в рабочую емкость 46 (1) с хладоносителем, заранее отепленным до (-8...-10) ºС. Установленная разность температур между исследуемым веществом и хладоносителем поддерживается включением-отключением насоса подачи хладоносителя (11) из емкости (8) в рабочую емкость (1). Регистрация и контроль температуры осуществляется с помощью измерительного комплекса, включающего в себя хромель-копелевые термопары (16), аналоговый модуль ввода МВА8 (12), измеритель - регулятор ТРМ202 (13), преобразователь интерфейса АС4 (14) и персональный компьютер (15). Криоскопическая температура определяется по пологой площадке графика, соответствующего термопаре в исследуемом образце. Опыт прекращают, когда продукт достигнет температуры на 5-10 градусов ниже криоскопической. Рисунок 2.2 - Схема установки для определения криоскопической температуры: 1 - рабочая емкость; 2 - пробирка с исследуемым раствором; 3 - уравнительные трубопроводы; 4 - цилиндрическая колба; 5,6 – трубопроводы подачи х/н; 7 нагреватель; 8 - емкость с холодным х/н; 9 - емкость для приготовления отепленного х/н; 10 - насос подачи отепленного х/н; 11 - насос подачи охлажденного х/н; 12 - модуль ввода аналоговый МВА8; 13 - измеритель регулятор ТРМ202; 14 - преобразователь интерфейса АС4; 15 - ПК; 16 термопары хромель-копелевые. 47 Внешний вид лабораторного комплекса, предназначенного для определения криоскопических температур, представлен на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 - Лабораторный стенд для определения криоскопических температур: I – рабочая емкость; II – емкость для отепленного хладоносителя; III – емкость охлажденного хладоносителя; IV – блок питания насосов 12 В; V холодильная камера; VI – измеритель- регулятор ТРМ202; VII– модуль ввода МВА8 48 Эксперименты по разделительному вымораживанию творожной сыворотки производились на нескольких установках с рабочими емкостями 3,5 л. и 150 мл. Схема и общий вид первой установки представлена на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 - Емкостной криоконцентратор, вместимостью 3,5 л: 1 – электродвигатель перемешивателя; 2 – теплоизолированная крышка; 3 – венчик ; 4 – заливная горловина; 5 –цилиндрическая емкость; 6 –хладоноситель; 7 – теплоизоляция; 8 –змеевик испарителя; 9 – сливное отверстие; 10 – сливной трубопровод; 11 – запорный вентиль; 12 – капиллярная трубка; 13 – фильтр осушитель; 14 – герметичный компрессор; 15 – воздушный конденсатор; 16 – вентилятор; 17 – кожух вентилятора; 18 – электродвигатель вентилятора. Установка состоит из цилиндрической емкости (5), которая погружена в хладоноситель (6) и окружена теплоизоляцией (7). Внизу емкости имеется сливной патрубок (10), теплоизоляционная крышка (2) снабжена 49 электродвигателем (1), приводящим в движение мешалку (3). Эксперименты проводились без использования мешалки. Хладоноситель (6) охлаждается змеевиковым испарителем (8), обернутым вокруг рабочей емкости (5). Помимо испарителя холодильная машина также включает в себя компрессор (14), конденсатор (15), фильтр-осушитель (13) и дроссельное устройство (12). Контроль и измерение температуры осуществляется с помощью хромелькопелевых термопар, аналогового модуля ввода МВА8, измерителя-регулятора ТРМ202 и компьютера. Величина энергозатрат в процессе работы данной установки фиксируется на цифровом электросчетчике. Вторая установка, разработанная и изготовленная нами для разделительного вымораживания творожной сыворотки, представлена на рисунке 2.6. Она основана на парокомпрессионной холодильной машине. Испаритель состоит из цилиндра вместимостью 5литров, на него накручена медная трубка, в ней испаряется хладон. Цилиндр с накрученной трубкой помещены в пластмассовую теплоизолированную с защитной фольгой емкость, заполненную этанолом. Возможность задания температуры хладоносителя с точностью 0,2° С и по мере намораживания льда на внутренней поверхности цилиндра возможно понижение температуры. Концентрируемый раствор заливается в цилиндрические емкости испарителя-концентратора. Парокомпрессионная холодильная машина поддерживает заданную температуру в хладоносителе испарителя-концентратора (поз 6), на цилиндрической емкости происходит намораживание льда, в это время в другой емкости температура повышается. При получении определенного количества льда и концентрата в испарителе концентраторе, концентрат сливается через сливной трубопровод, переключается четырехходовой клапан, и в той емкости, где росла температура, происходит понижение и вымораживание влаги, а полученный лед в другой емкости, после переключения, плавится и сливается через трубопровод. Таким образом, поочередно в цилиндрах испарителей – концентраторов происходит намораживание и плавление льда. 50 Рисунок 2.5 – Общий вид и схема разделительной вымораживающей установки емкостью цилиндра 5 литров: 1- компрессор; 2- предконденсатор; 3- четырехходовый клапан; 4- испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль конденсатора); 5- цилиндрическая теплоизоляционная емкость; 6испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль испарителя); 7- сливной трубопровод; 8- отделитель жидкости; 9- фильтр осушитель. Способ концентрирования двухцилиндровым криоконцентратором является наиболее эффективным по сравнению со способом разделения вымораживанием одноцилиндровым концентратором, так как используется бросовая теплота конденсации. Третья установка представляет собой емкостной криоконцентратор вместимостью 5 литров, с регулированием температуры путем подачи хладоносителя и теплоносителя насосами. На рисунке 2.6 показана схема криоконцентратора, хладоснабжение которого осуществляется парокомпрессионной холодильной машиной. Машина состоит из: компрессора (10), предконденсатора (нагревателя теплоносителя) (9), воздушного 51 конденсатора (13), обдуваемого вентилятором (14), фильтра осушителя (15), дросселирующего устройства (16), кожухотрубного испарителя (охладителя хладоносителя) (8). Компрессор, сжимая пары хладагента нагнетает его в предконденсатор, где теплота конденсации забирается теплоносителем, а остаточная теплота отводится воздушным конденсатором в окружающую среду. Далее, жидкий хладагент проходя фильтр поступает в дросселирующее устройство, в процессе дросселирования, давление понижается и парожидкостная смесь поступает в испаритель, испаряется за счет отвода теплоты от хладоносителя. После, пары хладагента вновь поступают в компрессор. Криоконцентратор представляет емкость, выполненную из коаксиальных цилиндров. Внутренний цилиндр (1) изготовлен из пищевой нержавеющей стали, имеет дно со сливным отверстием (2), сливным трубопроводом (3) и запорным вентилем (4) для удаления концентрата и растворителя. Кольцевой объем между коаксиальными цилиндрами представляет из себя рубашку, в которую подается хладо- или теплоноситель(6). При концентрировании хладоноситель забирая теплоту от концентрируемого раствора, подается насосом (7) в испаритель (8), передает теплоту хладагенту и сливается в кольцевой объем. В свою очередь хладагент передает теплоту конденсатору (9), нагревая теплоноситель. При концентрировании заливают концентрируемый раствор через заливное отверстие, закрытое теплоизолированной крышкой (12), в емкость (1), запускают компрессор (10) и насос (7). Лед вымораживается на стенках цилиндра (1). По окончании процесса, останавливают компрессор (10) и насос (7), сливают концентрат по сливному трубопроводу (3), запускают насос(11), который подает теплоноситель в кольцевой объем. Лед от полученной теплоты тает, талую воду сливают по трубопроводу (3). 52 Рисунок 2.6 - Схема криоконцентратора: 1- внутренний цилиндр; 2 – сливное отверстие; 3 – сливной трубопровод; 4 – запорный вентиль; 5 – теплоизоляция; 6 – хладоноситель; 7 – центробежный насос; 8 – испаритель; 9 – конденсатор; 10 – компрессор; 11 – центробежный насос; 12 – теплоизоляционная крышка; 13 – предконденсатор; 14 – вентилятор; 15 – фильтр осушитель; 16 – дросселирующее устройство. Четвертая установка разрабатывалась для промышленного получения белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки, с использованием естественного холода. Схема криоконцентратора изображена на рисунке 2.7. Она работает следующим образом: компрессор (16), сжимая пары хладагента, нагнетает их в предконденсатор (17), который служит устройством отвода избыточной теплоты в окружающую среду. Горячие пары хладагента поступают в испаритель концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль конденсатора) (19), где теплота конденсации забирается теплоносителем, который в свою очередь использует передаваемую теплоту конденсации для плавления 53 намороженного льда, а остаточная теплота отводится воздушным предконконденсатором (17), в окружающую среду. Далее жидкий хладагент, проходя дросселирующее устройство (14), дросселируется, давление хладагента понижается, и парожидкостная смесь поступает в испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана, выполняет роль испарителя), испаряется за счет отвода теплоты от хладоносителя, который забирает теплоту от концентрируемого объекта. После пары хладагента вновь поступают в компрессор. Емкость испарителя-концентратора (10, 20) представляет собой теплообменный аппарат(11, 19) в виде цилиндра с теплоизолированной рубашкой, заполненной хладоносителем. В верхней части емкости имеется закрытая заливная горловина (8, 21), предназначенная для залива концентрируемого раствора – сыворотки, внизу находится сливное отверстие с трубопроводом и сливным вентилем (12, 18) для удаления концентрата. Также предусмотрено устройство для удаления осевшего белка (30, 32), с трубопроводом и запорной задвижкой (31. 