Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние переработки молочной сыворотки и её использования в производстве мороженого 11
1.1 Тенденции переработки молочной сыворотки 11
1.2 Молочная сыворотка как биологически полноценное сырье для производства пищевых продуктов 15
1.2.1 Состав и свойства молочной сыворотки 15
1.2.2 Использование молочной сыворотки в технологии пищевых продуктов 18
1.3 Особенности промышленной переработки творожной сыворотки 21
1.4 Мембранные методы переработки творожной сыворотки 24
1.5 Подготовка молочной сыворотки к использованию методом нанофильтрации 30
1.6 Использование молочной сыворотки в производстве мороженого 36
1.7 Задачи исследования 43
Глава 2. Организация эксперимента и характеристика объектов исследования 45
2.1 Организация проведения эксперимента 45
2.2 Методы и методики экспериментальных исследований 47
2.3 Математическая обработка экспериментальных исследований 56
Глава 3. Исследование теоретических закономерностей процесса нанофильтрации и разработка технологии нейтрализованных НФ-концентратов творожной сыворотки 57
3.1 Теоретические и практические аспекты деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки в процессе нанофильтрации 57
3.2 Исследование буферной емкости НФ-концентратов и разработка методики их дополнительной нейтрализации щелочными агентами 70
3.3 Технология производства НФ-концентрата творожной сыворотки 78
Глава 4 Исследование влияния НФ-концентрата творожной сыворотки на качественные показатели смеси и мороженого 85
4.1 Обоснование степени замены СОМО сухими веществами НФ-концентрата творожной сыворотки в рецептуре мороженого 85
4.2 Исследование реологических характеристик смесей мороженого, содержащих НФ-концентрат творожной сыворотки 89
4.3 Исследование воздушной фазы мороженого, содержащего НФ-концентрат творожной сыворотки 98
4.4 Исследование термо- и формоустойчивости мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки 104
4.5 Исследование органолептических показателей мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки 108
Глава 5 Обоснование рецептуры и технологического процесса производства мороженого с использованием в составе НФ-концентрата творожной сыворотки 112
5.1 Обоснование рецептуры и технологического процесса производства мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки 112
5.2 Промышленная апробация и оценка качества мороженого с НФ концентратом творожной сыворотки 117
5.3 Оценка экономической эффективности производства мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки 123
Заключение 131
Список литературы 133
- Тенденции переработки молочной сыворотки
- Теоретические и практические аспекты деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки в процессе нанофильтрации
- Исследование реологических характеристик смесей мороженого, содержащих НФ-концентрат творожной сыворотки
- Оценка экономической эффективности производства мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки
Тенденции переработки молочной сыворотки
Проблема комплексного и рационального использования сыворотки, как в нашей стране, так и во всем мире является, по-прежнему, актуальной. По данным Международной Молочной Федерации мировое производство молочной сыворотки достигает 145 млн. т. В Европе и США на пищевые цели перерабатывается свыше 80 % этого вида сырья. Лидерами по переработке сыворотки в Европе являются Голландия (30%), Франция (25%) и Германия (15%)1. В России промышленной переработке подвергается от 20 до 40 % молочной сыворотки (по большей части – подсырной). Незначительная часть сыворотки возвращается сельскохозяйственным предприятиям для кормления животных, остальное сливается в канализацию2.
Основными сдерживающими причинами полноценной эффективной переработки сыворотки в нашей стране являются устаревшее энергозатратное технологическое оборудование многих молочных предприятий, недостаточная информация о преимуществах продуктов из сыворотки, либерализм экологических служб и недостаток готовых технических решений1. В 2014-2015 гг. после ввода Правительством Российской Федерации продовольственного эмбарго освободилось около 20 % внутреннего рынка молочной продукции, что привело к росту собственного производства молочных продуктов, в том числе сыра и творога 2 . Это отразилось и на динамике производства молочной сыворотки. Так, в 2015 году производство молочной сыворотки по сравнению с 2014 г увеличилось на 14,9 %. В 2016 году производство молочной сыворотки сократилось на 2 % и составило 6,2 млн.т. В 2017 году за счет увеличения объемов производства творога, сыворотки было выпущено на 7% больше, чем за 2016 год, и составило 6,6 млн.т. В целом за два месяца 2018 года было произведено 1,06 млн.т. сыворотки. Этот показатель на 14,36 %, или на 13,3 тыс. т выше, чем за аналогичный период 2017 г (рисунок 1.1)3.
