На правах рукописи - Северо-Кавказский федеральный

На правах рукописи
Донских Александр Николаевич
РАЗРАБОТКА АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ПРОИЗВОДСТВА ДЕМИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ТВОРОЖНОЙ
СЫВОРОТКИ
Специальность:
05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных
продуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ставрополь – 2013
2
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СевероКавказский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО СКФУ)
Научный руководитель –
Евдокимов Иван Алексеевич,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты – Харитонов Дмитрий Владимирович,
доктор технических наук, ГНУ «Всероссийский
НИИ молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук», заместитель
директора
Бархатова Татьяна Викторовна,
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет», проректор
Ведущая организация –
ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт производства и переработки мясомолочной
продукции
Российской
академии
сельскохозяй-
ственных наук».
Защита состоится «09» июля 2013 г. в 1600 ч. на заседании диссертационного
совета Д 212.245.05 на базе ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корпус 3, ауд. 506.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО
«Северо-Кавказский федеральный университет» по адресу: 355009, г. Ставрополь,
ул. Дзержинского, д. 120.
Автореферат разослан
«_____» ________________ 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
Шипулин В.И.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Расширение сырьевой базы за счет комплексной
переработки вторичного сырья, в том числе молочного, является одной из важнейших народно-хозяйственных задач АПК России.
Одним из ценнейших продуктов, получаемых при переработке молока, является молочная сыворотка. Состав и свойства сыворотки обусловлены видом основного продукта и особенностями технологии его получения, а также аппаратурным оформлением процесса.
Анализируя технологии переработки сыворотки можно сказать, что сегодня
дорогостоящие и высокорентабельные продукты вырабатываются главным образом из сладкой подсырной сыворотки. Творожная сыворотка имеет повышенную
кислотность, высокое содержание солей и молочной кислоты и идет в основном
на производство сывороточных напитков.
При выработке сухих и сгущенных продуктов из творожной сыворотки проводят операцию реагентной нейтрализации (гидроксид кальция или натрия). При
этом готовый продукт чаще используется на кормовые цели из-за высокого остаточного содержания раскисляющего реагента и неудовлетворительных органолептических показателей. Таким образом, творожная сыворотка требует предварительной подготовки для переработки на пищевые продукты.
Перспективным направлением подготовки к промышленной переработке
творожной сыворотки является применение баро- и электромембранных технологий: нанофильтрации, обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.
Наиболее предпочтительными методами регулирования кислотности являются
электромембранные процессы.
Использованию сыворотки для производства белковых концентратов, молочного сахара и др. продуктов посвящены труды российских ученых
П.Г. Нестеренко, С.В. Василисина, В.Е. Жидкова, С.А. Рябцевой, П.Ф. Крашенинина, Э.Ф. Кравченко, В.Д. Суркова, М.С. Коваленко, М.В. Залашко, В.А. Павло___________________________________________
* Научный консультант экспериментальной части работы к.т.н., доцент И.К. Куликова
4
ва, Г.Б. Гаврилова, А.Г. Храмцова, И.А. Евдокимова, Н.Я. Дыкало, Д.Н. Володина, Т.П. Бачуриной и зарубежных: T. Paterson, T. Senkevich, K.H. Ridel, W. Zadow,
B. Horton и др.
Особенно актуальна проблема производства и применения деминерализованной творожной сыворотки, являющейся источником важных пищевых компонентов и обладающей высокими органолептическими и физико-химическими характеристиками. Поэтому поиск новых технологий, позволяющих решить проблему переработки творожной сыворотки и охраны окружающей среды, является
актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка альтернативных
технологий производства и использования деминерализованной творожной
сыворотки.
Для
достижения
поставленной
цели
сформулированы
задачи
исследований:
-
проанализировать априорную информацию по методам и технологиям
переработки молочной сыворотки;
-
исследовать основные закономерности процесса деминерализации
творожной сыворотки методом электродиализа;
-
изучить влияние ионоселективных мембран различного типа на про-
цесс деминерализации творожной сыворотки;
-
исследовать влияния температуры на процесс деминерализации тво-
рожной сыворотки методом электродиализа;
-
определить параметры регулирования кислотности творожной сыво-
ротки в процессе электродиализа;
-
разработать технологию производства деминерализованной творож-
ной сыворотки с различным содержанием сухих веществ;
-
предложить альтернативные технологии использования деминерали-
зованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ;
-
провести оценку экономической и социальной значимости разрабо-
танных технологий с учетом требований НАССР.
