Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1 Особенность ферментативного гидролиза лактозы 7
1.2 Мембранные методы обработки молочного сырья 20
1.3 Технологические особенности способы производства безлак-тозного молока . 30
Глава 2. Методика эксперимента и метода исследований 35
2.1 Методика эксперимента . 35
2.2 Объекты исследования . 37
2.3 Методы исследований 37
Глава 3. Результаты исследований и их анализ 46
3.1 Исследование ферментативного гидролиза лактозы в водном растворе . 46
3.1.1 Биотрансформация лактозы ферментным препаратом “Max-ilact-2000” в разных условиях среды 46
3.1.2 Исследование основных параметров процесса на степень гидролиза лактозы 53
3.1.3 Гидролиз лактозы препаратом “Maxilact - 5000” 60
3.2 Влияние ферментного препарата “Maxilact-2000” на состав и свойства молока 68
3.3 Распределение полидисперсных систем молока по фракциям 79
3.3.1 Исследование ультрафильтрации молока в процессе делакто-зирования . 81
3.3.2 Исследование процесса нанофильтрации компонентов УФ-пермеата молока 87
3.4 Изучение состава безлактозного молока 90
3.5 Разработка технологий производства безлактозного молока 94
Выводы . 100
Список использованной литературы 102
Приложения 115
- Мембранные методы обработки молочного сырья
- Исследование ферментативного гидролиза лактозы в водном растворе
- Гидролиз лактозы препаратом “Maxilact - 5000”
- Разработка технологий производства безлактозного молока
Мембранные методы обработки молочного сырья
К значимым научным достижениям ХХ века можно отнести мембранные технологии разделения, фракционирования и очистки растворов [17, 22, 25].
В настоящее время мембранные методы успешно применяются в различных отраслях промышленности, в том числе, химической, пищевой, фармацевтической, микробиологической и т.д. [33, 35, 54, 56, 57, 59, 83, 88, 93, 94, 58, 104, 116, 117, 123, 125, 139]. На рисунке 1.1 представлена общая классификация мембранных методов, которые применяются в пищевой промышленности [23]. Существуют 2 класса: баромембранные и электромембранные.
Мембранные процессы
Установки мембранной фильтрации стали использовать в молочной промышленности уже в 1970-е гг. В основе технологии стоит разделение жидких продуктов на молекулярном уровне на отдельные фракции, из которых состоит молоко и сыворотка. Основные области, в которых находят применение баро-мембранные процессы: обработка молока, производство творога и мягких сыров, переработка сыворотки.
Практическое значение реализации мембранных технологий в молочной промышленности, по мнению академика Н.А. Платэ, связанно, прежде всего, с решением глобальных проблем, стоящим перед человечеством – безопасность проживания, обеспечение населения экологически чистыми продуктами питания, создание должного баланса между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды.
К основным процессам мембранной технологии относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос и электродиализ. Некоторые специалисты дополнительно выделяют гель-фильтрацию и ионный обмен.
Процессы мембранной технологии являются фильтрационными. Их классифицируют в соответствии с размерами пропускаемых частиц. Движущей силой диалеза является разность концентрации (градиент концентрации). Поэтому обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация называются баромембранными процессами.
В баромембранных процессах перенос жидкости через фильтрационную мембрану происходит под воздействием давления. Прошедшая через мембрану жидкость называется пермеатом. В основном пермеат состоит из растворителя, но он может содержать также часть растворенного вещества, не задержанного мембраной. Оставшаяся часть раствора, с концентрацией более высокой, чем в исходном растворе, называется концентратом, или ретентатом.