Приоритеты использования сыворотки различны. Так, в Норвегии до 20 % сгущенной сыворотки используется для производства сывороточных паст и сыров. В Швеции – около 14 % ее направляется на выработку лактозы. Особенностью переработки в Австрии является то, что до 12 % сыворотки идет на косметику и моющие средства, а 56 % – на кормовые продукты. В одной из ведущих молочных стран Европы – Нидерландах – до 38 % её идет на производство заменителей цельного молока (ЗЦМ), до 35 % на лактозу, 20 % составляет производство деминерализованной и делактозированной сыворотки, 7 % идет на корма и напитки. Достаточно стабильно производство сухой и концентрированной сыворотки в Северной Америке. Например, в США ее выпускается более 0,5 млн. т, а концентратов сывороточных белков (КСБ) – более 0,2 млн. т, но при этом наблюдается рост сегмента более дорогой продукции, в частности изолятов сывороточных белков (более 30 тыс. т).
Переработка молочной сыворотки в России в основном направлена на производство сухой сыворотки и концентратов на ее основе1. Преимущественно сушке подвергается подсырная сыворотка2. В течение последних лет отмечается динамичный рост этого сегмента (таблица1.1)3. Производство сухой молочной сыворотки в РФ по итогам 2017 года увеличилось по сравнению с 2016 г на 16,5% и достигло 140 тыс. т4.
В 2017 г. доля импортной молочной сыворотки составила 12,4%, а отечественной 87,6 %. Объём импорта сыворотки на российский рынок в 2017 снизился по сравнению с предыдущим годом на 33931т (-27%) до 93 327,6 тонн, что в стоимостном выражении составило 64 296 тыс. долл. По результатам девяти месяцев 2018 года объем импорта молочной сыворотки был снижен на 58 %, с 66,7 тыс.т до 38,5 тыс.т1.
Основную долю импортируемой продукции в 2017 году на российский рынок молочной сыворотки поставляла Беларусь (91,1%). На продукцию производства Аргентины пришлось около 6,1% поставляемых товаров. На третьем и четвертом месте – Турция и Швейцария, их доля уступает первым двум странам и составляет по 1%. На долю других стран приходится 0,8%2.
Таким образом, в России доля промышленной переработки молочной сыворотки существенно ниже, чем за рубежом и представлена в основном производством сухой подсырной сыворотки. Растущие объемы сыворотки обуславливают необходимость поиска прогрессивных и экономически целесообразных способов ее переработки. В этой связи наиболее актуальным является разработка и внедрение инновационных энергосберегающих технологий обработки всех видов молочной сыворотки с возможностью последующего её использования в производстве широкого спектра пищевых продуктов.
Теоретические и практические аспекты деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки в процессе нанофильтрации
Как было отмечено в главе 1, наибольший практический интерес нанофильтрация представляет как способ концентрирования при одновременной деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки. Для дальнейшего использования в производстве НФ-концентратов оптимальным вариантом проведения нанофильтрации является максимальное удаление минеральных солей и молочной кислоты при наиболее полном сохранении биологически ценных компонентов – белков и лактозы. Оценить характеристики полупроницаемых мембран по переносу тех или иных компонентов в фильтрат можно путём анализа состава творожной сыворотки и НФ-концентратов, полученных при различной глубине НФ-обработки.
Исследования проводились на сыворотке с титруемой кислотностью 68 оТ и рН=4,65, полученной при производстве творога кислотным способом на поточной линии Я9-ОПТ. Сыворотка при температуре (40±2) оС подвергалась концентрированию на пилотной нанофильтрационной установке производительностью 50 л/ч оснащённой полимерной мембраной с молекулярной массой отсечки 200 Да и площадью 2 м2. Концентрирование проводилось путем ее циркуляции через установку в течение 35 мин. В исходной сыворотке и НФ-концентратах, полученных при различном факторе объёмного сжатия N, в соответствии с методиками, приведёнными в главе 2, определялись все основные и отдельные минорные компоненты (таблица 3.1) (Приложение А).