5
Научная новизна работы состоит в следующем: научно обоснована и
подтверждена целесообразность и эффективность применения электродиализа для
деминерализации творожной сыворотки; проведен сравнительный анализ гетерогенных ионоселективных мембран, произведенных методом прессования и ламинирования; изучено влияние температурных режимов на процесс деминерализации творожной сыворотки методом электродиализа и определен оптимум (15 –
20) ºC; изучены различные способы регулирования кислотности творожной сыворотки в процессе деминерализации; проведен подбор корректирующих кислотность творожной сыворотки реагентов; установлены оптимальные технологические параметры регулирования кислотности творожной сыворотки в процессе деминерализации; изучены состав и свойства деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ и степенью деминерализации
как сырья для производства пищевых продуктов.
Практическая значимость работы. Разработана технология деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ
(СТО 9229-00087656-003-2012 «Деминерализованная творожная сыворотка с различным содержанием сухих веществ»). Результаты исследований использованы в
ТУ 9229-002-82062396-2007 «Сыворотка молочная деминерализованная». Предложены альтернативные технологии пищевых продуктов с использованием деминерализованной сыворотки (питьевого молока, йогурта, творожной массы, карамели). Проведена апробация технологии деминерализованной сыворотки на молочных предприятиях РФ: ОАО «Молоко» (г. Архангельск), ОАО «Кубарус - Молоко» (г. Армавир), Молочный комбинат «Лабинский» (г. Лабинск), ОАО «Чебаркульский молочный завод» (г. Чебаркуль), ОАО «Молочный комбинат «Ставропольский» (г. Ставрополь).
Апробация работы. Основные положения, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на XIII региональной научно-техническая конференции
«Вузовская наука - Северо- Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2009), Международной научно-практической конференция «Молочная индустрия - 2009»
(г. Москва, 2009), Международной научно-практической конференции «PERMEA
6
- 2009» (Прага, 2009), XV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2011), научнопрактической конференцой «Инновационные разработки молодых ученых Юга
России» (г. Ставрополь, 2011), V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2011), Северо-Кавказском молодежном форуме «Машук 2011» (г. Пятигорск, 2011), Всероссийском молодежном
форуме
«Селигер
2011»
(г.
Осташков,
2011),
Международной
научно-
практической конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes»
(г. Краснодар. 2012), региональной научно-практической конференции «Инновационные идеи молодежи Северного Кавказа – развитию экономики России»
(г. Ставрополь, 2012).
Выигран конкурс «У.М.Н.И.К» (г. Ставрополь, 2011), получен диплом за
второе место в конкурсе «Зворыкинский проект» (г. Ставрополь, 2010).
На «Способ регулирования кислотности сыворотки в процессе электродиализа» в ФИПС подана заявка на изобретение № 2012145182 от 24.10.2012 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том
числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
литературного обзора, экспериментальной и технологической части, выводов,
списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 200
страницах, включая приложения, 20 таблиц и 59 рисунков. Список литературы
включает 270 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, указаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе представлен анализ современного состояния переработки
молочной сыворотки, рассмотрены состав и свойства творожной сыворотки. Проведен сравнительный анализ мембранных методов применяемых в молочной промышленности, а также способов регулирования кислотности творожной сыворот-
7
ки. Особое внимание уделено безреагентным способам нейтрализации творожной
сыворотки, в частности, электроактивации и электродиализу. Показана целесообразность применения электродиализа творожной сыворотки. На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе рассмотрены организация и методы исследований.
Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры
прикладной биотехнологии Северо-Кавказского государственного технического
университета,
в
международной
научно-исследовательской
лаборатории
«Электро- и баромембранных технологий» (г. Ставрополь), в ООО «МЕГА ПрофиЛайн» (г. Ставрополь) и ОАО «Молочный комбинат «Ставропольский».
При проведении исследований были смоделированы условия и режимы эксплуатации промышленной электродиализной установки периодического действия, которые используются при деминерализации молочной сыворотки.
Технологический цикл работы установки предусматривает: продолжительность работы до мойки - 20 часов; продолжительность обработки одной загрузки
творожной сыворотки - 4 часа; количество загрузок – 5.
При проведении исследований применялись стандартные и общепринятые
методы исследований: физико-химические, реологические, микробиологические,
электрофизические и органолептические. Эксперименты проводили в 3 – 5 - кратной повторности.
