Анализ методов осветления сыворотки при производстве сывороточных напитков
Аннотация
Мороз А.В., группа 621151.
Тема ВКР: «Анализ методов осветления сыворотки
при производстве сывороточных напитков».
В выпускной квалификационной работе проведен
анализ различных методов осветления молочной сыворотки при производстве
напитков. Рассмотрены различные способы денатурации сывороточных белков.
Проведено сравнение различных установок для выделения денатурированных белков.
На основе приведённых данных сделан выбор установки для детального изучения и
возможности её применения. Также в работе рассмотрена общая технология
производства различных напитков из сыворотки.
Выпускная квалификационная работа состоит из
введения, трех разделов, заключения, библиографического списка.
Введение
Молоко и молочные продукты играют большую роль в
питании людей. Включение молочных продуктов в пищевой рацион повышает его
полноценность, способствует лучшему усвоению других компонентов.
Молочное сырьё является относительно
дорогостоящим для государства, а его производство - трудоемким, поэтому
целесообразно более полно и рационально использовать эту продукцию в процессе
переработки. Одним из «узких мест» отечественной молочной промышленности
является переработка сыворотки.
При производстве сыров, творога, казеина
неизбежно получается молочная сыворотка: подсырная, творожная или казеиновая. В
ней содержится 50% сухих веществ молока, до 200 различных соединений, в их
числе тонкодиспергированный молочный жир, растворимые азотистые соединения и
минеральные соли, лактоза, а также витамины, ферменты, органические кислоты.
Наряду с питательной ценностью молочная сыворотка и продукты, получаемые из
нее, имеют диетическое и лечебное значение.
В мировой практике сложилось несколько
направлений использования молочной сыворотки: в пищевых целях, в сельском
хозяйстве и других нужд. Решение проблемы полного и рационального использования
молочной сыворотки в пищевых целях осуществляется на основе ее промышленной
переработки.
Производство сыров, творога и казеина
сосредоточено на крупных специализированных заводах и соответственно объемы
получаемой молочной сыворотки постоянно растут. Так, в настоящее время в
Тульской области работают 4 предприятия (ОАО «Тульский молочный комбинат», ОАО
«Щекинский молочный завод», ОАО «Ефремовский маслосыродельный комбинат», ЗАО
«Молоко») получающие в процессе производства, как побочный продукт молочную
сыворотку. Из всего объёма вырабатываемой сыворотки на дальнейшее использование
идет около 49%, причем 26% направляется для переработки, а 23% - продается для
применения в других отраслях пищевой и сельскохозяйственной промышленности.
Самостоятельно перерабатывают сыворотку только два предприятия: ОАО «Тульский
молочный комбинат» (ОАО ТМК) и ОАО «Ефремовский маслосыродельный комбинат» (ОАО
ЕМК).
Таким образом, появилась необходимость в более
глубокой переработке больших объемов молочной сыворотки в пищевые продукты и
полуфабрикаты. А с учетом того, что в настоящее время только 20% получаемой
сыворотки перерабатывается для дальнейшего использования, эта проблема
приобретает огромные масштабы и с каждым годом внимание к ней возрастает.
Среди разнообразного ассортимента продуктов из
молочной сыворотки перспективным направлением является производство
сывороточных напитков на основе осветленной сыворотки.
Данные напитки включают в себя почти весь
комплекс биологических веществ содержащихся в неосветленной сыворотке и
обладают высоким качеством и хорошими органолептическими характеристиками. Так
интересным представляется тот факт, что высоко профессиональные эксперты при
проведении дегустации не отличили сокосодержащие напитки (сока не более 50 %)
на основе осветленной сыворотки от натуральных соков.
Такие напитки вырабатываются как с добавлением
натуральных компонентов, так и с добавлением вкусовых и ароматических веществ.
Разработаны технологии большого числа таких напитков.
Актуальностью данной темы является то, что при
производстве напитков важное значение имеет метод осветления молочной
сыворотки. Известны различные методы выделения белков из продукта. Однако
необходимо применять такой метод, который бы позволил получить не только
сыворотку необходимой степени осветления, но и дал бы возможность более полно
использовать выделенный белок для дальнейшей переработки в других отраслях
пищевой промышленности.
1. технологический
раздел
1.1 Состав и свойства молочной сыворотки
В процессе производства сыра, творога, казеина
или белковых концентратов происходит разделение молока на белково-жировые или
белковые концентраты и бесказеиновую фазу - молочную сыворотку. Традиционные
способы разделения молока, основанные на биотехнологии (закваски, ферменты) и
использовании химических реагентов (кислот, щелочей, солей), приводят к
образованию подсырной, творожной и казеиновой сывороток [21].
По органолептическим показателям сыворотка
должна соответствовать следующим требованиям [14]:
ü внешний вид и цвет - однородная
жидкость зеленоватого цвета, без посторонних примесей, допускается наличие
белкового осадка; сыворотка, полученная после частичного удаления белка методом
ультрафильтрации (фильтрата), - однородная, прозрачная жидкость зеленоватого
цвета, допускается слабая опалесценция;
ü вкус - чистый, свойственный молочной
сыворотке, для казеиновой и творожной - кисловатый, для соленой подсырной - от
солоноватого до соленого, без посторонних привкусов и запахов.
Критерии безопасности молочной сыворотки в
соответствии с нормативными требованиями приведены ниже [14]:
Таблица 1
|
Микробиологические
показатели:
|
|
|
содержание
патогенных микроорганизмов
|
не
допускается
|
|
Токсичные
элементы, мг/л, не более:
|
|
|
Свинец
|
0,1
|
|
Мышьяк
|
0,05
|
|
Кадмий
|
0,03
|
|
Ртуть
|
0,005
|
|
Микотоксины,
мг/л, не более:
|
|
|
афлотоксин
М1
|
0,0005
|
|
Антибиотики:
|
|
|
Левомицетин
(хлорамфеникол)
|
не
допускается
|
|
тетрациклиновая
группа
|
не
допускается
|
|
стрептомицин
|
не
допускается
|
|
пенициллин
|
не
допускается
|
|
Пестициды
(в пересчёте на жир) мг/л, не более:
|
|
|
гексахлорциклогексан
(α,
β,
γ-изомеры)
|
0,05
|
|
ДДТ
и его метаболиты
|
0,05
|
|
Радионуклиды,
Бк/л:
|
|
|
цезий-137
|
100
|
|
стронций-90
|
25
|
Физико-химические показатели молочной сыворотки
должны соответствовать определённым требованиям (табл. 2).
Таблица 2 Физико-химические
показатели сыворотки молочной
|
Вид
сыворотки
|
Плотность,
кг/м3, не менее
|
Кислотность,
Т, не более
|
Массовая
доля, %
|
|
|
|
|
сухих
веществ, не менее
|
жира,
не
более
|
хлорида
натрия, не более
|
ионов
хлора,
не более
|
|
|
|
всего
|
в
том числе лактозы
|
|
|
|
|
Сыворотка
подсырная:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
несоленая
|
1023
|
20
|
5,0
|
4,0
|
0,1
|
-
|
-
|
|
|
соленая
|
1023
|
25
|
4,5
|
4,0
|
0,1
|
2,0
|
-
|
|
|
Сыворотка
творожная
|
1023
|
75
|
5,0
|
3,5
|
0,1
|
-
|
-
|
|
|
Сыворотка
казеиновая:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
молочно-кислотная
|
1023
|
70
|
5,0
|
3,5
|
0,1
|
-
|
-
|
|
|
солянокислотная
|
1023
|
70
|
5,0
|
3,5
|
0,1
|
-
|
0,3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.2 Формирование состава и свойств молочной
сыворотки
Состав и свойства молочной сыворотки обусловлены
видом основного продукта (творога, сыра, казеина и т. д.), особенностями
технологии его получения и аппаратурным оформлением процесса.
Степень перехода компонентов молока в молочную
сыворотку определяется главным образом размерами их молекул или коллоидных
частиц (табл. 2).
Таблица 3 Степень
перехода компонентов молока в молочную сыворотку
|
Размер
частиц, нм
|
Способы
перехода, %,
|
|
|
традиционных
|
нетрадиционных
|
|
Молочный
жир
|
2000
- 5000
|
7,7
|
0,0
|
|
Белки
молока:
|
|
|
|
|
казеин
|
100
- 200
|
22,5
|
0,0
|
|
сывороточные
|
15
- 50
|
95,0
|
98,0
|
|
Лактоза
|
1,0
- 1,5
|
96,2
|
96,5
|
|
Минеральные
соли
|
0,2
- 2,0
|
81,1
|
60,6
|
|
Сухие
вещества
|
-
|
49,9
|
45,1
|
Состав молочной сыворотки колеблется в
значительных пределах и зависит от вида вырабатываемого продукта, массовой доли
жира в исходном сырье и готовом продукте (табл. 4)
[26].
Таблица 4 Химический
состав сыворотки
|
Молочная
сыворотка
|
|
подсырная
|
казеиновая
|
творожная
|
|
Сухое
вещество, %
|
4,5
- 7,2
|
4,2
- 7,4
|
4,5
- 7,5
|
|
в
том числе:
|
|
|
|
|
молочный
жир
|
0,05
- 0,5
|
0,05
- 0,4
|
0,02
- 0,1
|
|
белок
|
0,5
- 1,1
|
0,5
- 1,4
|
0,5
- 1,5
|
|
лактоза
|
3,9
- 4,9
|
3,2
- 5,1
|
3,5
- 5,2
|
|
минеральные
соли
|
0,3
- 0,8
|
0,5
- 0,8
|
0,3
- 0,9
|
|
Кислотность,
°Т
|
15
- 25
|
50
- 85
|
50
- 120
|
|
Плотность,
кг/м3
|
1018
- 1027
|
1019
- 1026
|
1020
- 1025
|
Исходя из среднего состава молочной сыворотки,
можно сделать расчёт содержания основных компонентов в сухом веществе (табл. 5)
[27].
Таблица 5 Состав
компонентов сухих веществ молочной сыворотки
|
Компоненты
сухих веществ
|
Массовая
доля
|
|
г/100
мл
|
%
|
|
Лактоза
|
4,66
|
71,7
|
|
Белковые
вещества
|
0,91
|
14,0
|
|
Минеральные
вещества
|
0,50
|
7,7
|
|
Жир
|
0,37
|
5,7
|
|
Прочие
|
0,06
|
0,9
|
|
Итого
|
6,50
|
100
|
При производстве некоторых видов сыров часть
сыворотки (около 30%) получают соленой. Содержание поваренной соли в такой
сыворотке составляет от 0,5 до 1,5% (иногда до 4%).
Основную часть сухих веществ молочной сыворотки
составляет лактоза (молочный сахар) которая относится к классу дисахаридов.
Предполагается, что лактоза может существовать в пяти изомерных формах: α,
β,
γ,
δ
и ε,
причем α-
и β-формы
являются основными. Практически известны три формы лактозы: α-гидрат,
α-ангидрид
и β-ангидрид
[25].
Агрегатное состояние лактозы в водных растворах
зависит от температуры и концентрации. В молочном сырье она находится в виде
истинного раствора. В пересыщенных растворах лактоза образует кристаллы.
Нагревание лактозы и ее водных растворов
вызывает значительные изменения. Кристаллы α-гидрата
при нагревании до 87°С начинают плавиться, при 100°С постепенно теряют
кристаллизационную воду, при 110°С становятся безводными, а при 120°С
начинается процесс потемнения кристаллов.
Лактоза легко сбраживается молочнокислыми
бактериями, в зависимости от вида микроорганизмов процесс может идти по двум
различным схемам. В первом случае из молекулы лактозы образуются две молекулы
молочной кислоты, во втором - молочная кислота, углекислый газ, этиловый спирт
и уксусная кислота. Эти процессы широко используются при выработке всех кисломолочных
напитков.
В среднем в молочной сыворотке содержится около
134 мг на 100 мл азотистых соединений, из которых около 65% являются белковыми
азотистыми соединениями, а 35% - небелковыми [26].
Белковые вещества молочной сыворотки
представлены лактальбуминовой и лактоглобулиновой фракциями,
протеозо-пептонами, казеиновой «пылью» и частицами γ-казеина.
Их содержание стабильно и в среднем составляет 0,74% (с некоторым увеличением
осенью и уменьшением весной).
Главными из сывороточных белков являются β-лактоглобулин
и α-лактальбумин.
На долю β-лактоглобулина
приходится около половины сывороточных белков или около 10% общего количества
белков молока, α-лактальбумин
занимает второе место в массе сывороточных белков и на его долю приходится
порядка 4% общего количества белков молока. Сывороточные белки богаты
дефицитными незаменимыми аминокислотами (лизин, триптофан, метионин, треонин) и
цистеином.
Иммуноглобулины объединяют группу
высокомолекулярных белков. Они выполняют функцию антител.
Небелковые азотистые соединения представляют
собой промежуточные и конечные продукты азотистого обмена в организме животного
(табл. 6) и в молоко
попадают непосредственно из крови. Общее их количество составляет от 30 до 60
мг% или около 5% от общего содержания азота в молоке.
Таблица 6 Содержание
небелковых азотистых соединений в молочной сыворотке
|
Небелковые
соединения
|
мг%
|
Небелковые
соединения
|
мг%
|
|
Азот
общий небелковый
|
25,5
|
Креатинин
|
1,8
|
|
Аминокислота
|
3,9
|
Мочевая
кислота
|
1,8
|
|
Мочевина
|
13,4
|
Пуриновые
основания
|
2,6
|
|
Креатин
|
2,5
|
Аммиак
|
1,2
|
Минеральные вещества молочной сыворотки
представлены минеральными веществами молока, солями, вводимыми в процессе
производства основного продукта, и соединениями, переходящими со стенок машин и
аппаратов. Их общее содержание составляет от 0,5 до 0,7%. Преобладают калий,
натрий, кальций, магний, железо, микроэлементы. Они находятся в виде истинного
и молекулярного растворов, коллоидном состоянии, в виде солей органических и
неорганических кислот.
В молочной сыворотке содержится от 0,05 до 0,5%
жира, что обусловлено его содержанием в исходном сырье и технологией выработки
основного продукта, после сепарирования в сыворотке сохраняется от 0,05 до
0,1%. Молочный жир в сыворотке диспергирован больше, чем в молоке, что
положительно влияет на его усвояемость.
1.3 Технологические свойства молочной сыворотки
Теоретический выход молочной сыворотки,
получаемой при производстве конкретного вида продукта, составляет около 90% от
количества перерабатываемого сырья. Нормативный выход сыворотки учитывает ее
потери в процессе производства и значительно меньше теоретического.
Молочная сыворотка, получаемая при производстве
натуральных жирных сыров и жирного творога, содержит от 0,1 до 0,6% (в среднем
0,5%) казеиновой пыли и около 0,45% молочного жира. Общее содержание сухих
веществ в сыворотке составляет около 50% от сухих веществ молока.