В зависимости от размера мембранных пор принято выделять четыре вида баромембранных процессов: 1. Микрофильтрация осуществляется с помощью мембран, имеющих поры со средним диаметром порядка 100 нм – 1 мкм. Микрофильтрационные мембраны применяются для отделения твердых микрочастиц, коллоидов и микроорганизмов, не отделяемых обычными фильтрами. 2. Ультрафильтрация используется для выделения из растворов высокомолекулярных соединений (ВМС). Она осуществляется с помощью мембран, имеющих поры со средним диаметром порядка 10–100 нм. Через такие поры проходят молекулы растворителей, но не проходят молекулы ВМС. Т.к. растворы ВМС характеризуются низким осмотическим давлением, рабочие давления в процессах ультрафильтрации намного ниже, чем в процессах обратного осмоса. 3. Нанофильтрация, или низконапорный обратный осмос, стала рассматриваться как особый процесс относительно недавно. Так называют промежуточную группу баромембранных процессов, лежащую на стыке обратного осмоса и ультрафильтрации. Нанофильтрация характеризуется сочетанием двух основных особенностей: а) мембрана обладает высокой селективностью по отношению к многозарядным ионам (из-за наличия заряда на ее поверхности); б) поры мембраны крупнее, чем в случае обратного осмоса, поэтому рабочее давление процесса является более низким. 4. Обратный осмос (гиперфильтрация), осуществляется с помощью тонкопористых мембран, поры которых имеют размеры порядка 1 нм (табл. 1.4). По одну сторону мембраны находится раствор, по другую – чистый растворитель. Если приложить к системе избыточное давление, превышающее осмотическое давление раствора, растворитель станет удаляться через мембрану и концентрация раствора повысится. Обратный осмос используется для отделения низкомолекулярных соединений [15]. Данная классификация является условной, т.к. разные авторы указывают для перечисленных процессов различные диапазоны характерных размеров пор. Можно различать баромембранные процессы по характеру и размеру частиц отделяемых компонентов [15]:
1. Обратный осмос - отделение ионов растворенных веществ, размер молекул которых сравним с размерами молекул растворителя (размеры менее 1 нм).
2. Нанофильтрация - отделение ионов растворенных веществ, имеющих более крупные молекулы, чем молекулы растворителя (размеры порядка 1 нм).
3. Ультрафильтрация - отделение молекул ВМС (размеры порядка 10-е-100 нм).
4. Микрофильтрация - отделение коллоидных частиц, микроорганизмов и взвешенных микрочастиц (размеры порядка 0,1-10 мкм).
Исследование ферментативного гидролиза лактозы в водном растворе
Приступая к исследованиям по разработке технологии получения молочных продуктов с низким содержанием лактозы или полном ее отсутствием, изучали ферментативный гидролиз лактозы в водном растворе.
Необходимость проведений данных исследований вызвана рекомендациями многих авторов (Липатов Н.Н., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Свири-денко Ю.Я. и другие), согласно которых для каждого молочного объекта следует использовать специально подобранные препараты -галоктозидазы, наиболее эффективно гидролизующих лактозу.
В молоке используют препараты из дрожжей SaceharomycesFragilis, StrepococcusLactis, CandidaPreudotropicalis, P. Multicolor, P. Canesens, Mucorpusillus, Alternariatenuis.
В последнее время на рынке появились новые препараты -галоктозидазы. К таким препаратам относятся препараты фирмы “DSMFoodS-petialties”, полученные из дрожжей KluyveromusesFragis. К препаратам такого типа относятся “Maxilact-2000” и “Maxilact-5000”.
Биотрансформация лактозы ферментным препаратом “Maxilact-2000” в разных условиях среды
Точка замерзания водного раствора лактозы указывает на уровень ее ферментативного распада и накопления этих продуктов.
В таблице 3.1 приведены данные характеризующие величину точки замерзания раствора в зависимости от значения pH.
Величина рН по разному влияла на точку замерзания раствора. При рН 5,2 величина точки замерзания слегка понизилась за первые два часа, а затем процесс приостановился. При рН 6,5 точка замерзания понижалась все шесть часов опыта, но скорость процесса была весьма замедленной. Она несколько ускорилась при рН 7,0. Наиболее заметные изменения величины точки замерзания наблюдали при рН 7,5. Дальнейший сдвиг рН до 8,5 привел к понижению роста величины точки замерзания.
