Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 7
1.1 Основные направления переработки лактозосодержащего сырья 7
1.2 Про- и пребиотики как компоненты функционального питания 13
1.3 Современные способы получения бифидогенных концентратов из вторичного молочного сырья
1.4 Обоснование выбора направления и задачи исследований 31
Глава 2. Организация, объекты и методы проведения исследований 33
2.1 Организация научной работы и объекты исследований 33
2.2 Методы исследований 37
2.3 Математическое планирование и обработка результатов эксперимента 43
Глава 3. Исследование закономерностей изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока
3.1 Изучение влияния температуры на степень изомеризации лактозы в лактулозу
3.2 Изучение кинетики изомеризации лактозы в лактулозу 52
3.3 Оптимизация процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока
Глава 4. Изучение процессов биотрансформации лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой
4.1 Изучение влияние температуры и рН на состав продуктов реакции лактозы с препаратом дрожжевой -галактозидазы
4.2 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой
4.3 Оптимизация процесса трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой
Глава 5. Разработка технологии пребиотических концентратов на основе пермеата обезжиренного молока
5.1 Технологический процесс получения пребиотических концентратов на 78 основе пермеата обезжиренного молока. Обоснование оптимальных технологических параметров
5.2 Оценка экономической эффективности производства пребиотических 88 концентратов
5.3 Экологический мониторинг технологии пребиотических концентратов 93
Выводы 97
Список используемых источников
- Про- и пребиотики как компоненты функционального питания
- Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
- Оптимизация процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока
- Оптимизация процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой
Про- и пребиотики как компоненты функционального питания
В настоящее время можно выделить следующие подходы по переработке лактозосодержащего сырья: полное и раздельное использование использование составных компонентов сырья. Первый подход можно реализовать по следующим направлениям: использование лактозосодержащего сырья как компонента пищевых продуктов, или же в производстве питательных сред, удобрений и кормов, косметики, моющих средств. Второе направление реализуется при производстве сгущенных и сухих концентратов, сухой деминерализованной и сухой безлактозной сыворотки, сухой сыворотки с наполнителями. Это направление более перспективно [38, 107, 117].
Полное использование компонентов лактозосодержащего сырья основывается на обезвоживании путем выпаривания под вакуумом и сушки. При этом получают продукты с промежуточной влажностью. Раздельное использование компонентов лактозосодержащего сырья позволяет извлекать жир, белки или их фракции, лактозу, а также минеральные соли. Открывается широкий спектр возможностей для релизации этого направления посредством использования ионного обмена, ультрафильтрации, электродиализа и сорбции, гельфильтрации. Биологическая обработка лактозосодержащего сырья с целью получения производных компонентов также является актуальным направлением биотехнологии (конверсия лактозы в лактулозу, гидролиз лактозы до моноз, протеолиз белков ферментами) [38, 106, 107, 112, 117].
Биотехнологическая обработка молока и обработка посредством химических реагентов, приводит к образованию таких вторичных видов сырья, как творожная, подсырная, казеиновая сыворотки. При производстве кристаллического молочного сахара образуется меласса – межкристальная жидкость. Вышеперечисленные объекты относят к традиционному лактозосодержащему сырью. Нетрадиционные способы разделения компонентов молочного сырья, к которым относят, например, мембранные методы, приводят к образованию фильтратов (пермеатов). Технология производства безлактозного молока из сухого обезжиренного молока при помощи экстрации лактозы и минеральных солей приводит к образованию экстрактов, которые так же можно отнести к нетрадиционному лактозосодержащему сырью [ 22, 38].
Молочная сыворотка – это один из самых перспективных и ценнейших источников биологически активных веществ. Она образуется при производстве сыра, творога и казеина. Около 48 – 50 % сухих веществ молока переходит в сыворотку, причем основная часть приходится на дисахарид – лактозу и составляет около 70 % [89, 111].
Монозы в сыворотке представлены глюкозой и галактозой, причем в творожной сыворотке глюкозы содержится 0,7 – 1,6 %, а в подсырной сыроротке глюкоза представлена в следовых количествах. Это объясняется гидролизом лактозы при производстве творога. Из олигосахаридов в сыворотке содержатся лактоза, лактулоза и серологически активные сахара. По основным физико-химическим, органолептическим и микробиологическим показателям сыворотка должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». С органолептической точки зрения сыворотка является однородной жидкостью зеленоватого цвета без посторонних примесей, с чистым, характерным для данного вида сыворотки вкусом. Плотность сыворотки не менее 1023 кг/м3, кислотность 11 – 75 Т, активная кислотность сыворотки (рН) 4,4 – 6,3. Энергетическая ценность молочной сыворотки составляет 1013 кДж/кг или 36 % энергетической ценности молока [30, 66, 77, 97].
