ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИХ ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

Известно, что на долю молочных продуктов приходится до 20% потребности человека в белке и около 30% в жире. Уровень обеспеченности молочными продуктами используют как один из важнейших показателей при характеристике социально-экономического развития страны.

Значительным резервом интенсификации технологии молочных продуктов является применение мембранной техники и технологии. Высокая эффективность использования мембранных процессов в различных промышленных технологиях, а также их экономичность способствует стремительному росту в последнее десятилетие теоретических и прикладных исследований, количества и ассортимента выпускаемых мембран и установок, а также связанного с ним увеличения финансирования, выделяемого на эти цели во всех экономически развитых странах. Одна из причин интенсивного развития мембранной технологии - сравнительно низкие затраты на процессы разделения. Мембранные процессы особенно эффектны в технологиях концентрирования, очистки и фракционирования биологических систем и растворов. Доказано, что в некоторых случаях удовлетворительное разделение веществ с их нативными свойствами вообще невозможно без применения мембранных методов. Это в значительной мере относится к биологически ценным компонентам пищевых продуктов, в частности к аминокислотам, витаминам, белкам и т.п. [28].

Если учесть, что эффективность производства молочного белка значительно превосходит аналогичный показатель других белков животного происхождения (таблица 2.1.1) [237], то вопросы рационального использования

93

молочного белково-углеводного сырья, в частности молочной сыворотки, являются крайне важными.

Таблица 2.1.1 - Эффективность производства 100 кг растительного и животного белка (Бж) с учетом затрат кормов, труда, энергии

Считают, что использование молочной сыворотки как белкового продукта ограничено низкой концентрацией сывороточных белков. Увеличить их содержание в продукте после технологической обработки возможно путем концентрирования различными способами: выпариванием влаги, коагуляцией и центрифугированием, а также мембранными методами обработки.

Основными преимуществами использования мембранных методов переработки молочной сыворотки являются: возможность направленного регулирования ее состава и свойств при сравнительно небольших энергетических затратах, создание продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью, а также пониженной калорийностью; комплексное и рациональное использование безотходных технологических процессов.

94

Сущность мембранных технологий основана на свойствах молочной сыворотки как гетерогенной системы с четко выраженной селективностью компонентов по молекулярной массе, размерам и ионной силе. В настоящее время наибольший интерес исследователей представляют процессы гиперфильтрации, электродиализа и сорбции-десорбции. Ионный обмен и гель-фильтрация, хотя и привлекают внимание исследователей, широкого практического применения пока не нашли [23].

Улучшить качество сывороточных белковых концентратов возможно дополнительной обработкой, а именно электродиализом. Удаление из сывороточных концентратов части золы позволяет использовать их в качестве белково-углеводной добавки к самым разнообразным пищевым продуктам. Наиболее экономичной технологической схемой получения деминерализованных сывороточных белковых концентратов принято считать: исходное сырье - предварительная обработка - ультрафильтрация - электродиализ -сгущения - сушка. При проведении ультрафильтрации сыворотки по такой схеме вместе с фильтратом удаляется значительная часть зольного остатка. Абсолютное количество удаляемой золы пропорционально объему фильтрата. Следовательно, по мере увеличения степени концентрирования абсолютное количество золы в УФ-концентрате будет снижаться практически во столько раз, во сколько раз объем УФ-концентрата будет становиться меньше исходного объема сыворотки. По окончании процесса ультрафильтрации полученный концентрат целесообразно подвергнуть электродиализной обработке с целью достижения необходимого уровня зольности.

95

ке, связана, видимо, с трудностью обработки белковых растворов электродиализом [295].