В качестве объектов исследований были использованы пастеризованная и
сгущенная творожная сыворотки соответствующие ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия», деминерализованная творожная сыворотка с различным содержанием сухих веществ и уровнем деминерализации, концентрат солей, полученные путем электродиализной обработки.
Деминерализации творожной сыворотки проводилась на электродиализных
установках ED – mini (лабораторная) и EDU-Y/50 (пилотная), производства
АО “Мега” Чешская республика.
Исследования реализованы по схеме (рисунок 1).
8
р
исследований
Изучение технологических параметров процесса
деминерализации творожной сыворотки методом
электродиализа
Исследование
основных
закономерностей
процесса
деминерализации
творожной
сыворотки
электродиализом
Сыворотка
Концентрат
Электродный
раствор
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8
Изучение влияния
различных типов
ионоселективных
мембран на
процесс
деминерализации
творожной
сыворотки
Исследование
влияния
температуры на
процесс
деминерализации
творожной
сыворотки
Прессованные
При
10 °С
При
25 °С
Ламинированные
При
15 °С
При
30 °С
Сгущенная
сыворотка
Натуральная
сыворотка
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8
При
20 °С
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9
X3 титруемая кислотность;
X4 - активная кислотность;
X5 - содержание сухих веществ;
X6 - удельная электропроводность;
X7 - напряжение тока;
X8 - сила тока;
X9 - объем корректирующего реагента;
X10 - производительность;
X11 - pNa и pK
Исследование
процесса
регулирования
кислотности
творожной
сыворотки
Исследование
влияния на процесс
регулирования
кислотности вида
реагента и
эффективности его
удаления в
процессе
электродиализа
Натуральная
сыворотка
NaOH
Сгущенная
сыворотка
KOH
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X10
X1
X2
X3
X4
Выбор оптимальных параметров производства деминерализованной творожной сыворотки
c различным содержанием сухих веществ
Рисунок 1 - Схема проведения исследований
X5
X11
9
В третьей главе представлены результаты исследований, целью которых
было установление оптимальных параметров деминерализации творожной сыворотки методом электродиализа.
Результат предварительных исследований позволил выбрать ионоселективные гетерогенные мембраны, которые по сравнению с гомогенными мембранами
характеризуются повышенной механической прочностью, высокой селективной
проницаемостью и способностью работать в широком диапазоне pH.
В ходе реализации поставленных задач было проведено сравнение двух типов ионоселективных гетерогенных мембран: AMH-PES/K, CM-PES/K (выработанных непрерывной ламинацией) и AMH-PES/L, CM-PES/L (выработанных методом прессования).
Анализ экспериментальных данных показывает, что изменение титруемой
кислотности сыворотки характеризуется линейной зависимостью. Интенсивность
понижения титруемой кислотности в процессе электродиализа одинакова для ламинированных и прессованных мембран и составляет 30 ºТ/ч. Кислотность концентрата солей на протяжении всего процесса электродиализа возрастает на (80 100) ºТ.
Активная кислотность пастеризованной (СВ (5,5-6,5) %) и подсгущенной
(СВ (18-20) %) сыворотки (рисунок 2, а и б) при использовании ламинированных
мембран убывает интенсивнее на (8 – 12) % и в конце процесса уменьшается на
(0,3 – 0,4) единицы рН. Это связано с тем, что переход катионов в концентрат солей проходит гораздо быстрее, чем переход молочной кислоты.
Интенсивность уменьшения удельной электропроводности сыворотки в
процессе электродиализа для ламинированных мембран выше на 0,5 мСм/см.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод, что основные рабочие характеристики электродиализа для обоих типов мембран отличаются незначительно. Тем не менее, ионоселективные мембраны, произведенные
методом ламинирования, позволяют интенсифицировать процесс, имеют большую механическую прочность, низкое электрическое сопротивление, высокую
теплоустойчивость и более равномерное распределение ионообменной смолы.
10
Поэтому в дальнейших исследованиях нами использовались гетерогенные ионоселективные мембраны произведенные методом ламинирования.