В качестве вторичного продукта при производстве молочного сахара образуется меласса. Каждая из разновидностей мелассы (в зависимости от конечного продукта производства) отличается количественным составом основных компонентов, а также физико-химическим показателям [5].
В настоящее время в пищевой промышленности все большее распространение получают мембранные процессы.
Баромембранная фильтрация позволяет разделять жидкости на два потока – пермеат и ретентат. В зависимости от вида готовой продукции компоненты молочного сырья либо концентрируются, либо удаляются.
Баромембранные процессы подразделяются на четыре типа (таблица 1.2) [23].
В ходе ультрафильтрации с целью получения белково-жировых концентратов появляется побочный продукт – ультрафильтрат [33, 65, 106].
Процесс ультрафильтрации является альтернативой вакуум-выпарному концентрированию, может осуществляться при низких температурах (8 – 10 С), что обеспечивает микробиологическую безопасность и позволяет сохранить ряд полезных веществ перерабатываемого сырья (белки, в том числе сывороточные, в нативном состоянии, витамины, ферменты, гормоны) [99]. Ультрафильтрация в настоящее время является одним из наиболее распространенных в пищевых производствах баромембранным процессом.
Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
Фермент обладает довольно высокой активностью. В качестве продуцентов выступают дрожжи Kluyveromyces lactis, поэтому «Биолактаза Л20» активно работает в кислой среде.
Лактаза (-D-галактозидаза) расщепляет лактозу на составляющие моносахариды, глюкозу и галактозу. Эти сахара относительно сладкие (примерно на 80 % в сравнении с сахарозой) и в 4 раза лучше растворимы, чем лактоза сама по себе [115].
Biolactase L20 применяется для конверсии лактозы в молоке. Дозировка зависит от желаемой степени гидролиза, температуры и рН молочного сырья, времени реакции и типа субстрата.
Для предотвращения нежелательного роста микроорганизмов рекомендуется обработать сырье при температуре 6 – 10 С в течение 12 – 24 часов. При температуре 37 С 80 %-ный гидролиз может быть получен при типичной дозировке 0,07 – 0,09 % в течение 6 часов [68, 128].
Фермент имеет свело коричневый цвет, жидкую консистенцию. Активность лактазы минимально 20,000 GU/мл. Оптимальная температура для Biolactase L20 37 С, оптимальный уровень рН = 6,0 [128]. «Биолактаза Л20» соответствует действующим законодательным актам и нормативным требованиям к качеству и безопасности, установленным для данного вида пищевой продукции (СанПиН 2.3.2.1293-03 "Гигиенические требования по применению пищевых добавок", СанПиН 2.3.2.1078-01 "Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов").
Гигиеническая характеристика фермента представлена в таблице 2.1 [93, 68]. В качестве катализатора реакции изомеризации лактозы в лактулозу использовался гидроксид натрия ХЧ ГОСТ 4328-77. В связи с этим разрабатываемый пребиотический концентрат, являясь пищевым продуктом, подвергается деминерализации методом электродиализа.
Деминерализация изомеризованного пермеата в лабораторных условиях проводилась с использованием электродиализного модуля производства АО «МЕГА» (Чехия), оснащенного ионообменными неоднородными мембранами RALEX [11, 18, 67].
Для определения характеристик объектов исследований и технологических процессов использовались общепринятые и стандартные методы, опубликованные в специальной литературе [3, 75, 118, 123, 124].
Для определения физико-химических и микробиологических показателей исходного сырья, объектов при проведении экспериментальных исследований, опытных образцов пребиотических концентратов применялись следующие стандартные методы анализа: - массовой доли сухих веществ – рефрактометрически по ГОСТ 3626-73 и методом высушивания до постоянной массы по ГОСТ 8764-73; - массовой доли лактозы в пермеате обезжиренного молока – поляриметрическим методом по Г. Вижинайте [26, 119]; - массовой доли золы – методом сжигания до постоянной массы по ГОСТ Р 51463-99; - рН – потенциометрически по ГОСТ 26781-85, на приборе рН-150; - определение температуры замерзания – криоскопически на приборе «Криостар» по методике применительно к молочному сырью [119]; - фракционного состава углеводов в образцах бифидогенных концентратов – хроматографически методами газо-жидкостной и высокоэффективной жидкистной хроматографии (методы описаны ниже); - температуры – термометрически, термометр в оправе по ГОСТ 9177-74; - продолжительности термостатирования – хронометрически; - количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) в 1 г продукта – по ГОСТ 104444.15-94 «Продукты пищевые. Методы определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов»; - наличия бактерий группы кишечной палочки – по ГОСТ 30518-97 «Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества бактерий группы кишечных палочек (колиморфных бактерий)»; - количества дрожжей и плесеней в 1 г продукта – по ГОСТ 104444.12-88 «Продукты пищевые. Методы определения дрожжей и плесневых грибов».
