Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научные и практические аспекты концентрирования компонентов молочной сыворотки (аналитический обзор) 12
1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования 12
1.2 Характеристика электромембранного процесса обессоливания 25
1.3 Концентрирование компонентов молочной сыворотки 44
1.3.1 Состав и свойства молочной сыворотки 45
1.3.2 Характеристика технологических процессов концентрирования компонентов молочной сыворотки 52
Глава 2. Обоснование направлений собственных исследований, их цель и задачи 92
Глава 3 . Организация, объекты и методы проведения исследований 101
3.1 Организация и схема эксперимента 101
3.2 Объекты исследований 104
3.2 Методы исследований 105
Глава 4. Исследование влияния технологических факторов на закономерности баромембранно-ного концентрирования молочной сыворотки .. 110
4.1 Физико-химический состав и технологические свойства подсырнои сыворотки, полученной в Ярославской области 111
4.2 Закономерности концентрирования сывороточных белков 115
4.3 Минеральный состав концентратов сывороточных белков 122
4.4 Структурно-механические характеристики концентратов сывороточных белков 125
4.5 Заключение по четвертой главе 131
Глава 5. Изучение особенностей процесса электродиализного обессоливания концентратов 134
5.1 Обоснование конструкции камер электродиализатора 137
5.2 Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов 135
5.3 Оптимизация процесса электродиализного обессоливания 144
5.4 Кинетика удаления макро- и микроэлементов в процессе деминерализации УФ-концентратов 151
5.5 Изменение физико-химических и микробиологических показателей сывороточных УФ-концентратов в процессе электродиализа 159
5.6 Заключение по пятой главе 168
Глава 6. Обоснование технологических параметров получения концентратов лактулозы из фильтрата молочной сыворотки 170
6.1 Технологическая подготовка фильтрата молочной сыворотки к изомеризации лактозы в лактулозу 171
6.2 Исследование параметров изомеризации лактозы 174
6.3 Исследование способов деминерализации растворов лактулозы 182
6.3.1 Закономерности электродиализного обессоливания 185
6.3.2 Закономерности ионообменного обессоливания 182
6.4 Заключение по шестой главе 189
Глава 7. Оценка состава и свойств концентратов лак тулозы 193
7.1 Характеристика технологических параметров производства концентратов из фильтрата молочной сыворотки 194
7.2 Товароведные характеристики концентратов лактулозы 197
7.3 Реологические характеристики сиропов лактулозы 199
7.4 Влияние лактулозы на биохимические свойства заквасочной микрофлоры и процессы структурообразования в кисломолочных продуктах 202
7.5 Заключение по седьмой главе 208
Глава 8. Обоснование направлений использования концентратов лактулозы на основе оценки ее функциональных свойств 211
8.1 Результаты клинических испытаний пребиотических свойств молока питьевого с лактулозой 211
8.2 Оптимизация состава кормовой добавки и эффективность использования концентрата лактулозы в животноводстве 221
8.3 Влияние кормовой добавки с лактулозой на продуктивность цыплят-бройлеров 227
8.4 Заключение по восьмой главе 236
Глава 9. Практическая реализация результатов исследований 240
9.1 Классификация функциональных компонентов и пищевых продуктов из молочной сыворотки, полученных мембранными методами 240
9.2 Технологии функциональных компонентов и пищевых продуктов с использованием комплексной переработки молочной сыворотки мембранными методами 242
9.2.1 Белково-углеводная основа «Протелакт-уф/эд» (авторское свидетельство СССР №1150785, ТУ 49 979-85) 242
9.2.2 Способ производства молочного сахара (патент РФ №2008359) 245
9.2.3 Способ регулирования кислотности молочных и других продуктов, содержащих водную фазу (патент РФ №2052942) 246
9.2.4 Способ получения сиропа лактулозы (патент РФ №2053306) 247
9.2.5 Способ получения заменителя молока для молодняка сельскохозяйственных животных (патент РФ №2060675) 247
9.2.6 Профилактический кормовой биоконцентрат «Биолакт Ярославский» (патент РФ №2123346) 248
9.2.7 Способ получения лактулозы (патент РФ №2123050) 250
9.2.8 Способ получения лактулозы (патент РФ №2125611) 251
9.2.9 Композиция ингредиентов для ликеро-водочных изделий (патент РФ №2136728) 252
9.2.10 Биологически активная добавка к пище «Лазет-вита» (ТУ 9325-003-47148164-02) 253
9.2.11 Концентрат лактулозы «Лазет» (ТУ 9229-003-39185375-2003) 255
9.3 Функциональные продукты серии «Для здоровья» 257
9.4 Эффективность выработки 264
9.5 Заключение по девятой главе 265
Выводы 268
Литература
- Теоретические основы мембранного концентрирования
- Физико-химический состав и технологические свойства подсырнои сыворотки, полученной в Ярославской области
- Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов
- Технологическая подготовка фильтрата молочной сыворотки к изомеризации лактозы в лактулозу