Размер частиц казеиновой пыли колеблется в
пределах от 0,05 до 1,5 мм. Содержание ее в подсырной сыворотке зависит от
качества исходного молока и методов его обработки в процессе разрезки сгустка и
обработки сырного зерна. В творожной сыворотке казеиновой пыли содержится
несколько больше, а в казеиновой сыворотке - несколько меньше.
Количество молочного жира в сыворотке также
зависит от вида вырабатываемого продукта, от содержания массовой доли жира в
нем и технологии получения. Основной объем жира заключен в шариках размером от
1 до 6 мкм, а наибольшее число шариков имеет диаметр от 1 до 2 мкм.
В процессе хранения состав и свойства сыворотки
меняются. Связано это с деятельностью молочнокислых бактерий. Лактоза, как
наименее устойчивый компонент, подвергается ферментативному гидролизу.
Количество лактозы снижается, а кислотность сыворотки возрастает, снижается ее
доброкачественность, возрастает мутность.
Самый простой и доступный метод сохранения
качества сыворотки - охлаждение и хранение при температуре от 8 до 10°С.
Предварительная пастеризация сыворотки при температуре 70°С с последующим
охлаждением до 10°С повышает эффективность сохранения качества. Указанные
способы позволяют в течение 3 суток удовлетворительно сохранять первоначальное
качество сыворотки.
1.4 Пищевая и биологическая ценность молочной
сыворотки
Пищевую и энергетическую ценность продуктов
определяет их компонентный состав. В целом молочная сыворотка является
продуктом с естественным набором жизненно важных минеральных соединений.
Компонентный состав сыворотки определяет ее
свойства и количественные характеристики. Основные показатели, характеризующие
сыворотку, приведены ниже:
Таблица 7
|
Плотность,
кг/м3
|
1023
- 1027
|
|
Вязкость,
Па·с
|
(1,66
- 1,55)·10-3
|
|
Теплоёмкость,
кДж/(кг·К)
|
4,8
|
|
Активная
кислотность
|
4,4
- 6,3
|
|
Буферная
ёмкость, мл:
|
|
|
по
кислоте
|
1,72
|
|
по
щёлочи
|
2,32
|
|
Мутность,
см-1
|
0,15
- 0,25
|
Энергетическая ценность молочной сыворотки
составляет 1013 кДж/кг или 36% от энергетической ценности цельного молока [27].
Биологическая ценность молочной сыворотки
обусловлена содержащимися в ней белковыми азотистыми соединениями, углеводами,
липидами, минеральными солями, витаминами, органическими кислотами, ферментами,
иммунными телами и микроэлементами. В сыворотке обнаружены практически все 200
соединений, установленных в молоке.
Одним из наиболее ценных компонентов молочной
сыворотки являются сывороточные белки, содержание которых достигает 1%.
Биологическая ценность белков обусловлена оптимальным набором жизненно
необходимых аминокислот. С точки зрения физиологии питания соотношение набора
аминокислот сывороточных белков приближается к аминокислотной шкале
«идеального» белка, в котором соотношение аминокислот соответствует
потребностям организма.
Общее содержание аминокислот в подсырной и
творожной сыворотках примерно одинаково. Однако в творожной сыворотке
содержится в 3,5 раза больше свободных аминокислот и в 7 раз больше незаменимых
свободных аминокислот (в основном валин, фенилаланин, лейцин и изолейцин).
Повышает биологическую ценность сыворотки и
витаминный состав. Она содержит все водорастворимые витамины и некоторую часть
жирорастворимых. Содержание витаминов в подсырной сыворотке значительно больше,
чем в творожной (табл. 8).
Таблица 8 Витаминный
состав молочной сыворотки
|
Содержание
витаминов, мг в 100 г
|
|
Каротин
|
А
|
Е
|
В1
|
В2
|
В6
|
Холин
|
РР
|
С
|
|
Подсырная
|
13
|
22
|
227
|
315
|
1389
|
524
|
160000
|
140
|
500
|
|
Творожная
|
75
|
110
|
315
|
263
|
1107
|
478
|
140000
|
140
|
500
|
Количество пиридоксина, холина и иногда
рибофлавина в сыворотке превышает их содержание в молоке, что обусловлено
жизнедеятельностью молочнокислых бактерий.
Из органических кислот в сыворотке обнаружены
молочная, лимонная, нуклеиновая и летучие жирные кислоты - уксусная,
муравьиная, пропионовая, масляная. Молочная кислота образуется из лактозы в
результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий.
Минеральный состав сыворотки весьма
разнообразен. В сыворотку переходят практически все соли и микроэлементы
молока, а также соли, вводимые при выработке основного продукта.
Минеральные вещества молочной сыворотки
представлены следующими диссоциирующими соединениями: КС1, NaCl, КН2РО4,
К3С6Н5О7, MgHPО4, Са3(РО4)2,
Na2CO3, K2CO3, СаСl2, Na3C6H5O7,
Mg(H2PO4)2, KC3H5O3
и др. Количественное соотношение анионов (5,831 г/л) и катионов (3,323 г/л) в
молочной сыворотке такое же, как и в молоке.
Микроэлементный состав молочной сыворотки (в
мкг/кг) следующий: железо - 674,0; цинк - 3108; медь - 7,6; кобальт - 6,085 и
другие (более 20 наименований); ультрамикроэлементы - 16 наименований.
В целом молочная сыворотка является продуктом с
естественным набором жизненно важных минеральных соединений. На основе молочной
сыворотки можно производить множество биологически полноценных напитков.
1.5 Напитки на основе молочной сыворотки
Сыворотка является продуктом с естественным
набором жизненно важных минеральных соединений. Минеральные соли и
микроэлементы способствуют утолению жажды и поддержанию водно-солевого баланса
организма. По содержанию и составу минеральных солей сыворотка приближается к
минеральным водам, но по питательности значительно их превосходит. По сравнению
с молоком вещества, растворенные в сыворотке, всасываются организмом легче,
поскольку диффузия электролитов из водных растворов протекает быстрее, чем из
жировых эмульсий.
Поэтому потребление напитков из молочной
сыворотки является прекрасным выбором для людей всех возрастов, которые ценят
свое здоровье и стремятся сохранить и укрепить его.
Воспринимаемые органами чувств такие свойства
пищевых продуктов, как вкус, запах и внешний вид, гораздо больше влияют на
выбор потребителями определённого продукта, чем его состав и питательная
ценность. Для сывороточных напитков эти показатели играют решающую роль, т. к.
сыворотка имеет специфические вкус и запах. В процессе производства различными
техническими приемами удается достигнуть приемлемых для потребителей
органолептических показателей сывороточных напитков.
Напитки, вырабатываемые из молочной сыворотки,
различаются по способу производства, составу, пищевой и биологической ценности.
Условно их можно разделить на две большие группы - напитки свежие и напитки
биологически обработанные. Ассортимент напитков может быть расширен за счет
внесения сахара, плодово-ягодных соков и сиропов, ароматических добавок. Для
повышения биологической ценности в них добавляют витамины [18].
Массовый сезон получения сыворотки (лето)
совпадает с максимумом потребления напитков, что создает благоприятные условия
для их сбыта.
В напитках из осветленной сыворотки отсутствует
жир, казеин, и сывороточные белки. Они являются диетическими продуктами. Эти
напитки освежают, утоляют жажду. Их рекомендуется употреблять людям, работающим
в условиях высокой температуры воздуха.
В молочной сыворотке часто отмечается так
называемый сывороточный привкус. Нежелательный привкус можно устранить за счет
удалении азотсодержащих соединений. По этой причине большую часть молочной
сыворотки подвергают предварительному осветлению (осаждением удаляют белок).
Выделение значительной части белков из сыворотки позволяет получить прозрачные
освежающие напитки. Белки увеличивают мутность, снижают стойкость при хранении
и ослабляют освежающий эффект. В осветленной сыворотке ослабляется, либо
полностью отсутствует специфический сывороточный привкус [26].
Хорошая пенообразующая и газоудерживающая
способность сыворотки оказывает положительное влияние на освежающие свойства
сывороточных напитков. На этом свойстве основана технология приготовления
газированных освежающих напитков с использованием углекислого газа.
Биологическая обработка повышает питательную
ценность напитков вследствие увеличения массовой доли некоторых водорастворимых
витаминов и лактатов. Сбраживание лактозы до молочной кислоты и других веществ
позволяет направленно изменять соотношение белок: углеводы в желаемую сторону и
улучшить вкус напитка [26].
По технологическим особенностям производства
напитки из осветленной сыворотки можно разделить на ферментированные и
неферментированные (сокосодержащие и ароматизированные)
Технология таких напитков проста, не требует
специального оборудования (рис. 1) и легко осуществима на любом молочном
заводе. В общем, технологический процесс включает следующие операции: приемка и
подготовка сырья; осветление сыворотки; составление смеси; пастеризация и
охлаждение смеси; розлив, упаковка и доохлаждение готового напитка.
В зависимости от вида вырабатываемого напитка
операции выполняются в различной последовательности, что отражено на блок-схеме
(рис. 2).
Блок 1. Приёмка и подготовка сырья.
Для обеспечения качества при производстве
напитков необходимо тщательно подбирать и контролировать все используемые
компоненты. Основным молочным сырьём является молочная сыворотка, которую
необходимо предварительно подготовить удалив казеиновую пыль и излишки жира.
Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема
производства напитков: 1 - резервуар для отваривания альбумина; 2 - насос; 3 -
резервуар для белковой массы; 4 - установка для отделения белков; 5 -
пластинчатая пастеризационно-охладительная установка; 6 - ёмкость для
ферментированных напитков; 7 - заквасочник; 8 - резервуар; 9 - пластинчатая
пастеризационная установка; 10 - пластинчатая охладительная установка; 11 -
резервуар для сахарного сиропа; 12 - сатуратор для насыщения СО2; 13
- автомат для розлива продукта.
Используемые концентраты натуральных осветленных
соков, композиционные вкусоароматические наполнители, красители, сахар,
лимонная, аскорбиновая кислота и другие компоненты, по составу и свойствам
должны соответствовать требованиям ТУ или стандартов, по которым они
подготавливались.
Рис. 2. Блок-схема производства напитков на
основе осветленной сыворотки
Блок 2. Резервирование.
Молочное сырьё после оценки качества может быть
направлено на резервирование. Хранят сыворотку при температуре от 4 до 8°С не
более 12 ч.
Блок 3. Осветление сыворотки.
На данной стадии выделение коагулированных
сывороточных белков (после тепловой или химической коагуляции) и получение
осветленной сыворотки проводят при помощи отстаивания, фильтрации или с
применением центробежных методов, также возможно использование мембранного
метода осветления на ультрафильтрационной установке.
В случае использовании на данном этапе хитозана
для выделения белков из молочной сыворотки, готовят его раствор концентрацией
от 3 до 5%. Приготовленный раствор вносят в сыворотку в количестве от 4 до 9% и
интенсивно перемешивают. Систему оставляют в покое при температуре от 15 до
25°С.
При использовании хитозана необходимо проведение
дополнительных операций на следующих этапах производства напитков.
Блоки 4-6. Анализ производственной ситуации.
Сыворотка может быть направлена на приготовление
напитков из осветленной сыворотки с различными наполнителями (блоки 11,12) или
на производство биологически обработанных напитков (блок 7).
Блок 7. Пастеризация.
Пастеризация проводится с целью повышения
санитарно-гигиенического качества готового продукта. Ее проводят при
температуре от 74 до 85°С с выдержкой от 15 до 20 с. Эти режимы являются
необходимыми и достаточными для достижения поставленных целей.
Блок 8. Охлаждение.
Эта операция проводится в аппаратах любой
конструкции до температуры благоприятной для проведения процедуры заквашивания
(43±2°С).
Блок 9. Внесение компонентов.
При необходимости регулирования
органолептических показателей в основу для напитка вносят необходимые
вкусоароматические добавки.
Блок 10. Заквашивание, сквашивание.
Закваска составляет до 5% массы заквашиваемой
сыворотки. Сквашивание проводят при температуре 43±2°С около 8 ч., до
достижения необходимой кислотности.
Блоки 11-13. Анализ производственной ситуации.
Сыворотка может быть направлена на составление
смеси (блок 14) при производстве напитков с натуральными осветленными соками
или на дополнительное осветление, при использовании раствора хитозана (блок
19), или на операцию внесения купажа (блок 20). Последние две операции проводят
при производстве ароматизированных напитков.
Блок 14. Составление смеси (напитки с
натуральными соками).
В молочную сыворотку вносят концентраты соков,
сахар и другие немолочные компоненты включенные в рецептуру напитка до тепловой
обработки. Фруктовые концентраты с содержанием сухих веществ выше 60%
нормализует по влаге, используя молочную сыворотку, при этом соотношение сок -
сыворотка подбирается так, чтобы массовая доля сухих веществ была не более 12%.
Сахар вносят в виде сиропа 50% концентрации приготовленного сыворотке.
Блок 15. Пастеризация.
Пастеризация проводится с целью повышения
санитарно-гигиенического качества готового продукта. Ее проводят при 85±2°С с
выдержкой от 15 до 20 с. Этот режим является необходимым и достаточным для
достижения поставленных целей.
Длительное воздействие более высоких температур
на продукт нежелательно, т. к. это приводит к разрушению витаминов и
минеральных веществ, содержащихся в натуральном сырьё, и увеличению энергозатрат.
При использовании для осветления сыворотки
раствора хитозана пастеризация способствует также более полному выделению
белков из сыворотки за счет уплотнения структуры белково-хитозанового комплекса
при нагревании.
Блок 16. Отделение осадка.
Белковая масса имеет достаточно плотную
волокнистую структуру и может быть отделена любым из известных способов.
Блок 17. Внесение компонентов.
Для регулирования органолептических показателей
в основу для напитка вносят необходимые вкусоароматические добавки и
консерванты (сорбиновую кислоту, сорбат калия) - для напитков с длительными
сроками хранения.
Блок 19. Дополнительное осветление (ароматизированные
напитки).
При производстве напитков с помощью хитозана на
данном этапе следует полностью удалить белковый осадок. Хитозан образует с
сывороточными белками прочные комплексы, поэтому белковая фракция легко
удаляется.
Блок 20. Внесение купажа.
Необходимые по рецептуре компоненты напитка
перед внесением в смесь следует подготовить. Сахар просеивают и растворяют в
молочной сыворотке, получая сироп 50% концентрации, вносят лимонную кислоту и
смесь подогревают до полного растворения сахара. Раствор пастеризуют при 95°С,
охлаждают и фильтруют. В охлажденный сироп добавляют при необходимости
вкусоароматические добавки, полученный купаж вносят в осветленную сыворотку.
Блоки 21. Пастеризация.
Для обеспечения санитарно-гигиенического
качества продукта готовый напиток пастеризуют при 80±2°С без выдержки. Такая
температура является необходимой и достаточной для обеспечения чистоты
продукта. Ее повышение приводит к изменению витаминно-минерального состава
напитка и дополнительным энергозатратам.
