5.4 Кинетика удаления макро- и микроэлементов в процессе деминерализации УФ-концентратов  

Анализ полученных результатов выявил, что темп удаления одновалентных ионов выше, чем двухвалентных, несмотря на то, что подвижность их в электрическом поле вдвое меньше. Этот факт обусловлен тем, что большая часть содержащихся в сыворотке, а, следовательно, и концентрате сывороточных белков кальция и магния связана в различные комплексы с молекулами белка, а также слабодиссоциирующие молекулы фосфатов и цитратов. Поскольку в электродиализном переносе участвуют свободные

152

ионы, именно одновалентные ионы удаляются в первую очередь, что также подтверждается исследованиями по деминерализации молочной сыворотки [72].

10       20        30       40        50        60 Уровень деминерализации, %

Рисунок 5.4.1 - Динамика удаления некоторых макроэлементов в процессе деминерализации концентратов сывороточных белков с массовой долей сухих веществ 12,0%: 1 - калий; 2 - натрий; 3 - фосфор; 4 - кальций; 5 - магний

Уменьшение концентрации под влиянием какого-либо фактора, тотчас же влечет за собой смещение других равновесий до тех пор, пока не будет достигнуто первоначальное соотношение концентраций этих ионов.

Нарушение равновесия в растворе в связи со значительным удалением таких катионов, как калий и натрий, сразу влечет диссоциацию комплексов, связывающих ионы кальция и магния. Поэтому значительная часть кальция и магния, входящая в состав концентратов, переходит в свободное

153

состояние и начинает участвовать в электродиализном процессе Следовательно, с повышением уровня обессоливания степень удаления их будет возрастать, а концентрация в деминерализованном растворе снижаться.

При оценке вклада того или иного минерального компонента в общий уровень деминерализации сывороточных концентратов заметна определяющая роль фосфора. Значительно более низкий темп удаления кальция и фосфора по сравнению с одновалентными ионами и их относительно высокая исходная концентрация приводит к тому, что доля их в зольном остатке частично деминерализованного УФ-концентрата резко возрастает.

Одним из методов, позволяющих интенсифицировать процесс деминерализации сывороточных белковых концентратов, является снижение значений рН. Для изучения кинетики удаления макроэлементов в условиях изменяющегося значения рН проведен следующий эксперимент: величина рН исходного концентрата была искусственно снижена в процессе деминерализации задаваемыми электрическими параметрами. Процесс изменения значений рН и электропроводности УФ-концентратов во времени представлен на рисунке 5.4.2. Массовая доля сухих веществ в исследуемом образце изменялось от 13,9 до 14,2% при массовой доле азотистых веществ 6,8%.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что с увеличением уровня деминерализации (особенно после 40%) темп удаления многовалентных ионов резко возрастает. Одновременно это обусловлено сни-

154

жением рН обрабатываемого раствора, как видно из рисунка 5.4.2.

6,5 6,1

л н о

о

к

о

ч

S К   5 7

5,3 4,9

Я И Я

lt;

0     10    20    30    40    50    60

Продолжительность деминерализации, мин

0,6

0,45

0,3

0,15

0

л н о

о

я

«   2 о ^5

cU о р.

ч

Рисунок 5.4.2 - Изменение рН (1) и электропроводности (2) от продолжительности деминерализации УФ-концентрата в условиях нарастающей концентрационной поляризации

На рисунке 5.4.3 представлена кинетика удаления отдельных макроэлементов в условиях изменяющегося рН.

Я

10    20     30    40     50     60     70     80 Уровень деминерализации, %

Рисунок 5.4.3 - Зависимость темпа удаления некоторых макроэлементов в процессе деминерализации УФ-концентратов с массовой долей сухих веществ 13,6%: 1 - калий; 2 - натрий; 3 - фосфор; 4 - кальций; 5 - магний

Сопоставление результатов исследований, приведенных на рисунках 5.4.3 и 5.4.1, показывает, что со снижением рН происходит увеличение темпа удаления многовалентных ионов при уровне обессоливания 50-60%.

155

Увеличение темпа деминерализации магния, по сравнению с кальцием и фосфором, вероятно вызвано более сильной степенью диссоциации и высвобождению его в условиях пониженного значения рН. Вероятно, такой механизм удаления магния будет присущ и при деминерализации подсыр-ной сыворотки. Однако представленная в литературе информация о деминерализации подсырной сыворотки приведена при значениях рН, близких к нейтральной и, как следствие, обобщает мнение о постоянно пониженном темпе удаления магния по сравнению с кальцием в процессе электродиализного обессоливания. Степень удаления одновалентных ионов практически не изменяется с уменьшением рН, а темп удаления соответствует их подвижности в электрическом поле.