33) для удаления белка и талой воды. В целях экономии энергоресурсов концентрирование можно осуществлять в холодное время года, за счет естественного холода. Для этого предусмотрен воздушный теплообменник (9), расположенный на улице. Насос 6 откачивает хладоноситель из всасывающего коллектора холодного хладоносителя (2). Хладоноситель проходит теплообменник (9), где отдает теплоту, взятую у концентрируемого раствора, окружающей среде и подает его на нагнетательный коллектор холодного хладоносителя (1). Соленоидные вентили (3, 4, 5, 6,) регулируют подачу хладоносителя в ту или иную рубашку испарителяконцентратора, где хладоноситель нагревается, отводя тепло от концентрируемого объекта. Плавление намороженного льда осуществляют используя бросовую теплоту сточных вод, или любую другую бросовую теплоту. Бросовая теплота поступает на теплообменник (22), где передает тепло теплоносителю. 54 Рисунок 2.7 - Схема промышленного криоконцентратора с функцией использования естественного холода: 1-нагнетательный коллектор холодного хладоносителя; 2- всасывающий коллектор холодного хладоносителя; 3, 4, 5, 6соленоидные вентиля; 7- насос; 8- заливная горловина; 9- теплообменник; 10испаритель-концентратор; 11- теплообменник; 12- сливной вентиль; 13- фильтр осушитель; 14- дросселирующее устройство; 15- четырехходовой клапан; 16компрессор; 17- предконденсатор; 18- сливной вентиль; 19- теплообменник; 20испаритель – концентратор; 21- заливная горловина; 22- кожухотрубный теплообменник; 23- насос теплоносителя; 24, 25, 26, 27 – соленоидные вентиля; 28- всасывающий коллектор теплоносителя; 29- нагнетательный коллектор теплоносителя; 30- диск с перпендикулярными лопастями; 31- заслонка; 32- диск с перпендикулярными лопастями; 33- заслонка. 55 Насос (7), откачивает теплоноситель с всасывающего коллектора (28) и подает на нагнетательный коллектор теплоносителя (29), при этом теплоноситель, проходя кожухотрубный теплообменник (22), нагревается. Соленоидные вентили (24, 25, 26, 27,) регулируют подачу теплоносителя в ту или иную рубашку испарителя-концентратора, где теплоноситель охлаждается, затрачивая теплоту на плавление вымороженной влаги. При этом холодильная машина не работает. Для осуществления технологического процесса концентрирования молочной сыворотки, еѐ заливают через заливную горловину (8, 21), затем включают парокомпрессионную холодильную машину. (При выключенном 4ходовом клапане (14) раствор в емкости (19) будет нагреваться, а на стенках емкости (10) будет вымораживаться влага (чтобы не значительно нагрелся исходный раствор, предусмотрен предконденсатор (17)). Когда вымороженная влага достигнет определенного количества, то сливают концентрат через вентиль (12). Затем приводя во вращение специальное центробежное устройство (30), удаляют осевший белок, открывая заслонку (31). После переключают 4-ходовой клапан, и в емкости (20) начинается вымораживание влаги, а в емкости (10) плавление вымороженной влаги. Талую воду удаляют через заслонку (31). Схема и внешний вид емкостного криоконцентратора, вместимостью 150 мл, представлены на рисунке 2.8. Исследуемый продукт (6), в алюминиевой емкости устанавливается, в емкость большего размера с заранее охлажденным хладоносителем (5) на термоизоляционную подставку (7), необходимую для того, чтобы вымораживание льда осуществлялось преимущественно на стенках сосуда. Работа термоэлементов (9) обеспечивает отвод теплоты от хладоносителя на радиатор (10) и за счет вентилятора (8) обеспечивается ее передача в окружающую среду. Высокая степень теплоизоляции достигается использованием сосуда Дьюара (2) и теплоизоляционного материала (7). Для выравнивания температуры по всему объему хладоносителя (5) предусмотрены 4 мешалки (4). Регулирование 56 температуры хладоносителя осуществляется за счет применения термореле путем включения и отключения верхнего термоэлемента (9). Рисунок 2.8 – Схема и внешний вид емкостного криоконцентратора, вместимостью 150 мл: 1 – теплоизоляционные крышки; 2 – сосуд Дьюара; 3 – алюминиевые емкости; 4 – мешалка; 5 – хладоноситель; 6 – концентрируемый продукт; 7 - теплоизоляция; 8 – вентилятор; 9 - термоэлементы; 10 – радиатор. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1. Исследование свойств творожной сыворотки как исходного сырья Творожная сыворотка использовалась в соответствии с ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». Органолептические характеристики творожной сыворотки представлены в таблице 3.1 [74]. Таблица 3.1 - Органолептические характеристики творожной сыворотки Цвет Внешний вид и консистенция Вкус и запах Бледно – Однородная жидкость. Свойственный, зеленый Допускается наличие белкового творожной сыворотке – осадка кисловатый Состав молочной сыворотки колеблется в значительных пределах и зависит для творожной – от способа производства творога и его жирности. Главными из сывороточных белков являются β-лактоглобулин и αлактальбумин. Сывороточные белки богаты дифицитными незаменимыми аминокислотами, ткаими как: лизин, триптофан, метионин, треонин. Также белки творожной сыворотки богаты цистеином, что подтверждает их ценность. Белки молочной сыворотки широко используют в пишевой промышленности. Среди всех белков сыворотки наибольшее количество приходится на βлактоглобулин. Его содержание колеблется в районе 7-12% от общего количества белков молока. По своей структуре β-лактоглобулин – глобулярный белок, состоящий из 162 аминокислотных остатков. В молоке коров данный белок присутствует в виде двух изоформ, отличающихся по своим физико-химическим свойствам. Биологическая функция β-лактоглобулина до сих пор однозначно не 58 установлена. Полагают, что данный белок участвует в регуляции обмена фосфора в молочной железе [75]. Поскольку β-лактоглобулин устойчив к протеолитическому воздействию, то он способен вызывать аллергические реакции у детей раннего возраста, потребляющих коровье молоко в том или ином виде [76]. Вторым в количественном отношении белком сыворотки является αлактоальбумин (2-5% от общего количества белков молока). Он также имеет глобулярную структуру, стабилизированную четырьмя дисульфидными связями, и состоит из 123 аминокислотных остатков. В организме α-лактоальбумин выступает в качестве кофактора при биосинтезе лактозы, важного источника энергии для новорожденных. Среди других известных биологических активностей следует отметить антипролиферативное действие α-лактоальбумина в культурах клеток млекопитающих [77]. Употребление данного белка в пищу при заторможенности, вызванной хроническими стрессовыми реакциями, приводит к нормализации процессов умственной деятельности [78]. Бычий сывороточный альбумин состоит из 582 аминокислотных остатков и несет 17 внутримолекулярных дисульфидных мостиков. Благодаря своему размеру и особенностям строения БСА связывается со свободными жирными кислотами, липидами и многими другими гидрофобными соединениями. Данный белок подавляет рост раковых клеток молочной железы, путем изменения активности аутокринных регуляторных факторов, а также предохраняет связанные с ним липиды от окислительной модификации [79]. В рамках исследований физико-химических показатели исходного сырья было установлено содержание сухого вещества, плотность, белок, лактоза и зола, а также процентное содержание кислоты молочной и кислотный баланс, приведенные в таблице 3.2. Фракционный состав белка творожной сыворотки определяли электрофоретически рисунок 3.1, результаты представлены в таблице 3.3. 59 Таблица 3.2 - Физико-химический состав творожной сыворотки Состав Сыворотка творожная Вода, % 93,58 Сухое вещество, % 6,42 Лактоза,% 4,4 Белок, % 0,83 Зола,% 0,6 Жир,% 0,1 Кислота молочная,% 0,47 Рн 4,7 Плотность при 20° С, кг/м3 1026 Имунноглобулины78-80кДа 1,9-3,3% БСА 66 кДа, 1-1,5% β- ЛГ 18,2 кДа 7-12% от молок α-ЛА 14,1 кДа 2-5% от молока Рисунок 3.1 - Результаты электрофореза творожной сыворотки 60 Электрофорез в полиакриламидном геле позволил выявить основные фракции белков творожной сыворотки с молекулярной массой от 14 до 290 кДа: β-лактоглобулин, α-лактальбумин, иммуноглобулины и бычий сывороточный альбумин. Таблица 3.3 – Белковые соединения сыворотки Наименование Молекуляр Массовая белка ная масса, доля, % Изоэлектриче Темпера- ская точка pH тура денату- кДа рации, ° С α-лактальбумин 14,1 0,16 4,8 60-95 β-лактоглобулин 18,2 0,5 5,2 75-90 Бычий 66 0,05 4,8 60-95 78-80 0.12 8,7 75-90 сывороточный альбумин Иммуноглобулины Основными сывороточными белками являются β-лактоглобулин и α- лактальбумин. В свою очередь на долю β-лактоглобулина приходится около половины всех сывороточных белков, в нашем случае массовая доля 0,5 %. В молоке β-лактоглобулин находится в виде димера, состоящего из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 18,2 кДа каждая. При нагреве молока до температуры выше 30° С β-лактоглобулин распадается на наномеры. Вторым важнейшим белком творожной сыворотки является α-лактальбумин, его массовая доля составляет 0,16% сывороточных белков, в его составе обнаружена лактоза. Этот белок является частью лактозосинтезирующей системы и участвует в последней стадии биосинтеза лактозы. α-лактальбумин содержит в себе главный компонент, имеющий два генетических варианта, т.е. является гетерогенным белком. Молекулярная масса α-лактальбумина составляет 14,1 кДа. Помимо всего вышесказанного α-лактальбумин включает в себя минорные компоненты, некоторые из которых являются гликопротеидами. 