Блоки 18, 22. Охлаждение.
Операция проводится в любых охладительных
установках до температуры 4±2°С.
Блоки 23-25. Анализ производственной ситуации.
Ароматизированные напитки можно выпускать с
насыщением и без насыщения углекислым газом. Газированные напитки насыщают СО2
(блок 26), а негазированные после охлаждения направляют на розлив (блок 27).
Блок 26. Насыщение СО2.
Для производства газированных ароматизированных
напитков предусматривается операция насыщения углекислым газом на сатураторе.
Рекомендуется выпускать такие напитки слабо- и среднегазированными.
Блок 27. Розлив, упаковка.
Напитки фасуют в асептическую упаковку
«Тетра-Пак» по 0,2; 0,5 и 1,0 л, возможна фасовка (предпочтительна для
ароматизированных напитков) - в полиэтиленовые бутылки вместимостью 0,5; 1,0;
1,5 и 2,0 л.
Блок 28. Хранение и реализация напитков.
Напитки на основе молочной сыворотки необходимо
хранить в холодильных камерах при температуре от 4 до 8°С. Сроки реализации в
зависимости от производственных условий, вида напитка и вида тары колеблются в
пределах 14 суток [12].
Таким образом, молочная сыворотка это продукт с
естественным набором жизненно важных соединений. Её ценность обусловлена:
углеводами, липидами, минеральными солями, витаминами, органическими кислотами,
ферментами, иммунными телами и микроэлементами. Биологические свойства
сыворотки позволяют производить на её основе разнообразные напитки с различными
наполнителями. Производимые из осветленной сыворотки напитки являются
прекрасным выбором для людей, которые ценят свое здоровье и стремятся сохранить
и укрепить его.
2. аналитический
раздел
2.1 Коагуляция сывороточных белков
Для выделения сывороточных белков необходимо
изменить нативную структуру белка. При этом изменении (денатурации) нарушается
его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развертывается. Процесс
сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния
частиц. Белковая глобула в процессе денатурации становится менее устойчивой.
Устойчивость глобул белков молочной сыворотки
обусловлена конформацией частиц, зарядом и наличием гидратной оболочки
(сольватного слоя). Для выделения белков необходимо нарушить равновесие трёх
или хотя бы двух указанных факторов устойчивости [17].
В свежей молочной сыворотке белковые частицы
находятся в нативном состоянии. При изменении нативного состояния белка
(денатурации) прежде всего нарушается его структура. Белковая глобула в
процессе денатурации развёртывается, для чего необходимо нарушить от 10 до 20%
связей, участвующих в ее образовании. Процесс денатурации сопровождается
изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая
глобула в результате денатурации становится менее устойчивой.
Для преодоления потенциальных барьеров
устойчивости белковых частиц можно применять различные способы денатурации:
нагревание, облучение, механическое воздействие, введение десольватирующих
веществ, окислителей и детергентов, изменение реакции среды. Введение в
растворы некоторых веществ способствует тепловой денатурации [20].
Классификация методов коагулирования
сывороточных, рассматриваемых в данной работе, представлена на схеме (рис. 3).
Рис. 3. Классификация методов коагулирования
сывороточных белков
В конечном счете, к выделению белков приводят
вторичные явления после денатурации, такие как ассоциация развернувшихся глобул
и химическое изменение их. Здесь на первый план выступает образование
межмолекулярных связей и агрегация в противоположность внутримолекулярным
процессам, происходящим при денатурации.
В целом процесс выделения белков молочной
сыворотки можно охарактеризовать как коагуляцию.
С учетом целесообразности извлечения и
использования белков коагуляцию сывороточных белков необходимо закрепить во
избежание процесса ренатурации (восстановления нативной структуры белков), а
также максимально возможного ограничения распада образующихся агрегатов.
Однако следует учитывать, что в результате
тепловой денатурации кроме разрыва водородных связей белковой частицы
происходит их дегидратация, что облегчает последующую агрегацию белковые
частиц. Ионы-коагулянты (кальций, цинк, и др.), активно сорбируясь на
поверхности белковой частицы, обеспечивают коагуляцию, а при значительных дозах
могут привести к высаливанию белков.
2.2 Тепловой метод
Нагревание молочной сыворотки ведет к частичной
или полной денатурации белков, а также к реакциям между отдельными фракциями
белковых частиц или между белками и другими составными частями сыворотки.
При проведении тепловой коагуляции в начале
нагревания происходит некоторая дезагрегация ассоциатов белка и мутность
сыворотки увеличивается Затем, начиная примерно с 50°С начинается процесс
агломерации глобул белка, обусловленный их денатурацией, и мутность сыворотки
резко уменьшается. Денатурированные белки, потеряв устойчивость, при
температуре около 80°С образуют хлопья, которые медленно оседают. Наиболее
интенсивно этот процесс проходит при кислотности молочной сыворотки от 30 до
35°Т (рН 4,5), что совпадает с изоэлектрической точкой лактальбуминовой фракции
белков сыворотки.
Установлено, что порог денатурации сывороточных
белков находится в интервале от 50 до 65°С, видимая коагуляция наблюдается в
диапазоне от 75 до 80°С, а оптимум теплового воздействия соответствует 93°С.
При нагревании сыворотки выше 70°С на стенках нагревательных устройств
интенсивно выделяется белок, который образует трудноудаляемый слой пригара,
затрудняющий работу аппаратов. Поэтому при необходимости высокотемпературного
нагрева сыворотки эту операцию проводят в две стадии: нагрев до температуры не
выше 75°С и в специализированных аппаратах, затем путем непосредственного
введения предварительно очищенного пара в массу подогреваемой сыворотки с
помощью специальных устройств [16].
Однако вследствие различия состава и свойств
подсырной и творожной сыворотки их оптимальные режимы денатурации и коагуляции
белков можно соотносить лишь условно.
Изменение агрегатного состояния белков в
процессе нагревания подсырной и творожной сыворотки несколько отличается (рис.
4).
Рис. 4. Кривые характеризующие
изменение мутности подсырной (1) и творожной (2) сыворотки при нагревании
Мы видим, что мутность творожной
сыворотки изменяется так же, как и подсырной, хотя абсолютный показатель
мутности творожной сыворотки несколько увеличивается вследствие дезагрегации
белковых комплексов, затем в результате тепловой денатурации устойчивость
частиц белка уменьшается, и они образуют хлопья.
В подсырной сыворотке при
температуре денатурации термолабильных фракций (90°С) в результате нарушения
агрегативной устойчивости глобул белка происходит их частичное (около 25%)
выделение (табл. 9).
Таблица 9 Степень
выделения белков подсырной сыворотки
|
Кислотность
|
Масса
белка, %
|
Мутность
сыворотки,
см-1
|
|
◦Т
|
рН
|
в
сыворотке
|
выделено
|
|
|
Исходная
|
12,0
|
6,20
|
0,680
|
_
|
0,158
|
|
После
нагревания до 90°С и фильтрации
|
11,8
|
6,25
|
0,485
|
23
|
0,073
|
|
|
|
|
|
|
|
Неполное выделение белков обусловлено защитным
действием находящихся в сыворотке электролитов и преобладанием заряда частиц
белка как фактора устойчивости. Пептиды и небелковый азот остаются в сыворотке
(табл. 10).
Таблица 10 Содержание
пептидов и небелкового азота в подсырной сыворотке
|
Азот
|
Содержание
азота в сыворотке, мг в 100 мл
|
Степень
выделения, %
|
|
исходной
|
после
тепловой денатурации
|
|
|
Общий
|
105,0
|
78,0
|
25,8
|
|
Белковый
|
65,8
|
39,0
|
40,7
|
|
Казеиновый
|
1,4
|
0,0
|
100,0
|
|
Сывороточных
белков
|
60,2
|
33,8
|
43,9
|
|
Пептидов
|
4,2
|
5,2
|
123,8
|
|
Небелковый
|
39,2
|
39,0
|
0,5
|
Мутность сыворотки после тепловой денатурации
белков снижается по сравнению с мутностью исходной в 2,16 раза (см. табл. 8).
Однако фильтрат сыворотки остается непрозрачным, по-видимому, из-за частичного
развертывания глобул. При температуре тепловой денатурации выше 100°С степень
выделения белков увеличивается незначительно.
Для усиления тепловой денатурации в подсырную
сыворотку необходимо вводить реагенты-коагулянты, сдвигающие реакцию среды в
кислую сторону.
Порог тепловой денатурации белков творожной
сыворотки находится в пределах от 50 до 60°С, однако видимая коагуляция
(образование хлопьев) наступает при температуре около 80°С. Эффективность
выделения белка из творожной сыворотки в зависит от температуры нагревания
(табл. 11).
Таблица 11 Эффективность
выделения белка из творожной сыворотки
|
Сыворотка
|
Температура
нагревания, °С
|
Содержание
белка, %
|
Количество
выделенного белка, %
|
|
Исходная
|
-
|
0,675
|
0
|
|
После
нагревания
|
50
|
0,675
|
0
|
|
70
|
0,670
|
1
|
|
80
|
0,575
|
15
|
|
90
|
0,482
|
29
|
|
95
|
0,371
|
46
|
|
100
|
0,330
|
52
|
|
130
|
0,211
|
69
|
Максимальная температура тепловой коагуляции
белков творожной сыворотки составляет от 90 до 100°С (оптимальная 93°С). При
дальнейшем нагревании количество выделившегося белка вследствие тепловой
денатурации может увеличиваться на 25%, но его выделение затруднено, фильтрат
получается мутным, часть фракций белковых веществ остается в сыворотке (табл. 12).
Таблица 12 Содержание
пептидов и небелкового азота в творожной сыворотке
|
Азот
|
Содержание
азота в сыворотке, мг в 100 мл
|
|
исходной
|
после
тепловой денатурации
|
|
Общий
|
105
|
78
|
|
Белковый
|
65,8
|
39
|
|
Казеиновый
|
1,4
|
0
|
|
Сывороточных
белков
|
60,2
|
33,8
|
|
Пептидов
|
4,2
|
5,2
|
|
Небелковый
|
39,2
|
39
|
Для более полного выделения белков из творожной
сыворотки также как и для подсырной целесообразно использовать
специализированные реагенты, которые сдвигают реакцию среды в щелочную зону.
При этом важное значение имеет характер аниона реагента.
2.3 Тепловой метод с использованием
реагентов-коагулянтов
Для более полного выделения сывороточных белков
следует проводить подкисление и раскисление сыворотки при помощи
реагентов-коагулянтов.
В качестве реагентов-коагулянтов для подсырной
сыворотки рекомендуется использовать соляную и молочную кислоту, кислую
сыворотку, подкислять серной кислотой нежелательно, т. к. ионы SO42-
затрудняют её сгущение.
Для более полного выделения белков из творожной
сыворотки необходимо вводить реагенты, которые сдвигают реакцию среды в
щелочную зону.
Белки из подсырной сыворотки выделяются при
введении в нее ионов-коагулянтов, в частности кальция. Сорбируясь на
поверхности белковой глобулы, кальций способствует потере ее устойчивости в
растворе и последующей ассоциации с образованием хлопьев. Так, при коагуляции
хлористым кальцием из подсырной сыворотки выделяется свыше 50% белка. Однако
хлористый кальций хорошо действует только в свежей подсырной сыворотке, что
несколько ограничивает его применение. Оптимальное значение рН при коагуляции
сывороточных белков термокальциевым способом находится в пределах 5,5±0,5.
Следовательно, для творожной сыворотки этот способ неприемлем [5].
Выделение белков из подсырной сыворотки зависит
от вида применяемых реагентов-коагулянтов (табл. 13).
Таблица 13 Выделение
белков в зависимости от вида применяемых реагентов-коагулянтов
|
Способ
коагуляции
|
Реагент-коагулянт
|
Расход
реагента на 1 т сыворотки, л
|
Выделение
белка, %
|
|
|
|
пределы
колебаний
|
среднее
значение
|
|
Тепловой
|
-
|
-
|
20-34
|
27
|
|
|
Кислотный
|
Соляная
кислота
|
1,5-2
|
37-63
|
48
|
|
Молочная
кислота
|
4-4,5
|
39-57
|
47
|
|
Уксусная
кислота
|
1-1,5
|
39-55
|
48
|
|
Кислая
сыворотка
|
130-150
|
38-45
|
41,5
|
|
Хлоркальциевый
|
Хлористый
кальций
|
9-10
|
39-55
|
54,3
|
|
|
Кислотно-щелочной
|
Соляная
кислота + питьевая сода
|
75-80
|
45-63
|
54,3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Особенности коагуляции белков в соленой
подсырной сыворотке были изучены на модельных образцах (табл. 14),
учитывая при этом содержание хлористого натрия после поселки сыра в зерне, а
также повышение зольности до уровня сгущенной сыворотки (сиропы) [27].
Таблица 14 Эффективность
выделения белков из модельных образцов
|
Способ
коагуляции
|
Эффективность
выделения белковых фракций (в %) при внесении хлористого натрия, %
|
|
0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
Тепловой
|
60
|
26
|
26
|
26
|
18
|
18
|
18
|
18
|
17
|
17
|
17
|
|
Кислотный
|
70
|
40
|
40
|
40
|
30
|
28
|
26
|
26
|
17
|
17
|
17
|
|
Кислотно-щелочной
|
78
|
68
|
61
|
61
|
61
|
61
|
61
|
61
|
61
|
61
|
61
|
|
Хлоркальциевый
|
72
|
60
|
55
|
52
|
52
|
52
|
52
|
52
|
52
|
52
|
52
|
С увеличением степени посолки (зольности)
эффективность коагуляции белков в сыворотке снижается. Происходит как бы защита
белков от денатурации, что можно объяснить увеличением их заряда за счет
введения электролита. Наиболее эффективный - кислотно-щелочной способ, наименее
- тепловой.
Таким образом из опытных данных следует вывод:
добавление минеральных солей (повышение зольности сыворотки) стабилизирует
белковые частицы, снижает эффективность тепловой денатурации и всех способов
коагуляции.
Оптимальной реакцией среды при подкислении
молочной сыворотки является рН 4,5, что соответствует титруемой кислотности от
30 до 35 °Т и совпадает с изоэлектрической точкой лактальбуминовой фракции
белков.
Подкисление подсырной сыворотки способствует
повышению денатурации белка (табл. 15).
Таблица 15 Эффективность
денатурации белков в подсырной сыворотке подкисленной
|
Кислотность
|
Масса
белка, %
|
Мутность,
см-1
|
|
◦Т
|
рН
|
в
сыворотке
|
выделено
|
|
|
Исходная
|
16,0
|
6,05
|
0,657
|
-
|
0,158
|
|
После
нагревания до 90°С и подкисления
|
34,0
|
4,60
|
0,413
|
37,2
|
0,006
|
|
После
нагревания до 90°С и раскисления
|
10
|
6,5
|
0,314
|
54
|
0,003
|
|
|
|
|
|
|
|
Степень выделения азотистых соединений подсырной
сыворотки при оптимальном рН составляет около 40%, что на 10% выше, чем при
тепловой денатурации. Полученный фильтрат прозрачен, мутность сыворотки по
сравнению с мутностью исходной снижается в 26,3 раза, по сравнению с очищенной
путем тепловой денатурации - в 12,2 раза.
