«БУГАЕВА АЛЕКСАНДРА АЛЕКСЕЕВНА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕБИОТИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОТРАНСФОРМАЦИИ ЛАКТОЗЫ Специальность: 05.18.04 – технология мясных, молочных ...»

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Северо-Кавказский федеральный университет»

УДК 637.146

На правах рукописи

БУГАЕВА АЛЕКСАНДРА АЛЕКСЕЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕБИОТИЧЕСКИХ

КОНЦЕНТРАТОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОТРАНСФОРМАЦИИ ЛАКТОЗЫ

Специальность: 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Лодыгин А.Д.

Ставрополь –

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 1.1 Основные направления переработки лактозосодержащего сырья 1.2 Про- и пребиотики как компоненты функционального питания 1.3 Современные способы получения бифидогенных концентратов из вторичного молочного сырья 1.4 Обоснование выбора направления и задачи исследований Глава 2. Организация, объекты и методы проведения исследований 2.1 Организация научной работы и объекты исследований 2.2 Методы исследований 2.3 Математическое планирование и обработка результатов эксперимента Глава 3. Исследование закономерностей изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока 3.1 Изучение влияния температуры на степень изомеризации лактозы в лактулозу 3.2 Изучение кинетики изомеризации лактозы в лактулозу 3.3 Оптимизация процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока Глава 4. Изучение процессов биотрансформации лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой 4.1 Изучение влияние температуры и рН на состав продуктов реакции лактозы с препаратом дрожжевой -галактозидазы 4.2 Оптимизация процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой 4.3 Оптимизация процесса трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой Глава 5. Разработка технологии пребиотических концентратов на основе пермеата обезжиренного молока 5.1 Технологический процесс получения пребиотических концентратов на основе пермеата обезжиренного молока. Обоснование оптимальных технологических параметров 5.2 Оценка экономической эффективности производства пребиотических концентратов 5.3 Экологический мониторинг технологии пребиотических концентратов Выводы Список используемых источников Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Общепризнана большая роль естественного микробиоценоза человеческого организма, а также значение для поддержания здоровья человека бактерий, представляющих собственную нормальную микрофлору, – в основном бифидобактерий и лактобацилл. При дисбактериозе, т.е. при изменении количества и состава микрофлоры, в кишечнике начинают преобладать патогенные микроорганизмы, так как нарушенная нормофлора уже не способна противостоять его заселению патогенными микроорганизмами [104].

В условиях существующей ныне экологической и социально-экономической обстановки выделяют следующие причины развития дисбактериозов:

- массовое применение антибактериальных и гормональных препаратов;

- многообразие стрессовых ситуаций;

- нерациональное и неполноценное питание;

- острые кишечные инфекции;

- воспалительные заболевания;

- химизация продуктов питания;

- загрязнения воздуха, воды и т.д.

В этих условиях и государство, и общество должны осознать потребность в пищевых продуктах, обладающих функциональными свойствами [76, 105].

Все крупнейшие фармацевтические компании мира к настоящему времени имеют департаменты, занимающиеся разработкой и производством функциональных пищевых ингредиентов для продуктов питания [132]. Рост этого рынка красноречиво описывают следующие цифры: в 1995 году объем продаж продуктов «для здоровья» составил 10 млрд долл. США, через 5 лет – 15 млрд долл., в 2003 – 33 млрд долл. [24].

Сегодня в российской пищевой промышленности для профилактики дисбактериозов чаще всего применяют пробиотики. Однако этот путь не достаточно эффективный. Более того, проблему профилактики дисбактериозов невозможно решить лишь на основе комплексного использования целого ряда факторов, оказывающих положительное влияние на функционирование желудочно-кишечного тракта [30]. Исходя из зарубежного опыта, следует обратить внимание на использование пребиотиков, которые в большинстве своем являются бифидогенными факторами [127,132, 137, 147].

Наиболее изученным бифидогенным фактором является лактулоза. В году лактулоза была получена как химическое вещество, а в конце 40-х вновь открыта Petuely как бифидус-фактор. В настоящее время лактулоза стала классическим средством воздействия на метоболизм микрофлоры кишечника [75].

Для получения пребиотических концентратов (в частности, концентратов лактулозы) наиболее подходящим является лактозосодержащее молочное сырье, в основном, молочной сыворотки. Уровень переработки данного вида сырья составляет 50 %, а на пищевые цели используется всего 20 % [6, 7, 81, 82].

';

В производстве лактулозы могут быть использованы различные виды молочной сыворотки (творожная, подсырная, казеиновая), ее ультрафильтраты, меласса и другие продукты переработки молока, которые в соответствии с современными стандартами относят к вторичному молочном сырью [85].

Получение, использование, а также свойства лактулозы широко изучены такими российскими и зарубежными учеными, как: Храмцов А.Г., Шендеров Б.А., Рябцева С.А., Евдокимов И.А., Лодыгин А.Д., Харитонов В.Д., Харитонов Д.В., Серов А.В., Ким В.В., Jefferey G.A., Tamura Y, Mizota T., Shimamura S., Andrews G.R., Harju, M. [73, 75, 83, 97, 132, 134, 143]. Однако представляет интерес получение концентратов лактулозы из лактозосодержащего сырья с использованием баромембранных технологий. Кроме того, совершенствуя классические и применяя новые методы биотрансформации лактозы можно добиться более высокого содержания лактулозы в концентратах, а также обогатить их дополнительными пребиотическими веществами – продуктами ферментации лактозы. Все эти методы совершенствования технологии пребиотических концентратов позволят создать более экономичные и экологичные производства на предприятиях молочной отрасли, что, несомненно, является актуальной проблемой молочной промышленности сегодня.

Цель работы – совершенствование технологии пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья на основе изучения закономерностей процессов физико-химической и биологической трансформации лактозы.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

- результаты мониторинга видов сырья и способов изомеризации лактозы в лактулозу, используемых при получении пребиотических концентратов;

- результаты исследований влияния основных технологических факторов на степень изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока;

- результаты исследований кинетических закономерностей процесса изомеризации лактозы в лактулозу;

- результаты по оптимизации процесса изомеризации лактозы в пермеате обезжиренного молока;

- результаты исследований влияния основных технологических параметров на процесс ферментации лактозы препаратом -галактозидазы в растворе изомеризованного пермеата;

- результаты по оптимизации процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- результаты по оптимизации процесса трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- технологические параметры производства пребиотического концентрата из пермеата обезжиренного молока.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Основные направления переработки лактозосодержащего сырья В настоящее время можно выделить следующие подходы по переработке лактозосодержащего сырья: полное и раздельное использование использование составных компонентов сырья. Первый подход можно реализовать по следующим направлениям: использование лактозосодержащего сырья как компонента пищевых продуктов, или же в производстве питательных сред, удобрений и кормов, косметики, моющих средств. Второе направление реализуется при производстве сгущенных и сухих концентратов, сухой деминерализованной и сухой безлактозной сыворотки, сухой сыворотки с наполнителями. Это направление более перспективно [38, 107, 117].

основывается на обезвоживании путем выпаривания под вакуумом и сушки. При использование компонентов лактозосодержащего сырья позволяет извлекать жир, белки или их фракции, лактозу, а также минеральные соли. Открывается широкий использования ионного обмена, ультрафильтрации, электродиализа и сорбции, гельфильтрации. Биологическая обработка лактозосодержащего сырья с целью получения производных компонентов также является актуальным направлением биотехнологии (конверсия лактозы в лактулозу, гидролиз лактозы до моноз, протеолиз белков ферментами) [38, 106, 107, 112, 117].

химических реагентов, приводит к образованию таких вторичных видов сырья, кристаллического молочного сахара образуется меласса – межкристальная лактозосодержащему сырью. Нетрадиционные способы разделения компонентов молочного сырья, к которым относят, например, мембранные методы, приводят к образованию фильтратов (пермеатов). Технология производства безлактозного молока из сухого обезжиренного молока при помощи экстрации лактозы и минеральных солей приводит к образованию экстрактов, которые так же можно отнести к нетрадиционному лактозосодержащему сырью [ 22, 38].

лактозосодержащего сырья: традиционное и нетрадиционное. Схема классификации лактозосодержащего сырья приведена на рисунке 1.1 [22].

Рисунок 1.1 – Классификационная схема лактозосодержащего сырья Данная классификация определяет дальнейшее использование лактозосодержащего сырья. В основном, к перспективным направлениям относят производство лактозы и ее производных.

Системный перечень лактозосодержащего сырья, а также продуктов из лактозы и ее производных опубликован в работах таких российских ученых, как Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцева С.А. [86, 114].

В таблице 1.1 представлен состав и свойства основного традиционного и нетрадиционного лактозосодержащего сырья [33, 75, 80, 117, 125].

нетрадиционного лактозосодержащего сырья.

1 Сыворотка 4,5-7,3 3,9-5,2 0,4-1,1 0,04-0,6 0,3-0,8 15-25 1018- подсырная 2 Сыворотка 4,2-7,4 3,2-5,1 0,5-1,0 0,05-0,4 0,5-0,8 50-85 1019- творожная 3 Сыворотка 4,5-7,5 3,5-5,2 0,5-1,0 0,02-0,3 0,3-0,9 50-120 1020- казеиновая 4 Ультрафиль 5,1-5,4 4,2-4,8 0,2-0,24 - 0,5-0,75 8-18 1012- трат подсырной сыворотки 5 Ультра- 5,2-5,6 4,2-4,8 0,2-0,24 - 0,6-0,9 80-100 1016- фильтрат творожной сыворотки Молочная сыворотка – это один из самых перспективных и ценнейших источников биологически активных веществ. Она образуется при производстве сыра, творога и казеина. Около 48 – 50 % сухих веществ молока переходит в сыворотку, причем основная часть приходится на дисахарид – лактозу и составляет около 70 % [89, 111].

Монозы в сыворотке представлены глюкозой и галактозой, причем в творожной сыворотке глюкозы содержится 0,7 – 1,6 %, а в подсырной сыроротке глюкоза представлена в следовых количествах. Это объясняется гидролизом лактозы при производстве творога. Из олигосахаридов в сыворотке содержатся лактоза, лактулоза и серологически активные сахара. По основным физикохимическим, органолептическим и микробиологическим показателям сыворотка должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная.

Технические условия». С органолептической точки зрения сыворотка является однородной жидкостью зеленоватого цвета без посторонних примесей, с чистым, характерным для данного вида сыворотки вкусом. Плотность сыворотки не менее 1023 кг/м3, кислотность 11 – 75 °Т, активная кислотность сыворотки (рН) 4,4 – 6,3.