Полученные результаты по составу позволяют рассчитать потери (степень перехода в фильтрат) тех или иных компонентов творожной сыворотки в процессе НФ-обработки. Вывод формулы для определения этого параметра основан на применении принципа материального баланса. Если масса i-того компонента в исходном сырье равна M0i, а в конечном – Мкi, то потери этого компонента Пi в процентном отношении будут определяться по формуле:
Выражая количество i-того компонента через произведение объёма на концентрацию, получим:
Рассчитанные по формуле (3.4) и представленные в таблице 3.2 данные при N=3,5 свидетельствуют о том, что основные потери при НФ-обработке творожной сыворотки приходятся на золу (минеральные соли), органические кислоты (в основном молочную кислоту) и небелковый азот (низкомолекулярные фракции – свободные аминокислоты, мочевина и т.д.).
Из катионов наиболее эффективно удаляется калий и натрий. Исследуемые катионы с более высокой валентностью при НФ-обработке творожной сыворотки, практически не удаляются, что согласуется с исследованиями ряда авторов 1 . Наиболее высокая степень удаления (49,85 %) наблюдается у аниона хлора. Данный факт объясняется тем, что анион хлора одновременно входит в состав заряда по обе стороны НФ-мембраны. Проникновение через мембрану относительно больших молекул (более 200 Да), таких, например, как молекулы лактозы возможно из-за статистического разброса в размерах пор мембраны.
Как уже отмечалось, вопросы деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки в процессе нанофильтрации, изучены недостаточно и требуют более подробного рассмотрения.
Процесс удаления низкомолекулярных веществ из сыворотки нанофильтрацией, также как и из других водных растворов описывается уравнением1:
При нанофильтрации до общепринятой для этого процесса массовой доли сухих веществ (18–20) % объёмное сжатие практически совпадает с кратностью увеличения массовой доли сухих веществ (доля выделенных компонентов составляет порядка 2 % сухих веществ)1:
Для проверки выражения (3.13) по экспериментальным данным состава концентрата при различной степени концентрирования (таблица 3.1) по формуле (3.10) рассчитывали значения Д для золы и молочной кислоты. Результаты расчётов использовались для построения экспериментальных графических зависимостей Д=f(N) методом наименьших квадратов (рисунки 3.1, 3.2). отбиралась проба фильтрата, в которой определяли массовую долю золы и молочной кислоты. По данным состава фильтрата и концентрата по формуле (3.6) рассчитывали коэффициент разделения k (таблица 3.3).
Значения k использовались для расчета степени деминерализации и удаления молочной кислоты Д от фактора объёмного концентрирования по формуле (3.13). Результаты расчётов теоретических зависимостей Д=f(N) в диапазоне N от 1 до 4 представлены графически (рисунки 3.1, 3.2).
Для исследуемых компонентов с увеличением фактора объёмного концентрирования значения Д повышаются. Абсолютные значения Д для золы выше, чем для молочной кислоты. Максимальное восхождение кривых наблюдается при значениях N до 3,0, после чего интенсивность удаления компонентов снижается. При факторе объёмного концентрирования выше 3,5 экспериментальные значения Д практически не изменяются. Это связано с повышением осмотического давления в концентрированном растворе, а также с образованием белкового гелевого слоя на поверхности мембраны1, что приводит к снижению производительности установки. При проведении нормального режима нанофильтрации степень деминерализации при N=3,5 составляет 33% и уровень удаления молочной кислоты 28 %.
Для определения k в начальный момент НФ-обработки отбирают пробы концентрата и фильтрата, в которых кондуктометрическим методом определяют удельную электропроводность и затем по уравнению (3.16) рассчитывают k.
Таким образом, проведённые исследования показывают, что подвергая творожную сыворотку обработке нанофильтрацией до рабочего значения N=3,5 удаётся достичь уровня деминерализации (32-34) % и уровня нейтрализации – (25-28) %. Выведенное аналитическое выражение (3.13) адекватно описывает процесс деминерализации и нейтрализации при нанофильтрации творожной сыворотки в зависимости от фактора объёмного концентрирования и его можно рекомендовать для оперативного определения этих параметров в производственных условиях.