Величина рН по разному влияла на точку замерзания раствора. При рН 5,2 величина точки замерзания слегка понизилась за первые два часа, а затем процесс приостановился. При рН 6,5 точка замерзания понижалась все шесть часов опыта, но скорость процесса была весьма замедленной. Она несколько ускорилась при рН 7,0. Наиболее заметные изменения величины точки замерзания наблюдали при рН 7,5. Дальнейший сдвиг рН до 8,5 привел к понижению роста величины точки замерзания.
В целом понижение температуры при рН 5,2 составило минус 0,018 С, при рН 6,5 – минус 0,027 С, при рН 7,0 – минус 0,101 С, при рН 7,5 – минус 0,125 С и при 8,5 – минус 0,072 С.
Интерпретация температур точек замерзания на калибровочный график зависимости понижения температуры замерзания от степени гидролиза лактозы позволила определить ее конкретные значения (рисунок 3.1).
Зависимость степени гидролиза лактозы от рН среды Степень гидролиза лактозы существенно зависела от величины рН среды. При величине рН меньше 6,0 ее гидролиз практически не проходил. С повышением величины рН гидролиз лактозы начинает усиливаться, достигая большей величины степени гидролиза около 7,5. Затем величина степени гидролиза резко уменьшается. При использовании хромотографического метода исследований влияние концентрации ферментативного препарата, активной кислотности среды и продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы показано в таблице 3.2.
Анализ экспериментальных данных показывает, что степень гидролизации лактозы возрастает с увеличением концентрации фермента. Так, при дозе -галоктозидазы 0,04 г/10мл в течение четырех часов гидролизуется 50% лактозы при активной кислотности 6,12, а при рН 6,5 и в образцах с активной кислотностью 5,25, за тот же период времени, трансформации лактозы вообще не отмечается. Использование концентрации препарата более 0,04 г/10мл в образцах с активной кислотностью 5,25 неоправданно, поскольку достигнуть удовлетворительной степени гидролиза (более 50%), даже увеличив продолжительность процесса ферментации, не представляется возможным.
Активность -галоктозидазы, внесенной в повышенных концентрациях, судя по степени гидролиза, также выражена в меньшей степени, чем в образце, с рН 6,12. Данный факт, возможно, обусловлен снижением активности фермента за счет ионов Na+, концентрация которых увеличивается в системе при раскислении с использованием щелочных агентов. О такой возможности изменения свойств -галоктозидазы отмечено профессором И.С. Хамагаевой.
Установлено, при прочих равных условиях наибольшее количество лактозы гидролизуется при концентрации ионов водорода 6,12. При других значениях кислотности наблюдается заметное снижение степени гидролиза. Это послужило предпосылкой для выбора доз фермента – 0,04-0,06 г/10мл при продолжительности процесса 3-4 часа (увеличение дозы фермента не рекомендуется, что связано с его высокой стоимостью). Отметим, что при использовании препарата для гидролиза лактозы в молоке рекомендуемая фирмой «DSMFoodSpetialties» концентрация составляет 0,4 г/10 мл молока.
Для определения оптимальной температуры гидролиза лактозы в молоке проведена серия опытов. Полученные результаты показаны в таблице 3.3.
Выявлено, что при температуре (20±1)С и рекомендованной нами концентрации фермента за четыре часа гидролизуется 75-78% лактозы. За такой же период времени при температуре (25±1)С – 81-83% лактозы, а при (30±1)С – 91% лактозы в зависимости от концентрации фермента. При 50С наблюдается низкая степень гидролиза лактозы в молоке даже после 24 часа вследствие снижения активности ферментного препарата.
Таким образом по результатам исследований определены оптимальные условия проведения гидролиза ферментным препаратом -галоктозидазы: активная кислотность среды рН 6,12, доза фермента 0,04-0,06 г/10мл, температура ферментации 25С.
