WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«ГУНЬКО Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ Специальность 05.18.04 - Технология ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности

На правах рукописи

ГУНЬКО Павел Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ

БЕЛКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент И.А. Короткий Кемерово

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1Литературный обзор……………………………………………… 1.1Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения продуктами питания………………

1.2Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки………

1.3Современные технологии промышленной переработки молочной сыворотки…………………

1.4Перспективы низкотемпературных технологий переработки молочной сыворотки….......……………………….................. 1.5Заключение по обзору литературы. Цель и задачи исследований…………………………………………………… ГЛАВА 2Постановка экспериментов и методы исследований…………………………………………………….. 2.1Организация проведения экспериментальных исследований…. 2.2Методы и объекты исследований………………………………. 2.3Описание экспериментальных установок……………………… ГЛАВА 3Экспериментальная часть………………………………………. 3.1Исследование свойств творожной сыворотки как исходного сырья……………………………………………………………… 3.2Исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе…………………………………………….. 3.3Определение оптимальных режимов разделительного вымораживания……………………………………………….. 3.4Процессы выделения белка из творожной сыворотки……….. 3.5Физико-химические, теплофизические, органолептические и микробиологические, показатели продуктов белка творожной сыворотки………..……………………………………………… 3.6Определение сроков и условий хранения сывороточного белка ГЛАВА 4Практическая реализация результатов исследований………… 4.1Разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки…………….…………………………………………… 4.2Расчет экономических показателей производства концентрата лактозы сывороточного белка………………………………………………………………. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………… ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………...

ВВЕДЕНИЕ




Актуальность темы исследования. Рост населения Земли и повышение его уровня жизни требует постоянного увеличения производства продуктов питания.

продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено.

Поэтому актуальной проблемой пищевой промышленности, в настоящее время, является рост глубины переработки сырья для умножения количества и повышения качества пищевой продукции. От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания, растительного или животного происхождения стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последнего. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи метода генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека.

обеспечение населения полноценными в биологическим плане продуктами питания [1]. Этого можно достичь путем полной (безотходной) переработки пищевых продуктов.

Степень разработанности темы исследований. Объемные исследования по изысканию эффективных способов переработки вторичного молочного сырья молочной сыворотки проводят ведущие специалисты Северо-Кавказского государственного технического университета, Всероссийского НИИ маслодельной и сыродельной промышленности, Ярославского государственного института качества сырья и пищевых продуктов, Северо-Кавказского государственного технического университета. Огромный вклад изысканий по данной теме внесли такие выдающиеся ученые, как: А.Г. Храмцов, Г.Б.

Гаврилов, В.Д. Харитонов, Л.А. Остроумов, И.А. Евдокимов, К.К. Полянский, А.И. Гнездилова, Э.Ф. Кравченко, В.Г. Куленко, С.А. Рябцева и др. О переработке молочной сыворотки было отмечено в работах: Е.В Ульрих, М.С.

Коваленко, Н.Н. Липатова, А.А. Розанова, П.Ф. Крашенинина, А.И. Чеботарева, О.А. Суюнчева и др.

Ими установлено, что реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности возможна только на основе комплексного использования всех компонентов молока для производства продуктов питания, либо раздельного извлечения их компонентов с последующей переработкой.

технологии, полное извлечение всех компонентов, рациональное использование промежуточных и побочных продуктов, снижение нормативных потерь за счет использования отходов являются важнейшими резервами увеличения объемов пищевых продуктов.

Отсутствие доступных и эффективных технологий переработки молочной сыворотки обуславливают тот факт, что на молочных предприятиях нашей страны данное вторичное сырье применятся по большей части лишь для продажи в очень малых количествах, притом в нативном состоянии, а остальная ее часть сливается в канализацию как отходы производства, что не только экономически невыгодно, но также наносит вред окружающей среде, так как при попадании сыворотки в канализацию происходит выделение высокотоксичных компонентов.





Таким образом, технология извлечения белковых компонентов и концентрата лактозы из творожной сыворотки является актуальной задачей пищевой промышленности, на решение которой направлена данная диссертационная работа.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии выделения белков и концентрата лактозы из молочной сыворотки низкотемпературными методами.

В рамках данной работы поставлены следующие задачи:

- исследование свойств исходной творожной сыворотки;

- определение физико-химического состава сыворотки;

- определение фракционного состава творожной сыворотки;

- исследование криоскопических температур молочной сыворотки;

- определение теплофизической характеристики творожной сыворотки - исследование процессов разделительного вымораживания молочной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания;

- обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания сыворотки;

- определение физико-химических, теплофизических и микробиологических показателей белково-сывороточного продукта;

- определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта;

разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из сыворотки;

- определение экономических показателей производства сывороточного белка.

Научная новизна работы:

вымораживания для выделения сывороточного белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки ;

- исследованы процессы разделительного вымораживания творожной сыворотки в криоконцентраторе емкостного типа, доказано, что с повышением скорости кристаллизации путем понижения температуры в хладоносителе, эффективность разделительного вымораживания снижается;

льдообразования и изменение содержание сухих веществ в концентрате в процессе разделительного вымораживания сыворотки при температуре хладоносителя от -2 до -6°С, получены уравнения, позволяющие рассчитать теплофизические характеристики, количество образующегося льда, его толщину и концентрацию раствора в зависимости от продолжительности процесса.

Уравнения также дают возможность рассчитать продолжительность процесса разделительного вымораживания, необходимую для получения раствора заданной степени концентрации.

- разработана технология выделения сывороточных белков и концентрата лактозы из молочной сыворотки;

- исследованы свойства полученного сывороточного белка, на основе чего установлена эффективность разработанной технологии.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны режимы разделительного вымораживания молочной сыворотки, позволяющие извлечь сконцентрированный белок и концентрат лактозы.

Определены физико-химические, органолептические, теплофизические и микробиологические свойства данных продуктов. Установлены сроки и условия хранения сывороточных белков, определена экономическая эффективность изготовления концентрата сывороточных белков и концентрата лактозы.

Работа выполнена в рамках гранта на проведение научно-исследовательских работ по теме «Разработка инновационной энергосберегающей технологии извлечения белковых компонентов и лактозы из отходов молочного производства», договор № 69 от 01.03.2013 г.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физико-химических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- технологические режимы разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- технология производства 48% концентрата сывороточного белка и водного концентрата лактозы.

Степень достоверности и апробация работы. Основные положения диссертации получили одобрение на научно-практических конференциях, в том числе: на III всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2010 г.), на VI всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученных «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, г.), на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии»

(г. Кемерово, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011» (г. Одесса, 2011 г.), международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (г. Тамбов, 2012 г.) и др. Помимо того получено два патента: первый - патент на полезную модель №134407 «Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов» зарегистрирован 20 ноября 2013года, второй – патент на изобретение № 2509514 "Устройство для концентрирования жидких пищевых продуктов", бюллетень № 8 от 20 марта 2014года.

1.1 Ресурсосберегающие технологии и обеспечение населения продуктами Проблема обеспечения продуктами питания была и остается одной из важнейших на всех этапах развития человеческого общества [2]. В настоящее время по данным ООН недоедает 12% людей в мире. В период 1990-1992 этот процент составлял 17% [4]. Анализ экспертов показывает, что хронически недоедает 17% населения Земли, в ближайшие десятилетия эта участь может постичь уже 25% жителей планеты.

В последнее время во многих странах, в том числе и в России, существенно ухудшилась структура питания населения. Так, за последние годы уменьшилось потребление всех основных групп продуктов, наиболее ценных в биологическом направлении: мяса и молочных продуктов, рыбы и рыбопродуктов в среднем на 25–28 %, а растительного масла, фруктов и ягод – в еще большей степени.

Результатом указанных изменений в питании россиян становится формирование недостаточности жизненно необходимых биологически активных пищевых веществ в организме: витаминов, микроэлементов, клетчатки и других биорегуляторов процессов жизнедеятельности [5]. Ухудшение структуры питания населения сложилось в связи с уменьшением ресурсной базы. Однако расширение ресурсной базы для увеличения производства продовольствия в соответствии с требованиями потребителей ограничено [2, 6, 7].

Перспективным направлением развития пищевой промышленности, в настоящее время, является безотходное производство за счет более глубокой переработки вторичного сырья для увеличения количества и повышения качества пищевой продукции.

От качества продуктов питания зависит здоровье и трудоспособность человека [8, 9]. Применение натуральных компонентов, для изготовления продуктов питания, растительного или животного происхождения стремительно вытесняется компонентами химического происхождения в виду дешевизны последнего [8]. Лавина всевозможных химических вкусовых заменителей, вкусовых усилителей, пищевых красителей, консервантов, и так далее, а также всевозможные организмы, генотипы которых искусственно меняют при помощи генной инженерии, оказывают негативное воздействие на организм человека [9].

В России, в последние десятилетия, сократилось сельскохозяйственное производство, а технологии глубокой переработки пищевого сырья внедряются очень низкими темпами. Дефицит собственного производства компенсируется импортом, который стимулирует зарубежного производителя и импортные технологии, а развитие отечественного производства и внедрение инновационных технологий тормозится. В 2010 году на продовольственном рынке страны импорт составил: 25 процентов мяса и мясопродуктов, 24,6 процента рыбы и рыбопродуктов и 19,2 процента молока и молокопродуктов. В стоимостном выражении было ввезено сельскохозяйственной продукции и продовольствия на 36,4 млрд. долларов США [10].

Остается ниже рекомендуемых медицинских норм потребление населением таких важнейших продуктов, как мясо и мясопродукты, молоко и молокопродукты, овощи, фрукты и ягоды. Среднедушевое потребление в году представлено на рисунке 1.1. Потребление среднедушевое, показатель, отражающий уровень потребления населения и его динамику. Исчисляется путм деления общего количества потребленных материальных благ (продуктов) на численность населения.