Введение к работе
Важнейшей народнохозяйственной задачей, которая во многом обусловливает направления социально-экономического развития нашего общества, является улучшение структуры питания населения. В основу ее достижения положено решение комплекса взаимоувязанных вопросов экономического, технического, научного и организационно-правового характера. В этой связи современная наука о питании интегрирует широкий спектр фундаментальных и прикладных исследований специалистов различных направлений: гигиенистов, медиков, физиологов, технологов, биологов, фармацевтов, биохимиков, аграриев, социологов и других.
Одним из основополагающих документов, определяющих политику в области питания, является постановление Правительства Российской Федерации «О концепции государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации». В нем отмечается, что улучшение структуры питания возможно за счет увеличения доли продуктов массового потребления с высокой пищевой и биологической ценностью, в том числе обогащенных биологически активными веществами. Помимо этого, постановление предусматривает использование нетрадиционного и вторичного сырья пищевой и перерабатывающей промышленности для производства полноценных продуктов питания, а также организацию производства продуктов диетического, детского и лечебно-профилактического назначения.
В достижении намеченного ведущая роль отведена молочной отрасли, которая обеспечивает население доступными продуктами питания общего и специального назначения. Известно, что технологии производства некоторых из молочных продуктов неизбежно связаны с получением побочного сырья, в частности - молочной сыворотки, которая относится к вторичным сырьевым ресурсам. По мнению академика Н.Н. Липатова проблема вопросы, связанные с молочной сывороткой, ее составом, пищевой и биологической ценностью, переработкой и использованием, занимают главенствующее место в молочной промышленности всех развитых стран, и с каждым годом внима ниє к этой проблеме возрастает [258].
В России достигнуты существенные успехи в промышленной переработке молочной сыворотки, которые связаны с именем основателя крупнейшей в стране научной школы, академика Российской академии сельскохозяйственных наук А.Г. Храмцова. В работах, выполненных под его руководством или при непосредственном участии, показано, что сыворотка, благодаря своему уникальному составу и свойствам, является важнейшим источником пищевых веществ и может служить основой для получения самых разнообразных продуктов высокой пищевой и биологической ценности.
В настоящее время вопросы рационального использования сырья в молочной промышленности, в том числе отдельных компонентов, входящих в его состав, находятся в центре внимания нескольких ведущих институтов страны. Проблемам комплексного использования молока посвящены труды специалистов Кемеровского технологического института пищевой промышленности, Северокавказского государственного технического университета, Всероссийского научно-исследовательского института маслоделия и сыроделия, Московского государственного университета прикладной биотехнологии, Восточно-Сибирского государственного технического университета и др. Различные аспекты безотходной технологии переработки молока развивались научными школами ведущих отечественных ученых (П.Ф. Крашени-нин, Н.Н. Липатов, A.M. Маслов, В.А. Павлов, А.Г. Храмцов, Л.А. Остроумов, А.А. Розанов, В.Д. Харитонов, Н.Н. Липатов (мл.), П.Г. Нестеренко, А.А. Храмцов, A.M. Шалыгина, М.С. Уманский, И.А. Евдокимов, Г.Г. Ши-лер, Н.Я. Дыкало, Н.И. Дунченко, Н.А. Тихомирова, В.И. Ганина, Ю.Я. Сви-риденко, И.С. Хамагаева, В.Ф. Семенихина, К.К. Полянский, СМ. Кунижев, Л.В. Голубева, М.Б. Данилов). Немало исследований специалистов посвящено проблемам рационального и комплексного использования сыворотки, которая представляет собой ценное углеводсодержащее сырье, около 70% сухих веществ которого составляет молочный сахар (лактоза). Однако как подсластитель молочный сахар не имеет практического значения ввиду незначи тельной сладости и малой усвояемости, как человеком, так и микроорганизмами. Лактоза, кроме того, обладает низкой растворимостью и кристаллизуется из высококонцентрированных растворов (более 40% сухих веществ), придавая продуктам порок консистенции «песчанистость». Улучшить технологические и потребительские свойства лактозы, содержащейся в сыворотке, возможно путем ее ферментативного гидролиза препаратом растворимой или иммобилизованной 3-галактозидазы до моносахаридов глюкозы и галактозы, смесь которых обладает в сравнении с лактозой большей растворимостью (в 3 раза) и сладостью (в 4-5 раз). Указанная биотехнологическая трансформация лактозы обеспечивает возможность получения стойких в хранении сиропов с массовой долей сухих веществ до 70%.