Энергетическая ценность молочной сыворотки составляет 1013 кДж/кг или 36 % энергетической ценности молока [30, 66, 77, 97].

В качестве вторичного продукта при производстве молочного сахара образуется меласса. Каждая из разновидностей мелассы (в зависимости от конечного продукта производства) отличается количественным составом основных компонентов, а также физико-химическим показателям [5].

распространение получают мембранные процессы.

Баромембранная фильтрация позволяет разделять жидкости на два потока – пермеат и ретентат. В зависимости от вида готовой продукции компоненты молочного сырья либо концентрируются, либо удаляются.

(таблица 1.2) [23].

концентратов появляется побочный продукт – ультрафильтрат [33, 65, 106].

Процесс ультрафильтрации является альтернативой вакуум-выпарному концентрированию, может осуществляться при низких температурах (8 – 10 °С), что обеспечивает микробиологическую безопасность и позволяет сохранить ряд полезных веществ перерабатываемого сырья (белки, в том числе сывороточные, в нативном состоянии, витамины, ферменты, гормоны) [99]. Ультрафильтрация в настоящее время является одним из наиболее распространенных в пищевых производствах баромембранным процессом.

Для очистки молочного сырья и продуктов на его основе от минеральных веществ наиболее эффективным способом является деминерализация посредством электродиализа.

Электродиализ относится к группе электромембранных процессов, при положительным зарядом, в результате их движения к соответствующим электродам. Для управления вот этим движением используются ионообменные мембраны, через которые проходит только определённый вид ионов, в зависимости от их заряда.

Таблица 1.2 – Баромебранные процессы осмос Мембранные процессы открывают широкие возможности для переработки молочного сырья с целью извлечения отдельных компонентов, в первую очередь белков и лактозы.

Необходимо отметить, что продукты биотрансформации лактозы – это превосходные компоненты при составлении рецептур продуктов функционального питания [12, 38, 107].

1.2 Про- и пребиотики как компоненты функционального питания Кишечная микрофлора представляет собой экстракорпоральный, т.е. не принадлежащим телу «органом» человеческого организма [104].

Наиболее обильна и многообразна микрофлора толстой кишки (30 % массы фекалий составляют микроорганизмы), которая выполняет такие функции, как структурообразование слизистой оболочки кишечника и ее адсорбционную способность [36].

У более чем 90 % населения в настоящее время установлен дисбаланс кишечной микрофлоры, т. е. дисбактериоз [28]. Для поддержки кишечной синбиотики [28, 30, 50, 51, 94].

В буквальном переводе «пребиотики» означают «для жизни» в то врямя как «антибиотики» - «против жизни». Пробиотики – это живые микроорганизмы, оказывающие положительный эффект на здоровье человека, который реализуется в желудочно-кишечном тракте [51, 94].

Пробиотические продукты получают ферментированием с использованием пробиотических культур. Зачастую они являются продуктами, обогащенными ими [66].

Пребиотики – вещества, не абсорбируемые в желудочно-кишечном тракте человека, но благоприятно влияющие на организм путем селективной полиферации полезной микрофлоры кишечника [120].

Принципиальные отличия пробиотиков и пребиотиков представлены в таблице 1.3 [21].

Таблица 1.3 – Сравнительная характеристика пребиотиков и пробиотиков кишечника: бифидобактерии, углеводы: лактулоза, олигосахариды, 2. Облигатные (бифидобактерии) или Не меняют своих свойств со временем проблема сохранности в процессе химически инерты.

хранения продукта.

3. Небольшой процент – 25 – 30 % – Беспрепятственно достигают нижних достигает нижних отделов отделов кишечника, где стимулируют кишечника, большинство погибает развитие бифидо- и лактобактерий.

в кислой среде желудка.

4. Экзогенная микрофлора, плохо Стимулируют жизнедеятельность требуют контроля со стороны обученных специалистов минимален.

микробиолога.

6. Использование пробиотиков Высокая технологичность, химическая ограничено производством инертность и стойкость в хранении ферментированных молочных пребиотиков позволяет их использовать Комбинация свойств пробиотиков и пребиотиков дает возможность получить синбиотики. Пребиотики помогают пробиотикам без вреда проходить агрессивную для них среду верхних отделов желудочно-кишечного тракта, создавая более благоприятную среду в толстом кишечнике.

Использование пробиотиков – метод интервенции – построено на простом принципе: недостаточность собственных полезных бактерий в организме хозяина необходимо восполнить введением посторонней (экзогенной) нормофлоры. На этом подходе строится терапия с применением разного рода живых бактерий [98].

Использование пребиотиков – метод протекции – строится на активизации роста и жизнедеятельности собственной полезной микрофлоры внедрением в кишечник вееств, селективно поддерживающих нормофлору кишечника [98].

Многие специалисты находят метод интервенции недостаточно эффективным, а результаты лечения дисбактериозов – нестабильными [10].

Многие ученые относят к классическим пробиотикам в основном так называемых [120].

Бактерии рода Lactobacillus, наиболее часто встречающиеся в микрофлоре человека, обладают устойчивостью к действию лизоцима, а некоторые штаммы L. fermentum даже продуцируют лизоцим, что в сочетании с лизоцимом слизистой оболочки кишечника способствует устойчивости последней к действию патогенной микрофлоры [14, 40, 49].

Одним из наиболее известных биологических свойств лактобацилл является выраженная способность к продукции молочной кислоты [14].

Молочнокислые бактерии, подобно другим микроорганизмам, способны и к комменсализму. Установлено, что они стимулируют размножение и кислотообразование бифидобактерий [14].

К типичным представителям полезной микрофлоры также отнисят род Bifidobacterium. Это подтверждает тот факт, что доминирующей нормальной кишечной микрофлорой человека являются анаэробные бактерии, причем 96 – 98 % от общего количиства бактерий составляют бифидобактерии и бактероиды, на остальную долю приходятся бактерии группы кишечных палочек, лактобациллы, энтерококки и «случайная» кишечная микрофлора клостридии, дрожжи, протеи, стафилококки и другие [130, 139, 141, 145].

Наряду с пробиотиками для профилактики и лечения дисбактериоза часто используются пребиотики. Большинство зарубежных ученых относит к пребиотикам неперевариваемые волокноподобные олигосахариды – класс углеводов со степенью полимеризации 2 – 10. Однако, это понятие может быть расширено, поскольку положительный бифидогенный эффект в могут обеспечить также и другие соединения [97, 122, 131].

таблице 1.4 [103, 122].

Таблица 1.4 – Основные виды пребиотических соединений углеводной группы Наибольшее коммерческое значение в мире получил класс олигосахаридов.

Олигосахариды — это олигомеры, состоящие из нескольких (не более 20) мономеров — моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью [122].

Имея волоктоподобную структуру, олигосахариды не перевариваются и не гидролизуются в тонкой кишке по причине отсутствия в этом отделе желудочнокишечного тракта необходимых ферментов. Эти вещества достигают толстой кишки в неизмененном виде. Здесь они расщепляются посредством воздействия ферментов типа гидролаз, вырабатываемых присутствуюей здесь микрофлорой, Олигосахариды используются этими микроорганизмами в качестве источника энергии и утилизируются до углекислого газа и органических кислот [94, 133].

На сегодняшний день выделяют около 20 различных видов олигосахаридов.

Их можно получить прямой экстракцией из натуральных источников, либо же ферментативного синтеза. Известен также метод химического синтеза олигосахаридов. Наиболее распространенным источником олигосахаридов являются продукты частичного гидролиза полисахаридов [122].

В настоящее время пребиотиком №1 и классичским бифидус-фактором признается лактулоза.

Лактулоза (-D-галактопиранозил-1,4-D-фруктофураноза) образуется в процессе изомеризации лактозы в результате температурного воздействия и, в отличие от лактозы (галакто-глюкозы), представляет собой галактофруктозу. По сравнению с другими олигосахаридами шорокое применение нашел метод получения лактулозы из лактозы щелочной изомеризацией [39].

бифидобактерий и лактобацилл [31, 75].

Выделяющиеся при ферментации лактулозы органические кислоты подавляют рост протеолитической кишечной микрофлоры, как следствие уменьшается образование продуктов белкового распада [36, 120, 137, 148].

Лактулоза представляет собой белое кристаллическое вещество, не имеющее запаха, хорошо растворимое в воде и сладкое на вкус.

Впервые была получена ангидридная форма методом перекристализации из 50 %-го раствора метанола в виде гексогональных пластин. Тригидратная форма была получена позднее из водного раствора лактулозы. Возможно существование пяти конформаций лактулозы:

- и -фуранозной; - и -пиранозной; а также ациклической (рисунок 1.2). ЯМР-спектроскопия кристаллической лактулозы, находящейся в ангидридной форме, полученной тремя различными способами, показала преобладание -фуранозной формы над -фруктофуранозной и фруктопиранозной при следующих соотношениях: 0,745:0,100:0,155 [75, 81, 82, 128].

Рисунок 1.2 Конформационные изомеры лактулозы При получении концентратов лактулозы из молочного белково-углеводного сырья в процессе изомеризации высока вероятность взаимодействия фруктозы (одного из продуктов ее распада), с аминосодержащими соединениями по механизму реакции Майара (меланоидинообразования) [70, 71].

Ваимодействие фруктозы с аминным азотом приводит к образованию меланоидиновых пигментов, которые имеют в своем составе пиразиновые и имидазольные кольца. Также в ходе реакции образуются редуктоны и оксиметилфурфурол [13, 15, 92].

При дегидротации фруктозы образуются органический кислоты, которые могут действовать окислители галактозы, что приводит к образованию галактуроновой кислоты [52].

Все эти процессы приводят к снижению выхода лактулозы, ухудшению органолептических показателей и биологической ценности концентратов.

насчитывает более 70 лет. В нашей стране это были исследования О.Н. Яковлевой (Институт питания, Украина, 60-е годы) и В.Я. Матвиевского совместно с исследования по технологии лактулозы проводятся творческим коллективом, сформированным при Северо-Кавказском государственном техническом университете под руководством академика А.Г. Храмцова. Значительный вклад в разработку концепции производства и использования лактулозы в Российской Федерации, а также физико-химических основ технологии лактулозы внесли профессора И.А. Евдокимов и С.А. Рябцева [22, 72, 75, 84].

Нестандартное использование лактулозы предложено сотрудниками СтГТУ и ЗАО «Лактусан» – добавка в алкогольные напитки. И, как следствие, были разработаны новые виды водки – «ХХI век», «45-я параллель» и другие [108, 128].

В настоящее время существует широкий ассортимент пищевых продуктов с бифидогенными свойствами: продукты детского питания, безалкагольные и алкогольные напитки, кисломолочные напитки, хлебобулочные изделия, лечебные препараты и биологические добавки [69, 75, 128].