Спрос на продукцию отраслей, вырабатывающих социально значимые пищевые продукты (мукомольно-крупяная, хлебопекарная, рыбная, молочная, мясная, сахарная и масложировая отрасли), имеет устойчивый характер. Этот фактор во многом предопределяет развитие сырьевой базы для этих отраслей и приток инвестиций в модернизацию технологической базы организаций пищевой и перерабатывающей промышленности [10].

Рисунок 1.1- Среднедушевое потребление в В последнее время пищевая промышленность совершает решительный натуральной, здоровой пищи. Сегодня потребителей во всем мире отличает все более осознанное отношение к пище. Они предъявляют к ней требования, как по гармоничному сбалансированному вкусу, так и по содержанию полезных для здоровья веществ. Учитывая вышесказанное, появляется некоторый обзор изготовлении готовых пищевых продуктов [11, 12].

Когда говорят о производстве пищи в фундаментальном его понимании, прежде всего имеют в виду хлеб, мясо, молоко, отводя при этом молоку особую сбалансированное рациональное питание. Составные части молока: белки, жиры и углеводы являются уникальными и неповторимыми, признано, что они, каждый в своей группе, занимают первое место по биологической ценности [2].

Белки являются одним из главных компонентов, массовая доля которых в молоке колеблется в пределах от 2,9 до 4,0%. Значимость белков как необходимого компонента в питании человека и в производстве различных сбалансированности незаменимых аминокислот; во- вторых, - энергетической ценностью, легкой и практически полной перевариваемостью в организме; рядом физико-химических и функциональных свойств, способствующих стабилизации коллоидной системы и жировой эмульсии молока; в - третьих, - значительной термостабильностью основного белка-казеина, позволяющей сохранить устойчивость всех систем молока при хранении, технологической обработке и выработке молочных продуктов [2, 13, 14, 15, 16, 17].

Изучение структуры и свойств белков молока представляет большой практический интерес с точки зрения обработки и переработки молока на различные молочные продукты. За последние годы, благодаря использованию современных методов анализа (главным образом электрофоретических, информационный материал о свойствах белков молока, о поведении их на различных стадиях технологических процессов. Однако до сих пор многие явления еще не полностью изучены [2, 18, 19].

Белки – это высокомолекулярные соединения, состоящие из a-аминокислот, которые связаны между собой характерной для белков пептидной связью. Все белки в качестве обязательного элемента содержат азот, отличаются необычайно большими размерами молекул и поэтому в воде образуют коллоидные растворы [2, 14, 15].

Белки молока относятся к группе сферопротеинов (глобулярных белков), также как белки животного происхождения: белки плазмы крови; овальбумин яичного белка; миозин – мышечный белок; и растительного – проламины, глютелины [13, 15, 16, 17].

Современная наука о питании подтверждает особую питательную ценность молока и молочных продуктов. Принято считать, что молочные продукты должны давать треть калорийности среднесуточного рациона человека. Ежедневное употребление рекомендуемого количества молока и молочных продуктов (500 г молока; 15 г сыра; 20 г творога; 18 г сметаны) удовлетворяет в среднем суточную потребность взрослого человека в жире и кальции; 50% потребности белка; 33% — витамина А; 26% — потребности в энергии (калориях) [8, 11, 13]. Чтобы оценить в полной мере роль молока в питании человека, необходимо рассмотреть достоинства каждого основного компонента молока: белков, жира, лактозы, минеральных веществ [2, 20].

Молочная сыворотка является побочным продуктом производства молочной продукции. Принципиальная блок-схема алгоритма получения различных видов молочной сыворотки приведена на рисунке 1.1 [21].

В среднем в молочную сыворотку переходит около половины сухих веществ исходного молока, что дает основание использовать термин «полумолоко» [2, 22]. Таким образом, молочная сыворотка может быть источником ценных компонентов при наличии соответствующих технологий их выделения. В развитых странах молочную сыворотку используют в кондитерской, мясной, молочной промышленности, а также в других не пищевых отраслях, путем извлечения из молочной сыворотки белковых компонентов, лактозы, лактулозы и других ценных органических и неорганических веществ [2]. В России большие объемы сыворотки, получаемой в процессе производства молочной продукции, для производителя является скорее проблемой, чем источником сырья и источником дохода [23, 24]. Внедрение технологий переработки молочной сыворотки идет достаточно сложно. Технологии эти, как правило, дороги, а своего потребителя в России практически нет, поэтому на молочных предприятиях перерабатывается только небольшая часть сыворотки, основная ее масса в реальном производстве сливается в канализацию. Помимо того, что это очень нерационально с экономической точки зрения, это является также экологически небезопасным процессом. При попадании в канализацию молочной сыворотки выделяются высокотоксичные компоненты, что увеличивает антропогенное воздействие на окружающую среду, поэтому за слив отходов молочного производства предприятиям молочной промышленности необходимо платить [23, 24, 25].

Составом и свойствами молочной сыворотки и молока интересовались ученые издревле. Молоко имело больший интерес, в то время как сыворотка являлась побочным продуктом при получении белково-жировых продуктов «самоквасом» или управляемой коагуляцией с непременным синерезисом образующегося сгустка – самопроизвольным или направленным. Более четырехсот лет назад, итальянский монах Фабрицио Бертолети получил «манну» кашицеобразную массу - производное от лактозы [2, 27]. Молочная сыворотка интересовала ученных, но не находила широкого применения и глубокой переработки. Только в последние столетие она получила глубокие признания и такие названия как: «спрятанное сокровище», «полумолоко», «жидкое золото», «ящик с инструментами». С тех пор молочную сыворотку перерабатывали уже не как сточные воды молочной промышленности, а как ценное сырье [2, 24, 28]. В настоящее время молочная сыворотка достаточно изучена, но остается еще довольно большой потенциал для более глубокого исследования е производных.

МОЛОКО

Сепарирование молока Технологический процесс производства сыра, творога Технологический процесс производства Технология Сыворотка подсырная, творожная и казеиновая нежирная Рисунок 1.2 - Принципиальная блок-схема алгоритма получения различных видов молочной сыворотки.

Пищевая и биологическая ценность молочной сыворотки Состав, свойства и ценность молочной сыворотки.

Во всм мире насчитывается более пятнадцати тысяч видов молочной сыворотки, учитывая ассортимент сыров, творога и казеина [2]. Пищевая ценность молочной сыворотки характеризуется полным для продуктов питания набором: высокой доброкачественностью (безвредностью), достаточной калорийностью, хорошей усвояемостью, оптимальным соотношением питательных веществ, биологической и физиологической полноценностью. По органолептическим показателям подсырная сыворотка может быть отнесена к категории удовлетворительных (специфический привкус), и творожная сыворотка, особенно домашнего приготовления, — оптимальных, т. к. в нативном (парном) виде готова к употреблению.

На практике дело имеют обычно с двумя категориями молочной сыворотки – сладкой и кислой. Сыворотка получаемая при производстве сыра называется сладкой, а при производстве творога и казеина – кислой.

Состав молочной сыворотки колеблется в определенных пределах и зависит для подсырной - от вида вырабатываемого сыра, и его жирности; творожной - от способа производства творога и его жирности; казеиновой – от вида вырабатываемого казеина.

Компонентный химический состав молочной сыворотки представлен на рисунке 1. Содержание идентифицированных соединений в молочной сыворотке – усредненные данные, в сравнении с молоком приведены в таблице 1.1.

В молочной сыворотке, как и в молоке, идентифицировано более соединений и содержится около 100000 молекулярных структур [2, 29]. Эти структуры находятся в растворенном (нано-уровень) и коллоидно-дисперсном (кластеры) состояниях, а также в виде суспензии (казеиновая пыль) и эмульсии (молочный жир).

Все виды молочной сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) обладают практически идентичными биологическими свойствами. Однако, если обезжиренное молоко является источником белка, то молочная сыворотка главным образом источником лактозы (более 70% массовой доли сухих веществ).

Гидролиз лактозы в кишечнике протекает медленно, что ограничивает процессы, брожения и нормализует жизнедеятельность полезной кишечной микрофлоры, а также замедляет процессы брожения, нормализует жизнедеятельность полезной микрофлоры и предупреждает аутоинтоксикацию. [2, 29, 30].

Рисунок 1.3 - Компонентный состав молочной сыворотки Таблица 1.1 - Состав и свойства молочной сыворотки в сравнении с цельным г, лимонная вещества (зола), г Продолжение таблицы 1. аминокислоты, мг, аминокислоты, мг, аснарагиновая кислота 61 219 27, глутаминовая кислота 141 509 27, Продолжение таблицы 1. Макроэлементы, мг, Микроэлементы, мкг Продолжение таблицы 1. Витамины, мг Витаминоподобные вещества, мг Сывороточные белки характеризуются оптимальным набором и сбалансированностью, а по биологической ценности превосходят казеин.

Содержание незаменимой серосодержащей аминокислоты цистина в глобулине в 7, а альбумине в 19 раз выше, чем в казеине. В альбумине и глобулине больше лизина, который играет определенную роль в защитных реакциях организма.

Сывороточные белки служат дополнительным источником аргинина, гистидина, метионина, треонина, триптофана и лейцина. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, используемым организмом для структурного обмена, в основном - регенерации белков печени, образования гемоглобина и плазмы крови.

Отличительной особенностью сывороточных белков является то, что при непосредственно всасываются в кровь.

синтезированная вода, дополняют феномен биотехнологической системы молочной сыворотки [2, 31, 32].

Увеличение содержания сывороточных белков в составе пищевого продукта способствует повышению биологической ценности и усвояемости протеиновой фракции, а также компенсирует снижение общего белка в продукте. Таким образом белки молочной сыворотки являются весьма ценными.

В молочной сыворотке содержится 0,8 % сывороточных белков, то есть на один литр молочной сыворотки приходится примерно 8 грамм сывороточных белков. Количество получаемой молочной сыворотки при производстве творога или сыра можно узнать, зная норму выхода молочной сыворотки.

Норма выхода молочной сыворотки – это минимально допустимое количество молочной сыворотки, полученной при изготовлении сыра или творога из ста литров молока.