На наш взгляд, величина степени гидролиза является объективной характеристикой, отражающей совокупные изменения концентрации лактозы. Этот показатель, однако, не позволяет полностью оценить изменения пищевой ценности, а так же функциональных свойств продукта.
В связи с этим актуальным является изучение состава углеводов. В таблице 3.4 показан углеводный состав при гидролизации лактозы. Массовая доля лактозы в растворе 3,7%. Гидролиз проводили при рН 6,12 в течение 2,3,4 и 24 часов для вариантов дозы фермента 0,02, 0,04, 0,06, 0,08 г/10мл.
Анализ приведенных результатов показывает, что при увеличении продолжительности гидролиза массовые доли глюкозы и галактозы за счет гидролиза лактозы постепенно увеличиваются, а массовая доля лактозы уменьшается. Увеличение дозы -галоктозидазы интенсифицирует гидролиз лактозы. При этом следует отметить интересную особенность: вследствие гидролиза лактозы образующиеся концентрации глюкозы и галактозы не одинаковы, что противо 51речит теоретическому выходу данных моносахаридов. С уменьшением концентрации ферментного препарата соотношение глюкозы и галактозы увеличивается в сторону повышения концентрации глюкозы. Напротив, при увеличении дозы фермента разница в концентрациях образующихся моносахаридов сокращается.
Гидролиз лактозы препаратом “Maxilact - 5000”
Препарат «Maxilact-5000» имеет ряд принципиальных отличий по влиянию условий внешней среды на его функциональные свойства. Поэтому рассматривали влияние на биотрансформацию лактозы активной кислотности, дозы ферментного препарата, температуры и продолжительности процесса.
Влияние активной кислотности на степень гидролиза лактозы при дозе препарата 0,04 г/10мл и температуре 20 С показано на рисунке 3.7.
Из графика видно, что активная кислотность среды существенно влияла на степень гидролиза лактозы.
Более активно процесс проходил в кислой среде при рН 5,5-5,0. Через два часа ферментации степень гидролиза достигла 97,0-90 %, через четыре часа ферментации – 93,0-91%. На последующих стадиях процесса этот показатель незначительно понижался, составляя через восемь часов ферментации 85,0 – 82,0%. Увеличение величины рН до 6,0 единиц понизило уровень ферментации лактозы, составляя соответственно через два часа 32%, через четыре часа – 41%, через шесть часов – 49%, через восемь часов – 48% и через десять часов – 48%.
Дальнейшее приближение величины рН к значениям нейтральной среды (рН 6,5-7,0) резко сказалось на степени гидролиза лактозы и составило не более 10,0%.
Влияние температуры на степень гидролиза лактозы при рН 5,0 показано на рисунке 3.8. Из приведенного графика видно, что температура влияла на интенсивность гидролиза лактозы.
Лучшие результаты получены при температуре 20С. К нему приближаются показатели степени гидролиза лактозы при температуре 25 и 15 С (уменьшение в среднем составило около 10%).
При температуре 10 С степень гидролиза лактозы находилась на уровне 60-68%, а при 5 С она понизилась до 33-43%.
Для конкретизации совместного влияния трех факторов (активной кислотности среды, температуры ферментации лактозы и продолжительности процесса) на степень гидролиза лактозы при использовании 0,04 г/10мл ферментного препарата проводили трехфакторный эксперимент.
Интервал для изучаемых факторов составлял:
- для величины активной кислотности от 6,0 до 5,0;
- для температуры от 30 до 10 С;
- для продолжительности ферментации от двух до десяти часов. Выбор изучаемых интервалов обоснован представленными результатами, приведенными в настоящей главе.
План проведения эксперимента и полученные результаты приведены в таблице 3.6.