бифидобактерий [75]. Например, препарат «Бифилиз» обладает антиопухолевым действием и способствует лучшей переносимости противоопухолевой и рентгенорадиотерапии за счет обогащения лизоцимом. Также известен препарат под торговым названием «Бифидумбактерин форте», он имеет в своем составе сорбент, способствующий удержанию бактерий на поверхности эпителия бифидобактерии, энтерококки, лактулозу и другие компоненты [20].

Галактоолигосахариды (ГОС) – класс неперевариваемых олигосахаридов, производных лактозы, имеющих общую структурную формулу:

-D-глю-(1 – 4)-[-D-гал-(1 – 6)-]n, где n = 2 – 5 [101, 142].

Таким образом, эти вещества состоят из 2 5 остатков галактозы, соединенных -(1 6)-связями, и конечного остатка глюкозы, связанного -(1 4)-связью. Структурная формула галактоолигосахаридов представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Структурная формула галактоолигосахаридов: n = 0 … галактоолигосахаридов из молочного сырья – лактозы [96].

Галактоолигосахариды, как пищевой ингредиент, благотворно влияют на организм человека, стимулируя быстрое размножение бифидобактерий и молочных бактерий в тонкой кишке. Галактоолигосахариды обладают уникальной формой, имитирующей внешний вид стенок кишечника, что не позволяет вредным бактериям, таким как E.coli застревать на них. Таким образом, вредные бактерии вымываются, прикрепляясь к галактоолигосахаридам [48, 101, 140, 143].

Галактоолигосахариды способствуют лучшей абсорбции определенных минералов, таких как кальций, магний, фосфор, снижают сывороточный холестерин, кровяное давление, повышают клеточный иммунитет, а также выработку витаминов B1, B2, B6, B12, никотиновую и фолиевую кислоты.

Галактоолигосахариды снижают тяжесть и количество аллергических реакций, помогают поддерживать микрофлору кишечного тракта в здоровом состоянии, перистальтику [17, 140, 143].

Галактоолигосахариды применяются в пищевых производствах, производстве детского питания, кормов для животных и в производстве лекарственных средств [17, 141, 144].

Все вышеперечисленные соединения являются основными компонентами пребиотических концентратов. Анализ патентной информации показал, что основным источником получения концентратов лактулозы является молочный сахар различных степеней очистки, этот вид сырья является преимущественным для производства лактулозы, однако следует обратить внимание на такие источники лактозы, как вторичное молочное сырье, которое зачастую выступает в качестве отхода производства [101].

1.3 Современные способы получения бифидогенных концентратов из вторичного молочного сырья В последние годы разработаны технологии получения бифидогенных концентратов на основе классического лактосодержащего сырья (таблица 1.5), физико-химические показатели бифидогенных добавок представлены в таблице 1.6 [43].

Учитывая разнообразие видов лактозосодержащего сырья с разным составом, объективную оценку степени его пригодности дает показатель комплексной оценки на основе функций желательности [75, 77].

Характеристика лактосодержащего сырья критерию желательности (Dн), приведена в таблице 1.7 [77].

сыворотки [43] Жидкий концентрат «КБУ-Ж» Молочная сыворотка Сгущенные концентраты:

БУД-Ж БУД-СГ Блочные концентраты:

Сухие концентраты:

КБУ-Рс – распылительной сушки Молочная сыворотка Бифидогенный концентрат «Лактобел» 2 Белково-углеводное сырье Комбинированный продукт «БУК-СОМ»

Не выше I сорта Документация разработана совместно с ОАО «Молкомбинат «Ставропольский», которое в настоящее время производит эту добавку.

Таблица 1.6 – Физико-химические показатели бифидогенных концентратов * 20 °Т – для подсырной сыворотки; 75 °Т – для творожной сыворотки Таблица 1.7 – Состав и свойства основных видов лактозосодержащего сырья Сыворотка:

продолжение таблицы 1. Ультрафильтраты сыворотки:

Меласса:

Анализ представленных данных показывает, что ультрафильтраты более пригодны для производства лактулозы в связи с частичным удалением белковых веществ. Пермеаты молочного сырья идеально подходят для производства бифидогенных концентратов.

Примеры баланса процесса ультрафильтрации молочного сырья приведены в таблице 1.8 [23, 41].

Таблица 1.8 – Состав ультрафильтратов молочного сырья Показатель сырье ретентат пермеат сырье ретентат пермеат сырье ретентат пермеат азот, % кислота, % вещества, % Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что наиболее подходящим видом сырья для производства пребиотических концентратов является пермеат обезжиренного молока (максимальная концентрация лактозы при минимальной концентрации белка и других балластных веществ).

На рисунке 1.4 показаны основные направления переработки пермеата молочной сыворотки на 2010 год [24].

Рисунок 1.4. Основные направления переработки пермеата вторичного молочного сырья Как видно из рисунка, пермеат не нашел широкого применения при производстве бифидогенных концентратов.

концентратов представлена на рисунке 1.5 и включает в себя основные подсистемы:

– приемка и оценка качества сырья;

– подготовка лактозосодержащего сырья;

– изомеризация лактозы;

– очистка от непрореагировавшей лактозы;

– сгущение пребиотического концентрата;

– расфасовка и упаковка [5, 19, 24, 46, 58, 59, 60, 63, 75, 91, 102].

Рисунок 1.5 – Блок-схема технологии получения бифидогенного концентрата на основе вторичного молочного сырья Приемка и оценка качества сырья (блоки 1 – 5). Сырье должно соответствовать требованиям нормативно-технической документации, регламентирующей органолептические, физико-химические, микробиологические и санитарно-гигиенические показатели: для молочной сыворотки – ГОСТ Р 53438Сыворотка молочная. Технические условия», для обезжиренного молока – ГОСТ Р 53503-2009 «Молоко обезжиренное – сырье. Технические условия» [75].

Обработка лактозосодержащего сырья (блок 6 – 7).

Молочную сыворотку подвергают тщательной очистки от казеиновой пыли и жира традиционном методом на сепараторах [75].

Изомеризация (блоки 8 – 14). Лактулоза может быть получена из лактозы по двум механизмам. Первый – это реакция Лобри де Брюина – Альберта Ван Экенштейна – LA-трансформация. Второй – взаимодействие лактозы с аммиаком или аминами – перегруппировка Амадори. При этом образовавшийся лактозиламин подвергается трансформации в лактулозиламин и гидролитическому распаду последнего до лактулозы и соответствующего амина, реакция катализируется фосфатами и цитратами [35, 41, 62, 109, 126, 127].

Перегруппировка Амадори обладает недостатками. Во-первых, в ходе реакции образуется множество побочных продуктов, таких как аминосодержащие соединения, наличие которых в растворе редуцирующих углеводов приводит к образованию меланоидинов. Во-вторых, технология данного процесса требует сложного аппаратурного оформления. Поэтому, наибольшее распространение получил метод изомеризации лактозы в лактулозу по по механизму LAтрансформации, катализируемой гидроксидами натрия и кальция [44, 76, 78, 116].

Методы изомеризации лактозы можно объединить в группы, представленные на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Классификация способов изомеризации лактозы На первой стадии реакции по механизму LA-трансформации идет интенсивное накопление лактулозы при небольшом росте цветности, что характеризует выход побочных продуктов реакции; вторая стадия реакции – это растворе [76].

Для производства концентратов пищевого назначения требуется дополнительная очистка от непрореагировавшей щелочи посредством деминерализации.

Очистка от непрореагировавшей лактозы (блок 15). Для увеличения концентрации лактулозы необходимо удалить непрореагировавшую лактозу.

Традиционным методом является кристаллизация лактозы [55, 58, 59, 60, 75].

Досгущение (блок 16). Для увеличения массовой доли сухих веществ, как основного показателя качества концентрата, необходимо провести сгущение до концентрации 65 – 70 % сухих веществ [75].

Фасовка и упаковка (блок 17). Расфасовку и упаковку пребиотического концентрата можно осуществлять во фляги из нержавеющей стали – для оптовых продаж. Для реализации в розницу можно использовать стеклянную или полимерную упаковку [75].

В качестве усовершенствования технологии пребиотических концентратов в рамках данной работы предложен альтернативный способ очистки изомеризованных растворов от непрореагировавшей лактозы – биотрансформация лактозы посредством фермента лактазы (-галактозидазы).

Гидролиз лактозы можно осуществить тремя способами:

- гомогенным кислотным;

- гетерогенным;

- ферментативным [2, 46, 115, 149].

Наиболее перспективным на сегодняшнее время является ферментативный гидролиз лактозы молочного сырья [19, 34].

Препараты фермента -галактозидазы (лактазы) делятся на две группы:

кислые и нейтральные. Кислые имеют оптимум рН 3,0 – 5,0, продуцируютя промышленными штаммами мицелиальных грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae. Нейтральные лактазы с оптимум рН 6,0 – 8,0 продуцируются дрожжами Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces fragilis, бактериальными культурами Escherichia coli, Lactobacillus thermophilus, Leuconostoc citrovorum [148].

Гидролиз лактозы представлен на рисунке 1.7 [29, 34].

Рисунок 1.7 – Схема гидролиза лактозы Перечень типов продуктов реакции лактозы с -галактозидазой приведен на рисунке 1.8 [142, 143].

Субстратом для -галактозидазы являются -D-галактозиды, к которым относятся лактоза и ее производные. -галактозидаза (-D-галактозидгалактогидролаза, Н. Ф. 3.2.1.23) относится к глюкозидазам (огликозидгидролазам). Фермент осуществляет нуклеофильное замещение у аномерного центра гликоновой части галактозидов. Он расщепляет терминальные -D-галактозидные связи, отщепляя остатки галактозы с нередуцирующего конца галактозидов, гликолипидов, гликопептидов, гликопротеидов и мукополисахаридов [79, 88, 142].

Рисунок 1.8 – Возможные продукты реакции лактозы с -галактозидазой -галактозидаза отличается своей способностью к трансгликозилированию.

Фермент может переносить на подходящий акцептор галактозильный остаток, лишенный кислорода. Такими акцепторами могут быть сахара, спирты и другие соединения. Соотношение гликолитической и трансгликозилирующей различным [88, 142, 143].

В составе пребиотических концентратов желательно наличие продуктов трансгалактозилирования лактозы, однако присутствие продуктов гидролиза лактозы также повысит биологическую ценность и органолептические свойства концентратов.

1.4 Обоснование выбора направления и задачи исследований Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективным пребиотиком является лактулоза. Она обладает высокой бифидогенной лактозосодержащего сырья.