Для определения степени изомеризации лактозы в лактулозу применялась модифицированная поляриметрическая методика, основанная на специфической оптической активности данных углеводов [73, 36].
Оптимизация процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока
Блок 1. Приемка сырья оценка качества. Приемка и сбор обезжиренного молока осуществляется с помощью центробежного насоса (1), в резервуар (2) с охлаждающей рубашкой, где происходит накопление сырья перед его дальнейшей обработкой. Оценка химического состава и свойств обезжиренного молока осуществляется по следующим показателям: массовая доля сухих веществ и лактозы, титруемая или активная кислотность. Далее осуществляется пастеризация обезжиренного молока при режимах (72 ± 2) С, без выдержки. Пастеризация осуществляется в трубчатом пастеризаторе (3).
Блок 2. Ультрафильтрация. Далее обезжиренное молоко охлаждается в пластинчатом охладителе (4) до температуры (45 – 50) С и накапливается в резервуаре (2). Далее обезжиренное молоко направляется на ультрафильтрацию в ультрафильтрационную установку (5), при этом концентрат остается в резервуаре, а пермеат поступает в емкость для хранения (6). Емкость оснащена рубашкой для охлаждения.
Блок 3. Сгущение. Для проведения дальнейших процессов биотрансформации лактозы, необходимо концентрировать пермеат обезжиренного молока до содержания сухих веществ (20 ± 0,1) %. Сгущение пермеата осуществляется на вакуум-выпарной установке (7). Далее с помощью ротационного насоса (8) концентрированный пермеат поступает в ферментер для дальнейшей изомеризации.
Блок 4. Изомеризация. Изомеризация лактозы в лактулозу осуществляется при температуре (82 ± 0,5) С при значении активной кислотности (10,1 ± 0,1). Данное значение рН достигается посредством внесения 20 %-го раствора гидроксида натрия в количестве (6,0 ± 0,1) % от объема концентрированного пермеата. Изомеризация осуществляется в течение (18,5 ± 2,5) минут в ферментере (9). По достижению заданного времени изомеризации вносят лимонную кислоту в количестве (1,8 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного глюкозой и галактозой, и (4,5 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного галактоолигосахаридами. Блок 5. Деминерализация. Процесс осуществляется при температуре 15 – 20 С в электродиализной установке 11 [25].
Блок 6. Ферментация лактазой. В ходе ферментации реакция лактозы с -галактозидазой может сместиться как в сторону гидролиза, так и в сторону трансгалактозилирования.
6. Гидролиз. Процесс осуществляется при температуре (46,0 ± 0,5) С при уровне активной кислотности рН = (6,0 ± 0,1) и времени ферментации (145,5 ± 2,5) минут. Данный уровень активной кислотности достигается внесением лимонной кислоты в количестве (1,8 ± 0,1) % от объема пермеата.
7. Процесс трансгалактозилирования необходимо проводить при значении рН = (4 ± 0,1), температуре (56 ± 0,5) С и времени термостатирования (12,5 ± 2,5) минут. Данный уровень активной кислотности достигается внесением лимонной кислоты в количестве (4,5 ± 0,1) % от объема пермеата. Оба процесса осуществляются в комплекте оборудования для гидролиза (9). Каскад ферментеров работает по принципу непрерывной ферментации [53].
Блок 7. Инактивация. Для инактивации фермента в начале сгущения температуру в вакуум-выпаной установке (7) поднимают до 70 С.
Блок 8. Досгущение. Полученный пребиотический концентрат сгущается на вакуум-выпаной установке (7) до концентрации сухих веществ 60 %.
Анализ полученных данных показал, что при данной концентрации продукта вероятность микробиологической порчи достаточно мала, так как концентрат является продуктом с низкой влажностью.
Блок 8. Сгущенный продукт с помощью насоса (8) поступает на фасовку, где разливается в алюминиевые фляги аппаратом для фасовки во фляги (13).
Перечень основного технологического оборудования рекомендованного для производства пребиотических концентратов представлен в таблице 5.2.
На основе разработанной технологии были проведены опытные выработки партий концентратов объемом 0,1 л на базе экспериментального цеха факультета биотехнологии пищевых продуктов Северо-Кавказского Федерального Университета, а также опытные выработки партий концентратов на предприятии «Молочный Комбинат «Ставропольский»» (Приложение Б). В ходе выработок были получены два образца пребиотических концентратов (№1 – пребиотический концентрат, обогащенный глюкозой и галактозой (ПК-ГЛ); №2 – пребиотический концентрат, обогащенный галактоолигосахаридами (ПК-ГОС)).