Известно, что при определенных условиях электродиализа в примем-бранных слоях начинают нарастать концентрационные изменения, обусловленные различным характером движения ионов в фазе раствора и мембраны. Такие изменения тем более выражены, чем выше интенсивность электродиализного процесса. При достижении критической величины плотности тока концентрационная поляризация приводит к дестабилизации белков, их коагуляции и отложению на поверхности мембран, что в дальнейшем ведет к аварийной ситуации электродиализатора. Поэтому используемая на практике интенсивность электродиализного процесса обессоливания, задаваемая величиной плотности тока, ниже максимально возможного ее значения, ограничиваемого в принципе, лишь концентрационными изменениями в примем-бранных слоях. В настоящее время основные усилия в области разработки электродиализных систем для деминерализации молочных продуктов направлены на увеличение интенсивности процесса обессоливания и одновременно устранения опасности отложения белковых осадков на поверхностях мембран. В этой связи особое внимание следует уделить выяснению взаимосвязи между реологическими характеристиками УФ-концентратов и гидродинамическими условиями их циркуляции в межмембранном пространстве камер обессоливания электродиализатора, а также электрическими параметрами процесса. Такие исследования позволили бы выявить ту область изменения параметров электродиализного процесса, которая бы обеспечила достаточно высокую эффективность обессоливания белковых концентратов.

96

детально проанализировать явления, возникающие в процессе электродиализной обработки белковых растворов и препятствующие реализации задачи мембранного концентрирования компонентов молочной сыворотки.

Побочным продуктом при ультрафильтрационной обработке молочной сыворотки является ее фильтрат, основным сухим веществом которого является лактоза (рисунок 2.1.1).

Молочная сыворотка

Фильтрат молочной сыворотки

Предварительная обработка (сепарирование и пастеризация)

Сгущение

Фильтрация

Обратный осмос

Изомеризация

Ультрафильтрация

Электродиализ

Электродиализ

Ионный обмен

Сгущение

Сушка

Продукты общего и специального назначения

молочные

безалкогольные

¦колбасные

конди-терские

ликеро-водочные

БАД

кормовые до-бавки, ЗЦМ

Рисунок 2.1.1 - Принципиальная схема переработки молочной сыворотки мембранными методами

97

Очищенный от белков раствор лактозы служит основным сырьем для получения молочного сахара и его производных, которые обладают рядом ценных для организма функциональных свойств.

Интерес к функциональным продуктам, которые регулируют микроэкологию органов и систем организма человека и животных, стремительно растет во всем мире. При этом особое внимание уделяется продуктам с про-биотическими культурами, из которых более половины представляют собой продукты переработки молока.

Компенсировать этот весьма существенный недостаток способно использование пребиотических веществ и комплексных препаратов про- и пре-биотиков. К пребиотическими веществам относятся белки, пищевые волокна фруктоолигосахариды, наиболее изученным из которых является лактулоза. Именно этим объясняется широкий интерес специалистов к технологиям получения лактулозы из молочного лактозосодержащего сырья. Небезынтересно в этом плане привести цитату из учебного пособия С.А. Рябцевой: «Анализ истории развития технологии лактулозы позволяет предположить, что ее дальнейшее совершенствование будет идти в направлении более широкого использования современных электрофизических, мембранных и биотехнологических методов, а также создания принципиально новых безреагентных технологий» [251]. Однако только с использованием взаимоувязанных технологий переработки сывороточных белков и молочного сахара можно добиться использования основных компонентов молочного сырья.

На основании анализа литературных данных можно сделать следующие выводы: традиционные способы выделения сывороточных белков не обеспечивают возможности их использования в детских, диетических и некоторых других продуктах питания; для получения сывороточных белковых