Существующие технологии производства лактулозы являются в известной мере не достаточно эффективными и, кроме того, продукт обладает высокой себестоимостью. Для производства пребиотических концентратов целесообразно использовать относительно дешевые пермеаты вторичного молочного сырья. Это позволит одновременно решить проблему полного и рационального использования белково-углеводного молочного сырья и предотвратить загрязнение окружающей среды.

Так же анализ литературных данных показывает, что пребиотический концентрат можно дополнительно обогатить продуктами реакции лактозы с -галактозидазой, такими как глюкоза, галактоза, галактоолигосахариды. Кроме того, патентный поиск показал, что гидролиз лактозы является наиболее перспективным способом очистки растворов лактулозы.

Основные положения и результаты работы:

- результаты мониторинга видов сырья и способов изомеризации лактозы в лактулозу, используемых при получении пребиотических концентратов;

- результаты исследований влияния основных технологических факторов на степень изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока;

- результаты исследований кинетических закономерностей процесса изомеризации лактозы в лактулозу;

- результаты по оптимизации процесса изомеризации лактозы в пермеате обезжиренного молока;

- результаты исследований влияния основных технологических параметров на процесс ферментации лактозы препаратом -галактозидазы в растворе изомеризованного пермеата;

- результаты по оптимизации процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- результаты по оптимизации процесса трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой;

- технологические параметры производства пребиотического концентрата из пермеата обезжиренного молока.

ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Организация научной работы и объекты исследований Экспериментальная часть работы выполнена в лабораториях кафедры прикладной биотехнологии Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ, г. Ставрополь).

Формирование информационного материала по теме диссертационной работы проводилось в фондах библиотек СКФУ, ЦНТИ (г. Ставрополь), а также сети Интернет.

На первом этапе анализировали состав пермеата обезжиренного молока, полученного на молочном комбинате «Ставропольский» методом ультрафильтрации (УФ). Пермеат представляет собой концентрат лактозы, являющийся побочным продуктом при производстве белковых концентратов.

На втором этапе изучали закономерности изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока. После чего выявляли оптимальные параметры изомеризации.

При исследовании процесса изомеризации наиболее важными показателями оценки были: изменение удельного угла вращения раствора, характеризующего степень изомеризации лактозы в лактулозу, изменение активной кислотности среды, характеризующей степень накопления побочных продуктов реакции (органических кислот).

трансгалактозилирования лактозы в изомеризованном пермеате обезжиренного молока. В ходе исследования получили оптимальные параметры процессов.

На всех этапах экспериментальных исследований были реализованы по три параллельные серии опытов, по результатам которых рассчитывались средние значения выходных параметров.

На заключительном этапе проводили разработку технологии получения концентрата лактулозы, а также оценку экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

Схема проведения исследований приведена на рисунке 2.1.

Объектами исследований являлись:

- пермеат, полученный на основе обезжиренного молока, полученного из цельного молока, удовлетворяющего требованиям ГОСТ Р 53503-2009;

- препарат -галактозидазы «Биолактаза Л20» (Biolactase L20) фирмы «Kerry Bio-Science;

- гидроксид натрия по ГОСТ 4328;

- лимонная кислота по ГОСТ 908.

В результате ультрафильтрации получается белковый концентрат (ретентат), содержащий высокомолекулярные соединения и фильтрат (пермеат) – раствор лактозы, минеральных солей и других низкомолекулярных соединений. В качестве объекта исследования использовали пермеат обезжиренного молока.

Пермеат обезжиренного молока обладает желательными свойствами для изучения процессов изомеризации лактозы в лактулозу, так как среди других видов молочного белково-углеводного сырья содержит наибольшее количество лактозы, пониженное содержание белковых и жировых веществ и относительно низкую кислотность.

Пермеат был получен на ультрафильтрационной установке на ОАО «Молочный комбинат «Ставропольский»» в качестве побочного продукта при производстве белковых концентратов.

Объектом исследования являлся также препарат -галактозидазы – «Биолактаза Л20» (Biolactase L20) фирмы «Kerry Bio-Science, «Kerry Food Ingredients (Cork) Ltd», («Керри Фуд Ингредиенс (Корк) Лтд», Керри Био-Сайнс), Килнаглири, Кэрригелин, Ко. Корк, Ирландия. Фирма-получатель в России – ООО «Керри» г. Москва [93].

Рисунок 2.1 – Схема проведения лабораторных исследований Фермент обладает довольно высокой активностью. В качестве продуцентов выступают дрожжи Kluyveromyces lactis, поэтому «Биолактаза Л20» активно работает в кислой среде.

Лактаза (-D-галактозидаза) расщепляет лактозу на составляющие моносахариды, глюкозу и галактозу. Эти сахара относительно сладкие (примерно на 80 % в сравнении с сахарозой) и в 4 раза лучше растворимы, чем лактоза сама по себе [115].

Biolactase L20 применяется для конверсии лактозы в молоке. Дозировка зависит от желаемой степени гидролиза, температуры и рН молочного сырья, времени реакции и типа субстрата.

рекомендуется обработать сырье при температуре 6 – 10 °С в течение 12 – часов. При температуре 37 °С 80 %-ный гидролиз может быть получен при типичной дозировке 0,07 – 0,09 % в течение 6 часов [68, 128].

Фермент имеет свело коричневый цвет, жидкую консистенцию. Активность лактазы минимально 20,000 GU/мл.

Оптимальная температура для Biolactase L20 37 °С, оптимальный уровень рН = 6,0 [128].

«Биолактаза Л20» соответствует действующим законодательным актам и нормативным требованиям к качеству и безопасности, установленным для данного вида пищевой продукции (СанПиН 2.3.2.1293-03 "Гигиенические требования по применению пищевых добавок", СанПиН 2.3.2.1078- "Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов").

Гигиеническая характеристика фермента представлена в таблице 2. [93, 68].

Таблица 2.1 – Гигиеническая характеристика ферментного препарата «Биолактаза Л20»

Патогенные микроорганизмы, в т.ч. не допускается сальмонеллы, в 25,0 г Наличие живых клеток-продуцентов не допускается Антибиотическая активность не допускается В состав входит: Е В качестве катализатора реакции изомеризации лактозы в лактулозу разрабатываемый пребиотический концентрат, являясь пищевым продуктом, подвергается деминерализации методом электродиализа.

Деминерализация изомеризованного пермеата в лабораторных условиях проводилась с использованием электродиализного модуля производства АО «МЕГА» (Чехия), оснащенного ионообменными неоднородными мембранами RALEX [11, 18, 67].

2.2 Методы исследований Для определения характеристик объектов исследований и технологических опубликованные в специальной литературе [3, 75, 118, 123, 124].

Для определения физико-химических и микробиологических показателей исходного сырья, объектов при проведении экспериментальных исследований, опытных образцов пребиотических концентратов применялись следующие стандартные методы анализа:

- массовой доли сухих веществ – рефрактометрически по ГОСТ 3626-73 и методом высушивания до постоянной массы по ГОСТ 8764-73;

поляриметрическим методом по Г. Вижинайте [26, 119];

- массовой доли золы – методом сжигания до постоянной массы по ГОСТ Р 51463-99;

- рН – потенциометрически по ГОСТ 26781-85, на приборе рН-150;

- определение температуры замерзания – криоскопически на приборе «Криостар» по методике применительно к молочному сырью [119];

высокоэффективной жидкистной хроматографии (методы описаны ниже);

- температуры – термометрически, термометр в оправе по ГОСТ 9177-74;

- продолжительности термостатирования – хронометрически;

- количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) в 1 г продукта – по ГОСТ 104444.15- «Продукты пищевые. Методы определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов»;

- наличия бактерий группы кишечной палочки – по ГОСТ 30518- «Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества бактерий группы кишечных палочек (колиморфных бактерий)»;

- количества дрожжей и плесеней в 1 г продукта – по ГОСТ 104444.12- «Продукты пищевые. Методы определения дрожжей и плесневых грибов».

Для определения степени изомеризации лактозы в лактулозу применялась модифицированная поляриметрическая методика, основанная на специфической оптической активности данных углеводов [73, 36].

При приготовлении образцов для поляриметрических исследований осаждение белков производилось по методике, применяемой при определении лактозы в растворах молочного сахара-сырца и молочной сыворотке [57, 119]. Для измерения угла вращения плоскости поляризованного света применялся прибор марки СМ–3. Измерение угла вращения проводилось в трех повторностях, затем рассчитывалось среднее значение.

Удельный угол вращения 20д, град, рассчитывался по формуле [57]:

где ср – среднее значение угла вращения, град; L – длина поляриметрической трубки, дм; Сф – массовая доля сухих веществ в исследуемом растворе, %.

использовались расчетные формулы [75]:

- для растворов рафинированного молочного сахара - для растворов молочного сахара-сырца - для подсырной сыворотки - для творожной сыворотки Значения скорости реакции изомеризации лактозы рассчитывали с использованием формулы [46]:

где Слл – молярная концентрация лактулозы в растворе в текущий момент времени, моль / л; из – продолжительность реакции изомеризации, с.

Молярная концентрация лактулозы определяли по формуле [45, 46]:

где Сл – исходная концентрация лактозы; Si – степень изомеризации лактозы в лактулозу, %; Млл = 342 г /моль – молярная масса лактулозы.

Для определения степени гидролиза лактозы и степени трансформации криоскопическая методика, кторая основывается на изменении точки замерзания увеличения молярной концентрации реакционной системы при гидролизе или ее уменьшении при полимеризации лактозы [46].

Для расчета степени гидролиза лактозы использовался калибровочный график, представленный на рисунке 2.2 [113].

Понижение температуры замерзаиня раствора, 0C Рисунок 2.2 – Калибровочный график для определения степени гидролиза лактозы отклонение значения понижения точки замерзания от стандартного значения (1,388 С) [46].

формулам [47, 148]:

где: tисх. – температура замерзания исходного образца лактозосодержащего сырья, используемого для гидролиза, С; tгидр. – температура замерзания лактозосодержащего сырья в определенный момент времени в процессе ферментации, С; У – расчетное значение понижения точки замерзания сырья в процессе гидролиза лактозы, используемое для определения степени гидролиза (Х, %) по калибровочному графику (рисунок 2.2) или формуле (2. 8), С.

Интенсивность накопления галактоолигосахаридов при взаимодействии лактозы с препаратами -галактозидазы в результате протекания реакции трансгалактозилирования (полимеризации) также оценивали по изменению точки замерзания реакционного раствора и, как следствие, его моляльной концентрации.

