Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка и внедрение технологических процессов переработки вторичных сырьевых ресурсов является одной из важнейших задач модернизации молочной промышленности Российской Федерации. Вовлечение в технологический цикл предприятий отрасли обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки позволяет оптимизировать структуру использования сырья, расширить ассортимент выпускаемых продуктов, в том числе позиционируемых по современным представлениям науки о питании как физиологически функциональные.
Значительное внимание уделяется применению в технологии продуктов функционального питания молочной сыворотки, как основного ресурса лактозы и биологически полноценных сывороточных белков. Применение принципов нанобиотехнологии при получении новых продуктов с заданным составом и свойствами представляется перспективным по двум основным направлениям: направленная химическая и биологическая трансформация компонентов вторичного молочного сырья; глубокое фракционирование пищевых полидисперсных систем баро- и электромембранными методами.
Большой вклад в решение проблем комплексной переработки вторичного молочного сырья, получения производных лактозы и белков молока внесли отечественные и зарубежные ученые: Гаврилов Г. Б., Данилов М. Б., Евдокимов И. А., Крашенинин П. Ф., Круглик В. И., Липатов Н. Н., Нестеренко П. Г., Остроумов Л. А., Полянский К. К., Просеков А. Ю., Рябцева С. А., Свириденко Ю. Я., Серов А. В., Тихомирова Н. А., Хамагаева И. С., Храмцов А. Г., Andrews G. R., Bastian E., Floris R., Harju M., Jelen P., Mizota T., Tamura Y., Zadow J. G. и др.
В то же время, не достаточно изученными и систематизированными являются процессы направленного синтеза производных компонентов молочного сырья с использованием процессов изомеризации лактозы в лактулозу по механизмам LA-трансформации и перегруппировки Амадори; гидролиза и трансгалактозилирования лактозы под действием препаратов -галактозидазы; протеолиза сывороточных белков.
Анализ современных тенденций развития науки и техники в области переработки вторичного молочного сырья позволяет сделать вывод об актуальности постановки задач по созданию системы технологий пребиотических концентратов на основе молочной сыворотки.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является создание системы инновационных технологий пребиотических концентратов на основе результатов исследований процессов направленной трансформации компонентов молочной сыворотки и ее управляемого обогащения незаменимыми нутриентами.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- изучить процесс мутаротации аномеров лактозы в растворах молочного сахара и молочной сыворотке, установить его кинетические закономерности;
- исследовать влияние технологических факторов на интенсивность протекания изомеризации лактозы в лактулозу в различных видах молочной сыворотки, определить их оптимальные значения;
- оценить целесообразность использования ионообменных смол в технологии бифидогенных концентратов, гидролизатов лактозы на основе пермеата молочной сыворотки;
- установить закономерности гидролиза лактозы и протеолиза сывороточных белков в технологических фракциях молочной сыворотки, подвергнутых электрохимической активации;
- получить математические модели процессов изомеризации, мутаротации и гидролиза лактозы, ферментативного гидролиза сывороточных белков, как теоретической платформы технологии пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья;
- разработать логистическую схему и систему инновационных технологий получения линейки пребиотических концентратов, операторные модели и аппаратурное оформление ее альтернативных вариантов;
- подготовить комплект технической документации и провести апробацию технологий различных видов пребиотических концентратов в промышленных условиях;
- изучить состав, свойства, показатели пищевой и биологической ценности опытных образцов концентратов;
- осуществить оценку экономической эффективности производства и маркетинговые исследования инновационных продуктов;
- провести экологический мониторинг и анализ безопасности производства целевых продуктов с использованием принципов ХАССП.