Теоретический выход молочной сыворотки можно рассчитать по формуле:

где: Ксыв - Количество молочной сыворотки, кг;

СВпр, СВс, СВсыв – содержание сухих веществ соответственно в готовом продукте, сырье и сыворотке, кг.

По расчетам выход молочной сыворотки при получении всех видов белково-жировых продуктов составляет около 90 % от количества исходного сырья. Практически для расчетов рекомендуются следующие нормы выхода (с учетом предельно допустимых потерь) молочной сыворотки в зависимости от вида вырабатываемого продукта. Нормы выхода молочной сыворотки в зависимости от перерабатываемого сырья представлены в процентном соотношении на рисунке 1.4.

Натуральные Обезжиренные Брынза Творог Казеин Рисунок 1.4 - Нормы выхода молочной сыворотки в зависимости от перерабатываемого сырья, в процентном соотношении На современных молочных заводах, особенно с «сухим режимом»

содержания полов, за счет устройств специальных систем сбора выход молочной сыворотки близок к теоретическому. Сухим режимом называется технология переработки молока, при котором побочный продукт (молочная сыворотка) не проливается в процессе всего цикла изготовления продукта, а собирается в полном количестве в специально приготовленную для нее тару.

По калорийности (энергетической ценности) молочная сыворотка составляет 36 % от цельного молока, что следует учитывать при организации промышленной переработки, рекламе и определении стоимости.

Усвояемость основных компонентов молочной сыворотки соответствует цельному молоку. За счет превалирования лактозы и сывороточных белков она превышает показатель 98 %.

Оценивая молочную сыворотку в целом, следует подчеркнуть ее значимость как «полумолока» и отнести к лактозосодержащему сырью [2, 32, 33, 34, 35, 36].

Вода в молочной сыворотке и е связи.

В сыворотке содержится 93-94% воды, в которой растворены или распределены все ее компоненты. С компонентами сыворотки вода связана различными формами. Свободная вода является растворителем органических и неорганических соединений – лактозы, минеральных элементов, кислот, ароматических веществ и т.д. Как растворитель свободная вода участвует во всех биохимических процессах, протекающих в молоке при его переработке, ее легко можно удалить сгущением, высушиванием и криоконцентрацией [60], и делится на три группы: вода химической, физико-химической и механической связи [61, 62]. Формы связи влаги отличаются природой и величиной энергии связи.

Наиболее прочной является химическая связь воды в химических соединениях и кристаллогидратах. Эта связь возникает при строго определенных стехиметрических соотношениях и с трудом разрушается при нагревании, ее можно удалить при нагревании до температуры 150-1550С. [63, 64]. Химически связанная вода обладает наибольшим значением энергии связи с материалом. Она не может быть удалена из продукта при его концентрировании (сгущением, сушкой и т.п.) [61, 65].

Физико-химическая связь воды характеризуется средней прочностью. Она образуется в результате притяжения диполей воды полярными группами молекул белков, фосфолипидов, олигосахаров и др.[66]. Этой форме соответствуют различные виды связи с материалом – адсорбционная и осмотическая [61, 67].

Адсорбционно связанная вода, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности "мицелл" – коллоидных частиц с сольватным слоем, строение которого определяется зарядом мицеллы. Коллоидные системы характеризуются значительной дисперсностью частиц, радиус которых составляет 0,1 - 0,001 мкм. Вследствие такой дисперсности коллоидные тела обладают огромной внутренней поверхностью и, следовательно, свободной поверхностной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды.

Энергия связи адсорбционной воды с материалом постепенно убывает от внутренних (мономолекулярных) сольватных слоев мицелл к внешним (полимолекулярным) слоям. Причем, если удаление влаги мономолекулярных слоев, имеющих более высокий энергетический уровень связи, при высушивании затруднительно, то влага более отдаленных полимолекулярных слоев не отличается по своим свойствам от свободной воды и легко удаляется при высушивании [61, 65, 66].

Осмотически удержанная влага – влага набухания и структурная влага, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой (теория С.М.Липатова), так и иммобилизованная структурная влага (теория П.А.Ребиндера), захваченная при формировании геля.

Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи, которая становится заметной при взаимодействии воды с белками в биополимерах при формировании структуры продукта (набухание, образование геля и т.п.) после концентрирования и осмотическое давление внутри продукта достигает значительных величин [61, 60].

Механическая связь воды характеризуется удержанием воды в неопределенных количествах. Ей соответствуют следующие виды влаги:

-влага макрокапилляров, находящаяся в капиллярах (порах), средний радиус которых больше 10-5см. Давление водяного пара над мениском макрокапилляра почти с точностью до 1% не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды, заполняющей сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними;

-влага микрокапилляров, заполняющая узкие поры, средний радиус которых меньше 10-5см. Жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха [61, 66].

Вода механической связи обладает свойствами свободной воды. Она механически захватывается и удерживается ячейками и капиллярами структуры продукта. В капиллярно-пористых молочных продуктах ( сухое молоко, сыр, казеин, сгущенные и сухие концентраты молочной сыворотки и т.п.) влага заполняет микро-и макрокапилляры, а также удерживается поверхностью продукта ( влага смачивания). Влага смачивания и макрокапилляров особенно слабо связана с продуктом, а при криоконцентрации легко переходит в лед. Влага микрокапилляров более прочно удерживается продуктом и при сушке удаляется менее интенсивно [61, 66].

Связанная вода по свои свойствам значительно отличается от свободной воды. Она не замерзает при низких температурах ( - 400С), не растворяет электролиты, имеет плотность, вдвое превышающую плотность свободной воды, не удаляется из продукта при высушивании и т.д. Связанная вода, в отличие от свободной, недоступна микроорганизмам. Поэтому для подавления развития микрофлоры в пищевых продуктах свободную воду удаляют или переводят с связанную, добавляя влагосвязывающие элементы. При этом понижается так называемая "активность воды" [66, 68].

1.3 Современные технологии промышленной переработки молочной На необходимость промышленной переработки и рационального использования молочной сыворотки и е компонентов, указывал академик Н.Н.

Липатов, А.Г. Храмцов, И. А. Евдокимов и многие другие. Решение проблем по переработке и использованию молочной сыворотки возможно [38, 39,40], экономически выгодно [3, 41] и экологически необходимо [2, 23, 24].

Переработка молочной сыворотки в промышленном объеме неизбежно связанна с направленным и управляемым воздействием на сыворотку, как на биотехнологическую систему. Биотехнологическая система – это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых биологических и технических систем или объектов предназначенных для обработки сыворотки. Молочную сыворотку необходимо переработать в течении трех часов после е производства, потому, что даже во время хранения повышается е кислотность, изменяется цвет, содержание лактозы понижается, происходит протеолиз остаточного казеина и сывороточных белков, в следствии чего снижается энергетическая стоимость сыворотки [2, 29].

Выбор способа обработки молочной сыворотки обуславливается е исходным составом и требованием к качеству готового продукта. Для того чтобы обеспечить рациональную переработку молочной сыворотки на действующих предприятиях, необходимо максимально использовать действующий технопарк машин [42].

В настоящее время для переработки молочной сыворотки используется ряд машин и аппаратов пищевых производств [43]. Согласно концепции В.А.

Панфилова, все машины и аппараты – преобразователи пищевых сред – могут быть использованы при переработке молочной сыворотки. Данные пищевые аппараты должны быть адаптированы или созданы специально, что бы соответствовать специфическим свойствам обрабатываемого продукта [2].

В целом, рассматривая биотехнологическую систему перерабоки молочной сыворотки с точки зрения пищевой биотехнологии и инженерии, следует обратить внимание, что применительно к молочной сыворотке методом априорного ранжирования обозначены практически все известные группы и большинство способов обработки жидких пищевых продуктов [2]. Классификация некоторых процессов переработки молочной сыворотки, основанная на молекулярных свойствах разделяемых веществ, а также достоинства и недостатки данных методов обработки представлены ниже.

Коагуляция сывороточных белков.

Для изменения нативного состояния белка (денатурации) применяют такие способы: облучение, механическое воздействие, нагревание, изменение pH среды.

Чаще всего используют последние два метода или их совокупность – введение в молочную сыворотку реагентов-коагулянтов, которыми является соляная кислота, кислая сыворотка, хлористый кальций и др., способствует более полной тепловой денатурации.

Достоинства данного метода заключаются в его доступности, а также простоте аппаратурно-процессового оформления. Из за своих достоинств, данный метод широко применяется в переработке молочной сыворотки.

К недостаткам можно отнести то, что нагревание молочной сыворотки ведет к частичной или полной денатурации белков, а также к реакциям между отдельными фракциями белков или между белками и другими составными частями сыворотки. При нагревании сыворотки на греющих аппаратах образуется трудноудаляемый пригар. Действие реагентов-коагулянтов избирательно относится к разным видам сыворотки [44, 54, 55].

Центрифугирование (сепарирование) молочной сыворотки.

В данном методе разделение компонентов молочной сыворотки основано на разном поведении частиц в поле центробежных сил. Частицы, имеющие разную плотность, форму и размеры, осаждаются с разной скоростью. Для выделения из молочной сыворотки жира, казеиновой пыли, коагулированных сывороточных белков, используются отделения кристаллов молочного сахара, некоторых других технологических процессов.

Достоинство заключаются в использовании сепаратора, который обеспечивает поточную обработку сыворотки без снижения е качества. Еще одно достоинство состоит в том, что при сепарировании получается казеиновая пыль в виде белковой массы и молочного жира, и подсырных сливок, а также получение влажных кристаллов молочного сахара в центрифуге.

Недостаток заключается в невозможности полного выделения белковых веществ и в невозможности фракционировать белковую массу, не удается выделить мелкие кристаллы лактозы, которые уходят в мелассу [44, 45, 46, 47, 48].

Консервирование молочной сыворотки.

Консервирование молочной сыворотки включает в себя следующие процессы:

Прекращение жизнедеятельности микроорганизмов;

сыворотке под влиянием ферментов;

Торможение окислительно-востановительных реакций оформления. Экономический эффект от консервирования сывороточных концентратов происходит за счет снижения их потерь при транспортировке и хранении на 8-12%.