Для этих целей был введен показатель степени трансформации лактозы (St, %), для определения которого использовались следующие расчетные формулы [46]:

где Тз – понижение точки замерзания раствора молочного сахара или лактозосодержащего сырья по сравнению с чистым растворителем при протекании реакции трансгалактозилирования и гидролиза лактозы, С;

К – криоскопическая постоянная растворителя, для воды К = 1,86; m – моляльная концентрация раствора, моль/кг; mоп – моляльная концентрация раствора молочного сахара или лактозосодержащего сырья в определенный момент времени в процессе ферментации под действием препарата лактазы, моль/кг;

mкон – моляльная концентрация исходного раствора молочного сахара или лактозосодержащего сырья в начальный момент ферментации, моль/кг.

Для определения массовой концентрации углеводов (лактулозы, глюкозы, галактозы, лактозы) использовали метод газожидкостной хроматографии.

Основой хроматографического разделения является участие компонентов разделяемой смеси в сложной системе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий (преимущественно межмолекулярных) на границе раздела фаз.

Как показали результаты исследований, метод ГЖХ имеет высокую точность и разрешающую способность, позволяет качественно и количественно определять альфа- и бета-формы лактозы, лактулозу, глюкозу, галактозу, фруктозу и другие углеводы. Метод ГЖХ использовался в работе при исследовании состава и свойств готовых продуктов. Однако, метод не позволяет определить высокомолекулярные соединения, такие как галактоолигосахариды (ГОС).

В качестве способа количественного определения ГОС применялся метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) – один из эффективных методов разделения сложных смесей веществ, широко применяемый как в аналитической химии, так и в химической технологии.

Для проведения анализа предварительно готовят градуировочные растворы смеси углеводов из навесок лактулозы, глюкозы моногидрата, галактозы, лактозы и галактоолигосахаридов; проводят пробоподготовку; подготавливают к работе прибор. Градуировочные растворы готовят и используют в день определения.

Отбор проб пребиотических концентратов осуществляют в стеклянные емкости, предварительно вымытые и тщательно высушенные.

При наличии взвешенных частиц отобранную пробу предварительно центрифугируют, супернатант (надосадочную жидкость) фильтруют с помощью одноразового шприца через фильтрующую нейлоновую насадку, отбирают точный объем пробы (фильтрата), смешивают с точным объемом спирта изопропилового, смесь подвергают очистке с помощью твердофазной экстракции ТФЭ на картриджах strata SDB-L.

Для проведения ВЭЖХ использовался хроматограф жидкостный «Стайер» с рефрактометрическим детектором. Условия проведения анализа: изократический режим; колонка – Rezex RCM-Monosaccharide 300х7,8 мм 8 мкм (Phenomenex, США); подвижная фаза – бидистиллированная вода; скорость потока: 0,6 мл/мин;

детектирование – рефрактометрическое; температура термостата – 85 °С.

Обработка хроматографических данных осуществляется по прграмме МультиХром для Windows.

При исследовании закономерностей деминерализации молочного сырья методом электродиализа уровень деминерализации в динамике удобно определять по формуле [25, 46, 47, 148]:

где 0, – удельная электропроводность соответственно исходного сырья и сыворотки, подвергнутой электродиализной обработке.

эксперимента В рамках данной работы, при изучении влияния технологических факторов на протекание процессов изомеризации, гидролиза и трансгалактозилирования лактозы, был реализован ряд однофакторных и многофакторных экспериментов.

Обработка результатов однофакторных экспериментов выполнялась методом корреляции с использованием ПЭВМ путем получения уравнений регрессии и графиков соответствующих функций [5, 46].

Изучаемые процессы относятся к классу сложных систем, на которые оказывают влияние целый комплекс факторов. На основе априорного ранжирования было установлено, что в наибольшей степени на процесс изомеризации оказывает влияние температура и время термостатирования, а на процесс гидролиза – температура, рН среды, время термостатирования.

Эти факторы совместимы и некоррелированы между собой, поэтому математическую модель процесса получали в виде уравнения регрессии для двухфакторного эксперимента:

где B0 – свободный член уравнения; X1, X2 – масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика; B1, B2 – коэффициенты при линейных членах; B11, B12, B22 – коэффициенты при квадратичных эффектах.

Матрица композиционного униформ-рототабельного плана полного двухфакторного эксперимента приведены в таблице 2.2 [5, 46].

Планирование эксперимента и обработка результатов осуществлялась с использованием программы «Fisher» (Построение модели по униформротатабельному плану) с представлением результата в виде уравнения регрессии.

[5, 16, 46].

Таблица 2.2 – Матрица плана двухфакторного эксперимента Оптимизацию результатов многофакторного эксперимента проводили графическим методом, путем построения сечений поверхности отклика выходного параметра при фиксированных значениях исследуемых факторов в натуральных величинах и определяли его оптимум (максимум или минимум) [3].

Для этого использовали пакеты прикладных программ «Statistika 5.5» и «Excel».

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ИЗОМЕРИЗАЦИИ ЛАКТОЗЫ В ЛАКТУЛОЗУ В ПЕРМЕАТЕ

ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА

Виды молочного белково-углеводного сырья (МБУС), основным компонентом которых является лактоза при относительно маленькой концентрации белковых и минеральных веществ, относят к классификационной группе лактозосодержащего сырья (ЛЛС). Именно этот вид сырья наиболее адаптирован для производства лактулозы, т.к. представляет собой уже готовый раствор лактозы. Кроме того, ЛСС получают в качестве побочных продуктов производства, которые имеют низкую стоимость [75].

Анализ литературы показывает, что ультрафильтраты более пригодны для производства лактулозы (значения обобщенного критерия желательности Dн для пермеатов составляют 0,267-0,273) [75].

Наиболее перспективным для производства лактулозы видом ЛЛС является пермеат обезжиренного молока, получаемый в качестве побочного продукта при производстве белковых концентратов.

В соответствии с законами химической кинетики процесс трансформации зависит от концентрации лактозы в исходном растворе. С целью установления оптимальной концентрации, обеспечивающей максимальное накопление лактулозы при минимальном потемнении раствора (т.к. в качестве катализатора реакции использовался гидроксид натрия), были поставлены две серии опытов:

- изомеризация лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока при концентрации сухих веществ 4,8 ± 0,2 %;

- изомеризация лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока с содержанием сухих веществ 20 ± 0,1 % [103, 110].

лактозы в лактулозу В качестве катализатора реакции изомеризации лактозы в лактулозу использовался гидроксид натрия концентрацией 20 %. К преимуществам использования гидроксида натрия в качестве катализатора данной реакции следует отнести более высокую растворимость, реакционную способность, и как следствие меньшие дозы внесения.

На начальном этапе исследований, были изучены характеристики пермеата обезжиренного молока, представленные в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Состав и свойства пермеата обезжиренного молока Массовая доля, %:

Обзор литературы показывает, что изомеризация лактозы в лактулозу с использованием катализатора – гидроксида натрия, осуществима в широком диапазоне концентраций лактозы. В то же время, при концентрациях лактозы выше 20 % увеличивается скорость образования побочных продуктов, что доказано в работах российских ученых [74]. Поэтому в качестве объекта исследований выступает пермеат обезжиренного молока, сгущенный на лабораторной вакуум-выпарной установке до (20 ± 0,1) % сухих веществ.

Характеристики концентрированного пермеата обезжиренного молока представлены в таблице 3. обезжиренного молока Массовая доля, %:

Т.к. пермеат обезжиренного молока имеет сложный состав и обладает буферностью, поэтому на начальном этапе исследования определяли влияние дозы вносимого гидроксида натрия на активную кислотность ультрафильтрата. В таблицах 3.3 и 3.4 представлены результаты эксперимента для натурального пермеата обезжиренного молока, а также для концентрированного пермеата.

Таблица 3.3 – Влияние концентрации щелочного реагента (Ср) на рН натурального пермеата обезжиренного молока Таблица 3.4. Влияние концентрации щелочного реагента (Ср) на рН концентрированного до 20 % сухих веществ пермеата обезжиренного молока продолжение таблицы 3. Для пермеата обезжиренного молока при низких концентрациях реагента (до 0,5 %) зависимость активной кислотности от концентрации щелочи носит линейный характер, при концентрации реагента 0,5 – 1,0 % наблюдается быстрое нарастание рН, после чего наблюдается замедление роста этого показателя. Для получения необходимой для процесса изомеризации рН = 10,0 достаточно внести NaOH количеством 0,75 % от объема пермеата обезжиренного молока.

Для концентрированного пермеата обезжиренного молока зависимость рН от концентрации щелочного реагента носит, в основном, линейный характер. Для получения необходимого значения активной кислотности рН = 10,0 достаточно внести NaOH количеством 6 % от объема концентрированного пермеата обезжиренного молока.

Дальнейшее внесение реагента нецелесообразно, т.к. повышение концентрации щелочи приводит к перерасходу реагента, а значение активной кислотности 10,0 является достаточным для проведения реакции изомеризации.

Далее были проведены эксперименты для определения оптимальной температуры изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока, при которой достигаются максимальные значения степени изомеризации лактозы.

Степень изомеризации лактозы в лактулозу определяли поляриметрически по формулам (2.4) и (2.5).

На основании априорной информации для реакции изомеризации необходимый уровень рН = 10,0, был выбран диапазон температур от 60 °С до 80 °С. Внесение щелочи концентрацией 20 % осуществляют в нагретый до заданной температуры раствор в количествах:

- 0,75 % для натурального пермеата (для образцов пермеата по 200 мл – 1,5 мл NaOH);

- 6 % для концентрированного пермеата (для образцов пермеата по 200 мл – 12 мл NaOH).

Усредненные результаты трех параллельных серий опытов по изомеризации лактозы в натуральном и концентрированном ультрафильтратах для трех температур 60, 70, 80 °С представлены в таблицах 3.4 и 3.5. Дальнейшее повышение температуры термостатирования нецелесообразно, т.к. приводит к значительному потемнению обоих образцов пермеата (продукты реакции Майара).

Таблица 3.4 – Изменение удельного угла вращения в натуральном пермеате обезжиренного молока п/п термоста- при температуре при температуре при температуре Таблица 3.5 – Изменение удельного угла вращения в концентрированном пермеате обезжиренного молока № Время п/п термоста- при температуре при температуре при температуре продолжение таблицы 3. термостатирования.

Степень изомеризации Si, % натуральном пермеате обезжиренного молока Степень изомеризации, % концентрированном пермеате обезжиренного молока результатов эксперимента показывает, что максимальная степень изомеризации при всех трех температурах наблюдается через 20 минут после начала термостатирования. При температуре 80 °С процесс проходит более эффективно (степень изомеризации Si = 24,40 %).

реакции при температуре 70 °С (степень изомеризации Si = 27,30 %). Понижение значения степени изомеризации при температуре 80 °С объясняется нарастанием концентрации побочных веществ – продуктов реакции Маяра, что подтверждается значительным потемнением реакционной смеси.