4,1
y = 4E-05x2 - 0,0075x + 4,0978
R2 = 0,9967
4,05
4
y = -4E-05x2 + 0,0057x + 3,7884
R2 = 0,9818
рН
3,95
3,9
3,85
y = -4E-07x3 + 9E-05x2 - 0,006x + 4,0525
R2 = 0,9893
3,8
y = 3E-07x3 - 8E-05x2 + 0,0062x + 3,735
R2 = 0,9888
3,75
3,7
0
20
40
60
80
100
120
Продолжительность, мин
AMH-PES/К, CM-PES/К
Сыворотка
Концентрат солей
AMH-PES/L, CM-PES/L
Сыворотка
Концентрат солей
а) пастеризованная
4,7
y = -5E-05x2 + 0,0082x + 4,2129
R2 = 0,9531
4,6
4,5
y = -2E-05x2 - 5E-05x + 4,3943
R2 = 0,9837
y = 7E-07x3 - 0,0002x2 + 0,0138x + 4,1809
R2 = 0,9894
рН
4,4
4,3
4,2
y = 7E-06x2 - 0,0019x + 4,3755
R2 = 0,9737
4,1
4
0
20
40
60
80
100
120
Продолжительность, мин
AMH-PES/L, CM-PES/L
Сыворотка
Концентрат солей
AMH-PES/К, CM-PES/К
Сыворотка
Концентрат солей
б) подсгущенная
Рисунок 2 – Кинетика изменения активной кислотности творожной сыворотки
11
Эффективность процесса электродиализа, определяющаяся интенсивностью
удаления солей из объекта за определенный промежуток времени, зависит от многих параметров, в том числе и температуры. Учитывая, что по литературным данным характер этой зависимости не однозначен, нами были проведены исследования по влиянию различных температурных режимов на электродиализ творожной
сыворотки
Были выбраны два уровня два уровня деминерализации, характерные для
электродиализной обработки: до 50 % уровня, как наиболее часто используемый
на молочных предприятиях (рисунок 3). и до 90 %, как наиболее энергозатратный
и длительный процесс.
110
Производительность, кг/ч
100
90
80
70
60
50
40
1
2
3
4
5
№ загрузки
при 10 ºС
при 15 ºС
при 20 ºС
при 25 ºС
при 30 ºС
Рисунок 3 – Влияние температуры на производительность электродиализной установки
В пределах одной загрузки (стр. 7 автореферата) повышении температуры с
10 ºС до 15 ºС значительно интенсифицирует процесс деминерализации. Вероятно, это связано с изменением вязкости продукта и степенью диссоциации минеральных веществ, а так же со свойствами гетерогенных ионоселективных мембран. С каждой последующей загрузкой происходит снижение производительности при постоянной температуре, причем при повышении температуры до 25 ºС и
12
30 ºС разница между производительностью каждой загрузки становится более выраженной. Можно предположить, что повышение температуры совместно с механическим воздействием вызывает седиментацию термолабильных сывороточных
белков на поверхности мембран и постепенное нарастание концентрационной поляризации. При температурах выше 20 ºС увеличивается время обработки сырья
до достижения нужной степени деминерализации, и сокращается период работы
мембран до мойки.
Оптимальной температурой электродиализного обессоливания творожной
сыворотки, которая обеспечивает высокую эффективность процесса и максимальную производительность ЭД – установок является (15 – 20) ºС.
В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке
способа регулирования кислотности творожной сыворотки в процессе деминерализации.
Основная задача деминерализации творожной сыворотки – получение сырья
с заданными свойствами, которое может быть использовано в производстве продуктов питания. Для этого необходимо добиться максимального удаления молочной кислоты и солей, и придать сыворотке нейтральный вкус. Однако, даже при
глубокой деминерализации рН сыворотки остается ниже 5, что затрудняет ее термооработку и снижает органолептические характеристики.
Как показали исследования (рисунок 4), снижение уровня деминерализации
творожной сыворотки и способствует снижению буферной емкости. Вероятно,
это связано с тем, что в процессе электродиализа из творожной сыворотки удаляется молочная кислота, которая понижает рН. Соли молочной кислоты в основном определяют буферность системы при значениях начиная с рН 6,1. Сравнение
кривых титрования позволяет сделать вывод, что при 50 % уровне деминерализации (рисунок 4, кривая 3) участки буферной зоны слабо выражены, при 90 %
уровне деминерализации (рисунок 4, кривая 5) – отсутствуют.
13
8
3
7,5
4
5
7
2
рН
6,5
1
6
5,5
5
4,5
4
0
0,5
1
Сыворотка УД 0 %
Сыворотка УД 70 %
1,5
2
2,5
V (1Н NaOH), мл
Сыворотка УД 25 %
Сыворотка УД 90 %
3
3,5
4
4,5
Сыворотка УД 50 %
Рисунок 4 - Кривые титрования творожной сыворотки в процессе
электродиализа
Это дало основание предположить, что расход нейтрализующего реагента
обратно пропорционален уровню деминерализации сырья, что и было подтверждено дальнейшими исследованиями (рисунок 5).