Исследование реологических характеристик смесей мороженого, содержащих НФ-концентрат творожной сыворотки
Для управления технологическим процессом и прогнозирования качественных показателей мороженого при разработке рецептур и технологий производства мороженого с использованием новых видов сырья необходимо учитывать влияние ингредиентов на реологические свойства2.
Целью данного этапа работы является исследование реологических характеристик смесей мороженого, содержащих в рецептуре НФ-концентраты творожной сыворотки.
В качестве объекта исследований была взята смесь сливочного мороженого 10 %-ной жирности и массовой долей СОМО 9 %, составленная из цельного молока, сухого обезжиренного молока, сливочного масла, сахара и стабилизатора-эмульгатора. В рецептурах экспериментальных образцов часть сухого обезжиренного молока была заменена жидким нейтрализованным НФ-концентратом творожной сыворотки с массовой долей сухих веществ 20 %. Степень замещения СОМО сухими веществами НФ-концентрата в образцах составила 20, 30, 40 и 50 %.
Подготовленные по рецептуре смеси гомогенизировали и пастеризовали в соответствии с режимами, установленными технологической инструкцией по производству мороженого1. Созревание смеси проводилось при температуре 5оС в течение 6 ч.
Реологические показатели смеси определяли на ротационном вискозиметре «Реотест – 2.1» при помощи цилиндрического измерительного устройства2.
Результаты исследований реологических характеристик (эффективной вязкости и касательного напряжения) смесей представлены на рисунках 4.1-4.2.
Для всех образцов максимальная вязкость смеси мороженого отмечается при небольших градиентах скорости сдвига, дальнейшее увеличение градиента скорости сдвига приводит к значительному падению эффективной вязкости. При этом с увеличением степени замещения СОМО начальное значение эффективной вязкости понижается.
Анализ кривых течения свидетельствует, что смеси мороженого ведут себя как псевдопластические жидкости (рисунок 4.2). Следовательно, для их описания может быть использовано уравнение Оствальда де Виля1: где – напряжение сдвига, Па;
Для определения коэффициента консистенции и индекса течения выражение (4.2) преобразовывалось логарифмированием к линейному виду. После этого строились графики зависимостей In x=f(ln у) (рисунок 4.3).
По регрессионным моделям полученных линейных зависимостей определялись значения К и п для всех образцов (таблица 4.2).
Для всех образцов получено значение n 1, что также подтверждает их принадлежность к псевдопластическим жидкостям 1 . С увеличением степени замещения СОМО НФ-концентратом значения К и n уменьшаются.
Для исследования изменения вязкости смеси в зависимости от степени замещения СОМО НФ-концентратом в работе определялась вязкость неразрушенной структуры образцов при фиксированном значении скорости сдвига =40 с-1. Зависимость вязкости смеси от степени замещения СОМО НФ-концентратом н представлена на рисунке 4.4.
Из анализа зависимости следует, что при увеличении массовой доли замены СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки вязкость смеси понижается, при этом наиболее значительное снижение вязкости (с 292 Пас. до 207 Пас) наблюдается при замещении свыше 30 %.
Адекватность полученного уравнения экспериментальным данным проверялось по критерию Фишера. Для этого была рассчитана дисперсия воспроизводимости серии опытов и дисперсия адекватности S2deKe (таблица 4.3-4.4).
Расчётное значение критерия Фишера определялось по формуле2: следовательно дисперсии однородны и полученное уравнение (4.3) адекватно описывает изменение вязкости в зависимости массовой доли НФ-концентрата в смеси мороженого.
Влияние сывороточных концентратов на реологические характеристики смесей мороженого можно объяснить изменением соотношения основных компонентов, формирующих показатель СОМО – белка и лактозы. В таблице 4.5 приведено их содержание в смесях мороженого в пересчёте на сухое вещество при различной степени замещения СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки.
При замене СОМО сухими веществами НФ-концентрата происходит снижение общего количества белка и повышение массовой доли лактозы. Как известно, молочный белок, обладая поверхностно-активными свойствами, выполняет функцию эмульгатора и стабилизатора и играет существенную роль при образовании коагуляционной структуры1. Следовательно, уменьшение его содержания приводит к дестабилизации системы и ослаблению пространственного каркаса, что приводит к снижению вязкости смеси.
Однако, на данный момент, среди специалистов отсутствует единое мнение об оптимальном значении вязкости смеси мороженого. Известно, что с увеличением вязкости скорость взбивания уменьшается и повышается устойчивость к таянию.