Для сопоставления кинетических закономерностей синтеза лактулозы в исследованных образцах пермеата обезжиренного молока рассчитаны значения скорости реакции изомеризации лактозы.

Кинетические модели синтеза лактулозы в пермеате обезжиренного молока при различных концентрациях и температурах представлены на рисунках 3.3 и 3.4.

Скорость изомеризации Слл, ммоль/л*с Рисунок 3.3 – Кинетические модели синтеза лактулозы в натуральном пермеате обезжиренного молока Скорость изомеризации Слл, ммоль/л*с концентрированном пермеате обезжиренного молока более высокой скоростью и выходом лактулозы:

через 20 минут после начала термостатирования;

после начала реакции при температуре 70 °С.

концентрированного пермеатов.

3.3 Оптимизация процесса изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока В рамках двухфакторного эксперимента изучалось совместное влияние температуры и времени термостатирования (при исходном уровне рН 10,0) на два выходных параметра – степень изомеризации (Si) и активную кислотность (рН).

Интервалы варьирования факторов приведены в таблицах 3.6 и 3.7.

Таблица 3.6. Условия двухфакторного эксперимента для натурального пермеата обезжиренного молока концентрированного пермеата обезжиренного молока Выходные параметры представлены в таблице 3.8.

Таблица 3.8. Выходные параметры двухфакторного эксперимента Y1 Степень изомеризации Изомеризация лактозы в лактулозу Результаты экспериментов по трем параллельным сериям опытов с обработкой результатов в программе Statistica представлены в таблицах 3.9 – 3.12.

Таблица 3.9. Результаты двухфакторного эксперимента по изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока, выходной параметр – степень изомеризации Таблица 3.10 – Результаты двухфакторного эксперимента по изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока, выходной параметр – рН пермеата после изомеризации Номер Матрица Варьируемые рН пермеата после Коэфопыта планиро- параметры изомеризации фициенты Таблица 3.11 – Результаты двухфакторного эксперимента по изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока, выходной параметр – степень изомеризации продолжение таблицы 3. Таблица 3.12 – Результаты двухфакторного эксперимента по изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока, выходной параметр – рН пермеата после изомеризации Номер Матрица Варьируемые рН пермеата после Коэфопыта планиро- параметры изомеризации фициенты На основании результатов экспериментов получены математические модели процессов изомеризации лактозы в лактулозу для рассмотренных объектов исследований. Трехмерные изображения и сечения поверхностей отклика каждого из выходных параметров представлены на рисунках 3.5 – 3.8.

Рисунок 3.5 – Поверхность отклика степени изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока Рисунок 3.6 – Сечение поверхности отклика степени изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока Рисунок 3.7 – Поверхность отклика степени изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока Рисунок 3.8 – Сечение поверхности отклика степени изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока Уравнения регрессии имеют вид:

- для натуального пермеата обезжиренного молока:

Si = 18,918 + 6,513·x1 – 3,657·x2 – 2,320·x12 – 3,090·x22 – 5,647·x1·x2 (3.3) - для концентрированного пермеата обезжиренного молока:

Si = 19,106 + 0,565·x1 – 2,121·x2 + 1,373·x12 – 0,849·x22 – 5,463·x1·x2 (3.5) рН = 9,619 – 0,051·x1 – 0,14·x2 – 0,084·x12 – 0,047·x22 – 0,013·x1·x2 (3.6) Анализ результатов эксперимента позволяет сделать следующие выводы:

1). Для реакции изомеризации лактозы в лактулозу в натуральном пермеате обезжиренного молока наиболее значимым фактором является температура.

Повышение температуры до определенных пределов (80 – 90 °С) приводит к увеличению степени изомеризации. С повышением времени термостатирования степень изомеризации лактозы убывает. Роль квадратичных эффектов носит отрицательный характер, как и влияние межфакторного взаимодействия. Все вышеперечисленные особенности приводят к появлению экстремума Si (30 - 33) % в диапазонах температуры (89,0 ± 0,5) °С и времени (18 ± 2) минут.

2). Для реакции изомеризации лактозы в лактулозу в концентрированном пермеате обезжиренного молока наиболее значимым фактором является время термостатирования. С повышением времени (более 20 минут) степень изомеризации уменьшается. С увеличением температуры степень изомеризации увеличивается, что говорит о положительном влиянии этого фактора. Влияние межфакторного взаимодействия носит отрицательный характер и приводит к появлению экстремумов. Однако, максимальной степени изомеризации (32 – 34) % можно добиться в диапазоне температуры (82 ± 0,5) °С и времени (18 ± 1,5) минут.

отрицательное влияние температуры и времени, как и их межфакторного взаимодействия, причем показатель времени термостатирования является более значимым фактором.

4). В целом, в технологии пребиотических концентратов в качестве сырья могут выступать как натуральный, так и концентрированный пермеаты (степень изомеризации отличается незначительно). Наибольшая концентрация лактулозы достигается путем проведения реакции изомеризации в пермеате обезжиренного молока сгущенном до 20 % сухих веществ, однако при этой концентрации возрастает концентрация побочных продуктов реакции, что влияет на физикохимические и органолептические показатели концентрата.

Так как разрабатываемый пребиотический концентрат является продуктом пищевого назначения, обязательной операцией является деминерализация пермеата, обогащенного лактулозой. Деминерализацию проводили до уровня 70 – 75 %. Уровень деминерализации определяли по формуле (2.13) [25, 64].

Концентрированный изомеризованный пермеат представляет больший интерес для дальнейших исследований, так как определяющим фактором все же является концентрация лактулозы. Кроме того, последующие технологические этапы подразумевают сгущение пермеата обезжиренного молока, обогащенного лактулозой, до 20 % сухих веществ.

Концентрация лактозы в изомеризованном пермеате составляет 10 – 12 %, поэтому необходимо произвести очистку раствора от непрореагировавших молекул лактозы. В рамках данной работы предложен новый способ очистки – гидролиз ферментом -галактозидазой, что позволит обогатить концентрат продуктами гидролиза лактозы, либо дополнительными пребиотиками – галактоолигосахаридами.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА ЛАКТОЗЫ В

ПЕРМЕАТЕ ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА, ОБОГАЩЕННОМ

ЛАКТУЛОЗОЙ

Одним из ключевых этапов технологии производства пребиотических концентратов является очистка обогащенного лактулозой пермеата обезжиренного молока от непрореагировавшей лактозы. Классическим методом очистки является кристаллизация лактозы. Этот метод имеет ряд недостатков, в числе которых сложность аппаратурного оформления процесса, задействование дополнительных производственных площадей, а также длительность процесса кристаллизации.

Одним из перспективных методов очистки является гидролиз лактозы ферментными препаратами -галактозидазы. Данная операция позволяет обогатить концентрат дополнительными биологически ценными веществами – продуктами гидролиза лактозы (глюкозой и галактозой). Также существует возможность создания условий для реакции трансгалактозилирования, что позволит обогатить концентрат галактоолигосахаридами.

В поставленные цели входило выявление закономерностей трансформации лактозы в присутствии фермента -галактозидазы. На первом этапе эксперимента галактозилирования лактозы при различных уровнях активной кислотности.

4.1 Изучение влияние температуры и рН на состав продуктов реакции лактозы с препаратом дрожжевой -галактозидазы использовался концентрированный пермеат обезжиренного молока, обогащенный лактулозой.

Для предотвращения автокаталитического распада лактулозы пермеат нейтрализовали лимонной кислотой концентрацией 50 %. На начальном этапе эксперимента определяли влияние дозы вносимой лимонной кислоты на активную кислотность ультрафильтрата. На рисунке 4.1 представлены результаты эксперимента.

рН пермеата Рисунок 4.1 – График экспериментальной зависимости величины рН концентрированного пермеата обезжиренного молока, обогащенного лактулозой, от концентрации лимонной кислоты (Сл) Из рисунка видно, что рН пермеата изменяется неравномерно. На первом этапе при внесении лимонной кислоты до 4,5 % от объема пермеата наблюдается резкое снижение рН до 4. На втором этапе увеличение количества кислоты приводит к незначительному уменьшению уровня рН с 4 до 3.

В качестве фермента выступал препарат «Биолактаза Л20». Необходимая доза фермента зависит от желаемого уровня гидролиза, температуры и рН субстрата, а также времени реакции. Для данной серии опытов, в соответствии с рекоминдациями производителя, выбрана дозировка фермента – 0,1 % от объема пермеата.

Для определения оптимальной температуры ферментации обратились к инструкции по применению фермента и указанными в ней диапазонами. Исходя из этого, было принято решение, сравнить степень гидролиза и степень трансгалактозилирования лактозы при температурах 40, 50, 60 °С. Фермент вносился одновременно в два образца пермеата. Эксперимент проводился при каждой температуре от четырех до шести раз.

В таблице 4.1 представлены дозировки лимонной кислоты, вносимой в пермеат для достижения различного уровня рН.

Таблица 4.1 – Дозировка лимонной кислоты в зависимости от уровня рН пермеата В таблице 4.2 представлены результаты, полученные при внесении препарата «Биолактаза Л20» в пермеат с различными значениями рН (4, 5, 6), термостатированный при разных температурах (45, 50, 55 °С).

Степень гидролиза лактозы определяли криоскопическим методом по формуле (2.8).

Закономерности процесса гидролиза лактозы в пермеате обезжиренного молока представлены на рисунках 4.2 – 4.4.

Таблица 4.2 – Понижение точки замерзания пермеата обезжиренного молока при внесении препарата Биолактаза Л Степень гидролиза, % Рисунок 4.2 – Изменение степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока при внесении препарата Биолактаза Л20 при значении рН = 6, Степень гидролиза, % Рисунок 4.3 – Изменение степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока при внесении препарата Биолактаза Л20 при значении рН = 5, Степень гидролиза Sg, % обезжиренного молока при внесении препарата «Биолактаза Л20» при значении рН = 4, концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой представлены на рисунках 4.5 – 4.7.

Степень трансгалактозилированияSt, % обезжиренного молока при температуре 45 °С обезжиренного молока при температуре 50 °С Степень трансгалактозилированияSt, % Рисунок 4.7 – Изменение степени трансформации лактозы в пермеате обезжиренного молока при температуре 55 °С начала термостатирования. Оптимальными параметрами для гидролиза являются температура 45 °С и значение рН = 6,0 (при данных параметрах степень гидролиза составляет 65,00 %).

реакции для всех значений рН и температуры. Оптимальными параметрами для синтеза ГОС являются температура 50 °С и значение активной кислотности 4,0.

