Аннотация

Изучены состав и свойства молочной сыворотки в процессе концентрирования обратным осмосом. Исследованы вязкостные характеристики сыворотки. Выбраны зависимости эффективной вязкости ультрафильтрационных концентратов с различной массовой долей сухих веществ. Изучен фракционный состав сывороточных белков ультрафильтратов.

Ключевые слова

Молочная сыворотка, обратный осмос, обработка, фракционный состав

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что молочная сыворотка содержит около двухсот компонентов молока и характеризуется высокой биологической ценностью благодаря содержанию полноценных сывороточных белков. Однако до настоящего времени рациональное использование молочной сыворотки является чрезвычайно актуальным. Решению этой проблемы может способствовать разработка и создание мембранной техники, которая открывает широкие возможности для переработки молочной сыворотки. Основным преимуществом мембранных процессов наряду с невысокой энергоемкостью является возможность разделения многокомпонентных систем, к которым относится сыворотка. Проведенные исследования по оптимизации сочетаний мембранных технологических процессов с целью получения сывороточных концентратов с регулируемым белково-углеводным и минеральным составом выявили следующие возможные рациональные схемы технологических процессов: - обратный осмос - ультрафильтрация; - обратный осмос - электродиализ - ультрафильтрация; - ультрафильтрация - электродиализ. Концентрирование подсырной сыворотки обратным осмосом при температуре 28-30оС и давлении 2,6-3,2 МПа позволяет получить продукт следующего состава (табл. 1). Дальнейшее проведение процесса приводит к высокой концентрационной поляризации на поверхности мембран вследствие вязкостных и гидродинамических условий истечения продукта. Таблица 1 Состав сыворотки и ее фильтрата, полученные при концентрировании обратным осмосом ПоказателиИсходнаяКонцентратыФильтрат Массовая доля, %:сухих веществ6,1012,0018,60,10 небелковых азотистых веществ0,200,360,540,06 белков0,601,201,830,00 лактозы4,508,9413,800,03 молочного жира 0,060,120,180,00 молочной кислоты0,140,280,450,00 зола 0,561,081,780,01 Решение задачи сочетания технологических схем определяется выявлением эффективного уровня концентрирования в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации, а также оценкой параметров циркуляции растворов в электродиализной установке. Критерием оценки могут служить вязкостные характеристики концентрата (рис. 1) и скорость фильтрации. Следует отметить, что увеличение вязкости происходит во всем исследуемом интервале, однако в концентратах с массовой долей сухих веществ 18,0-20,0% значения ее резко возрастают. При концентрировании обратным осмосом для аналогичных значений сухих веществ вязкость является сопоставимой. Таким образом, объяснимо резкое снижение скоростей фильтрации как при обратном осмосе, так и ультрафильтрации после обозначенного уровня. Таблица 2 Вязкостные характеристики сыворотки (η∙10-3, Па∙с), концентрированной обратным осмосом Градиент скорости, с-1Массовая доля сухих веществ, % 6,012,020,0 20оС50оС20оС50оС20оС50оС 843,282,092,922,484,012,76 7291,150,821,660,982,981,36 13121,040,621,600,802,821,24 Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости УФ-концентратов с различной массовой долей сухих веществ при скорости сдвига 1312 с-1 и температуре: 1 - 20оС; 2 - 50оС Сравнение характеристических данных вязкости концентратов, полученных при обратном осмосе и ультрафильтрации с массовой долей сухих веществ 20,0% позволяет сделать вывод о критичности дальнейшего фракционирования их ультрафильтрацией с целью получения высокобелковых продуктов. Предложенная нами схема обратный осмос-ультрафильт-рация использована при получении азотистых веществ до 35,0% в сухом продукте В дальнейшем исследовали особенности мембранного фракционирования белков молочной сыворотки в процессе ультрафильтрации без предконцентрирования. В результате проведенных экспериментов выявлены зависимости изменения массовых долей сухих и азотистых веществ (рис. 2). Установлена эффективность концентрирования сывороточных бел-ков методом ультрафильтрации до 55,0% в сухом веществе (18,0% сухих веществ). По мере повышения фактора концентрирования происходит увеличение содержания всех основных компонентов молочной сыворотки, особенно в значительной степени азотистых веществ. Помимо этого установлено, что темп повышения массовой доли жира в концентрате превалирует над темпом концентрирования азотистых веществ, что обусловлено практически полной селективностью мембран по жиру. Данный факт обусловлен размерами молекул концентрируемых компонентов, в частности сывороточных белков и жировой фазы. Эквивалентные размеры последней превосходят на два-три порядка аналогичные характеристики сывороточных белков. Рис. 2. Содержание сухих веществ (1), общего (2), белкового (3) азота и лактозы (4) в концентратах сывороточных белков Увеличение абсолютного содержания лактозы в концентрате, по сравнению с исходной сывороткой, указывает на селективность мембран по отношению к этому компоненту. Несмотря на увеличение абсолютной массовой доли лактозы и золы в белковом концентрате, относительное содержание их (в пересчете на сухое вещество) уменьшается. Так, при массовой доле сухих веществ 10 и 20% массовая доля лактозы снижается на 30 и 65%, а золы на 20 и 40% соответственно. Отметим, что такое содержание золы в сухом остатке белковых концентратов превышает в 2-3 раза аналогичный показатель, характерный для большинства пищевых продуктов. Учитывая результаты, приведенные на рис. 