Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1 Ресурсосберегающие технологии в промышленном производстве 8
1.2 Физико-химические свойства и биологическая ценность молочной сыворотки 19
1.3 Экологическая безопасность молочного производства 24
1.4 Технологии переработки молочной сыворотки 28
1.4.1. Мембранное разделение 28
1.4.2. Электродиализ 30
1.4.3. Криоконцентрирование 32
1.5 Применение разделительного вымораживания в пищевой промышленности 35
1.6 Заключение по обзору литературы, цель и задачи исследований 39
Глава 2. Постановка экспериментов и методы исследований 42
2.1 Организация экспериментальных исследований 42
2.2 Описание экспериментальных установок 44
2.3 Объекты и методы исследований 50
Глава 3. Результаты исследований и анализ полученных данных 53
3.1 Исследование свойств молочной сыворотки как объекта криоконцентрирования 53
3.2 Исследование режимных параметров криоконцентрирования молочной сыворотки 58
3.2.1 Влияние температуры поверхности кристаллизатора на эффективность криоконцентрирования 58
3.2.2 Влияние концентрации сухих веществ на эффективность криоконцентрирования 72
3.3 Математическое моделирование разделительного вымораживания молочной сыворотки 79
Глава 4. Практическая реализация результатов экспериментальных исследований 87
4.1 Разработка технологии получения белковых концентратов методом разделительного вымораживания молочной сыворотки 87
4.2 Разработка технологии получения концентрата лактозы методом разделительного вымораживания молочной сыворотки 92
4.3 Разработка технологии утилизации неорганических компонентов, органических кислот и их солей 95
4.4 Определение физико-химических показателей концентратов белков и лактозы, полученных разделительным вымораживанием 98
4.5 Анализ показателей безопасности концентратов, полученных из молочной сыворотки 105
4.6 Определение технико-экономических показателей получения белкового концентрата и концентрата лактозы 108
Выводы 114
Список литературы 116
Приложения 135
- Физико-химические свойства и биологическая ценность молочной сыворотки
- Исследование свойств молочной сыворотки как объекта криоконцентрирования
- Разработка технологии получения белковых концентратов методом разделительного вымораживания молочной сыворотки
- Определение технико-экономических показателей получения белкового концентрата и концентрата лактозы
Физико-химические свойства и биологическая ценность молочной сыворотки
В ходе переработки молока в различного рода молочные продукты, например, сыр, творог, казеин неизбежно образуется такой побочный продукт как молочная сыворотка. Биологическую ценность данного продукта для человека трудно переоценить, что обусловлено ее особым компонентным составом [140].
Молочная сыворотка содержит широкий спектр биологически активных питательных веществ в сбалансированном соотношении [44]. Достаточная калорийность и хорошая усвояемость обуславливают высокую пищевую ценность данного продукта [7, 17, 70, 110].
Как правило, в пищевом производстве используют 2 категории молочной сыворотки – кислую и сладкую. Кислая сыворотка образуется при производстве творога и казеина, сладкая – при выработке сыра. Химический состав молочной сыворотки варьируется от ряда факторов: для казеиновой – от вида вырабатываемого казеина, для подсырной – от вида сыра и его жирности, для творожной – от способа выработки творога и его жирности [33]. В табл. 1.2 приведены данные по среднему химическому составу различных видов молочной сыворотки [44].
Из представленных данных в табл. 1.2 следует, что различные виды молочной сыворотки характеризуются схожим химическим составом.
Относительно большое различие проявляется в кислотности – из представленных видов молочной сыворотки наибольшая кислотность наблюдается у творожной сыворотки (60-75 Т).
Из белкового компонента можно выделить казеин, содержание которого составляет порядка 0,3% и сывороточные белки (с концентрацией около 0,36%), в которые входит ангеогенин (0,5-1,2 мг/г) и лактоферрин (0,08 мг/мл) [140]. Стоит отметить, что среди цельных белков сывороточные белки имеют наибольшую скорость расщепления.
Общая концентрация аминокислот в подсырной и творожной сыворотке приблизительно одинаковая. Однако в творожной сыворотке содержится в 7 раз больше незаменимых аминокислот [140]. В основном это касается таких аминокислот как валин, фенилаланин, изолейцин и лейцин. Такое различие обусловлено более интенсивным гидролизом белков молока при выработке творога. Содержание свободных аминокислот в подсырной сыворотке в 4 раза выше, чем в исходном молоке, а в творожной – в 10 раз [145].