на следующем этапе эксперимента было решено определить оптимальные трансгалактозилирования.

обезжиренного молока, обогащенном лактулозой Изучалось совместное влияние температуры и времени термостатирования (при уровне рН = (6,0 ± 0,1)) на один выходной параметр – степень гидролиза (Sg). Интервалы варьирования факторов приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Условия двухфакторного эксперимента для проведения гидролиза концентрированного пермеата обезжиренного молока, обогащенного лактулозой Результаты экспериментов по трем параллельным сериям опытов с обработкой результатов в программе Statistica представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Результаты двухфакторного эксперимента для реакции гидролиза концентрированного пермеата – выходной параметр – степень гидролиза продолжение таблицы 4. На основании результатов экспериментов получены математические модели процесса гидролиза концентрированного пермеата обезжиренного молока, обогащенного лактулозой. Трехмерные изображения и сечения поверхностей отклика степени гидролиза представлены на рисунках 4.8 – 4.9.

Степень гидролиза, Рисунок 4.8 – Поверхность отклика степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой 30- 40- Рисунок 4.9 – Сечение поверхности отклика степени гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой Уравнение регрессии имеет вид:

Sg = 69,002 – 3,183·x1 + 6,359·x2 – 5,505·x12 – 9,165·x22 + 8,033·x1·x2 (4.1) Итак, для реакции гидролиза лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой, наиболее значимым фактором является время термостатирования. С увеличением этого фактора возрастает и отрицательно влияет на степень гидролиза. Повышение температуры до определенных пределов (45 – 47 °С) приводит к увеличению степени гидролиза, дальнейшее повышение температуры ведет к частичной денатурации фермента.

Роль межфакторного взаимодействия носит положительный характер. Экстремум наблюдается в диапазоне температур (46,0 ± 1,0) °С и времени (145 ± 2) минут – при данных значениях технологических параметров степень гидролиза достигает своего максимального значения (71 ± 1) %.

4.3 Оптимизация процесса трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока, обогащенном лактулозой Изучалось совместное влияние температуры и времени термостатирования (при уровне рН = (4,0 ± 0,1)) на степень трансформации (St). Интервалы варьирования факторов приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 – Условия двухфакторного эксперимента для проведения реакции трансгалактозилирования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой Результаты экспериментов по трем параллельным сериям опытов с обработкой результатов в программе Statistica представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 – Результаты двухфакторного эксперимента для реакции трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока – выходной параметр – степень гидролиза продолжение таблицы 4. На основании результатов экспериментов получены математические модели рисунках 4.10 – 4.11.

Степень гидролиза, % Рисунок 4.10 – Поверхность отклика степени трансгалактозилирования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой трансгалактозилирования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой Уравнение регрессии имеет вид:

Для реакции трансгалактозилиования лактозы в концентрированном пермеате обезжиренного молока, обогащенного лактулозой, наиболее значимым фактором является время термостатирования, температура в заданном интервале (42 – 57) °С является фактором не значимым. Межфакторное взаимодействие с повышением температуры и времени носит отрицательный характер. Повышение времени отрицательно влияет на степень трансгалактозилирования, однако квадратичные эффекты приводят к появлению двух экстремумов в разных диапазонах времени: степень трансгалактозилирования (102 – 103) % в интервалах времени (48 – 51) минут и температуры (43 – 44) °С и значение (9 – 13) минут на всем заданном интервале темпертуры. Максимальная степень трансгалактозилирования достигает 106,8 % при температуре (56 – 57) °С и времени термостатирования (9 – 10) минут.

В качестве ингредиентов разрабатываемого пребиотического концентрата могут выступать как продукты гидролиза лактозы – глюкоза и галактоза, так и продукты трансгалактозилирования – галактоолигосахариды. Следующей задачей является разработка технологии пребиотических концентратов двух различных составов:

- пребиотический концентрат на основе лактулозы, обогащенный глюкозой и галактозой;

- пребиотический концентрат на основе лактулозы, обогащенный галактоолигосахаридами.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРЕБИОТИЧЕСКОГО

КОНЦЕНТРАТА НА ОСНОВЕ ПЕРМЕАТА ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА

5.1 Технологический процесс получения пребиотического концентрата на основе пермеата обезжиренного молока. Обоснование оптимальных технологических параметров По результатам экспериментов были установлены оптимальные параметры процессов изомеризации, гидролиза и трансгалактозилирования лактозы в пермеате обезжиренного молока:

максимальная степень изомеризации (32 – 34) % достигается при температуре (82 ± 0,5) °С и времени выдержки (18 ± 1,5) минут;

максимальная степень гидролиза наблюдается в диапазоне температур (46,0 ± 1,0) °С и времени (145 ± 2) минут – при данных значениях технологических параметров степень гидролиза достигает (70 ± 1) %;

наблюдается при температуре (56,0 ± 1,0) °С и времени термостатирования (9 – 10) минут.

При разработке технологии пребиотического концентрата на основе вторичного молочного сырья за основу были приняты установленные следующие технологические параметры основных процессов – изомеризации, гидролиза и трансгалактозилирования лактозы:

1. В качестве сырья используется обезжиренное молоко, либо творожная или подсырная сыворотка. Данный вид сырья, как правило, является вторичным, а во многих случаях служит отходом основного производства. Наиболее подходящим сырьем, однако, служит обезжиренное молоко, которое характеризуется относительно высокой кислотностью. Кроме того, в данном виде сырья крупные белковые молекулы, по сравнению с сывороточными белками, обладают наиболее подходящей для процесса ультрафильтрации структурой.

2. Для более эффективного проведения процесса ультрафильтрации необходимо довести температуру сырья до 45 – 50 °С и давление 0,5 – 0,8 МПа [29, 121, 122].

3. Для проведения процесса изомеризации лактозы в лактулозу необходимо сгустить пермеат до концентрации сухих веществ (20 ± 0,1) %, довести рН концентрированного пермеата до (10,1 ± 0,1), термостатировать при температуре (82,0 ± 0,5) °С в течение (18,5 ± 2,5) минут. Для предотвращения автокаталитического распада лактулозы использовать лимонную кислоту концентрацией (50 ± 0,1) %.

4. Для проведения процесса гидролиза лактозы в изомеризованном пермеате обезжиренного молока необходимыми параметрами ферментации являются: уровень активной кислотности рН = (6,0 ± 0,1), температура (46,0 ± 0,5) °С и времени термостатирования (145,5 ± 2,5) минут.

5. Для процесса трансгалактозилирования лактозы предложено доводить рН пермеата до (4 ± 0,1) и термостатировать при температуре (56 ± 0,5) °С с выдержкой (12,5 ± 2,5) минут.

Разработка технологии пребиотических концентратов проводилась с учетом анализа известных способов производства сгущенных и сухих продуктов на основе молочной сыворотки, методов изомеризации лактозы в лактулозу в молочном белково-углеводном сырье, а также методов очистки пребиотических концентратов [32, 122, 135, 136, 137, 138, 139, 140].

Необходимое количество сырья для получения 1000 кг пребиотических концентратов, содержащих продукты гидролиза лактозы и продукты трансгалактозилирования лактозы представлено в таблице 5.1. Расчет материальных балансов для двух концентратов представлен в приложении А.

Таблица 5.1 – Расход сырья, кг на 1000 кг пребиотического концентрата (без учета потерь) Итого:

Вторичные продукты:

Технологический процесс производства пребиотических концентратов из пермеата обезжиренного молока осуществляют в соответствии с блок-схемой, приведенной на рисунке 5.1., по технологической схеме, изображенной на рисунке 5.2.

Концентрат, образующийся в ходе ультрафильтрации, является продуктом, обладающим ценнейшим составом. Сиропы и концентраты с гидролизованными белками представляют большой интерес для различных отраслей пищевой промышленности, поскольку повышают питательную ценность продуктов, улучшают их технологические свойства.

В частности, на предприятии «Молочный Комбинат «Ставропольский»»

налажено производство белковых концентратов из обезжиренного молока, с использованием процесаультрафильтрации, что дает возможность для совместного производства как белковых, так и пребиотических концентратов.

Рисунок 5.1 – Блок-схема технологического процесса производства пребиотических концентратов из обезжиренного молока с использованием биотрансформации лактозы Рисунок 5.2 – Технологическая линия производства пребиотических концентратов из обезжиренного молока Блок 1. Приемка сырья оценка качества. Приемка и сбор обезжиренного молока осуществляется с помощью центробежного насоса (1), в резервуар (2) с охлаждающей рубашкой, где происходит накопление сырья перед его дальнейшей обработкой. Оценка химического состава и свойств обезжиренного молока осуществляется по следующим показателям: массовая доля сухих веществ и лактозы, титруемая или активная кислотность. Далее осуществляется пастеризация обезжиренного молока при режимах (72 ± 2) °С, без выдержки.

Пастеризация осуществляется в трубчатом пастеризаторе (3).

Блок 2. Ультрафильтрация. Далее обезжиренное молоко охлаждается в пластинчатом охладителе (4) до температуры (45 – 50) °С и накапливается в резервуаре (2). Далее обезжиренное молоко направляется на ультрафильтрацию в ультрафильтрационную установку (5), при этом концентрат остается в резервуаре, а пермеат поступает в емкость для хранения (6). Емкость оснащена рубашкой для охлаждения.

биотрансформации лактозы, необходимо концентрировать пермеат обезжиренного молока до содержания сухих веществ (20 ± 0,1) %. Сгущение пермеата осуществляется на вакуум-выпарной установке (7). Далее с помощью ротационного насоса (8) концентрированный пермеат поступает в ферментер для дальнейшей изомеризации.

Блок 4. Изомеризация. Изомеризация лактозы в лактулозу осуществляется при температуре (82 ± 0,5) °С при значении активной кислотности (10,1 ± 0,1).

Данное значение рН достигается посредством внесения 20 %-го раствора гидроксида натрия в количестве (6,0 ± 0,1) % от объема концентрированного пермеата. Изомеризация осуществляется в течение (18,5 ± 2,5) минут в ферментере (9). По достижению заданного времени изомеризации вносят лимонную кислоту в количестве (1,8 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного глюкозой и галактозой, и (4,5 ± 0,1) % – для пребиотического концентрата, обогащенного галактоолигосахаридами.

Блок 5. Деминерализация. Процесс осуществляется при температуре 15 – 20 °С в электродиализной установке 11 [25].

Блок 6. Ферментация лактазой. В ходе ферментации реакция лактозы с -галактозидазой может сместиться как в сторону гидролиза, так и в сторону трансгалактозилирования.

