Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ литературных источников по теме исследования 12
1.1 Анализ продукции, содержащей в составе молочную сыворотку 12
1.2 Сущность процессов восстановления сухой молочной продукции. Методы восстановления 19
1.3 Сонохимические процессы – как средство интенсификации технологических режимов обработки пищевого сырья 24
1.4 Анализ применения электрохимического активирования водных сред в пищевой промышленности 32
1.5 Цель и задачи исследований 36
Глава 2 Организация работы, объекты и методы исследований 38
2.1 Организация экспериментальных и аналитических исследований. 38
2.2 Объекты исследований 38
2.3 Методы исследования, приборное обеспечение 40
Глава 3 Аналитическое и экспериментальное исследование влияния сонохимического воздействия и электроактивированых сред на процессвосстановления сухой молочной сыворотки 48
3.1 Компьютерное моделирование процесса восстановления сухой молочной сыворотки 48
3.2 Исследование свойств растворов молочной сыворотки в активированных средах 66
3.3 Нейросетевое моделирование влияния активированных сред на основные параметры восстановленной молочной сыворотки 70
3.3.1 Аналитическое исследование результатов нейросетевого моделирования восстановления растворов сухой молочной сыворотки, приготовленных на основе питьевой воды 75
3.3.2 Аналитическое исследование результатов нейросетевого моделирования процесса восстановления растворов сухой молочной сыворотки, приготовленных на основе щелочной воды 81
3.3.3 Оптимизация режимов восстановления растворов СМС, концентрацией 15%, методом КД-обработки 87
3.4 Исследование размеров частиц СМС в восстановленной молочной сыворотке 91
Глава 4 Использование восстановленной молочной сыворотки для производства десертов на её основе 104
4.1 Модернизация рецептуры и технологии десерта «Фантазия» на основе сыворотки с применением КД-обработки и использованием щелочной воды 105
4.2 Модернизация технологии производства неферментированного десерта «Demi» на основе концентрированной молочной сыворотки 114
Заключение 123
Список сокращений и условных обозначений 125
Список литературы
- Сонохимические процессы – как средство интенсификации технологических режимов обработки пищевого сырья
- Объекты исследований
- Нейросетевое моделирование влияния активированных сред на основные параметры восстановленной молочной сыворотки
- Модернизация технологии производства неферментированного десерта «Demi» на основе концентрированной молочной сыворотки
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Молочная отрасль Российской Федерации на современных этапах развития, обусловленных внутренней и внешнеполитической ситуацией, находится в условиях жесткого формирования цен на молочную продукцию ввиду некоторого дефицита сырья. Девальвация национальной валюты с 2014 – 2015 гг. привела к снижению инвестиций в развитие производства и переработки молока. Увеличение финансовой нагрузки на предприятия, производящие и перерабатывающих молоко, способствовало снижению поголовья коров и увеличению себестоимости молочной продукции. Повышение себестоимости продукции привело к увеличению потребительских цен, что, в свою очередь, сократило потребительский спрос на дорогую молочную продукцию и переориентировало потребителей на более простые и дешевые молочные продукты.
Сложившаяся ситуация на рынке молочного сырья привела к формированию дефицита и сохранила зависимость России от импорта товарного молока, снизила качество некоторых видов молочной продукции.
Одним из возможных вариантов решения проблемы обеспечения предприятий сырьём для производства молочной продукции является разработка технологий применения сухих молочных продуктов (сухое молоко, сухая молочная сыворотка и др.) взамен натурального сырья.
При этом особый научный интерес представляют методы восстановления сухих молочных продуктов и обеспечение свойств восстановленных систем, соответствующих натуральным. Вопросам восстановления сухого молока посвящено большое количество исследований, которые, на сегодняшний день, детально описывают механизмы процесса восстановления, его режимы и машинно-аппаратное обеспечение.
Процесс восстановления сухой молочной сыворотки до настоящего времени достаточного не изучен ввиду существенного различия белково-углеводного состава, растворимости её компонентов, а также их соотношения в сравнении с сухим молоком, сложности обеспечения стабильности получаемой системы.
Следует отметить, что современная пищевая промышленность применяет сухую молочную сыворотку и её восстановленную форму для производства широкой номенклатуры продуктов питания, в том числе и для производства детских смесей.