100
90
V (1 Н NaOH), мл
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
50
70
Уровень деминерализации сыворотки, %
90
Рисунок 5 - Зависимость количества нейтрализующего реагента от уровня
деминерализации сыворотки
14
Остаточное количество реагента необходимо удалить, для того чтобы обеспечить требуемые степень деминерализации и органолептические свойства.
Нами были исследованы два способа внесения нейтрализующего реагента:
на протяжении всего процесса деминерализации, и на конечной стадии.
При исследовании первого способа (рисунок 6) нейтрализующий реагент
дозировался синхронно с началом работы установки.
6,5
6,3
6,1
5,9
рН
5,7
5,5
5,3
5,1
4,9
Внесение нейтрализующего реагента
4,7
4,5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Продолжительность, мин
Сыворотка
Концентрат солей
Рисунок 6 - Кинетика изменения активной кислотности в процессе электродиализа творожной сыворотки (СВ 6,5 %), уровень деминерализации 50 %
По достижении рН 6,5, которое является буферной точкой, дозирование щелочи прекращалось. После чего pH сыворотки начинает уменьшаться, как правило, на (0,5 – 0,7) единицы, за счет удаления остаточного количества реагента.
Титруемая кислотность сыворотки при значении рН 6,5 составляла 11 ºТ.
Результаты органолептической оценки образцов показали, что деминерализованная сыворотка (СВ (5,5 - 6,5) %) обладает чистым сывороточным вкусом и
запахом, без привкуса щелочи. При деминерализации подсгущенной сыворотки
(СВ (18 – 20) %) были получены образцы с выраженным вкусом и запахом реагента.
15
При внесении реагента на заключительном этапе процесса деминерализации
пастеризованной и подсгущенной творожной сыворотки дозирование реагента в
начиналось при удельной электропроводности, соответствующей уровню деминерализации 40 % и прекращалось при достижении pH = 6,5 (рисунок 7).
7,0
6,5
рН
6,0
5,5
5,0
Внесение
нейтрализующего
реагента
4,5
4,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Продолжительность, мин
Сыворотка
Концентрат солей
Рисунок 7 - Кинетика изменения активной кислотности в процессе электродиализа творожной сыворотки (СВ 6,5 %), уровень деминерализации 50 %
Как видно, количество щелочи, пошедшее на нейтрализацию, уменьшилось
в два раза по сравнению с первым методом. Пастеризованная и подсгущенная деминерализованные сыворотки обладали чистым сывороточным вкусом, без посторонних привкусов.
Предварительные исследования показали, что вид нейтрализующего реагента так же оказывает существенное влияние на органолептические характеристики
продукта. На следующем этапе исследования была изучена эффективность удаления различных видов раскисляющих реагентов, и их влияние на органолептические показатели деминерализованной сыворотки. В качестве щелочных агентов
были использованы 40 % раствор NaOH и 40 % раствор KOH.
16
Анализ графических зависимостей (рисунок 8) показывает, что гидроксид
натрия удаляется эффективнее, чем гидроксид калия, о чем свидетельствует концентрация активных ионов. По окончании процесса электродиализа содержание
активных ионов натрия меньше чем в начальный момент дозирования.
2,5
2,5
2,3
2,1
2
1,9
1,5
pNa+
pK+
1,7
1,5
1,3
1
1,1
0,9
0,5
0,7
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Продолжительность, мин
pК+
pNa+
Рисунок 8 - Кинетика изменения содержания ионов Na+ и ионов K+
Органолептическая оценка показала, что полуфабрикат при регулировании
кислотности раствором KOH обладал выраженным щелочным привкусом и запахом. Тогда как у полуфабриката полученного с использованием NaOH вкус был
чистым, сывороточным. Уменьшение значения зольного остатка показывает, что
удаление ионов натрия и калия не прекращается даже в процессе внесения реагента.
В пятой главе обоснованы параметры основных технологических операций
процесса получения деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ, приведены альтернативные технологии ее использования.
Основные этапы технологического процесса представлены на рисунке 9.
17
Подсырные сливки и казеиновая пыль
Приемка и оценка качества сырья
Сгущение 1-й ступени до 20±2 % СВ,
при t = 65±5 °C.