В настоящее время значительное внимание отведено созданию продуктов с функциональными свойствами. Многочисленными исследованиями установлено, что основные компоненты молочной сыворотки, такие как сывороточные белки и лактоза, а также их производные, обладают рядом ценных лечебных и профилактических свойств. Среди потенциально активных компонентов наиболее интересными в пищевом плане считаются те, которые содержатся в сыворотке даже в незначительной концентрации. Доказано, что антимикробными и противовоспалительными свойствами обладают биоактивные пептиды, антитела (иммуноглобулины), а лактоза и ее производные обладают пребиотическими свойствами.
Не смотря на то, что в молочной сыворотке содержится около двухсот компонентов, перешедших из нативного молока, промышленный интерес к ее переработке, несомненно, связан с выделением белков и лактозы, которые после конверсии превращаются в исключительно ценные компоненты продуктов для лечебно-профилактического, диетического и детского питания. Однако отдельные вопросы теории и практики переработки молочной сыворотки нуждаются в дальнейшем развитии, при этом молочная промышленность имеет достаточные резервы сыворотки, что указывает на актуальность поиска новых способов ее переработки. Очевидно, что одним из путей реше ния поставленных задач является интенсивное использование передовых технологий, развитие которых является безальтернативной стратегией успешного развития предприятий молочной отрасли.
Анализ как зарубежного опыта, так и тенденций развития отечественной молочной промышленности показывает, что в перспективе будут происходить дальнейшая концентрация и специализация производства молочных продуктов. Это позволит осуществлять полную переработку и использование вторичного сырья, что оправдано с технологических, экономических, экологических позиций. Современная пищевая технология должна обеспечить комплексную переработку и полное использование основного сырья с резким сокращением его потерь и отходов, а также побочных продуктов. Характерной чертой молочной промышленности является стремление более полного разделения сырья на ценные по составу и свойствам пищевые вещества с последующим получением на их основе высококачественных продуктов.
Считается, что приоритетное развитие в большинстве перерабатывающих отраслей АПК получат мембранные технологии с применением реакционных, газоселективных, керамических и других мембран. Из этого следует, что к перспективным процессами переработки молочного сырья, в том числе белково-углеводного, относятся микрофильтрация, ультрафильтрация, нано-фильтрация и обратный осмос. Различный диаметр мембран (для микрофильтрации от 0,1 до 10 мкм, ультрафильтрации от 0,01 до 0,1 мкм, нано-фильтрации от 0,002 до 0,01 мкм, обратного осмоса от 0,0001 до 0,005 мкм) позволяет фракционировать молочное сырье в зависимости от размера частиц. Кроме того, микрофильтрационные установки с размером пор мембран до 0,2 мкм позволяют наряду с основными компонентами молока выделить микроорганизмы. Снизив диаметр мембран до 0,1 мкм, возможно достигнуть эффективности отделения микроорганизмов 99,9%.