Аминокислотный состав белков молочной сыворотки схож с аминокислотным составом мышечной ткани человека. Концентрация незаменимых аминокислот в сывороточных белках (валин, изолейцин, лейцин) выше, чем в других белках растительного и животного происхождения. Помимо этого, порядка 14% сывороточных белков присутствует в форме продуктов гидролиза (аминокислот, ди-, три- и полипептидов), которые активно участвуют в процессах пищеварения и синтезе большей части жизненно необходимых ферментов и гормонов. Стоит также отметить, что белки молочной сыворотки способствуют снижению уровня холестерина в крови и повышению концентрации глутатиона, который является важнейшим антиоксидантом в организме человека.
В табл. 1.3 приведен сравнительный состав минеральных веществ в молоке и сыворотке [140].
Из данных, приведенных в табл. 1.3 следует, что в молочную сыворотку переходит порядка 70% минеральных веществ от исходного молока. Отмечено достаточно высокое содержание кальция в молочной сыворотке: 1 литр данного продукта содержит суточную дозу кальция для взрослого человека и порядка 40% нормы калия. Среди других ценных минеральных веществ можно также отметить фосфор, натрий, магний, железо, которые играют важную роль во многих биологических функциях организма.
В табл. 1.4 приведены сравнительные данные по среднему витаминному составу молочного сырья, в том числе сыворотки [140].
В молочной сыворотке содержание некоторых витаминов: рибофлавина, пиридоксина, аскорбиновой кислоты превышает их содержание в цельном молоке, что обусловлено специфическим действием молочнокислых бактерий. Стоит отметить, что содержание витаминов в молочной сыворотке подвергается колебаниям и существенно снижается при хранении. В целом, по витаминному составу молочная сыворотка является биологически полноценным продуктом.
Из органических кислот в молочной сыворотке обнаружены такие как уксусная, муравьиная, молочная, лимонная, нуклеиновая, масляная, пропионовая и летучие жирные кислоты. Образование молочной кислоты происходит из лактозы в ходе жизнедеятельности бактерий. Из ферментов в молочной сыворотке присутствуют гидролазы и фосфорилазы [84].
Молочная сыворотка представляет собой хорошую среду для развития различных групп микроорганизмов. Данный продукт с успехом используется как лечебно-профилактическое средство при заболеваниях желудка, почек, при каменной болезни, гастритах с пониженной кислотностью. Клинические исследования профессора Х.И. Вайншена показали, что молочная сыворотка оказывает стимулирующее действие на секрецию желудочного и поджелудочного соков, желчи, а также моторную функцию кишечника [84].
Таким образом, были рассмотрены основные физико-химические свойства молочной сыворотки. Показана высокая биологическая ценность данного продукта, обусловленная высоким содержанием витаминов, минеральных веществ, белков и аминокислот. Молочную сыворотку целесообразно использовать для производства продуктов диетического и лечебного питания, что позволит не только расширить ассортимент выпускаемой продукции, но и способствовать профилактике авитаминоза. Все вышесказанное свидетельствует о целесообразности глубокой переработки молочной сыворотки на пищевые цели.
Исследование свойств молочной сыворотки как объекта криоконцентрирования
Как уже было показано в п. 1.2, молочная сыворотка является смесью целого ряда компонентов, в той или иной степени оказывающих влияние на ее органолептические и физико-химические показатели, а также на процессы ее обработки, в частности – разделительного вымораживания. В ходе переработки сыворотки могут происходить существенные изменения, приводящие к денатурации ее компонентов, что в конечном итоге влияет на ее качественные показатели.
Вначале была проведена органолептическая оценка исходной молочной сыворотки (табл. 3.1).
По своим органолептическим свойствам исследуемая сыворотка соответствовала требованиям ГОСТ 53438-2009. Было обнаружено незначительное количество белкового осадка, что является нормой для данного вида продукта. Далее был исследован химический состав молочной сыворотки, данные которого представлены в табл. 3.2.
Следующим этапом исследований являлся анализ теплофизических показателей молочной сыворотки.
Для определения криоскопической температуры использовался лабораторный стенд, конструкция которого приведена в п. 2.2. В ходе замораживания образца регистрировалось изменение времени (рис. 3.1а).
Замораживание сыворотки можно охарактеризовать тремя этапами: на первом этапе наблюдается понижение температуры сыворотки до криоскопической. При этом происходит увеличение темпа охлаждения (рис. 3.1б). Спустя 20 мин температура сыворотки приближается к точке криоскопии и темп охлаждения снижается. Спустя 24 мин. после начала процесса температура продукта скачкообразно повышается до температуры, соответствующей криоскопической – в данном случае до минус 0,74С. Далее наблюдается пологий участок, когда не происходит изменения температуры продукта. На данном интервале происходит выделение скрытой теплоты льдообразования. Через 33 мин после начала процесса скорость снижения температуры сыворотки вновь повышается. По мере приближения температуры продукта к температуре теплоносителя скорость снижения температуры сыворотки стремится к 0 (рис. 3.1б).