Недостатки метода заключаются в ведении дополнительных компонентов в технологические свойства. Ухудшение органолептики сухой сыворотки и процесса кристаллизации лактозы, износ вакуумвыпарных аппаратов, в следствии коррозии греющих стенок [44, 49].

Биологический метод обработки молочной сыворотки.

микроорганизмами, дрожжами, ферментами, полисахаридами (пектин, хитозан) с целью повышения е питательной ценности за счет обогащения полезными обладающих лечебно-профилактическим действием.

возможности получения гаммы продуктов на основе молочной сыворотки, начиная от напитков и заканчивая антибиотиками, в том числе выделение сывороточных белков в нативном состоянии К недостаткам можно отнести возможность появления побочных процессов [44, 54, 56].

Мембранные методы обработки молочной сыворотки.

К мембранным методам обработки молочной сыворотки относят:

микрофильтрацию, ультрофильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос, помимо того, применяют комбинированный метод обработки – фильтрацию и электродиализ.

Достоинства мембранных методов обработки: разделение может выполнятся непрерывно, довольно низкие энергозатраты, доступность в сочетании другими процессами разделения, возможность выполнения разделения в мягких условиях, большой ассортимент мембран по характеристикам и свойствам, отсутствие необходимости в каких – либо добавках, возможность фракционировать компоненты молочной сыворотки, доступность деминерализации молочной сыворотки, возможность изменять кислотность сыворотки без внесения химических реагентов.

Недостатками метода является: загрязнение и выход из строя мембран, за счет концентрационной поляризации и отложения осадков, низкая скорость транспорта через мембрану, весьма малый срок службы полимерных мембран, специальная подготовка воды для мойки и регенерации мембран [44, 50, 51, 52,53].

Разделительное вымораживание, сгущение и сушка сыворотки.

Консервирующие воздействие в процессе сгущения молочной сыворотки достигается за счет повышения осмотического давления и накопления молочной кислоты. разделительное вымораживание включает в себя две основные технологические стадии: образование смеси кристаллов льда с концентратом сыворотки и разделение полученной суспензии.

Достоинства: уменьшается объем исходного сырья, снижаются транспортные расходы, увеличивается срок хранения. Процесс протекает при низких температурах, что позволяет максимально сохранить свойства исходного продукта.

Недостатки возникающие при сушке и сгущении: энергоемкий процесс, сушильные установки громоздки. На греющих стенках вакуум-выпарных аппаратов появляется трудноудаляемый пригар. Вследствие длительного теплового воздействия теряется часть витаминов и ферментов. К недостаткам метода разделительного вымораживания относятся высокие капитальные и производственные затраты [44, 57, 58, 59].

Перспективы низкотемпературных технологий переработки молочной 1. Перспектива низкотемпературной обработки молочной сыворотки заключается в более полном сохранении первоначального состава, при ее сгущении, а также при выделении белка и концентрата лактозы.

Несмотря на то, что способ разделительного вымораживания известен давно (более 100 лет), конкурировать с выпариванием он долгов время не мог из-за сравнительно больших (до 20%) потерь сухих веществ со льдом и высокой стоимости оборудования. Проведенные у нас в стране и за рубежом в последние годы исследования позволили усовершенствовать не только технологию разделительного вымораживания и снизить потери сухих веществ со льдом до 1% и ниже, но и создать ряд высокоэффективных аппаратов для вымораживания.

В настоящее время способ разделительного вымораживания все шире используется для обработки пищевых жидкостей растительного происхождения, Фруктовых напитков, овощных соков и др. Развитие технологии этого способа и техники, обеспечивающей его осуществление, позволило начать его использование для обработки цельного и обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки. Особый интерес представляет возможность его применения при переработке молочной сыворотки на сыродельных заводах, расположенных в условиях отгонных горных пастбищ, где снабжение электроэнергией проще, чем доставка топлива для котельной. Метод разделительного вымораживания может оказаться также целесообразным при сгущении таких продуктов, как обогащенная молочная сыворотка, в которой важно сохранить культуру ацидофильной палочки в живом виде.

криоскопической температуры от массовой доли сухих веществ в различных видах сыворотки.

Таблица 1.2 – Результаты зависимости криоскопической температуры от массовой доли сухих веществ в различных видах сыворотки При разбавлении сыворотки водой температура ее замерзании повышается (таблица 1.3) Таблица 1.3 – Результаты зависимости криоскопической температуры от Сыворотка Другими показателями, используемыми при расчете параметров процесса и элементов оборудования для криоконцентрации, являются вязкость, плотность и теплофизические характеристики сыворотки. Плотность натуральной сыворотки при температуре 20° С составляет 1022-1023 кг/м3 [69]. В интервале температур от 20 до 50° С плотность подсырной сыворотки может быть рассчитана по эмпирической формуле:

Где:

Данные о плотности обезжиренной творожной сыворотки в зависимости от температуры приведены на рисунке 1.5 [69].

Рисунок1.5 - Зависимость плотности от температуры В интервале температур от 20 до 50° С вязкость натуральной подсырной сыворотки может быть определена по эмпирической формуле [70]:

где: - вязкость сыворотки, МПа·с;

Вязкость натуральной творожной сыворотки в зависимости от температуры имеет следующие значения [71] рис.1.6.

Вязкость, МПа•с Рисунок 1.6 - Зависимость вязкости от температуры В интервале температур от 20 до 60°С для сыворотки с массовой долей сухих веществ 6,5-30% справедлива следующая зависимость [72]:

где: с - массовая доля сухих веществ в сыворотке, %;

t - температура сыворотки, °С.

Плотность и вязкость сгущенных видов молочной сыворотки приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4- Плотность и вязкость сгущенных видов молочной сыворотки Плотность(при температуре 55- 1052-1055 1103- Вязкость, мПа с, Вязкость, мПа с, Данные при температуре 50о С Данные при температуре 55-65о С Вязкость в зависимости от состава сыворотки и скорости деформации.

Вязкость при температуре 50о С после растворения кристаллов лактозы в зависимости от скорости деформации, Па с При температуре 5° С, вязкость сыворотки в зависимости от массовой доли сухих веществ от 20 до 40 % описывается следующей эмпирической формулой:

При температуре 20° С теплофизические параметры натуральной молочной сыворотки составляют [73]:

удельная теплоемкость - 4,082 Дж/(кг К);

теплопроводность - 0,13 Вт/(м К);

коэффициент температуропроводности - 12,8 108 м2/с.

Коэффициент теплопроводности натуральной творожной сыворотки в интервале температур 293-363 К равен:

где:

-коэффициент теплопроводности, Вт/(M·K);

Т-температура, 0K.

Основной компонент массы сухих веществ молочной сыворотки - лактоза.

Поэтому теплофизические характеристики молочной сыворотки зависят в первую очередь от содержания этого компонента. Удельная теплоемкость лактозы равна 1202 - 1256 Дж/(кг К). Теплоемкость раствора лактозы может быть рассчитана по следующим формулам приведенным в таблице 1.5.

Таблица 1.5- Удельная теплоемкость раствора лактозы Массовая доля лактозы, % Температура T, K Коэффициенты теплопроводности водного раствора лактозы в зависимости от его концентрации приведены в таблице1.6.

Таблица 1.6 - Коэффициенты теплопроводности водного раствора лактозы в зависимости от его концентрации Массовая Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·K) при температуре, K Заключение по обзору литературы. Цель и задачи исследований 1. Проведенный обзор отечественной и зарубежной литературы позволяет сделать следующие выводы:

1. Одним из основных направлений сбережения ресурсов, является технология безотходного производства продуктов питания. В нашем случае это переработка побочного продукта при изготовлении творога, а именно творожная сыворотка. Исследуя литературу, возникает актуальность дальнейшего использования творожной сыворотки, для изготовления новых продуктов питания и извлечения полезных компонентов, таких как белки и концентрат лактозы.

2. Молочная сыворотка является весьма ценным сырьем для пищевой промышленности, косметологии, фармакологии. Высокая биологическая ценность сыворотки, обусловленная содержанием в ней белков, незаменимых аминокислот, лактозы, является причиной ее широкого распространения при производстве пищевых напитков, кормовых добавок, лекарственных препаратов и т.д. В пищевой промышленности молочная сыворотка используется в хлебопекарных, кондитерских, творожных изделиях, при производстве напитков, мороженного и т.д.

3. Современными технологиями переработки сыворотки можно назвать такие технологии как: коагуляция сывороточных белков, сепарирование молочной сыворотки, консервирование сыворотки, биологические технологии обработки, мембранные и криоконцентрирование (т.е. технология разделительного вымораживания).

В пищевой промышленности криконцентрирование является частью технологического процесса обработки многих видов продуктов молочной (для обработки молока, получения кисломолочных продуктов, выделению белка), пивоваренной (при производстве виноматериалов, шампанского и пива) и мясной (концентрирование крови для колбас с ограниченным влагосодержанием) промышленностей. Кроме того, разделительное вымораживание используется для получения концентрированных соков, пищевых красителей, продуктов для детского и диетического питания, функциональных напитков и т.д.

Кузбасс является не сыродельным районом. Количество вырабатываемых сыров мало по сравнению с творогом, поэтому более целесообразно разрабатывать технологию разделительного вымораживания для извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка технологии выделения белков и концентрата лактозы из творожной сыворотки низкотемпературными методами.

В рамках данной работы поставлены следующие задачи:

- исследование свойств исходной творожной сыворотки;

- определение физико-химического состава сыворотки;

- определение фракционного состава творожной сыворотки;

- исследование криоскопических температур творожной сыворотки;

- определение теплофизической характеристики творожной сыворотки - исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе;

- разработка оптимальных режимов разделительного вымораживания;

- обобщение результатов исследований и разработка математической модели разделительного вымораживания сыворотки;

- определение физико-химических, теплофизических и микробиологических показателей белково-сывороточного продукта;

- определение сроков и условий хранения белково-сывороточного продукта;

разработка низкотемпературной технологии выделения белка и концентрата лактозы из сыворотки;

- определение экономических показателей производства сывороточного белка.