Остаточное количество азотистых соединений в
сыворотке в пересчете на белок составляет 0,413%, что превышает содержание
небелкового азота. Неполное выделение белковых фракций при кислотной коагуляции
(см. табл. 11) объясняется их гетерогенностью и различием в свойствах. Поэтому
способ очистки сыворотки от белков путем тепловой денатурации с подкислением не
обеспечивает полного выделения белков.
Дополнительно выделить белок из предварительно
очищенной кислотным способом сыворотки можно путем ее раскисления (творожную
сыворотку необходимо только раскислять) при повышении рН среды (более 6). При
этом, по-видимому, выделяются фракции белка, ранее защищенные лактальбумином.
Главную роль при раскислении играют гидроксильные группы, ион-коагулянт, не
влияет на устойчивость оставшихся в сыворотке белковых фракций. Граница
раскисления сыворотки находится при рН около 7 (выше происходит побурение).
Оптимум раскисления (рис. 5) соответствует рН 6,5, титруемая кислотность от 10
до 15°Т. При этом выделяется от 50 до 55% белковых азотистых соединений (см.
табл. 13), мутность снижается до 0,003 усл. ед. В сыворотке остаются только
растворимые небелковые азотистые соединения, которые нельзя выделить тепловой
денатурацией и коагуляцией.
Рис. 5. Эффективность коагуляции белков
подсырной сыворотки в процессе подкисления (1) и раскисления (2)
Таким образом, для максимального выделения
белков из подсырной сыворотки необходимо применять тепловую денатурацию в
сочетании с кислотно-щелочной коагуляцией. При подкислении и последующем
раскислении рН среды соответствует изоэлектрической точке белков сыворотки.
Принимая изоэлектрические точки белков за
постоянную величину и отложив их значения на графике: для альбуминовой фракции
рН 4,5, а для всех остальных рН 6,3, можно выбрать оптимальный режим обработки
сыворотки различного качества (рис. 6). Сыворотка с исходной кислотностью ниже
35°Т и рН выше 4,6 подлежит подкислению и раскислению (зона I), а выше 35°Т и
рН ниже 4,4 - только раскислению (зона II).
Необходимость раскисления творожной сыворотки,
имеющей, как правило, титруемую кислотность выше 60°Т и рН ниже 4,5,
подтверждается также графической схемой коагуляции белков молочной сыворотки
(см. рис. 6, зона II). Оптимальное значение рН, установленное экспериментально,
при котором наблюдается максимальное выделение белка в кислой сыворотке
составляет от 6 до 6,5 (рис. 7), что соответствует титруемой кислотности
примерно 15°Т [27].
Рис. 6. Графическая схема коагуляции белков
молочной сыворотки: I
- зона подкисления и раскисления; II
- зона раскисления
Рис. 7. Эффективность коагуляции белков в
зависимости от рН среды.
Следует иметь в виду, что раскисление сыворотки
до рН выше 6,5 или недостаточно энергичное перемешивание при внесении щелочного
раствора приводят к ее потемнению.
Необходимая продолжительность теплового
воздействия соответствует 10 мин, но она не должна превышать 30 мин.
Таким образом, оптимальный режим выделения
белков из творожной сыворотки следующий: нагревание до 93°С, раскисление до рН
6,5 (титруемая кислотность 15°Т), выдержка около 15 мин.
Для обработки творожной сыворотки можно
использовать те же реагенты-коагулянты, что и для раскисления подсырной сыворотки.
Реагенты следует вносить в сыворотку перед нагреванием или после подогрева до
70°С, что позволяет избежать карамелизации.
Оптимальную температуру денатурации белков
подсырной сыворотки следует определять с учетом всех воздействий на белки, в
частности кислотно-щелочной коагуляции (рис. 8, а).
Рис. 8. Эффективность выделения белков подсырной
сыворотки в зависимости от температуры нагревания (а) и продолжительности
теплового воздействия (б)
Скорость денатурации различных фракций белков
неодинакова. Степень денатурации является функцией не только температуры, но и
продолжительности ее воздействия. Количество белков в сыворотке в зависит от
продолжительности теплового воздействия после нагревания и введения реагентов
при кислотно-щелочном способе коагуляции (рис. 8, б). Сыворотку после
подкисления необходимо выдерживать в течение 5 мин, а после раскисления - не
менее 15 мин. Общая продолжительность коагуляции с учетом выдержки после
подкисления составляет 20 мин.
Таким образом, в качестве оптимального можно
принять следующий режим коагуляции белков подсырной сыворотки: нагревание до
температуры 92,5±2,5°С, подкисление до рН 4,5±0,1 (титруемая кислотность около
35°Т), выдержка при данной температуре не менее 5 мин, раскисление до рН
6,25±0,25 (титруемая кислотность около 15°Т) и выдержка не менее 15 мин.
Все операции по выделению белков из сыворотки
осуществляют в специальном резервуаре, который называется танк-ванна для
отваривания альбумина (рис. 9).
Рис. 9. Ванна для отваривания
альбумина:
1
- резервуары для хранения коагулянта; 2 - привод; 3 - подогреватель; 4 -
корпус; 5 - мешалка.
2.4 Коагуляция с использованием
комплексообразователей
Наряду с уже рассмотренным использованием
реагентов-коагулятов известны способы выделения белков молочной сыворотки с
использованием комплексообразователей. Долгое время для этого использовали
поликарбоксилкислотные препараты, содержащие полиакриловую кислоту.
В качестве эффективных осадителей используется
обладающая слабыми анионными свойствами карбоксиметилцеллюлоза. При этом
наиболее прочные комплексы карбоксиметилцеллюлоза - белок образуются при рН 4,0
и ионной силе менее 0,1.
Однако остаток карбоксиметилцеллюлозы в белковом
концентрате обуславливает высокую вязкость конечного продукта, что ограничивает
широкое применение таких концентратов. Они могут быть использованы лишь при
производстве сбивных кондитерских изделий, но не подходят для напитков.
Также возможно применение непосредственно полиакриловой
кислоты в качестве водорастворимого полимера с последующим выдерживанием смеси
и отделением образовавшегося осадка. Молочную сыворотку при рН около 4,5
смешивают с полиакриловой кислотой в отношении 1% к общему объему сыворотки при
температуре 30°С.
Рассмотренные способы отличаются большими
энергетическими затратами и недостаточно высоким процентом выделения белковых
веществ.
Наиболее качественный способ основан на введении
в сыворотку железосодержащей полиакриловой кислоты в качестве водорастворимого
полимера в количестве от 0,3 до 1,0% от массы смеси с последующим выдерживанием
смеси и отделением образовавшегося осадка.
Смесь сыворотки с железосодержащей полиакриловой
кислотой выдерживают при температуре от 40 до 45 мин. Значение рН исходной сыворотки
достигается подкислением соляной кислотой. Полнота извлечения белка из
сыворотки составляет около 85% [2].
Недостатком данного способа является не высокое
количество выделенного белка, длительный процесс осаждения белковых веществ,
получение резиноподобного белкового продукта, последующая переработка которого
затруднена.
В последнее время для разделения белковых систем
на фракции используют природные биополимеры, а именно проводят исследования по
применению биополимера животного происхождения хитозана.
Хитозан - это аминосахарид, производное
линейного полисахарида - хитина.
Хитозан нерастворим в воде, слабых и
концентрированных растворах щелочей, органических растворителях, однако хорошо
растворяется в минеральных и органических кислотах (уксусной, молочной,
щавелевой и др.). Его растворимость зависит от температуры, рН среды,
концентрации кислоты, заряда ионов и других факторов.
В последнее время хитозан, как уникальное по
своим свойствам соединение, завоевывает все большую популярность как биологически
активная добавка (БАД). Медико-биологические исследования хитозана на
протяжении 17 лет показали его полифункциональность в физиологическом плане:
ü интенсивная потеря массы за счет
связывания клеточного жира;
ü ускорение заживления ран и язв;
ü взаимодействие с биологически
активным кальцием;
ü нормализация фракций триглицеридов и
желчных кислот в организме;
ü антиболевое действие;
ü противоопухолевое действие
олигомеров хитина и хитозана;
ü стабилизация кровяного давления;
ü регулировка перистальтики
желудочно-кишечного тракта (ЖКТ);
ü антимикробное и фунгицидное
действие;
ü снижение концентрации мочевой
кислоты;
ü повышение защитных функций организма
в сочетании с другими веществами: лимонной и аскорбиновой кислотами, витаминами
Е, К, А [4].
Разработанная технология использования хитозана
позволяет выделять белковую фракцию из молочной сыворотки без использования
химических реагентов при любой температуре от 5 до 95 °С. При этом сыворотка не
имеет выраженного вкуса и запаха и может быть использована для получения
широкого спектра безалкогольных напитков (в том числе и газированных) [11].
При осветлении подсырной сыворотки хитозан
используется в виде геля, приготовленного на 1 % растворе органической кислоты
или кислой сыворотке. Установлено, что процесс разделения на фракции зависит от
рН системы сыворотка: гель-хитозан (активное осаждение происходит при рН выше
5,25).
Следует отметить, что физико-химические
характеристики растворов хитозана существенно влияют на структуру и свойства
готового продукта, в состав которого они входят. В этой связи была проведена
серия экспериментов по исследованию процесса растворения образцов хитозана в
различных растворителях. В качестве объектов исследования были отобраны 1%
коллоидные растворы хитозана в уксусной, молочной, янтарной кислоте и кислой
молочной сыворотке.
Поскольку все представленные образцы имеют
высокую степень деацетилирования (от 80 до 90%), в кислой среде наблюдается
интенсивный процесс набухания хитозана с образованием прозрачных, гомогенных,
вязких коллоидных растворов. В процессе экспериментальных исследований
установлено, что интенсивность данного процесса значительно повышается при
снижении молекулярной массы образцов. Кроме того, одним из факторов,
определяющих растворимость, является наличие минерального остатка в хитозане.
Вязкость и плотность коллоидных растворов
хитозана возрастает с увеличением концентрации хитозана в растворе. Отмечено
изменение вязкости растворов хитозана в процессе длительного хранения, при
понижении или повышении температуры раствора.
В зависимости от вида растворителя изменяется
кислотность готового раствора от 3,2 (молочная кислота) до 4,6 (кислая молочная
сыворотка).
Коллоидные растворы хитозана в зависимости от
растворителя меняют также и органолептические свойства.
При использовании в качестве растворителя 1%
уксусной кислоты, получены однородные прозрачные коллоидные растворы, однако
практически во всех представленных образцах ощущается запах уксусной кислоты.
Невысокие органолептические характеристики имеют и растворы хитозана в янтарной
кислоте. Наиболее приемлемым кислотным растворителем является молочная кислота
(растворы прозрачные, однородные, янтарного цвета, без резкого запаха).
Альтернативным растворителем хитозана может
выступать и молочная сыворотка. Растворы хитозана, приготовленные на кислой
молочной сыворотке менее вязкие, полупрозрачные, имеют характерный для
сыворотки вкус и запах. На основе проведенных исследований можно сделать
выводы, что все представленные образцы хитозана образуют устойчивые коллоидные
растворы, а для применения в пищевой отрасли наибольший интерес представляют
коллоидные растворы хитозана в молочной кислоте и кислой сыворотке [1].
Готовят гель-хитозан для использования в
осветлении подсырной сыворотки следующим образом. В эмалированный резервуар на
1000 кг заливают 500 л 2% раствора кислоты и вносят в нее 10 кг сухого
хитозана, тщательно перемешивают и оставляют для набухания на 24 ч. Затем
раствор нейтрализуют насыщенным раствором двууглекислого натрия до нейтральной
реакции. Полученный гель-хитозан хранят при 10°С до 10 суток.
Однако разделения на фракции творожной сыворотки
добиться при таких условиях нельзя. Это связано с тем, что показатель ее
активной кислотности намного ниже подсырной, поэтому при использовании для
разделения гелей хитозана, приготовленных на кислоте, величина рН системы а
ниже 5,25.
Были проведены исследования по осветлению
творожной сыворотки кислотностью 70°Т водными растворами хитозана, активная
кислотность которых близка к нейтральной. Для этого использовали 3, 5 и 7%
водные растворы, различающиеся вязкостью. Следует отметить, что в отличие от
гелей хитозана, приготовленных на кислоте, водорастворимые гели имеют более
высокую концентрацию. Так как процесс разделения сыворотки на фракции в
значительной степени зависит от рН системы сыворотка: гель-хитозан, то при
внесении в творожную сыворотку различных доз водных растворов хитозана
контролировали рН системы. И была определена графическая зависимость рН системы
от дозы и концентрации водных растворов хитозана (рис. 10) [6].
Рис. 10. Зависимость рН системы творожная
сыворотка - хитозан от дозы растворов хитозана
Установлено, что при увеличении концентрации и
дозы водных растворов хитозана показатель активной кислотности системы
увеличивается. Это влияет на органолептические свойств сыворотки, улучшая ее
вкус. Так, при малых дозах и концентрациях хитозана чувствуется кислый сывороточный
вкус, что плохо воспринимается дегустаторами и потребителями. При увеличении
его дозы и концентрации водных растворов органолептические свойства сыворотки
улучшаются. Все это влияет на вкус и запах освеженной сыворотки - отсутствуют
характерные сывороточные привкус и запах. Что позволяет использовать ее в
качестве основы для производства разлитых напитков. Но дальнейшее увеличение
концентрации и дозы растворов хитозана может привести к возникновению вяжущего
привкуса. Поэтому оптимальным является разделение творожной сыворотки на
фракции при соотношении сыворотка: гель-хитозан от 100:2,5 до 100:10 и в
пределах активной кислотности от 4,1 до 4,5 в зависимости от концентрации
водного раствора хитозана.
Предлагаемая технология разделения -
энергосберегающая, т. к. процесс фракционирования осуществляется при
температуре от 15 до 25°С. Белковый осадок представляет взвесь хлопьев белка
рыхлой структуры, а осветленная сыворотка - прозрачная, слегка желтовата
жидкость (сухих веществ около 5,5%).
Аналогичная серия экспериментов проведена с
сывороткой кислотностью 50, 60, 80 и 90°Т. Процесс ее разделения на фракции
водными растворами хитозана протекает аналогично опыту с сывороткой
кислотностью 70°Т. Наиболее эффективно процесс проходил при кислотности сыворотки
от 70 до 90°Т [6].