Мембранные процессы, начиная с 70-х годов XX в., нашли широкое применение в различных отраслях промышленности для концентрирования жидких сред или выделения конкретных биологических элементов. Произ водство мембран динамично развивается: если в 1983 г. за рубежом было продано ультрафильтрационных установок с общей межфазной поверхно-стью мембран около 100000 м , в том числе для сыворотки - 80000 м и 19000 м2 для молока, то в настоящее время эти показатели увеличились более чем в три раза. По оценкам экспертов емкость рынка мембран приближается к 12 млрд. долларов. Объем продаж мембранного оборудования непрерывно увеличивается с ежегодным темпом роста примерно на 10-12%. На XXI Международном молочном конгрессе отмечена важность мембранных процессов для молочной отрасли, а Н.Н. Липатовым предложена классификация мембранных методов разделения молочного сырья и намечены перспективы их развития [62].
Учитывая актуальность использования мембранных методов переработки в молочной промышленности, в 1985 г. была разработана Программа развития молочной отрасли до 2000 г. и приняты специальные постановления Совета Министров СССР №248 от 24.03.85 и №713 от 31.07.85 «О мерах по широкому внедрению мембранных процессов в отраслях народного хозяйства», а также изданы соответствующие приказы Минмясомолпрома СССР №161 от 26.04.85 и №283 от 26.03.85. В соответствии с ними методом ультрафильтрации к 2000 году планировалось перерабатывать 5,5 млн. тонн молока. Достижение намеченного предусматривало создание-22000 м2 мембран, однако начиная с 1990 г. работы по созданию, апробации и промышленному внедрению мембранной техники практически прекратились.
Производство мембран и оборудования на их основе сосредоточено главным образом в США, Западной Европе и Японии, на долю которых приходится 97% всего производства и 75% закупок, связанных с мембранной техникой. В настоящее время в этих регионах в мембранной промышленности занято более 100 фирм и предприятий, причем только половина из них производят собственно мембраны и мембранные модули, а остальные осуществляют проектирование оборудования с использованием мембран в качестве элементов промышленных установок.
Процесс мембранного концентрирования осуществляется непосредственно в мембранном аппарате, который состоит из мембранных модулей (элементов). Мембранную аппаратуру классифицируют но различным признакам: степени подвижности мембранных элементов в аппарате; способу замены отработанных мембран; организации процесса мембрана разделения; способу турбулизации разделяемой смеси у поверхности мембраны; направлению потока разделяемой смеси в аппарате; природе и типу применяемых мембран; влиянию на концентрационную поляризацию; функциональности и назначения с точки зрения применяемого процесса (концентрирование, очистка, фракционирование, осветление, стерилизация жидких сред, культивирование, биокатализ); типу мембранных элементов. Из приведенной классификации следует, что мембранные процессы отличаются исключительной сложностью, спецификой и существенными возможностями концентрирования целевых компонентов. Именно поэтому в настоящее время вопросы создания мембранной техники не потеряли своей актуальности, о чем свидетельствуют соответствующие тематики, финансируемые Министерством сельского хозяйства и продовольствия и Федеральным агентством по науке и инновациям (Роснаукой).
Наряду с решением проблемы утилизации сывороточных белков, мембранные процессы позволяют в значительной степени интенсифицировать процессы получения молочного сахара различного качества, а также углеводных компонентов на его основе, таких например, как глюкозо-галактозные сиропы, сиропы фукозы, фукоидана, лактулозы и др. Функциональные свойства лактозосодержащего сырья и производных лактозы можно считать доказанными.
Таким образом, определяющим в создании продуктов питания нового поколения является дальнейшее развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению механизмов формирования качества новой продукции. Только в этом случае могут быть найдены рациональные многовариантные подходы к развитию альтернативных направлений создания продук тов питания. Анализ современной научной информации, а также многочисленных результатов собственных исследований позволяет констатировать тот факт, что повышение эффективности переработки молочного сырья может быть достигнуто за счет применения мембранных технологий, как в традиционных процессах получения белковых концентратов, так и в направлениях переработки молочной сыворотки в углеводные концентраты с функциональными свойствами.
В настоящей диссертации обобщены и систематизированы материалы, полученные непосредственно автором и при его участии, начиная с 1980 г. по настоящее время, по вопросам переработки молочной сыворотки в функциональные ингредиенты и продукты питания. Описаны состав и свойства молочной сыворотки, рассмотрены различные аспекты ее переработки, показано влияние технологических факторов на процессы ее мембранного концентрирования. Подробно раскрыта сущность процесса электродиализной обработки концентратов сывороточных белков, полученных ультрафильтрацией (КСБ/УФ), развиваются современные идеи переработки лактозосодержаидего молочного сырья в лактулозные концентраты, подробно анализируются их функциональные свойства.