6. Гидролиз. Процесс осуществляется при температуре (46,0 ± 0,5) °С при уровне активной кислотности рН = (6,0 ± 0,1) и времени ферментации (145,5 ± 2,5) минут. Данный уровень активной кислотности достигается внесением лимонной кислоты в количестве (1,8 ± 0,1) % от объема пермеата.

7. Процесс трансгалактозилирования необходимо проводить при значении рН = (4 ± 0,1), температуре (56 ± 0,5) °С и времени термостатирования (12,5 ± 2,5) минут. Данный уровень активной кислотности достигается внесением лимонной кислоты в количестве (4,5 ± 0,1) % от объема пермеата. Оба процесса осуществляются в комплекте оборудования для гидролиза (9). Каскад ферментеров работает по принципу непрерывной ферментации [53].

Блок 7. Инактивация. Для инактивации фермента в начале сгущения температуру в вакуум-выпаной установке (7) поднимают до 70 °С.

Блок 8. Досгущение. Полученный пребиотический концентрат сгущается на вакуум-выпаной установке (7) до концентрации сухих веществ 60 %.

Анализ полученных данных показал, что при данной концентрации продукта вероятность микробиологической порчи достаточно мала, так как концентрат является продуктом с низкой влажностью.

Блок 8. Сгущенный продукт с помощью насоса (8) поступает на фасовку, где разливается в алюминиевые фляги аппаратом для фасовки во фляги (13).

Перечень основного технологического оборудования рекомендованного для производства пребиотических концентратов представлен в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Перечень основного технологического оборудования для производства пребиотических концентратов № Наименование оборудования Производительность, Марка, тип 7. Вакуум-выпарная установка (2 шт.) 2000 кг испаренной Виганд- На основе разработанной технологии были проведены опытные выработки партий концентратов объемом 0,1 л на базе экспериментального цеха факультета биотехнологии пищевых продуктов Северо-Кавказского Федерального Университета, а также опытные выработки партий концентратов на предприятии «Молочный Комбинат «Ставропольский»» (Приложение Б).

концентратов (№1 – пребиотический концентрат, обогащенный глюкозой и галактозой (ПК-ГЛ); №2 – пребиотический концентрат, обогащенный галактоолигосахаридами (ПК-ГОС)).

Исследование углеводного состава опытных образцов пребиотических Химический состав опытных образцов приведен в таблице 5.3.

таблицах 5.3 – 5.4.

Таблица 5.3 – Химический состав опытных образцов пребиотических концентратов Наименование показателя Среднее значение и пределы колебаний веществ, % в том числе:

микробиологические показатели опытных образцов пребиотических концентратов Наименование Характеристика показателя, среднее значение и Внешний вид, Однородная, допускается Однородная, допускается Количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в 1 г продукта плесеней в 1 г сырье и пищевые продукты. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов»

СТО 02067965-007-2013. Опытно-промышленная апробация проводилась в 2013 г.

(Приложение Г).

специальностей 240902.65 – Пищевая биотехнология и 260303.65 – Технология молока и молочных продуктов (Приложение Д).

пребиотического концентрата Для характеристики пребиотических концентратов, как товара приведем ряд ценных потребительских свойств:

- высокая бифидогенная активность;

- сладость (у лактулозы – в 1,5 раза больше чем у лактозы);

- хорошая растворимость благодаря наличию лактулозы, глюкозы, галактозы, галактоолигосахаридов;

- способность к длительному хранению в виде концентрата;

- совместимость с компонентами пищевых систем [5, 75].

Пребиотические концентраты, являясь классическими представителями компонентов функционального питания, необходимыми в качестве пищевых добавок большинству населения, являются, в большинстве своем, дорогостоящими продуктами. Поэтому необходимо удешевление технологии концентратов. Использование вторичного молочного сырья в качестве источника пребиотических веществ – один из перспективных методов решения этой проблемы. Кроме того, вторичное молочное сырье зачастую выступает в качестве отхода производства, поэтому использование его компонентов служит еще и цели защиты окружающей среды.

При оценке экономической эффективности внедрения разработанных технологий исходим из того, что производство будет организовано на базе цехов по производству сгущенных молочных продуктов (в частности – на базе цеха по «Ставропольский»»). Внедрение производства разработанного продукта потребует дополнительных затрат на приобретение оборудования и его монтаж.

Перечень необходимого оборудования представлен в таблице 5.5.

Дополнительных площадей не требуется. Расчет производится на годовой объем производства пребиотического концентрата из обезжиренного молока 300 т.

Производить продукцию планируется 300 суток в году при двухсменной работе.

оборудования [54] охладитель фасовки во фляги * цены на оборудование на 2010 год [149], [153].

Расчет экономической эффективности внедряемых технологий представлен в приложении Е.

Расчет стоимости сырья и основных материалов на выпуск 1 т продукции в представлен в таблице 5.6.

Стоимость сырья и основных материалов складывается из доли стоимости пермеата обезжиренного молока (100 руб. за 1 т), фермента Biolactase L (400 тыс. руб. за 1 т), гидроксида натрия концентрацией 20 % (19,0 тыс. руб.), лимонной кислоты (52,9 тыс. руб.).

Таблица 5.6 – Расчет стоимости сырья и основных материалов на выпуск 1 т продукции пребиотических концентратов ПК-ГЛ и ПК-ГОС Продукция Сырье и основные Затраты на сырье и основные Основные показатели экономической эффективности представлены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 – Экономическая эффективность проекта 4. Прибыль от реализации продукции, тыс. руб. 1135,620 1846, Итак, рентабельность произвоства пребиотических концентратов для ПК-ГОС 25,81 % и для ПК-ГЛ 23,36 %. Получение высокой прибыли возможно при выпуске продукции соответствующего качества, отвечающего всем требованиям и нормам.

Для сравнения технико-экономических показателей разрабатываемых пребиотических концентратов в качестве аналога выступает бифидогенный концентрат из молочной сыворотки «Лактобел». Также для сравнения представлены характеристики концентрата лактулозы, вырабатываемого из молочного сахара. Сравненительный состав концентратов и разрабатываемых продуктов приведен в таблице 5.8.

пребиотических концентратов, бифидогенного концентрата «Лактобел» и концентрата лактулозы «Лактусан»

вещества * ТУ 9229-038-00437062- ** ТУ 9229-004-53757476- Отличительной особенностью состава разрабатываемых концентратов является наличие таких биологически активныхвеществ как глюкоза, галактоза и лактулозы, однако нужно иметь в виду, что такие концентраты как «Лактусан»

вырабатываются из молочного сахара, что повышает их цену.

В таблице 5.9 приведены сравнительные технико-экономические показатели разрабатываемых пребиотических концентратов, бифидогенного концентрата «Лактобел» и концентрата лактулозы «Лактусан».

Таблица 5.9 – Сравнительная характеристика технико-экономических показателей разрабатываемых пребиотических концентратов, бифидогенного концентрата «Лактобел» и концентрата лактулозы «Лактусан»

продукции, тыс. руб.

* Цены указаны на 2010 год Из таблицы видны очевидные преимущества производства пребиотических концентратов из вторичного молочного сырья в сравнении с концентратами, полученными из молочного сахара. Использование в качестве сырья пермеата обезжиренного молока, фактически – побочного продукта производства, позволило значительно снизить себестоимость и, как следствие, цену разрабатываемых концентратов. Кроме того, нельзя не отметить что переработка ультрафильтратов вторичного молочного сырья положительно влияет на экологическую составляющую пищевыхпроизводств.

концентратов Идеальный технологический цикл опирается на полное и рациональное использование всех компонентов сырья [42, 100, 109]. Поэтому переработка вторичного молочного сырья, которое зачастую выступает в качестве отходов производства – приоритетная задача современных пищевых технологий. Любая новая технология основывается, прежде всего на безопасности продукции с санитарной и биологической точки, кроме того нелишним будет решение ряда экологических проблем. Данные требования возможно реализовать при должном соблюдении технологических режимов [8, 95].

Сведение загрязнений как материальных, так и энергетических к минимальному количеству является требованием экологически чистой технологии [47].

Внедрение системы ХАССП (Hazard Analysis of Critical Control Points) [1, 9, 87] позволяет контролировать весь технологический процесс, оценивать серьезность всех опасностей и вероятностей их возникновения.

В таблице 5.10 содержащей перечень критических контрольных точек и их характеристик для разрабатываемой технологии.

Таблица 5.10 – Пределы критических контрольных точек [4, 90] Пастеризация 70 – 72 °С проводится для удаления посторонней Ультрафильтрация 50 – 55 °С При понижении температуры происходит Концентрирование Концентрация При более низкой концентрации продолжение таблицы 5. Инактивация 70 – 72 °С Данный температурный режим обусловлен фермента Сгущение 55 – 65 °С При высокой температуре происходит Расфасовка и Соответствие Исходящий контроль осуществляется по Хранение Влажность 75 % При несоблюдении режима продукт при температуре несоответствует качеству Блок-схема ХАССП разрабатываемой технологии представлена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Блок-схема ХАССП производства пребиотического концентрата a – химические факторы риска b – биологические факторы c – физические факторы

ВЫВОДЫ

1) Мониторинг видов сырья, использующихся для производства пребиотических концентратов, показал, что для получения данного вида продуктов наиболее целесообразно использовать ультрафильтраты вторичного молочного сырья. В частности, оптимальными характеристиками для проведения процесса щелочной изомеризации обладает пермеат обезжиренного молока.

2) Исследовано влияние основных технологических факторов – концентрации, температуры и времени термостатирования на степень изомеризации лактозы в лактулозу. Для образцов натурального пермеата максимальная степень изомеризации наблюдается через 20 минут после начала термостатирования. При температуре 80 °С процесс проходит более эффективно.

Для образцов концентрированного пермеата максимальная степень изомеризации наблюдается через 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С.

3) В ходе исследований кинетических закономерностей процесса изомеризации лактозы в лактулозу, получили следующие результаты: реакция изомеризации протекает с более высокой скоростью и выходом лактулозы для натурального пермеата при температуре 80 °С через 20 минут после начала термостатирования, и для концентрированного пермеата 20 минут после начала реакции при температуре 70 °С.

4) Оптимизированы процессы изомеризации лактозы в лактулозу в пермеате обезжиренного молока. Для натурального пермеата максимальная степень изомеризации (30 – 33) % наблюдается в диапазонах температуры (89,0 ± 2,5) °С и времени (18 ± 2) минут. В концентрированном пермеате при значениях температуры (82 ± 0,5) °С и времени термостатирования (18 ± 1,5) минут можно добиться степени изомеризации лактозы (32 – 34) %. Концентрация побочных продуктов изомеризации возрастает с увеличением температуры и времени термостатирования. Для производства пребиотических концентратов технологически целесообразно концентрировать пермеат перед изомеризацией.