На сегодняшний день на производство сухой сыворотки приходится 60% от всех видов переработки. Сушка сыворотки позволяет увеличить сроки её хранения до одного года, что является достаточным для реализации всего полученного объема сухой молочной сыворотки (СМС).
Для применения сухой молочной возникает обратная задача по восстановлению СМС с целью дальнейшего использования после консервации. При этом промышленность формирует определенные требования к качественным показателям восстановленной молочной сыворотки, обеспечивающих получение стабильных растворов на её основе, свойства которых должны максимально соответствовать натуральной сыворотке.
Как показывает практика, использование традиционных методов
восстановления сухой молочной сыворотки, основанных на интенсивном механическом перемешивании восстанавливаемой системы, не позволяет получать восстановленную сыворотку, соответствующую данным требованиям.
Сегодня, помимо традиционного метода восстановления, применяют гидродинамические, механические и сонохимические (акустические) методы, направленные на повышение качества восстановленной сыворотки и интенсификации процесса.
Степень разработанности темы. Процессы и методы восстановления
сухих молочных продуктов изучены и описаны с разной степенью проработки в
работах Л.В. Голубевой, В.Я. Грановского, В.В. Кузнецова, Н.Н. Липатова, Н.В.
Тихомировой, Г.Г. Шиллера и других авторов. Основы переработки и применения
сыворотки широко представлены в работах И.А. Евдокимова, Г.Н. Крусь, Г.В.
Твердохлеба, А.Г. Храмцова и других авторов.
Наиболее перспективным для изучения и практического применения является сонохимический метод ввиду высокого потенциала использования в
процессах восстановления сухих молочных продуктов, а также отсутствия достаточной проработки метода в данной области.
Теоретические и практические основы в области использования сонохимических процессов в рамках пищевых процессов изложены в трудах отечественных и зарубежных ученых: Артёмовой Я.М., Борисенко А.А., Брацихина А. А., Волокитина З.В., Гучок Ж.Л., Ионова И.И., Красули О. Н., Подхомутова Н.В., Просекова А.Ю., Тихомировой Н.А., Шестакова С.Д., Akbari M., Ashokkumar M., Barbosa-Cnovas G.V, Bates D.M., Bermdez-Aguirre D., Bhaskaracharya R., Bund R.K., Cains P., Carcel J.A., Eigel W.N., Kentish S., Lee J., Mason T.J., McCausland L., Palmer M., Pandit A.B.
В работах указанных исследователей уделялось внимание использованию сонохимического воздействия и её частного случая - кавитационной дезинтеграции (КД) в областях мясопереработки, молочной индустрии и хлебобулочном производстве. Сонохимические процессы использовались с целью интенсификации технологических процессов, улучшения физико-химических свойств, микробиологических и органолептических показателей пищевой продукции и сырья. При этом, для осуществления, направленного безреагентного регулирования свойств сырья и готовой продукции, рядом авторов рекомендовано использование электрохимической активации жидких систем.
Применение электроактивированных (ЭХА) водных сред в пищевой промышленности изложены в работах Бахира В.М., Борисенко А.А., Борисенко Л. А., Брацихина А. А., Ковалева Г. Е., Рябцевой С. А., Шаманаевой Е. А. Наиболее широкое применение ЭХА-сред получило в производстве посолочных систем для мясной продукции, а также регулирования свойств растительного сырья и трансформации лактозы в лактулозу.
В работах зарубежных и отечественных ученых, указанных выше,
отсутствуют данные об изучении возможности применения
электроактивированных водных сред с целью повышения качества
восстановления сухой молочной сыворотки и интенсификации данного процесса.
Практическое применение кавитационной дезинтеграции для процесса восстановления сухой молочной сыворотки с электроактивированными водными средами требует более глубокой проработки и верификации их комплексного использования, так как при совместном применении ЭХА-сред и КД-обработки возможно получение систем с более высокими качественными показателями, соответствующих вышеуказанным требованиям.
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является разработка научных принципов
совершенствования процесса восстановления сухой молочной сыворотки с
использованием кавитационной дезинтеграции и электрохимически-
активированных жидких сред, и их комплексного воздействия на формирование основных свойств сырья и готовой продукции.