Уравнение регрессии, выражающая зависимость степени гидролиза лактозы (у) при использовании ферментного препарата «Maxilact-5000» от трех изучаемых факторов (активная кислотность (х1), доза препарата (х2) и продолжительность процесса (х3), имело следующий вид;
На рисунке 3.9 показано влияние температуры ферментации и продолжительности процесса на степень гидролиза лактозы при трех уровнях активной кислотности среды (5,0, 5,5 и 6,0 единиц рН).
Из графика 1 видно, что при рН 5,0 процесс гидролиза идет весьма активно. При температуре 10С он полностью заканчивался через пять часов, составляя через три часа уже более 90%. При 20С процесс ферментации закончился через семь часов выдержки, а через пять часов ферментации степень гидролиза лактозы составляла 96%, через три часа – около 90%. Более медленно процесс ферментации проходил при температуре 30С. За десять часов ферментации было гидролизовано 86% лактозы, за пять часов – 32% и за три часа – 14%.
При изменении активной кислотности до 5,5 (график 2) направленность гидролиза лактозы имела общий характер с предыдущим графиком, но темп изменений слегка понизился. Так при температуре 10 С максимальная степень гидролиза составила 66%, достигая этой величины через десять часов, а через пять часов 70%. При 20 С эти показатели слегка увеличились, а при 30 С составили 98 % при десяти часах выдержки и 70% – при пяти часах выдержки.
Существенные изменения в степени гидролиза лактозы наблюдали при рН среды 6,0. Процесс существенно замедлялся и резко снизилась его эффективность (график 3). Так, через четыре часа степень гидролиза лактозы находилась на уровне 40%, а через десять часов – 90%.
Влияние на степень гидролиза лактозы (у) активной кислотности среды (х1) и продолжительности ферментации (х3) при трех уровнях температуры (10, 20 и 30 С) показано на рисунке 3.10.
При 10 С сильное влияние на интенсивность процесса оказала активная кислотность, что привело к резким изменениям степени гидролиза лактозы в различных вариантах изучаемых факторов (от 30 до 100%). Так, при активной кислотности 5,0 через пять часов процесса величина степени гидролиза достигала 100%, а при активной кислотности 6,0 через десять часов процесса она составляла только 30% (график 1).
При температуре 20 С (график 2) наблюдался некоторый сдвиг величины активности гидролиза лактозы в сторону некоторого понижения при низких значениях рН и повышение при повышенных. При рН 5,0 полный гидролиз лактозы произошел через семь часов, а при рН 6,0 за десять часов гидролизу подверглось до 65% лактозы.
При температуре 30 С (график 3) активность фермента проявлялась при всех значениях рН, но с более медленной скоростью. Повышенная температура расширила диапазон активной кислотности.
Влияние продолжительности процесса на степень активности процесса показана на рисунке 3.11.
Таким образом, ферментный препарат “Maxilact-5000” проявляет наилучшую активность при рН среды в интервале рН среды 5,0 – 6,0, что делает невозможным его применении при получении безлактозного молока, рН которого находится около 6,5.
При выборе ферментного препарата -галоктозидазы учитывали их способность гидролизовать лактозу в различных условиях среды. Учитывая, что ферментный препарат “Maxilact-5000” плохо действует в среде, активная кислотность которой имеет значения выше 6,0, проявляя активность при рН 5,0-5,5 для гидролиза лактозы в молоке был выбран ферментный препарат “Max-ilact-2000”, активность которого проявляется при рН 6,4-6,5, что соответствует рН молока, т.е. оно является хорошей средой для гидролиза лактозы.
Разработка технологий производства безлактозного молока
Основу технологического процесса получения безлактозного молока составляет включение в него двух современных способов обработки сырья и его компонентов: биологический (ферментативный гидролиз лактозы) и мембранный (выделение и концентрирование отдельных компонентов молока). Рассматривали варианты внесения фермента в молоко (первый), в начале технологического процесса после сепарирования молока (второй) в емкость при составлении смеси безлактозного молока.