Выделение жира и казеиновой пыли
S=1
Нет
S = 1 - конечный продукт деминерализованная сыворотка с СВ (5,5 - 6,5) %;
S ? 1 - сгущение 1-й ступени до 20±2 % СВ, при t = 65±5 °C;
С = 1 - конечный продукт деминерализованная сыворотка с СВ (18 - 20) %;
С ? 1 - Сгущение 2-й ступени до 53±2 % СВ, при t = 55±5 °C;
В = 1 - конечный продукт деминерализованная сыворотка с СВ (53 ± 2) %;
В ? 1 - сушка, конечный продукт деминерализованная сыворотка с СВ (93 ± 2) %.
Охлаждение до температуры электродиализной
обработкиt = (15-20) °C.
Да
Деминерализация и регулирование
кислотности при t = (15 - 20) °C
Охлаждение до температуры электродиализной
обработкиt = (15-20) °C.
Деминерализация и регулирование
кислотности при t = (15 - 20) °C
40 - 50 % NaOH
Концентрат солей:
- минеральные
напитки;
- удобрения;
- корм и др.
40 - 50 % NaOH
Концентрат солей:
- минеральные
напитки;
- удобрения;
- корм и др.
С=1
Сгущение 2-й ступени до53±2 % СВ,
при t = 55±5 °C.
Охлаждение и кристаллизация
Нет
Да
В=1
Нет
Сушка
Да
- цельномолочные продукты;
- сывороточные напитки;
- хлебо-булочные изделия и др.
- цельномолочные продукты;
- колбасные изделия;
- хлебо-булочные изделия и др.
- сырные массы;
- смеси для мороженого;
- колбасные изделия;
- хлебо-булочные изделия и др.
- кондитерские изделия;
- цельномолочные продукты;
- колбасные изделия;
- хлебо-булочные изделия и др.
Хранение, упаковка и реализация
Хранение, упаковка и реализация
Хранение, упаковка и реализация
Хранение, упаковка и реализация
Рисунок 9 - Технологическая схема получения и использования деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ
18
Отобранную
по
качеству
сыворотку
подогревают
до
температуры
(38 ± 2) °С, проводят двухстадийную очистку от жира и казеиновой пыли, чтобы
не произошло отложение белка и жира на мембранах модуля.
Очищенная от жира и казеиновой пыли сыворотка поступает на пастеризационно - охладительную установку, где пастеризуется при температуре
(74 ± 2) °С с выдержкой 15 с.
1. При производстве продуктов с использованием пастеризованной творожной сыворотки с содержанием (5,5-6,5) % СВ, сыворотка охлаждается до температуры (15 – 20) °С и направляется на деминерализацию.
В процессе деминерализации осуществляется регулированием кислотности
(40 – 50) % раствором NaOH.
В дальнейшем деминерализованная творожная сыворотки с содержанием
(5,5 – 6) % СВ направляется на производство цельномолочных продуктов.
2. При производстве продуктов с использованием творожной сыворотки с
содержанием (18 - 20) % СВ очищенная сыворотка после пастеризации сгущается
на вакуум – выпарном аппарате, и охлаждается до температуры (15 – 20) °С и
направляется на деминерализацию.
Деминерализованная сыворотка с содержанием (18 - 20) % СВ направляется
на на линии производства цельномолочных продуктов.
В процессе деминерализации осуществляется регулированием кислотности
(40 – 50) % раствором NaOH.
В дальнейшем деминерализованная творожная сыворотки с содержанием
(18 - 20) % СВ направляется на производство цельномолочных продуктов.
3. При производстве продуктов с использованием сгущенной деминерализованной сыворотки охлажденная до (15 – 20) °С сыворотка деминерализуется и
направляется на сгущение до массовой доли сухих веществ (53 ± 2) % в вакуумвыпарном аппарате.
Полученная сгущенная деминерализованная сыворотка направляется на
производство сырной массы.
19
В случае применения в производстве сухой деминерализованной сыворотки
деминерализованную сгущенную до (53 ± 2) % СВ и кристаллизованную сыворотку направляют на сушилку.
Сухая деминерализованная сыворотка использована в производстве молока,
йогурта, продуктов детского питания, кондитерских изделиях и др.
Органолептические, физико-химические и микробиологические показатели
деминерализованной творожной сыворотки представлены в таблицах 1 – 2.
Таблица 1 – Органолептические показатели деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ
Деминерализованная творожная сыворотка с различным
содержанием сухих веществ, %
Показатель
5,5 – 6,5
18 – 20
53 - 55
95 - 97
Внешний вид и Однородная
консистенция
жидкость
Однородная, Однородная,
слабовязкая вязкая
жидкость
жидкость
Мелкодисперсный порошок
Цвет
Желтый
Светло-желтый
Белый с желтоватым оттенком
Вкус и запах
Вкус чистый,
сладкий, сывороВкус чистый, сладковатый, сывороточный. точный. Запах
сывороточный.