Таким образом, установлено, что применение
низкомолекулярного водорастворимого хитозана позволяет добиться
фракционирования творожной сыворотки кислотностью от 70 до 90°Т. С точки зрения
комплексной переработки вторичного молочного сырья полученный белковый осадок
может быть использован при производстве любых творожных изделий, а осветленная
сыворотка - при изготовлении напитков.
Наиболее простым и целесообразным способом
переработки осветленной таким образом творожной сыворотки является производство
напитков. Это обусловлено в первую очередь исчезновением характерного
сывороточного запаха и во вторую - широким ассортиментом напитков. Предложенные
напитки включают в себя комплекс биологически активных веществ, обладают
высоким качеством и хорошими органолептическими характеристиками.
Оптимальная схема осветления творожной сыворотки
имеет следующий вид. В сыворотку вносят приготовленный раствор гель-хитозана в
количестве от 0,25 до 1,0% от массы сыворотки. Температуру осаждения белков
поддерживают в интервале от 15 до 20°С. Смесь тщательно перемешивают и
выдерживают около 30 мин. Образовавшиеся хлопья белка, представляющие собой
комплекс белок - хитозан, отделяют любым из известных способов.
При использовании хитозана полнота извлечения
белка составляет 95%, показатель прозрачности 0,3 усл. ед., а массовая доля
белковых веществ в осветленной сыворотке составляет менее 0,03%.
2.5 Выделение коагулированных белков из
сыворотки
Коагуляция сывороточных белков не решает
полностью вопроса их удаления из сыворотки.
Сыворотка после проведения коагуляции белков
представляет собой грубодисперсную суспензию, состоящую из дисперсной среды
(собственно сыворотки) и дисперсной фазы (агломератов денатурированного белка с
включенными частицами жира, минеральных солей и других компонентов).
Суспензия «сыворотка - хлопья белка»
характеризуется концентрацией (табл. 16),
гранулометрическим составом частиц, плотностью и вязкостью.
Количество взвешенного осадка, несколько
изменяясь в зависимости от способа коагуляции, не превышает 1%. При этом
кислотно-щелочной способ коагуляции позволяет выделить примерно на 20% больше
взвешенного осадка, чем кислотный.
Таблица 16 Концентрация
суспензии
|
Способ
коагуляции (после тепловой денатурации)
|
Содержание
взвешенного осадка, мг/л
|
|
Пределы
колебаний
|
Среднее
значение
|
|
Кислотный
|
54·102
- 76·102
|
66·102
|
|
Кислотно-щелочной
|
76·102
- 99·102
|
86·102
|
Объемное количество выделившихся хлопьев белка,
определенное в различных моделях отстойников и ёмкостях для отваривания
альбумина, составляет от 10 до 15% общего объема сыворотки. Денатурированные
глобулы белка, обладая минимальной устойчивостью, имеют склонность к агрегации.
Дисперсность белковых хлопьев в осадке
отличается от их дисперсности в исходной сыворотке. Частицы осадка имеют меньший
размер. Линейные размеры хлопьев белка в тщательно перемешанной сыворотке
составляют от 50 (тепловая коагуляция) до 150 мкм (кислотно-щелочная
коагуляция).
Плотность сыворотки, определенная опытным путем,
при 20°С составляет от 1022 до 1026 кг/м3. При температуре
денатурации 90°С плотность очищенной от белков сыворотки равна 1005 кг/м3,
т. е. значительно ниже, чем при 20°С. При влажности осадка от 80 до 85%
плотность выделившихся хлопьев белка составляет от 1045 до 1060 кг/м3.
Динамическая вязкость очищенной от белков сыворотки, составляет 12,5·10-4
Па·с при 20°С, изменяется при повышении температуры и в диапазоне от 85 до 90°С
равна 5,3·10-4 Па·с.
Разделение суспензии «сыворотка - хлопья белка»
основано на разности плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы. Самый
простой способ разделения суспензии - это самопроизвольный или управляемый
отстой.
Отстой белковых хлопьев осуществляется за счет
разности плотностей сыворотки и белка. В связи с ортокинетической коагуляцией
белковых хлопьев скорость осаждения их рассчитать нельзя, т. к. диаметр хлопьев
белка непостоянен.
Наиболее быстро хлопья белка оседают после
коагуляции хлор-кальциевым способом, а наиболее медленно - после тепловой
денатурации, что обусловлено размером и плотностью белковых частиц.
Производительность отстойников зависит от
площади осаждения и скорости осаждения взвешенных частиц суспензии. Средняя
скорость оседания хлопьев белка в молочной сыворотке, установленная
экспериментально, составляет 0,0004 м/с [27].
Следовательно, для резервуара высотой 3 м.
необходимая продолжительность отстоя, рассчитанная по скорости оседания белка,
составит около 2 ч.
После декантации (слива) верхнего слоя
осветленной сыворотки остается масса, содержащая отстоявшийся белок, называемая
«альбуминное молоко». В нем содержится от 6 до 10% сухих веществ, в том числе
до 5% белка.
Несмотря на распространение в промышленности,
данный способ выделения белков из сыворотки является наименее эффективным. При
этом удаляется около 85% коагулировавшегося сывороточного белка. Кроме того, с
осадком теряется до 15% сыворотки. Процесс длителен, ёмкости для отстоя
занимают до половины площади производственных цехов.
Следовательно, метод отстоя можно рекомендовать
только для предварительного грубого выделения белковых хлопьев, с последующим
использованием других методов. Наиболее качественного выделения белковых
хлопьев можно добиться, используя фильтрацию через перегородку, проницаемую для
дисперсионной среды или разделением при помощи центробежных методов, а также
при помощи ультрафильтрации.
2.6 Метод
фильтрации
2.6.1 Основы фильтрации
Движущей силой фильтрации является разность
давлений на входе в фильтр, состоящем из фильтрующей перегородки и слоя осадка,
и на выходе из него.
Для создания разности давлений на одной стороне
фильтрующего слоя должно быть избыточное давление или вакуум, т. е. фильтрат
(очищенная жидкость) поступает только в сторону пониженного давления.
В качестве фильтрующих перегородок используют
ткани (хлопчатобумажные, бязь, лавсан, бельтинг, капроновые, нейлоновые),
ацетатцеллюлозу, полисульфон, листовой картон, металлокерамику, намывные
фильтры (диатомитовые, керамические, гравиевые) и металлические сита.
Высокая степень очистки достигается при
комбинации металлического сита и холста (на 1 см2 до 100 ячеек), а
также при использовании полимерных материалов - тканей из энанта и лавсана (на
1 см2 до 255 ячеек).
Процесс фильтрации основан на задержании
взвешенных частиц фильтрующими перегородками, способными пропускать только
жидкость и задерживать частицы белка. При прохождении суспензии через пористую
перегородку за счет разности давлений до и после перегородки жидкая фаза
проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от примесей
фильтрата, а взвешенные частицы задерживаются на поверхности фильтрующей
перегородки, образуя слой осадка. Образующийся на поверхности перегородки слой
осадка используется как фильтрующая среда: исходная суспензия, проходя через
пористые каналы слоя осадка, частично освобождается от примесей. Для уменьшения
его гидравлического сопротивления необходимо периодически удалять большую часть
осадка с фильтрующей перегородки.
Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на
поверхности фильтрующей перегородки, являются важными параметрами,
определяющими эффективность фильтрации.
При образовании сжимаемых осадков с повышением
давления осадок сжимается, поры его уменьшаются и скорость фильтрации
снижается. Следовательно, в этом случае скорость фильтрации растет не
пропорционально разности давлений, а имеет некоторое отставание. Более того,
скорость фильтрации при некоторой разности давлений не только не увеличивается,
а, наоборот, уменьшается вследствие сжатия осадка.
Таким образом, на скорость фильтрации влияют
следующие факторы: перепад давления, действующего на суспензию, толщина слоя
осадка на фильтре, структура и характер осадка, состав, вязкость и температура
суспензии.
При фильтровании предварительно отстоявшейся
сыворотки через фильтровальную ткань типа бельтинг с намывом слоя
тонкоразмолотого диатомита (наполнитель) был получен прозрачный фильтрат с
содержанием взвешенного осадка не более 100 мг в 100 мл.
Эффективность удаления взвешенных частиц при
фильтрации через ткань типа бельтинг зависит от скорости фильтрации (табл. 17).
Таблица 17 Средняя
скорость фильтрации и эффективность удаления взвешенных частиц
|
Способ
фильтрации
|
Средняя
скорость фильтрации, л/(мин·м2)
|
Эффективность
удаления осадка, %
|
|
Без
предварительного отстоя
|
0,3
|
77
|
|
То
же, с наполнителем
|
1,0
|
90
|
|
С
предварительным отстоем
|
2,2
|
88
|
|
То
же, с наполнителем
|
5,0
|
94
|
Отделение белков из сыворотки без
предварительного отстоя и наполнителей (жесткий каркас) малоэффективно.
Фильтрация при использовании первых трех способов прекращалась при толщине
осадка от 1 до 1,5 мм, что показывает большую его сжимаемость. Коэффициент
сжимаемости денатурированных сывороточных белков приближается, по-видимому, к 1
[19].
2.6.2 Фильтрующие установки
В молочной промышленности для осветления
сыворотки применяются в основном фильтр-прессы, однако известен и
специализированный фильтр для выделения белковых частиц.
Если рассмотреть принцип работы фильтра для
выделения белковых частиц (рис. 11), то мы увидим, что он имеет два
цилиндрических стакана, которые смонтированы на стойке 4. К ней фильтры
прикреплены хомутами.
Рис. 11. Фильтр для выделения белковых частиц:
1, 2 - фундаментный болт и стойка; 3, 4 - фильтр (левый и правый); 5 -
трехходовой кран; 6 - манометр; 7, 17 - болт; 8 - крышка; 9 - винт; 10, 19 -
прокладки; 11 - крышка каркаса; 12 - ручка; 13 - корпус фильтра; 14 - каркас;
15 - сетка; 16 - планка; 18 - хомут; 20 - выходной патрубок; 21 - входной
патрубок; 22 - гайка; 23 - заглушка.
На внутренней стороне корпуса 13 расположен
каркас, к которому планками 16 и болтами 7, 17 прикреплена металлическая сетка.
Крышка, прижатая к фланцу корпуса винтами, закрывает корпус фильтра 13.
Герметичность зазора между крышкой и фланцем обеспечивается прокладкой.
Крышка прижимает каркас с сеткой к прокладке.
Входной 21 и выходной 20 патрубки фильтров соединены попарно двумя трехходовыми
кранами, что позволяет осуществлять попеременно включение фильтров.
На входном патрубке 21 фильтра установлен
манометр. Давление выше 15·104 Па предупреждает о том, что фильтр
«забит», и его выключают.
Продукт поступает внутрь каркаса, проходит через
сетку в пространство между каркасом и корпусом, выходит через патрубок и
трёхходовый кран 5.
Продолжительность непрерывной работы фильтра от
1,5 до 2 ч.
Рабочими элементами фильтр-прессов являются рамы
и плиты, которые размещаются поочередно. Плиты покрывают фильтровальной тканью.
В одном фильтр-прессе находится от 10 до 60 рам. При сборке отверстия в рамах и
плитах должны совпадать, в результате чего образуются каналы Из такого канала
исходная жидкость через отверстия поступает внутрь рамы. Осадок задерживается
тканью, а фильтрат проходит через нее и стекает по рифленой поверхности плиты.
Через отверстия в плитах фильтрат попадает в сборный желоб.
Плиты 2 и рамы 3 фильтр-пресса (рис. 12)
изготовляют из чугуна. Сжатие плит и рам осуществляется винтовым гидравлическим
или электромеханическим зажимом.
Фильтр-прессы работают при давлении до 4·105
Па. По мере заполнения рам осадком скорость фильтрации уменьшается. В течение
некоторого времени скорость фильтрации может оставаться постоянной вследствие
увеличения давления. Когда давление достигает постоянного предельного значения,
скорость фильтрации замедляется.
Рис. 12. Фильтр-пресс:
1,
4 - неподвижная и подвижная концевые плиты; 2 - плиты; 3 - рамы; 5 - станина; 6
- гидравлический зажим; 7 - штуцер ввода суспензии, промывной воды и сжатого
воздуха; 8 - кран для вывода фильтрата и промывной воды.
Производственные испытания по фильтрации
предварительно отстоявшейся сыворотки на рамном фильтр-прессе при давлении
2,9·105 Па показали, что средняя скорость фильтрации составляет 5,7
л/(мин·м2), остаточное количество взвешенных частиц не превышает 1
г/л, фильтр-пресс непрерывно работает до 2,5 ч, влажность осадка от 40 до 60%.
2.7 Метод сепарирования
2.7.1 Основы центробежного разделения
Центробежными методами выделения коагулированных
сывороточных белков являются сепарирование и центрифугирование. Рабочим органом
сепаратора, в котором происходит процесс разделения, является барабан.
Принцип действия сепаратора-осветлителя (рис.
13) заключается в следующем. Продукт, подвергаемый очистке, по центральной
трубке поступает в тарелкодержатель, из которого направляется в шламовое
пространство между кромками пакета тарелок и крышкой. Затем жидкость поступает
в межтарелочные пространства. По зазору между тарелкодержателем и верхними
кромками тарелок поднимается вверх и через прорезь выходит из барабана. Процесс
очистки начинается в шламовом пространстве и завершается в межтарелочных.
Рис. 13. Схема барабана сепаратора-осветлителя:
1 - исходный продукт; 2 - легкая фракция; 3 - тяжелая фракция; 4 - осадок
Процесс разделения гетерогенных систем
осуществляется главным образом в межтарелочном пространстве. При этом
траектория частиц дисперсной фазы состоит из двух стадий. Легкая фракция
дисперсной фазы движется к оси вращения, а тяжелая - к периферии (рис. 14).
Рис. 14. Схема движения частиц дисперсной фазы
в межтарелочном пространстве сепаратора - осветлителя
Для осуществления центробежного метода
осветления необходимо определить разделяемость суспензии «сыворотка - хлопья
белка».
Средняя величина разделяемости суспензии
«сыворотка - хлопья белка» при кислотно-щелочном способе коагуляции белка и
температуре центрифугирования от 85 до 90°С составляет 0,100·10-6
усл. ед.
Современные сепараторы и очистители имеют фактор
разделения от 0,09·108 до 0,26·108, что значительно
превышает разделяемость суспензии «сыворотка - хлопья белка». Поэтому с этой
точки зрения центробежная очистка сыворотки возможна.
Сепарируют сыворотку, как правило, при
температуре от 85 до 95oС (температура коагуляции).
2.7.2 Сепарирующие устройства
Для осуществления процесса выделения белковых
хлопьев из сыворотки в потоке необходимы сепараторы с механическим удалением
осадка.
Для осветления сыворотки некоторое время
применяли специальный сепаратор марки А1-ОТС с двухэтапной периодической
центробежной выгрузкой осадка (рис. 15).