Учитывая взаимосвязь кальция с сывороточными белками и его вклад в кинетику всего процесса деминерализации, представляет интерес рассмотреть степень удаления его при различных значениях рН.

100 -і

§    75

я

§    50

п

gt;,

5    25

3

10      20      30      40      50      60      70 Уровень деминерализации, %

Рисунок 5.4.4 - Динамика удаления кальция из концентратов сывороточных белков при различных значениях рН: 1 - 6,5+0,1; 2 - 5,8+0,1; 3 - 5,1+0,01

Приведенные на рисунке 5.4.4. зависимости показывают, что по мере повышения общего уровня деминерализации темп удаления кальция возрастает при всех значениях рН.

156

ции, начиная с уровня 50%. Механизм этого явления можно объяснить тем, что при значениях активной кислотности 5,0 практически все соли кальция находятся в истинном растворе, а также высокой подвижностью их электрическом поле. Аналогичные результаты получены и при деминерализации подсырной сыворотки [72]. Низкий уровень деминерализации кальция при значениях рН 6,4-6,6 обусловлен его взаимосвязью с сывороточными белками, которая усиливается с ростом рН. Таким образом, подкисление УФ-концентратов позволяет направленно регулировать содержание кальция в конечном продукте.

В ходе экспериментов выявлено, что величину рЫ исходных сывороточных белковых концентратов можно регулировать в пределах 6,8-4,7, направлено изменяя электрические параметры на установке. В первом случае увеличение величины рН, несмотря на снижение эффективности процесса, может быть обусловлено требованием к готовому продукту. Во втором случае, несмотря на значительное удаление многовалентных ионов, произойдет быстрое блокирование мембран белками, особенно при работе в принятых режимах циркуляции растворов (0,1-0,15 м/с) с прокладками-турбулизаторами. Одновременно работа в условиях жесткой концентрационной поляризации ведет к преждевременному выходу мембран из строя. Поэтому при необходимости максимальное извлечение минеральных веществ, особенно кальция, лучше проводить при подкислении концентрата.

На рисунке 5.4.5 приведены характеристики макроэлементного состава концентратов сывороточных белков, полученных в процессе деминерализации при значениях рН 6,35-6,10 и плотностях тока, соответствующих 80% от предельного значения.

Анализ приведенных данных показывает, что при одном и том же значении конечного уровня деминерализации темп удаления отдельных минеральных элементов из концентратов сывороточных белков при электродиализе снижается в порядке следующего расположения: для макроэлементов - калий, магний, натрий, фосфор, кальций, магний; для микроэле-

157

ментов - железо, кобальт, медь, цинк, марганец.

Характерно, что для одновалентных ионов калия и натрия степень удаления соответствует их подвижности в электрическом поле.

а)

О              15              30              45              60

Уровень деминерализации, %

б)

0              15              30              45              60

Уровень деминерализации, %

Рисунок 5.4.5 - Макроэлементный состав сывороточных УФ-концентратов с массовой долей сухих веществ 10,0% (а) и 20,0% (б) в процессе деминерализации: 1 - калий; 2 - кальций; 3 - фосфор; 4 - натрий; 5 - магний

Таким образом, при проведении электродиализного процесса происходит удаление макро- и микроэлементов (в основном одновалентных) из концентратов сывороточных белков, а следовательно, и уменьшение зольного остатка. Деминерализация белковых концентратов приводит к обога-

158

щению их в относительном содержании многовалентными ионами (фосфором, кальцием, магнием), доля которых в концентрате возрастает, что подтверждает выявленная в процессе электродиализа динамика минерального состава. Электродиализное обессоливание позволяет регулировать в широком интервале минеральный состав концентрата.

В результате проведенных экспериментов получено, что абсолютное содержание отдельных макроэлементов в процессе деминерализации зависит от таких показателей при обработке сырья и концентрата, как рН и температура. Значительное отклонение какого-либо показателя изменяет соотношение этих компонентов.

Результаты исследований позволяют охарактеризовать различные концентраты, получаемые с использованием баромембранных и электромембранных процессов (таблица 5.4.1).

Таблица 5.4.1 - Физико-химические показатели концентратов сывороточных белков, полученных с использованием обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа (X±m; тlt;0,05)

Полученные в результате выполнения исследований опытные и промышленные образцы концентратов сывороточных белков с различным составом и свойствами использовали в технологии продуктов питания общего

159 и специального (детского и диетического назначения).