61 Бычий сывороточный альбумин не синтезируется в молочной железе, а поступает в молоко из крови. Его молекулярная масса составляет 66кДа. Иммуноглобулины (иммунные глобулины)в простом коровьем молоке содержатся в малых количествах, но в молозиве они составляют основную массу сывороточных белков. Они объединяют группу высокомолекулярных белков (гликопротеидов), выполняющих функцию антител. Криоскопической температурой называют температуру начала замерзания жидкой фазы продукта. Изменение температуры замораживания сыворотки определяли с помощью измерительного комплекса, включающего хромелькопелевые термоэлектрические преобразователи, аналогового модуля ввода МВА8, преобразователя Измерительный комплекс интерфейса был АС4, отградуирован персонального по компьютера. эталонному ртутному термометру с ценой деления 0,05° С в термостабильных условиях в диапазоне температур от -30° С до 10° С. Данные поступающие на персональный компьютер использовали для построения термограммы замораживания творожной сыворотки, которая представлены на рисунке 3.2. Перед началом эксперимента сыворотку в пробирке предварительно охлаждали до температуры 6º С и помещали в рабочую емкость с хладоносителем, заранее отепленным до (-8...-10)º С. Установленная разность температур между исследуемым веществом и хладоносителем поддерживалась включением-отключением насоса подачи хладоносителя из емкости хранения в рабочую емкость смешения. Криоскопическая температура определялась по горизонтальной площадке графика изменения температуры исследуемого образца. Опыт прекращали, когда исследуемый образец достигал температуры на 5-10 градусов ниже криоскопической. На термограмме выделены 3 участка, соответствующие различным этапам процесса замораживания. 62 7 6 5 Температура, ⁰С 4 3 2 1 0 t = 0,7° С -1 -2 -3 -4 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 Время, мин Рисунок 3.2 - Термограмма изменения температуры сыворотки в процессе заморозки На участке 1 происходит процесс охлаждения творожной сыворотки от начальной температуры до криоскопической. Продолжительность охлаждения составляет 40 минут, при этом температура сыворотки достигает – 0,7° С. Участок 2 характеризует процесс кристаллизации влаги, начинающийся при криоскопической температуре. На термограмме этому участку соответствует изотермическая площадка. На термограмме видно, что изотермическая площадка более выражена в процессе замораживании температуре – 0,7° С, и времени от 40 до 60 минут. творожной сыворотки при 63 На участке 3 происходит процесс охлаждения замороженной сыворотки с возрастанием скорости понижения температуры, что означает окончание фазы замораживания. Температура на представленной термограмме понижается от -0,7 до – 3° С, а время составляет от 60 до 120 минут. Кривую изменения скорости охлаждения творожной сыворотки построили на основании данных полученных при нахождении криоскопической температуры. Кривая изменения скорости охлаждения творожной сыворотки представлена на рисунке 3.3 Рисунок 3.3 - Кривая изменения скорости охлаждения творожной сыворотки В начале процесса вымораживания в сыворотке наблюдается стремительное повышение скорости охлаждения которое составило на 18 минуте 2,6 (о С/мин), после чего кривая изменения скорости охлаждения резко изменяет 64 свое направление. От 19 до 55 минуты скорость охлаждения понижается от 2,6 до 0 (о С/мин) и продолжает оставаться на нулевом значении до 59 минуты. Стабилизация температурного уровня сыворотки обусловлена выделением скрытой теплоты кристаллизации которая составляет 332,43 кДж/кг. Далее скорость вымораживания повышается и стабилизируется на уровне 0,43о С/мин. Криоскопическая температура сыворотки творожной составила -0,7º С. Теплофизические свойства творожной сыворотки находили расчетным путем. Удельная теплоемкость творожной сыворотки определялась по правилу аддитивности в соответствие со следующей формулой: c n c к k 1 где к , (7) ск – теплоемкость компонента, кДж/(кгК); к массовая доля компонента. Удельная теплоемкость компонентов: для воды - 4,19 кДж/(кгК); для белка - 1,256 кДж/(кгК); для жира – 4,79 кДж/(кгК); для лактозы – 1,256 кДж/(кгК) [80]; для прочих приняли равной 1,12 кДж/(кгК). Поскольку сыворотка является изотропной, а коэффициенты теплопроводности отдельных компонентов являются величинами одного порядка, то для расчета коэффициента теплопроводности всего продукта был также применен метод аддитивности. Данную характеристику рассчитывали по формуле Лихтнеккера [81]: эфV n V k k 1 где k , эф – эффективный коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(мК); k – коэффициент теплопроводности компонента: (8) 65 0,597 Вт/(мК) – для воды; 0,042 Вт/(мК) - для белка; 0,17 Вт/(мК) – для жира [80]; 0,035 Вт/(мК) – для прочих компонентов, в том числе и лактозы; Vk – объем, занимаемый компонентом; V – полный объем продукта. Коэффициент температуропроводности определяли по общеизвестной формуле: a где , cp (9) – коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(мК); cp – изобарная удельная теплоемкость, Дж/(кгК); 3 - плотность продукта, кг/м . Результаты расчетов представлены в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Теплофизические характеристики творожной сыворотки Показатель Удельная Коэффициент Коэффициент теплоемкость, теплопроводности, температуро- кДж/(кгК) Вт/(мК) проводности, м2/с 4,017 0,57 12,9·10-8 Таким образом, творожная сыворотка содержит 6,42% сухих веществ, среди которых 0,83% составляет белок и 4,4% лактоза. В исходном сырье были обнаружены типичные фракции белков, преобладающим из которых являлся βлактоглобулин 0,5% и лактоза 4,4% по массе сыворотки. Процесс льдообразования в сыворотке начинается при температуре -0,72° С. Величина удельной теплоемкости творожной творожной сыворотки составляет 66 4,017 кДж/(кгК), а коэффициенты тепло- и температуропроводности равны соответственно 0,57 Вт/(мК) и 12,9·10-8 м2/с. 3.2. Исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе Творожная сыворотка является сырьем с низким содержанием сухих веществ – 6,42%. В связи с этим возникает необходимость в ее криоконцентрировании для максимального обеспечения сохранности белкового компонента, и разделения еѐ на компоненты [84]. Творожная сыворотка подвергалась вымораживанию при температурах хладоносителя -2, -4 и -6º С. Каждый час проводился замер количества оставшегося незамерзшего раствора в рабочей емкости. Величину образующегося льда в процентном соотношении от общего исходного раствора рассчитывали по формуле: mл где m0 m р m0 100% , (10) mл – масса образующегося льда, %; m0 – масса исходного раствора, г; mр – масса незамерзшего раствора в данный момент. Опыт проводили в течении двенадцати часов. В результате были получены графики изменения количества образующегося льда на стенках сосуда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки, которые представлены на рисунке 3.4. При вымораживании в течении двенадцати часов при температурах хладоносителя -2, -4 и -6° С, образовывалось 48, 70 и 90% льда соответственно. Из полученных графиков следует, что чем ниже температура хладоносителя, тем более линейный характер имеет процесс льдообразования. Для более детального 67 изучения данного явления была рассчитана скорость вымораживания льда в течение каждого часа разделительного вымораживания по следующей формуле: vi где mi mi 1 , (11) vi – скорость образования льда в i-час, г/час; mi – масса вымороженного льда в i-час, г; τ – время (1 час). 100 в 90 Выморожено, % 80 б 70 60 а 50 40 30 20 10 0 0 Рисунок 3.4 - 2 4 6 Время, час 8 10 12 Массовая доля образующегося льда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температурах хладоносителя а (-2), б (4), в (-6)° С По графикам представленным на рисунке 3.4 было получено уравнение регрессии, определяющее количество вымороженной влаги % в течении 12 часов при температурах 2, 4, 6° С. 68 v 0,963 t 0,009t 2 0,456t 0,185 7,144 0,45 2 , где (12) v– массовая доля вымороженного льда, %; τ – время от начала процесса кристаллизации, час; t – температура хладоносителя от -2 до -6° С. Результаты расчетов массовой доли вымороженного льда, определенные по формуле (12) приведены на рисунках 3.5, 3.6. Кол-во вымороженной влаги, % Температура t, °С Время τ, час Рисунок 3.5 – Массовая доля вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса Температура t, ° С 69 Время τ, час Рисунок 3.6 – Линии уровня для определения массовой доли вымороженного льда в зависимости от продолжительности и температуры разделительного вымороаживания Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений массовой доли вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса, представлены на рисунке 3.7. 70 100 в Вымороженно льда, % 90 80 б 70 60 а 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.7 – Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений массовой доли вымороженного льда при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса. Температурные уровни процесса разделительного вымораживания: -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) Графики изменения скорости льдообразования в процентном соотношении к общей массе раствора представлены на рисунке 3.8. Из графиков, представленных на рисунке 3.8, следует, что при температуре хладоносителя -2 и -4° С наибольшая скорость льдообразования наблюдается в первый час процесса разделительного вымораживания и равна соответственно 9 и 11,4%/час. В дальнейшем наблюдается постоянное снижение скорости намерзания льда. В случае, когда температура хладоносителя составляла -6° С, наблюдалась наибольшая скорость намораживания льда, которая составила 14,3%/час. На протяжении последующих 10-11 часов данная характеристика снижается практически до 2%/час. 71 16 Скорость льдообразования, %/чаc 14 в 12 б 10 а 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.8 - вымораживания Скорость творожной льдообразования сыворотки в процессе при разделительного температурах процесса: -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в), %/час Уменьшение скорости льдообразования на протяжении процесса кристаллизации обусловлено тем, что по мере нарастания льда на стенках сосуда термическое сопротивление между хладоносителем и незамерзшим на теплообменной поверхности льдом повышается, что снижает эффективность отвода теплоты и, соответственно, уменьшает скорость намораживания льда. Для исследования процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки рефрактометрическим методом была установлена зависимость между содержанием сухих веществ в сыворотке и еѐ степенью преломления. Результаты представлены на рис. 3.9. 