Для реализации поставленной цели в рамках исследования необходимо решить следующие задачи:
- установить технологически значимые свойства восстановленной сухой
молочной сыворотки и условия их формирования при различных режимах
восстановления;
- провести теоретическое изучение процесса восстановления сухой
молочной сыворотки путем её кавитационной дезинтеграции с использованием
актированных сред и установить механизмы формирования свойств получаемых
растворов с применением методов молекулярного моделирования;
- экспериментально обосновать возможность комплексного использования
кавитационной дезинтеграции и электрохимической активации воды при
восстановлении сухой молочной сыворотки с требуемыми свойствами и
установить продолжительность её хранения;
- установить оптимальные режимы восстановления сухой молочной
сыворотки в системах на основе питьевой и электроактивированной воды на
основе нейросетевого и математического моделирования процесса;
- изучить возможность применения восстановленной молочной сыворотки
методом КД-обработки в технологии производства молочных десертов.
Научная новизна работы. Получены данные о влиянии КД-обработки и
щелочной фракции ЭХА-воды на процессы восстановления сухой молочной
сыворотки, которые доказали возможность использования данных видов
обработки для совершенствования процесса восстановления, а также повышения
показателей микробиологической безопасности и стабильности восстановленной
молочной сыворотки. Проведен теоретический анализ химической активности
сывороточного белка -лактоглобулина, установлены механизмы его гидратации
в условиях кавитационной дезинтеграции при использовании питьевой и
электроактивированной воды с применением методов молекулярного
моделирования. Установлены закономерности влияния режимов КД-обработки и
типа водной среды на физико-химические свойства восстановленной молочной
сыворотки. Научно и экспериментально обоснована целесообразность
применения КД-обработки и ЭХА-воды для восстановления сухой молочной сыворотки с заданными свойствами. Разработаны математические и нейросетевые модели формирования основных физико-химических свойств молочной сыворотки с учетом различных режимов её восстановления методом КД-обработки. Получена математическая модель, адекватно описывающая изменения размеров частиц СМС в восстановленной молочной сыворотке при изменении интенсивности и продолжительности КД-обработки.
Практическая значимость работы. По результатам проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложены:
- параметры восстановления сухой молочной сыворотки методом КД-
обработки на основе питьевой и щелочной фракции ЭХА-воды с учетом
концентрации сухой молочной сыворотки;
- нейросетевые модели формирования физико-химических и структурно-
механических свойств восстановленной молочной сыворотки в зависимости от
концентрации СМС, продолжительности и интенсивности КД-обработки.
Произведены опытные партии двух разных видов десертной продукции, созданных на основе восстановленной сухой молочной сыворотки с использованием КД-обработки и ЭХА водных сред.
Результаты исследований использованы для модернизации технологии производства молочных десертов на основе восстановленной сухой молочной сыворотки. Модернизированная технология прошла промышленную апробацию в условиях АО «Молочный комбинат Ставропольский».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований включены в
лекционные курсы и используются при подготовке магистрантов по направлению
15.04.02 «Технологические машины и оборудование», магистерская программа
«Процессы и аппараты пищевых производств», а также при подготовке
аспирантов по направлению 19.06.01 «Промышленная экология и
биотехнологии».
Методология и методы исследований.
Работа выполнялась с использованием стандартных, общепринятых методов исследования физических параметров и химических свойств и состава, органолептических и микробиологических показателей объектов исследования. Математическая обработка экспериментальных данных и их графическое представление, выполнены с помощью программ MicrosoftExcel, Statistica 8.0. Молекулярное моделирование и анализ химической активности изучаемых систем проводили в программных средах HyperChem, VMD, NAMD.
Основные положения, выносимые на защиту:
-методология и результаты компьютерного моделирования процесса восстановления сухой молочной сыворотки методом КД-обработки в условиях применения ЭХА- и питьевой воды;
-математические и нейросетевые модели формирования основных физико-химических свойств молочной сыворотки с учетом различных режимов её восстановления методом КД-обработки;
-математическая модель, адекватно описывающая изменения размеров частиц СМС в восстановленной молочной сыворотке при изменении интенсивности и продолжительности КД-обработки;
-параметры восстановления сухой молочной сыворотки методом КД-обработки на основе питьевой и щелочной фракции ЭХА-воды с учетом
концентрации сухой молочной сыворотки;
-технологическая схема и усовершенствованная технология производства десертной продукции на основе сухой молочной сыворотки, восстановленной с применением КД-обработки и щелочной фракции ЭХА-воды.