98

концентратов используются различные технологические процессы, однако особого внимания заслуживают находящиеся в стадии промышленного внедрения методы ультрафильтрации, как экономически наиболее целесообразные и позволяющие направленно регулировать в широком диапазоне белко-во-углеводный состав концентратов; мембранные методы обработки молочного сырья нашли широкое применение в странах с развитой молочной промышленностью, что достигается постоянным совершенствованием как мембран и аппаратов, так и технологических приемов, что ведет к интенсификации процесса в целом; полученные ультрафильтрацией сывороточные белковые концентраты обладают высокой биологической ценностью и находят широкое применение в производстве различных пищевых продуктов, однако использование их в составе детских, диетических и ряда других продуктов питания ограничено в связи с относительно высоким содержанием минеральных солей; несмотря на большую потребность в деминерализованных белковых концентратах и связанный с этим интенсивный поиск путей решения стоящей проблемы; получение концентратов сывороточных белков существующими технологическими операциями не удовлетворяет в некоторых случаях диетологов с точки зрения гигиены питания или являются экономически малоэффективными; электродиализная обработка, являясь экономичным методом деминерализации сырья, находит все более широкое применение в молочной промышленности, однако особенности электродиализного обессоливания белковых растворов требуют выполнения комплекса исследований по оптимизации данного процесса; обеспечение возможности получения деминерализованных сывороточных белковых концентратов привело к регулированию белково-углеводного и минерального состава, позволило улучшить органолептические показатели продуктов и расширило сферу их использования.

С учетом экономической эффективности и результатов анализа литературных данных предложена технологическая схема получения деминерализованных сывороточных белковых концентратов мембранными методами,

99

включающая ультрафильтрацию подсырной сыворотки с последующей электродиализной обработкой белкового концентрата. В этой связи организацию производства деминерализованных сывороточных белковых концентратов следует базировать на технологической основе получения КСБ-УФ с включением на определенной стадии электродиализную технологию обессолива-ния. Учитывая ряд ограничений, возникающих в процессе электродиализного обессоливания молочного сырья, необходимо изучение состава и свойств УФ-концентратов.

Очевидно, что при создании универсальной линии технологического оборудования, обеспечивающего получение деминерализованных концентратов, наибольшие трудности заключаются в разработке эффективной электродиализной технологии. В этом отношении особенно важен обоснованный выбор конструкции электродиализатора и определение режимов деминерализации УФ-концентратов.

Для научно обоснованного выбора режимов электродиализного процесса обессоливания сывороточных белковых концентратов необходимо изучить основные закономерности процесса применительно к выбранной конструкции электродиализатора. Организация промышленного производства деминерализованных белковых концентратов требует как освоения ультрафильтрационной и электродиализной техники и технологии, так одновременного изучения возможных направлений их использования с целью формирования спроса и оценки объемов производства, что обуславливает также необходимость изучения состава и свойств деминерализованных концентратов.

Создание сывороточных белковых концентратов с возможностью направленного регулирования белково-углеводного и минерального состава осуществимо путем использования совмещенной схемы «ультрафильтрация -электродиализ» с учетом особенностей физико-химических свойств УФ-концентратов и электродиализного процесса обессоливания. Образующийся фильтрат целесообразно использовать для создания углеводных концентратов на основе биотрансформации лактозы. Полученные при этом пребиоти-

100

ческие компоненты целесообразно использовать в технологии разнообразных продуктов питания.

Целью диссертационной работы являлось исследование физико-химических закономерностей переработки молочной сыворотки мембранными методами, а также разработка технологий функциональных компонентов и пищевых продуктов на основе анализа их технологических и функциональных свойств.

Для достижения поставленной цели определены задачи исследований:

• исследовать влияние технологических факторов и процессов на закономерности мембранного концентрирования молочной сыворотки баромем-бранными методами;
• оценить состав, физико-химические и структурно-механические свойства сывороточных концентратов, полученных с использованием баромем-бранных процессов;
• изучить основные закономерности и оптимизировать процесс электродиализного обессоливания концентратов сывороточных белков, оценить эффективность электродиализного процесса;
• изучить состав и свойства концентратов сывороточных белков, обосновать направления использования;
• разработать технологию конверсии лактозы в лактулозу из фильтрата молочной сыворотки с использованием комплексных катализаторов;

• изучить состав и технологические свойства концентратов лактулозы;

• обосновать направления использования концентратов лактулозы на основе оценки их состава и свойств;

-              использовать установленные закономерности мембранного концен

трирования и деминерализации для разработки технических документов и

широкомасштабного внедрения на предприятиях промышленности при соз

дании функциональных компонентов и пищевых продуктов общего и специ

ального назначения.

101