Преимуществом первого варианта является более длительная ферментация лактозы – на этапе подготовки и проведения ультрафильтрации, в белково-лактозном концентрате, в лактозном концентрате, в емкости для составления смеси безлактозного молока. К недостаткам данного способа можно отнести дополнительный гидролиз лактозного концентрата после нанофильтрации в отделенной емкости.
При втором варианте к преимуществам следует отнести возможность использования белково-лактозного и лактозного концентратов в производстве других молочных продуктов, раздельно используя их.
Технологическая схема производства безлактозного молока приведена на рисунке 3.24.
В зависимости от массовой доли жира молоко вырабатывали в следующем ассортименте:
- молоко безлактозное стерилизованное 0,5% жира; - молоко безлактозное стерилизованное 1,5% жира; - молоко безлактозное стерилизованное 2,5% жира; - молоко безлактозное стерилизованное 3,2% жира; - молоко безлактозное стерилизованное 4,0% жира. Для выработки молока применяли следующее сырье: - молоко коровье сырое – по ГОСТ Р 52054; - фермент -галактозидаза «Maxilact L2000» по действующим техническим документам; - соли-стабилизаторы: натрий лимоннокислый 5,5-водный (Е 331) по ГОСТ 22280-76, калий фосфорнокислый двузамещенный 3-водный (Е 340) по ГОСТ 2493-75, натрий фосфорнокислый двузамещенный 12-водный (Е 339) по ГОСТ 4172-76.
Технологический процесс производства молока осуществляли в следующей последовательности:
- контроль качества поступающего молока сырого; - приемка молока; - фильтрование молока; - охлаждение и хранение молока; - подогрев; - сепарирование; - термостатирование обезжиренного молока, гидролиз лактозы; - ультрафильтрация, получение УФ-концентрата и пермеата; - нанофильтрация пермеата, концентрирование лактозного (глюкоза галактозного) концентрата; - смешивание солевого пермеата с УФ-концентратом; - нормализация по жиру; - внесение солей-стабилизаторов (в случае необходимости); - предварительный нагрев, гомогенизация; - стерилизация; - охлаждение; - розлив, упаковывание, маркирование.
Молоко подогревали до температуры 37 С и направляли на сепарирование, где разделяли на обезжиренное молоко и сливки.
В обезжиренное молоко вносили фермент -галактозидазу и термоста-тировали.
Смесь направляли на ультрафильтрационную установку при температуре (42±1) С, где фракционировали до содержания 3% (углеводов) в исходном объеме раствора. Полученные в результате ультрафильтрации УФ-ренентат направляли в емкость, а пермеат на нанофильтрационную установку.
Полученный в результате нанофильтрации, лактозно-глюкозо-галактозный сироп концентрировали на нанофильтрационной установке при температуре (42±1) С до м.д.сух.в. (25±1)%, затем направляли в емкость для дальнейшего использования в производстве в качестве сиропа подсластителя в молочных продуктах и др.
Полученный в результате нанофильтрации, солевой пермеат направляют в емкость с УФ-ретентатом для дальнейшей нормализации по сухим веществам и солевому составу.
После внесения сливок в емкость происходила нормализация по жиру и сухим веществам, смесь направляли на гомогенизацию.
Подготовленное для стерилизации молоко предварительно нагревали в секции регенерации стерилизационной установки до (80±2) С и подавали в центробежный очиститель для удаления дестабилизированного белка.
Подогретое молоко направляли в неасептический гомогенизатор, в котором оно гомогенизируется при давлении (17,5±2,5) МПа. После чего поступало на стерилизацию при температуре (40±2) С. После стерилизации молоко охлаждали в теплообменнике водопроводной водой до температуры 20-25 С и направляли на розлив.
Усредненные техно-температурные показатели выработки безлактоз-ного молока приведены в таблице 3.33.
На основании изложенной ситуации выработки безлактозного молока разработан продукт «молоко безлактозное стерилизованное» (ТУ ТИ 9222-047-7148164).