Степень достоверности результатов подтверждается 3-5 кратной повторностью экспериментов с применением стандартных методов исследований и статистической обработкой полученных данных; использованием современных поверенных приборов и оборудования, имеющих установленный предел отклонений; проведением опытно-промышленных испытаний разработанных технологий.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2010); VII Международном конгрессе Центральной Европы по продуктам питания «CEFood-2014» (Республика Македония г. Охрид); научно-практических конференциях «Университетская наука – региону» (Ставрополь, 2014, 2015), международном научном форуме «Наука будущего – наука молодых» (Севастополь, 2015), в рамках научных семинаров на базе СКФУ проводимых совместно с проф. Саверио Маннино, Миланский университет и проф. Хани Абу Кдаис, Иорданский университет науки и технологий, СКФУ, (Ставрополь, 2016).
По материалам диссертационной работы опубликовано 9печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК России, подана заявка на изобретение №2016129736 от 20.07.2016.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 188 наименований источников, в том числе 62 иностранных. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 17 таблиц, 52 рисунка и 8 приложений.
Сонохимические процессы – как средство интенсификации технологических режимов обработки пищевого сырья
С увеличением объемов сухой молочной продукции совершенствование процессов восстановления является актуальной исследовательской задачей. Основное направление работ в этой области связано с воссозданием из сухого молочного сырья продукции, соответствующей её нативному состоянию. Помимо этого, от проведенного процесса восстановления напрямую зависит качество производимой продукции. Процесс восстановления сыворотки является гетерогенной химической реакцией веществ в разных физических состояниях (жидкость и твердое вещество), с дальнейшим переходом веществ в единую систему – раствор [9, 39, 52].
Специфика процесса восстановления сухих молочных продуктов заключается в многокомпонентности молочных продуктов. В связи с этим, восстановление молочных продуктов проходит в несколько этапов: растворение лактозы и минеральных веществ, распределение белка и жира, удаление воздуха.
Если рассматривать процесс восстановления на примере сухого молока, первоначально, при растворении сухого молока водой, с поверхности частиц молока выщелачивается лактоза, минеральные вещества и сывороточные белки, после этого вода проникает вглубь частицы, вытесняя собой воздух и выщелачивая лактозу, а также минеральные вещества уже из внутренней части частицы. В дальнейшем частица распадается на нерастворимые остатки, белок и жир. При этом стоит отметить, что данный механизм растворения характерен для элементарной частицы сухого молока. Зачастую, при контакте с водой, частицы сухого молока формируют плохо растворимые агломераты. Это связано с тем, что на поверхности данных агломератов образуется жидкостный слой, который не позволяет воде проникнуть внутрь агломерата. Завершенным процесс восстановления можно считать тогда, когда физико-химические параметры восстанавливаемого продукта будут соответствовать свойствам натурального. При этом органолептические показатели не должны отличаться от искомого продукта [60, 62, 66, 114].
С учетом этого, основными процессами, определяющими качество восстановления, являются растворение лактозы и переход жира и белка в эмульсионно-коллоидное состояние. В результате образуется дисперсионная среда, при этом дисперсность белков и жира должна соответствовать их дисперсности в натуральном молоке [19, 20].
Описанный механизм растворения сухого молока может быть спроецирован на другие сухие молочные продукты (сыворотку, пахту) ввиду схожего компонентного состава. Данные продукты от сухого молока отличает только разное процентное содержание нутриентов. Процессы агломерации частиц сухих молочных продуктов будут проходить по схожему сценарию, но из-за отличного соотношения нутриентов в системе, восстановление будет протекать с разной скоростью и стабильностью получаемой эмульсии.
Восстановление сухой молочной продукции по традиционной технологии представляет собой предварительное смешивание в пропорции 1:1 частей сухого продукта и воды при условии интенсивного помешивания. После чего полученную систему доводят до необходимого количества сухих веществ путем добавления воды. С целью ускорения процесса, воду и смесь могут подогревать. Процессы восстановления и особенности их протекания подробно рассмотрены в работах Н.Н. Липатова, Л.В. Голубевой, Н.В. Тихомировой, В.Я. Грановского, В.В. Кузнецова, Г.Г. Шиллера и других авторов [22, 61, 66, 102].