Результаты анализа теплофизических показателей молочной сыворотки приведены в табл. 3.4.
Поскольку исследуемая молочная сыворотка на 94% состоит из воды (табл. 3.2), то ее теплофизические свойства в значительной мере схожи с аналогичными свойствами воды. Наибольшее различие наблюдается для теплопроводности и составляет порядка 10%.
Для определения белкового состава молочной сыворотки проводили электрофоретические исследования. В табл. 3.5 приведены данные по белковым фракциям молочной сыворотки.
В результате проведения электрофоретического исследования было определено 9 компонентов белка молочной сыворотки. Массовая доля -лактальбумина составила порядка 21% от общей массовой доли белка. Три компонента с молекулярными массами от 18, 4 до 40,1 кДа относятся к -лактоглобулину. Его массовая доля составляет около 55% от общего белка. В молочной сыворотке были также обнаружены фракции, соответствующие альбумину сыворотки крови и имунноглобулину, концентрация которых к общему белку составляет соответственно 7 и 16%.
Таким образом, были проанализированы основные физико-химические свойства молочной сыворотки как объекта концентрирования. По органолептическим показателям и физико-химическому составу объект исследования полностью соответствовал установленным нормам. Исследованы теплофизические свойства молочной сыворотки, определена криоскопическая температура, которая составила минус 0,74С. Определены основные фракции белков молочной сыворотки: -лактальбумин, -лактоглобулин, альбумин сыворотки крови, имунноглобулины, массовая доля которых составляет соответственно 0,18; 0,47; 0,06 и 0,14%.
Разработка технологии получения белковых концентратов методом разделительного вымораживания молочной сыворотки
При вымораживании молочной сыворотки был обнаружен такой эффект как образование белкового осадка на дне емкости кристаллизатора. Данное явление наблюдается вследствие воздействия одновременно двух факторов: изменения кислотности сыворотки в ходе вымораживания (табл. 4.1) и влияния нестационарного температурного поля, вызванного температурным дифференциалом холодильной машины.
Для более подробного изучения данного явления были проведены дополнительные исследования, в ходе которых анализировали влияние температурных параметров вымораживания на коагуляцию сывороточных белков. Эксперименты проводили при температуре теплообменной поверхности от минус 2 до минус 8 С с шагом в 2 С. Температурный дифференциал t при этом составлял порядка 0,5 С. После завершения разделительного вымораживания концентрат подвергался термокоагуляции при температуре 90-95С для лучшего отделения белковой части. После этого осуществлялось центрифугирование при частоте 4200 об/мин в течение 25 мин. Образующийся при этом осадок подвергался фильтрованию через фильтрующую бумагу для получения концентрата сывороточного белка.
Количество белкового осадка на дне емкости в жидкой фазе концентрата в зависимости от температуры теплообменной поверхности представлено в табл. 4.2 и на рис. 4.1.
Установлено, что при температуре теплообменной поверхности минус 2 С наибольшее количество осадка в жидкой фазе концентрата (1,5 г/ 100 г) наблюдается через 240 мин. вымораживания, что соответствует вымораживанию порядка 35% всей влаги. При температуре минус 4 С это время составляет 180 мин и соответствует кристаллизации около 50% влаги. В случае вымораживания при температуре теплообменной поверхности кристаллизатора минус 6 и минус 8 С, время получения наибольшего количества белка составляет 120-180 мин. В течение дальнейшего вымораживания наблюдалось постепенное «вмерзание» белкового осадка в образующийся кристаллический фронт, снижая его количество в незамерзшем растворе.
В следующей серии экспериментов производили подбор величины температурного дифференциала, значение которого в различных опытах меняли от 0,5 до 3 С с шагом в 0,5 градуса. При этом продолжительность вымораживания находилась исходя из максимального количества выпадаемого белка в предыдущей серии экспериментов: при температуре теплообменной поверхности минус 2 С – 240 мин, при температуре теплообменной поверхности минус 4 С – 180 мин.
Количество выделяемого белка в зависимости от температурного дифференциала и температуры теплообменной поверхности кристаллизатора представлены на рис. 4.2.
Установлено, что наибольшее количество получаемого белкового осадка (около 2%) наблюдалось при температурном дифференциале в 1,5 градуса. Дальнейшее увеличение указанного параметра не приводило к повышению количества белкового осадка в жидкой фазе концентрата. При температуре теплообменной поверхности минус 4 С наблюдается более пологая зависимость количества выделяемого белка от температурного дифференциала.
Таким образом, для обеспечения эффективного выделения белка из сыворотки можно использовать вымораживание при следующих режимах:
- температура теплообменной поверхности минус 2 С, продолжительность 240 мин при величине температурного дифференциала 1,5 градуса;
- температура теплообменной поверхности минус 4 С, продолжительность 180 мин при величине температурного дифференциала 1,5 градуса.