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Организация проведения экспериментальных исследований Диссертационная работа проводилась в ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» и состояла из ряда последовательных и взаимосвязанных этапов, изображенных схематично на рисунке 2.1.

Первая стадия включала в себя анализ современной отечественной и зарубежной литературы по тематике исследований. В ней была проанализирована значимость переработки молочной сыворотки для создания новых продуктов питания. Также рассмотрена пищевая и биологическая ценность, состав и свойства сыворотки. Приведен сравнительный анализ выхода творожной, подсырной и казеиновой сыворотки, а также анализ состояния воды в творожной сыворотке. Подробнее были затронуты аспекты современных технологий промышленной переработки молочной сыворотки, а именно: коагуляция сывороточных белков, центрифугирование, консервирование, разделительно вымораживания молочной сыворотки, биологический и мембранный метод обработки молочной сыворотки, сгущение и сушка. Далее, рассмотрена перспектива низкотемпературных технологий переработки творожной сыворотки.

Вторая стадия заключалась в исследовании свойств творожной сыворотки как исходного сырья. В процессе изучения были рассмотрены органолептические характеристики творожной сыворотки, установлено содержание общего белка, проведены электрофоретические исследования с целью выявления фракционного состава белков, представлена органолептическая оценка, определена температура замерзания сыворотки – криоскопическая температура, а также были исследованы теплофизические характеристики: удельная теплоемкость, коэффициенты температуро - и теплопроводность. Помимо вышесказанного, вторая стадия включала в себя изучение процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе. В ходе исследований определялась степень вымораживания льда и содержание сухих веществ в концентрате. Задача данного этапа заключалась в определении температуры хладоносителя в емкостном кристаллизаторе, позволяющая обеспечить наилучшую эффективность процесса разделительного вымораживания, продолжительности разделительного вымораживания, а также количества циклов кристаллизации, что представляло собой разработку оптимальных режимов.

микробиологических показателей сывороточного белка, была проведена его органолептическая оценка, определено содержание белка в продукте и его фракционный состав. Установлена криоскопическая температура, микробиологические показатели и содержание токсичных элементов в продукте.

Определены теплофизические показатели полученных продуктов.

Третья стадия включает в себя установление сроков и условий хранения продуктов сывороточного белка.

низкотемпературная технология выделения белка и концентрата лактозы, произведен расчет экономических показателей и установлена реальная себестоимость готовых продуктов.

Исследование и разработка технологии извлечения белковых компонентов из творожной сыворотки низкотемпературными методами Анализ отечественной и зарубежной литературы Исследование свойств творожной сыворотки Исследование процессов продолжительность разделительного вымораживания; количество вымораживания сыворотки циклов Анализ свойств белка творожной сыворотки Определение сроков и условий хранения белка Микробиологические показатели творожной сыворотки Практическая реализация результатов исследований Рисунок 2.1 - Схема организации диссертационной работы В ходе экспериментальных исследований использовались следующие объекты:

- Сыворотка творожная, использовалась в соответствии с ГОСТ Р 53438Сыворотка молочная. Технические условия»;

Вода дистиллированная, соответствующая ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная. Технические условия»;

- Хлорид натрия, соответствующий ГОСТ 4233-77 «Натрий хлористый.

Технические условия»;

При выполнении диссертационного исследования использовались как стандартные, общепринятые, так и оригинальные методики определения физикохимических, органолептических, микробиологических и других характеристик объекта исследований.

Степень вымораживания льда определяли путем взвешивания незамерзшего раствора на аналитических весах и вычитанием полученной массы от исходной массы раствора.

Концентрацию сухих веществ определяли арбитражным методом по ГОСТ 3626-73 «Молоко и молочные продукты. Методы определения влаги и сухого вещества».

Степень преломления устанавливали на портативном рефрактометре по шкале Брикс. Полученное значение переводили в стандартный показатель преломления.

Плотность определяли с помощью набора погружных ареометров, соответствующих ГОСТ 18481-81 «Ареометры и цилиндры стеклянные. Общие технические условия».

При проведении органолептической оценки учитывались такие показатели как цвет продукта и его возможные отклонения; консистенция, характеризующая общий внешний вид продукта (наличие сгустков и посторонних примесей, однородность вещества, характер поверхности и т.д.); запах, характеризующий состояние продукта (наличие или отсутствие гнилостных и посторонних запахов).

Содержание общего белка определяли на анализаторе белкового азота «Rapid N Cube» по методу Дюма. Метод заключается в полном сжигании образца в реакторе, при котором образуются элементарные продукты сгорания, и происходит регистрация общего азота на детекторе теплопроводности.

Содержание общего азота рассчитывалось умножением полученного значения на коэффициент для белка молочной сыворотки, составляющий 6,38.

Распределение фракций белков определяли с помощью электрофореза в полиакриламидном геле методом Лемли. Сущность метода заключается в следующем. Производили подготовку образца: в пробирки вносили 20 мкл белка, 10 мкл дистиллированной воды и 10 мкл буфера. Далее образец перемешивали и подвергали кипячению в течение 5 мин. Резервуары камеры для электрофореза заполняли электродным буферным раствором (0,066 М Трикс, 0,1% ДСН, 0,19 М глицин). В каждую лунку полученного геля вносили подготовленный образец.

После этого включали прибор и наблюдали за разделением образцов. Данную процедуру проводили при силе тока 50 и 75 мА.

После проведения электрофореза гель промывали и окрашивали реактивами: фиксирующим раствором, раствором для отмывки и окрашивающим раствором. Каждая из данных процедур проводилась в течение 10 мин. при температуре 80° С. После чего проводили обесцвечивание геля в дистиллированной воде при температуре 25° С.

Далее гели фотографировали на УФ-трансиллюминаторе ТСР-20М при длине волны излучения 300 нм. Обработка полученных данных осуществлялась с помощью гель-документированной системы Vitran-Photo.

Содержание токсичных элементов определяли следующим образом:

мышьяка по ГОСТ Р 51766-2001 «Сырье и продукты пищевые. Атомноабсорбционный метод определения мышьяка»; свинца по ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов», ГОСТ 26932-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения свинца», ГОСТ Р 51301-99 «Продукты пищевые и продовольственное сырье.

Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка) и ГОСТ 30538- «Продукты пищевые. Методика определения токсичных элементов атомноэмиссионным методом»; кадмия по ГОСТ 26933-86 «Сырье и продукты пищевые.

Методы определения кадмия», ГОСТ Р 51301-99 «Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка)», ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов»; ртути по ГОСТ 26927-86 «Сырье и продукты пищевые. Методы определения ртути».

Микробиологические показатели определяли путем подсчета количества колоний, образующихся в чашках Петри с питательными средами, в качестве которых использовали картофельный, мясопептонный, солодовый агары. Для определения общей микробиальной обсемененности исследуемый образец разводился дистиллированной водой в соотношении 1:100, 1:1000 и 1:10000. Из каждого раствора образца производили высевы в 6 чашек Петри на поверхность агара с помощью пипетки, стерилизованной в пламени горелки, количество пробы составляло 0,3мл. После чего данные чашки Петри инкубировали при температуре 37° С в течение 48 часов.

сульфитредуцирующие клостридии, бактерии группы кишечной палочки и сальмонеллы.

Количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов определяли путем подсчета среднего арифметического числа колоний микроорганизмов на 1 г образца во всех чашках Петри.

Общее количество дрожжей и плесневых грибов определяли путем посева образца в чашки Петри с сусло-агаром в соответствии с ГОСТ 10444.12- «Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов».

Количество сульфитредуцирующих клостридий определяли согласно ГОСТ 29185-91 «Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества сульфитредуцирующих клостридий».

Определение бактерий группы кишечной палочки осуществляли в соответствии с ГОСТ Р 52816-2007 «Методы выявления и определения количества бактерий. Группы кишечных палочек (колиформных бактерий)».

Для определения патогенных микроорганизмов, в т.ч. сальмонелл осуществляли посев на накопительную среду Кауфмана с дальнейшим посевом на среду Эндо согласно ГОСТ 50480-93 «Продукты пищевые. Метод выявления бактерий рода Sаlmоnеllа».

Данные экспериментальных исследований обрабатывались методом математической статистики в таких программах как Microsoft Excel 2003 и Mathcad 14.

2.3 Описание экспериментальных установок Для определения криоскопической температуры использовалась установка, представленная на рисунке 2.2.

Емкости 1, 8 (имеющие теплоизоляцию) и 9 помещены в камеру двухкаскадной холодильной установки с температурой -45С. Контроль и поддержание температур осуществляется измерительным комплексом, который настроен таким образом, чтобы обеспечивать заданную разность температур между исследуемым веществом и охлаждающей средой, что позволяет повысить точность определения криоскопической температуры за счет равномерного отвода теплоты. В данном случае разность температур между хладоносителем и продуктом была установлена в 15 С.

Перед началом эксперимента исследуемый продукт в пробирке (4) предварительно охлаждают до температуры 1С и помещают в рабочую емкость (1) с хладоносителем, заранее отепленным до (-8...-10) С. Установленная разность температур между исследуемым веществом и хладоносителем поддерживается включением-отключением насоса подачи хладоносителя (11) из емкости (8) в рабочую емкость (1). Регистрация и контроль температуры осуществляется с помощью измерительного комплекса, включающего в себя хромель-копелевые термопары (16), аналоговый модуль ввода МВА8 (12), измеритель - регулятор ТРМ202 (13), преобразователь интерфейса АС4 (14) и персональный компьютер (15). Криоскопическая температура определяется по пологой площадке графика, соответствующего термопаре в исследуемом образце.

Опыт прекращают, когда продукт достигнет температуры на 5-10 градусов ниже криоскопической.