Завершенным процесс восстановления можно считать тогда, когда физико-химические параметры восстанавливаемого продукта будут соответствовать свойствам натурального. При этом органолептические показатели не должны отличаться от искомого продукта.
Помимо традиционной технологии, для интенсификации процесса восстановления используют гидродинамические, механические, акустические способы. Анализ существующих способов позволил выделить наиболее типовые этапы восстановления сухих молочных продуктов.
Существует способ восстановления сухого молока, который предусматривает предварительное измельчение сухого молока, перемешивание последнего с водой для частичного растворения, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени восстановления и улучшения качества продукта, перед растворением молока его увлажняют до 7 – 20% в течение 3 – 20 с, а растворение ведут в три стадии, на первой из которой содержание влаги доводят до 40 – 50%, на второй – до 70 – 75 % и на третьей – до 88 – 92% с выдержкой 5 – 30с. При этом на первых двух стадиях растворения осуществляют перемешивание в течение 3 – 20с [4]. Заявленный способ достаточной трудоёмкий, ввиду того, что существует необходимость деления всего объема восстановляемого сухого молока на части, в соответствии с процентным соотношением необходимой влаги.
В молочной промышленности известен способ восстановления сухого молока, который включает в себя растворение сухого молока в воде с постоянным перемешиванием и нагревом. Основным отличием данного способа является то, что, нагрев осуществляется до температуры 65 – 75С, в дальнейшем смесь выдерживается в течение 30 – 90 минут с последующим охлаждением до 20 – 24С. Благодаря этому происходит набухание белковой фракции и молоко приобретает органолептические свойства, близкие к натуральному молоку [103]. Недостаток данного способа заключается в том, что после нагрева смесь необходимо выдержать 30 – 90 минут, это влечет за собой дополнительные затраты времени и энергии на нагрев и перемешивание.
Известен способ восстановления сухого молока, при котором смесь сухого молока с водой обрабатывают ультразвуком при установленных режимах с возникновением эффекта кавитации. Основным условием способа является то, что отношение интенсивности ультразвука, вызывающего кавитацию, к квадрату гидростатического давления в смеси не должно превышать 23м/(МПас) [122]. Изобретение направлено на получение стабильного, устойчивого к расслоению восстановленного молока при минимальных энергозатратах на восстановление.
Подробное изучение существующих способов восстановления сухой молочной продукции позволило установить, что существующие запатентованные способы в большей степени ориентированы на восстановление сухого молока. Установлено, что изобретений, направленных на восстановление сухой молочной сыворотки, в РФ не зарегистрировано.
Объекты исследований
Одной из задач в экспериментальной части являлось определение пероксидных соединений при восстановлении молочной сыворотки методом кавитационной дезинтеграции. Для определения количества пероксидных соединений применяли положения ГОСТ 24067-80 «Молоко. Метод определения перекиси водорода». Возможность использования данной методики обусловлена следующим. Молочная сыворотка является продуктом переработки молока, а пероксидные соединения, представленные в основном гидропероксидами, нестабильны и распадаются с выделением перекиси водорода [119]. В этой связи применение данной методики для качественного определения наличия пероксидных соединений может быть использовано и для молочной сыворотки. Чувствительность данного метода составляет 0,001% перекиси водорода. Сущность методики основана на взаимодействии перекиси водорода с йодистым калием, который дает синее окрашивание при её наличии. В пробирку помещают 1 см3анализируемого образца, не перемешивая прибавляют две капли раствора серной кислоты по 0,2 см3.Через 10 мин наблюдают за изменением цвета раствора в пробирке, помещенной в штатив, не допуская её встряхивания. Появление в пробирке отдельных пятен синего цвета свидетельствует о присутствии перекиси водорода в молоке. Методика определения показателя полноты растворения
Использованная методика определения показателя полноты растворения (ППР) основана на аналогичном методе измерения ППР предложенном Липатовым Н.Н. [66].