72 1,46 Показатель преломления 1,44 1,42 1,4 1,38 1,36 1,34 1,32 1 2 3 4 5 6 7 Сухие вещества, % Рисунок 3.9 - Зависимость коэффициента преломления от массовой доли сухих веществ в творожной сыворотке и еѐ концентрате Между содержанием сухих веществ и коэффициентом преломления в творожной сыворотки была установлена практически линейная зависимость, которая может быть выражена следующим уравнением: С 1295,7n2 3989,2n 3015 , где (13) С – концентрация сухих веществ в творожной сыворотке, %; n – коэффициент преломления. С целью выявления рациональной температуры разделительного вымораживания сыворотки производилось измерение содержания сухих веществ в ходе кристаллизации через каждый час. На рисунке 3.10 представлен график изменения содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки при различных температурах хладоносителя до 60% вымораживания влаги. 73 Содержание сухих веществ в концентрате, % 7,5 7 а б 6,5 в 6 5,5 5 4,5 4 3,5 0 2 4 6 Время, час 8 10 12 Рисунок 3.10 - Графики содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки, в процессе разделительного вымораживания при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) Характер кривых, представленных на рис. 3.10 зависит от множества факторов, на которые стоит обратить внимание. По литературным данным при медленном замораживании образуются правильно упорядоченные кристаллические структуры гексагональной формы. При более высоких скоростях заморозки формируются структуры типа неправильных дендритов и сферулитов, что приводит к более интенсивному захвату молекул растворенного вещества образующейся кристаллической фазой [80]. По графикам, представленным на рисунке 3.10 было получено уравнение регрессии, позволяющее определить массовую долю сухих веществ в зависимости от температуры и продолжительности процесса: s s 0,7 t 0,024t 2 0,155t 3,767 0,012 0,011 2 , где s – содержание сухих веществ, %; τ – время от начала процесса кристаллизации, час; (14) 74 t – температура хладоносителя от -2 до -6° С. Результаты расчетов массовой сухих веществ, определенные по формуле (14), приведены на рисунках 3.11, 3.12. Массовая доля сухих веществ, % Температура t, ° С Время τ, час Рисунок 3.11 – Массовая доля сухих веществ при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса Количество сухих веществ при разделительном вымораживании сыворотки с вымерзанием влаги до 60%, в зависимости от времени и температуры хладоносителя представлено на рисунке 3.12. Температура t, ° С 75 Время τ, час Рисунок 3.12 – Линии уровня для определения массовой сухих веществ в зависимости от продолжительности и температуры разделительного вымороаживания творожной сыворотки Графики соответствия экспериментальных данных и расчетных значений приведен рисунке 3.13, где точками отражены экспериментальные данные, линиями – графики, построенные из уравнения (14). Температура хладоносителя -4° С была оптимальным режимом разделительного вымораживания творожной сыворотки. При этом режиме содержание сухих веществ в незамерзшей части раствора было выше, чем при других исследованных температурных режимах. 76 8 7,5 б Cодержание сухих веществ, % 7 а 6,5 в 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.13- Графики соответствия экспериментальных данных и расчетных значений определяющие содержание сухих веществ в % при вымерзании влаги до 60%, при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) В течение первых 6 часов при более низких температурах концентрирования содержание сухих веществ в незамерзшем объеме было больше, что обусловлено большей степенью вымораживания влаги. Однако, в дальнейшем скорость концентрирования при более высокой температуре была выше вследствие меньшей скорости образования льда. При 60% вымороженной влаги при криоконцентрировании творожной сыворотки содержание сухих веществ в концентрате составляло 7%; 7,5% и 6,1% при температурах хладоносителя соответственно -2, -4 и -6° С. 77 По данным, представленным на рис. 3.10 была рассчитана скорость изменения концентрации сухих веществ по следующей формуле: vi где Ci Ci 1 , (15) vi – скорость изменения концентрации в i-час времени, %/час; Ci – концентрация незамерзшего раствора в i-час времени, %. Результаты расчетов скорости концентрирования представлены в виде графиков на рис. 3.14. Скорость концентрирования, %/час 0,6 в 0,5 б 0,4 а 0,3 0,2 0,1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.14 - Графики скорости изменения содержания сухих веществ незамерзшей части разделительного концентрата вымораживания, -2° С (а), -4° С (б), -6° С (в) творожной при сыворотки температуре в процессе хладоносителя 78 В первый час скорость концентрирования, как показано на рисунке 3.14 стремительно возрастала и составила при: -2° С, - 0,14%/час, -4° С - 0,24%/час, -6° С - 0,32%/час ° С, но после наблюдалось плавное возрастание это связанно с термическим сопротивлением льда. Исходя из уравнения баланса: н mн л mл к mк , где (16) н – концентрация сухих веществ в исходном растворе, %; л – концентрация сухих веществ во льду, %; к – концентрация сухих веществ в незамерзшей части раствора,%; mн – масса исходного раствора, г; mл – масса образовавшегося льда, г; mк – масса незамерзшего концентрата, г; Было определено содержание сухих веществ во льду по формуле: л н mн к mк mл , (17) На рис. 3.15 изображен график изменения содержания сухих веществ в образующемся льду. Данный график имеет относительных характер, для лучшего сравнения эффективности концентрирования была построена зависимость потерь сухих веществ (в % от начального содержания) от количества вымороженного льда рисунок 3.16. При разделительном вымораживании с температурой хладоносителя -2° С данная зависимость имела экспоненциальный характер, значительный рост потерь сухих веществ наблюдался после вымораживания 10-15% раствора. Такой рост обусловлен повышением скорости вымораживания относительно незамерзшей части раствора, а также тем, что кристаллическая фаза к концу процесса вымораживания схватывает молекулы растворенного вещества из раствора с большей концентрацией. Кривая при температуре хладоносителя -6° С (в) имела более линейный характер, существенный рост скорости потерь сухих веществ 79 происходил после первого часа вымораживания. В случае когда разделительное вымораживание проходило при температуре хладоносителя равной - 4° С кривая потери сухих веществ (б) заняла среднее положение между кривых (а) и (в). 6 в Сухие вещества во льду, % 5 б 4 3 а 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.15 - Графики содержания сухих веществ в образующемся льду в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) Для определения общей эффективности разделительного вымораживания творожной сыворотки, учитывающей степень концентрирования (φ=Cк/Cн), количество получаемого концентрата и образующейся влаги, а также величину потерь водорастворимых веществ был использован критерий эффективности ε, представляющий собой отношение количества концентрата, получаемого в реальном процессе с учетом потерь сухих веществ к теоретически возможному 80 при той же степени концентрирования, рассчитываемый следующим образом [82]: где Cк Сн Сw , Сн Cк Cw (18) Cк – концентрация сухих веществ в незамерзшем растворе,%; Cн – концентрация сухих веществ в исходном растворе,%; Cw – концентрация сухих веществ в кристаллизованной фазе,%. 50 45 Потери сухих веществ, % 40 б в 35 30 а 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Время, час Рисунок 3.16 - Зависимость потерь сухих веществ творожной сыворотки от степени вымораживания при температурах хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) На рис. 3.14 представлена зависимость критерия эффективности ε от степени концентрирования творожной сыворотки при различных температурах 81 хладоносителя. Степень концентрирования определялась как отношение содержания сухих веществ в сывороточном концентрате к содержанию сухих веществ в творожной сыворотке. При температурах хладоносителя -2, -4 и -6° С критерий эффективности плавно снижается до определенной точки, при -2° С, по достижению 40% вымороженной влаги ε = 0,8 , при -4° С соответственно когда 50% выморожено ε = 0,74 и при -6° С количество вымороженной влаги составляет 47%, ε = 0,6. После выше описанных точек критерий эффективности резко снижается. 1,1 Критерий эффективности ε 1 0,9 0,8 0,7 0,6 б в а 0,5 0,4 0 10 20 30 40 50 60 70 Выморожено, % Рисунок 3.17 - Зависимость критерия эффективности ε от степени концентрирования творожной сыворотки при температурах хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) 82 Таким образом, анализируя вышеприведенные результаты исследований, можно заключить: разделительное вымораживание творожной сыворотки следует проводить при температуре -4° С, что обеспечивает наибольшую степень концентрирования и соответственно, наименьше потери сухого вещества, но продолжительность процесса при данной температуре является большой. для оптимизации времени разделительного вымораживания творожной сыворотки и потери сухих веществ оптимальной температурой можно считать -4° С. Для снижения потерь сухих веществ, повышения степени концентрирования, а также разработки технологии безотходной переработки сыворотки, необходимо повторно концентрировать талую воду. 3.3. Определение оптимальных режимов разделительного вымораживания Оптимальным режимом разделительного вымораживания творожной сыворотки можно назвать такой режим, который обеспечивает экономически целесообразную максимальную производительность сывороточного белка и концентрата лактозы относительно небольшого времени, при минимальном содержании сухих веществ в растворителе т.