Управление выгрузкой осадка в этом сепараторе -
ручное, с учетом визуального контроля результатов осветления. Выгрузку осадка
из барабана осуществляли, как только помутнеет осветленная сыворотка в
специальном смотровом окне на трубопроводе отвода просепарированного продукта. После
перекрытия крана на линии поступления исходного продукта, поворотом крана на
гидросистеме сепаратора производится выброс из барабана межтарелочной жидкости
(сыворотки), а затем уже поворотом того же крана осуществляли центробежную
выгрузку осадка.
Таким образом, двухэтапная выгрузка осадка
позволяет получить более высокое содержание сухих веществ (не ниже 20%) в
белковом концентрате (белковой массе).
Рис. 15. Сепаратор А1-ОТС:
1
-коммуникации; 2 - крышка сепаратора; 3 - барабан; 4 - приемник осадка; 5 -
станина; 6 - гидроузел
Этот сепаратор имеет следующие технические
характеристики: производительность - 5000 л/ч; скорость вращения барабана -
4400 об/мин; мощность электродвигателя - 13 кВт.
В настоящее время для очистки сыворотки от
хлопьев коагулированного белка выпускают специальный саморазгружающийся
сепаратор марки Ж5-ОТС (рис. 16).
Рис. 16. Сепаратор Ж5-ОТС:
1
- станина с приводным механизмом; 2 - тахометр; 3 - гидроузел; 4 - пакет
конических тарелок; 5 - барабан; 6 - вертикальный вал; 7 - пробка отверстия для
спуска масла; 8 - указатель уровня масла; 9 - пробка отверстия для залива
масла; 10 - корпус; 11 - поршень; 12 - тарелкодержатель; 13 - крышка барабана;
14 - питающая трубка; 15 - напорный диск; 16 - колпак; 17 - приемник шлама; 18
- клапан
В данном сепараторе процесс разгрузки полностью
автоматизирован. После заполнения шламового пространства белковой массой, что
фиксируется по помутнению фугата в смотровых окнах, подача сыворотки на очистку
прекращается. При помощи гидравлического устройства поршень клапанного
механизма перемещается к центру сепаратора, открывая каналы для удаления жидкой
сыворотки из межтарелочного пространства. Затем при помощи того же устройства буферная
жидкость (вода) открывает разгрузочные щели барабана. Белковая масса (осадок)
под действием центробежной силы выбрасывается из шламового пространства в
приемник. После прекращения подачи буферной жидкости поршни клапана и барабана
возвращаются в исходное положение и процесс сепарирования продолжается.
Производительность сепаратора Ж5-ОТС является
достаточной для получения сыворотки необходимой степени осветления, что было
доказано по результатам производственных испытаний (табл. 18)
[27].
Таблица 18
Результаты
производственных испытаний
|
Производительность
по сыворотке, л/ч
|
Эффективность
выделения взвешенного осадка, %
|
Влажность
осадка, %
|
|
5400
|
98,1
|
75,2
|
|
5200
|
94,3
|
78,1
|
|
5000
|
97,8
|
77,9
|
|
5000
|
96,7
|
76,4
|
|
4800
|
97,5
|
78,2
|
|
4700
|
95,5
|
78
|
Процесс получения белковой массы на
саморазгружающемся сепараторе происходит непрерывно (отстойники и фильтр-прессы
не используются). Мойка машины - безразборная.
Опыт внедрения сепараторов марки Ж5-ОТС показал
высокую эффективность процесса центрифугирования.
Однако сепаратор модели ОТС можно
усовершенствовать за счет пружинной упругой вставки в барабан, что позволит
улучшить процесс разгрузки белковой массы и повысить содержание сухих веществ в
ней.
Процесс отделения денатурированных хлопьев белка
из сыворотки с использованием сепаратора-очистителя достаточно эффективен и
технологичен.
Эффективность очистки сыворотки на
саморазгружающемся сепараторе (составляет 97,8%) не уступает эффективности
фильтрации и значительно превосходит способ отстоя. Количество взвешенного
осадка в очищенной сыворотке не превышает 0,06% (может быть 0,01%). Влажность
белковой массы не превышает 80%.
Следует отметить, что некоторые сложности могут
возникнуть в тех случаях, когда после коагуляции белков сыворотка некоторое
время отстаивается в ванне для отваривания альбумина. В этом случае в сепаратор
поступает суспензия со значительно повышенным содержанием дисперсной фазы, идет
быстрое заполнение, а затем и переполнение шламового пространства, т.е. осадком
заполняются даже межтарелочные пространства. Как правило, это приводит к
«зависанию» осадка при его выгрузке, барабан начинает усиленно вибрировать, что
и небезопасно и отрицательно сказывается на работоспособности сепаратора,
особенно приводного механизма.
Избежать указанного явления можно только за счет
своевременной подачи исходного продукта на сепарирования, а именно - сразу же
после появления хлопьев белка при его коагуляции.
Также следует отметить, что не исключается
возможность использования для осветления молочной сыворотки саморазгружающихся
сепараторов-молокоочистителей. В этом случае содержание сухих веществ в
белковой массе будет несколько ниже, но на уровне 15%. Необходимо только
правильно подобрать время между разгрузками или снабдить отводной трубопровод
смотровым окном. Время между разгрузками должно быть установлено таким образом,
чтобы к моменту центробежной выгрузки осадка шламовое пространство барабана
было бы заполнено осадком примерно на 80%.
2.8 Метод ультрафильтрации
2.8.1 Мембранные методы разделения
Кроме уже описанных способов осветления молочной
сыворотки возможно использование метода ультрафильтрации.
Данный метод необходимо рассматривать
обособлено, т. к. при его осуществлении нет необходимости в предварительной
коагуляции белков сыворотки, а происходит отделение нативного белка.
Ультрафильтрация является мембранным методом
обработки. Она основана на свойствах молочной сыворотки как гетерогенной
системы с четко выраженной селективностью компонентов по молекулярной массе,
размерам и ионной силе.
Основной деталью мембранных установок являются
специальные полупроницаемые мембраны с различным диаметром пор, соизмеримых с
молекулами находящихся в растворе компонентов. В зависимости от диаметра пор
мембраны происходит разделение находящихся в растворе компонентов: компоненты с
размерами менее диаметра пор проходят через мембрану, а компоненты с большими
размерами задерживаются. Получаются два раствора с различными компонентами
(рис. 17).
Рис. 17. Принцип разделения молекул
при ультрафильтрации: 1 - мембрана; 2 - макромолекулы; 3 - вода; 4 -
минеральные вещества
Проницаемость всех видов мембран во
время работы снижается, что обусловлено концентрационной поляризацией
(образованием на поверхности фильтра слоя раствора с повышенной концентрацией),
вследствие чего осмотическое давление и гидродинамическое сопротивление
увеличиваются. Для уменьшения этого эффекта раствор необходимо энергично
перемешивать или резко увеличить скорость его прохождения через мембрану.
Мембраны изготовляют из различных
материалов: полимерных пленок, стекла, металлической фольги и т. д. Наиболее
распространены мембраны из полимерных пленок.
Мембраны должны обладать следующими
свойствами: высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной
производительностью (проницаемостью), постоянством своих характеристик в
процессе эксплуатации, химической стойкостью в разделяющей среде, механической
прочностью.
Полупроницаемые мембраны бывают
пористыми и непористыми. Для проведения процесса ультрафильтрации применяют
пористые мембраны, изготовляемые в основном из полимерных материалов. Они имеют
тонкий (около 0,25 мкм) поверхностный слой (так называемый «активный слой») и
микропористую подложку (матрицу) из того же полимера толщиной примерно 50 мкм.
Для придания повышенной механической прочности мембрану дополнительно армируют
нетканой подложкой из пористого полимера (рис. 18).
Рис. 18. Анизотропная мембрана: а -
без армирующей подложки; б - с подложкой; 1 - полупроницаемый слой; 2 -
дренажный слой; 3 - армирующая подложка
В промышленности применяют следующие
полимерные мембраны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы, акрилонитриловые,
нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на основании поликарбонатов и
полисульфонов. Эти мембраны, изготовленные из различных полимеров, имеют ряд
преимуществ: достаточную механическую прочность, равномерность размеров пор,
высокую химическую стойкость.
Фильтрующая перегородка из
полимерных мембран может иметь любую форму. Изготовляют полимерные мембраны в
виде плоских пленок и лент, цилиндрических пленок на пористой цилиндрической
основе и полых волокон.
Для ультрафильтрации молочного сырья
созданы два типа полупроницаемых мембран: ацетатцеллюлозные (первое поколение)
и поли-сульфонамидные на подложке из электроизоляционной бумаги (второе
поколение) (табл. 19).
Таблица 19 Техническая
характеристика мембран
|
Показатель
|
Мембраны
|
|
ацетатцеллюлозные
типа (УАМ)
|
полисульфонамидные
типа (УМП-II)
|
|
рН
среды
|
3-8
|
1-13
|
|
Температура
среды, °С
|
0-55
|
0-90
|
|
Давление,
МПа
|
до
0,7
|
до
0,74
|
|
Проницаемость
при обработке молочного сырья (Р=0,3 МПа), л/м2/ч:
|
|
|
|
Т=50°С
|
35-40
|
0-45
|
|
Т=10°С
|
8-10
|
8-10
|
|
Селективность
по белку, %
|
90-92
|
92-95
|
|
Гарантийный
срок, мес.
|
6
|
12
|
Ацетатцеллюлозные мембраны имеют низкую
механическую прочность (изготавливают без армирующей подложки) и недостаточную
термохимическую стойкость. При их мойке предусмотрено использование
дорогостоящих ферментных препаратов.
В последнее время появились высокопрочные
мембраны третьего поколения, изготовленные на основе металлокерамики, которые
выдерживают температуру до 400°С, допустимый интервал рН от 1 до 14 и не имеют
ограничений по концентрации ионов металлов в промывочной воде.
Применительно к молочной сыворотке главными
достоинствами мембранного способа разделения является:
ü возможность направленного
регулирования ее состава и свойств при сравнительно небольших энергетических
затратах;
ü создание на этой основе новых
молочных продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической
ценностью;
ü рациональное использование молочной
сыворотки на основе малоотходных и безотходных технологических процессов.
При использовании мембраны в необходимом
количестве собираются в узлах, которые называют ультрафильтрационными модулями.
Для проведения ультрафильтрации молочной
сыворотки используют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 10 до 100 нм,
способные задерживать компоненты с молекулярной массой от 10 и выше.
Необходимое давление для осуществления процесса ультрафильтрации находится на
уровне от 0,1 до 1 МПа (от 1 до 10 атм).
Производительность мембран зависит, помимо
размеров пор, также от давления фильтрации и температуры продукта (рис. 19,
20).
Из приведенных диаграмм видно, что с повышением
рабочего давления производительность мембран возрастает, но по достижении
определенного уровня (максимально допустимого давления фильтрации) рост ее
прекращается. Производительность мембран типа УАМ при дальнейшем повышении
давления до некоторой величины (критической величины давления фильтрации) резко
снижается.
Рис. 19. Зависимость проницаемости мембран по
творожной сыворотке при температуре 20°С от давления
Рис. 20. Зависимость проницаемости мембран по
творожной сыворотке при давлении 0,4 МПа от температуры
Многими исследователями отмечено, кроме того,
что даже при давлении в пределах максимального (0,4 МПа) мембраны типа УАМ
снижают производительность до 50% в течение 2 ч работы. За это время происходит
их усадка, и только по истечении его эти мембраны приобретают свои стабильные
характеристики (производительность и селективность). Мембраны типа УМП не имеют
критических давлений фильтрации, т. к. они отличаются более жесткой
крупнозернистой структурой. Однако и эти мембраны на первоначальной стадии
работы дают усадку (коэффициент усадки от 0,35 до 0,40) [15].
Повышение температуры фильтрации от 20 до 50°С
способствует увеличению производительности мембран на 90% (за счет уменьшения
вязкости и интенсификации броуновской диффузии молекул раствора), поэтому
процесс ультрафильтрации эффективнее вести при более высоких температурах.
С точки зрения сохранности нативных свойств
молочного сырья, а также получения концентратов и фильтратов с хорошими
микробиологическими показателями температуру 50-55°С можно рекомендовать как
наиболее оптимальную при ультрафильтрации молочной сыворотки.
Метод ультрафильтрации принципиально отличается
от обычного фильтрования, т. к. образуются два раствора: концентрированный и
разбавленный, тогда как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной
перегородке.
В результате ультрафильтрации получается
белковый концентрат, содержащий высокомолекулярные соединения молочной
сыворотки, и фильтрат (пермеат) - раствор лактозы, минеральных солей и других
низкомолекулярных соединений, аналогичный по составу молочной сыворотке.
Основной задачей управления процессом
ультрафильтрации является поддержание заданных технологических режимов с
получением белкового концентрата и фильтрата с необходимым составом (табл. 20,
21).
Таблица 20 Состав
белкового концентрата
|
Продукт
|
Содержание,
%
|
|
сухих
веществ
|
белка
|
лактозы
|
минеральных
солей
|
молочной
кислоты
|
воды
|
|
Исходная
сыворотка
|
6,5
|
0,7
|
4,5
|
0,6
|
0,6
|
93,5
|
|
Концентрат
|
18
|
12,5
|
4,5
|
0,6
|
0,6
|
82
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 21 Состав
фильтрата сыворотки
|
Показатель
|
Фильтрат
|
|
подсырной
сыворотки
|
творожной
сыворотки
|
|
Сухие
вещества, %
|
5,1-5,4
|
5,2-5,6
|
|
лактоза
|
4,2-4,8
|
4,2-4,8
|
|
белок
|
0,20-0,24
|
0,20-0,24
|
|
зола
|
0,50-0,75
|
0,6-0,9
|
|
Макроэлементы,
мг на 100 г.
|
|
|
|
кальций
|
55-70
|
85-120
|
|
фосфор
|
40-65
|
65-80
|
|
калий
|
120-180
|
150-280
|
|
натрий
|
61-90
|
45-75
|
|
Микроэлементы,
мг на 100 г.
|
|
|
|
медь
|
2,7
1,0
|
-
|
|
цинк
|
11,5-20,5
|
-
|
|
железо
|
63-80
|
-
|
|
марганец
|
5,2-5,5
|
4,6-4,8
|
|
Активная
кислотность, рН
|
5,2-5,8
|
4,7-5,1
|
|
Титруемая
кислотность, °Т
|
8-18
|
80-100
|
|
Плотность,
кг/м3
|
1012-1018
|
1016-1018
|
|
Вязкость,
Па·с
|
1,135-1,15
|
1,130-1,155
|
Перед проведением ультрафильтрации молочную
сыворотку желательно (не обязательно) подвергать предварительной обработке для
предотвращения загрязнения мембран и увеличения их срока службы.
Оптимальным режимом подготовки подсырной
сыворотки является тепловая обработка при температуре от 58 до 62°С с
последующей выдержкой около часа и доведение рН обрабатываемого продукта до
5,5.