Изначально производится взвешивание центрифужных пробирок. Во взвешенные ранее пробирки вносятся навески образцов пастеризованной сыворотки (продукта), которые затем центрифугируются при 3000 об/мин в течение 15 минут. После центрифугирования осадочная жидкость сливается, а оставшийся в пробирке осадок взвешивается на аналитических весах с точностью до 4 знака после запятой. Количество осадка определяется по формуле (2.1): Мос=(Мпр+ос- Мпр)/(Мпр+нав - Мпр)) 100%, (2.1) где Мпр+ос– масса центрифужной пробирки с осадком, г; Мпр– масса центрифужной пробирки, г; Мпр+нав масса центрифужной пробирки с навеской образца, г. Определение степени синерезиса готовой десертной продукции Для определения степени синерезиса отбирается проба продукта объемом 100 см3, которая подвергается фильтрованию через складчатый бумажный фильтр в течение 2 часов при комнатной температуре. Степень синерезиса определяется объемом выделившейся за это время сыворотки (в см3). Определение влагоудерживающей способности Влагоудерживающая способность определялась путем измерения количества сыворотки, выделившейся после центрифугирования подготовленной пробы продукта. Проба продукта помещалась в центрифужную пробирку объемом 10 см3 и центрифугировалась 15 минут при частоте оборотов 1000 об/мин. Объем выделившейся сыворотки измерялся, полученные значения подставлялись в формулу (2.2), по которой рассчитывалось значение влагоудерживающей способности: ВУС = (1 - а/в) - 100, (2.2) где ВУС – влагоудерживающая способность, %; а, в – масса сыворотки и продукта соответственно. Аминокислотный анализ сывороточных белков Определение аминокислотного состава проводили на аминокислотном анализаторе ААА 400 фирмы ИНГОС (Чехия) – узкоспециализированном автоматизированном жидкостном хроматографе с компьютерным управлением, оснащённым постколоночной детекторной системой. Исследования проводятся согласно ГОСТ 13496.22-90 и ГОСТ 13496.21-87.
Измерение размеров частиц сухой молочной сыворотки
Измерение размеров частиц проводили с использованием спектрометра Photocor Complex. Принцип работы спектрометра Photocor Complex основан на явлении динамического рассеяния света (метод фотонной корреляционной спектроскопии). Измерение корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного света позволяет определять размеры дисперсных частиц в жидкостях [94].
Последовательность измерения размеров частиц сухой молочной сыворотки: 1. Анализируемый раствор помещается в кювету. 2. Кювета с раствором помещается в кюветное отделение прибора. 3. Задаются параметры измерения размеров частиц с использованием спектрометра Photocor Complex. 4. Кювета с образцом просвечивается лазером прибора, свет от лазера рассевается от дисперсных частиц. 5. Рассеянный свет принимается системой счёта фотонов и подается на коррелятор, который накапливает корреляционную функцию флуктуаций интенсивности рассеянного света. б. Посредством программного обеспечения «Dynals» обрабатывается измеренная корреляционная функция флуктуаций интенсивности рассеянного света. Результатом данной обработки является рассчитанный размер частиц сухой молочной сыворотки в анализируемом образце.
Нейросетевое моделирование влияния активированных сред на основные параметры восстановленной молочной сыворотки
В сравнении с молекулой белка в вакууме при рН=2 молекула белка изменила свою форму и размеры. Помещение молекулы в водную оболочку повлекло за собой перераспределение зарядов белка. Это привело к появлению электроотрицательных и электроположительных центров электростатического поля. Активные центры молекулы сформированы вокруг нескольких типов аминокислотных остатков: лизин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты. Установлено, что центры активности, образующиеся вокруг лизина, будут заряжены положительно, а аналогичные центры вокруг аспарагиновой и глютаминовой кислот – отрицательно.
Рассматривая распределение зарядов электростатического поля белка по трем проекциям, можно прийти к выводу, что общая характеристика электростатического поля будет отрицательной. В значительной степени область электроотрицательного поля представлена на плоскости ZX. Данная область будет являться основным центром активности белковой молекулы в моделируемых условиях.
На рисунке 3.9 представлены три проекционных вида молекулы белка, помещенной в водную оболочку с нейтральным значением рН среды (рН =7). Размеры молекулы белка при рН=7 сопоставимы с ее размерами при рН=2, а вид молекулы не имеет выраженных ответвлений аминокислотных фрагментов и близок к правильной глобулярной форме.