е. талой воде. Наилучший режим включает в себя оптимальную температуру хладоносителя, время выдержки в криоконцентраторе, температуру исходного раствора, и степень волнообразности температуры при вымораживании. Для того чтобы определить необходимые параметры концентрирования творожной сыворотки вымораживанием, в главе третей, пункте втором производились исследования процессов разделительного вымораживания сыворотки. Исходя из показателей, оптимальный режим концентрирования желательно проводить при температуре -2° С, что обеспечивает наибольшую степень концентрирования и соответственно, наименьше потери сухого вещества, но 83 продолжительность процесса при данной температуре является большой. для оптимизации времени разделительного вымораживания творожной сыворотки и потери сухих веществ оптимальной температурой можно считать -4° С. Для снижения потерь сухих веществ, повышению степени концентрирования, а также разработки технологии безотходной переработки сыворотки, необходимо повторно концентрировать талую воду. 3.4. Процессы выделения белка из творожной сыворотки В ходе экспериментальных исследований было обнаружено, что если задавать волнообразный характер изменения температуры хладоносителя, то на дне рабочей емкости выпадает белковый осадок. Это объясняется тем, что если температура хладоносителя стабильна, то в разделяемом продукте образуется стационарное поле температур и, соответственно, стационарный температурный градиент. Градиент температуры является движущей силой процесса разделения: молекулы воды перемещаются к поверхности, на которой происходит льдообразование, а растворенные компоненты выталкиваются в центральную часть емкости, где находится незамерзший раствор. Механизм процесса роста кристаллов льда на границе раздела двух сред представлены на рисунке 3.18 [84]. Достигнув граничной поверхности, молекулы воды образуют молекулярный слой. Для перехода в твердую фазу им необходимо преодолеть определенный энергетический барьер. Одновременно с переносом массы происходит непрерывный перенос тепла, поскольку на граничной поверхности имеет место отбор тепла кристаллизации. Если задать определенный волнообразный характер изменения температуры хладоносителя, то в разделяемом продукте возникает нестационарное поле температур и величина температурного градиента или даже его направление меняется по заданному закону. В этом случае на теплообменной поверхности 84 происходит намерзание льда, а растворенные коллоидные компоненты, к которым относятся сывороточные белки, поскольку отсутствует устоявшийся режим движения белковых мицелл, коагулируют и выпадают из раствора. Рис. 3.18.- Механизм процесса роста кристаллов льда на границе раздела двух сред Для определения технологических режимов, при которых происходит выпадение белкового осадка были проведены эксперименты по вымораживанию творожной сыворотки при различной амплитуде изменения температуры хладоносителя (Δt). Период изменения температуры при этом составлял 60 мин. На рисунке 3.19 представлены графики температуры хладоносителя в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при различных значениях Δt, а на рисунке 3.20 – количество выпадаемого белка при этом. Установлено, что на протяжении разделительного вымораживания творожной сыворотки скорость выпадения белка повышалась. Наибольшее количество образующегося белка через 8 часов процесса вымораживания (3,1% от всей массы сыворотки) наблюдалось в случае, когда амплитуда изменения 85 температуры хладоносителя составляла 1° С. В случае, когда Δt составляло 0,5 и 1,5° С это значение было равно соответственно 2,8 и 2,6%. 5 4 3 Температура, ⁰С 2 1 0 -1 -2 в -3 б а -4 -5 8:00 7:30 7:00 6:30 6:00 5:30 5:00 4:30 4:00 3:30 3:00 2:30 2:00 1:30 1:00 0:30 0:00 -6 Время, час. Рисунок 3.19 – Графики температуры хладоносителя в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при Δt равным 0,5° С (а), 1° С (б) и 1,5° С (в) Далее были проведены эксперименты по вымораживанию творожной сыворотки при периоде изменения температуры хладоносителя в 10, 30 и 60 мин. 86 Количество выпавшего белкового осадка от общей исходной массы творожной сыворотки в зависимости от скорости изменения температуры (-3,5…4,5° С), представлено на рис. 3.21. 3,5 3 Массовая доля белкового осадка, % 2,5 б 2 а в 1,5 1 0,5 0 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 Время, час Рисунок 3.20 - Количество выпадающего белкового осадка в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при Δt равным 0,5° С (а), 1° С (б) и 1,5° С (в) В случае, когда период изменения температуры составлял 10 мин. количество белкового осадка через 11 часов процесса составляло 4,4% от исходной массы сыворотки. Повышение периода до 30 мин. влекло за собой 87 увеличение доли белкового осадка до 4,8%. Дальнейшее повышение периода до 60 мин. характеризовалось снижением данного показателя до 4,4%. Таким образом, наиболее рациональным периодом изменения скорости для выпадения сывороточных белков был выбран период в 30 мин. 5 4,5 Массовая доля белкового осадка, % 4 3,5 3 б 2,5 в 2 а 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 4 час Время, 5 6 7 8 Рисунок 3.21 - Количество выпадающего белкового осадка в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при периоде изменения температуры в 10 (а), 30 (б) и 60 (в) мин. Для определения белковых составляющих выпадаемого осадка был проведен электрофорез в полиакриламидном геле, который позволил выявить несколько фракций белков (рис. 3.22). 88 Рисунок 3.22 - Результаты электрофореза выпадающего сывороточного белка 89 Содержание фракций в белковом осадке по результатам электрофореза представлено в таблице 3.5. Таблица 3.5- Фракции белкового осадка № Молекулярная масса, Содержание, % полосы кДа 1 32,4 52,5 2 27,1 24,8 3 26,3 4,3 4 23,8 1,5 5 18,4 10,9 6 15,1 3,2 7 12,7 2,8 В выпадаемом осадке было обнаружено 7 фракций белка с различной молекулярной массой. Высокомолекулярные фракции (26,3-32,4 кДа) соответствуют казеину, содержание которого составляло 81,6%. Белки с молекулярными массами 18,4 кДа и 12,7-15, кДа соответствуют β-лактоглобулин и α-лактоальбумину, содержание которых от общего белка составляло 10,9 и 6,0% соответственно [20]. Таким образом, было установлено, что вымораживать творожную сыворотку целесообразно при температуре -4° С, при этом необходимо задавать волнообразный характер изменения температуры в пределах (-3,5…-4,5)° С с периодом в 30 мин. Данный режим обеспечивает выпадение белкового осадка в количестве 4,2% от исходной массы сыворотки. 90 3.5. Физико-химические, теплофизические, органолептические и микробиологические показатели продуктов белка творожной сыворотки С целью исследования анализа качества физико-химических, микробиологических полученного белка теплофизических, характеристик. были проведены органолептических Органолептические и показатели сывороточного белка представлены в таблице 3.6. Таблица 3.6 - Органолептические показатели белка полученного из творожной сыворотки Цвет Белый с кремовым оттенком, однородный по всей массе Внешний вид и консистенция Вкус и запах Мягкая влажная, с наличием Чистые, кисломолочные, ощутимых частиц молочного без посторонних белка привкусов и запахов Полученный сывороточный белок обладал чистым кисломолочным запахом без посотонних примесей, а также кремовым оттенком. Пищевая и энергетическая ценность продуктов, получаемых из творожной сыворотки приведена в таблице 3.7. 91 Таблица 3.7 - Пищевая и энергетическая ценность продуктов, получаемых из творожной сыворотки Содержание основных пищевых веществ в 100 г продукта Энергети- Органические Компонент Вода Белки Углеводы (лактоза) ческая кислоты в расчете на Зола молочную ценность, ккал кислоту Белок Концентрат лактозы 46,0 48,0 1,8 1,5 1,9 100,0 82,5 4,2 12,6 1,8 0,7 96,4 81,8 2,7 1,6 1,2 4,5 21,3 Концент. творожная сыворотка Теплофизические характеристики продуктов, получаемых из творожной сыворотки представлены в таблице 3.8 Таблица 3.8 – Теплофизические характеристики продуктов, получаемых из творожной сыворотки Компонент Удельная Коэффициен Коэффициент Плотность, теплоем- т теплопро- температуро- p, кг/м3 кость, с, водности, λ, проводности, Дж/(кг·К) Вт/(м·К) а·10-8 м2/с Белок 1050 3265 0,31 6,4 Концентрат лактозы 1038 3903 0,53 13,0 1036 3792 0,29 6,2 Концент. творожная сыворотка 92 Микробиологические показатели продуктов, получаемых из творожной сыворотки представлены в таблице 3.9. Таблица 3.9 - Микробиологические показатели продуктов, получаемых из творожной сыворотки Фактически Допустимые Показатель уровни, мг/кг (л, дм3), не Белок более Дрожжи / плесени 100 / 50 Стафилококки 0,1 Концентрат лактозы Концент. творожная сыворотка 20/10 25/20 25/10 не не не обнаружено обнаружено обнаружено Бактерии группы кишечной 0,001 палочки не не не обнаружено обнаружено обнаружено (колиформы) Патогенные микроорганизм ы, в т.ч. не 25 не не обнаружено обнаружено обнаружено сальмонеллы Результаты анализов свидетельствуют о том, что продукты получаемые из творожной сыворотки по микробиологическим показателям удовлетворяет требованиям СанПИН. Общая бактериальная обсемененность сывороточного белка составила 1,2·104 КОЕ/г. Помимо микробиологических свойств необходимо также учитывать наличие токсичных элементов в сывороточном белке. В таблице 3.9 приведено содержание таких токсичных элементов как мышьяк, свинец, кадмий и ртуть. 