Творожную сыворотку нагревают до 90°С и
выдерживают от 15 до 20 мин, после этого охлаждают до 50°С и направляют в
мембранную обработку.
Такая обработка способствует инактивации фосфата
кальция, который сильно засоряет мембраны.
2.8.2 Ультрафильтрационная установка А1-ОУС
Для выделения белков из молочной сыворотки
предназначена ультрафильтрационная установка А1-ОУС (рис. 21), имеющая
следующие технические характеристики (табл. 22).
Рис. 21. Схема ультрафильтрационной установки
А1-ОУС:
1,2
- резервуары исходного продукта, 3, 11, 13, 17 - трубопроводы; 4 - отвод; 5 -
манометр; 6, 15 - расширители; 10, 12, 14 - секции модулей; 7 - фильтр; 8 -
соединитель; 9 - ротаметр; 16 - клапан; 18 - теплообменник; 19 - резервуар
фильтрата; 20 - предохранительный клапан; 21 - установка пластинчатая
нагревательная 21; 22 - насос.
Таблица 22 Техническая
характеристика ультрафильтрационной установки А1-ОУС
|
Техническая
характеристика
|
Значение
показателя
|
|
Производительность,
л/ч
|
5000
|
|
Общая
рабочая поверхность мембран, м2
|
152
|
|
Давление
сжатого воздуха, МПа
|
0,6
|
|
Установленная
мощность, кВт
|
77,8
|
|
Температура
воды, К
|
353
|
|
Расход
горячей воды, м3/ч
|
17
|
|
Температура
ледяной воды, К
|
273,5
- 274,5
|
|
Расход
холода, кВт
|
45,5
|
|
Температура
горячей умягченной воды, К
|
313
- 318
|
|
Расход
горячей воды, м3/ч
|
3
|
|
Температура
холодной умягченной воды, К
|
291
- 293
|
|
Расход
холодной воды, м3/ч
|
25
|
|
Габаритные
размеры, мм
|
16500x3005x1828
|
|
Площадь
установки, м2
|
80
|
|
Масса,
кг
|
16000
|
Ультрафильтрационная установка состоит из шести
ультрафильтрационных секций, соединенных последовательно. Каждая ультрафильтрационная
секция состоит из параллельно соединенных модулей 10, 12 и 14.
Мембранный модуль - это основной элемент
ультрафильтрационного аппарата. В установке А1-ОУС используют модули двух
типоразмеров с рабочей поверхностью 7,7 и 3,6 м2. Первый из них
содержит 53 фильтрующих элемента и 54 эластичные прокладки, второй -
соответственно 25 и 26. В аппарате первые четыре секции компонуют из модулей
первого типоразмера, две последние - из второго.
Конструкция модуля (рис. 22) представляет собой
плоскорамный фильтр-пресс с плоскими фильтрующими элементами.
Рис. 22. Модуль ультрафильтрационной установки
Модуль состоит из нижней 1 и верхней 4 несущих
плит, между которыми расположен пакет 8 фильтрующих элементов, содержащий
опорную пластину, дренажный материал и полупроницаемую мембрану 11. Плиты
стягиваются с помощью шпилек 2 и 10, гаек 3 и 6 и шайб 5. Фильтрующие элементы
в пакете разделяются между собой эластичными прокладками 9.
Опорные пластины имеют отверстия в виде щели,
длина которой равна ширине полупроницаемой мембраны 11. Мембрана выполнена в
виде полосы, продетой через щель, а эластичная прокладка 9 - в виде рамки,
перекрывающей полупроницаемую мембрану по всем ее кромкам.
Модуль комплектуется мембранами типа УАМ-450 с и
лавсановой фильтровальной тканью. На верхней плите 4 имеется рым-болт 7 для
удобства монтажа и обслуживания.
Каждая секция содержит циркуляционный насос и
теплообменник. Насос обеспечивает многократную циркуляцию продукта по контуру
секции. Производительность насоса подобрана из условий обеспечения скорости
жидкости над мембраной от 1,5 до 2,0 м/с. Теплообменник 18 предназначен для
охлаждения циркулирующего продукта (см. рис 21).
Подающий насос подает подсырную сыворотку в
установку. Пластинчатая установка 21 предназначена для нагрева подсырной
сыворотки перед подачей в первую секцию ультрафильтрационной установки.
Резервуары 1 и 2 служат для накапливания
сыворотки перед ультрафильтрацией. Фильтр 7 предназначен для фильтрации
подсырной сыворотки перед ее поступлением в первую секцию ультрафильтрационной
установки. Контрольно-измерительные и регулирующие приборы, а также элементы
управления технологическим процессом сосредоточены на щите контроля и
управления.
Установка снабжена прессом, который используется
при сборке модулей и предназначен для сжатия пластин модуля в пакет,
обеспечивая тем самым его герметичность.
Работа установки осуществляется следующим
образом.
При прохождении молочной сыворотки через модули
шести секций ультрафильтрационной установки происходит наращивание ее
концентрации за счет отбора фильтрата, проходящего через полупроницаемые
мембраны.
Фильтрат со всех шести секций установки
отводится в промежуточный резервуар фильтрата, откуда он поступает в приемные
ёмкости для дальнейшего использования.
Выход установки на режим осуществляется при
закрытом регулирующем клапане. При достижении заданного значения содержания
сухих веществ в шестой секции клапан открывается и производится выход
концентрата. В процессе работы установки содержание сухих веществ в концентрате
поддерживается автоматически регулирующим клапаном.
Подпитка системы в связи с непрерывным отбором
фильтрата и выпуском готового концентрата при достижении заданного содержания
сухих веществ обеспечивается непрерывной подачей выворотки из резервуаров
насосом 22. Подпитка системы обеспечивает заданную производительность по
фильтрату и концентрату.
2.9 Сравнительная характеристика методов
осветления сыворотки
Рассмотренные в данной работе различные способы
денатурации сывороточных белков молочной сыворотки имеют свои достоинства и
недостатки. Проведя их сравнение можно выбрать наиболее выгодный вариант
коагуляции белков (табл. 23),
который позволит получать продукт необходимой степени осветления, а также
использовать денатурированные белки для дальнейшей переработки в других
отраслях пищевой промышленности.
Как мы видим, наиболее качественный способ - это
использование биополимера хитозана. Его использование выгодно не только из-за
самого высокого процента выделения белка (93%), но и вследствие его
многофункциональности в физиологическом отношении, как биологически активной
добавки.
Таблица 23 Степень
коагуляции белков молочной сыворотки при различных способах
|
Способ
коагуляции
|
Реагент-коагулянт
|
Расход
реагента на 1 т сыворотки, л
|
Выделение
белка, %
|
|
|
|
пределы
колебаний
|
среднее
значение
|
|
Тепловой
|
-
|
20
- 34
|
27
|
|
Кислотный
|
Соляная
кислота
|
1,5
- 2
|
37
- 63
|
48
|
|
Молочная
кислота
|
4
- 4,5
|
39
- 57
|
47
|
|
Уксусная
кислота
|
1
- 1,5
|
39
- 55
|
48
|
|
Кислая
сыворотка
|
130
- 150
|
38
- 45
|
41,5
|
|
Хлоркальциевый
|
Хлористый
кальций
|
9
- 10
|
39
- 55
|
54,3
|
|
Кислотно-щелочной
|
Соляная
кислота + питьевая сода
|
75
- 80
|
45
- 63
|
54,3
|
|
Комплексообразование
|
Полиакриловая
кислота
|
10
|
50
- 70
|
65
|
|
Железосодержащая
полиакриловая кислота
|
3
- 10
|
75
- 85
|
80
|
|
Хитозан
|
2,5
- 10
|
90
- 95
|
93
|
Применение хитозана позволяет получить продукт с
уникальными лечебными свойствами, что является дополнительным преимуществом. Но
хитин (панцири ракообразных), из которого и получают хитозан, очень
дорогостоящий продукт, поэтому и использование хитозана требует больших затрат.
Поэтому с экономической точки зрения наиболее
выгодным становится использование полиакриловой кислоты, либо
кислотно-щелочного способа, однако они сильно уступают в качестве выделения
белков.
В настоящее время в молочной промышленности
наиболее широко применяется кислотно-щелочной способ коагуляции при значениях
рН, близких к изоэлектрической точке. Но этот способ не является достаточно
надежным и технологичным.
Таким образом, для выделения белков из молочной
сыворотки следует применять метод комплексообразования с использованием
раствора хитозана. Это метод позволяется получить высокую степень выделения
белков (до 93%) и приносит дополнительные уникальные свойства продукту.
Однако следует отметить, что необходимо проводить
исследования по получению биополимера хитозана из новых источников (мелкие
ракообразные и пчелы), чтобы обеспечить большую экономическую выгоду.
После коагуляции белки необходимо выделить из
сыворотки. Для этого применяются различные аппараты и установки (табл. 22).
Таблица 22 Эффективность
различных способов выделения белковых хлопьев из молочной сыворотки
|
Сыворотка
|
Способ
очистки
|
Содержание
белка, %
|
Удалено
белка, %
|
|
|
|
|
всего
|
коагули-рованного
|
|
|
Исходная
|
-
|
0,84
|
-
|
-
|
|
|
Очищенная
|
Отстой
в течение 1,5ч
|
0,43
|
49
|
85
|
|
|
Фильтрация
через ткань (без предварительного отстоя)
|
0,45
|
48
|
77
|
|
|
Фильтрация
через ткань (без отстоя, с наполнителем)
|
0,375
|
59
|
90
|
|
Фильтрация
через ткань (с предварительным отстоем)
|
0,38
|
58,6
|
88
|
|
Фильтрация
через ткань (с отстоем, с наполнителем)
|
0,32
|
62
|
94
|
|
Фильтрация
через бумагу (контроль)
|
0,31
|
63,5
|
95
|
|
Сепарирование
|
0,315
|
62,5
|
97,8
|
|
Ультрафильтрация
|
0,2
- 0,24
|
70
- 75
|
-
|
|
|
|
|
|
|
|
Как мы видим, наиболее эффективное разделение
суспензии коагулированных белков для промышленного использования можно добиться
центробежным способом на специальных сепараторах.
Эффективность очистки сыворотки на
саморазгружающемся сепараторе несколько превышает эффективность фильтрации и
значительно превосходит способ отстоя.
Способ коагуляции в определенной мере влияет на
последующее центробежное разделение образовавшейся суспензии, поскольку способы
отличаются и по степени коагуляции белков и по степени дисперсности
образовавшейся системы. Предпочтение по этим показателем за кислотно-щелочным
способом и использованием комплексообразователей.
Отдельно следует рассмотреть метод
ультрафильтрации, который не требует предварительной коагуляции белков
сыворотки, и проводится выделение нативного белка.
Преимуществом мембранного способа разделения
является возможность направленного регулирования состава и свойств получаемого
продукта и рациональное использование молочной сыворотки на основе малоотходных
и безотходных непрерывных технологических процессов. Однако применяемые
ацетатцеллюлозные мембраны имеют низкую химическую и микробиальную стойкость,
что влияет на продолжительность их работы и как следствие на стоимость
производства, также данные мембраны требуют частой дезинфекции и сложной
очистки. Только дальнейшее совершенствование мембран позволит использовать ультрафильтрационные
установки повсеместно.
Таким образом, по результатам анализа различных
методов осветления молочной сыворотки при производстве напитков, мы можем
сделать вывод, что наиболее качественное осветление происходит после
денатурации белков сыворотки при помощи комплексообразователя - хитозана, с
последующим отделением осадка на специализированном сепараторе. В следующем
разделе мы рассмотрим принцип работы такого сепаратора и рассчитаем его
характеристики.
3. конструкторский
раздел
3.1 Сепаратор-осветлитель Ж5-ОТС
В настоящее время для очистки сыворотки от
хлопьев коагулировавшегося белка выпускают специальный саморазгружающийся
сепаратор марки Ж5-ОТС (рис. 23), а его технические характеристики следующие
(табл. 23).
Таблица 23 Техническая
характеристика сепаратора Ж5-ОТС
|
Техническая
характеристика
|
Значение
показателя
|
|
Производительность
по исходной сыворотке, л/ч
|
5000
|
|
Рабочая
частота вращения барабана, с-1
|
83
|
|
Количество
тарелок, шт.
|
158
|
|
Межтарелочный
зазор, мм
|
0,5
|
|
Диаметр
образующей тарелки, мм:
|
|
|
максимальный
|
400
|
|
минимальный
|
120
|
|
Угол
наклона образующей тарелки, град.
|
50
|
|
Размер
белковых хлопьев в исходной сыворотке, мм, не более
|
0,5
|
|
Давление
буферной жидкости, МПа
|
0,15
|
|
Температура
сепарирования, оС
|
90
- 95
|
|
Вместимость
шламового пространства, л
|
19
|
|
Мощность
электродвигателя, кВт
|
15
|
|
Габариты,
мм
|
1450х1040х1580
|
|
Масса
сепаратора, кг
|
1488
|
Сепаратор состоит из литой чугунной станины 1,
гидроузла 3, приемника шлама 17, барабана 5 и колпака 16.
Во внутренней части станины находится масляная
ванна для смазки частей механизма. Уровень масла контролируется визуально
посредством указателя 8. Масло заливается в станину через специальное отверстие
для залива 9. Выпускное отверстие с пробкой 7 служит для смены масла и слива
моющих средств.
Рис. 23. Сепаратор Ж5-ОТС:
1
- станина с приводным механизмом; 2 - тахометр; 3 - гидроузел; 4 - пакет
конических тарелок; 5 - барабан; 6 - вертикальный вал; 7 - пробка отверстия для
спуска масла; 8 - указатель уровня масла; 9 - пробка отверстия для залива
масла; 10 - корпус; 11 - поршень; 12 - тарелкодержатель; 13 - крышка барабана;
14 - питающая трубка; 15 - напорный диск; 16 - колпак; 17 - приемник шлама; 18
- клапан
Также внутри станины размещены горизонтальный
вал, вертикальный вал 6 и тахометр 2. Она закрывается крышкой, на которой
монтируется тахометр для контроля числа оборотов горизонтального вала.
Горизонтальный вал соединен с валом электродвигателя муфтой. В его средней
части имеются две шестерни. Одна нарезана на валу и входит в зацепление с
шестерней вала тахометра. Вторая крепится с помощью шпонки и входит в
зацепление с винтовой шестерней на вертикальном валу 6. Вертикальный вал
устанавливается в верхней и нижней опорах.
На валу 6 крепится барабан 5, который является
основным рабочим узлом сепаратора. В нем происходит очистка молочной сыворотки
от примесей под действием центробежных сил. Барабан сепаратора состоит из
корпуса 10, крышки 13 и тарелкодержателя 12 с пакетом тарелок 4. В пакете 158
тарелок с расстояниями между ними 0,5 мм.
Молочная сыворотка поступает в барабан по
питательной трубке 14. Внутри камеры барабана размещается также диск 15 напора
сыворотки, надетый на центральную трубку.