Запах сывороточный. Без посторонних
Без посторонних
привкусов и запахов
привкусов и запахов
Таблица 2 - Основные физико-химические и микробиологические показатели деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ (n = 3, Р > 0,96)
Деминерализованная творожная сыворотка с различным
содержанием сухих веществ, %
Показатель
1
Сухие вещества, %
5,5 – 6,5
18 – 20
53 – 55
95 – 97
2
3
4
5
5,7
18,8
53
96
20
Продолжение таблицы 1
1
рН
2
3
4
5
6,45
6,5
6,3
6,0
16,0
16,0
Титруемая кислотность, ºТ
10,0
12,0
Плотность, кг/м3
1018
1055
1280
0,3
1,0
2,5
4,5
0,6
2,3
6,3
12,3
0,05
0,1
0,6
1
4,9
16,4
30
77,0
Массовая доля
золы, %
Массовая доля
белка, %
Массовая доля
жира, %
Массовая доля
лактозы, %
БГКП (колиформы) в 1,0г
Количество мезофильных
аэробных и факультативных
анаэробных микроорганизмов,
КОЕ/г
(восстановленная (восстановленная
до 6,5 % СВ)
до 6,5 % СВ)
Отсутствуют
1∙105
4⋅104
1∙105
1∙105
Таким образом, по физико-химическим и органолептическим показателям
образцы деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием
сухих веществ соответствуют требованиям разработанной технической документации. Микробиологические показатели не превышают норм, установленных Федеральным законом ФЗ № 88 «Технический регламент на молоко и молочную
продукцию» и ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия».
Проведена адаптация системы ХАССП для контроля технологического процесса производства деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ, в которой предусмотрена операция регулирования
кислотности (ККТ) в процессе деминерализации (40 – 50) % раствором гидроксида натрия, при температуре (15 – 20) °С.
21
Проработаны альтернативные технологии производства молочных продуктов с использованием творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ и проведены опытные выработки: молока питьевого, йогурта, сырной массы.
Технико-экономические расчеты, на примере сухой деминерализованной
сыворотки, показали экономическую эффективность разработанной технологии.
Затраты на производство деминерализованной сыворотки сократились в 3 раза,
рентабельность составила 18,2 %, что подтвердило конкурентоспособность разработанной технологии.
ВЫВОДЫ:
1. Обоснована и практически подтверждена целесообразность использования метода электродиализной обработки творожной сыворотки для получения
продуктов с высокими качественными показателями.
2. Исследованы основные закономерности процесса деминерализации творожной сыворотки, изучена кинетика изменения удельной электропроводности,
напряжения, силы тока, активной и титруемой кислотности.
3. Экспериментально подтверждена эффективность применения гетерогенных ионоселективных мембран, произведенных методом непрерывной ламинации, в процессе деминерализации творожной сыворотки.
4. Исследовано влияние температуры на процесс деминерализации творожной сыворотки. Установлено, что оптимальной температурой электродиализной
обработки творожной сыворотки является (15 – 20) ºС.
5. Изучена взаимосвязь между буферной емкостью творожной сыворотки и
уровнем деминерализации. Определены оптимальные параметры регулирования
кислотности сыворотки в процессе электродиализа и выявлена корреляция между
уровнем деминерализации, буферной емкостью и количеством корректирующего
реагента (40% раствор гидроксида натрия).
6. Научно обоснованы технологические параметры и разработана схема
производства деминерализованной творожной сыворотки с различным содержа-
22
нием сухих веществ (СТО 9229-00087656-003-2012 «Деминерализованная творожная сыворотка с различным содержанием сухих веществ»).
7. Предложены альтернативные технологии использования деминерализованной творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ - молоко
питьевое, йогурт, сырная масса, которые апробированы на молочных предприятиях РФ.
8. Проведена экологическая и технико-экономическая оценка технологии
производства творожной сыворотки с различным содержанием сухих веществ и ее
адаптация в соответствии с системой НАССР.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1.
Донских, А.Н. Исследование закономерностей процесса электродиа-
лиза творожной сыворотки [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов, Д.Н. Володин, И.К. Куликова // Вестник СевКавГТУ. 2009. № 2 (19).-С.60-62.
2.