Научные и практические аспекты диссертации широко обсуждались на конференциях, симпозиумах и семинарах различного уровня, в достаточной мере опубликованы в монографии и статьях периодических изданий. Разработанные автором технические решения не уступают современным мировым аналогам и имеют техническую новизну, подтвержденную авторским свидетельством и патентами Российской Федерации. Приведенные в диссертации материалы направлены на дальнейшее развитие теории и освоение практических навыков переработки молочных ресурсов.
Теоретические основы мембранного концентрирования
К основным процессам мембранной технологии относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос и электродиализ. Некоторые специалисты дополнительно выделяют гель-фильтрацию и ионный обмен [29, 308, 362, 363]. Процессы мембранной технологии являются фильтрационными. Их классифицируют в соответствие с размерами пропускаемых или задерживаемых частиц. Движущей силой диализа является разность концентрации (градиент концентрации), при электродиализе - разность электрохимических потенциалов (градиент электрохимических потенциалов), в остальных случаях - градиент давлений. Поэтому обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация называются баро-мембранными процессами [73, 74, 75, 187, 308]. Одинаковая организация процесса мембранного концентрирования обусловливает единство технологического цикла, который отличается только величиной рабочего давления и размерами пор применяемых мембран. В таблице 1.1.1 приведены технологические параметры баромембранных процессов [295].
Под действием движущей силы процесса вещества концентрируются у поверхности мембраны с образованием двух потоков - пермеата, то есть жидкости, проходящей через мембрану, а также отводимой жидкости, со держащей задержанные мембранВыбор мембраны основан на знании молекулярной массы целевого продукта. Недостаточным является знание среднего диаметра пор, поскольку большинство концентрируемых молекул способно к агрегации, изменяющей форму частицы, отличную от первоначальной (стерический фактор). На селективность оказывает влияние изоэлектрическая точка концентрируемого полиэлектролита, рН, ионная сила раствора. В этой связи производители калибруют мембраны по молекулярной массе задерживаемых веществ.
Гетерогенные мембраны получают из смеси основного вещества и связующего полимера. Смесь компонентов подвергают вальцеванию, прессованию или экструзии при температуре, превышающей температуру текучести связующего элемента. Для увеличения прочности листы гетерогенных мембран армируют капроновой или лавсановой тканью. Существуют и другие способы получения гетерогенных мембран. Для обеспечения миграции веществ через гетерогенные мембраны важно обеспечить непосредственный контакт через частицы в полимерной матрице или через раствор, находящийся в каналах и порах между частицами [56].
Гомогенные мембраны, в которых основной компонент представляет собой сплошную непрерывную фазу, подразделяются на полимеризацион-ные, поликонденсационные, активированные, интерполимерные и мозаичные [56]. В связи с тем, что поликонденсационные гомогенные мембраны имеют низкую механическую прочность и химическую стойкость, они не нашли широкого применения.
Обратный осмос и ультрафильтрация не отличаются по методам получения мембран, аппаратурному оформлению и технологическим особенностям, за исключением того, что при ультрафильтрации растворов предъявляются более высокие требования к отводу вещества, концентрирующегося у поверхности мембраны, которое способно образовывать малорастворимые осадки или гелеобразные слои. В случае обратного осмоса необходимость использования более высоких давлений (5-Ю МПа), чем в случае ультрафильтрации, также предъявляет определенные требования к аппаратурному оформлению и технологии процесса. Методы получения мембран для баро-мембранных процессов подробно рассмотрены М.Т. Брыком с соавторами [28, 29].
Отличительной чертой процесса мембранного концентрирования является селективность мембран по целевому продукту, под которой понимают способность мембраны иметь заданную проницаемость по разным компонентам разделяемой смеси. Это обусловливает преимущества мембранного разделения субстратов, к которым относятся: возможность одновременной очистки и концентрирования целевого продукта, как, например, при ультрафильтрации ферментов; осуществление безреагентного процесса разделения с исключением фазовых изменений и межфазных переносов при оптимальной температуре, определяемой технологическими требованиями производства; относительно низкие энергетические затраты на осуществление процесса, обусловленные отсутствием фазовых переходов; простота аппаратурного оформления одновременно с высоким уровнем автоматизации.