В сравнении с моделью белка в вакууме, также произошло перераспределение зарядов электростатического поля, но при сопоставлении с молекулой белка при рН=2 электростатическая оболочка не имеет особо выделяющихся центров активности с одноименным зарядом.
В нейтральной среде молекула белка более уравновешена, имеющиеся области с электроотрицательным и электроположительным зарядом распределены в равных соотношениях по объему всей молекулы. Данный факт позволяет судить о том, что молекула белка в нейтральной среде будет обладать слабовыраженной реакционной способностью.
Форма и размеры молекулы белка в щелочной среде при рН=11, представлены тремя проекционными видами на рисунке 3.10, сопоставимы с конформационным состоянием молекулы в кислой среде при рН=2. Как и при рН=2, на модели белка имеются ответвлённые фрагменты, по полюсам глобулы. Данные фрагменты являются активными центрами, благодаря своим зарядам, и могут участвовать в образовании межмолекулярных связей. Рисунок 3.9–Проекции модели белка, погруженного в водную оболочку, после расчета конформационного состояния методом молекулярной динамики при значении активной кислотности системы рН=7
Перераспределение зарядов, вызванное щелочной средой, сформировало несколько особо крупных, разноименных по заряду, активных центров. Наличие особо крупных разноименных заряженных центров позволит молекуле активно образовывать связи, как с отрицательно, так и с положительно заряженными центрами других молекул.
Проведенный анализ позволяет судить о том, что щелочная и кислая среды повышают реакционные свойства молекул сывороточных белков. Таким образом, применение щелочных и кислых растворов при восстановлении сухих белковых смесей будет способствовать интенсификации процесса восстановления и стабилизации смесей, так как приводит к значительной поляризации молекулы белка и образованию большого количества одноименно заряженных участков в молекуле.
Проекции модели белка, погруженного в водную оболочку после расчета конформационного состояния методом молекулярной динамики при значении активной кислотности системы рН=11
Следующим этапом являлось моделирование кавитационной обработки и установление её влияния на изменение электропотенциала белка. Моделирование влияния кавитационной обработки подробно описано в работах Брацихина А.А. В их исследованиях установлено, что после кавитационного воздействия в течение 10, 30 и 90 секунд, значения, рассеянной в дистиллированной воде, потенциальной энергии кавитации составляют 5, 15 и 45 кДж соответственно (при мощности 400 Вт и частоте акустических колебаний в 22 кГц) [13, 123]. На основе этого была предложена методика моделирования кавитационной обработки путем определения градиента температуры с последующим его заданием в программах, моделирующих химическое состояние [13].
При известной теплоемкости молочной сыворотки (Ссыв=4,082 кДж/(кгК) [98]) и постоянного ее объема (V=1 л) количество передаваемой энергии (Q, кДж) в 5 кДж соответствует нагреву воды (t) на величину: Основываясь на результатах расчета количества энергии, передаваемой в систему при КД, было проведено моделирование влияния кавитационной обработки и разного уровня рН-среды на конформационное состояние белка -лактоглобулина путем задания температуры нагрева и рН-среды.
В работе было предложено проводить сравнение влияния продолжительности кавитационной обработки при разном уровне рН-среды путем сопоставления проекционных карт электростатического потенциала и коэффициента электроотрицательности (k). Коэффициент электроотрицательности рассчитывался путем вычисления отношения занимаемой площади электроотрицательного поля к электроположительному полю. На проекционных картах выделялись цвета, соответствующие типу заряда, и посредством программы для обработки изображений вычислялась занимаемая ими площадь. Коэффициент электроотрицательности (k) показывает соотношение зарядов внутри молекулы белка. При k 1 молекула электроотрицательна, при k 1 – электроположительна, а при k=1 – нейтральна. Для образования межмолекулярных связей наиболее предпочтительны варианты, при которых коэффициент электроотрицательности будет больше, либо меньше единицы. Причем, чем выше значение по модулю, тем активнее молекула белка будет образовывать связи.