Таким образом, исследования реологических характеристик показывают, что замена до 30% СОМО НФ-концентратом не оказывает существенного влияния на вязкость неразрушенной структуры смеси мороженого. Полученные результаты учитывались при разработке рецептуры мороженого с частичной заменой СОМО сухими веществами НФ-концентратов творожной сыворотки.
Оценка экономической эффективности производства мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки
Экономическая эффективность – относительная величина, характеризующая степень результативности производства и выражается отношением полученного эффекта к затратам, вызвавших этот эффект 1 . Этот показатель формируют обобщающие и частные показатели такие как рентабельность, прибыль, затраты на единицу продукции, фондоотдача, производительность труда, фондоемкость, материалоемкость капиталоемкость продукции, срок окупаемости капитальных вложений и другие2.
Эффективность использования сырьевых, энергетических, трудовых ресурсов, производственной мощности определяют по показателю себестоимости продукции. Исчисление себестоимости единицы продукции осуществляют по статьям затрат, перечень которых каждое предприятие устанавливает самостоятельно. Затраты, образующие себестоимость подразделяют на основные и накладные, а в зависимости от способа отнесения затрат на себестоимость продукции конкретного вида различают прямые и косвенные, по степени зависимости от изменения объема производства подразделяют на постоянные и переменные.
При оценке экономической эффективности разработанной технологии мороженого применялись следующие статьи переменных затрат: сырье и основные материалы, транспортно-заготовительные расходы, вспомогательные материалы, топливо и энергия на технологические цели, расходы на подготовку и освоение производства3.
В себестоимости мороженого наибольший удельный вес занимают затраты на ингредиенты. Расчёт этих затрат проводился для рецептур с различной степенью замены СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки (таблица 5.8). 126 В рецептуре мороженого с увеличением массовой доли НФ-концентрата снижается количество сухого цельного молока, однако, увеличивается массовая доля сливочного масла. Для сравнения были рассчитаны годовые затраты на сырье при суточном выпуске мороженого с использованием НФ–концентрата 30 т (таблица 5.9).
Затраты на ингредиенты мороженого при увеличении содержания НФ– концентрата уменьшаются: при замене массовой доли СОМО НФ-концентратом 20% сумма затрат уменьшается на 1,8 % по сравнению с контрольным образцом, при содержании 25% и 30% - на 2,30% и 2,73 % соответственно. Экономия затрат на сырье при годовом объеме производства мороженого с НФ-концентратом 20% 30 т/сут в абсолютных единицах составляет 10831 тыс. руб.
Затраты на топливо и энергию при производстве молочных продуктов принимаются (20-25) % от затрат на переработку1 . Расчет по данной статье представлен в таблице 5.10
Стоимость вспомогательных материалов для обеспечения технологического процесса и упаковки 1 т продукции составила 5000 руб.
Полная себестоимость мороженого с НФ-концентратом творожной сыворотки рассчитывалась из суммы постоянных и переменных затрат (таблица 5.11). Постоянные затраты повременно-премиальной формы оплаты труда составляют 20% от переменных затрат1.
При расчете экономической эффективности инвестиций определяли необходимый объем производства продукта, при реализации которого прибыль и убытки равны нулю (точка безубыточности). Графики точек безубыточности для рецептур с массовой долей замены СОМО НФ-концентратом 20, 25 и 30 % строили с помощью программы Project Expert (рисунки 5.3-5.6).
Анализ графических зависимостей показывает, что точка безубыточности снижается с ростом доли замены СОМО НФ-концентратом в продукте по Реализация предложенной технологии требует капитальных вложений на приобретение оборудования (рисунок 3.6, глава 3.3). Инвестиции в оборудование составляют 20 млн. рублей. Для определения периода окупаемости инвестиций в данное оборудование, использовался расчет увеличения прибыли АПр для рецептур с различной массовой долей НФ-концентрата в сравнении с контрольной рецептурой при объеме производства 30 т в сутки (таблица 5.13).
Расчитанный срок окупаемости от 19,5 до 11,1 месяцев позволяет сделать вывод об экономической целесообразности внедрения предложенной технологии мороженого с заменой части СОМО НФ-концентратом творожной сыворотки.