К станине крепится приемник шлама, имеющий
сборники шлама и буферной воды. Приемник шлама предназначен для отвода осадка,
выбрасываемого из барабана.
Принцип работы сепаратора марки Ж5-ОТС
следующий: сыворотка с хлопьями скоагулировавших белков по центральной трубе
поступает в барабан, где под действием центробежной силы происходит выделение
белковых хлопьев, которые скапливаются в приемнике шлама. Очищенная сыворотка
выводится под напором из сепаратора.
После заполнения шламового пространства белковой
массой, что фиксируется по помутнению фугата в смотровых окнах, подача сыворотки
на очистку прекращается. При помощи гидравлического устройства поршень 11
клапанного механизма 18 перемещается к центру сепаратора открывая каналы для
удаления жидкой сыворотки из межтарелочного пространства. Затем при помощи того
же устройства буферная жидкость (вода) открывает разгрузочные щели барабана.
Белковая масса (осадок) под действием центробежной силы выбрасывается из
шламового пространства в приемник. После прекращения подачи буферной жидкости
поршни клапана и барабана возвращаются в исходное положение и процесс
сепарирования продолжается.
Сепаратор укомплектован электродвигателем типа -
4А160S4-УЗ, с исполнением
- МЗ01.
3.2 Основные расчеты сепараторов
Выполним расчеты сепаратора,
используя следующие исходные данные: число тарелок 
, высота
тарелки 
, частота
вращения барабана 
,
максимальный радиус тарелки 
, минимальный радиус тарелки 
, вязкость
сыворотки 
, плотность
белковой частицы 
, плотность
молочной сыворотки 
, угловая
скорость вращения барабана 
, угол образующей тарелки 
, радиус
отделяемой частицы 
, расстояние
между тарелками по вертикали 
, толщина тарелки 
, высота
пакета тарелок 
,
концентрация взвешенных частиц в сепарируемом продукте а=80%, высота барабана 
,
максимальный наружный радиус барабана 
, масса барабана 
, расстояние
между верхним и нижним подшипником 
, расстояние от верхнего подшипника
до центра тяжести 
, диаметр
вертикального вала 
, частота
вращения ротора сепаратора 
.
. Важнейшая характеристика
сепаратора - его разделяющий фактор Ф, под действием которого осуществляется
технологический процесс. Разделяющий фактор определяют по комплексу параметров
сепаратора [8]:
где 
- число тарелок, шт; 
- высота
тарелки, м; 
- частота
вращения барабана, с-1; 
- производительность сепаратора, м3/с;
-
максимальный радиус тарелки, м; 
- минимальный радиус тарелки, м.
Также можно определить фактор разделения для
суспензии «сыворотка - хлопья белка» по формуле [27]:
где 
- вязкость сыворотки, Па; 
- плотность
белковой частицы, кг/м3; 
- плотность молочной сыворотки,
кг/м3; 
-
эквивалентный размер частицы, подлежащей выделению, м-2.
Как мы видим фактор разделения
рассматриваемого сепаратора удовлетворяет необходимому значению этого
показателя для суспензии «сыворотка - хлопья белка», поэтому сепаратор Ж5-ОТС
можно использовать для осветления сыворотки.
. Необходимо знать основные
конструктивные факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность
процесса сепарирования. Их можно определить следующим образом.
1) Производительность сепаратора определяется
по формуле [9]:
где 
- угловая скорость вращения
барабана, рад/с; 
- разность
плотности частицы и сыворотки, кг/м3; 
- угол образующей тарелки, град; 
- радиус
отделяемой частицы, м; 
-
расстояние между тарелками по вертикали, м; 
- толщина тарелки, м.
В большинстве случаев в технических
характеристиках производительность сепараторов приводится в единицах - л/ч,
поэтому проведем перевод полученного результата:
2) Объём осадка, удаляемого из сепарируемого
устройства определяется по формуле [8]:
где 
- высота пакета тарелок, м.
3) Время непрерывной работы сепаратора между
разгрузками равно [9]:
где а - концентрация взвешенных частиц в
сепарируемом продукте, %.
4) Температура сепарирования определяется по
формуле [8]:
5) Мощность электродвигателя привода
сепаратора равна [8]:
где 
- коэффициент, (К ≈ 0,015); 
- высота
барабана, м; 
-
максимальный наружный радиус барабана, м.
6) Критическая частота вращения вала, т. е.
скорость, при которой происходит разрушение вала равна [9]:
(1)
где - сила, вызывающая прогиб вала на
1м, Н/м; 
- масса
барабана, кг.
Сила, вызывающая прогиб вала,
определяется по формуле:
(2)
где 
- модуль упругости материала вала,
Н/м2, (
); 
- момент
инерции сечения вертикального вала, м4; 
-
расстояние между верхним и нижним подшипником, м; 
-
расстояние от верхнего подшипника до центра тяжести, м.
В свою очередь момент инерции
сечения вертикального вала равен:
где 
- диаметр вала, м.
Определим силу, необходимую для
прогиба вала, по формуле (2):
Подставив определенные параметры в
формулу (1), получим критическую частоту вращения вала:
7) Расчет надежности ротора сепаратора [10].
Окружная скорость ротора определяется по
формуле:
где - частота вращения ротора, об/мин; - диаметр
ротора, м.
Критерий прочности равен:
где 
- предел текучести материала ротора
(сталь), Па, (
); 
- плотность
материала ротора, кг/м3, (
).
Критерий прочности, соответствующий
разрушению материала в наиболее нагруженных точках стенки ротора равен:
где 
- коэффициент запаса прочности, (
).
Полученное значение 
, поэтому
толщину стенки ротора барабана можно найти по теории тонкостенного цилиндра
[13].
Для 
коэффициент 
, тогда
толщина стенки ротора определим по формуле:
где 
- внутренний радиус ротора, м, (
).
Коэффициент вариации квадрата
скорости ротора равен:
где 
- среднее квадратическое отклонение
квадрата скорости, м2/с2, (
).
Рассчитаем отношение необходимое для
определения надежности ротора по формуле:
где 
- среднее квадратичное отклонение
предела разрушения, Па, (
).
Вероятность неразрушения ротора, при
, по данным
для нормального распределения равна: 
[13], т. е. данный сепаратор
работает в нормальном режиме.
Таким образом, все рассчитанные нами
конструктивные факторы удовлетворяют данным приведенным для сепаратора Ж5-ОТС в
технической характеристике.
Производительность сепаратора равна
5000 л/ч, он непрерывно работает 0,005 ч, удаляя за один раз 19 л белкового осадка.
Рассчитанная мощность
электродвигателя соответствует мощности привода сепаратора, а критическая
частота вращения вала превышает заданную для сепаратора Ж5-ОТС частоту почти в
5 раз.
Вероятность разрушения ротора
сепаратора очень мала, т. е. данный сепаратор работает в нормальном режиме.
молочный сыровотка
фильтрация сепаратор
Заключение
В технологическом разделе работы
проанализированы технические требования к исходному сырью и рассмотрен
технологический процесс производства сывороточных напитков.
Молочная сыворотка является продуктом с
естественным набором жизненно важных соединений. Её ценность обусловлена:
углеводами, липидами, минеральными солями, витаминами, органическими кислотами,
ферментами, иммунными телами и микроэлементами. Биологические свойства
сыворотки позволяют производить на её основе разнообразные напитки с различными
наполнителями.
Операциями технологического процесса являются
пастеризация, составление смеси, охлаждение готового продукта. Главная операция
- осветление сыворотки, которой посвящен аналитический раздел.
В аналитическом разделе были рассмотрены
различные способы коагулирования сывороточных белков, а также методы их
выделения из суспензии «сыворотка-белки» на различных аппаратах. Была приведена
сравнительная характеристика различных методов и определен наиболее лучший из
них по комплексу показателей.
По результатам анализа различных методов
осветления молочной сыворотки, мы сделали вывод, что наиболее качественное
осветление происходит после денатурации белков сыворотки при помощи
комплексообразователя - хитозана, с последующим отделением осадка на
специализированном аппарате.
Был сделан выбор специализированного сепаратора
Ж5-ОТС, для его изучения и возможности применения.
В конструкторском разделе было подробно рассмотрено
устройство сепаратора для выделения коагулированных сывороточных белков Ж5-ОТС,
приведены его основные технические характеристики и описан принцип его работы.
Также были проведены конструктивные расчеты
параметров аппарата, энергетический расчет и расчеты на прочность основных и
наиболее нагруженных деталей сепаратора.
Все рассчитанные нами конструктивные факторы
удовлетворяют данным приведенным для сепаратора Ж5-ОТС в технической
характеристике.
Производительность сепаратора равна 5000 л/ч, он
непрерывно работает 0,005 ч, удаляя за один раз 19 л белкового осадка.
Рассчитанная мощность электродвигателя
соответствует мощности привода сепаратора, а критическая частота вращения вала
превышает заданную для сепаратора Ж5-ОТС частоту почти в 5 раз.
Вероятность разрушения ротора сепаратора очень
мала, т. е. данный сепаратор работает в нормальном режиме.
Список
литературы
1. Алиева Л.Р., Евдокимов Т.А.,
Василисин С.В. Осветление молочной сыворотки хитозаном // Материалы II
Всероссийской научно-технической конференции «Современные достижения
биотехнологии». - Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2002. - Т. 2. - С. 68-70.
2. А. с. 1011101 СССР, МКИ6
A23J1/20. Способ выделения белковых веществ из молочной сыворотки. / Воронков
М.Г., Анненкова В.З., Анненкова В.М., Угрюмова Г.С., Дианова Н.Г., Колодкин
А.М., Храмцов А.Г., Кириллова Л.Г., Холодов Г.И., Якунина А.И., Жидков В.Е.
(СССР). - № 3370354/28-13; заявл. 29.12.81; опубл. 15.04.83, Бюл. № 14. - 2 с.
. Бредихин С.А.,
Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника переработки молока. - М.:
Колос, 2003. - 400 с.: ил.
. Быков В.П. Состояние и
перспективы развития производства хитина, хитозана и продуктов на их основе из
панциря ракообразных // Материалы V Всероссийской научно-технической
конференции «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана». - М.: Изд-во
ВНИРО, 1999. - Т. 1. - С. 115-117.
. Волкова Т.А., Кравченко
Э.Ф. Альбуминовая масса из подсырной сыворотки // Сыроделие и маслоделие. -
2007. - № 6 - С. 42-47.
. Евдокимов Т.А., Василисин
С.В., Золотарева М.С. Осветление творожной сыворотки природным полимером
хитозаном // Молочная промышленность. - 2005. - № 10 - С. 61-63.
. Крусь Г.Н., Тиняков В.Г.,
Фофанов Ю.Ф. Технология молока и оборудование предприятий молочной
промышленности. - М.: Агропромиздат, 1986. - 279 с.: ил.
. Липатов Н.Н. Процессы и
аппараты пищевых производств. - М.: Экономика, 1986. - 271 с.
. Машины и аппараты пищевых
производств. В 2 кн. Кн. 1. / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков [и др.]
/ под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. - М.: Высшая школа, 2001. - 703 с.: ил.
. Остриков А.Н., Абрамов
О.В. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. - СПб.:
ГИОРД, 2004. - 352 с.
. Патент 2031598 Российская
Федерация, МКИ 6 A23J1/20. Способ выделения белковых веществ из молочной
сыворотки. / Храмцов А.Г., Василисин С.В., Евдокимов И.А., Виноградов Б.Д.,
Рослякова И.В.; заявитель и патентообладатель Ставропольский политехнический
институт. - № 5061562/13; заявл. 7.09.92; опубл. 27.03.95.
. Патент 2238002 Российская
Федерация, МКИ 7 А23С21/00, А23С21/08. Способ производства напитка из молочной
сыворотки. / Евдокимов И.А., Василисин С.В., Алиева Л.Р., Володин Д.Н.;
заявитель и патентообладатель Ставропольский политехнический институт. - №
2002115561/13; заявл. 10.06.2002; опубл. 20.10.2004.
. Практикум по курсу
«Технологическое оборудование» / А.Н. Остриков, М.Г. Перфенопуло, А.А. Шевцов
[и др.]. - Воронеж.: Воронежск. гос. технолог. академ., 1999. - 424 с.: ил.
. Российская Федерация.
Законы. Технический регламент на молоко и молочную продукцию: [федер. закон:
принят Гос. Думой 23 мая 2008 г.: по состоянию на 12 июня 2008 г.] [Электронный
ресурс]. - М. : КонсультантПлюс ВерсияПроф, 2008. - сетевая версия.
. Самойлов В.А., Нестеренко
П.Г., Толмачев О.Ю. Справочник технолога молочного производства. Т. 7.
Оборудование молочных предприятий (справочник - каталог). - СПб.: ГИОРД, 2004.
- 832 с.: ил.
. Свириденко Ю.Я. Научное
обеспечение промышленной переработки молочной сыворотки // Молочная
промышленность. - 2006. - № 6 - С. 18-19.
. Сенкевич Т., Ридель К.-Л.
Молочная сыворотка: переработка и использование в агропромышленном комплексе /
перев. с нем. к. б. н. Н.Х. Эпштейна / под ред. Н.Н. Липатова. - М.:
Агропромиздат, 1989. - 270 с.
. Современные наукоемкие
технологии переработки сырья и производства продуктов питания: состояние,
проблемы и перспективы развития: международная научно-практическая
дистанционная конференция / под ред. Н.М. Глебовой. - Омск: Изд-во АНО ВПО
«Омский экономический институт», 2008. - 280 с.
. Сурков В.Д., Липатов Н.Н.,
Золотин Ю.П. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности.
- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 431 с.
. Твердохлеб Г.В., Сажинов
Г.Ю., Раманаускас Р.И. Технология молока и молочных продуктов. - М.: ДеЛи
принт, 2006. - 616 с.
. Технология молока и
молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина [и др.] / под
ред. А.М. Шалыгиной. - М.: КолосС, 2006. - 455 с.: ил.
. Томбаев Н.И. Справочник по
оборудованию предприятий молочной промышленности. - М.: Пищевая промышленность,
1967. - 512 с.
. Тульский статистический
ежегодник 2008. Статсборники. - Т.: Туластат, 2008. - 310 с.
. Храмцов А.Г., Василисин
С.В. Справочник мастера по промышленной переработки молочной сыворотки. - М.:
Легкая и пищевая промышленность, 1983. - 172 с.
. Храмцов А.Г., Василисин
С.В. Справочник технолога молочного производства. Т. 5. продукты из
обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 576
с.: ил.
. Храмцов А.Г., Жидков В.Е.,
Холодов Г.И. Биотехнология напитков из молочной сыворотки. - Ставрополь.:
Ставрополь, 1996. - 142 с.
. Храмцов А.Г., Нестеренко
П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки. - М.: ДеЛи принт, 2004. - 587
с.