Модернизация технологии производства неферментированного десерта «Demi» на основе концентрированной молочной сыворотки
Рассматривая тернарную поверхность отклика активной кислотности можно выделить сочетания факторов, при которых формируется минимальные и максимальные значения активной кислотности. Минимальное значение активной кислотности возникает при высокой концентрации раствора молочной сыворотки и при интенсивной и продолжительной обработке. Максимальные значения активной кислотности формируются при противоположных условиях, то есть, при низких концентрациях растворов молочной сыворотки и при менее интенсивной и непродолжительной обработке.
Оптимальным сочетанием факторов кавитационной дезинтеграции для формирования технологически приемлемого показателя рН будет являться: концентрация более 15% сухой молочной сыворотки от массы раствора, интенсивность обработки - 100% от технической возможности используемого ультразвукового процессора HielscherUP400S, мощностью 400 Вт и частотой колебаний 24 кГц, что соответствует интенсивности 3,6 105Вт/м2 в абсолютных значениях и времени обработки от 30 до 50 с.
Активность воды является значимым показателем при разработке технологических процессов и при производстве продуктов питания. По величине показателя активности воды, возможно судить о качестве и возможном сроке хранения пищевой продукции или сырья. Значение активности воды показывает энергию связи влаги в продукте. При снижении значения аw снижается вероятность использования влаги микроорганизмами для своего метаболизма и тем самым повышаются сроки хранения [38]. Также по активности воды можно судить о связи компонентов в продукции, и о её стабильности – чем меньше свободной влаги, тем стабильней продукция. При увеличении активности воды, вода становится более мобильной, что влияет на молекулярную стабильность продукта, а также на скорости реакций (химических и энзимных).
Полученная тернарная поверхность и изолинии её сечений изменения показателя активности воды, изучаемых систем показаны на рисунке 3.22.
По значению показателя активности воды возможно судить о количестве связанной воды, что является существенным параметром, характеризующим физические, органолептические и другие свойства продукта [66].
При увеличении концентрации вносимой сухой сыворотки снижается показатель активности воды (Рисунок 3.22). Такая динамика может быть связана с тем, что под действием ультразвуковой обработки создаются благоприятные условия для «связывания» свободной влаги с сухой молочной сывороткой. Об этом свидетельствует и тот факт, что при увеличении интенсивности обработки ультразвуком также происходит снижение активности воды. Результаты анализа тернарных графиков активности воды позволяют сделать вывод, что оптимальные значения показателя активности воды формируются при концентрации вносимой сыворотки свыше 15% от массы раствора, при интенсивности обработки равной 100%, а оптимальное время обработки будет варьироваться от 30 до 50 с. а) б)
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) является косвенным показателем химической активности элементов и соединений в химических процессах, связанных с изменением зарядов ионов в растворах.
Анализируя изменение показателя ОВП следует отметить, что при повышении количества вносимой сыворотки значение ОВП снижается (Рисунок 3.23).
При достижении концентрации сыворотки в растворах в пределах 16- 17% и при увеличении времени обработки происходит незначительное повышение окислительно-восстановительного потенциала. а) б)
Рисунок 3.23- Зависимость окислительно-восстановительного потенциала от технологических режимов КД-обработки (ОВП - окислительно-восстановительный потенциал, мВ; А - интенсивность ультразвукового воздействия, %; С - концентрации сухой сыворотки в растворе, %; т - время обработки, с (а) тернарная поверхность; б) изолинии сечения поверхности)
Аналогичным образом были получены тернарные поверхности изменения основных свойств растворов молочной сыворотки, определяющих её структурно-механические характеристики: плотности и вязкости (Рисунок 3.24; Рисунок 3.25). Данные свойства, как правило, зависят от количества вносимой в раствор сухой сыворотки - чем выше его концентрация, тем выше значение плотности и вязкости раствора.
Стоит отметить, что с увеличением времени обработки и интенсивности ультразвуковой волны увеличивается значение плотности и вязкости. Этот факт наиболее интересен с технологической точки зрения, так как он может быть обусловлен тем, что при ультразвуковой обработке происходит изменение структурно-механических свойств раствора за счет интенсивного перемешивания компонентов при кавитационной дезинтеграции. Кроме того, благодаря возникающим явлениям кавитации, повышается связь компонентов раствора за счет возрастания растворимости[2,6,7].