2, можно отметить, что для получения концентрата сывороточных белков с массовой долей азотистых веществ 35 и 55% в сухом остатке необходимо, чтобы содержание сухих веществ в концентрате после ультрафильтрации находилось в пределах 9,7-10,3 и 17,8-18,2% соответственно. Выявлено, что увеличение массовой доли сухих веществ с 18-20 до 24% ведет к снижению скорости ультрафильтрации, несмотря на относительно высокую скорость циркуляции раствора в аппарате, что является следствием высокой концентрационной поляризации на поверхности мембран. При известной селективности мембран количественный состав УФ-концентратов будет зависеть в основном от состава исходного сырья - белка, лактозы, жира и золы. Нами показано, что при концентрировании сывороточных белков методом ультрафильтрации часть из них непременно переходит в фильтрат в зависимости от размеров молекул и селективности мембран. Поэтому представляет особый интерес определение компонентного состава сывороточных белков с целью выявления изменений в их соотношении в процессе концентрирования и оценки полученного продукта. Таблица 3 Фракционный состав сывороточных белков ультрафильтратов Массовая доля, % Массовая доля азота (N×6,38), % сухих веществ белковых азотистых веществ иммунных глобулиновα-лакталь-буминаβ-лактоглобулинаминорных белков 1234 6,00,650,0650,1860,1490,1660,0420,042 10,02,60,3080,6930,6180,6180,1700,175 14,55,90,7351,5021,4411,4300,3890,402 18,09,51,3092,3842,3452,1750,6280,659 24,014,01,9563,2363,8413,4900,7530,724 Компонентный состав сывороточных белков определен с применением диск-электрофореза. Идентификацию проводили, используя данные об их относительной электрофоретической подвижности в полиакриламидном геле. В таблице приведен компонентный состав сывороточных белков при различной концентрации сухих веществ ультрафильтратов. Компоненты, обозначенные индексами 3 и 4, являются минорными и располагались после β-лактоглобулина. В результате проведенных исследований установлено, что по мере концентрирования сухих веществ происходит увеличение всех белковых фракций в концентрате. По мере концентрирования белковых азотистых веществ происходит изменение соотношения в компонентном составе сывороточных белков. Удаление части α-лактальбулина подтверждают электрофореграммы фильтрата молочной сыворотки. Это можно объяснить меньшим молекулярным весом α-лактальбулина (в сравнении с β-глобулином (1) и, тем более, иммунными глобулинами) и вероятно более компактным его строением, что приведет к частичному переносу его в фильтрат. Параллельно с исследованиями по фракционному составу проводили определение аминокислотного состава сывороточных белковых концентратов с целью оценки их биологической ценности, а также изменений в содержании и соотношении аминокислот. Параметры аминокислотного состава сывороточных белковых концентратов представлены в табл. 4. Анализ полученных результатов, приведенных в табл. 4, показал, что в процессе ультрафильтрации происходит увеличение всех представленных аминокислот и, что особенно ценно, таких незаменимых аминокислот, как лизин, изолейцин, треонин и других. При этом соотношение суммы заменимых аминокислот к сумме незаменимых остается практически постоянным. Из представленного общего количества аминокислот незаменимые аминокислоты (без учета триптофана) составляют до 42%. Таким образом, сывороточные белковые концентраты являются богатым источником серосодержащих аминокислот, что особенно важно при использовании в детских, диетических и других продуктах питания. Анализ химических показателей фильтрата выявил, что массовая доля его сухих веществ составляет 5,4±0,2%, при этом массовая доля лактозы колеблется от 4,0 до 4,4%, а азотистых веществ до 0,32%. Очевидно, что наиболее перспективным направлением использования фильтра является переработка его на углеродосодержащие концентраты. До 90-х гг. ХХ в. направление создания концентратов из молочной сыворотки было связано с получением сгущенных концентратов и сухих препаратов молочного сахара. В дальнейшем фильтрат молочной сыворотки нашел применение в технологии глюкозо-галактозных сиропов, а также препаратов лактулозы. Обобщая результаты экспериментов по концентрированию белков из молочной сыворотки, следует заметить, что в процессе ультрафильтрации можно получить продукт с широким интервалом азотистых веществ (до экономически оправданных пределов) и с необходимым соотношением «сывороточные белки - лактоза». Таблица 4 Аминокислотный состав сывороточных концентратов Наименование аминокислотМассовая доля аминокислоты (мг/100 г) в ультрафильтрате с массовой долей сухих веществ, % 6,0±0,2 (контроль)10,2±0,220,1±0,4 Незаменимые аминокислоты 1234 Валин41+3179±15602±60 Изолейцин40+7162±80540±64 Лейцин62+53200±2006930±700 Лизин46+32350±1506090±600 Метионин11+1390±401840±200 Треонин43+32050±1505660±500 Фенилаланин 16+8920±1003620±400 Заменимые аминокислоты Аланин34+31250±1203050±30 Аргинин23+5750±402400±250 Аспарагиновая кислота60+22690±2507600±700 Гистидин9+1510 ± 501810±200 Глицин14+1470±501540±150 Глютаминовая кислота102+104800±45012280±1000 Пролин45+4256±208180±700 Серин36+3163±153900±40 Тирозин14+182±8362±35

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брок Т. Мембранная фильтрация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 464 с.
2. Брык М.Т. Мембранная технология в промышленности / М.Т. Брык, Е.А. Цапюк, А.А. Твердой. - Киев: Техника, 1990. - 289 с.
3. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - М.: ГИОРД, 2003. - 320 с.
4. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. - М.: Химия, 1975. - 252 с.