С увеличением размера пор в мембране возникает возможность удалять из раствора все большие частицы. Вместе с тем также существенно возрастает рабочее давление как вследствие увеличения гидродинамического сопротивления мембраны за счет уменьшения диаметра пор и вклада в сопротивление течения слоев жидкости, сильно взаимодействующих с поверхностью пор (связанная жидкость), так и резкого возрастания осмотического давления раствора, градиент которого направлен в сторону, противоположную гидростатическому давлению. ой компоненты, то есть концентрат.
Физико-химический состав и технологические свойства подсырнои сыворотки, полученной в Ярославской области
Комплексную переработку молочной сыворотки возможно наладить на основе изучения ее состава и свойств. Несмотря на многочисленные результаты научных исследований, опубликованных на страницах отечественной и зарубежной печати [85, 144, 315, 328, 349, 415], нами в течение ряда лет проводилось изучение физико-химических характеристик подсырной сыворотки, полученной на предприятиях Ярославской области. Систематизированные данные по обсуждаемому вопросу приведены в таблице 4.1.1 (образцы подсырной сыворотки, не соответствующие нормируемым физико-химическим показателям, не учитывали).
Установлено, что состав и свойства подсырной сыворотки зависят от способа ее получения, а также других факторов (состава и свойств молока, периода сбора, вида вырабатываемого сыра, используемого оборудования и др.). В этой связи интегральный показатель «доброкачественность» в большей степени варьировал у соленой сыворотки (разброс значений составил 17,1%) и превышал аналогичную характеристику у подсырной несоленой сыворотки в среднем на 16,4%.
Известно, что основными компонентами, изменяющими свою концентрацию при ультрафильтрационной обработке молочной сыворотки, являются азотистые вещества. С целью оценки эффективности процесса концентрирования белков молочной сыворотки изучен фракционный состав ее азотистых веществ. Анализируя результаты экспериментов, показанных в таблице 4.1.2, можно констатировать, что состав азотистых веществ подсырной сыворотки является многообразным; компоненты белковой природы преобладают над небелковыми азотистыми веществами в 3,1-3,3 раза, причем количество сывороточных белков на порядок превышает остаточное количество казеина. Это лишний раз доказывает целесообразность извлечения белковых компонентов из молочной сыворотки.
Из белковых фракций преобладают (3-лактглобулины (37,8-42,5% от всех содержащихся сывороточных белков), иммуноглобулины (25,0-28,8%) и а-лактальбумины (20,6-22,1%). Неидентифицированных азотистых веществ белковой природы в молочной сыворотке содержится 0,07-0,08%, что в относительном выражении составляет 10,6-11,7% от содержания всех сывороточных белков. Принято считать, что к этим веществам относятся протеозо-пептоны и макропептиды, отщепляемые от х-казеина сычужным ферментом при коагуляции [53]. Правомочно отметить, что неидентифицированные компоненты являются продуктами полиморфизма сывороточных белков.
Состав небелковых азотистых веществ многообразен, однако массовая доля их крайне низка: пептиды в абсолютном содержании составляют всего 0,05%, мочевина и другие амины - от 0,0010 до 0,0075%), Отметим, что соотношение различных фракций азотистых веществ, как правило, не зависит от объекта исследований.
Входящие в состав сывороточных белков аминокислоты обусловливают их физико-химические и биологические свойства (растворимость, кон-формационное строение, биологическую ценность и др.). В силу выявлеино го соотношения аминокислот и преобладания гидрофильных над гидрофобными, детерминируемые аминокислоты обусловливают наличие на молекулах сольватных оболочек, которые формируют высокую стабильность белков. Как следствие, это будет определять характер взаимодействия сывороточных белков и мембран. В абсолютном отношении общее содержание заменимых аминокислот в 1,3 раза превышает содержание незаменимых, однако при оценке биологической ценности можно считать сывороточные белки полноценными.