Исследование углеводного состава опытных образцов пребиотических концентратов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Хроматограммы образцов приведены в приложении В. Химический состав опытных образцов приведен в таблице 5.3.
Оптимизация процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой
Блок 1. Приемка сырья оценка качества. Приемка и сбор обезжиренного молока осуществляется с помощью центробежного насоса (1), в резервуар (2) с охлаждающей рубашкой, где происходит накопление сырья перед его дальнейшей обработкой. Оценка химического состава и свойств обезжиренного молока осуществляется по следующим показателям: массовая доля сухих веществ и лактозы, титруемая или активная кислотность. Далее осуществляется пастеризация обезжиренного молока при режимах (72 ± 2) С, без выдержки. Пастеризация осуществляется в трубчатом пастеризаторе (3).
Блок 2. Ультрафильтрация. Далее обезжиренное молоко охлаждается в пластинчатом охладителе (4) до температуры (45 – 50) С и накапливается в резервуаре (2). Далее обезжиренное молоко направляется на ультрафильтрацию в ультрафильтрационную установку (5), при этом концентрат остается в резервуаре, а пермеат поступает в емкость для хранения (6). Емкость оснащена рубашкой для охлаждения.
Блок 3. Сгущение. Для проведения дальнейших процессов биотрансформации лактозы, необходимо концентрировать пермеат обезжиренного молока до содержания сухих веществ (20 ± 0,1) %. Сгущение пермеата осуществляется на вакуум-выпарной установке (7). Далее с помощью ротационного насоса (8) концентрированный пермеат поступает в ферментер для дальнейшей изомеризации.
Блок 4. Изомеризация. Изомеризация лактозы в лактулозу осуществляется при температуре (82 ± 0,5) С при значении активной кислотности (10,1 ± 0,1). Данное значение рН достигается посредством внесения 20 %-го раствора гидроксида натрия в количестве (6,0 ± 0,1) % от объема концентрированного пермеата. Изомеризация осуществляется в течение (18,5 ± 2,5) минут в ферментере (9). По достижению заданного времени изомеризации вносят лимонную кислоту в количестве (1,8 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного глюкозой и галактозой, и (4,5 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного галактоолигосахаридами. Блок 5. Деминерализация. Процесс осуществляется при температуре 15 – 20 С в электродиализной установке 11 [25].
Перечень основного технологического оборудования рекомендованного для производства пребиотических концентратов представлен в таблице 5.2.
На основе разработанной технологии были проведены опытные выработки партий концентратов объемом 0,1 л на базе экспериментального цеха факультета биотехнологии пищевых продуктов Северо-Кавказского Федерального Университета, а также опытные выработки партий концентратов на предприятии «Молочный Комбинат «Ставропольский»» (Приложение Б). В ходе выработок были получены два образца пребиотических концентратов (№1 – пребиотический концентрат, обогащенный глюкозой и галактозой (ПК-ГЛ); №2 – пребиотический концентрат, обогащенный галактоолигосахаридами (ПК-ГОС)).
Исследование углеводного состава опытных образцов пребиотических концентратов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Хроматограммы образцов приведены в приложении В. Химический состав опытных образцов приведен в таблице 5.3.
Подготовлен и утвержден стандарт организации на производство пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья СТО 02067965-007-2013. Опытно-промышленная апробация проводилась в 2013 г. на ОАО «Молочный Комбинат «Ставропольский»» (г. Ставрополь) (Приложение Г).
Результаты работы используются в учебном процессе студентов специальностей 240902.65 – Пищевая биотехнология и 260303.65 – Технология молока и молочных продуктов (Приложение Д). 5.2 Оценка экономической эффективности производства пребиотического концентрата
Пребиотические концентраты, являясь классическими представителями компонентов функционального питания, необходимыми в качестве пищевых добавок большинству населения, являются, в большинстве своем, дорогостоящими продуктами. Поэтому необходимо удешевление технологии концентратов. Использование вторичного молочного сырья в качестве источника пребиотических веществ – один из перспективных методов решения этой проблемы. Кроме того, вторичное молочное сырье зачастую выступает в качестве отхода производства, поэтому использование его компонентов служит еще и цели защиты окружающей среды.
При оценке экономической эффективности внедрения разработанных технологий исходим из того, что производство будет организовано на базе цехов по производству сгущенных молочных продуктов (в частности – на базе цеха по производству белковых концентратов «Молочного Комбината «Ставропольский»»). Внедрение производства разработанного продукта потребует дополнительных затрат на приобретение оборудования и его монтаж. Перечень необходимого оборудования представлен в таблице 5.5. Дополнительных площадей не требуется. Расчет производится на годовой объем производства пребиотического концентрата из обезжиренного молока 300 т. Производить продукцию планируется 300 суток в году при двухсменной работе. Таблица 5.5 – Перечень дополнительного технологического оборудования [54]