Рисунок 2.2 - Схема установки для определения криоскопической температуры:

1 - рабочая емкость; 2 - пробирка с исследуемым раствором; 3 - уравнительные трубопроводы; 4 - цилиндрическая колба; 5,6 – трубопроводы подачи х/н; 7 нагреватель; 8 - емкость с холодным х/н; 9 - емкость для приготовления отепленного х/н; 10 - насос подачи отепленного х/н; 11 - насос подачи охлажденного х/н; 12 - модуль ввода аналоговый МВА8; 13 - измеритель регулятор ТРМ202; 14 - преобразователь интерфейса АС4; 15 - ПК; 16 термопары хромель-копелевые.

Внешний вид лабораторного комплекса, предназначенного для определения криоскопических температур, представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Лабораторный стенд для определения криоскопических температур: I – рабочая емкость; II – емкость для отепленного хладоносителя; III – емкость охлажденного хладоносителя; IV – блок питания насосов 12 В; V холодильная камера; VI – измеритель- регулятор ТРМ202; VII– модуль ввода МВА Эксперименты по разделительному вымораживанию творожной сыворотки производились на нескольких установках с рабочими емкостями 3,5 л. и 150 мл.

Схема и общий вид первой установки представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Емкостной криоконцентратор, вместимостью 3,5 л: 1 – электродвигатель перемешивателя; 2 – теплоизолированная крышка; 3 – венчик ;

4 – заливная горловина; 5 –цилиндрическая емкость; 6 –хладоноситель; 7 – теплоизоляция; 8 –змеевик испарителя; 9 – сливное отверстие; 10 – сливной трубопровод; 11 – запорный вентиль; 12 – капиллярная трубка; 13 – фильтр осушитель; 14 – герметичный компрессор; 15 – воздушный конденсатор; 16 – вентилятор; 17 – кожух вентилятора; 18 – электродвигатель вентилятора.

Установка состоит из цилиндрической емкости (5), которая погружена в хладоноситель (6) и окружена теплоизоляцией (7). Внизу емкости имеется сливной патрубок (10), теплоизоляционная крышка (2) снабжена электродвигателем (1), приводящим в движение мешалку (3). Эксперименты проводились без использования мешалки. Хладоноситель (6) охлаждается змеевиковым испарителем (8), обернутым вокруг рабочей емкости (5). Помимо испарителя холодильная машина также включает в себя компрессор (14), конденсатор (15), фильтр-осушитель (13) и дроссельное устройство (12).

Контроль и измерение температуры осуществляется с помощью хромелькопелевых термопар, аналогового модуля ввода МВА8, измерителя-регулятора ТРМ202 и компьютера. Величина энергозатрат в процессе работы данной установки фиксируется на цифровом электросчетчике.

Вторая установка, разработанная и изготовленная нами для разделительного вымораживания творожной сыворотки, представлена на рисунке 2.6. Она основана на парокомпрессионной холодильной машине.

Испаритель состоит из цилиндра вместимостью 5литров, на него накручена медная трубка, в ней испаряется хладон. Цилиндр с накрученной трубкой помещены в пластмассовую теплоизолированную с защитной фольгой емкость, заполненную этанолом.

Возможность задания температуры хладоносителя с точностью 0,2° С и по мере намораживания льда на внутренней поверхности цилиндра возможно понижение температуры. Концентрируемый раствор заливается в цилиндрические емкости испарителя-концентратора. Парокомпрессионная холодильная машина поддерживает заданную температуру в хладоносителе испарителя-концентратора (поз 6), на цилиндрической емкости происходит намораживание льда, в это время в другой емкости температура повышается. При получении определенного количества льда и концентрата в испарителе концентраторе, концентрат сливается через сливной трубопровод, переключается четырехходовой клапан, и в той емкости, где росла температура, происходит понижение и вымораживание влаги, а полученный лед в другой емкости, после переключения, плавится и сливается через трубопровод. Таким образом, поочередно в цилиндрах испарителей – концентраторов происходит намораживание и плавление льда.

Рисунок 2.5 – Общий вид и схема разделительной вымораживающей установки емкостью цилиндра 5 литров: 1- компрессор; 2- предконденсатор; 3- четырехходовый клапан; 4- испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль конденсатора); 5- цилиндрическая теплоизоляционная емкость; 6испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль испарителя); 7- сливной трубопровод; 8- отделитель жидкости; 9- фильтр осушитель.

Способ концентрирования двухцилиндровым криоконцентратором является наиболее эффективным по сравнению со способом разделения вымораживанием одноцилиндровым концентратором, так как используется бросовая теплота конденсации.

Третья установка представляет собой емкостной криоконцентратор вместимостью 5 литров, с регулированием температуры путем подачи хладоносителя и теплоносителя насосами. На рисунке 2.6 показана схема криоконцентратора, хладоснабжение которого осуществляется парокомпрессионной холодильной машиной. Машина состоит из: компрессора (10), предконденсатора (нагревателя теплоносителя) (9), воздушного конденсатора (13), обдуваемого вентилятором (14), фильтра осушителя (15), дросселирующего устройства (16), кожухотрубного испарителя (охладителя хладоносителя) (8). Компрессор, сжимая пары хладагента нагнетает его в предконденсатор, где теплота конденсации забирается теплоносителем, а остаточная теплота отводится воздушным конденсатором в окружающую среду.

Далее, жидкий хладагент проходя фильтр поступает в дросселирующее устройство, в процессе дросселирования, давление понижается и парожидкостная смесь поступает в испаритель, испаряется за счет отвода теплоты от хладоносителя. После, пары хладагента вновь поступают в компрессор.

Криоконцентратор представляет емкость, выполненную из коаксиальных цилиндров. Внутренний цилиндр (1) изготовлен из пищевой нержавеющей стали, имеет дно со сливным отверстием (2), сливным трубопроводом (3) и запорным вентилем (4) для удаления концентрата и растворителя. Кольцевой объем между коаксиальными цилиндрами представляет из себя рубашку, в которую подается хладо- или теплоноситель(6). При концентрировании хладоноситель забирая теплоту от концентрируемого раствора, подается насосом (7) в испаритель (8), передает теплоту хладагенту и сливается в кольцевой объем. В свою очередь хладагент передает теплоту конденсатору (9), нагревая теплоноситель.

При концентрировании заливают концентрируемый раствор через заливное отверстие, закрытое теплоизолированной крышкой (12), в емкость (1), запускают компрессор (10) и насос (7). Лед вымораживается на стенках цилиндра (1). По окончании процесса, останавливают компрессор (10) и насос (7), сливают концентрат по сливному трубопроводу (3), запускают насос(11), который подает теплоноситель в кольцевой объем. Лед от полученной теплоты тает, талую воду сливают по трубопроводу (3).

Рисунок 2.6 - Схема криоконцентратора: 1- внутренний цилиндр; 2 – сливное отверстие; 3 – сливной трубопровод; 4 – запорный вентиль; 5 – теплоизоляция; 6 – хладоноситель; 7 – центробежный насос; 8 – испаритель; 9 – конденсатор; 10 – компрессор; 11 – центробежный насос; 12 – теплоизоляционная крышка; 13 – предконденсатор; 14 – вентилятор; 15 – фильтр осушитель; 16 – дросселирующее устройство.

Четвертая установка разрабатывалась для промышленного получения белка и концентрата лактозы из творожной сыворотки, с использованием естественного холода. Схема криоконцентратора изображена на рисунке 2.7. Она работает следующим образом: компрессор (16), сжимая пары хладагента, нагнетает их в предконденсатор (17), который служит устройством отвода избыточной теплоты в окружающую среду. Горячие пары хладагента поступают в испаритель концентратор (в отключенном состоянии клапана выполняет роль конденсатора) (19), где теплота конденсации забирается теплоносителем, который в свою очередь использует передаваемую теплоту конденсации для плавления намороженного льда, а остаточная теплота отводится воздушным предконконденсатором (17), в окружающую среду. Далее жидкий хладагент, проходя дросселирующее устройство (14), дросселируется, давление хладагента понижается, и парожидкостная смесь поступает в испаритель-концентратор (в отключенном состоянии клапана, выполняет роль испарителя), испаряется за счет концентрируемого объекта. После пары хладагента вновь поступают в компрессор.

теплообменный аппарат(11, 19) в виде цилиндра с теплоизолированной рубашкой, заполненной хладоносителем. В верхней части емкости имеется закрытая заливная горловина (8, 21), предназначенная для залива концентрируемого раствора – сыворотки, внизу находится сливное отверстие с трубопроводом и сливным вентилем (12, 18) для удаления концентрата. Также предусмотрено устройство для удаления осевшего белка (30, 32), с трубопроводом и запорной задвижкой (31. 33) для удаления белка и талой воды.

В целях экономии энергоресурсов концентрирование можно осуществлять в холодное время года, за счет естественного холода. Для этого предусмотрен воздушный теплообменник (9), расположенный на улице. Насос 6 откачивает хладоноситель из всасывающего коллектора холодного хладоносителя (2).

Хладоноситель проходит теплообменник (9), где отдает теплоту, взятую у концентрируемого раствора, окружающей среде и подает его на нагнетательный коллектор холодного хладоносителя (1). Соленоидные вентили (3, 4, 5, 6,) регулируют подачу хладоносителя в ту или иную рубашку испарителяконцентратора, где хладоноситель нагревается, отводя тепло от концентрируемого объекта. Плавление намороженного льда осуществляют используя бросовую теплоту сточных вод, или любую другую бросовую теплоту.

Бросовая теплота поступает на теплообменник (22), где передает тепло теплоносителю.

Рисунок 2.7 Схема промышленного криоконцентратора с функцией использования естественного холода: 1-нагнетательный коллектор холодного хладоносителя; 2- всасывающий коллектор холодного хладоносителя; 3, 4, 5, 6соленоидные вентиля; 7- насос; 8- заливная горловина; 9- теплообменник; 10испаритель-концентратор; 11- теплообменник; 12- сливной вентиль; 13- фильтр осушитель; 14- дросселирующее устройство; 15- четырехходовой клапан; 16компрессор; 17- предконденсатор; 18- сливной вентиль; 19- теплообменник; 20испаритель – концентратор; 21- заливная горловина; 22- кожухотрубный теплообменник; 23- насос теплоносителя; 24, 25, 26, 27 – соленоидные вентиля;

28- всасывающий коллектор теплоносителя; 29- нагнетательный коллектор теплоносителя; 30- диск с перпендикулярными лопастями; 31- заслонка; 32- диск с перпендикулярными лопастями; 33- заслонка.