93 Содержание токсичных элементов в продуктах, получаемых из творожной сыворотки представлены в таблице 3.10 Таблица 3.10 - Содержание токсичных элементов в продуктах, получаемых из творожной сыворотки Токсичный элемент Допустимые уровни, мг/кг (л, дм3), не более Фактически, мг/кг Белок Концентрат лактозы Концент. творожная сыворотка Свинец 0,06 Менее 0,05 Менее 0,01 Менее 0,01 Мышьяк 0,15 Менее 0,1 Менее 0,1 Менее 0,1 Кадмий 0,06 Менее 0,05 Менее 0,05 Менее 0,05 Ртуть 0,015 Менее 0,01 Менее 0,01 Менее 0,01 0,55 0,31 0,12 0,18 0,33 0,12 0,08 0,15 Пестициды в пересчѐте на жир: Гексахлорциклоге ксан (альфа-, бета, гамма-изомеры) ДДТ и его метаболиты 94 3.6. Определение сроков и условий хранения сывороточного белка Результаты исследований позволяют установить срок хранения. Белок сывороточный хранят в холодильных камерах при температуре не выше 8° С и влажности воздуха 80—85%. Его размещают по партиям выработки. В камерах поддерживают строгий санитарный режим и не допускают значительных колебаний температуры. Гарантийный срок хранения белка составляет 36 ч с момента окончания технологического процесса, в том числе на предприятии не более 18 ч. Чтобы сывороточный белок выдержал длительное, в течение нескольких месяцев, хранение, его замораживают. При замораживании белка большой массой (например, в бочках) при температуре выше минус 20° С процесс будет идти медленно, с образованием крупных кристаллов льда. Такой белок после размораживания резко снижает свое качество. Крупные кристаллы льда превращаются в значительные капли влаги, которые не способны равномерно распределиться и частично вытекают из белка. Продукт приобретает крупитчатую консистенцию. Чтобы избежать этих недостатков, предложенно белок перед замораживанием фасовать в виде брикетов массой 0,5 кг. Брикеты и блоки с белком упаковывают в бумагу, покрытую полиэтиленовой пленкой. Замороженный белок укладывают в картонные ящики и направляют для длительного хранения в камеры с температурой воздуха не выше минус 18° С. При постепенном размораживании брикетов и блоков белка из него не вытекает влага и не происходит значительных изменений его структуры. Режимы и сроки хранения сывороточного белка, с момента выработки представленны в таблице 3.11. 95 Таблица 3.11 - Режимы и сроки хранения сывороточного белка, с момента выработки Температура, Срок хранения, не Название продукта °С более Сывороточный белок не замороженный 36 час. 4 -8 Сывороточный белок замороженный в мелкой 4 мес. -18 фасовке В данной главе была разработана математическая модель, описывающая процесс льдообразования и изменение содержания сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания сыворотки при температуре хладоносителя от -2 до -6° С, получены уравнения, позволяющие рассчитать теплофизические характеристики, количество образующегося льда, его толщину и концентрацию раствора в зависимости от продолжительности процесса. Также были созданы уравнения которые дают возможность рассчитать продолжительность процесса разделительного вымораживания, необходимую для получения раствора заданной степени концентрации. Помимо того для анализа качества полученного белка были проведены исследования физико-химических, теплофизических, органолептических и микробиологических характеристик, также были определены сроки и условия хранения сывороточных белков. Глава4 Практическая реализация результатов исследований 4.1 Разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки Схема производства концентрата лактозы и сывороточного белка методом разделительного вымораживания представлена на рисунке 4.1. Творожная сыворотка использовалась в соответствии с ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». Далее творожная сыворотка охлаждается до температуры 4° С, после чего направляется в криоконцентратор емкостного типа для разделительного вымораживания, при котором создается волнообразный характер изменения температуры. В результате чего система теряет вначале агрегативную, а затем и седиментационную устойчивость. Сывороточные белки выпадают в осадок. По окончании процесса вымораживания сливается концентрат сыворотки, а белок направляется на производство молочных продуктов. После удаления белка вымороженный лед с содержанием лактозы расплавляется и в жидком виде направляется на повторное разделительное вымораживание с более высокой температурой хладоносителя. После этого водный концентрат лактозы сливается и герметично упаковывается в пастеризованную стеклянную тару. Намороженный лед плавится и удаляется из емкостного криоконцентратора. Полученные продукты характеризуются высокой степенью чистоты и могут использоваться для производства молочных продуктов на основе сывороточного белка. 97 Творожная сыворотка Охлаждение до t=4° С Разделение вымораживанием, с созданием волнообразного характера температур, при котором выпадает осадок в виде белка Концентрированная сыворотка(39,31%): Вода≈93,6% Лактоза≈0,9% Примеси≈5,5% Вымораживание лактозы при стационарном поле температур (t=-4°С, τ=8 ч.) Водный концентрат лактозы (58,96%): Лактоза≈6,86% Вода≈92,5% (1,72%) Белок: Вода≈46% Белок≈48% Лактоза≈1,8% Плавление льда (t=5° С, τ=2 ч.) Вторичное вымораживание лактозы при стационарном поле температур (t=-2° С, τ=10 ч.) Вода для технологических нужд (52%): Вода≈98,2% Лактоза≈1,8% Концентрат лактозы(48%): Лактоза≈12,2% Вода:87,8% Фасовка и упаковка Производство молочных продуктов на основе сывороточного белка Рисунок 4.1 - Технологическая схема производства концентрата лактозы и сывороточного белка 98 4.2 Расчет экономических показателей производства концентрата лактозы и сывороточного белка При расчете себестоимости производства концентрата лактозы и сывороточного белка учитывалось количество выделяемого компонента на одну тонну готового продукта. В таблице 4.1 приведены затраты на сырье при выработке вышеперечисленных продуктов. Таблица 4.1 - Стоимость сырья при производстве концентрата лактозы и сывороточного белка Наименование Количество творожной сыворотки на 1 т продукта, кг Оптовая цена с учетом НДС, руб./кг Затраты на 1 т. продукта, руб. Количество 58 000 1,5 87 000 При расчете энергетических затрат учитывался расход электроэнергии на работу холодильной машины криоконцентратора, насосы, мешалку и упаковочную машину, эти данные приведены в таблице 4.2. Тариф на электроэнергию (1,92 руб/кВт·час) был выбран с учетом того, что для юридических лиц в среднем стоимость электроэнергии складывается из следующих пунктов: - услуги по передаче - 50%; - средневзвешенная нерегулируемая цена покупки электроэнергии на оптовом рынке - 40%; - сбытовая надбавка - 8%; - платы за услуги - 2%. 99 Таблица 4.2 – Энергетические затраты при производстве концентрированной творожной сыворотки и сывороточного белка Оборудование Энергозатраты, кВт·ч/1 т Стоимость, руб. Сывороточный белок Холодильная машина 6786 13029 Насосы 380,9 742,8 Мешалка 49,2 94,4 Упаковочная машина 2,5 4,8 Итого: 7218,628 Концентрат лактозы 13859,77 Холодильная машина 2106 4043,52 Насосы 118,2 227 Мешалка 15,3 29,3 Упаковочная машина 3,3 6,3 Итого: 2242,8 4306,1 При производстве концентрата лактозы и сывороточного белка наибольшие энергетические затраты составляет холодильная машина криоконцентратора – порядка 93% от общих энергетических затрат. Энергетические затраты, приведенные в таблице 4.2 могут варьировать в небольшом диапазоне в зависимости от конкретного оборудования. Реальная структура себестоимости производства одной тонны сывороточного белка и концентрата лактозы приведена в таблице 4.3. Ценны на сырье, электроэнергию, упаковку, транспортировку, а также зарплата приведенные в таблице брались усредненные, из электронных источников, поэтому расчет себестоимости производства 1 т. сывороточного белка и концентрата лактозы является приблизительным и может варьироватся в зависимости от регионов и тарифов. 100 Таблица 4.3 - Реальная структура себестоимости производства одной тонны сывороточного белка и концентрата лактозы Удельный вес, % Полная себестоимость, руб. концентрат Сывороточный концентрат Сывороточный лактозы белок лактозы белок 36,92 77,05 10248,63 104886,67 -- 63,91 --- 87000 15,29 0,18 4245,05 245,05 15,51 10,18 4306,1 13860 6,12 2,77 1697,48 3781,62 отчислениями 45,38 18,19 12596,10 24729,91 Амортизация 6,7 100,0 1,97 100,0 1858,69 2683,89 27758,86 136126,90 Статья затрат Материальные: сырье упаковка энергетические транспортные Зарплата с Всего Таким образом, реальная себестоимость 1 т. сывороточного белка и концентрата лактозы составляет порядка 136126,90 руб. и 27758,86руб. соответственно. При этом наибольшую долю затрат составляет сырье 63,91% соответственно. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате экспериментальных и теоретических исследований были получены следующие результаты и сформулированы выводы: 1. Установлено, температур в сочетании что с волнообразный разделительным характер изменения вымораживанием поля творожной сыворотки, реализуемым в криоконцентраторе емкостного типа, способствует коагуляции и выпадению в осадок сывороточных белков. Наиболее интенсивная коагуляция сывороточных белков наблюдалась при следующих параметрах переменного поля температур: амплитуда 1 С, период 30 минут, средняя температура теплообменной поверхности минус 4 С. 2. Доказано, что эффективность разделительного вымораживания снижается при повышении скорости кристаллизации раствора, а также с увеличением массовой доли вымороженного льда. Разделительное вымораживание творожной сыворотки целесообразно проводить при температуре хладоносителя минус 4° С в два этапа: в течение 7 часов до достижения 50% вымороженного льда с концентратом лактозы и осажденным белком, с последующим концентрированием в течение 5 ч. до достижения 30% вымороженного льда. 3. Выявлены зависимости, описывающие процесс льдообразования и изменение содержание сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температуре хладоносителя от минус 2 до минус 6° С. 4. Исследованы органолептические сывороточных белков. и физико-химические, микробиологические теплофизические, показатели концентратов 102 5. Определены сроки и условия хранения концентрата сывороточных белков: - для охлажденного сывороточного белка при температуре (4÷8)° С не более 36 часов; - для замороженного сывороточного белка при температуре минус 18° С не более 4 месяцев; 6. Разработана сывороточного производства белка одной технологическая и концентрата тонны схема лактозы. концентрата выделения Рассчитана сывороточного концентрата себестоимость белка, а также получаемые при этом 28 тонн 12% раствора лактозы. Себестоимость полученных продуктов по ценам 2013 года составила: для концентрата сывороточных белков 136,0 тысяч рублей за тонну (с учетом стоимости исходной сыворотки), для концентрата лактозы одна тысяча рублей за тонну, при этом при получении 1 тонны концентрата сывороточного белка получается 28 тонн 12% раствора лактозы. Список литературы 1. Качество и безопасность продукции в рамках гармонизации государственной политики в области здорового питания населения: Коллективная монография / ФГБОУ ВПО «СПбГТЭУ»; под общ. ред. Н.В. Панковой. – СПб.: Изд-во «ЛЕМА», 2012. – 370 с. 2. Храмцов, А.Г. Феномен молочной сыворотки / А.Г. Храмцов. – СПб.: Профессия, 2011. – 804с. 3. Кравченко, Э.Ф. Экологические и экономические аспекты переработки молочной сыворотки [Текст] / Э.Ф. Кравченко / Молочная промышленность. – 2006. -№ 6. 4. Онлайн новости МИР NEWS [электронный ресурс].- режим доступа : http://mir-news.com/20169-oon-12-procentov-lyudey-v-mire-ne-doedayut.html 5. Петухова Р.С., Ресурсосберегающие технологии в производстве поликомпонентных продуктов питания специализированного назначения/ Р.С. Петухова, О.С. Грушина, А.И. Морозов// Ползуновский вестник №2/1 2011.режим доступа: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv2011_02_1/pdf/177petuhova. 6. Гаппаров, М.М. Современные подходы к оптимизации питания населения на региональном уровне / М.М. Гаппаров // В кн. «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания»: Тезисы докладов международного симпозиума. – Кемерово, 2002. – С.3-5. 7. Люблинский, С.Л. Перспективы комплексной переработки молочной сыворотки в России [Текст] / С.Л. Люблинский // Переработка молока, 2002 №2, С. 26. 8. Донченко Л. В., Надыкта В. Д. Безопасность пищевой продукции/ Л.В. Донченко, В.Д. Надыкта. - М.: Пищепромиздат, 2001. – 525с. 9. Цыганова, Т.Е. Экология, стресс и пищевые добавки / Т.Е. Цыганова, О.П. Тараканов // Пищевая промышленность. – 1996. – № 12. – С. 16–18. 104 10. Распоряжение Правительства РФ от 17 апреля 2012 г. N 559-р О Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 г. 11. Витамины круглый год /К.С.Петровский, Д.П.Белоусов, А.С.Беляев, Н.Н.Смирнова. – М., 1985. – 96с. 12. Павлоцкая Л.Ф. и др Физиология питания: Учеб. для технол. и товаровед. фак. торг. вузов/ Л.Ф.Павлоцкая, Н.В. Дуденко, М.М. Эйдельман. – М.: Высш. Шк., 1989.- 368 с.: ил. 13. Шевелев, К. Сыворотка как ценный субпродукт/К. Шевелев//Молочная промышленность.- 2005.-№1. 14. Ельчанинов, В.В. Номенклатура и биохимические свойства основных сывороточных белков коровьего молока. Альфа-альбумин и сывороточный альбумин / В.В. Ельчанинов//Сыроделие и маслоделие.-2009.-№5.-С. 50-52. 15. Остроумов Л.А. Использование сывороточных белков в продуктах питания/Л.А. Остроумов, Ю.В. Леоненко, И.С. Разумникова, В.П. Емелин// Молочная промышленность.-2007.-№4. 16. Токаев Э.С. Сывороточные белки для функциональных напитков/Э.С. Токаев, Е.Н. Баженова, Р.Ю. Мироедова//Молочная промышленность.-2007.-№10 17. Кравченко Э.Ф. Состав и некоторые функциональные свойства белков молока/Э.Ф. Кравченко, Ю.Я. Свириденко, Н.В. Плисов//Молочная промышленность.-2005.-№11.-С.42-44. 18. Иванов В.Л. Совершенствований технологий молочных продуктов на основе Электрофоретического изучения белков молока/В.Л. Иванов, П.А. Лисин, Н.А. Нагибина; Под ред. В.Л. Иванова: Монография.- Омск: Изд-во ОмГАУ, 2003.-156с. 19. Мельникова, Е.И. Исследование биотехнологического потенциала творожной сыворотки: модификация химического состава, прогнозирование качества и новые технологические решения: дис… докт. техн. наук: 05.18.04, /Мельникова Елена Ивановна.-М., 2007.-458с. 105 20. Короткий И.А. Исследование процессов выделения белков и лактозы ииз молочной сыворотки/ И.А. Короткий, П.А. Гунько, Т.З. Валиахметов// Техника и технология пищевых производств.-2014.-№ 1 (32).- С44-48. 21. Храмцов А.Г. Промышленная переработка вторичного молочного сырья / А.Г. Храмцов, С.В. Василисин. М.: ДеЛи принт, 2003. -100 с. 22. Дьяченко П.Ф., Коваленко М.С., Чеботарев А.И. Технология молока и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974 г., 446 с. … М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984 г., 264 с. 23. Свириденко, Ю.Я. Экологические и экономические аспекты переработки молочной сыворотки/Ю.Я. Свириденко, Э.Ф. Кравченко, О.Я. Яковлева//Сыроделие и маслоделие.-2006.-№5. –С. 40-41 24. Бутовский, М.Э. Отходы молочного завода и их утилизация/М.Э. Бутовский//Молочная промышленность.-2009.-№6. 25. Трамберг. В. Идеи молочного рынка/В. Трамберг//Молочная река №2- 3 (34-35), 2009.- С.16-19. 26. Сенкевич, Т Молочная сыворотка: переработка и использование в агропромышленном комплексе/Т.Сенкевич, К.Х. Ридель//Пер.с нем. под ред. Липатова Н.Н.-М.: Агропромиздат.-1989.-270с. 27. Bartoletus F. Enzirlopedia hermetiro-dogmatira, Bologna, 1619. –p.168 28. Боегорд Свенд Эрик. Спрятанное сокровище / Боегорд Свенд Эрик // Переработка молока. - 2008. - № 8. - С. 14-15. 29. Храмцов, А.Г. Рациональная переработка и использование белково- углеводного молочного сырья/А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко// М.; Мол.пром-ть, 1998.-105с. 30. Драпкина Г.С. Разработка технологии сухой гранулированной молочной сыворотки методом окатывания/дис… канд. техн. наук: 05.18.04, 05.18.07//Драпкина Галина Станиславовна.- Ккемерово: КемТИПП, 2002.-94с. 31. Продукты из обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки/ Под.ред. А.Г.Храмцова и П.Г.Нестеренко.- М.: Легкая и пищевая пром-ть, 1982.396 с. 106 32. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. Изд. 2 перераб.и доп. – М.: Агропромиздат, 1990. – 240 с 33. Храмцов, сыворотки/А.Г. А.Г. Состав Храмцов, Б.О. и биологическая Суюнчева, П.Г. ценность подсырной Нестеренко, Е.В. Бельмасова//Сыроделие.-1999.-4.- С. 32-34. 34. технологии Евдокимов, И.А. молочного Научно-технические сахара/Дис…. д.т.н.: основы интенсивной 05.18.04/Евдокимов Иван Алексеевич.-М: ВНИИМП.- 1997. 35. семинара Сборник материалов «Современные международного направления переработки научно-практического сыворотки», М.:НОУ «Образовательный научно-технический центр молочной промышленности», 2006.-173с. 36. Гаврилов, Г.Б. Исследование и разработка технологий Функциональных компонентов и пищевых продуктов на основе комплексной переработки молочной сыворотки мембранными методами/Дис…. д-р. техн. наук: 05.18.04/Гаврилов Гавриил Борисович.- Ярославль, 2006.- 433с. 37. Жукова, Л.П. Исследование молочной сыворотки в производстве продуктов питания/Л.П. Жукова// Пищевая промышленность.-1996. -№11.- С. 24. 38. Храмцов, А.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки: учебное пособие/А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко.- М.:ДеЛи принт, 2004. - 584с. 39. de Wit.J.N. Lehrbuch der Molke und Molkenerzeugnisse//J.N. de Wit. – Brussel: Evropean Whey Products Association. – 2001. 40. Zadow, J.G. (1984). Lactose: Properties and uses.J.Dairy Sci.,67,2654 – 79. 41. Храмцов, А.Г. Адаптация доктрины наномембранных технологий на основе кластеров молочной сыворотки/А.Г. Храмцов//Молочная промышленность. – 2008. - №4. 42. Евдокимов И.А. Рациональность и некоторые экономические аспекты переработки сыворотки // Молочная промышленность. Украина – №2(37),2007.с.10-16 107 43. В.А. Панфилов. Системный подход к развитию машинных технологий в перерабатывающих отраслях//Изв. ВУЗов. Пищевая Технология, №1-2, 1995. – С. 98 -100 44. В.В. Червецов, Т.А. Яковлева, И.А. Евдокимов. Процессы и методы переработки молочной сыворотки. Переработка молока, № 12,2007. – С. 30-32 45. Чеботарев, Е.А. Сепарирование подсырной сыворотки: Обзорная информация/Е.А. Чеботарев, А.Г. Храмцов, О.П. Новиков.-М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1980. -22с. 46. сыворотки Молочников, для В.В. пищевой Продукты и полуфабрикаты промышленности: Обзорная из молочной информация/В.В. Молочников, П.Г. Нестеренко, Е.А. Чеботарев.- М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1983. -28с. 47. Храмцов, А.Г. Полное и рациональное использование молочной сыворотки на принципах безотходной технологии/А.Г. Храмцов, С.В. Василин, А.И. Жаринов и др. – Сраврополь: ИРО, 1997.-120с. 48. Храмцов, А.Г. Производство сгущенных концентратов молочной сыворотки: Учебное пособие/А.Г. Храмцов, П.Г. Нестеренко, Е.А. Чеботарев. – Ставрополь: ИРО, 1988. – 80с. 49. Емельянов, С.А. Санитарно-эпидемиологические аспекты влияния природных микробиоценозов окружающей среды на технологию сырья и качество продуктов животного происхождения/С.А. Емельянов. – Ставрополь: ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет», 2007. – 328с. 50. Липатов Н.Н. Мембранные методы разделения молока и молочных продуктов / Н.Н.Липатов, В.А. Марьин, Е.А. Фетисов. – М.: Пищевая промышленность. 1976. – 168 с. 51. « The Wonders of Whey… Сatch the Power» / Материалы 4-й Международной конференции по сыворотке, г. Чикаго, США 11-14 сентября 2005. Чикаго, 2005. – 400 с. 52. « Wheyvolution» / Материалы 5-й Международной конференции по сыворотке, г. Париж, Франция 2008. 