Обоснование рабочей гипотезы исследований. Рабочая гипотеза о направленном синтезе производных лактозы и белков вторичного молочного сырья включает следующие положения:
- смещение мутаротационного равновесия аномеров лактозы в сторону более реакционно способной -формы с использованием принципов кислотно-щелочного катализа при проведении процессов изомеризации, гидролиза и трансгалактозилирования лактозы;
- проведение реакции изомеризации лактозы в лактулозу в присутствии белков молочного сырья и их гидролизатов по двум механизмам (LA-трансформации и перегруппировки Амадори) с целью увеличения выхода целевого продукта;
- создание технологически релевантных значений рН среды, концентрации минеральных веществ в реакционных системах на основе механизмов переноса ионов через полупроницаемые ионоселективные мембраны (электродиализ, электрохимическая активация жидких полидисперсных систем) и полупроницаемые поверхностные слои ионитов (катионообмен и анионообмен);
- интенсификация процессов ферментативного катализа (гидролиз и трансгалактозилирование лактозы, протеолиз сывороточных белков) методом электрохимической активации за счет повышения растворимости субстратов, снижения потенциального барьера реакций;
- регулирование массовой доли сухих веществ молочной сыворотки и ее технологических фракций с целью создания оптимальных условий для получения производных лактозы и сывороточных белков.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлена возможность смещения мутаротационного равновесия аномерных форм лактозы в творожной сыворотке в сторону -формы под действием щелочных реагентов;
- подтверждено предположение о предпочтительном синтезе лактулозы из -формы лактозы;
- разработаны математические модели изомеризации лактозы в лактулозу в различных видах молочной сыворотки (натуральной, концентрированной, деминерализованной, обогащенной гидролизатом обезжиренного молока), обоснованы оптимальные параметры процесса;
- получены кинетические модели безреагентного гидролиза лактозы в пермеате подсырной сыворотки, подвергнутом катионообменной обработке;
- установлены закономерности ферментативного гидролиза лактозы в пермеате с регулируемым электромембранными методами (катионообмен, электрохимическая активация) минеральным составом;
- разработана математическая модель ферментативного гидролиза белков в ретентате подсырной сыворотки, подвергнутом электрохимической активации;
- экспериментально обоснована возможность направленного гидролиза сывороточных белков в деминерализованной молочной сыворотке с лактозой, частично изомеризованной в лактулозу.
Новизна принятых в работе научных и технических решений подтверждена 16 патентами РФ на изобретение.
Практическая значимость работы. Разработана система инновационных технологий линейки пребиотических концентратов. Подготовлены и утверждены 13 технических документаций на производство концентратов из вторичного молочного сырья. Опытно-промышленная апробация проводилась в период с 1996 по 2011 гг. на ОАО «Комбинат молочный “Ставропольский”» (г. Ставрополь), АО «Сыродел» (с. Красногвардейское Ставропольского края), ООО «МЕГА Профи-Лайн» (г. Ставрополь), ОАО «Городской молочный завод № 2» (г. Минск), ОАО «Кузбассконсервмолоко» (пос. Тяжинский Кемеровской области).
Результаты работы используются в учебном процессе студентов специальностей 240901.65, 240902.65 и 260303.65, студентов магистратуры по направлениям 260100.68, 260200.68.
Инновационные приоритеты работы:
- обоснование механизмов направленной химической и биологической трансформации нанокластеров лактозы (размер 1 нм) молочной сыворотки в производные с пребиотическими свойствами;
- изучение закономерностей химического и ферментативного гидролиза биокластеров сывороточных белков (размер 15 – 50 нм) в ретентате молочной сыворотки и бифидогенных концентратах на ее основе;
- адаптация процессов баро- и электромембранного фракционирования жидких полидисперсных систем (на примере молочной сыворотки) к технологии пребиотических концентратов;
- формирование логистики получения и разработка альтернативных вариантов технологии линейки пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья с регулируемым углеводным, аминокислотным и минеральным составом.
Апробация работы. Исследования проводились в соответствии с тематическим планом НИР кафедры прикладной биотехнологии, НИИ Биотехнологии продуктов питания СевКавГТУ в рамках межвузовских научно-технических программ Минобразования РФ, ведомственных целевых программ Минобрнауки РФ, гранта Президента РФ НШ-7510.2010.4, хозяйственных договоров в период с 1994 по 2011 гг.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на отчетных конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь, 1994 – 2011 гг.); региональной научно-технической конференции «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 1998 – 2011 гг.); Всероссийских конференциях «Современные достижения биотехнологии» (г. Ставрополь, 1996, 2002 гг.), международных конгрессах «Биотехнология – состояние и перспективы развития» (г. Москва, 2002, 2003 гг.); международных семинарах «Пищевая индустрия: интеграция науки и образования», «Современные направления переработки молочной сыворотки», «Реальные мембранные нанобиотехнологии в молочной промышленности», «Феномен молочной сыворотки: синтез науки, теории и практики» (г. Ставрополь, 2004, 2006, 2009, 2011 гг.); международном симпозиуме ММФ «Лактоза и ее производные» (г. Москва, 2007); международной конференции «Bridging training and research for industry and the wider community» (г. Милан, 2011) и др.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 104 работах, в том числе 3 монографиях, 2 учебных пособиях, 29 статьях в рекомендованных ВАК изданиях, 16 патентах РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, содержащего 409 наименований, в том числе 102 иностранных источника, и 9 приложений. Содержание работы изложено на 333 страницах, включая 116 таблиц и 103 рисунка.
Похожие диссертации на Разработка инновационных технологий пребиотических концентратов на основе вторичного молочного сырья