Насос (7), откачивает теплоноситель с всасывающего коллектора (28) и подает на нагнетательный коллектор теплоносителя (29), при этом теплоноситель, проходя кожухотрубный теплообменник (22), нагревается. Соленоидные вентили (24, 25, 26, 27,) регулируют подачу теплоносителя в ту или иную рубашку испарителя-концентратора, где теплоноситель охлаждается, затрачивая теплоту на плавление вымороженной влаги. При этом холодильная машина не работает.

Для осуществления технологического процесса концентрирования молочной сыворотки, е заливают через заливную горловину (8, 21), затем включают парокомпрессионную холодильную машину. (При выключенном 4ходовом клапане (14) раствор в емкости (19) будет нагреваться, а на стенках емкости (10) будет вымораживаться влага (чтобы не значительно нагрелся исходный раствор, предусмотрен предконденсатор (17)).

Когда вымороженная влага достигнет определенного количества, то сливают концентрат через вентиль (12). Затем приводя во вращение специальное центробежное устройство (30), удаляют осевший белок, открывая заслонку (31).

После переключают 4-ходовой клапан, и в емкости (20) начинается вымораживание влаги, а в емкости (10) плавление вымороженной влаги. Талую воду удаляют через заслонку (31).

Схема и внешний вид емкостного криоконцентратора, вместимостью мл, представлены на рисунке 2.8.

Исследуемый продукт (6), в алюминиевой емкости устанавливается, в емкость большего размера с заранее охлажденным хладоносителем (5) на термоизоляционную подставку (7), необходимую для того, чтобы вымораживание льда осуществлялось преимущественно на стенках сосуда. Работа термоэлементов (9) обеспечивает отвод теплоты от хладоносителя на радиатор (10) и за счет вентилятора (8) обеспечивается ее передача в окружающую среду.

Высокая степень теплоизоляции достигается использованием сосуда Дьюара (2) и теплоизоляционного материала (7). Для выравнивания температуры по всему объему хладоносителя (5) предусмотрены 4 мешалки (4). Регулирование температуры хладоносителя осуществляется за счет применения термореле путем включения и отключения верхнего термоэлемента (9).

Рисунок 2.8 – Схема и внешний вид емкостного криоконцентратора, вместимостью 150 мл: 1 – теплоизоляционные крышки; 2 – сосуд Дьюара; 3 – алюминиевые емкости; 4 – мешалка; 5 – хладоноситель; 6 – концентрируемый продукт; 7 - теплоизоляция; 8 – вентилятор; 9 - термоэлементы; 10 – радиатор.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Исследование свойств творожной сыворотки как исходного сырья Творожная сыворотка использовалась в соответствии с ГОСТ Р 53438- «Сыворотка молочная. Технические условия». Органолептические характеристики творожной сыворотки представлены в таблице 3.1 [74].

Таблица 3.1 - Органолептические характеристики творожной сыворотки зеленый Допускается наличие белкового творожной сыворотке – Состав молочной сыворотки колеблется в значительных пределах и зависит для творожной – от способа производства творога и его жирности.

Главными из сывороточных белков являются -лактоглобулин и лактальбумин. Сывороточные белки богаты дифицитными незаменимыми аминокислотами, ткаими как: лизин, триптофан, метионин, треонин. Также белки творожной сыворотки богаты цистеином, что подтверждает их ценность. Белки молочной сыворотки широко используют в пишевой промышленности.

Среди всех белков сыворотки наибольшее количество приходится на лактоглобулин. Его содержание колеблется в районе 7-12% от общего количества белков молока. По своей структуре -лактоглобулин – глобулярный белок, состоящий из 162 аминокислотных остатков. В молоке коров данный белок присутствует в виде двух изоформ, отличающихся по своим физико-химическим свойствам. Биологическая функция -лактоглобулина до сих пор однозначно не установлена. Полагают, что данный белок участвует в регуляции обмена фосфора протеолитическому воздействию, то он способен вызывать аллергические реакции у детей раннего возраста, потребляющих коровье молоко в том или ином виде [76].

Вторым в количественном отношении белком сыворотки является лактоальбумин (2-5% от общего количества белков молока). Он также имеет глобулярную структуру, стабилизированную четырьмя дисульфидными связями, и состоит из 123 аминокислотных остатков. В организме -лактоальбумин выступает в качестве кофактора при биосинтезе лактозы, важного источника энергии для новорожденных. Среди других известных биологических активностей следует отметить антипролиферативное действие -лактоальбумина в культурах клеток млекопитающих [77]. Употребление данного белка в пищу при заторможенности, вызванной хроническими стрессовыми реакциями, приводит к нормализации процессов умственной деятельности [78].

Бычий сывороточный альбумин состоит из 582 аминокислотных остатков и несет 17 внутримолекулярных дисульфидных мостиков. Благодаря своему размеру и особенностям строения БСА связывается со свободными жирными кислотами, липидами и многими другими гидрофобными соединениями. Данный белок подавляет рост раковых клеток молочной железы, путем изменения активности аутокринных регуляторных факторов, а также предохраняет связанные с ним липиды от окислительной модификации [79].

В рамках исследований физико-химических показатели исходного сырья было установлено содержание сухого вещества, плотность, белок, лактоза и зола, а также процентное содержание кислоты молочной и кислотный баланс, приведенные в таблице 3.2.

электрофоретически рисунок 3.1, результаты представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.2 - Физико-химический состав творожной сыворотки Рисунок 3.1 - Результаты электрофореза творожной сыворотки Электрофорез в полиакриламидном геле позволил выявить основные фракции белков творожной сыворотки с молекулярной массой от 14 до 290 кДа:

-лактоглобулин, -лактальбумин, иммуноглобулины и бычий сывороточный альбумин.

Таблица 3.3 – Белковые соединения сыворотки сывороточный Основными сывороточными белками являются -лактоглобулин и лактальбумин. В свою очередь на долю -лактоглобулина приходится около половины всех сывороточных белков, в нашем случае массовая доля 0,5 %. В молоке -лактоглобулин находится в виде димера, состоящего из двух полипептидных цепей с молекулярной массой 18,2 кДа каждая. При нагреве молока до температуры выше 30° С -лактоглобулин распадается на наномеры.

Вторым важнейшим белком творожной сыворотки является -лактальбумин, его массовая доля составляет 0,16% сывороточных белков, в его составе обнаружена лактоза. Этот белок является частью лактозосинтезирующей системы и участвует в последней стадии биосинтеза лактозы. -лактальбумин содержит в себе главный компонент, имеющий два генетических варианта, т.е. является гетерогенным белком. Молекулярная масса -лактальбумина составляет 14,1 кДа. Помимо всего вышесказанного -лактальбумин включает в себя минорные компоненты, некоторые из которых являются гликопротеидами.

Бычий сывороточный альбумин не синтезируется в молочной железе, а поступает в молоко из крови. Его молекулярная масса составляет 66кДа.

Иммуноглобулины (иммунные глобулины)в простом коровьем молоке содержатся в малых количествах, но в молозиве они составляют основную массу сывороточных белков. Они объединяют группу высокомолекулярных белков (гликопротеидов), выполняющих функцию антител.

Криоскопической температурой называют температуру начала замерзания жидкой фазы продукта. Изменение температуры замораживания сыворотки определяли с помощью измерительного комплекса, включающего хромелькопелевые термоэлектрические преобразователи, аналогового модуля ввода МВА8, преобразователя интерфейса АС4, персонального компьютера.

Измерительный комплекс был отградуирован по эталонному ртутному термометру с ценой деления 0,05° С в термостабильных условиях в диапазоне температур от -30° С до 10° С. Данные поступающие на персональный компьютер использовали для построения термограммы замораживания творожной сыворотки, которая представлены на рисунке 3.2.

Перед началом эксперимента сыворотку в пробирке предварительно охлаждали до температуры 6 С и помещали в рабочую емкость с хладоносителем, заранее отепленным до (-8...-10) С. Установленная разность температур между исследуемым веществом и хладоносителем поддерживалась включением-отключением насоса подачи хладоносителя из емкости хранения в рабочую емкость смешения. Криоскопическая температура определялась по горизонтальной площадке графика изменения температуры исследуемого образца.

Опыт прекращали, когда исследуемый образец достигал температуры на 5- градусов ниже криоскопической.

На термограмме выделены 3 участка, соответствующие различным этапам процесса замораживания.

Температура, С Рисунок 3.2 - Термограмма изменения температуры сыворотки в процессе заморозки На участке 1 происходит процесс охлаждения творожной сыворотки от начальной температуры до криоскопической. Продолжительность охлаждения составляет 40 минут, при этом температура сыворотки достигает – 0,7° С.

Участок 2 характеризует процесс кристаллизации влаги, начинающийся при криоскопической температуре. На термограмме этому участку соответствует изотермическая площадка. На термограмме видно, что изотермическая площадка температуре – 0,7° С, и времени от 40 до 60 минут.

На участке 3 происходит процесс охлаждения замороженной сыворотки с возрастанием скорости понижения температуры, что означает окончание фазы замораживания. Температура на представленной термограмме понижается от -0, до – 3° С, а время составляет от 60 до 120 минут.

Кривую изменения скорости охлаждения творожной сыворотки построили на основании данных полученных при нахождении криоскопической температуры. Кривая изменения скорости охлаждения творожной сыворотки представлена на рисунке 3. Рисунок 3.3 - Кривая изменения скорости охлаждения творожной сыворотки стремительное повышение скорости охлаждения которое составило на 18 минуте 2,6 (о С/мин), после чего кривая изменения скорости охлаждения резко изменяет свое направление. От 19 до 55 минуты скорость охлаждения понижается от 2,6 до 0 (о С/мин) и продолжает оставаться на нулевом значении до 59 минуты.