Гидродинамические и электрохимические аспекты деминерализации сывороточных УФ-концентратов
В последние годы отмечается тенденция использования таких гидродинамических режимов циркуляции растворов в межмембранном пространстве, которые способствовали бы снижению эффекта концентрационной поляризации и самоочищение поверхностей мембран от органических и минеральных осадков. По результатам проведенных работ и анализа технической литературы можно заключить, что указанные эффекты достигаются при создании высокой продольной скорости течения растворов в межмембранном пространстве.
Анализируя достижения и перспективы в области электродиализной обработки сыворотки, установлено значительное уменьшение степени загрязнения мембран с увеличением скорости циркуляции в камерах обессо-ливания. При изучении влияния скорости циркуляции молочной сыворотки на производительность процесса важную роль приобретает поперечный градиент скорости.
По результатам анализа зарубежной и отечественной патентной и технической литературы выявлено, что новое направление в области конструирования электродиализных установок с целью решения имеющихся проблем связано с разработкой прокладок, обеспечивающих высокую скорость циркуляции потоков, а, следовательно, и интенсификацию процесса. Достижение желаемого эффекта можно получить также за счет уменьшения толщины электродиализных камер, увеличения рабочей поверхностей мембран и отсутствия у прокладок турбулизирующих элементов. Эти факторы, как показали эксперименты, обусловливают резкое снижение удельных затрат электроэнергии при деминерализации. Что касается возможности использования в электродиализаторах с гладкоканальными прокладками высокоскоростных режимов циркуляции обрабатываемых растворов, то оно считается проблематичным. Основная причина заключается в том, что переход ламинарного режима в турбулентный, к достижению которого обычно стремятся, для узких и гладких каналов осуществляется при относительно высоких скоростях течения. Даже при сложности достижения турбулентного режима из-за повышенной вязкости концентратов сывороточных белков, реализация быстрой смены отдельных их порций в межмембранном пространстве, без наличия застойных зон, может привести к росту предельной плотности тока.
С целью изучения возможности деминерализации высокобелковых концентратов сконструирована электродиализная установка, оснащенная прокладками лабиринтного типа без турбулизирующих элементов. Кроме того, особенностью такой прокладки является совмещенность потоков в тракте обессоливания и концентрирования. Это практически исключает возможность перепада давления в соседних камерах у входа и выхода из лабиринта, при соблюдении равенства его на выходе в установку, что одновременно приводит к равномерности распределения плотности тока между отдельными участками мембран. Указанные преимущества достигаются специальным расположением входных отверстий, приводящих к унификации прокладок для различных камер, изменением ориентации ее поворотом на 180. Общая площадь одной прокладки составляет 4,8-10" м2.
При определении ширины и высоты канала исходили из следующих предпосылок. Известно, что уменьшение толщины электродиализных камер ведет как к интенсификации процесса деминерализации, так и к увеличению гидродинамического сопротивления. Известно, что уменьшение расстояния между пластинами в аппаратах с щелевидными каналами ведет к затуханию турбулентности. При этом не исключена возможность того, что при некотором малом расстоянии между пластинами турбулентного течения практически не будет из-за слияния обоих пограничных слоев в единый ламинарный поток, заполнивший все сечение.
При расчетах коэффициента сопротивления для прямоугольных каналов U-образной формы существует уменьшение его до определенной вели чины с ростом соотношения - (Ь - ширина «языка», а - ширина канала) до значения, равного 1. Одновременно следует учесть, что увеличение ширины «языка» приведет наряду с уменьшением коэффициента сопротивления и к уменьшению эффективной площади мембран за счет их блокирования. В результате анализа данных, полученных в предварительно проведенных экспериментах, а также с учетом проведенных расчетов и специфики процесса, определены значения ширины канала и «языка» а= 1,4-102 м, 6=0,6-102 м, соответственно, а также высоты /2=0,12-102 м.
Расчеты особенностей компоновки входных отверстий и отсутствие турбулизирующих вставок показывают возможность увеличения эффективной площади мембран до 80% при перерасчете данных значений на параметры промышленных установок. Такое значение превышает на 15-18% показатели лучших аналогичных образцов.