Поскольку при первом способе наблюдалась меньшая степень потерь сухих веществ, то в дальнейших экспериментах будет использоваться именно этот режим. Количество образующегося льда при таком режиме составляет 33,9% от массы исходного продукта. Содержание сухих веществ в концентрате после удаления белкового осадка составляет 9,6%, из них: белка – 0,5%, углеводов – 7,3%, минеральных веществ – 1,1%.
Технологическая схема производства концентрата белка выглядит следующим образом (рис. 4.3).
Исходная молочная сыворотка подвергается разделительному вымораживанию в течение 240 мин при температуре теплообменной поверхности минус 2 С и температурном дифференциале 1,5 градуса. Кристаллизат плавится и удаляется из системы, а концентрат подвергается термокоагуляции при температуре 90-95С.
Определение технико-экономических показателей получения белкового концентрата и концентрата лактозы
В рамках диссертационного исследования были проведены технико-экономические расчеты на выработку продуктов из молочной сыворотки. В первую очередь определяли долю затрат на исходное сырье для каждого из получаемых продуктов.
По результатам проведенных исследований было установлено, что по разработанной технологии из 1 т. исходной молочной сыворотки можно получить 21 кг сывороточного белка, 69 кг концентрата лактозы и 10 кг концентрата минерализата. Соответственно, доля компонентов, получаемых из молочной сыворотки, относительно общей массы всех трех продуктов выглядит следующим образом: белковый осадок – 21,0%, концентрат лактозы – 68,9%, минеральный концентрат – 10,1%.
Был произведен расчет стоимости сырья для выработки продуктов из молочной сыворотки (табл. 4.11).
Количество сыворотки на 1 тонну продукта рассчитывалось исходя из общей массы всех трех продуктов, получаемых из данного сырья.
Далее производился расчет энергетических затрат на выработку 1 т. продукции. Учитывались затраты такого оборудования как накопительная емкость, ванна термокоагуляции, сепаратор, насосы и криоконцентратор.
В качестве приемных емкостей для сыворотки могут выступать горизонтальные емкости серии Р4-ОГР производства ОАО «Завод Старт». Характеристики данных емкостей представлены в табл. 4.12.
В качестве сепаратора может выступать сепаратор РОТОР-ОПТЦП-5 (изготовитель - ООО «Ротор»), характеристики которого представлены в табл. 4.13.
Для термокоагуляции концентрата сыворотки при выделении из нее белка можно использовать ванну длительной пастеризации ВДП-1000. Технические характеристики ее приведены в табл. 4.14.
Общие затраты на 1 т. продуктов рассчитывались исходя из наибольших затрат по каждому оборудованию: ванна термокоагуляции – 9,5 кВт; сепаратор – 3,4 кВт; насосы – 6,1 кВт; криоконцентратор – 101,8 кВт.
Из представленных данных следует, что наибольшие энергозатраты приходятся на криоконцентратор. Среди энергозатрат не учитывались затраты на упаковку продуктов поскольку предполагается дальнейшая их переработка в технологической цепочке.
Стоимость выработки 1 т. продуктов рассчитана с учетом сырьевых, энергетических затрат, а также исходя из отчислений на зарплату персонала и амортизацию оборудования (табл. 4.17). Стоимость электроэнергии на момент расчетов составляла 1,95 кВт/час. Указанная стоимость складывается из услуг по передаче (50%), средневзвешенной нерегулируемой цены покупки электроэнергии на оптовом рынке (40%), сбытовой надбавки (8%) и платы за услуги (2%).
При расчете учитывалась также стоимость амортизации оборудования и расходы на зарплату персоналу с отчислениями.
Таким образом, себестоимость выработки 1 кг концентрата белка составляет около 25,1 руб. Для концентрата лактозы и минерального концентрата данная цена составляет приблизительно 24,2 руб. за кг.
Для расчета экономического эффекта, который можно получить, например, при внесении концентрата белка в молочные продукты было проведено сравнение цены продукта до и после внесения в него концентрата белка в количестве 10% от массы продукта. Расчет производился с учетом стоимости творожных продуктов и концентрата сывороточного белка, а также вносимой доли данного компонента.
Результаты расчета для творога классического и детского творожка приведены в табл. 4.18.
Из приведенных данных видно, что внесение концентрата сывороточного белка в количестве 10% от массы продукта позволяет снизить его стоимость. Для творога классического цена была снижена на 6,4%, для детского творожка – на 9,0%.
Представленные результаты позволяют судить об экономической эффективности внедрения разработанной технологии переработки молочной сыворотки на предприятиях пищевой промышленности.