Стабилизация температурного уровня сыворотки обусловлена выделением скрытой теплоты кристаллизации которая составляет 332,43 кДж/кг. Далее скорость вымораживания повышается и стабилизируется на уровне 0,43о С/мин.

Криоскопическая температура сыворотки творожной составила -0,7 С.

Теплофизические свойства творожной сыворотки находили расчетным путем.

Удельная теплоемкость творожной сыворотки определялась по правилу аддитивности в соответствие со следующей формулой:

где ск – теплоемкость компонента, кДж/(кгК);

к массовая доля компонента.

Удельная теплоемкость компонентов:

для лактозы – 1,256 кДж/(кгК) [80];

для прочих приняли равной 1,12 кДж/(кгК).

теплопроводности отдельных компонентов являются величинами одного порядка, то для расчета коэффициента теплопроводности всего продукта был также применен метод аддитивности. Данную характеристику рассчитывали по формуле Лихтнеккера [81]:

эф – эффективный коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(мК);

где k – коэффициент теплопроводности компонента:

0,035 Вт/(мК) – для прочих компонентов, в том числе и лактозы;

Vk – объем, занимаемый компонентом;

V – полный объем продукта.

Коэффициент температуропроводности определяли по общеизвестной формуле:

– коэффициент теплопроводности продукта, Вт/(мК);

где cp – изобарная удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

- плотность продукта, кг/м.

Результаты расчетов представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Теплофизические характеристики творожной сыворотки Таким образом, творожная сыворотка содержит 6,42% сухих веществ, среди которых 0,83% составляет белок и 4,4% лактоза. В исходном сырье были обнаружены типичные фракции белков, преобладающим из которых являлся лактоглобулин 0,5% и лактоза 4,4% по массе сыворотки. Процесс льдообразования в сыворотке начинается при температуре -0,72° С. Величина 4,017 кДж/(кгК), а коэффициенты тепло- и температуропроводности равны соответственно 0,57 Вт/(мК) и 12,9·10-8 м2/с.

3.2. Исследование процессов разделительного вымораживания творожной сыворотки в емкостном криоконцентраторе Творожная сыворотка является сырьем с низким содержанием сухих криоконцентрировании для максимального обеспечения сохранности белкового компонента, и разделения е на компоненты [84].

Творожная сыворотка подвергалась вымораживанию при температурах хладоносителя -2, -4 и -6 С. Каждый час проводился замер количества оставшегося незамерзшего раствора в рабочей емкости. Величину образующегося льда в процентном соотношении от общего исходного раствора рассчитывали по формуле:

где mл – масса образующегося льда, %;

m0 – масса исходного раствора, г;

mр – масса незамерзшего раствора в данный момент.

Опыт проводили в течении двенадцати часов. В результате были получены графики изменения количества образующегося льда на стенках сосуда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки, которые представлены на рисунке 3.4.

При вымораживании в течении двенадцати часов при температурах хладоносителя -2, -4 и -6° С, образовывалось 48, 70 и 90% льда соответственно.

Из полученных графиков следует, что чем ниже температура хладоносителя, тем более линейный характер имеет процесс льдообразования. Для более детального изучения данного явления была рассчитана скорость вымораживания льда в течение каждого часа разделительного вымораживания по следующей формуле:

где vi – скорость образования льда в i-час, г/час;

Выморожено, % Рисунок 3.4 - Массовая доля образующегося льда в процессе разделительного вымораживания творожной сыворотки при температурах хладоносителя а (-2), б (в (-6)° С По графикам представленным на рисунке 3.4 было получено уравнение регрессии, определяющее количество вымороженной влаги % в течении 12 часов при температурах 2, 4, 6° С.

где v– массовая доля вымороженного льда, %;

– время от начала процесса кристаллизации, час;

t – температура хладоносителя от -2 до -6° С.

Результаты расчетов массовой доли вымороженного льда, определенные по формуле (12) приведены на рисунках 3.5, 3.6.

Время, час Рисунок 3.5 – Массовая доля вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса Температура t, ° С Рисунок 3.6 – Линии уровня для определения массовой доли вымороженного льда в зависимости от продолжительности и температуры разделительного Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений массовой доли вымороженной влаги при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса, представлены на рисунке 3.7.

Вымороженно льда, % Рисунок 3.7 – Графики соответствия экспериментальных и расчетных значений массовой доли вымороженного льда при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса. Температурные уровни процесса разделительного вымораживания:

-2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) Графики изменения скорости льдообразования в процентном соотношении к общей массе раствора представлены на рисунке 3.8.

Из графиков, представленных на рисунке 3.8, следует, что при температуре хладоносителя -2 и -4° С наибольшая скорость льдообразования наблюдается в первый час процесса разделительного вымораживания и равна соответственно 9 и 11,4%/час.

намерзания льда. В случае, когда температура хладоносителя составляла -6° С, наблюдалась наибольшая скорость намораживания льда, которая составила 14,3%/час. На протяжении последующих 10-11 часов данная характеристика снижается практически до 2%/час.

Скорость льдообразования, %/чаc -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в), %/час кристаллизации обусловлено тем, что по мере нарастания льда на стенках сосуда теплообменной поверхности льдом повышается, что снижает эффективность отвода теплоты и, соответственно, уменьшает скорость намораживания льда.

сыворотки рефрактометрическим методом была установлена зависимость между содержанием сухих веществ в сыворотке и е степенью преломления. Результаты представлены на рис. 3.9.

Показатель преломления Рисунок 3.9 - Зависимость коэффициента преломления от массовой доли сухих веществ в творожной сыворотке и е концентрате творожной сыворотки была установлена практически линейная зависимость, которая может быть выражена следующим уравнением:

вымораживания сыворотки производилось измерение содержания сухих веществ в ходе кристаллизации через каждый час. На рисунке 3.10 представлен график изменения содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки при различных температурах хладоносителя до 60% вымораживания влаги.

Содержание сухих веществ в концентрате, % Рисунок 3.10 - Графики содержания сухих веществ в концентрате творожной сыворотки, в процессе разделительного вымораживания при температуре хладоносителя -2° С (а), -4° С (б) и -6° С (в) факторов, на которые стоит обратить внимание. По литературным данным при кристаллические структуры гексагональной формы. При более высоких скоростях заморозки формируются структуры типа неправильных дендритов и сферулитов, что приводит к более интенсивному захвату молекул растворенного вещества образующейся кристаллической фазой [80].

регрессии, позволяющее определить массовую долю сухих веществ в зависимости от температуры и продолжительности процесса: s t – температура хладоносителя от -2 до -6° С.

Результаты расчетов массовой сухих веществ, определенные по формуле (14), приведены на рисунках 3.11, 3.12.

Время, час Рисунок 3.11 – Массовая доля сухих веществ при разделительном вымораживании творожной сыворотки в зависимости от температуры и продолжительности процесса Количество сухих веществ при разделительном вымораживании сыворотки с вымерзанием влаги до 60%, в зависимости от времени и температуры хладоносителя представлено на рисунке 3.12.

Температура t, ° С Рисунок 3.12 – Линии уровня для определения массовой сухих веществ в вымороаживания творожной сыворотки Графики соответствия экспериментальных данных и расчетных значений приведен рисунке 3.13, где точками отражены экспериментальные данные, линиями – графики, построенные из уравнения (14).

разделительного вымораживания творожной сыворотки. При этом режиме содержание сухих веществ в незамерзшей части раствора было выше, чем при других исследованных температурных режимах.



Pages:   || 2 |
 
Похожие работы:

«ВОЛОТКА ФЁДОР БОРИСОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЫБНЫХ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЫБ ПРИБРЕЖНОГО ЛОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ Специальность 05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на...»

«ГРАЩЕНКОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА БЛЮД И РАЦИОНОВ ДЛЯ ДОШКОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСЧЕТОВ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«КАЙМБАЕВА ЛЕЙЛА АМАНГЕЛЬДИНОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЯСА И ПРОДУКТОВ УБОЯ МАРАЛОВ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Узаков Я.М. Улан-Удэ - СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1...»

«Гринюк Анна Валентиновна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ КРОВИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОГО АЗОТА В КАЧЕСТВЕ АГЕНТА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и...»

«АПЁНЫШЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЯГКИХ КИСЛОТНОСЫЧУЖНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМ ЖИРОМ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«КОРЖОВ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕКСТУРАТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Специальности: 05.18.01-Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодовоовощной продукции и виноградарства 05.18.04-Технология мясных,...»

«Беляева Лидия Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ СОХРАНЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОДЛИННОСТИ ПРИРОДНОЙ БУТИЛИРОВАННОЙ СТОЛОВОЙ ВОДЫ Специальность 05.18.15 – технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические науки) ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«ВАСИЛЬЕВА ИРИНА ОЛЕГОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСНОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛАГЕНА И МИНОРНОГО НУТРИЕНТА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических...»

«Бабич Ольга Олеговна ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ L-ФЕНИЛАЛАНИН-АММОНИЙ-ЛИАЗЫ 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных...»

«ПОПОВА НАТАЛИЯ ВИКТОРОВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов...»

«МАКСЮТОВ РУСЛАН РИНАТОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ЙОДОБОГАЩЁННЫХ КУМЫСНЫХ НАПИТКОВ С ИНУЛИНОМ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и) Диссертация на соискание...»

«ЛЕ ТХИ ДИЕУ ХУОНГ РАЗРАБОТКА И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКЦИИ НА МОЛОЧНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ШКОЛЬНОГО ПИТАНИЯ ВО ВЬЕТНАМЕ Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и). ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой...»

«ВАГАЙЦЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ДЕТСКИХ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ УЧРЕЖДЕНИЙ Специальность: 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и...»

«ГУЖЕЛЬ ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА НАПИТКОВ БРОЖЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЭКСТРАКТА ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.