Донских, А.Н. Исследование закономерностей процесса электродиа-
лиза творожной сыворотки [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова, Д.Н. Володин, А.С. Бессонов // Материалы XIII региональной научнотехнической конференции «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону». Том
первый. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008.-С.174-176.
3.
Донских, А.Н. Исследование основных закономерностей регулирова-
ния кислотности творожной сыворотки [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов,
И.К. Куликова, Д.Н. Володин, А.С. Бессонов // Материалы XXXVIII научнотехнической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского
состава СевКавГТУ за 2008 год. Том первый. Ставрополь, 2009.-С.99-100.
4.
Донских, А.Н. Закономерности регулирования кислотности творож-
ной сыворотки в процессе электродиализной обработки [Текст] / А.Н. Донских,
И.А. Евдокимов, И.К. Куликова, Д.Н. Володин, А.С. Бессонов // Материалы Международной НПК «Молочная индустрия - 2009». -Москва 2009.-С.83.
5.
Донских, А. Н. Технология творожной сыворотки предпосылки к раз-
работке [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова, Д.Н. Володин,
А.С. Бессонов // Вестник СевКавГТУ. 2010. № 2 (23).-С.60-62.
23
6.
Evdokimov, I.A. Demineralization of different milk whey kids /
I.A.Evdokimov, D.N.Volodin, A.S.Bessonov, A.N.Donskih // PERMEA 2009. –Prague,
2009.- p.110.
7.
Donskih A.N. Comparative studies of deacidification agents used for acid
whey demineralization / A.N.Donskih, I.A.Evdokimov, D.N.Volodin, A.S.Bessonov //
International Conference «Ion transport in organic and inorganic membranes».Krasnodar, 2010.- P.46.
8.
Куликова, И.К. Влияние процесса деминерализации на микрофлору
подсырной и творожной сыворотки [Текст] / И.К. Куликова, А.С. Бессонов, А.Н.
Донских, А.Р. Агирбова // Материалы XL научно-технической конференции по
итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2010 год.
Том первый. Ставрополь: СевКавГТУ, 2011.-С.184.
9.
Евдокимов, И.А. Влияние процессов нанофильтрации и деминерали-
зации на устойчивость белков молочной сыворотки при тепловой обработке
[Текст] / И.А. Евдокимов, Д.Н. Володин, И.К. Куликова, А.С. Бессонов, А.Н. Донских, В.С. Губин // Материалы XL научно-технической конференции по итогам
работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ за 2010 год. Том
первый. Ставрополь: СевКавГТУ, 2011.-С.186.
10.
Головкина М.В. Изучение процесса ультрафильтрации подсырной сы-
воротки [Текст] / М.В. Головкина, А.А. Платонов, А.Н. Донских, // Материалы XL
научно-технической
конференции
по
итогам
работы
профессорско-
преподавательского состава СевКавГТУ за 2010 год. Том первый. Ставрополь:
СевКавГТУ, 2011.-С.189.
11.
Евдокимов, И.А. Влияние процесса деминерализации на микрофлору
подсырной и творожной сыворотки [Текст] / И.А. Евдокимов, И.К. Куликова,
А.Н. Донских, В.С. Губин, Г.С. Анисимов // Материалы V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития
пищевой промышленности и общественного питания». – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. 2011 – Т.I.-С.171-173.
24
12.
Донских, А. Н. Разработка технологии раскисления творожной сыво-
ротки в процессе ее деминерализации [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов //
Материалы региональной научно-практической конференции «Инновационные
идеи молодежи Северного Кавказа – развитию экономики России» - Ставрополь.С.57-58.
12.
Evdokimov I.A. Comparative studies of deacidification agents used for
acid whey demineralization / I.A. Evdokimov, D.N. Volodin, I.K. Kulikova, A.N.
Donskih, M. Greshnyakova // International conference “Ion transport in organic and
inorganic membranes”. Membrane Institute KubSU, Krasnodar, 2012, р. 57.
14.
Донских, А. Н. Рациональная переработка вторичного молочного сы-
рья [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова // Материалы научнопрактической конференции «Инновационные разработки молодых ученых Юга
России» » - Ставрополь, 2012-С.68-70.
15.
Донских, А. Н. Влияние температурных режимов на эффективность
деминерализации молочной сыворотки при электродиализе [Текст] / А.Н. Донских, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова, Д.Н. Володин, А.П. Поверин // Сыроделие
и маслоделие № 3, 2013.-С.44-45.