108 53. Остроумова, Т.Л.Концентрирование компонентов молока ультрафильтрацией / Т.Л. Остроумова.//Молочная промышленность. – 2007. – № 3. – С. 64-65. 54. Смирнов В.Ю., Юрии В Н., Космодемьянский Ю.В. Выделение белков из молочной сыворотки. М.: МГУПБ, 1999. - 68 с. 55. Пыргару Ю.М. Интенсификация процессов электрокоагуляции сывороточных белков: Автореф. дис. д-ра техн. наук. Кишинев, 1996. - 17 с. 56. Емельянов, С.А. Бактериальная санация молочной сыворотки Текст. / С.А. Емельянов, А.Г. Храмцов, Д.Н. Лодыгин, А.Д. Лодыгин, Е.Р. Смирнов [и др.] // Молочная промышленность. 2008. - №12. - С. 37. 57. Пап Л. Концентрирование вымораживанием / Пер. с венг. под ред. О.Г. Комякова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 58. Шевельков В.В. Сгущение молока замораживанием / В.В. Шевельков, Л.В. Костыгов // Холодильная техника 1980 - № 3- С.29-30 59. Сгущение Казначеев А.И., Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г., Чеботарев Е.А, молочной сыворотки способом криоконцентрации: Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИММП, 1985. - 39 с. 60. Подгорнова Н.М., Петров С.М., Полянский К.К. Получение и использование сывороточной пасты // Мол. промышленность, 1999, № 9. С.36-38. 61. Гинзбург А.С., Савина И.М., Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. – 280 с.62. 63. Патент 214774 РФ Кл. А 23 С 21/00, 1/00. Способ получения молочной сыворотки в гранулах. – Опубл.27.01.2000 БИ.№ 4. 64. Патент 4029825 США Кл. А 23 С 21/00. Способ получения из сыворотки заменителя яичного белка. – Опубл. 14.06.1977. Бюл. ИЗР, №6. 65. Заец Н.Е., Сюр Н.И., Казаков В.И. Кинетика сушки творожной сыворотки // Молочная промышленность, 1981. - №4, С.25-28.66. 67. 21 Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевой и 109 перерабатывающей отраслях АПК: Тез.докл.республ.научно-техн.конференции. Киев. 24-26 сентября 1991 – Киев: 1991. – 300 с. 68. Пищевые продукты с промежуточной влажностью / под ред Р.Дэвиса, Г.Берча, К.Паркера. – Пер.с англ. – М.: Пищевая промышленность, 1980. – 208с. 69. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. . – М.: Пищевая промышленность,1979, – 272с. 70. Липатов Н.Н., Чеботарев Е.А. Гетерогенные свойства подсырной сыворотки: - Известия ВУЗов.- Пищевая технология, 1981, А2, с.41-43. 71. Борисов А.Т., Новиков О.П., Степанятов В.Е., Фетисов Е.А. Методы извлечения белковых веществ из творожной сыворотки: Обзорная информация. – М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1981. -20с. 72. Чеботарев Е.А., Нестеренко П.Г., Давыдяйц Л.Е., Михайлова Н.И., Чеботарева Н.Г. Вязкость молочной сыворотки и продуктов из нее. – Молочная промышленность, 1983, №2, с.26-27 73. Гинзбург А.С., Громов М.А., Кросовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. – М.: Пищевая промышленность, 1980, 228с. 74. ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». 75. Farrell, H. M., Bede, M. J., Enyeart, J. A. Binding of p-nitrophenyl phosphate and other aromatic compounds by b-LG / H. M. Farrell, M. J. Bede, J. A. Enyeart // J. Dairy Sci. – 1987. – Vol. 70 – P. 252–258. 76. Allergy to bovine beta-lactoglobulin: specificity of human IgE to tryptic peptides / I. Selo [et al.] // Clin. Exp. Allergy. – 1999. – Vol. 29, No 8. – P. 1055–1063. 77. Permyakova, E. A. Berliner, L. J. α-Lactalbumin: structure and function / E. A. Permyakova, L. J. Berliner // FEBS Lett. – 2000. – Vol. 473 – P. 269–274. 78. Markus, C. R., Olivier, B., de Haan, E. H. Whey protein rich in a- lactalbumin increases the ratio of plasma tryptophan to the sum of the other large neutral amino acids and improves cognitive performance in stress-vulnerable subjects / C. R. Markus, B. Olivier, E. H. de Haan // Am. J. Clin. Nutr. – 2002. – Vol. 75 – P. 1051–1056 110 79. Иванов, В.Л. Совершенствование технологии молочных продуктов на основе электрофоретического излучения белков молока: монография/В.Л. Иванов, П.А. Лисин, Н.А. Нагибина; Под ред. В.Л. Иванова.- Омск: Изд-во ОмГАУ, 2003.156с. 80. Гинзбург, А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник; 2-е изд., доп. и перераб. / А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 288 с. 81. Короткий, И.А. Исследование и разработка технологий замораживания и низкотемпературного хранения плодово-ягодного сырья Сибирского региона: дис. док. тех. наук: 05.18.04 / Короткий Игорь Алексеевич. – Кемерово, 2009. – 410 с. 82. Комяков, О.Г. Низкотемпературное обезвоживание жидких пищевых продуктов: Теория исследование, интенсификация: автореф. дис. док. тех. наук: 05.18.12 / Комяков Олег Геннадиевич. – Москва, 1996. – 77 с. Бессонов, A.C. Рациональные технологии переработки кислой молочной сыворотки / A.C. Бессонов, А.П. Поверий, Л. Нейодлог // Молочная промышленность. 2007. - № 11. - С. 45 83. Короткий И.А. Исследование процессов криоконцентрирования молочной сыворотки/ И.А. Короткий, П.А. Гунько, Д.Е. Федоров//Вестник КрасГАУ, выпуск 1.- Красноярск 2014.- С148 – 153. 84. : Обзорная информ. / А.Т. Борисов, О.П. Новиков, В.Е. Степанятов, Е.А. Фетисов Борисов, А.Т. Методы извлечения белковых веществ из творожной сыворотки. М.: ЦНИИТЭИ мясомолпром, 1981. - 21 с. 85. Бурыкин, А.И. Особенности сушки молочной сыворотки / А.И. Бурыкин // Молочная промышленность. 2007. - № 8. - С. 56 86. Володин, Д.Н. Бифидогенные концентраты на основе деминерализованной сыворотки / Д.Н. Володин, Р.Н. Робиков // Молочная промышленность. -2007. -№4. С.56-59 111 Гаврилов, Г.Б. Комплексная переработка сыворотки с целью 87. создания продуктов нового поколения / Г.Б. Гаврилов // Молочная промышленность. 2005. - №12. - С. 42-43 88. Горбатова, К.К. Биохимия молока и молочных продуктов / К.К. Горбатова // М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. С. 343 89. Дегтярев, В. Эффективность использования различных белковых добавок в рационах ремонтного молодняка крупного рогатого скота // Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство. 2007. -№7. - С. 22-24 90. Деминерализованная сыворотка на Алтае. // Молочная промышленность. 2007. - № 11. - С. 33 – 36 91. Евдокимов, И.А. Осветление творожной сыворотки природным полимером хитозаном /И.А. Евдокимов, C.B. Василисин, М.С. Золоторева, Е.В. Воробьев // Молочная промышленность. 2005. - №10. - С. 61-63 92. Евдокимов, переработки молочной И.А. Современное сыворотки / И.А. состояние Евдокимов и перспективы // Молочная промышленность. 2006. - №2. - С. 34-36 93. Залашко, М.В. Биотехнология переработки молочной сыворотки / М.В. Залашко. М.: Агропромиздат, 1990. - 305с. 94. Кисиль, H.H. Аминокислотные смеси из белков творожной сыворотки / H.H. Кисиль, Э.М Тер-Саркисян // Молочная промышленность. -2006. -№12.-С. 48 -52 95. Короткая, Е.В. Криоконсервирование бактериальных препаратов молочной промышленности: монография / Е.В. Короткая, А.Ю. Просеков. – Кемерово, 2010. – 160 с. 96. Короткая, Е.В. Биосенсоры на основе коллодиевых пленок: монография / Е.В. Короткая. – Кемерово, 2011. – 131 с. 97. Короткая, Е.В. Исследование влияния режимов замораживания и низкотемпературного хранения на качественные показатели молочнокислых заквасок / Е.В. Короткая, И.А. Короткий, Е.А. Ибрагимова // Вестник КрасГАУ. – 112 2011. – №7. – С. 196–200. 98. Короткая, Е.В., Коллоидно-химические аспекты и методы контроля качества пищевых продуктов / Е.В. Короткая, Н.В. Розаленок. – Кемерово, 2008. – 66 с. 99. Короткий, И.А. Применение метода двух температурно-временных интервалов для определения теплофизических характеристик пищевых продуктов и материалов / И.А.Короткий, Е.В. Короткая // Известия вузов. Пищевая технология. – 2008. – № 2-3. – С.109–111 100. Кравченко, Э.Ф. Переработка молочной сыворотки в России / Э.Ф. Кравченко, Ю.А. Незнанов // Молочная промышленность. 2006. - №6. - С. 1315 101. Просеков, А.Ю. Использование тест-систем в молочной промышленности / А.Ю. Просеков, Е.В. Короткая, К.В. Беспоместных // Молочная промышленность. – 2009. – № 11. – С. 70–72. 102. Просеков, А.Ю. Гелеобразные продукты из сыворотки и черной смородины / А.Ю. Просеков // Молочная промышленность. -2007. -№2. -С.44-47 103. Синельников,Б.М. Лактоза и ее производные / Б.М. Синельников, А.Г. Храмцов СПб.: Профессия.-2007.-768 с. 104. Ульрих, Е.В. Выделение белков и жира из молочных смывных вод/ Е.В. Ульрих // Техника и технология пищевых производств. -2011. -№2.-С.69-72 105. Хануевич, H.H. Спирт высшей очистки из молочной сыворотки / H.H. Хануевич, Л.П. Летуа// Молочная промышленность. -1998. -№2. -С.17-19 106. Шевченко, Т.В. Особенности осаждения сывороточных белков флокулянтами / Т.В.Шевченко, Е.В. Ульрих, Ю.В. Устинова, А.Ю. Темирев // Современные наукоемкие технологии. -2008. -№2. -С.67-68 107. Юрова, Е.А. Характеристика методов определения белка в молоке / Е.А. Юрова // Переработка молока. 2004. - № 8. - С. 18-19 108. Pearce, R.J. A solid fat replacer for manufactured meat products based on a t-lactoglobulin-rich whey protein ingredient /RJ. Pearce,J.A. Dunkerley, T. W. Wheatonetal.//Proceeaingsof the 1 "International Whey Conference. — Chicago, USA, 1997. 113 109. A.C.Alting, RW.Visschers /Proceedings of the 41h International Whey Conference, Chicago, USA, 2005. — Chicago: American Dairy Products Institute, 2006. —387 p. 110. Whey /Proceedings of the second International Whey Conference, Chicago, USA, 1997. — Brussels: International Dairy Federation, 1998. — 367 p. 111. The Wonders of Whey .Catch the PowerJ /Proceedings of the 4'h International Whey Conference, Chicago, USA, 2005. — Chicago: American Dairy Products Institute, 2006. — 439 p. 112. Whey volution /Proceedings of the 5'h International Whey Conference. ПРИЛОЖЕНИЯ 115 116 117 118 119 120 121 122