Технологическая подготовка фильтрата молочной сыворотки к изомеризации лактозы в лактулозу
Из представленной во второй главе схемы следует, что иерархическую значимость операций технологического процесса установить достаточно сложно, поскольку все элементы связаны между собой последовательными линейными связями, а также существуют взаимозависимые операции и возможно проявление синергетических эффектов. В настоящей главе приведены основные результаты исследований по получению концентратов лактулозы из фильтрата молочной сыворотки, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора.
Известно, что в процессе ультрафильтрационной обработки значительная часть белковых веществ молочной сыворотки концентрируется на поверхности мембраны. Принципиальным является тот факт, что именно белковые вещества задерживаются на поверхности мембраны в силу более высокой относительной молекулярной массы, чем небелковые азотистые соединения, а также пептиды и пептоны. Мембранные методы обработки молочной сыворотки позволяют получить раствор лактулозы требуемой чистоты, которая является достаточной для получения лактулозы, а также выделить молочные белки высокой пищевой и биологической ценности.
Используемую сыворотку подвергали одноступенчатой или двухступенчатой ультрафильтрации. Дополнительно рассматривали способ предварительной обработки, связанный с пропусканием фильтрата, полученного после одноступенчатой ультрафильтрации, через фильтр-пресс. Отметим, что целью ультрафильтрации является не только получение КСБ, но и удаление азотистых веществ для предотвращения протекания реакции ме-ланоидинообразования в растворах лактозы при ее изомеризации в лактулозу. Образующиеся в результате взаимодействия аминных и альдегидных групп меланоидины с темной окраской оказывают отрицательное влияние на качество растворов, как молочного сахара, так и его производных.
Нами исследован состав подсырной сыворотки после ее предварительной обработки перед проведением процесса изомеризации. Результаты исследований представлены в таблице 6.1.1. Таблица 6.1.1 - Влияние предварительной обработки на состав и свойства молочной сыворотки (X ±т; т 0,05)
Установлено, что в результате предварительной технологической обработки массовая доля сухих веществ в фильтрате уменьшается. Данный факт обусловлен, главным образом, сорбцией белковых азотистых веществ. Дополнительное использование фильтрпрессования через диатоми-товые фильтрационные элементы после одноступенчатой ультрафильтрации позволяет достигнуть в фильтрате массовой доли белковых, аналогичной ультрафильтрационному процессу с двумя ступенями обработки молочной сыворотки.
Если учесть, что массовая доля лактозы при фильтрпрессовании и двухступенчатой мембранной обработке в конечном продукте находятся практически на одном уровне, то наиболее предпочтительным как с экономических позиций, так и точки зрения обеспечения технологических свойств является (судя по коэффициенту цветности) может служить одноступенчатая обработка с последующим фильтрпрессованием.
Дополнительно проиллюстрировать положительный эффект от использования диатомитовых фильтров, а также их предпочтительное использование перед двухступенчатым мембранным концентрированием можно сопоставив динамику массовой доли небелкового азота: использование ультрафильтрационной обработки с одной, двумя ступенями, а также с пропускание молочной сыворотки через фильтр-пресс после одноступенчатого концентрирования на поверхности мембран позволяет снизить массовую долю небелкового азота на 9,1; 27,3 и 95,5%, соответственно.
Предложенный вариант предварительной обработки молочной сыворотки имеет ряд преимуществ перед традиционным (реагентным) способом осветления сыворотки: минимальное изменение физико-химических показателей сывороточных белков при мембранном концентрировании; исключение процесса сепарирования; возможность использования полученного концентрата в пищевой промышленности; исключение длительного и затратного нагрева для коагуляции сывороточных белков.
Как отмечает в работах А.Г. Храмцов, получение концентратов лактозы и ее производных с использованием фильтрата молочной сыворотки осложняется в силу низкой массовой доли сухих веществ, а также значительными объемами переработки сырья [318]. С целью устранения этих недостатков в исследованиях фильтрат подвергали сгущению до массовой доли лактозы не менее 30%. Использовали традиционную технологическую схему, предложенную И.А. Евдокимовым [79]. Дальнейшие исследования проводили со сгущенной молочной сывороткой. При этом одним из значимых факторов эксперимента являлась начальная массовая доля лактозы в сгущенном фильтрате молочной сыворотки.
